physiqueseconde tp

7/25/2019 Physiqueseconde TP

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MENRT, CNDP et GTD de physique-chimieDocument d'accompagnement du programme de physique de 2nde/ Statut volutif - version janvier 2000

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PHYSIQUE

DOCUMENT DACCOMPAGNEMENT DE SECONDE


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SOMMAIRE

Introduction ................................................................3

Acquis du Collge ...................................................5

I. Exploration de l'espace .....................................6Progression A.............................................................6

Activits....................................................................8Progression B ............................................................14

Activits....................................................................16Progression C ............................................................21

Activits....................................................................23Progression D ............................................................32

Activits....................................................................34TP ................................................................................46Exercices sur la partie I .............................................81Fiches ..........................................................................94

II. L'un ivers en mouvement et le temps .........111Progression A.............................................................111

Activits....................................................................112Progression B ............................................................116

Activits....................................................................117TP ................................................................................118Exercices sur la partie II............................................140Exercices pour aller plus loin ...................................156Fiches ..........................................................................160

III. L'air qui nous entoure......................................165

Progression A.............................................................166Activits....................................................................167

Progression B ............................................................174Activits....................................................................175

TP ................................................................................176Exercices sur la partie III...........................................185Exercices pour aller plus loin ...................................190Fiches ..........................................................................191


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Document d'accompagnement

PHYSIQUE

EXPLORATION de l ESPACE

Progression N

Objectifs vissCette progression se propose

De latome aux galaxies

DureActivit propose Rfrence du document

1h Prsentation de Activit n11h Activit n21,5h TP

Les activits suivent les tableaux de progression, elles sont repres par la signaltique

Activit n

Les documents de TP sont regroups et identifis par une rfrence gnrique du type :

TP Mesures de distances (n)ou

TP Sonar

Dans certains cas plusieurs versions existent, elles sont relatives chacune une progression et portent

un numro pour les diffrencier.Il ne sagit pas de fiches de travaux pratiques distribuer aux lves, mais dexplicitation de lastratgie du TP accompagne de la liste des objectifs dapprentissage viss lors de la sance.

Les documents prsents concernent les troisparties du programme : Exploration delespace, Mouvements et temps et L'air quinous entoure.Ces textes sont encore en phase dlaboration.Quatre progressions sont proposes pour lapremire partie, notes A, B, C et D, et deuxpour les seconde et troisime parties, notes Aet B.Elles sont prsentes sous forme de tableaucomme celui qui suit :


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Pour faciliter le travail, des fiches techniques dcrivent la ralisation pratique de certaines expriences.Ces fiches sont regroupes et numrotes. Si besoin est, certains TP indiquent le numro de rfrencencessaire.Une banque dexercices est galement propose.

Remarque: Une liste de ce qui a t vu au collge et qui sera rinvesti en seconde est rsume pagesuivante.


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ACQUIS DU COLLEGE

I. Exploration de lespace

1. De latome aux galaxiesAu collge, les lves ont tudi la structure du systme solaire. Ils diffrencient sources primaires et

sources secondaires. Le phnomne de diffusion de la lumire est connu. Ils distinguent aussi toiles,plantes et satellites artificiels.2.Messages de la lumireLe modle du rayon lumineux est introduit au collge, ainsi que la valeur de la vitesse de la lumiredans lespace.Quelques notions sur la couleur sont introduites. Une activit propose au collge est lobtention dunspectre continu.

II. LUnivers en mouvements et le temps

1. Mouvements et forcesLes lves de collge ont dj eu loccasion dobserver diffrents types de mouvements par rapport un corps pris comme rfrence. Laction exerce sur un objet par un autre objet, donnant suite unemodification du mouvement ou bien une dformation a t tudie et la modlisation de quelquesactions localises par des forces a t dbute. La relation entre poids et masse a t introduite.2. TempsLes notions de priode et de frquence, dj vues au collge, seront rinvesties.

III. Lair qui nous entoure

En classe de quatrime, les lves de collge ont t familiariss avec les mesures des grandeursmacroscopiques pression, volume et temprature (chelle Celsius). Ltat gazeux a t modlis pardes molcules trs loignes les unes des autres. La compressibilit des gaz a t introduite.


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EXPLORATION de lESPACE

Progression A

Les activits proposes dans cette progression doivent permettre, outre lintroduction des contenus, lamise en place dun certain nombre doutils mthodologiques. En particulier, les expriences ralises encours ou lors de sances de travaux pratiques seront autant doccasions dapprendre llve observer,dcrire, interprter, rdiger, sexprimer


Dure

Activit propose Rfrence dudocument

1h Questionnement des lves sur lchelle des longueurs dans luniversPrsentation de lUnivers (film, diapos).Explicitation de lobjectif du dbut danne : on va piquer endiffrents endroits de lchelle afin de mettre en uvre destechniques permettant des mesures de longueurs de diffrents ordresde grandeur.

Activit A1

1h Comment dterminer lordre de grandeur de la taille dune molcule ?Mise en place doutils mthodologiques partir de la prsentation etde lobservation dune exprience

Activit A2

1,5h Comment valuer la profondeur de locan ? TP Sonar1h Mesure du rayon de la Terre.

Rinvestissement des outils mthodologiques dj mis en place.

Activit A3

1h Evaluation dune vingtaine de minutes.Exprience montrant la rflexion dun faisceau laser. Dfinition delanne de lumire. Application la dtermination de la distanceTerre-Lune.

1,5h Objectif Lune TP Mesures delongueurs 1

1h Prsentation orale par les lves des exercices exprimentauxrecherchs la maison. Mise en place de quelques outilsmthodologiques lis la prsentation orale.

Activit A4

1h Evaluation.


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Messages de la lumireLes activits proposes ici mettent progressivement en place les outils ncessaires linterprtation dun spectre. Lobjectif final est de comprendre comment lanalyse de la lumire

permet dobtenir des renseignements sur la source qui a mis cette lumire et sur la matiretraverse par cette lumire depuis son mission.

Dure

Activit propose Rfrence dudocument

1,5h Que fait la lumire quand elle change de milieu ? TP rfraction 11h Utilisation dun prisme en lumire monochromatique, puis en lumire

blanche. Mise en vidence du phnomne de dispersion. Notion deradiation monochromatique.

1h Les messages de la lumire. Activit A51,5h On en voit de toutes les couleurs TP spectroscopie1h Principe de ltude dun spectre en astrophysique : le spectre

renseigne sur la temprature dune toile, et les raies dabsorption

donnent des indications sur la matire qui entoure ltoile.

Activit A6

1h Etude de spectres.1,5h Evaluation TP valu


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Activit A1

Quelques longueurs dans lUnivers

Le document suivant est distribu aux lves qui, aprs avoir class les longueurs proposes, donnent dansun premier temps une estimation de ces longueurs. Aprs mise en commun et discussion, les ordres degrandeur correspondant la ralit sont ensuite notes par les lves.

Aprs avoir class par ordre croissant les longueurs ci-dessous, valuez lordre de grandeur de ceslongueurs en prcisant lunit.Rayon de la Terre Rayon dun cellule humaine Distance Paris-Nice Distance Soleil-Terre

Rayon dune orange Distance Terre-Lune Rayon dun atome dhydrogne Rayon de notreGalaxie

Estimation Ralit


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Activit A2

Comment dterminer lordre de grandeur de la taille dune molcule ?

Lobjectif de cette sance est la mise en place ou la consolidation de quelques outils mthodologiques .

Aprs une description rapide de lexprience telle quelle fut ralise par Franklin, on explique commentcette exprience, ralise une chelle rduite par Lord Rayleigh un sicle plus tard, permit de dterminerlordre de grandeur de la taille des molcules dacide starique. Le schma de la molcule dacide stariqueest prsent, et on explique le positionnement de ces molcules la surface de leau. Une rflexioncommune permet de conclure que, si lon connat le volume dacide starique dpos la surface de leau,la mesure de la surface de la tache permet darriver lordre de grandeur de la taille dune molcule. Laformule littrale est tablie par la classe. Lordre de grandeur du volume dacide dpos est donn.

Lexprience ralise par Lord Rayleigh est alors ralise sur rtroprojecteur, ou filme de faon trevisible par tous.Les lves vont ordonner leur travail de faon : Dcrire lexprience

Dterminer lordre de grandeur de la taille dune molcule Exprimer ce rsultat avec un nombre de chiffres significatifs compatibles avec les conditions de

lexprience.

Certains lves ont besoin dtre aids dans la ralisation de ce travail. On peut envisager la projection duntableau indiquant les diffrentes tches raliser :

Description de lexprience

Faire un schma lgend de lexprience Ecrire des phrases simples et ayant un sens Utiliser un vocabulaire scientifique

Dtermination de lordre de grandeur de la tailledune molcule

Reconnatre les nombres associs chaque terme

de la formule littrale Utiliser des units cohrentes pour faire

lapplication numrique

Utiliser les puissances de 10Expression du rsultat avec un nombre de chiffressignificatifs compatibles avec les conditions delexprience

Evaluer le nombre de chiffres significatifs desvaleurs qui ont permis de dterminer le rsultatcherch

Savoir que le rsultat final ne peut pas tre plusprcis que les valeurs qui ont permis de ledterminer


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Activit A3

Mesure du rayon de la TerreIl sagit dans cette sance de rinvestir les outils mthodologiques introduits dans lactivit prcdente :description dune exprience, dtermination dordre de grandeur, expression dun rsultat avec un nombrede chiffres significatifs compatibles avec les conditions de lexprience.Lhistorique de la dtermination du rayon terrestre est prsent aux lves dans un premier temps. Puisune tude exprimentale (cf. fiche n4 ) permet dexpliquer la technique de la mesure. Celle-ci est ensuiteutilise pour la dtermination du rayon terrestre.

