THEME UNIVERS CHAPITRE 1 PRESENTATION DE L UNIVERS PLAN DE TRAVAIL OBJECTIFS Utiliser les puissances de 10 dans l évaluation des ordres de grandeurs Savoir que le remplissage de l espace par la matière est essentiellement lacunaire, aussi bien au niveau de l atome qu à l échelle cosmique Connaitre la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide (ou dans l air) Connaitre la définition de l année lumière et son intérêt Expliquer : «Voir loin, c est voir dans le passé» : Acquis : En cours d acquisition : non acquis RESSOURCES (Les ressources textes sont sur Pronote) Vidéo 1 les puissances de 10 Activité 1 Construction d une échelle de longueur TP1 Détermination de la taille d une molécule Vidéo 2 La vitesse de la lumière Activité 2 L année lumière TRAVAIL A FAIRE Consulter les ressources Compléter la trace écrite (Cours chapitre 1) S exercer sur les exercices d'automatisation et d'analyse (pour les plus avancés : parcours autonome) Faire un résumé du chapitre sous forme de carte mentale Réaliser le projet demandé Apprendre le cours régulièrement Faire des exercices avant le DS PROJET Vous venez de regarder le film "ET l'extraterrestre" Mais il y quelque chose qui ne tient pas dans le scénario! Vous décidez donc d'écrire une lettre à Steve Spielberg lui EXPLIQUANT ce qui ne convient pas scientifiquement dans son scénario. Votre Lettre sera accompagnée de vos calculs PERMETTANT d'argumenter vos propos
EXCERCER SES COMPETENCES Parcours commun Parcours autonome 1-Exercices d'automatisation 2-Exercices d'analyse 3- Exercices d approfondissement ou de révision Ex1 Ex2 Ex11 Ex12 Ex17 Ex3 Ex13 Ex4 Ex14 Ex5 Ex15 Correction des exercices sur Pronote Ex6 Ex7 Ex16 Ex8 Ex9 Ex10 CHRONOLOGIE
THEME UNIVERS CHAPITRE 1 Chapitre 1 : PRESENTATION DE L UNIVERS I. GRANDEURS PHYSIQUES ET UNITES On appelle grandeur physique, toute propriété de la science de la nature qui peut être quantifiée par la mesure ou le calcul. Les différentes valeurs possibles s'expriment à l'aide d'un nombre, accompagné d'une unité de mesure. Grandeur Symbole de la grandeur Unité de la grandeur (unité officielle dans le système international) Longueur Surface Volume Masse Temps Vitesse Intensité Tension Symbole de l unité de la grandeur II. LIRE ET ECRIRE UN NOMBRE 1. Multiples et sous multiples Nom Téra Giga Méga Kilo Unité Milli Micro Nano Pico Symbole Valeur en puissance de 10 2. Opérations avec les puissances de 10 : 3. Ecriture scientifique d un nombre :. avec a :... a... et n : 4. Conversion et écriture scientifique avec les puissances de 10 Ecrire le nombre à convertir en écriture scientifique Effectuer la conversion de l unité à l aide des puissances de 10 5. Comparaison de deux nombres : On écrit les nombres dans la même unité, en écriture scientifique. 1
III. DESCRIPTION DE L UNIVERS A l échelle de l infiniment petit, l Univers est composé. A l échelle de l infiniment grand, l univers est composé de notre, de système extrasolaires, d étoiles qui se regroupes en, regroupées à leur tour en et superamas. Le système solaire est constitué : au centre d une : le de en orbite autour du Soleil des en orbite autour des différentes planètes d corps de petites tailles qui lorsqu ils pénètrent dans l atmosphère terrestre sont appelés météorites de : corps de petites tailles ayant un noyau de glace Les systèmes extrasolaires sont constitués d une et de qui leur gravitent autour appelées Dans l Univers le remplissage de la matière est En effet : l espace occupé par les atomes est essentiellement constitué de l espace cosmique est essentiellement constitué de IV. L ANNEE LUMIERE Dans le vide et dans l air la lumière se propage en à la vitesse : L année lumière (a.l) est L année lumière est une unité de adaptée à l échelle Plus un objet est éloigné, plus la lumière qu il émet met du temps à nous parvenir, et plus nous l observons donc dans le 2
