Séquence pédagogique

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1 Séquence pédagogique Les matériaux de l espace L ensemble des questions concerne à la fois les sciences de la vie et de la Terre et la physique-chimie, dans le cadre des thèmes de convergence que sont l énergie, l environnement et le développement durable. Des «Arrêts sur notion» abordent plus particulièrement un point, en le rattachant aux programmes des sciences de la vie et de la Terre ou de la physique-chimie, avec souvent une approche expérimentale. Les panneaux solaires Arrivée de l Automated Transfer Vehicule (ATV) vers la Station spatiale internationale (ISS) Esa/Ducros David, 2005

2 Déploiement des panneaux solaires du satellite Corot Cnes/Delmas Serge, 2006 Panneaux solaires Question 1 : Quels sont les principaux dispositifs nécessaires au fonctionnement de la Station spatiale internationale (ISS), visibles sur cette photo? Réponse 1 : Cette photo montre que l ISS est constituée de nombreux panneaux solaires orientés vers le Soleil. Question 2 : Quel est le rôle de ces dispositifs? Réponse 2 : Ces panneaux permettent le fonctionnement de l ensemble des appareils électriques de la station.

3 Question 3 : Construisez une phrase permettant d expliquer la base du fonctionnement de ces éléments, en utilisant les termes suivants : énergie solaire, énergie électrique, conversion. Réponse 3 : Les panneaux solaires réalisent la conversion de l énergie solaire en énergie électrique utilisable par les différents appareils de l ISS. Les panneaux solaires jouent donc le rôle de générateurs électriques. Question 4 : Quel est l intérêt d utiliser l énergie solaire? Réponse 4 : L énergie solaire est une énergie renouvelable, ne nécessitant pas d être transportée depuis la Terre jusqu à la station, contrairement à des générateurs de type batterie. De ce fait, cette énergie est inépuisable pour la vie à bord de la station. Question 5 : Quel peut être l intérêt environnemental de développer l utilisation de l énergie solaire sur Terre? Réponse 5 : Alors que le développement des technologies conduit à une consommation d énergie croissante dans le monde, la démarche citoyenne nous invite à réfléchir sur le choix et l utilisation des énergies sur Terre. Dans le contexte actuel de réchauffement climatique, l utilisation de l énergie solaire est une alternative à la consommation d énergies non renouvelables et polluantes. L énergie solaire sera-t-elle la solution énergétique de demain? À vous d y réfléchir. Physique-chimie Arrêt sur notion : Utilisation d une photopile 5 e «Les circuits électriques en courant continu» et spécifiquement la partie «Qu est-ce qu un circuit électrique?» Transformation de l énergie lumineuse en énergie électrique Expérience et observation (a) : Branchez en série une photopile (qui représente un panneau solaire), un interrupteur et un petit moteur. Fermez l interrupteur et notez vos observations. Réponse (a) : Lorsqu on ferme l interrupteur, le moteur se met à tourner (si ce n est pas le cas, choisir un système qui permet une rotation du moteur avec, si besoin, une lampe en plus de l éclairage ambiant).

4 Expérience et question (b) : Comment peut-on arrêter la rotation du moteur sans toucher au circuit électrique? Réponse (b) : Il suffit évidemment de disposer un cache au-dessus de la photopile pour empêcher la lumière d arriver. Il n y a plus d énergie lumineuse à convertir donc plus d énergie électrique pour alimenter le moteur. Question (c) : Pourquoi appelle-t-on un panneau solaire une photopile? Comment peut-on représenter sur un schéma électrique un tel élément? Réponse (c) : Un panneau solaire joue le même rôle qu une pile : c est un générateur. Seulement, pour jouer pleinement son rôle, ce type d élément électrique doit recevoir de la lumière d où le préfixe «photo». On pourra donc représenter une photopile par le symbole électrique habituellement donné aux générateurs : G Sciences de la vie et de la Terre 6 e Arrêt sur notion : Les végétaux chlorophylliens et l énergie solaire «Origine de la matière des êtres vivants». Les végétaux chlorophylliens n ont besoin pour se nourrir que de matière minérale, à condition de recevoir de la lumière. Expérience : Une plante est cultivée dans différents milieux et son développement est observé. Résultats et conditions de l expérience Conditions Eau + sels minéraux + CO 2 de l air + lumière Eau + sels minéraux + CO 2 de l air Résultats Plante verte qui grandit. Plante jaune qui fane. Question : Que montre cette expérience? Réponse : Observation : La comparaison des deux expériences montre que la plante ne se développe normalement qu en présence de lumière. Interprétation : La plante a besoin de lumière pour se développer. Les végétaux utilisent donc l énergie lumineuse.

