SNC1D/1P Étude de l Univers / Exploration spatiale Démonstration par l enseignante ou l enseignant : De quoi est faite une planète? Sujets planètes, planètes géantes telluriques et gazeuses, densité Durée préparation : 10 min démonstration : 20 min (partie A); 5 min (partie B) Attentes particulières SNC1D A1.3 Planifier une expérience (p. ex., concevoir ou adapter un protocole expérimental, sélectionner le matériel et les instruments de mesure), élaborer une stratégie de recherche ou adopter une stratégie de résolution de problèmes. A1.10 Tirer une conclusion et la justifier. C1.3 Décrire, à partir d'observations, des caractéristiques et des propriétés physiques et chimiques d'éléments et de composés communs (p. ex., point de fusion, malléabilité, masse volumique, réaction avec l'air, réaction avec l'eau). D1.2 Décrire les principales composantes de notre système solaire et de l'univers, qualitativement et quantitativement, en utilisant la notation scientifique et les unités appropriées). D2.4 Comparer des propriétés de corps célestes en compilant des données et en les présentant dans un format approprié (p. ex., comparaison de la composition de deux étoiles à l'aide de diagrammes circulaires). [AI, C] SNC1P A1.3 Planifier une expérience (p. ex., concevoir ou adapter un protocole expérimental, sélectionner le matériel et les instruments de mesure), élaborer une stratégie de recherche ou adopter une stratégie de résolution de problèmes. A1.10 Tirer une conclusion et la justifier. D1.2 Comparer les caractéristiques (p. ex., gravité superficielle, distance moyenne du Soleil, atmosphère, nombre de satellites, périodes de révolution et de rotation) des principales composantes du système solaire. Introduction L Union astronomique internationale classe les corps célestes du système solaire en trois catégories : les planètes, les planètes naines et les petits corps célestes (p. ex., comètes, astéroïdes et météoroïdes). Les planètes sont des objets célestes qui orbitent autour d une étoile, qui sont de forme sphérique à cause de la force de gravitation générée par leur grande dimension, et qui ont éliminé de leur orbite les autres objets célestes. Il y a huit planètes dans le système solaire, réparties en deux groupes distincts. Les quatre planètes proches du Soleil (Mercure, Vénus, Terre et Mars) sont rocheuses et surtout constituées
de matériaux denses. Les quatre planètes externes (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune), quant à elles, sont surtout constituées d éléments gazeux. Pluton, qui jusqu en 2006 était considérée comme une planète, n est pas une grosse planète gazeuse : elle est petite et constituée de roches et de glace. Sa composition suggère qu elle est un objet de la ceinture de Kuiper. On l'a reclassée planète naine puisqu elle croise la trajectoire orbitale de Neptune et qu elle est considérablement petite (plus petite que Mercure). En outre, Pluton n est pas dans le plan solaire où se trouvent toutes les autres planètes. La ceinture de Kuiper est une zone de notre système solaire s'étendant au-delà de l'orbite de Neptune. Elle se trouve entre 30 et 50 U.A. du Soleil. À cause de son éloignement de la Terre, c est une région où il reste beaucoup de choses à découvrir. On pense toutefois que la ceinture de Kuiper renferme des centaines de milliers de corps glacés mesurant plus de 100 km de diamètre, et plus d un billion de comètes. Selon l hypothèse de la nébuleuse solaire, le Soleil, la Terre et toutes les planètes de notre système solaire auraient été formés à l intérieur d une nébuleuse (nuage diffus de poussières et de gaz de l espace orbital), qui se serait contractée sous l effet des forces gravitationnelles s exerçant entre les gaz et les particules de poussières. Matériel Partie A pesée gros cylindre gradué ou petit bécher (pouvant contenir tous les échantillons) quelques pierres et minéraux différents cubes de glace tableau de données planétaires (voir modèle cidessous) Partie B petit ventilateur 4 objets plus denses que l eau (p. ex., cailloux, billes, perles en céramique) 4 objets moins denses que l eau (p. ex., tampons d ouate, pompons, billes de bois) Consignes de sécurité Aucune Marche à suivre Partie A : Déduire la composition des planètes 1. Prédire / Expliquer Posez la question suivante : «De quoi les planètes sont-elles faites?» Donnez des exemples de matériaux possibles : roches, gaz et glace. Demandez aux élèves d expliquer leurs prédictions à partir de leur connaissance des propriétés physiques de substances courantes. 2. Observer Remettez des objets de densité différente à chacun des groupes. Déterminez la masse, m, et le volume, V o, de chaque objet de la façon indiquée ci-dessous et demandez aux élèves de consigner leurs observations. a. Calculez la masse de chaque objet à l aide de la pesée.