THEME UNIVERS CHAPITRE 1 Activité 1 : CONSTRUCTION D UNE ECHELLE DE LONGUEUR Voici différents objets de l univers : Diamètre de la voie lactée, longueur d une fourmi, diamètre d un globule rouge, hauteur de la tour Eiffel, distance Terre-Soleil, diamètre d un cheveu, diamètre d un noyau atomique, rayon de la Terre, distance Nord-Sud de la Corse, diamètre d un atome, diamètre d un virus. Objectif : Construire une échelle de longueur faisant figurer les différents objets cités ci-dessus. 1
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Aide démarche : 1 ère étape : observer les différents objets : comment ont-ils été obtenus (photos? représentation? Schéma ) 2 ème étape : déterminer la taille des différents objets à l aide des indications (échelle, mesures, ) 3 ème étape : Ecrire les différentes dimensions dans la même unité (le mètre), en écriture scientifique pour pouvoir les comparer (voir plus bas) 4 ème étape : Donner un ordre de grandeur 5 ème étape : Classer les objets par ordre croissant 6 ème étape : réaliser une échelle de longueur où apparaîtront les différents objets. Attention les échelles doivent être respectées. Une échelle linéaire semble donc impossible Aide mathématique : Echelle : L'échelle d'une reproduction (plan, carte, photo, maquette ) est le coefficient de proportionnalité qui permet de passer des dimensions réelles d'un objet aux dimensions correspondantes sur sa reproduction. Pour déterminer une échelle, on calcule le quotient : dimension sur la reproduction l =, Ces dimensions sont exprimées dans la même unité. dimension réelle correspondante Multiples sous multiples d une unité L écriture de ces grands ou petits nombres étant peu pratique, nous allons utiliser les puissances de 10 pour exprimer les multiples ou les sous multiples d une unité. Nom Téra Giga Méga kilo hecto déca Unité déci centi milli micro nano pico Symbole T G M k h da d c m µ n p Valeur en 10 puissance 10 9 10 6 10 3 10 2 10 1 10 0 =1 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 de 10 L écriture scientifique Les nombres très grands ou très petits s expriment en notation scientifique grâce aux puissances de 10. Définition : La notation scientifique est l'écriture d'un nombre sous la forme d'un produit du type: a 10 n, où a est un nombre décimal tel que 1 a < 10 (ou - 10 < a -1) et n un nombre entier positif ou négatif Comparaison de deux mesures ou résultat : Pour comparer deux longueurs, il faut les exprimer dans la même unité, en écriture scientifique Ordre de grandeur Pour avoir une idée approximative de la dimension d'un objet, on utilise des ordres de grandeurs : l'ordre de grandeur d'un nombre est la puissance de 10 la plus proche de ce nombre. La connaissance de l ordre de grandeur permet de comparer rapidement les grandeurs étudiées. Il constitue un outil de contrôle permanent pour éviter les erreurs grossières. Règle : Si on a, en notation scientifique : Une valeur inférieure à 5 10 n, l ordre de grandeur est 10 n une valeur supérieure ou égale à 5 10 n, l'ordre de grandeur est 10 n+1 3