La premire dtermination du rayon de la Terre est due Eratosthne (284 193 av. JC), gomtre delEcole dAlexandrie qui a vu lapoge de la science grecque. Des voyageurs lui avaient dit que le

premier jour de lt, Syne (prs de lactuelle Assouan, en haute Egypte), les rayons du Soleil midi taient verticaux : ils pouvaient clairer le fond dun puits. Or ce mme jour, le Soleil ntait pasau znith Alexandrie. Attribuant cette diffrence la rotondit de la Terre, en mesurant la taille delombre dun piquet vertical plant Alexandrie, il put dterminer le rayon de la Terre.

1. Exploitation de lexprience.

2. Dtermination du rayon de la Terre.Vrifier sur un Atlas que Alexandrie et Assouan sont pratiquement sur le mme mridien.Dterminer la distance entre Alexandrie et Assouan, sachant quAlexandrie et Le Caire sont distantes de180 km vol doiseau.Langle mesur par Eratosthne est denviron 7. En dduire une valeur du rayon de la Terre.

1. Exploitation de lexprience.La lanterne est place suffisamment loin pour que lon admetteque les rayons qui arrivent sur la sphre sont tous paralllesentre eux. Tracer sur le schma ci-contre les deux rayonspassant par les extrmits suprieures des baguettes.Reprer sur ce schma les 3 grandeurs mesures lors de

lexprience. Les valeurs de ces mesures permettentellesdobtenir lordre de grandeur du rayon de la sphre ? 1

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Activit A4

Prsentation orale dexercices exprimentaux

Lobjectif de cette sance est de rinvestir nouveau le travail ralis jusquici sur la description duneexprience. Mais il va permettre aussi aux lves dtre compltement autonomes pour proposer uneexprience, pour la raliser, pour la dcrire. Cest aussi loccasion dexpliquer ce quil faut faire ou ne pasfaire lors dune prestation orale.

Certains exercices figurant dans la rubrique Exercices sont caractre exprimental. Ils mettent en jeu

des manipulations simples, facilement ralisables et exploitables par les lves. Ils sont reprs par un traitvertical rouge.

Une dizaine de jours avant la sance, lenseignant distribue la feuille dexercices aux lves rpartis enpetits groupes (autant de groupes que dexercices). La rsolution des exercices se faisant la maison,chaque groupe doit donc sorganiser de faon se retrouver afin de travailler ensemble.

La consigne donne est la suivante :- Chaque groupe doit rsoudre tous les exercices, mais prend en charge la prsentation orale de lun dentreeux.- Cette prsentation orale doit saccompagner de la description de lexprience ralise pour rsoudre

lexercice, voire de lexprience elle-mme si cest possible.- Il est annonc aux lves quils auront leur disposition des transparents, des feutres et un rtroprojecteursils le dsirent.- Chaque prsentation orale sera suivie dun petit dbat, au cours duquel lensemble de la classe pourrasexprimer sur la rsolution qui a t propose.


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Activit A5

Les messages de la lumire

Cette activit a pour but de mettre en vidence deux aspects du comportement de la lumire :-la lumire mise par une source primaire a des caractristiques spectrales qui dpendent de la source,-la lumire interagit avec la matire quelle rencontre, il est ainsi possible dobtenir des renseignementssur cette matire en observant par des moyens appropris la lumire transmise.

Dans la premire partie (une source met de la lumire), on montre le spectre continu dmission dunelampe incandescence et les spectres de raies dmission de diverses lampes spectrales (vapeur datomesexcits). Par identification, les lves classent des sources varies selon leur nature.Dans la deuxime partie (la lumire traverse la matire), on montre le spectre dabsorption dunesubstance colore (spectre de bandes). Une diapositive permet dobserver le spectre dabsorption dunevapeur datomes (spectre de raies).La comparaison entre les spectres dmission dun atome et son spectre dabsorption amne la

conclusion : un atome ne peut absorber que les radiations quil est capable dmettre.

1. Une source met de la lumire :Les sources primaires de lumire sont essentiellement de 2 types : des objets incandescents et des gazexcits. Complter le tableau ci-dessous en classant les sources suivantes :lampe incandescence ; nbuleuse gazeuse ; Soleil ; lampe vapeur de sodium ; toile ; lampe vapeur demercure.Colorier dans chaque cas lallure du spectre et indiquer sil sagit dun spectre continu dmission ou dunspectre de raies dmission.

Nature de la source Exemples Allure du spectre

Objet incandescent

Spectre :

Gaz excits

Spectre :

2. La lumire traverse la matire .La lumire interagit avec la matire quelle traverse. Colorier dans chaque cas lallure du spectre et

indiquer sil sagit dun spectre de bandes dabsorption ou dun spectre de raies dabsorption.

Absorption de la lumire par une solution colore

Spectre :

Absorption de la lumire par une vapeur datomes

Spectre :

Comparer le spectre dmission dun lampe vapeur de mercure et le spectre de la lumire blanche aprs

traverse dune vapeur de mercure. Que remarque-t-on ?


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Activit A6Application lastrophysique

Cette activit a pour but dutiliser les connaissances acquises lors des sances prcdentes pour

interprter les spectres de la lumire provenant des toiles lointaines. Dans un premier temps, on demandeaux lves dillustrer par un schma les informations prliminaires contenues dans le texte ci-dessous, etde savoir les expliquer par quelques phrases simples. Quelques lves iront prsenter leur travail autableau. Dans un deuxime temps, on montre comment lon tire des informations dun spectre de lumireissue dun toile lointaine.

Ce spectre nous renseigne :- Sur la temprature de ltoile : plus une toile est chaude, plus son spectre stend sur le violet. On endduit, de cette manire, la temprature de surface de ltoile.- Sur la composition chimique de ltoile : les raies dabsorption du spectre continu dune toile permettentde dterminer la nature des lments prsents dans les couches superficielles de ltoile (o ces lmentsexistent ltat atomique). De plus, ces raies dabsorption caractristiques dun lment sont dautant plusnoires que cet lment est prsent en plus grande quantit.

Etude dun spectre de lumire.1. Le spectre de la lumire provenant dun toile comporte des raies noires sur un fond continu. A quoi

correspond le fond continu ? Pourquoi observe-t-on des raies noires sur ce spectre ?2. Les fonds continus des spectres de trois toiles diffrentes sont les suivants :

Classer ces toiles par temprature de surface croissante.

3. Lobservation du spectre de la lumire provenant dune toile mystrieuse donne :

On sait que la couche superficielle de cette toile nest constitue que dun seul lment, X ou Y.Les spectres dmission de ces lments sont connus et donns ci-dessous. Quel est celuicontenu dans la couche qui entoure ltoile ?

Informations prliminaires:La lumire que les toiles nous envoient peut tre analyse laide dunspectroscope. Cette tude nous fournit des renseignements prcieux surcet astre.Les toiles mettent un spectre continu produit par les rgions internesqui sont trs chaudes ; le rayonnement traverse ensuite les rgionssuperficielles qui sont plus froides et jouent le rle dun absorbant. Lespectre dune toile se prsente donc comme un spectre continucomportant de nombreuses raies noires (raies dabsorption).

Etoile 1

Etoile 2

Etoile 3

X

Y


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EXPLORATION de lESPACE

Progression B

Dans cette progression on envisage de consacrer les trois premires sances de TP des mesures dedistances et les deux dernires la partie messages de la lumire . Lide est denrichir trsprogressivement la palette des comptences en parvenant, lors des troisime et quatrime sances de TP lapprentissage de llaboration dun protocole.Environ la moiti des sances de travail dbutent partir dun questionnement initial posant un problmedont la rsolution napparat pas comme immdiate.Dune manire gnrale, lintroduction de documents textuels est privilgie dans le but dapprendre auxlves trier linformation et reconnatre du vocabulaire scientifique.Une heure dvaluation est comptabilise la fin de chacune des sous-parties. Elle peut tre morcele enplusieurs petits tests ou bien dplace un autre endroit de la progression ou bien encore partage avec

une valuation de chimie la discrtion du professeur.



1,5h Arpenter lespace proche Comment valuer la distance laquelle se trouve un immeuble voisin ? .Mthode de la parallaxe

TP Mesures de distances2

1h Ebauchons une chelle comparative de longueursApprendre utiliser les multiples et sous-multiples du mtre

Activit B1

1h Rinvestissement du travail ralis en TP : rsolution dexercices en relationavec les situations exprimentales ralises.Rsolution dun exercice amenant se poser le problme de la mesuredune longueur trop petite pour tre mesure par une rgle gradue au mm. Comment dterminer lpaisseur de la feuille sur laquelle vous crivez ? ou prparation du TP suivant.

1,5h Mesurer une longueur trs petite: Comment dterminer lordre de grandeur de la taille dune molcule ? Etude dun texte, ralisation de lexprience de Franklin

TP Franklin

1h Rinvestissement du travail ralis en TP : rsolution dexercices en relationavec les situations exprimentales ralises.Eventuellement prparation au TP Eratosthne au bout du fil

1h Lanne de lumire : rsolution dun exercice pos sous la forme dunesituation-problme lensemble de la classe.