b. Remplissez à moitié le cylindre gradué (ou le bécher) avec de l eau et notez le volume, V a. c. Déposez un objet dans le récipient et notez le nouveau volume, V b (fig.1). d. Déterminez le volume de l objet comme suit : V o : V o = V b V a. e. Déterminez la densité de chaque objet comme suit : :! =!!!. Fig.1 Fa on de déterminer le volume d un objet [Bécher / Eau / Caillou] 3. Calculez la densité des planètes à l aide des valeurs de masse et de volume indiquées dans le tableau des données planétaires, et inscrivez les résultats dans le tableau. 4. Examinez les compositions possibles des planètes en comparant les densités des objets échantillons avec celles des planètes. Les densités intermédiaires des planètes (valeurs se situant entre les densités des objets) supposent l existence d un mélange. Demandez aux élèves d indiquer, en se fiant aux valeurs obtenues pour les objets échantillons, quelle substance représente le mieux chaque planète et pourquoi? 5. Expliquer Puisque les élèves ont associé un matériau à chaque planète, demandez-leur ce qu ils constatent à propos des planètes proches du Soleil (densité et composition possible) par comparaison avec les caractéristiques des planètes externes. Quelles planètes flotteraient sur l eau selon ce qu ils ont observé et prévu? 6. Prédire / Expliquer Demandez aux élèves de prédire comment la différence de densité pourrait être à l origine de la répartition des éléments, du plus lourd au plus léger, dans le système solaire. 7. Expliquez brièvement l hypothèse de la nébuleuse solaire. Demandez aux élèves d expliquer, à l aide de cette hypothèse, leur prédiction selon laquelle les éléments les plus lourds sont demeurés proches du Soleil, et les plus légers s en sont éloignés. Partie B : Pourquoi les planètes externes sont constituées de matériaux plus légers. 8. Mélanger les objets légers et les lourds et déposez-les sur une grande surface plane devant le ventilateur (le Soleil) (fig.2). 9. Faites fonctionner le ventilateur 10 secondes. 10. Observez la répartition des objets. 11. Demandez aux élèves de comparer la répartition des objets avec celle des planètes du système solaire?
Fig.2 Objets mis en tas [Ventilateur / 8 objets ] Nettoyage Jetez l eau et la glace dans l évier. Rangez les autres accessoires en vue d une utilisation future. Qu est- ce qui se produit? Partie A Les densités des planètes proches du Soleil sont semblables aux valeurs que les élèves ont obtenues pour les roches et les minéraux. En outre, les planètes extérieures présentent des densités moindres que celle de la roche, mais proches de celle de la glace. Partie B Les 8 objets s éparpilleront à des distances différentes selon leur taille et leur masse ainsi que la résistance de frottement de la table et de l air. Les objets les moins denses seront soufflés le plus loin. Comment ça fonctionne? Partie A La densité de la roche sera de 2 à 3 fois plus grande que celle de l eau. Les planètes proches du Soleil sont principalement constituées de roches et leurs densités se comparent aux densités obtenues pour les roches. Les planètes externes ont des densités proches de la valeur obtenue pour la glace. Partie B Lorsque le ventilateur (Soleil) est mis en marche, les objets moins denses sont «soufflés» jusqu aux parties externes du système solaire. Les planètes qui se sont formées dans cet endroit sont principalement constituées de gaz. Les matières plus denses, quant à elles, sont demeurées dans les parties internes du système solaire, où elles ont formé les planètes plus denses. À noter que les matières moins denses exercent suffisamment de gravité sur elles-mêmes pour former les géantes gazeuses. Suggestions/ conseils pour l enseignante ou l enseignant 1. Vérifiez que les cailloux et la glace peuvent tenir dans le cylindre gradué et que celui-ci ne débordera pas quand on y déposera les objets même s il n est rempli d eau qu à la moitié. 2. Le cylindre gradué est l accessoire le plus précis, mais un petit bécher peut quand même faire l affaire. 3. Expliquez que la glace doit être entièrement immergée avant d enregistrer le changement du niveau d eau dans le cylindre gradué.
4. Si le temps est limité, calculez les densités des planètes avant le cours et inscrivez-les dans le tableau. 5. Si vous disposez de suffisamment de matériel et de temps, laissez aux élèves la tâche de déterminer la masse, le volume et la densité des roches, des minéraux et de la glace. 6. Utilisez un ventilateur fixe pas un ventilateur oscillant afin d évier d éparpiller les objets dans différentes directions, voire de blesser un élève. Prochaines étapes Dirigez en guise d enrichissement une discussion sur d autres objets célestes (p. ex., les satellites (naturels), les comètes et les astéroïdes) et leurs compositions. Ressources supplémentaires 1. Classzone Animation Animation sur l origine du système solaire : http://www.classzone.com/books/earth_science/terc/content/visualizations/es0401/es0401p age01.cfm (sans parole) 2. Agence spatiale canadienne Plan de courtes leçons sur des sujets connexes à l espace, y compris «Les planètes»: http://www.asccsa.gc.ca/fra/educateurs/ressources/astronomie/plans.asp
Modèle de tableau de données Données planétaires Planète Masse (kg) Volume (m 3 ) Densité (kg/m 3 ) Composition prévue Mercure 3,3 10 23 6,083 10 19 Vénus 4,87 10 24 9,284 10 20 Terre 5,97 10 24 1,083 10 21 Mars 6,42 10 23 1,631 10 20 Jupiter 1,90 10 27 1,430 10 24 Saturn 5,68 10 26 8,271 10 23 Uranus 8,68 10 25 6,833 10 22 Neptune 1,02 10 26 6,254 10 22