5 5 e «Respiration et occupation des milieux de vie». À la lumière, les végétaux chlorophylliens contribuent à oxygéner le milieu. Expérience (a) : Un dispositif ExAO consistant à mesurer en permanence la concentration en O 2 et en CO 2 dans une suspension d euglène (algue unicellulaire) en faisant varier les conditions d éclairement, donne le graphe suivant. Question (a) : Que montre l expérience (a)? Réponse (a) : À l obscurité, la concentration en CO 2 dans le bioréacteur augmente et la concentration en O 2 diminue, donc les euglènes rejettent du CO 2 et absorbent de l O 2 à l obscurité : elles respirent. La concentration en CO 2 diminue et la concentration en O 2 augmente dans le bioréacteur lorsque les euglènes sont éclairées donc les euglènes consomment du CO 2 et rejettent du O 2 en présence de lumière : elles réalisent la photosynthèse. Les euglènes utilisent l énergie lumineuse pour absorber le CO 2 et rejettent du O 2. Suivi des concentrations en CO 2 et O 2 dans une suspension d euglènes en fonction des conditions d éclairement CO 2 O 2 Obscurité Lumière Obscurité

6 Pour aller plus loin Problème : À quoi cette lumière sert-elle? Expérience (b) : Des euglènes sont placées dans différents milieux. Après 24 heures, ces algues chlorophylliennes sont prélevées de leur milieu et un test à l eau iodée est réalisé sur ces cellules. L eau iodée est un colorant jaune orangé qui devient bleu noir en présence d amidon. L amidon est une molécule organique. Les molécules organiques sont des molécules synthétisées par les êtres vivants. Certains êtres vivants ont besoin de prélever dans leur milieu de la matière organique d autres êtres vivants pour subsister. Ce n est pas le cas des végétaux chlorophylliens et pourtant ils en sont également constitués. Résultats et conditions de l expérience Conditions Lumière + CO 2 Obscurité + CO 2 Lumière sans CO 2 Résultats du test à l eau iodée État des euglènes si elles restent dans ces conditions Positif Négatif Négatif Elles vivent Elles meurent Elles meurent Question (b) : Quelle information complémentaire l expérience (b) proposée apporte-t-elle? Réponse (b) : Observation : De l amidon est mis en évidence dans les euglènes uniquement en présence de lumière et de CO 2. Interprétation : Les euglènes fabriquent l amidon, matière organique dont elles ont besoin pour se développer, en présence de lumière et si elles disposent de CO 2 à absorber, mais ne sont pas capables d en fabriquer sans lumière. Conclusion : Les végétaux chlorophylliens tels que les euglènes utilisent l énergie lumineuse et le CO 2 pour fabriquer de la matière organique.

7 Physique-chimie et Sciences de la vie et de la Terre 4 e «De l air qui nous entoure à la molécule» et spécifiquement la partie «Les atomes pour comprendre la transformation chimique». L équation chimique. Question : Nous vous proposons les éléments de l équation bilan chimique de la photosynthèse, à vous de l équilibrer. Énergie lumineuse CO 2 + H 2 O C 6 H 12 O 6 + O 2 Énergie lumineuse Réponse : 6 CO H 2 O C 6 H 12 O O 2

8 Les objets dans l espace Le véhicule de transfert automatique (ATV) sous la coiffe d Ariane 5 Esa/Ducros David, 2005 Question 6 : La photo présente la fusée Ariane 5 qui expulse sa coiffe pour libérer l ATV. Que deviennent ces éléments expulsés? Réponse 6 : Ces éléments ne restent pas dans l espace, mais retombent sur Terre. Question 7 : Pourquoi ces débris ne risquent-ils pas de nous tomber sur la tête?