Activit B2

1,5h Accder des longueurs astronomiques : Peut-on utiliser la mthode dEratosthne et les moyens modernes decommunication pour obtenir rapidement lordre de grandeur du rayonterrestre ? Eratosthne au bout du fil

TP Eratosthne 1

1h Evaluation


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Messages de la lumire

Notez bien : Il nest pas envisageable de faire le TP Rfraction 2 sans avoir enseign le contenu des deuxheures prcdant cette sance.Cette progression intgre lactivit A5 dcrite dans la progression A.


1h Phnomne de rfractiondispersion de la lumire par un prismelongueur donde

1h Activit de rsolution dexercices en relation avec les phnomnes derfraction et dispersion de la lumire

1,5h Quels indices ? TP Rfraction 21h Quelques lments de spectroscopie Activit A51h Etude dun document : la tte dans les toiles Activit B3

1,5h On en voit de toutes les couleurs TP spectroscopie1h Evaluation


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-taille moyenne dun atome,-taille moyenne dune cellule,-distance dune toile (de la Galaxie) la Terre,-distance de la Lune la Terre,-distance de la Terre au Soleil,-taille moyenne dune molcule,-distance de la plante Jupiter au Soleil,-paisseur dun cheveu,-rayon de la Terre,-altitude dun satellite gostationnaire

Activit B1

Construction dune chelle comparative de longueurs

La figure suivante est rtroprojete ou distribue aux lves. Les seuls ordres de grandeurs prciss audpart sont ceux qui font partie du domaine familier dutilisation.On explique que le projet consiste comparer des longueurs entre elles par ordre croissant la liste deslongueurs classer tant par exemple :

Un temps de rflexion est laiss aux lves. Puis le professeur explore la liste, la place de chaque objet

tant discute avec le groupe classe. Au cours de cette discussion certains objets mentionns dans la liste (

plante, Galaxie, satellite) mritent dtre dcrits plus prcisment et pourquoi pas montrs par le moyende projections de photographies, dimages filmes en direct (prparation montrant des cellules avec unmicroscope) de trs courtes squences vido On constitue progressivement un glossaire donnant unedescription sommaire des diffrents objets.

La valeur de chaque longueur est porte sur lchelle en conservant dans un premier temps lcriturefamilire, par exemple pour la distance Terre-Soleil on peut crire provisoirement 150 millions de km, carcest trs certainement la valeur qui sera propose par quelques lves.Un travail sur lcriture scientifique des nombres peut alors dbuter. Deux aspects de lcriture sont travailler :-les puissances de 10 et les prfixes qui leur correspondent,-le nombre qui multiplie la puissance de 10 qui ne doit tre crit quavec des chiffres qui ont du sens.


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Activit B2

Une imageen dif fr!

Cette image peut tre tire sur transparent et rtroprojete. Elle pose une situation-problme autour delaquelle on peut organiser une discussion du groupe classe.

La scne se passe en lan 2000.Pouvez-vous rpondre la question que se pose cet extra-terrestre ?


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Activit B3

Travail sur document : La tte dans les toiles

Cette activit est propose lensemble de la classe. Les documents et le questionnaire sont distribus auxlves , quelques explications prliminaires sont donnes , les lves travaillent ensuite individuellement ,le professeur sinstituant personne ressource pour apporter des explications complmentaires.Le questionnaire est bti de telle manire quil oblige les lves croiser les informations des troisdocuments (tableaux I et II, diagramme dHertzsprung-Russell) et leurs connaissances scientifiquespour parvenir rpondre.Les comptences de tri dinformations, dutilisation du vocabulaire scientifique, et de manipulation despuissances de 10 sont largement mises contribution dans cette activit.

Explications prliminaires destines aux professeurs :

Qu'est-ce que la magnitude visuelle?

Il est possible au moyen de dtecteurs adapts de mesur l'clat d'une toile , c'est l'nergie lumineuse reue sur terreen une seconde par unit de surface du rcepteur, aprs un long voyage depuis l'toile et une traverse trs absorbantedans l'atmosphre, cette grandeur est symbolise "e".La magnitude visuelle d'une toile est calcule partir de la mesure de l'clat dans un domaine du spectre o l'il estle plus sensible ( = 550 nm) . L'chelle des magnitudes est comparative , la formule qui permet de comparer lamagnitude de deux toiles A et B s'crit:

mA-mB= 2,5 log(eB/eA)On peut attribuer arbitrairement une toile B la magnitude zro, ainsi on aura mA= 2,5 log(eB/eA) et si l'toile A a unclat plus grand que B on aura mA < 0 ( inversement si l'toile A a un clat plus faible). Les chiffres obtenus

permettent de classer les clats " visuels" de toutes les toiles entre elles quelle que soit l'toile de rfrence choisie.Il est suffisant de dire aux lves de seconde que le nombre indiquant la magnitude visuelle est dautant plus grandque lclat de ltoile pour un observateur visuel est faible.

Q'est-ce que la luminosit ?C'est une dfinition qui parait plus intuitive mais il convient d'tre prcis. Il s'agit de l'nergie lumineuse totale quittantl'toile chaque seconde , comme si on y tait ! A la diffrence de l'clat , il ne s'agit pas d'une nergie reue maisd'une nergie mise.

Quest-ce que lunit de temprature note K ?On peut dire aux lves que les tempratures manipules ici sont trs leves et que dans ce cas il y a trs peu dediffrence entre une temprature exprime en Kelvin et une temprature exprime en degr Celsius. On verra par lasuite quelle relation existe entre ces deux chelles de temprature.

Questionnaire :1-Que signifient , dans le tableau II, les deux lettres A.L.?2-Placer les toiles du tableau II dans le diagramme dHertzsprung-Russel.

3- Quelle est, parmi ces toiles, celle dont l'clat visuel est le plus grand ? Le plus petit ?4- Reprer deux toiles de mme luminosit , comparer leur taille , leur masse, leur temprature, dterminerleur couleur et leur type spectral.5- Comment peut-on expliquer que Altar , Btelgeuse et Aldbaran aient la mme magnitude visuelle ?6-Quelles caractristiques physiques permettent d'expliquer que Btelgeuse soit appele "gante rouge" ?7-Quelle est l'toile qui a la temprature de surface la plus proche de celle du soleil ?8-Citer une toile du tableau II contenant de l'oxyde titane dans son atmosphre.9-Le spectre dabsorption de ma surface montre quelle est trs riche en hydrogne et ne contient pasdhlium, mon clat est moins grand que celui de Rigel bien que je sois presque dix fois plus proche quellede votre Terre, qui suis-je ?10-Le soleil deviendra la fin de sa vie une naine blanche , citer une toile de ce type placeaujourdhui dans le diagramme dH.R.11-Un observateur muni dun systme optique de bonne qualit peut-il voir un pulsar ? Pourquoi ?


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TABLEAU I

Classement des toiles en sept type spectraux DaprsL'Univers des toilesde L.Botinelli et J.L. Berthier

Type de ltoile Analyse spectrale

O

Prsence de raies caractristiques de lhlium neutre et ionis et de lhydrogne

B Les raies de lhydrogne sont galement prsentes mais plus intenses que dans letype O. De nouvelles raies caractristiques de lhlium neutre apparaissent, demme quune raie de lion Mg+

A Domin par les raies de lhydrogne qui atteignent leur maximum dintensit.les raies de lhlium ont disparu. Celles du calcium ionis apparaissent.

F Les raies de lhydrogne sont encore intenses et certaines raies fines de mtauxapparaissent.

G Les raies de lion calcium dominent. On peroit encore quelques raies delhydrogne. Celles du fer se sont nettement renforces. On note la prsence detrs nombreuses raies fines de mtaux.

K Les raies de lhydrogne ont pratiquement disparu. Les raies mtalliques sont

plus nombreuses et plus intenses.M Les raies du calcium atomique et ionis sont intenses. On note galement des

bandes de raies caractristiques de la prsence de groupements molculairesTiO.

TABLEAU II

Quelques grandeurs caractrisant certaines toiles

Nom de l'toile

CONSTELLATION

MAGNITUDE

VISUELLE

DISTANCEETOILE/TERRE

EN A.L.

LUMINOSITE PARRAPPORT A CELLE

DU SOLEIL

TEMPERATUREDE SURFACE

EN K

Diamtre de ltoile/Diamtre du Soleil

SiriusGD CHIEN

-0,4 9 25 1,0.104 2

CapellaCOCHER

0,1 46 160 5,0.103 20

RigelORION

0,1 820 5,7.104 1,2.104 40

AltarGDE OURSE

0,8 16 11 9,0.103 2

BtelgeuseORION

0,8 650 1,7.104 3,0.103 800

Aldbaran

TAUREAU

0,8 68 190 4,0.103 45

DenebCYGNE

1,3 1,6.103 7,6.104 1,0.104 30

RegulusLION

1,4 85 160 1,2.104 3

Sirius BGD CHIEN

9,6 9 5,0.10-3 9,0.103 2,5.10-2


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Progression C

Cette progression propose le droulement suivant :- la prise en compte des connaissances des lves sur les dimensions des objets qui nous entourent

ainsi que des distances sparant les diffrents points de lespace ;- un questionnement sur laccs la mesure de ces longueurs quelles soient notre chelle ou pas

(domaine macroscopique ou microscopique) ;- la mesure : techniques, expression et prcision des rsultats.

Les activits qui sont proposes autour de ces trois axes doivent permettre en outre de raliser avecles lves un travail mthodologique centr sur la description, lobservation et linterprtation.

Laspect historique ainsi que ltude de documents textuels occupent galement une place importanteet sont introduits tout au long de la progression.



