AP # 2 : La Terre, une planète particulière
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Thème 1 Chapitre 1 AP # 2 : La Terre, une planète particulière : influence de la position dans le système solaire C12 Expérimenter, Manipuler C15 Réaliser un graphique C17 U7liser des instruments de mesure et mesurer des valeurs C20 Concevoir un protocole de modèle analogique C22 Modéliser C23 Tirer une conclusion, Raisonner La surface du soleil, dont la température est de 5500°C, rayonne dans tout l’espace qui l’entoure, ce rayonnement a;eignant les différentes planètes. Outre des radiaAons de lumière visible, il émet de la chaleur, sous forme d’infrarouges. Poursuivons notre approche des singularités terrestres à l’aide d’un modèle. Nous allons nous pencher un peu plus en détail sur la noAon de rayonnement solaire moyen reçu en surface. Les températures de surface observées sur les planètes du système solaire, dont celle de la Terre, peuvent-­‐elles s’expliquer par leur éloignement du Soleil ? Activité 1 : 1 h Vous devez vérifier ce/e hypothèse à par7r d’un modèle analogique à concevoir avec le matériel proposé. A disposition : une règle, une lampe, un thermomètre, (un luxmètre) Document 1 : No7on de modèle analogique L'intérêt d’un modèle analogique réside dans le fait qu'il est d'un coût intellectuel très faible et qu'il permet d'explorer très rapidement un phénomène. Son danger est dans le "critère d'évidence": plus l'analogie s'imposera "d'évidence", plus les risques d'idenAfier l'objet à son modèle seront grands. Il permet de faire une simulaAon impossible sur le véritable objet d’étude lui-­‐même. Il faudra en envisager les limites pour expliquer le phénomène étudié. La perAnence du modèle analogique réside donc surtout dans le degré de précision que l'on s'accorde. Il a souvent une foncAon explicaAve ("ça marche comme") mais peut aussi avoir une foncAon prédicAve ("si ça marche comme ... alors si je fais ceci je devrais obtenir cela"). Le test de la foncAon prédicAve va perme;re d'explorer les limites de validité du modèle, voire de lui subsAtuer un modèle plus performant encore. Document 2 : Indicateurs de réussite pour la représenta7on graphique : -­‐ -­‐ -­‐ -­‐ 1/ choix des échelles judicieux (gesAon de l’espace de la feuille) 2/ précision & bon emplacement des points 3/ bonne informaAvité du Atre 4/ informaAvité des axes correcte (grandeur, unité de mesure, orientaAon, graduaAons régulièrement espacées) Document 3 : Tableau donnant les températures moyennes au Soleil par planète du système solaire jusqu’à Saturne planète Mercure Vénus Terre Mars Jupiter Saturne Distance au Soleil 60 100 150 230 800 1500 Température moyenne en surface (en °C) 180 400 15 -­‐50 -­‐140 -­‐160 ( en millions de km) Une aide à la résolu7on de l’ac7vité est disponible pour ceux qui ont du mal : elle ôte ⅕ de votre note en cas d’évalua7on du compte-­‐rendu Aide à la résolution : -­‐ réaliser des mesures de la température à des distances variables adéquates dans le prolongement de l’éclairement de la lampe -­‐ construire le graphique associé rendant compte des résultats des mesures -­‐ comparer l’allure de la courbe théorique avec celle du modèle -­‐ valider l’hypothèse en argumentant -­‐ discuter des limites du modèle Activité 2 : 20 min Concevoir et réaliser un protocole avec une expérience témoin perme/ant de me/re en évidence l’effet de serre A disposition : 2 cristallisoirs, du film é7rable, du coton, de l’eau chauffée, un thermomètre Trace écrite / Bilan : -­‐ La Terre est une planète rocheuse du système solaire : les condi7ons physico-­‐chimiques qui y règnent perme/ent l’existence d’eau liquide et d’une atmosphère compa7ble avec la vie. -­‐ Ces par7cularités sont liées à la taille de la Terre et à sa posi7on dans le système solaire. -­‐ Ces condi7ons peuvent exister sur d’autres planètes qui possèderaient des caractéris7ques voisines sans pour autant que la présence de vie y soit certaine (exoplanètes à habitabilité) Thème 1 Chapitre 1 Corrigé AP # 2 : La Terre, une planète particulière : influence de la position dans le système solaire Activité 1 : Nous devons valider l’hypothèse « les températures de surface sur les planètes dépendent de leur éloignement du Soleil» Le modèle expérimental lampe /objet est-­‐il un modèle explicaBf saBsfaisant pour évaluer l’influence de la posiBon des planètes du système solaire vis-­‐à-­‐vis de leur étoile, le Soleil ? Pour