Physique Chimie LA GRAVITATION

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1 Dcument du prfesseur 1/6 Fiche prfesseur Physique Chimie LA GRAVITATION LA GRAVITATION Niveau 3 ème Sciences Physiques Prgramme C - De la gravitatin à l énergie mécanique Cnnaissances Capacités Cmmentaires NOTION DE GRAVITATION Purqui les planètes gravitent-elles autur du Sleil? Purqui les satellites gravitent-ils autur de la Terre? Présentatin succincte du système Anciennes pistes d activités slaire. Actin attractive à distance exercée par : - le Sleil sur chaque planète ; - une planète sur un bjet prche d elle ; - un bjet sur un autre bjet du fait de leur masse. La gravitatin est une interactin attractive entre deux bjets qui nt une masse ; elle dépend de leur distance. Suivre un raisnnement scientifique afin de cmparer, en analysant les analgies et les différences, le muvement d une frnde à celui d une planète autur du Sleil. Activité dcumentaire. Séquence vidé (frnde, lancer du marteau ). Expérience avec des aimants : interactins, influence de la distance. Cmmentaires Les nms des planètes n nt pas à être cnnus des élèves. La gravitatin guverne tut l Univers (système slaire, étiles et galaxies). La relatin exprimant la frce de gravitatin est hrs prgramme. Pré requis de l élève L élève sait qu un aimant pssède un pôle Nrd et un pôle Sud ; L élève sait que la Lune est le satellite naturel de la Terre ; L élève cnnaît u nn quelques nms de planètes du système slaire. 1

2 Dcument du prfesseur 2/6 Mts clefs Aimant Masse Attractin Planète Distance Pôle Gravitatin Rtatin Interactin Satellite Lune Sleil Magnétique Terre Prévir Matériel Pste élève Référence Deux aimants sur charits Une règle graduée Une bille Une balle Une crde Remarques, astuces Dans l activité 1, il sera intéressant de mntrer ce qui se prduit lrsque les deux aimants présentent l un vers l autre des pôles identiques - indiqué en remarque sur la fiche -. De plus, cela permet de bien distinguer l interactin gravitatinnelle tujurs attractive due uniquement aux masses des crps en présence de l interactin magnétique tantôt attractive tantôt répulsive ; Dans l activité 3 - simulatin d une frnde avec une balle -, l expérience sera réalisée plusieurs fis par des élèves différents pur que tus puissent bserver les trajectires ; Pur le début de l activité 4, un dcument d aide purra être distribué aux élèves si ceux-ci pssèdent peu d infrmatins sur le système slaire ; Prlngements C est Isaac Newtn, célèbre physicien anglais ( ), qui dévelppa la thérie de la gravitatin universelle, permettant d expliquer le muvement de la Lune autur de la Terre et des planètes autur du Sleil ; La li de l attractin universelle fut frmulée par Newtn en 1687 dans "Philsphiae Naturalis Principia Mathematica (Principes mathématiques de la philsphie naturelle) : L'intensité de la frce d'attractin entre deux crps est prprtinnelle au prduit de leurs masses et inversement prprtinnelle au carré de leur distance mutuelle. Elle se traduit par la relatin : M.M' F = G. 2 d 2

3 Dcument du prfesseur 3/6 F, exprimée en newtns (N) représente l intensité des frces d attractin réciprque ; M et M, exprimées en kilgrammes (kg) représentent les masses des crps en interactin ; et d, exprimée en mètres (m) représente la distance qui les sépare. La cnstante G, dite cnstante universelle de gravitatin, vaut 6, N.m 2.kg -2. Ainsi, deux bjets de masse M = M = 1 kg distants de d= 1 m exercent une frce d attractin réciprque à distance l un sur l autre d intensité F = 6, N, ce qui est bien sûr négligeable. Cela n est pas du tut le cas de l attractin entre la Terre et la Lune : M Terre = kg, M Lune = M Terre /80, d = km = 3, m sit F N!! Remarque : les valeurs des masses nt été arrndies à la valeur la plus prche et de la distance «Terre Lune» à une valeur myenne Dans le cas de l attractin terrestre, n peut retruver la valeur de g, intensité lcale de la M.M' pesanteur car F peut se cnfndre avec P sit F = G. = M.g si n pse M, masse de la 2 d Terre et M masse de l bjet attiré. D ù g = G.M /d 2 avec M = 5, kg et d = rayn Terre = 6, m Le calcul dnne g = 6, , / (6, ) 2 = 9,8 N.kg -1 Pistes d évaluatin Expérimentales - Respecter les cnsignes ; - Réaliser précisément les expériences de l activité 1 ; - Ranger le matériel. Thériques - Répndre aux questins de l activité 1 ; - Cnclure l activité 2 ; - Répndre aux questins de l activité 3 ; - Répndre aux questins de l activité 4 et la cnclure ; 3