1h Construction dune chelle de taille.- Le professeur donne une liste dobjets de dimension trs diffrente (le

soleil, un cheveu, une balle de tennis, une molcule deau, la lune,une tte dpingle, le systme solaire).

- Il demande aux lves de classer ces objets par ordre de taillecroissante et de proposer quelques ordres de grandeur.

- Projection du film puissance de 10 afin de complter ou de corrigerlchelle propose par les lves.

1h Prsentation de lUnivers.Prsentation dune vido sur lUnivers (Collection In Situ de chezHachette) avec un questionnaire aux lves.

Activit C1

1,5h Comment valuer lordre de grandeur dun objet de petite taille ? Lexprience de Franklin (dtermination par les lves de lordre degrandeur de la taille dune molcule d'oline)

TP Franklin

1h Une nouvelle unit de distance : lanne de lumire.- Rappel sur la propagation rectiligne de la lumire partir dune

exprience de cours avec le faisceau laser.- Vitesse de la lumire dans le vide et dans lair.- Dfinition et intrt de lanne de lumire.

1h Dtermination du rayon de la Terre par la mthode dEratosthne.Premire partie : lerreur dAnaxagoreDeuxime partie: Explications de la mthode

Activit C2

1,5h Comment valuer lordre de grandeur dobjets de grande taille ?La distance de la paillasse du professeur est value par la mthode de laparallaxe ( Fiche n 2) et le rayon de la Terre est dtermine par lamthode dEratosthne (Fiche n5)

TP Mesures delongueurs 3

1h Evaluation 1

1h Dbut des messages de la lumire.


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1,5h Comment valuer lpaisseur dun cheveu ? Par lutilisation de ladiffraction pour construire une courbe dtalonnage.

TP Diffraction


Le fil conducteur de la progression correspond en fait la mise en place progressive des techniques quipermettent :- la ralisation de spectres dmission et dabsorption;- ltude de spectres raliss partir de la lumire des toiles afin de connatre la composition de

celles-ci.Les activits qui sont proposes permettre en plus, comme dans la premire partie, de raliseravec les lves un travail mthodologique centr sur la description, lobservation etlinterprtation.

Laspect historique ainsi que ltude de documents textuels occupent galement une placeimportante et sont introduits tout au long de la progression.


1h Exprience de cours sur la dcomposition de la lumireLongueur dondeDomaine visible, ultraviolet et infrarouge

1h Les lois de Descartes :-Mise en vidence exprimentale du phnomne de rfraction-Mise en place des notations-Travail partir dun texte historique Activit C3

1,5h Qui a raison ? TP Rfraction 3

1h Travail de mthodologie en rapport avec la dmarche exprimentale (partir de lexprience de Newton sur la dcomposition de la lumire) Activit C41h Spectres dmission, spectres dabsorption

-spectres dmission de sources lumineuses ltat gazeux-caractrisation dune entit chimique par son spectre

1,5h On en voit de toutes les couleurs TP Spectroscopie1h Quelques lments de spectroscopie stellaire Activit A6 (cf.

progression A)


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Activit C1

ObjectifsPrsenter :- une ide des dimensions relatives dans le systme solaire grce une maquette lchelle

humaine ;- les diffrences principales entre les plantes ;- ltat actuel des connaissances sur sa formation.

Le travail propos partir de cette vido peut tre de deux types :- Rpondre un questionnaire distribu avant la projection du film ;- A partir des donnes du film concernant les dimensions des plantes et leur distance au Soleil, un

projet de maquette du systme solaire.

Questionnaire :

La structure du systme solaire1- Combien de plantes constituent le systme solaire ?2- Quelle est la plante la plus prs du Soleil ? Quelle est la plus loigne ?3- Quelle est la plante la plus grosse ? Quelle est la plus petite ? Quel est leur rayon respectif ?4- Y a-t-il un rapport entre la taille dune plante et sa position par rapport au Soleil ?5- Le systme solaire est il uniquement constitu du Soleil et des plantes ?

La structure des plantes1- Quels sont les deux types de plante ?2- Pourquoi toutes les plantes ne sont-elles pas constitues de la mme manire ?3- Sur quelle plante ou satellite, la vie pourrait-elle se dvelopper ?

Projet de la maquette :

Si on dsirait construire une maquette de systme solaire en prenant un Soleil ayant 2 m de diamtre,quelle serait la dimension de cette maquette ?Quelle serait le diamtre de chacun des objets reprsentant les diffrentes plantes ?Quels objets pourrait-on utiliser pour raliser la maquette ?

Remarques :- On donne les valeurs des distances et des diamtres, ou on laisse les lves prendre les

renseignements dans le film.

Film :Univers (In Situ Hachette)Extrait :Systme solaireDure :4 min 30 s


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- On laisse les lves faire les calculs puis proposer des objets pour les diffrentes plantes, ou bien leprofesseur propose ces objets : lentille cerise pomme pois chiche melon smartie pastque.


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Activit C2

Dtermination du rayon de la Terre par lamthode dEratosthne

Cette activit se droule en trois parties.

Premire partie :Lerreur dAnaxagore !(daprs Une toile nomme Soleil, de G. Gamow)

Anaxagore prtendit que le Soleil flottait environ 6500 km de lasurface de la Terre. Son raisonnement tait assez logique. Desvoyageurs revenant de la ville de Syne lui avait appris que le jourdu solstice dt, midi, le Soleil se trouve au znith. Il savaitdautre part qu Alexandrie, 5000 stades au nord de Syne, leSoleil, ce mme jour midi, tait peu prs sept degr du znith.Croyant la Terre plane, il traa la figure ci-dessous, do ilconclut que la hauteur du Soleil au-dessus de la Terre tait gale 6500 km. (Fig.1)

Syne

Le calcul mathmatique dAnaxagore tait correct, mais sesprmisses taient fausses (la Terre nest pas plane). Deux siclesplus tard, son raisonnement fut repris par Eratosthne, pour qui ladiffrence des positions du Soleil au solstice Alexandrie et Syne tait imputable, non la distance de celui-ci la Terre, mais la courbure de celle-l.

Il supposa que le Soleil tait assez loign pour que ses rayonsfrappent la surface terrestre en faisceaux parallles; il put alorsconclure, laide dun schma semblable la Fig.2, que la Terretait une sphre de rayon voisin de 6500 km. Sole

Syene

Alexandrie

Soleil

Alexandrie

Figure1


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Questions prliminaires :(ce travail pourra tre ralis la maison ou au C.D.I ou encore partirdun cdrom en classe)

1- A quelle poque vivait Anaxagore ? Quelle tait sa nationalit ?2- A quelle poque vivait Eratosthne ? Quelle tait sa nationalit ? De quel autre scientifique tait-il

le contemporain ?3- Situer Alexandrie et Syne sur une carte ? A quelle distance (exprime en km) se trouvent ces

deux villes ?4- Expliquer les mots suivants : solstice dt ; znith ; prmisses et imputable.

Questions : (cette partie sera faite en classe avec le professeur qui aidera les lves pour la partiecalcul)Texte 11- Reprsenter sur la figure.1 langle que lon appellera et qui a pour valeur peu prs sept

degr .2- Par un calcul trigonomtrique, retrouver la valeur mesure par Anaxagore pour la hauteur du

Soleil par rapport la Terre.

Texte 23- En quoi les hypothses dEratosthne sont-elles diffrentes de celles dAnaxagore ?4- Reprsenter sur la figure.2 langle dfini dans le texte 1.5- O retrouve-t-on galement cet angle.

6- Dterminer le rayon de la Terre.

Deuxime partie: Dtermination en classe du rayon de la Terre

Cette partie est destine prparer la sance de Travaux pratiques au cours de laquelle les lvesappelleront un lyce situ sur le mme mridien afin deffectuer des mesures en direct .Quelques explications sont donnes afin que les lves puissent comprendre les mesures quils devrontraliser.

Troisime partie : Sance de Travaux Pratiques (voir Fiche n5)

Figure2


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Activit C3Cette sance de travail vise trois objectifs :- appliquer sur deux exemples les dfinitions mises en place par le professeur.

- lire et comprendre un texte.- montrer partir dune approche historique les errances, les difficults de la comprhension dun

phnomne et de sa mise en quation.

Lactivit C3 peut tre complte de deux faons diffrentes . Lorsque llve aura sa disposition lesquatre lois proposes par les savants de chaque poque il pourra les confronter :- aux rsultats quil aura obtenu au cours de la sance de travaux pratiques qui suivra.- des valeurs que le professeur lui fournira.

Claude PtolmeAu sujet de ses rsultats, Ptolme sest livr des commentaires dordre qualitatif. Il a observ que :1) le rayon incident et le rayon rfract sont situs dans un plan perpendiculaire la surface du

milieu de rfraction ;2) les rayons perpendiculaires la surface ne sont pas rfracts ;3) limportance de la rfraction dpend de la densit des milieux. Il a remarqu que si i1et i2sont

deux angles dincidence et r1et r2les angles de rfraction correspondants et si i1>i2, on a alors i1/ i2>r2/ r1.

Robert Grossette

Il fut lun des pionniers de la mthode exprimentale moderne en affirmant que lexprimentation taitle meilleur moyen dtudier la rflexion et la rfraction de la lumire. La loi de la rfraction quilavait propos est que langle de rfraction est gal la moiti de langle dincidence.

Johannes Kpler

Ce savant proposa une relation de proportionnalit entre les angles de rfraction et de rflexion pourdes valeurs dangles petites.