THEME UNIVERS CHAPITRE 1 TP1 : DETERMINATION DE L ORDRE DE GRANDEUR DE LA TAILLE D UNE MOLECULE Vous trouverez ci-dessous un texte adapté du livre «Les objets fragiles» de Pierre Gilles de Gennes rapportant comment, il y a 200 ans, Benjamin Franklin a pu déterminer l ordre de grandeur de la taille d une molécule L expérience de B. Franklin Benjamin Franklin, inventeur du paratonnerre fut aussi l ambassadeur des jeunes États-Unis en France sous Louis XVI. C était un homme de grande culture et de grande passion. Il s intéressait à toutes les expériences que l on faisait alors dans les «cabinets de physique» de ce siècle des lumières et notamment aux effets de l huile sur l eau. En 1762, Franklin va au bord d un étang et verse, doucement, une cuillerée d huile d olive sur l étang. L huile s étale et Franklin arrive à reconnaître les régions qui sont recouvertes : en l absence d huile, la brise créait des vaguelettes sur l étang ; en présence d huile, on ne voit plus de rides, la surface est lisse. Franklin arrive alors à estimer la surface du film d huile, elle est énorme : 2000 m 2. La raison de cet étalement est que l huile possède une tête hydrophile («qui aime l eau»), qui reste immergée dans l eau ; et une chaîne hydrophobe («qui craint l eau»), qui reste dans l air. Cette expérience porte en elle-même un résultat considérable : si l on divise le volume d huile par la surface d étalement, on trouve la hauteur du film qui s avère être de l ordre du nanomètre : cette hauteur est en gros la taille d une molécule d huile. Objectif : On souhaite déterminer l ordre de grandeur de la taille d une molécule d huile I. Analyse du texte Après avoir lu le texte, répondre aux questions suivantes : 1. En utilisant le schéma de la molécule ci-dessous, représentez quelques molécules d huile à la surface de l eau, conformément à la description de l auteur : 2. Partant de ce modèle, exprimez la longueur l de la molécule en fonction du volume V d'huile versé et de la surface S de la flaque mesurée par Franklin. 3. Si le volume de la cuillère d huile déposée à la surface du lac est de 6 ml, quelle est la taille d une molécule d huile? Attention aux conversions d'unité!
II. Détermination expérimentale de l ordre de grandeur de la taille d une molécule En s'inspirant de l'expérience réalisée par Franklin, vous allez déterminer au laboratoire l'ordre de grandeur de la longueur d'une molécule d'huile. Pour cela, l huile a été diluée dans de l acétone (solution à 1% d huile). Matériel à disposition : un cristallisoir, une solution diluée d'huile (huile + acétone), du talc, une burette, un verre de montre, un bécher, une règle. Imaginez un protocole qui permet de remonter à l ordre de grandeur de la longueur d une molécule d huile. Réalisez le protocole pour répondre à la question Attention!! : Compte-tenu du diamètre du cristallisoir, on laissera tomber une seule goutte de solution diluée d huile.
THEME UNIVERS CHAPITRE 1 EXERCICES EXERCICES D AUTOMATISATION Ex 1 Manipuler les puissances de 10 1. Ecrire sous forme décimale les puissances de 10 suivantes : 10 4, 10-3, 10 9, 10-6 2. Calculer : 10 2 10 5, 1 10 4, 10 6 10 7, (103 ) 5 Ex 2 Conversions 1. Convertir les masses suivantes : 0,026 g en kg ; 1 cg en g et 0,5 g en mg 2. Convertir les volumes suivants : 30 L en cl ; 1,05 L en ml ; 10 cl en ml et 0,047 ml en L 3. Convertir les durées suivantes : 30 ms en s 15,04 s en ms 1 h 30 min en h 45 min en puis en ms 2 h 10 min 15 s en s Ex 3 Comparer