4 Nm : Prénm : Classe : Date : Objectifs : Physique Chimie LA GRAVITATION Décuvrir que deux crps ayant une masse s attirent. Expliquer purqui les planètes gravitent autur du Sleil. Expliquer purqui les satellites gravitent autur de la Terre. Dcument du prfesseur 4/6 ACTIVITE 1 : Etudier une interactin magnétique Deux aimants A et B identiques snt fixés sur des charits également identiques et très légers, le pôle Sud* (peint en blanc) de l un turné vers le pôle Nrd* (repéré en ruge) de l autre. Ils snt placés à 5 cm l un de l autre. 1. Tenir le charit de l aimant A et apprcher lentement le charit de l aimant B sans le maintenir en surveillant la distance entre les deux charits mesurée avec une règle graduée. Que se passse-t-il à un certain mment? Le charit de l aimant B est attiré par le charit de l aimant A. Quelle est la distance entre les deux charits lrsque le muvement se prduit? La distance entre les deux charits est d envirn 2,5 cm. 2. Recmmencer la même expérience en tenant le charit de l aimant B et en apprchant le charit de l aimant A. Que se prduit-il et à quelle distance? Cette fis, c est le charit de l aimant A qui se dirige vers le charit de l aimant B également à 2,5cm. 3. Cnclusin (enturer la bnne répnse) Le pôle Sud de l aimant A attire / repusse le pôle Nrd de l aimant B et le pôle Nrd de l aimant B attire / repusse le pôle Sud de l aimant A. Il y a interactin attractive entre les deux aimants : elle est d autant plus faible / frte que les aimants snt prches l un de l autre. * Si les deux aimants présentent l un à l autre des pôles identiques, ils se repussent. RANGER LE MATERIEL ACTIVITE 2 : Cmprendre une analgie 1. Lâcher une bille à la hauteur de 1 mètre au-dessus du sl. Que se prduit-il? La bille tmbe sur le sl. 2. Dans cette expérience, il y a également une interactin attractive entre deux crps : lesquels? Il y a interactin entre la bille et la Terre. Cette interactin appelée gravitatin est due à la masse des crps. 4

5 Dcument du prfesseur 5/6 Cmpléter les phrases ci-dessus. De même que deux aimants peuvent s attirer à distance, deux bjets ayant une masse s attirent à distance : cette attractin qui augmente lrsque les bjets se rapprchent est appelée gravitatin u interactin gravitatinnelle. Ainsi la Terre attire par gravitatin tus les crps ayant une masse. ACTIVITE 3 : Simuler une frnde Cette expérience sera réalisée dans la cur du cllège. Une balle est attachée à une crde. Un élève fait turner rapidement la balle au-dessus de sa tête puis lâche l ensemble. 1. Quelle figure décrit la balle? La balle décrit un cercle 2. Dans quel état est la crde lrsque la balle turne rapidement? La crde est tendue. 3. Purqui la crde est-elle dans cet état? La crde est tendue car la balle pssède une grande vitesse 4. Lrsque la crde est lâchée, la balle cntinue-t-elle à turner? Nn, elle part en ligne drite. 5. La balle part-elle seln un rayn du cercle qu elle décrivait? Sinn dans quelle directin part-elle? Nn, elle ne part pas seln un rayn du cercle mais tangentiellement à celui-ci. 6. Pendant quelques secndes, quelle est la frme de sa trajectire? Sa trajectire est une drite. 7. Qu arrive-t-il ensuite quand la balle perd de sa vitesse? Au but de quelques instants, la balle retmbe sur le sl car la Terre l attire. ACTIVITE 4 : Cmprendre le muvement des planètes autur du Sleil u de la Lune autur de la Terre Rappelns les nms des huit planètes du système slaire et leur classement par rdre d élignement au Sleil : Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune. 1. Quelle est la frme apprximative des trajectires de ces planètes autur du Sleil? Ces planètes décrivent des trajectires pratiquement circulaires. 2. Quel est le seul satellite naturel de la Terre? Le seul satellite naturel de la Terre est la Lune. 3. Qu est-ce qu un satellite artificiel? A qui peut-il servir? Un satellite artificiel est un satellite envyé par l Hmme. Il peut servir à retransmettre des images télévisées, à phtgraphier la Terre pur aider à sa cnnaissance, à effectuer des prévisins métérlgiques. 4. A l image de l expérience de l activité 3, n peut cmparer le muvement des planètes autur du Sleil u des satellites autur de la Terre à celui de la balle tenue par l intermédiaire de la crde, la tensin de cette dernière symblisant l attractin gravitatinnelle u gravitatin. 5

6 Dcument du prfesseur 6/6 Les planètes purtant attirées par le Sleil ne tmbent pas dans le Sleil tut cmme les satellites attirés par la Terre par exemple ne tmbent pas sur la Terre à cause de leur vitesse de révlutin autur de l astre qui les attire! Cmpléter les phrases ci-dessus qui expliquent le muvement des planètes et des satellites, en utilisant les mts suivants : attractin gravitatinnelle / Terre / attirée / gravitatinnelle / drite / vitesse / turnent / attirées / Terre / vitesse Grâce à leur vitesse et à l attractin gravitatinnelle que le Sleil exerce sur elles, les planètes turnent autur du Sleil. La Lune turne autur de la Terre grâce à sa vitesse et à l attractin gravitatinnelle que la Terre exerce sur elle. Si les planètes n étaient pas attirées par le Sleil u si la Lune n était pas attirée par la Terre, planètes et Lune se déplaceraient en ligne drite dans l espace jusqu à ce qu un astre plus grs les attirent. 6