Ren Descartes

La loi quil donne repose sur des rsultats exprimentaux mais a galement un caractre thorique.Elle fait intervenir une fonction trigonomtrique et est de la forme : sin i1= k sin r1, k tant un nombrecaractrisant le milieu dans lequel est rfract le rayon.

Comparaison des diverses lo is proposes

1- Complter le tableau suivant en indiquant la loi donne par chacun des scientifiques cits dans letexte ainsi que lpoque laquelle chacun deux vivait.

Scientifique Epoque o il a vcu Loi propose


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Etude des rsultats de Ptolme

A partir des rsultats donns par Ptolme, rpondre aux questions suivantes.

2- Dans le schma ci-dessous, le rayon noir est le rayon incident.a- Quel est le seul rayon qui peut reprsenter le rayon rfract ? Justifier la rponse en une phrase.

Indiquer sur le schma langle dincidence i1et langle de rfraction r1.

3- Complter le schma ci-dessous en suivant les consignes donnes :- reprsenter la normale la surface de sparation air eau au point I ;- reprsenter le cas de figure 3) dcrit par Ptolme

en bleu le rayon incident dangle dincidence i1et le rayon rfract dangle derfraction r1 ;

en rouge le rayon incident dangle dincidence i2et le rayon rfract dangle derfraction r2.

AIR

EAU

I

AIR EAU

Faisceau lumineuxincident

R1

R3

R2

Lgende :

Le rayon rouge est en avant du plancontenant le rayon incident et la normale.Le rayon jaune et le rayon bleu sont dansce plan.

Normale


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Activit C4

Cette activit a un double objectif.- dordre mthodologique :elle vise permettre aux lves dacqurir des comptences lies la langue franaise ainsi qu ladmarche exprimentale.- dordre historique.

Le texte ci-dessous, retrace lexperimentus crucis ( exprience dcisive ) que Newton ralisa en1672 et qui marque une tape cl de la thorie des couleurs.

I. Exprience n1

Newton place la suite dun pinceau parallle de lumire solaire une fente F suivie dun prisme desommets A, B et C. Il observe un spectre sur un cran E1.

1- Faire un schma de la premire exprience.

2- Complter les deux phrases suivantes qui dtaillent les deux effets du prisme sur le faisceau delumire parallle en utilisant deux mots parmi la liste suivante :

Diffuse, dvie, rflchit, disperse.

Le faisceau ne conserve pas la mme direction donc le prisme ............................la lumire.On obtient un spectre sur lcran donc le prisme .....................................la lumire.

3- Comment peut-on qualifier le spectre obtenu sur lcran E1?


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Exprience n2 (voir figure ci-dessous)Lcran E1est perc dun trou G et il est suivi dun autre cran lui aussi perc dun trou.Le trou situ sur lcran E2ne laisse passer quune partie troite du spectre (ralis lors de la premireexprience) qui vient clairer un second prisme de sommets a, b et c. En faisant tourner le premier prisme ABC,le second prisme abc reoit successivement et sous incidence croissante les rayons appartenant aux diffrentes

parties du spectre, et projette sur un cran E3plac derrire lui les images de diffrentes couleurs ordonnes

entre M et N comme dans le spectre initial. Newton peut alors montrer que les rayons du spectre, sils sontdvis par le second prisme, ne sont pas disperss. Ce sont donc bien les constituants fondamentaux de lalumire solaire. Les consquences des deux expriences entreprises par Newton viennent delles mmes : lesrayons de lumire qui diffrent en couleur diffrent aussi en degr de rfrangibilit ; et la lumire du Soleilest compos de rayons diffremment rfrangibles .

DaprsLes grandes expriences scientifiques, Michel RIVAL

1- Je comprends le texte

a- Le texte comporte trois parties correspondant aux trois tapes dune dmarche exprimentale(description de lexprience, observation des rsultats et interprtation). Retrouver les trois partiesdu texte.

b- Le mot rayon utilis dans ce texte est un terme impropre, quel est le terme quil faudraitemployer ?

2- Jtudie la description de lexprience

a- Que signifie la phrase le second prisme abc reoit successivement les rayons appartenant auxdiffrentes parties du spectre ?

Ecran E1

G

a

b

c

Ecran E2perc dun trou

Ecran E3


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b- Que signifie ici le mot image ?

3- Je note les observations

a- Daprs le texte que voit-on sur lcran E2lorsque la radiation qui est reu par le prisme abc est decouleur rouge ?

b- Pourquoi lcran E2 est-il dcal ?

4- Je donne une interprtation

a- Comment peut-on caractriser les rayons appartenant aux diffrentes parties du spectre ?b- Newton employait le mot rfrangibilit. Quel est le terme utilis aujourdhui pour parler de ce

phnomne ?


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Progression D

Cette progression se propose de centrer au maximum les apprentissages autour dactivits effectuespar les lves. Elle mise, pour cela, sur la pluralit de ces activits : exprimentation, manipulation,recherches documentaires, ralisation de comptes-rendus, daffiches, de documents, etc.Plusieurs activits sappuient sur des recherches documentaires effectues par les lves en dehors dela classe, chez eux ou au centre de documentation du lyce. Ils sont ainsi conduits recueillir lesinformations quils jugent ncessaires pour effectuer la tche qui leur est propose partir de

documents papiers (encyclopdies, revues etc.), ou informatiques sur internet ou cdrom, deprfrence leur manuel ou des textes rdigs en vue de lactivit.La plupart des activits proposes dans cette progression sont relativement complexes. Elles seprsentent volontairement sous la forme de problmes ou densembles dexercices pour lesquels on afait le choix dlibr de ne pas trop dcouper les questions de faon ne pas faire perdre aux lves lebut du travail, le fil directeur, du problme rsoudre et le sens des connaissances acqurir. Onespre ainsi susciter de lintrt pour lactivit propose et une certaine mulation lintrieur desgroupes de travail. Ces derniers comportent toujours un nombre suffisant dindividus (4 6 lves)afin de permettre la pluralit des ides et la discussion au sein du groupe. Il va sans dire que le

professeur restera attentif aux difficults rencontres dans les groupes et quil saura intervenirlorsque cela sera ncessaire, et au cas par cas, pour relancer le travail et aider les groupes endifficult. A la fin de chaque sance, il indiquera aux lves avec prcisions les savoirs acquis quilconviendra de connatre.

Nous avons choisi de construire la cohrence de cette progression en nous appuyant fortement sur lesdmarches historiques qui ont servi produire quelques connaissances fondamentales enastrophysique.



2x1h Que trouve-t-on dans lUnivers ?Travail de recherche documentaire sur des objets qui de lchelle

microscopique lchelle cosmique composent lUnivers.

Activit D1

1,5h Comment mesurer la taille dune molcule ? TP Franklin2x1h Comment la matire remplit-elle lUnivers ?

Prise de conscience de la diversit des dimensions des objets quicomposent lUnivers et de la structure lacunaire de ceux-ci.

Activit D2

1,5h Comment mesurer le rayon de la Terre ?Reprise adapte de la dmarche historique de la dtermination du rayonterrestre.

TP Eratosthne

1h Que nous apprennent les clipses ?Travail sur la notion de diamtre apparent

Activit D3

1h Comment a-t-on mesur le rayon de la Lune et la distance Terre-Lune ?Travail sur la dmarche historique de dtermination des dimensions etdistances de la Lune.

Activit D4


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1,5h Comment mesurer la distance laquelle se trouve un objet inaccessible ?Travail sur la mthode des parallaxes

TP Mesures deslongueurs 4

1h Applications aux mesures astronomiques. Utilisation dautres techniquesde mesure.

1h Evaluation


Ainsi que lindique le titre de cette partie, nous avons choisi de mettre ici laccent sur lapport de laspectroscopie en astrophysique. Cette progression ne comporte donc pas de TP sur la rfraction. Ce

phnomne et celui de la dispersion sont tudis en classe entire dans le cadre de linterprtation duprincipe de fonctionnement du spectroscope prisme.

1,5h Utilisation dun spectroscope prisme pour analyser la lumire : spectresdmission et spectres dabsorption

TP spectroscope

1h Comment fonctionne un spectroscope prisme ?Rfraction en lumire monochromatique, Loi de Descartes, indices de

rfraction. Rfraction en lumire blanche : dispersion.Dviation donne par un prisme.Autres spectroscopes.

1h Reprise en classe des rsultats du TP. Lumires monochromatiques,polychromatiques. Longueur donde ? Spectres dmission etdabsorption. Influence de la temprature sur la lumire mise par unsolide chauff. Lois relatives lmission et labsorption de lumirepar un gaz basse pression. Rayonnements infrarouge et ultra violet.

1,5h Que nous apprend la lumire mise par une toile sur sa temprature desurface et sur la composition de son atmosphre ?.Ce TP est constitue dune suite dactivits visant lanalyse de la lumiresolaire reue sur la Terre.

TP Etude dune toile

1h Exercices. Evaluation


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Activit D1

Que trouve-t-on dans lUnivers ?

ObjectifsA travers un travail de recherche documentaire effectu par les lves, cette activit consiste daborden une premire prise de contact avec des objets que lon retrouvera, pour beaucoup dentre eux, aucours des diffrentes activits et travaux pratiques qui suivront, tant pour ce qui concerne cette partiedu programme intitule Exploration de lespace, que pour celles qui suivront, notamment lUnivers enmouvements et le temps.

Le professeur veillera ce que les documents produits cette occasion par les lves soient de qualitet quils comportent les principales informations qui seront utilises par la suite.