construire le graphique, chacun dispose : -­‐ d’environ 18 grands carreaux, soit 18 cm en largeur -­‐ d’environ 25 grands carreaux, soit 25 cm de longueur Nous avons 2 courbes à construire : -­‐ 1/ celle donnant les variaAons de température en foncAon de la distance de l’objet à la lampe -­‐ 2/ celle du système solaire donnant l’évoluAon de la température moyenne au sol pour les 6 premières planètes en foncAon de leur distance à l’étoile, le Soleil (les données sont fournies dans l’énoncé et ont été établies à la séance 1, voir correcAon) 4 Indicateurs de réussite ont été retenus parmi ceux de la feuille méthode distribuée pour évaluer vos construcAons de graphiques. N’importe qui ramassant vos graphiques par terre doit pouvoir les lire et les comprendre. -­‐ 1/ un 7tre informa7f englobant les 3 courbes -­‐ 2/ des choix judicieux d’échelle des 2 axes des 3 courbes (bonne uAlisaAon de l’espace de la feuille A4) -­‐ 3/ la précision des points et du tracé des 3 courbes -­‐ 4/ des axes informa7fs : orientés par une flèche, avec des valeurs régulièrement espacées sur l’axe et le nom de la grandeur et de leur unité de mesure au bout de l’axe exemple de calcul d’échelle intéressante pour le graphique n° 2 : la distance à l’étoile sera placée sur l’axe horizontal, la température moyenne sur l’axe verAcal. Dans quel sens prendre la feuille ? On a une variaAon de température moyenne maximale de : + 400°C (pour Vénus) à -­‐160°C pour Saturne soit 560 °C on a une distance maximale au Soleil à faire figurer de 1500 x 10^6 km (distance Soleil -­‐ Saturne) ! UAlisons donc la longueur pour l’axe des distances les groupes ont eu une variaAon de température pour des distances de 5 cm à 1m de la lampe de 1°C maximum. Il semble donc mieux de réserver la longueur de la feuille aux axes de distance. Choix des échelles : <=> signifie « correspond à » 25 cm <=> 1500 x 10^6 km soit 1500 x 10^6 km pour 25 cm soit 3 x 5 x (25 x 4) x 10^6 km pour 25 cm On simplifie par 25, il reste : 60 x 10^6 km pour 1 cm sur la feuille 18 cm <=> 560 °C soit 560 °C pour 18 cm soit 280 °C pour 9 cm (simplificaAon par 2) 280 / 9 = (180 + 100 ) / 9 = 20 + (100 / 9) soit environ 30 °C pour 1 cm de feuille Idem pour le raisonnement du choix des échelles pour l’autre courbe Comment placer une planète sur ce graphique ? Prenons la Terre et effectuons les règles de 3 appropriées pour chaque axe -­‐ Soit d1 la distance à l’origine (le Soleil) où placer la Terre. axe horizontal : 60 x 10^6 km <=> 1 cm 150 x 10^6 km <=> d1 donc d1 = 150 / 60 cm = 5 / 2 = 2,5 cm -­‐ Soit d la distance à l’origine de l’axe où placer la Terre axe verAcal : 30 °C <=> 1 cm 15 °C <=> d2 donc d2 est à ½ cm du point origine 0°C Idem pour le raisonnement pour les 4 autres planètes !! remarque : Vénus est une excepAon qui ne doit pas être prise en compte pour la courbe exemples de valeurs trouvées parmi vous distance à la lampe (en cm) 0 5 10 15 20 30 40 60 70 80 température (en °C) 31 28,6 27,8 27,6 27,5 27,4 27,2 27,1 27 27 Interprétations : La courbe expérimentale a une allure très proche de celle des 6 premières planètes vis-­‐à-­‐vis du Soleil quant à leur température moyenne au sol. Le modèle est donc très saAsfaisant pour évaluer l’influence de la posiAon d’une planète vis-­‐à-­‐vis de l’étoile. Il y a une rela7on décroissante non linéaire entre la température au sol et l’éloignement de l’étoile. Pour aller plus loin : C’est en fait une loi en 1/d^2 où d est la distance à l’étoile. Vénus ne répond pas à ce;e relaAon car son atmosphère à 96% en CO2 entraîne un effet de serre très fort qui réchauffe considérablement sa surface, ce qui la rend plus chaude de 100°C en moyenne en surface que Mercure pourtant plus près du Soleil de 40 x 10^6 km !!! La présence de l’eau liquide est liée à la vie et pour qu’elle se forme, il faut que la planète soit ni trop près ni trop loin de l’étoile, dans une zone dite d’habitabilité qui dépend aussi de l’énergie de l’étoile. Correction activité 2 : Protocole Résultats : avec coton 0 temps t (en min) température ⦶ (en °C) sans coton 0 temps t (en min) température ⦶ (en °C) Constat : la comparaison des 2 expériences (avec et sans atmosphère à GES) montre un échauffement durant un temps équivalent bien supérieur en présence du coton imbibé d’eau chauffée Interprétation : il y a bien un effet de serre du au GES vapeur d’eau (à PRG = pouvoir de réchauffement global élevé, bien supérieur au CO2 ).
