Calcul de la distance Terre-Lune par des méthodes géométriques

Transcription

1 Atelier Mathenjeans: collèges Paul Esquinance de La réole (Gironde) et de Mana (Guyane) Calcul de la distance Terre-Lune par des méthodes géométriques 1. Calcul du rayon de la Terre: méthode d'eratosthène. 2. Calculs de la proportion entre la Terre et la Lune: a) Méthode d'aristarque (observation d'une éclipse de Lune) b) Utilisation d'une photographie d'éclipse de Lune c) Utilisation d'un appareil de visée de la Lune (diaphragme) 3. Calcul de la distance Terre-Lune: a)grâce à l'angle sous lequel on voit la Lune depuis la Terre b) Méthode des parallaxes (simplifiée)

2 Calcul du rayon de la Terre à la façon d'eratosthene (Alexandrie, III siècle av JC)

3 Les Hypothèses :! Pour les besoins de sa démonstration, Eratosthène utilisa deux choses :! 1) que la Terre était ronde! 2 ) que les rayons du Soleil qui nous parviennent sont parallèles car il est très éloigné de la Terre

4 Eratosthène a utilisé les villes d'alexandrie et de Syène (Assouan). Nous avons travaillé entre les villes de La Réole (Gironde) et Mana (Guyane). Ces deux villes ne se trouvent pas sur le même méridien: nous créons donc une ville fictive M' (c'est en fait quasiment Accra au Ghana), située sur le même méridien que La Réole mais à la latitude de Mana. M'

5 Nous avons mesuré l'ombre d'un gnomon au midi solaire (l'ombre la plus courte de la journée), le jour de l'équinoxe de printemps, à La Réole et à Mana (environ 4 h plus tard à cause du décalage): Angle x (à La R) ou y (à Mana) Gnomon ombre

6 A La Réole: tan x = ombre / gnomon tan x = 44,5 / 46,1 donc : x! 44

7 A Mana: tan y = ombre / gnomon tan y = 2,7 / 39,5 donc : y! 3,9

8 LR x Rayons du soleil parallèles M' y

9 Donc: La Réole Angle au centre de la Terre: z = x - y M' L'angle au centre de la Terre entre La Réole et M' est donc égal à: z = x y! 44-3,9 = 40,1. C'est aussi en fait la différence de latitude entre La Réole et Mana qui est: 44,6-5,6 = 39.

10 D'où le tableau de proportionnalité: Angle au centre de la Terre Longueur de l'arc de cercle z = x y = km 360 circonférence de la Terre Nous avons mesuré la distance La Réole M' sur un planisphère puis nous avons appliqué l'échelle (et vérifié...)

11 D'où le calcul de la circonférence de la Terre: 4300 " 360 / 40 = Avec nos calculs, la Terre a une circonférence de km, et en divisant par 2"!, le rayon de la Terre devrait mesurer environ: 6160 km! La valeur réelle est environ 6378 km, ce qui nous fait 3,4 % d'erreur...

12 Eratosthène, avec Alexandrie et Syène, et un angle y de 0 (fond du puits éclairé), avait trouvé environ: 6551 km soit 2,7% d'erreur (résultat remarquable pour l'époque). Mais nos villes n'étaient pas sur le même méridien...

13 Exposé présenté par : Paul et Baptiste

14 Proportion des rayons de la Terre et de la Lune (méthode d' Aristarque de Samos, III siècle av JC )

15 Lors d'une éclipse de lune, la lune entre dans l'ombre de la terre et se déplace de son diamètre en une heure. On peut alors constater :

16 Symboles: significations: RT RL Y ts = rayon de la Terre = rayon de la Lune = distance parcourue par la Lune dans l'ombre de la Terre. = temps que met la Lune à parcourir et à sortir de l'ombre de la Terre. te = temps que met la Lune à rentrer dans l'ombre de la Terre.

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19 Proportions entre les rayons de la Terre et de la Lune

20 La photo d'une éclipse de Lune Tout d'abord, nous avons fait des statistiques par rapport à des photographies de Lune pour savoir combien de fois la Lune pourrait rentrer dans la Terre

21 résultats des statistiques Série

22 Soleil Terre Zone de pénombre L Zone d'ombre Zone de penombre Une éclipse partielle de lune se forme quand la Terre, le Soleil et le Lune sont pratiquement alignés. La Terre forme derrière elle un zone de d'ombre. La Lune chevauche alors la zone d'ombre. L'autre partie reste visible depuis la Terre.

