Troisième partie. L'Univers

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1 Troisième partie L'Univers

2 Chapitre 1 Qu'y a-t-il dans l'univers? Savoir-faires ordre de grandeur Supports Video The Known Universe diaporama de photos montrant les objets des diérents ordres de grandeur, support au discours du professeur Activités documentaires Réalisation d'un classement, par ordre de grandeur croissants des diérents objets qui constituent l'univers. Réexion sur les ordres de grandeur et sur les vues d'artiste préalable. Possibilité de créer un chier vide avec une èche et les ordres de grandeur, à compléter par l'élève. Expériences de cours une balle de tennis Eléments de culture scientique quark exoplanète I Qu'est-ce que l'univers? L'Univers (10 26 m) est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent. On estime que l'univers nacquit il y a 13,7 milliards d'années au cours du Big Bang. L'Univers contient l'espace ainsi que le temps. L'univers est sans bord, sans centre et illimité. On ne revient jamais au meme point d'espace-temps! En eet, si on suppose qu'un voyageur de Paris, fait le tour de l'univers, et revient à Paris, il sera au même point de l'espace (Paris), mais pas à la même date. Il n'aura donc pas fait le tour de l'univers, puisqu'il ne sera pas revenu au même point d'espace et de temps. II L'échelle microscopique L'échelle microscopique constitue l'ensemble des objets invisibles à l'oeil nu.

3 CHAPITRE 1. QU'Y A-T-IL DANS L'UNIVERS? 3 1 Le plus petit objet de l'univers Le quark est le plus petit objet connu. Sa taille est inférieure à m. Enoncée pour la première fois en 1964 par Murray Gell-Mann, la théorie des quarks acquit ses lettres de noblesse au fur et à mesure qu'elle fut corroborée (=conrmée) par les expériences ; Ce n'est qu'en 1975 que les quarks furent détectés expérimentalement. Les quarks ne peuvent pas exister tous seuls : ils s'associent par triplet (trois quarks liés ensemble) et constituent les nucléons. 2 Les nucléons : protons et neutrons Les quarks ne peuvent pas exister tous seuls : ils s'associent par triplet (trois quarks liés ensemble) et constituent les nucléons. Il existe deux types de nucléons : les protons et les neutrons. Protons et neutrons peuvent s'associer et consituer un noyau d'atomes. 3 L'atome Tous les objets de l'univers sont constitués d'atomes, qui sont de petits morceaux de matière. Un atome (du grec atomos, que l'on ne peut diviser) est constitué d'un noyau (de l'ordre du fentomètre, m) entouré d'un nuage d'électron. Le diamètre total d'un atome est de l'ordre de l'angström (1 A = m). Les physiciens ont réussi à prendre une photographie de plusieurs atomes d'or à l'aide d'un microscope à eet tunnel. La distance entre le noyau et les électrons qui gravitent autour est très grande. Par comparaison, si un noyau d'atome faisait la taille d'une balle de tennis et qu'on la plaçait au centre de Paris, l'électron le plus proche serait sur le périphérique. L'atome, et donc la matière, est donc essentiellement constituée de vide, avec de ci de là un peu de matière. Les atomes peuvent vivre seuls, ou s'associer en de plus grands objets : les molécules. 4 La molécule Une molécule (de m à 10 9 m) est un assemblage d'atome. Il existe des millions de types de molécules. Exemples : la molécule d'eau, notée H 2 O, constituée d'un atome d'oxygène lié à deux atomes d'hydrogène ; l'adn, qui est une macromolécule, car elle est constituée de plusieurs milliers d'atomes.