deux nombres Laquelle de ces dimensions est la plus petite? e1 = 78 Mm et e2 = 75 000 km Ex 4 Notation scientifique ordre de grandeur Compléter le tableau ci-dessous. Remarque : On ne conservera qu un seul chiffre après la virgule Longueur Valeur en mètre Notation scientifique en mètre Ordre de grandeur Rayon de la Terre 638x10 4 Distance Terre-Lune 384x10 6 Rayon du Soleil 700x10 6 Rayon d un atome d hydrogène 0,053x10-9 Diamètre d un globule rouge 70x10-7 Rayon d un atome de fer 0,14x10-9 Distance Uranus-Soleil 2870x10 9 Distance Mercure-Soleil 58x10 9 Ex 5 Comparer des longueurs 1. Classer de la plus petite à la plus grande les molécules de longueurs suivantes : 127 nm, 20.10-4 μm, 34.10-8 m, 28.10-7 cm. 2. La plus petite et la plus grande molécule ont-elles le même ordre de grandeur? Ex 6 Conversions classer des longueurs Classer les longueurs suivantes par ordre croissant : 10 9 nm ; 10 4 µm ; 10 4 mm ; 10 3 cm
Ex 7 Notation scientifique ordre de grandeur - bis Compléter le tableau ci-dessous. Remarque : On ne conservera qu un seul chiffre après la virgule Objet physique Valeur (m) Notation scientifique (m) Ordre de grandeur (m) Taille moyenne d un homme de 1,75 m Epaisseur de l atmosphère : 80 km Rayon de la Terre : 6378 km Distance moyenne Terre- Soleil : 150 millions de km Taille d une main : 12 cm Taille d une puce électronique : 9,8 mm Diamètre d un cheveu : 80 µm Taille moyenne d un virus : 200 nm Ex 8 Unité adaptée Remplir le tableau suivant : Dimension en notation scientifique (m) Circonférence de la Terre 4,0075 10 7 Distance Lille-Marseille Ordre de grandeur (m) Valeur dans une unité adaptée 969 km Longueur d une piste d athlétisme Epaisseur d une pièce de 1 euro Taille d une cellule 2,33 10 3 3,678 10 4 400 m Ex 9 Vitesse de la lumière 1. Rappeler la valeur de la vitesse de la lumière notée c (comme célérité) en km.s -1 2. Convertir cette valeur en km.h -1. Écrire le résultat en écriture scientifique 3. Convertir cette valeur en mètre par seconde. Écrire le résultat en écriture scientifique Ex 10 L année lumière 1. Rappeler la définition de l année lumière 2. Donner la relation entre la célérité c de la lumière, la distance parcourue (d) et la durée du parcours (t)? 3. Quelle est, en seconde, la durée : d une heure ; d un jour ; d une année de 365j 4. Calculer 1 al en mètre et exprimer le résultat en écriture scientifique. 5. Convertir ce résultat en kilomètre et l écrire en écriture scientifique.
EXERCICES D ANALYSE Ex 11 Notation scientifique ordre de grandeur - bis Répondre aux questions suivantes : Remarque : On conservera 2 chiffres après la virgule pour les écritures scientifiques. 170 000 milliards de milliards est environ le nombre de manières de jouer les dix premiers coups d une partie d échec. Ecrire ce nombre en notation scientifique On estime à 125 milliards le nombre de Galaxies dans l Univers. Écrire ce nombre en notation scientifique. Donner un ordre de grandeur du nombre de petits déjeuners pris par un homme pendant toute sa vie sachant que la durée moyenne de vie est de 77 ans. On admet que chaque Galaxie comporte environ 100 milliards d étoiles. Exprimer le nombre d étoiles de l Univers en notation scientifique Un porte-avions coûte environ 8 milliards de francs. Donner un ordre de grandeur qu atteindrait une pile de billets de 100 francs représentant cette somme sachant qu un billet de 100 francs a une épaisseur de 0,08 mm Ex 12 Notation scientifique et svt Le chromosome est l'élément porteur de l'information génétique. Il renferme la molécule d'adn et se trouve dans le noyau des cellules qui forment les tissus des organes. 