23 Pourquoi l'ombre de la Terre est elle plus petite que celle-ci? Par contre si le résultat des statistiques et la réalité diffèrent, c'est par ce que le cône d'ombre que forme la terre a un diamètre plus petit qu'elle même mais la lune ne change pas de diamètre pour autant. Diamètre de la Terre : 6371 kilomètres Diamètre de la Lune : 1734,4 kilomètre Proportion entre les résultats : = 3,6

24 CALCUL DE LA DISTANCE TERRE- LUNE PAR PROPORTIONNALITE Nous avons calculé la distance de la Terre à la Lune, à partir d'un appareil composé d'une boîte cubique sur laquelle on a fixé un diaphragme. Cet appareil nous a permis de voir la Lune à travers le diaphragme (après réglage) et d'effectuer les différentes mesures.

25 LE CALCUL : Voici la figure représentant le rapport Terre-Lune : O D Rayon du diaphragme L Rayon de la lune A' U'

26 En utilisant le theorème de Thalès pour calculer la distance Terre-Lune (OU sur le dessin) nous trouvons ces deux quotients. OA' OU' = DA' LU' Distance recherchée Nous remplaçons les lettres par les mesures que nous avons trouvé : 0, OU' = 0, ,4

27 Nous utilisons le produit en croix : OU'= 0,000278x1737,4 0, OU'= 0, , OU'= ,2 Donc, la distance entre la Terre et la Lune devrait mesurer :! ,2 km Cette valeur n'est pas très proche de la réalité, ce qui vous prouve la difficulté d'utilisation de notre appareil : il est très sensible aux variations de mesure.

28 la Lune voit on lequel sous Angle

29 La terre est une sphère donc on fait son tour en 360 Terre

30 La Lune tourne autour de la Terre en 29 jours, 8 heures 12h 29j,8h 44 min

31 Nous savons maintenant que la lune tourne autour d'une sphère de 360 en 29j,8h j,8h

32 Il faut maintenant convertir en heures. Le calcul est le suivant : 29j 8h = 29 X = 704 h Donc la lune tourne autour de la Terre en 704h. On doit donc diviser les 360 en 704 parties égales.

33 On obtient ceci : Angle à calculer L'angle en rouge est celui que nous voulons calculer. Nous l'appelerons #

34 Pour calculer # il faut diviser 360 (degrés de la Terre) par 704 (nombres d'heures que met la Lune pour faire le tour de la Terre) Calcul: 360 : 704! 0,511

35 Donc #! 0,511 Lorsque nous regardons la Lune c'est sous un angle d'environ 0,511

36 On divise l'angle par moitié :

37 Donc x est environ égal à 0,255. Donc la distance Terre Lune =! RL tan x 1730 tan 0,255! (km)

38 La méthode des parallaxes simplifiée: calcul de la distance Terre-Lune

39 Rappelons sur la Terre: Rayon de la Terre: R T LR donc: LR 90 -Z/2 T Z M T Z 90 -Z/2 M

40 zénith LR 90 -Z/2 Z/2 Z/2 P T 90 -Z/2 M zénith

41 Nous avons visé la lune en même temps à La Réole et à Mana, et mesuré l'angle entre la verticale (zénith) et la lune:

42 Et nos mesures donnaient: zénith Lune LR 60 T Terre 57 M zénith

43 D'où: LR Z/2+60 P Z/2+57 M

44 Et pour Z = 62 : LR M

45 On appelle LR-Lu la distance entre La Réole et la Lune, M-Lu celle entre Mana et la lune, LR-M la distance entre La Réole et Mana en ligne droite. On vérifie (en utilisant la hauteur et les calculs trigonométriques dans les triangles rectangles obtenus)... Lu 1 LR 91...d'après la loi des sinus... LR-M I LR-LU I M-LU sin1 I sin 88 I sin 91 H 88 M soit ( avec LR-M = 6400 km): LR-Lu = 6400sin88! km sin 1 Exposé préparé par Alice Elbaz, Lucile Marchal, et Cyprien Perinotto

46 Exposé préparé par l'atelier Mathenjeans du collège de La Réole, en , composé de: Elodie Seguès 5 D, Lisa Rouby 5 D, Maëlle Pradeau 5 D, Adeline Lajugie 5 D, Laureen Galissaire 5 D, Baptiste Devaux 5 D, Alice Elbaz 5 B, Marion Haramburu 5 B, Olivier Dufaure 5 B, Paul Simon 5 B, Amandine Lafagne 5 C, Thomas Mouhica 5 C, Chloé Goulié 4 E, Suzie Humbert 4 E, Aurore Prats 4 E, Lucile Marchal 4 D, Mylène Pellet 4 D, Julien Latapie 4 D, Cyprien Perinotto 4 D, Gaël Philbert 4 A, Sébastien Danty 4 A sous la direction de Mme Quitterie Marty, M. Bruno Marty et l'aide de Mlle Carine Reydy, maître de conférences Nous remercions l'association Mathenjeans, pour son accueil et son aide, et particulièrement Mme Eugénie Cohen.