Activité A1 Quelques longueurs dans l Univers Le document suivant est distribué aux élèves qui, après avoir classé les longueurs proposées, donnent dans un premier temps une estimation de ces longueurs. Après mise en commun et discussion, les ordres de grandeur correspondant à la réalité sont ensuite notées par les élèves. Après avoir classé par ordre croissant les longueurs ci-dessous, évaluez l ordre de grandeur de ces longueurs en précisant l unité. Rayon de la Terre Rayon d un cellule humaine Distance Paris-Nice Distance Soleil-Terre Rayon d une orange Distance Terre-Lune Rayon d un atome d hydrogène Rayon de notre Galaxie Estimation Réalité 8/196
Activité A2 Comment déterminer l ordre de grandeur de la taille d une molécule? L objectif de cette séance est la mise en place ou la consolidation de quelques outils méthodologiques. Après une description rapide de l expérience telle qu elle fut réalisée par Franklin, on explique comment cette expérience, réalisée à une échelle réduite par Lord Rayleigh un siècle plus tard, permit de déterminer l ordre de grandeur de la taille des molécules d acide stéarique. Le schéma de la molécule d acide stéarique est présenté, et on explique le positionnement de ces molécules à la surface de l eau. Une réflexion commune permet de conclure que, si l on connaît le volume d acide stéarique déposé à la surface de l eau, la mesure de la surface de la tache permet d arriver à l ordre de grandeur de la taille d une molécule. La formule littérale est établie par la classe. L ordre de grandeur du volume d acide déposé est donné. L expérience réalisée par Lord Rayleigh est alors réalisée sur rétroprojecteur, ou filmée de façon à être visible par tous. Les élèves vont ordonner leur travail de façon à : Décrire l expérience Déterminer l ordre de grandeur de la taille d une molécule Exprimer ce résultat avec un nombre de chiffres significatifs compatibles avec les conditions de l expérience. Certains élèves ont besoin d être aidés dans la réalisation de ce travail. On peut envisager la projection d un tableau indiquant les différentes tâches à réaliser : Description de l expérience Faire un schéma légendé de l expérience Ecrire des phrases simples et ayant un sens Utiliser un vocabulaire scientifique Détermination de l ordre de grandeur de la taille Reconnaître les nombres associés à chaque terme d une molécule de la formule littérale Utiliser des unités cohérentes pour faire l application numérique Expression du résultat avec un nombre de chiffres significatifs compatibles avec les conditions de l expérience Utiliser les puissances de 10 Evaluer le nombre de chiffres significatifs des valeurs qui ont permis de déterminer le résultat cherché Savoir que le résultat final ne peut pas être plus précis que les valeurs qui ont permis de le déterminer 9/196
Activité B1 Construction d une échelle comparative de longueurs La figure suivante est rétroprojetée ou distribuée aux élèves. Les seuls ordres de grandeurs précisés au départ sont ceux qui font partie du domaine familier d utilisation. On explique que le projet consiste à comparer des longueurs entre elles par ordre croissant la liste des longueurs à classer étant par exemple : Un temps de réflexion est laissé aux élèves. Puis le professeur explore la liste, la place de chaque objet -taille moyenne d un atome, -taille moyenne d une cellule, -distance d une étoile (de la Galaxie) à la Terre, -distance de la Lune à la Terre, -distance de la Terre au Soleil, -taille moyenne d une molécule, -distance de la planète Jupiter au Soleil, -épaisseur d un cheveu, -rayon de la Terre, -altitude d un satellite géostationnaire étant discutée avec le groupe classe. Au cours de cette discussion certains objets mentionnés dans la liste ( planète, Galaxie, satellite ) méritent d être décrits plus précisément et pourquoi pas montrés par le moyen de projections de photographies, d images filmées en direct (préparation montrant des cellules avec un microscope) de très courtes séquences vidéo On constitue progressivement un glossaire donnant une description sommaire des différents objets. La valeur de chaque longueur est portée sur l échelle en conservant dans un premier temps l écriture familière, par exemple pour la distance Terre-Soleil on peut écrire provisoirement 150 millions de km, car c est très certainement la valeur qui sera proposée par quelques élèves. Un travail sur l écriture scientifique des nombres peut alors débuter. Deux aspects de l écriture sont à travailler : -les puissances de 10 et les préfixes qui leur correspondent, -le nombre qui multiplie la puissance de 10 qui ne doit être écrit qu avec des chiffres qui ont du sens. 16/196
Exercices sur la partie 1 De l atome aux galaxies Remarque : de nombreux exercices figurant dans les activités des diverses progressions peuvent être exploités. I Echelle de longueurs Classement d objets selon leur taille a) Les objets suivants sont assimilables à des sphères de diamètre d : - cellule humaine - Terre - noyau de l atome d hydrogène - Lune - atome d hydrogène b) Classer ces objets par taille croissante, en indiquant pour chacun d entre eux son diamètre, pris parmi les valeurs suivantes : 2,4. 10-15 m 3,5. 10 6 m 1,0. 10-6 m 1,1. 10-10 m 1,3 10 7 m Le vide interstellaire Le milieu interstellaire a une masse volumique qui vaut en moyenne 3 10-21 kg.m -3. Quelle est la masse de matière contenue dans un volume correspondant à un cube de 100 km de côté? Savoir utiliser l année de lumière 1-Calculer la distance de ces astres en a.l. Astres Distance à la Terre en milliards de km étoile la plus proche Proxima du Centaure étoile polaire galaxie la plus proche : grand nuage de Magellan galaxie d Andromède 4,2.10 4 4, 3.10 6 1,7. 10 9 2,0.10 10 en a.l. Document d'accompagnement du programme de physique en 2 nde Version de janvier 2000 81/196
2-La lumière émise par les astres lointains n est pas reçue instantanément par l observateur. Calculer le temps que met la lumière pour parcourir les distances suivantes et utiliser le résultat pour exprimer la distance en «temps-lumière» DISTANCE SOLEIL-TERRE SOLEIL-JUPITER SOLEIL-PLUTON TERRE-LUNE Distance exprimée en «temps-lumière» Document d'accompagnement du programme de physique en 2 nde Version de janvier 2000 82/196