Recherches effectues par les lves.

Travail prparatoireLa classe est partage en 6 groupes de 4 6 lves. Les lves de chaque groupe doivent effectuerseuls ou plusieurs, pendant la semaine, une recherche de documents sur un thme donn. Lesdocuments ou les informations pertinentes trouvs seront apports lors de la sance suivante.

Sources documentaires possibles : Encyclopdies revues et documents personnels ou consults au centre de documentation

du lyce, Documents et informations rcuprs sur internet etc.

Thmes (un par groupe) :1. Les atomes et les molcules2. La Terre et la Lune3. Le Soleil et les toiles4. Les plantes du systme solaire5. Les comtes6. Notre Galaxie et les autres galaxies

1re

sance (1h)Chaque groupe tudie les diffrents documents rcuprs par chacun de ses membre pendant lasemaine. Il doit concevoir une affiche sur laquelle seront prsentes les informations considrescomme essentielles concernant le thme trait (criture de textes rsums, schmas et dessins,dcoupage et collage de photos rcupres sur internet etc.). Le cas chant, les affiches seronttermines la maison.

2me

sance (1h)Chaque groupe prsente rapidement son affiche et rpond brivement aux questions ventuelles posespar les autres lves ou par le professeur (6 min par groupe). Une courte discussion suit lesprsentation au cours de laquelle le professeur donne ventuellement des complments dinformation.Dans la semaine qui suit, chaque groupe devra rdiger un document de synthse sur son thmecomportant les informations retenues aprs la discussion. Les documents produits serviront lors desactivits venir.


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Activit D2

Comment la matire rempli t-elle lespace ?

Il sagit, dune part de faire prendre conscience aux lves de la diversit des objets qui constituentlUnivers et de la diversit de leurs dimensions, dautre part de a structure lacunaire de ces objetstant lchelle cosmique que microscopique.

1re

sance (1h)Ce travail fait suite lactivit D1.Les lves, toujours en petits groupes de 5 ou 6, doivent rechercher sur les documents produits etprsents lors de la prcdente sance, les ordres de grandeurs de la taille des objets suivants :

1. Le systme Terre-Lune

2. La tour Eiffel3. La Terre4. Un noyau atomique5. Le systme solaire6. Un atome7. LUnivers8. Notre Galaxie (diamtre et paisseur)

La consigne est la suivante :

Vous exprimerez ces valeurs dans la mme unit et vous les placerez sur un axe gradu en chelle delongueurs.

On compte bien videmment sur limpossibilit dun tel report. Les lves, placs devant la difficultdcrire certaines valeurs trs petites ou trs grandes devant lunit, devraient tre naturellementconduits les exprimer avec des puissances de 10. Sil ne le font pas deux mmes, le professeur

pourra les inviter le faire.Le professeur donne alors, aux groupes qui se sont heurts la difficult de reporter les valeurs surun axe linaire, la consigne suivante :

Imaginez la construction dune chelle diffrente sur laquelle vous pourriez reporter plus facilementvos valeurs et effectuez alors ce report.

A la diffrence de lactivit prcdente, tous les groupes effectuent cette fois le mme travail. Cechangement de mthode permet aux groupes de sapproprier les informations produites par lesdiffrents groupes et de comparer et discuter leurs mthodes de calcul et leurs rsultats.

On peut raisonnablement faire lhypothse que des groupes auront lide de graduer linairementleur axe au moyen des exposants des puissances de dix, constituant ainsi sans le savoir une chellelogarithmique.

Le professeur fera rflchir sur le fait quun dplacement dune unit sur cette chelle correspond une multiplication par 10 des valeurs. Il discutera avec eux la place du 1 et - pourquoi pas ? - du

zro. On comparera le rsultat du report ainsi effectu avec ceux qui avaient t tents sur lchellelinaire.

A ce stade de la discussion il pourra distribuer aux lves une bande de papier semi-logarithmique.On discutera alors sur la longueur de papier qui sera ncessaire pour pouvoir reporter de maniresimple et lisible lensemble des valeurs sur la bande.


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Le professeur prsentera et fera noter, pour terminer, diffrentes units de longueurs courammentutilise en physique tant pour les petites longueurs que pour les grandes : les multiples (kilo, mga,giga, tra) et sous-multiples (milli, micro, nano, pico) du mtre , et lanne de lumire (a.l.).

2me

sance

A.- Le professeur annonce la classe lobjectif de la sance prcd de la question suivante :

Dans son mouvement dans le systme solaire, une comte risque-t-elle de rencontrer laTerre ?

Les lves travaillent toujours en petits groupes. La consigne est la suivante :Chaque groupe doit construire une argumentation fonde sur les donnes recueillies dans la premirepartie.

B.-Le professeur demande alors aux lves de lire le texte suivant qui apporte une rponse aux

questions du dpart.

La visualisation dune situation, impliquant des distances ou des dimensions trop considrablespour tre parlantes, ncessite la rduction une chelle plus familire. Le rayon du Soleil est peuprs cent fois plus grand que celui de la Terre : rduisons-le la taille dun pamplemousse. Qudevient alors le systme solaire ? La Terre a la grosseur dune tte dpingle situe environs 12 m.

Jupiter a la taille dune cerise plus de 60 m et Pluton nest quun petit grain de sable prs de 500m. Cette image nous aide prendre conscience de la trs faible occupation de lespace : compares leurs distances mutuelles, les plantes sont minuscules, et on conoit quune comte venue des rgionstrs lointaines du systme solaire, bien au del de lorbite de Pluton, ait bien peu de chance derencontrer la petite tte dpingle qui orbite 12 m de distance du pamplemousse.

Continuons notre description de la Galaxie : cette chelle, elle devient un immense tas depamplemousse : cent milliards environ dans un disque de 20 millions de km de rayon. Mais les toiles-pamplemousses sont-elles vritablement entasses dans cette reprsentation de notre Galaxie ?Ltoile la plus proche du Soleil, Proxima Centauri, serait, cette chelle, un autre pamplemoussesitu 3000 km du premier. Voil qui nous aide prendre conscience de ce que sont les distancesmutuelles des toiles ! Si deux galaxies entrent en collision, on voit bien quil y a peu de chance pourque les toiles subissent des chocs francs. Cela ne veut pas dire que ces galaxies ne subiraient pas demodifications du fait de cette collision.

L.Gouguenheim,Mthodes de lastrophysique.

Comment connatre et comprendre lUnivers,Hachette CNRS, 1981

Le professeur engage alors une courte discussion avec les lves sur les informations donnes par cetexte quil met en relation avec arguments labors par les groupes.

C.- La consigne est maintenant la suivante:

Imaginez maintenant quon dcide de reprsenter le noyau dun atome dhydrogne par unpamplemousse. Quelle serait la taille de cet atome ? Que trouverait-on lintrieur ? Et pour les autresatomes (oxygne, carbone fer etc.) ?

Les groupes doivent laborer leurs rponses. Elles sont ensuite compares avec celles des autres.


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Conclusion

Le professeur fait la synthse des rsultats trouvs concernant :

lchelle des dimensions des objets ; les units utilises ;

la structure lacunaire de la matire tant lchelle microscopique qu lchelle cosmique.


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Activit D3

Que nous apprennent les clipses ?

Lobjectif de cette activit est damener les lves comprendre la notion de diamtre apparent, deleur apprendre faire la diffrence entre le diamtre apparent dun objet (exprim en unit angulaire)et le diamtre rel. Il sagit galement de prsenter une mthode prcise de mesure du diamtreapparent de la Lune (et du Soleil).

Les lves travaillent en petits groupes de 4 ou 5. Au dbut de la sance, le professeur propose lasituation-problme suivante :

Problme 1

Lors de lclipse totale du Soleil observe dans le nord de la France le 11 Aot 1999, on a pu voir quela Lune venait couvrir pratiquement exactement le Soleil. La phase pendant laquelle la Lune est venurecouvrir progressivement le Soleil a dur 1h18min ; la dure de lclipse totale a dur environs2min ; puis la Lune a progressivement cess de masquer le Soleil et cela a encore dur 1h18min. Cephnomne na pu tre observ sur la Terre qu lintrieur dune bande denvirons 100 km de large.1. Que peut-on dduire de ces informations concernant les dimensions apparentes de la Lune et du

Soleil ?2. Comment conciliez-vous ce rsultat avec les informations recueillies lors des sances prcdentes

concernant les dimensions relles et les orbites de la Lune et du Soleil ? (cf. Activit D1)Vous justifierez vos rponses en vous aidant ventuellement de schmas.

Commentaires :La faible dure (2min) de lclipse totale devant la dure totale de lclipse (2h 38min = 158 min) montre queles dimensions apparentes de la Lune et du Soleil sont les mmes (fig. 1)

Fig. 1Les informations concernant le Soleil et la Lune, recueillies lors de la premire sance (activit D1)indiquent que le Soleil a un diamtre bien suprieur celui de la Lune et que sa distance la Terre estgalement bien suprieure celle laquelle volue la Lune. De plus la faible largeur de la bandedobservation (100 km) devant les dimensions du problme (150 millions de km) nous permettent dedire que le sommet du cne dombre de la Lune est pratiquement situ la surface de la Terre (fig. 2)

Cne dombre


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Fig.2

La Lune et le Soleil sont donc vues, depuis la Terre, sous le mme angle.Le professeur propose alors, aux groupes qui sont parvenus rsoudre ce problme, la situation suivante.