1. Classer par taille croissante, c'est à dire du plus petit au plus grand, les objets suivants : un chromosome, une molécule d'adn, une cellule. 2. Exprimer en mètres chacune des dimensions suivantes en utilisant la notation scientifique : 50 nm, 2μm, 0,02 mm 3. En déduire leur ordre de grandeur en mètre. 4. Attribuer chacune de ces dimensions à un des objets mentionnés à la question 1 Ex 13 Ordre de grandeur et masse Donner les ordres de grandeurs des masses suivantes : 1. Masse du soleil : 2,0 10 30 kg 2. Masse d un éléphant : 850 kg 3. Masse d un chien : 25 kg 4. Masse d un électron : 9,1 10-31 kg 5. Masse d un grain de sable : trois milliardièmes de kg 6. Masse de la fusée Ariane 5 : 710 000 kg Ex 14 Conversions Convertir. Donner le résultat en écriture scientifique (On conservera 1 chiffre après la virgule) 10 000 milliards de km m µm hm 34,67.10 8 kg mg dg dag 900 000 L = m 3 dm 3 km 3 1,27 dm 2 cm 2 mm 2 m 2 60 cm 3 dm 3 m 3 cm 3 7,8 g.cm -3 g.dm -3 kg.dm -3 kg.m -3 13600 kg.m -3 kg.l -1 g.dm -3 g.cm -3 75 km.h -1 m.s -1 m.jour -1 km.an -1
Ex 15 La machine à remonter le temps 1. Quelle est la vitesse de la lumière? 2. Quelle est la vitesse du son dans l air? Un orage éclate. La foudre tombe à d = 900 m de vous. 3. Combien met la lumière de l éclair pour vous parvenir? 4. Combien met le son (tonnerre) pour vous parvenir? 5. Que remarquez-vous? Conclure 6. Expliquer la phrase : «En regardant «loin», nous regardons «tôt»» 7. Quel est l intérêt pour l astrophysicien d utiliser l année-lumière plutôt que le mètre comme unité de longueur? 8. Rechercher dans le texte quel est l évènement le plus ancien dans l univers. En déduire la distance maximale (en années-lumière) mesurable dans l univers. 9. Si nous habitions une autre planète, sur la galaxie d Andromède par exemple, pourrions-nous dire aussi «Ici (sur cette planète), nous sommes au sommet de la montagne du temps»? Ex 16 Calcul de distances cosmiques 1. Calculer la distance d en mètre puis en km à laquelle se trouvent les extraterrestres de nous.
2. Compléter le tableau ci-dessous pour savoir sur quelle planète nous allons partir en voyage Corps céleste Mars Neptune Proxima du Centaure Epsilon Eridani Andromède Planète Planète Etoile Exoplanète Galaxie Type Distance Terre-corps céleste en année lumière (al) 8.2 x 10-6 al 9 x 10-5 al 4,3 al 10 al 2,6.10 6 al Distance Terre-corps céleste en kilomètre (km) Distance Terre-corps céleste en mètre (m) Durée t du voyage en heure puis en min dans le cas où le vaisseau se déplace à la vitesse de la lumière c = 1.08 x 10 9 km.h -1 Durée du voyage en heure dans le cas où le vaisseau se déplace à la vitesse d une sonde v = 5000 kmh -1
EXERCICES D APPROFONDISSEMENT Ex 17 Conversion de masses volumiques On dispose de 4 flacons dont les étiquettes ont été effacées... Au laboratoire, on cherche à trouver le flacon qui comporte du dichlorométhane dont la masse volumique est : ρ dichlorométhane = 1,32 g.cm -3. Pour cela 4 chimistes pèsent 100 ml de solution de chaque flacon. Cependant ils donnent le résultat dans des unités bien différentes. Flacon n 1 n 2 n 3 n 4 Masse 10.10 2 mg 0,079 kg 132 000 000 μg 8400.10 7 ng 1. Effectuer la conversion de chaque masse en g 2. Calculer la masse volumique de chaque flacon. Trouver quel flacon contient alors du dichlorométhane