4 CHAPITRE 1. QU'Y A-T-IL DANS L'UNIVERS? 4 5 La cellule Une cellule (du micromètre au centimètre) est le constituant biologique élémentaire des êtres vivants. Certaines cellules sont visibles à l'oeil nu (Les oeufs sont des cellules géantes. L'oeuf d'autruche (2kg) est donc la plus grosse cellule du règne animal). III Echelle macroscopique C'est l'échelle de l'homme et des objets qui lui sont accessibles, du millimètre au millier de kilomètres. IV Echelle cosmique C'est l'échelle des objets dont la taille est si grande que l'homme peine à se les représenter. 1 Planètes Notre planète, la Terre, a un rayon de 6400 km. Il existe d'autres planètes hors du système solaire, que l'on a réussi à observer en Ce sont les exoplanètes, ou planètes extrasolaires. C' est une planète orbitant autour d'une étoile autre que le Soleil. La plupart des exoplanètes découvertes à ce jour orbitent autour d'étoiles situées à moins de 400 années-lumière du système solaire.

5 CHAPITRE 1. QU'Y A-T-IL DANS L'UNIVERS? 5 Pendant longtemps, l'existence d'exoplanètes n'a pu être prouvée par l'observation. La distance, mais aussi le manque de luminosité de ces objets célestes si petits en comparaison des étoiles autour desquelles ils orbitent ont rendu leur détection impossible. Ce n'est que dans les années 1990 que les premières sont détectées de manière indirecte, puis depuis 2008 de manière directe. La plupart des autres ont été détectées par l'e et Doppler-Fizeau. En date du 30 juillet 2010, 473 exoplanètes ont été découvertes, toutes de masse supérieure à celle de la Terre. 2 Système solaire L'ensemble des planètes en rotation et du soleil (notre étoile) est appelé le système solaire (1013 m). Il existe d'autres systèmes solaires, avec une étoile ou deux en leur centre. Le système solaire le plus proche de nous est Alpha du Centaure : c'est un système de trois étoiles très proches : Alpha Centauri A et Alpha Centauri B sont les deux étoiles principales qui forment une étoile double, et Proxima Centauri est une naine rouge (galaxie jeune) beaucoup moins lumineuse, qui est l'étoile la plus proche du Soleil (4,22 années-lumière). Qu'est-ce qu'une année lumière? Une année lumière correspond à la distance parcourue par la lumière pendant un an. Cette distance en kilomètre vaut à peu près milliards de km. 3 Galaxies Plusieurs systèmes solaires peuvent former une structure appelée galaxie. Notre galaxie s'appelle la voie lactée. Notre galaxie voisine la plus proche de nous est la galaxie du Grand Chien (découverte en 2003), contenue dans la constellation du Grand Chien. Elle tourne autour de la Voie Lactée : c'est une galaxie satellite. Sous l'e et de la gravitation, les galaxies peuvent s'associer en amas de galaxie.

6 CHAPITRE 1. QU'Y A-T-IL DANS L'UNIVERS? 6 4 Les amas de galaxies Un amas de galaxies, ou amas galactique, est l'association de plus d'une centaine de galaxies liées entre elles par la gravitation. Notre amas de galaxie s'appelle le groupe local. Les amas de galaxies peuvent s'associer en superamas de galaxies. Notre superamas s'appelle les superamas de la Vierge. (L'amas de galaxies HCG 87, situé à 400 millions d'années-lumière de la Terre.) 5 Et le reste? Du vide! L'espace contient si peu de matière qu'il peut être considéré comme vide! Ce peu de matière est constitué d'atomes, et nous l'avons vu précédemment, les atomes sont principalement faits de vide. C'est une notion dicile à concevoir pour nous, car sur Terre la matière est partout. Mais vide ne signie pas rien. En eet, ce vide dans l'univers est en fait parcouru par des rayonnements électromagnétiques (les ondes). Pour nir : recherche des ordres de grandeurs des objets qui constituent l'unviers Ordre de grandeur L'ordre de grandeur d'un nombre est la puissance de 10 la plus proche de ce nombre. Il est facile de le déterminer si les nombres sont écrits en écriture scientique. Exemple : Remarque : L'ordre de grandeur permet de donner une idée de la valeur de la grandeur, sans retenir le nombre. On peut aisément comparer les grandeurs en ne retenant que les ordres de grandeur... Exemple : Recherche documentaire sur internet d'images et d'information sur les tailles des objets. Les tailles devront être convertis en ordre de grandeur en mètres. Sous chaque représentation devra être précisée si c'est une photographie ou une vue d'artiste.

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