Problme 2Les clipses de Lune sont susceptibles de se produire la pleine Lune. La Lune pntre alors dans lecne dombre de la Terre conformment au schma suivant :

Lorsque la Lune pntre dans le cne dombre, une partie de celle-ci nest plus claire par le Soleil.Elle prend alors laspect dun croissant donn par la figure ci-dessous :

Au fur et mesure de la pntration de la Lune dans le cne dombre de la Terre, le croissantsamincit jusqu disparition complte de la Lune dans le zone dombre. La dure de cette pntrationest de 1h. Montrer que ces informations, ainsi que les connaissances acquises sur le mouvement de la

Lune autour de la Terre permettent de calculer langle sous lequel la Lune est vue depuis la Terre ainsique celui sous lequel le Soleil est vu depuis la Terre.

CommentairesLa Lune fait un tour (360) autour de la Terre en 27,3 jours. En 1h (dure de pntration dans le cnedombre) elle parcourt donc un angle gal 0,55 soit peu prs 33 min qui reprsente langle souslequel elle est vue depuis la Terre. Si on assimile la trajectoire de la Lune autour de la Terre uncercle, on en dduit que cet angle est peu prs constant. Les rsultats obtenus pour la situation-

problme n1 nous permettent daffirmer que cet angle reprsente galement celui sous lequel leSoleil est vu depuis la Terre.

ConclusionLorsque lactivit est termine, cest--dire lorsque la plupart des groupes a trouv les solutions auxdeux problmes (et que les autres sont en mesure de les comprendre), le professeur prcise alors aux

Cne dombre

Limite ducne dombre


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lves que langle sous lequel un objet est vu depuis un point dobservation donn est appel diamtre apparent de lobjet. Ainsi le Soleil et la Lune sont observs depuis la Terre sous le mmediamtre apparent valant environs 0,5.

Applications et rflex ion

Le professeur propose ensuite aux lves deffectuer en classe (ou chez eux) les calculssuivants

1. Calculer le diamtre apparent dun homme de 1,70 m observ 180 m.2. A quelle distance de lil faut-il placer un doigt (paisseur 1 cm) pour quil masque tout juste la

Lune ?

On pourra proposer la rflexion des lves et la discussion le texte suivant :

Depuis lAntiquit, on dcrivait le Monde par un modle gocentrique selon lequel La Lune, le Soleilet les autres plantes tournaient autour de la Terre (modle de Ptolme). Au XVIme sicle, Copernic

proposa le modle hliocentrique actuellement en vigueur : la Terre et les autres plantes tournentautour du Soleil et la Lune tourne autour de la Terre. Pendant prs dun sicle, jusqu Galile etmme aprs, les partisans du modle de Copernic durent dfendre avec beaucoup de difficult cettenouvelle thorie contre les tenants de lancienne. Un des arguments oppos lpoque, la thoriemoderne consistait faire remarquer que la plante Vnus tait toujours visible depuis la Terre sousle mme aspect quasi-ponctuel et quelle brillait avec le mme clat tout au long de lanne. Cettesimple observation tait de nature invalider le modle de Copernic. En effet, si, la Terre et Vnustournent autour du Soleil des vitesse diffrentes (ce que prvoyait la thorie de Copernic), il doit yavoir des priodes pendant lesquelles les deux astres sont trs proches et dautres o, au contraire, ilssont trs loign : le diamtre apparent de Vnus, observe depuis la Terre devrait donc changer aucours du temps. En revanche, si Vnus tourne autour de la Terre, son diamtre apparent ne change

pratiquement pas au cours du temps, ce qui est conforme aux observations oculaires.

Remarque : Cet argument, comme dautres dailleurs, nempchrent pas la thorie de Copernic deprogresser parmi les savants de lpoque. On devait sapercevoir plusieurs dizaines dannes aprs,avec linvention de la lunette astronomique, que le diamtre apparent de Vnus variait bien comme leprvoyait la thorie de Copernic, mais ceci est impossible observer lil nu. Cela montre bienquune observation exprimentale dpend fortement des moyens technologiques mis en uvre pourleffectuer et que, surtout, les connaissances scientifiques peuvent progresser pour des raisonsthoriques malgr des dsaccords avec lobservation.

Elments de base pouvant servir la discussionDans un systme hliocentrique copernicien la distance de la Terre Vnus varie de150 108 = 42 millions de km 150 + 108 = 258 millions de km. Soit une variation du diamtreapparent de Vnus allant de 10 59 secondes darc .Cette variation (de 1 6), pourtant importante nest dtectable lil nu en raison du pouvoirsparateur insuffisant de lil.De plus la brillance de Vnus vue depuis la Terre varie galement au cours du temps en raison despositions relatives de Vnus du Soleil et de la Terre (phases de Vnus, phnomne analogue celuides phases de la Lune). Les deux effets, celui dloignement et celui de la variation de brillance due auphnomne de phases se compensent peu prs si bien que Vnus, observe lil nu depuis la Terre,ne change pratiquement pas daspect.

La figure ci-dessous montre lexplication hliocentrique du phnomne :


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Activit D4

Comment a-t-on mesur le rayon de la Lune

et la distance de la Terre la Lune ?

Il sagit ici damener les lves comprendre comment ont t dtermines les premires valeursacceptables concernant certaines mesures de dimensions et de distances astronomiques.On les fait travailler pour cela sur la mthode imagine par Aristarque de Samos (310 230 av. JC),

puis amliore par Hipparque (190-125 av. JC.), pour mesurer le rayon de la Lune et la distance dela Terre la Lune.

Les lves travaillent en petits groupes de 4 ou 5. Au dbut de la sance, le professeur propose leproblme suivant :

Problme 1 : dtermination historique du rayon de la Lune et de la distance de la Terre la Lune par Hipparque (190-125 av. JC)Comme nous lavons dj vu avec lactivit prcdente, lors des clipses de Lune, la Lune pntredans le cne dombre de la Terre conformment au schma suivant (figure 1) :

Fig. 1

Lclipse est centrale lorsque le centre de la Lune passe par un diamtre de la zone dombre (Fig. 2).

Zone dombre

B

A

B

D

A

D

C

C


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Fig. 2

La premire dtermination du rayon de la Lune a t faite par Aristarque de Samos (310-230 av JC.)puis amliore, vers 190-125 av JC, par Hipparque. Il admettait alors que le Soleil tait suffisammentloign de la Terre pour que la zone dombre porte par la Terre, lors dune clipse centrale de Lune,puisse tre considre comme un cylindre (figure 3).

Fig. 3

Il savait galement que la Lune mettait une heure pour pntrer dans cette zone et valuait la dure deloccultation totale environs 2h. Quelques dizaines dannes auparavant, Eratosthne avait dterminle rayon de la Terre.

Munis de ces donnes, vous pouvez dterminer vous-mmes la valeur du rayon de la Lune et ladistance de la Terre la lune trouvs par Hipparque.

Les lves recherchent en petits groupes une solution ce problme puis exposent la classe leurmthode de calcul et leurs rponses .

CommentairesNous avons vu que la Lune parcourt son diamtre apparent en 1h. Loccultation complte necommence que lorsque la Lune est entre compltement dans la zone dombre, soit 1h aprs le dbut

de la pntration. Si la dure doccultation complte est de 2h, on en dduit que la Lune est prsente

Limite de laone dombre

BB

Zone dombre Soleil


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dans la zone dombre pendant 3h et donc que le diamtre de la Lune est gal au tiers de celui de lazone dombre donc au tiers de celui de la Terre. (Fig. 4) .

Fig. 4

Le diamtre de la Terre valant environ 12800 km, lordre de grandeur de celui de la Lune, calculselon cette mthode, est donc voisin de 4250 km.Le diamtre apparent de la Lune valant environs 0,5 soit : 0,009 rad, on trouve une distance Terre-Lune environ gale 472 000 km.

Le professeur fait alors remarquer quil y a une diffrence importante (env. 19%) entre la valeurtrouve et celle que nous connaissons aujourdhui. Il propose alors de reprendre la mthode en seservant des donnes actuellement disponibles travers le problme suivant :

Problme 2 : Amlioration de la mthode dHipparqueHipparque faisait lerreur de ne pas tenir compte, dans ses calculs, du diamtre apparent du Soleil(0,5). Si lon reprend la figure3 ci-dessus en tenant compte que le diamtre apparent du Soleil nest

pas ngligeable (et quil est gal celui de la Lune), on obtient la figure 5 ci-dessous .

Fig.5

En comparant cette figure avec la figure 1, on constate alors que la zone dombre est dtermine parles rayons AA et BB non parallles mais que ce sont les rayons AA et DD qui sont parallles etdistants dun diamtre terrestre. De plus, langle que font les rayons AA et CC dune part et BB et

DD dautre part, est gal au diamtre apparent du Soleil (ou de la Lune) vu(e) de la Terre.On sait galement que si la dure de pntration dans la zone dombre est denvirons 58 min celle deloccultation totale est voisine de 1h 40 min.

Zone dombre

B

C

C

D

D

Limite de la

zone dombre

Soleil


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Reprenez le calcul dHipparque avec ces donnes et dterminez le rayon de la Lune et la valeur de ladistance Terre Lune.

Commentaire

La rsolution de ce problme est un peu plus difficile que les prcdentes. Le professeur jugera doncsil peut demander aux lves de la chercher en groupes ou sil donnera lui-mme la solution duproblme au tableau.Cette solution est la suivante :

Loccultation complte ne commence que lorsque la Lune est entre compltement dans la zonedombre, soit 58 min. aprs le dbut de la pntration. La dure doccultation complte est de 100min.