9 Réponse 7 : Ces débris seront désintégrés en pénétrant dans l atmosphère terrestre. Question 8 : L ATV et l ISS à laquelle il s arrime ont une durée de vie limitée. Que deviendront-ils une fois inutilisables? Réponse 8 : À la différence de la coiffe expulsée, les satellites, l ATV ou l ISS ne retombent pas sur Terre et resteront placés en orbite autour de celle-ci sans être détruits. Question 9 : Quelles sont les conséquences de la présence de ces objets autour de notre planète? Réponse 9 : Ces objets devenus inutilisables polluent l espace en encombrant la banlieue terrestre. De ce fait, ils peuvent également entrer en collision avec des appareils récents en fonctionnement, donc être à l origine de dégâts matériels. Question 10 : Proposez des idées pour remédier à ce problème de déchets spatiaux en vous inspirant de démarches citoyennes qui existent à votre échelle. Réponse 10 : Récupération, tri puis recyclage de ces matériaux non biodégradables. Construction de matériaux spatiaux biodégradables. Cette solution serait la plus réaliste économiquement et matériellement. Physique-chimie Arrêt sur notion : La chute des corps sur Terre 3 e «Mouvement et forces» et spécifiquement les parties «Comment peut-on décrire le mouvement d un objet?» Chute d un objet sur Terre, représentation des forces appliquées par des vecteurs. Question (a) : On s intéressera à un seul morceau de la coiffe d Ariane 5 et on supposera pour simplifier que l atmosphère de la Terre ne perturbe pas son mouvement. À quelle force le morceau de la coiffe est-il soumis lors de sa chute? Représentez cette force de manière adéquate.

10 Réponse (a) : L objet n est soumis qu à la force d attraction que la Terre exerce sur lui. r On représente cette force par un vecteur F dont le point d application est le centre de gravité de l objet. Ce vecteur est dirigé vers le centre de la Terre. r F Question (b) : À quel savant doit-on la théorie au sujet de cette force? Réponse (b) : C est au savant anglais Isaac Newton ( ) que l on doit la théorie de la gravitation universelle qui émet l hypothèse que tous les corps sont attirés par la Terre. Physique-chimie Arrêt sur notion : Les frottements de l air dans l atmosphère 4 e «De l air qui nous entoure à la molécule» et spécifiquement les parties «Composition de l air» et «Une description moléculaire pour comprendre». Description moléculaire de l air pour comprendre les frottements de l air. Question (a) : Pourquoi dit-on que les débris qui pénètrent dans l atmosphère une fois éjectés sont «consumés» ou «brûlés»? Réponse (a) : C est la rencontre à très grande vitesse avec l air de l atmosphère qui échauffe les matériaux constituant la coiffe puis les consument complètement. On dit que l air exerce des forces de frottements sur l objet. Question (b) : Proposez une expérience simple qui permette de se rendre compte que des frottements (pas nécessairement de l air) provoquent une élévation de la température. Expérience et réponse (b) : Les conséquences des frottements se visualisent facilement lorsqu on met en contact à grande vitesse deux objets solides : par exemple, une paume de main qui passe très rapidement sur le dessus d un jean Question (c) : Les frottements sont donc responsables de l échauffement du matériau. Mais qu est-ce qui frotte exactement le matériau?

11 Réponse (c) : C est bien l air qui frotte le matériau! Au microscopique, le matériau s échauffe au contact rapide avec les molécules d air (comme la main s échauffe au contact rapide avec le jean). Plus précisément, ce sont des milliards de milliards de molécules de diazote (78 %) et de molécules de dioxygène (21 %) qui frottent le matériau constituant la coiffe en train de retomber sur Terre. Physique-chimie Arrêt sur notion : Mouvements de l ATV autour de la Terre 3 e «Mouvement et forces» et spécifiquement la partie «Comment peut-on décrire le mouvement d un objet?». Mouvements orbitaux des satellites autour de la Terre. Question (a) : Décrivez précisément le mouvement de la station spatiale internationale, ISS, autour de la Terre. Réponse (a) : En simplifiant, on peut dire qu il s agit d un mouvement circulaire uniforme, c est-à-dire que la trajectoire de l ISS est un cercle centré sur la Terre et que la station spatiale garde toujours la même vitesse sur son orbite par rapport à la Terre. Question (b) : Montrez que les deux indications données dans le Portfolio au sujet de la vitesse de l ISS ne sont pas contradictoires : «elle tourne autour de la Terre à une vitesse de km/h» et «la station tourne autour de la Terre à une vitesse d environ 8 km/s». Réponse (b) : km/h est bien équivalent à /3 600 = 7,777 km/s soit environ 8 km/s (puisqu il y a secondes dans une heure). Question (c) : Déterminez la période* de rotation notée T de l ISS autour de la Terre à partir de la vitesse v de km/h et de l altitude h de 400 km. Données : rayon de la Terre : R T = km. *durée minimale au bout de laquelle un objet retrouve une position identique. Réponse (c) : v = d/t où d est la distance parcourue pendant la rotation. d = 2πR puisqu il s agit de la circonférence de l orbite circulaire de l ISS. Attention le rayon de l orbite vaut R = R + h = km donc d = 2π = km. La période vaut T = d/v = / ,52 h soit 1 h 30 environ.