La Lune est donc prsente dans la zone dombre pendant 158 min.

Le rapport des diamtres entre la zone dombre et la Lune est : D/d = 158/58 = 2,7 (cf. figure 6)

Mais comme la zone dombre, limite sur la figure 5 par les droites AA et BB, nest pas cylindrique,son diamtre nest pas gal celui de la Terre. Pour obtenir ce diamtre, il faut rapporter le diamtre

de la lune celui du cylindre dlimit sur la figure 5 par les droites BB et CC. Ce qui revient ajouter un diamtre de Lune supplmentaire (figure 6). La rapport entre le diamtre de la Terre etcelui de la Lune est donc :

Fig. 6

Dans ces conditions le diamtre de la Lune est 3,7 fois plus petit que celui de la Terre, soit :

2 x 6400 / 3,7 = 3460 km

Le diamtre apparent de la Lune est 2. t / T = 2

.58 / (27,3 . 24. 60 ) = 0,0092

et la distance Terre Lune vaut : 3460 / 0,0092 = 380000 km

Limite de lazone dombre

BAC


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TP Mesures de longueurs (1)

Objectif Lune

Cette sance de TP a pour premier objectif dexpliquer comment la mthode des parallaxes permet ladtermination de la distance Terre-Lune de faon simple et relativement prcise.

Le second objectif est dintroduire la notion de diamtre apparent, et de montrer que la connaissancedu diamtre apparent de la Lune et de la distance Terre-Lune permet la dtermination du rayon de la

Lune.

Premire partie du TP :La technique de la parallaxe entre deux observateurs est explique et applique lchelle de la sallede classe. Lobjet dont on veut dterminer la distance est par exemple une tache situe sur un cerclede carton simulant la Lune. Peu importe que les lves ne soient pas tous situs la mme distance delobjet, limportant est quils comprennent que la technique de la parallaxe permet effectivement dedterminer cette distance. Pour plus de facilit, on peut disposer plusieurs cercles dans la salle. On se

place dans les conditions indiques sur la fiche n 2 .

Deuxime partie du TP :Des cercles de diamtre 20 cm sont fixs sur les murs de la salle de TP. Les lves ont leurdisposition des cercles de diamtre 15, 10 et 5 cm. Ils doivent dterminer quelles distances ilsdoivent se trouver des grands cercles pour les occulter compltement. Ceci permet dintroduire la

notion de diamtre apparent. Voir fiche n3

On peut ensuite, laide du schma ci-contre projet laidedun transparent, expliquer la dtermination historique decette distance :En 1751, Lalande et La Caille choisirent deux lieuxdobservation loigns, Berlin et le cap de Bonne Esprance,situs approximativement sur le mme mridien. Ilsobservrent la Lune simultanment en dterminant sadirection lors de son passage dans le plan du mridien. Cesobservations leur permirent de dterminer les angles indiqusen rouge sur le schma. Connaissant la distance entre Berlin etle cap de Bonne Esprance, ils calculrent la distance Terre-Lune.

Observateur terrestre

D

Luned

On explique ensuite comment la dterminationdu diamtre apparent de la Lune (environ de0,5), permet, connaissant la distance Terre-

Lune D, de calculer le diamtre d de la Lune.


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Objectifs dapprentissage viss durant cette sance :

- agir en suivant un protocole fourni- exprimer un rsultat avec un nombre de chiffres significatifs compatibles avec les conditions de

lexprience- utiliser quelques notions de gomtrie simple.


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TP Mesure de longueurs (2)

Arpenter lespace proche

Les dtails de ralisation sont disponibles dans les fiches techniques n 1 et 2.

Lenjeu de cette sance est de sapproprier le principe de mthodes de vise.Le but propos aux lves est de mesurer, avec pour seul ustensile un double-dcimtre, des distancesdobjets difficiles daccs.Stratgie propose :La classe est organise en binmes. On commence par expliquer la mthode de la parallaxe avec lesdeux yeux. On trace un trait vertical au tableau et on demande aux lves dutiliser cette mthode pourvaluer, depuis leur table, la distance qui les spare de ce trait. Lexprience raliser est schmatise.On fait en sorte quau moins deux groupes dlves aient la mme distance dterminer. Une mesuregrossire de la distance recherche peut tre faite avec un double-mtre.On compare ensuite les rsultats des groupes ayant fait la mme mesure avec la mesure au double-mtre.On se propose ensuite, avec la mme mthode de mesurer la distance qui spare les lves dun objetbeaucoup plus loign : arbre dans la cour, voiture sur le parkingLes lves doivent dcouvrir que la mthode savre inefficace, la base du triangle (distance entre lesdeux yeux) tant beaucoup trop petite par rapport la distance recherche.On introduit alors la mthode de la parallaxe entre deux observateurs, ce qui consiste simplement largir la base du triangle. Lexprience est dcrite mais non schmatise. La consigne donne est de

faire raliser pralablement aux lves le schma montrant les directions des diffrentes vises et lesdistances mesures.Le professeur sassure que la mthode est comprise en vrifiant et en discutant les schmas raliss.La mesure de la distance lobjet loign est ralise par cette mthode. Les rsultats peuvent cettefois tre compars pour tous les groupes dlves.On peut complter la ralisation de ces mesures par la rsolution de lexercice intitul parallaxe dunetoileLes objectifs dapprentissage viss par cette sance sont les suivants :

Agir en suivant un protocole fourni (texte ou schma) Faire le schma dune exprience utiliser la relation de proportionnalit utiliser quelques notions de gomtrie simple

Exprimer un rsultat avec un nombre de chiffres significatifs compatibles avec les conditionsde lexprience


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TP Mesure de longueurs (3)

Comment valuer lordre de grandeur dobjets de grande taille ?

Lenjeu de la sance de Travaux Pratiques est de montrer aux lves quil est possible partir dune mthode correctement choisie davoir accs un ordre de grandeur dunegrande distance en utilisant un mtre.

Les objectifs dapprentissage viss par cette sance sont les suivants : Agir en suivant un protocole fourni (texte ou schma) Exprimer un rsultat avec un nombre de chiffres significatifs compatibles avec les conditions de

lexprience Utiliser quelques notions de gomtrie simple

Cette sance de Travaux pratiques est en fait constitue de deux parties distinctes, chacune ayant pourenjeu de dterminer une grande distance.

Premire partie :Le but de cette premire partie pour les lves est de dterminer de leur bureau la distance qui lesspare de la paillasse du professeur. Ils utilisent pour cela la mthode de la parallaxe entre deuxobservateurs.

- Le professeur place un objet sur la paillasse (un support par exemple) et demande aux lves

deffectuer leurs vises par rapport cet objet ;- Chaque binme effectue leurs vises plac lextrmit de leur bureau ( extrmit oppose au

couloir central);- Les binmes changent de place deux deux.

- Chaque binme compare la valeur dtermine la valeur mesure avec un dcamtre.

Remarque:On peut refaire le mme travail en faisant effectuer les vises au binme de part et dautre de son

bureau. Il est ensuite intressant de montrer que les vises dans ce cas sont beaucoup moins prcices.Deuxime partie:


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Le but de cette deuxime partie est de dterminer le rayon de la Terre par la mthode dEratosthne.Cette deuxime partie fait suite lactivit C2 ralise en classe entire.

Organisation:- Mise en relation tlphonique des lves avec ceux dun autre lyce (situ sur le mme mridien);- Ralisation de la mesure de la longueur de lombre dun bton par chacun des binmes;- Prise en compte de la mesure ralise par les lves de lautre lyce;- Dtermination du rayon de la Terre.


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TP Mesure des longueurs (4)

Comment mesurer la distance laquelle se trouve un objetinaccessible ?

Tous les renseignements pour le professeur sur la mthode de parallaxe sont donns dans les fiches techniquesn1 et 2.

La situation-problme propose vise ici amener les lves construire le protocole de la mthode de laparallaxe puis raliser et exploiter les mesures de manire dterminer la distance laquelle se situe unobjet inaccessible. Lapplication la dtermination des distances astronomiques est bien sr lobjectif final.

Situation-problme :

Un petit objet est enferm dans une boite ferme comportant une paroi vitre sur lune de ses faces.On dsire mesurer la distance qui spare lobjet dune ligne droite (L) trace devant la vitrine sanspouvoir pntrer dans la pice (figure).

Le travail demand chaque groupe est le suivant (groupes de 4 lves):

Vous devez concevoir une mthode vous permettant de dterminer la distance sparant la ligne (L) delobjet.

1. Vous rdigerez par crit le protocole exprimental qui vous parat le plus simple pour dterminercette distance en justifiant les mthodes de mesure et de calcul adoptes.

2. Vous effectuerez ensuite les mesures et les calculs et vous donnerez la valeur de la distancecherche.3. Vous valuerez enfin lincertitude sur le rsultat

paroi

opaque

paroi

vitre

petit objet

distance mesurer

(L)


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Vous disposez dpingles vous permettant de faire des vises lil nu et de reprer les directionscorrespondantes. Vous pouvez galement imaginer toute autre mthode de vise qui vous paratraientplus satisfaisantes.

Discussion : comparaison des mthodes utilises.Chaque petit groupe expose et justifie la classe sa mthode, les mesures effectues, les calculs et le rsultattrouv ainsi que la prcision avec laquelle la distance a t calcule. Les diffrentes mthodes sont compares etdiscutes.

Le professeur expose la fin le principe de la mthode des parallaxes et donne quelques exemples dapplicationde c