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B : Les mouvements dans le système solaire

1. LE SYST ME SOLAIRE EN ACTIVIT UNE MALLETTE P DAGOGIQUE POUR LA PRIMAIRE ET LE COLL GE auteurs du livret et cr ation de la mallette p dagogique Caroline Barban Pac me Delva Alain Doressoudiram Sandrine Guerlet Juan Quintanilla Del Mar No l Robichon unit formation enseignement de l Observatoire de Paris uatoire hte r de Paris Unit Fonration amp t Ens onenent Conception et r alisation de la couverture Emmanuel Vergnaud Version 1 1 juillet 2009 INTRODUCTION MODE D EMPLOI Le ciel l univers les toiles ont toujours fascin leurs contemplateurs et ce tout age Au dela de cette contemplation malheureusement les connaissances fondamentales sur la structure de l Univers et la nature de ses constituants sont rarement acquises ou enseign es Pire beaucoup d id es fausses circulent dans ce domaine voire c toient les mythes cosmogoniques Or certaines notions fondamentales peuvent tre abord es avec peu de bagage scientifique ou math matique Ce livret propose de partir la d couverte du syst me solaire dont la Terre fait partie en tant que plan te parmi d autres gravitant autour de son toile centrale le Soleil C est l exploration de notre voisinage proche au sens astronomique par rapport aux grandes distances qui nous s parent des autres toiles que l on se propose de faire Les diff rentes activit s propos es vont en permettre l tude la fois dans
2. savoir que la Terre pr sente des ph nom nes dynamiques d origine interne volcans et s ismes L eau La lumi re Syst me Soleil Terre Lune Phases de la Lune clipses Pr sentation succincte du syst me solaire La gravitation dans le syst me solaire 72 Classement des activites par niveau scolaire minimum Primaire cycle 3 Inventaire du syst me solaire page 13 Dans quel ordre page 14 Deux familles de plan tes page 18 Pourquoi le ciel est bleu page 24 Calcule ton poids sur la Lune page 25 D o vient le nom des plan tes page 32 Enqu te sur le syst me solaire page 33 Dessine une com te page 43 D but coll ge 6 5 7 D o vient le nom des plan tes page 32 Les savants grecs et l astronomie page 52 Le mouvement des plan tes avec le plan taire g ant page 58 Changement de r f rentiel page 62 Elongation des plan tes page 66 Retrogradation des plan tes page 68 Fin coll ge 4 3 Calcul de l ge du Soleil charbon page 16 L eau dans tous ses tats page 30 Mission sur Europe page 46 R flexions sur les panneaux solaires page 48 Les savants grecs et l astronomie page 52 73 Le mouvement des plan tes avec le plan taire g ant page 58 Changement de r f rentiel page 62 Elongation des plan t
3. 64 Elongation des plan tes iii 66 R TONrAQAUONIAES PIANOICS ne end annee 68 10 Table des Travaux Pratiques Volcanisme dans le syst me solaire 22 Les dunes dans le syst me solaire 23 L effet de serre et les atmospheres de V nus la Terre et Mars 23 Ombres et lumi res sur les anneaux de Saturne 26 ES crat res AIN RSR A Rene oo tt 32 Mesurer la taille d un crat re iii 32 Mod liser un asteroide avec de la p te modeler 34 Laronde GOS OAM CLC S RS in id an ed a nie 49 Table des Observations Que se passe t il la surface du Soleil 7 15 Mesurer la taille d un crat re lunaire 32 Les satellites de JUDIE ennui a manie een re 52 Determiner la masse de Jupiter ss 99 Le mouvement apparent des plan tes 55 ar trogradalion de MARS Scan Anne te 56 11 12 1 DESCRIPTION DES OBJETS DU SYST ME SOLAIRE A Le syst me solaire c est quoi But d couvrir la structure du syst me solaire et les objets qui le composent a travers l tude de leurs caract ristiques globales Pr requis aucun le on introductive La d finition scientifique serait la suivante le syst me solaire est l ensemble du Soleil et des objets soumis son attraction gravitationnelle c est dire gravitant autour de lui La notion de gravitation n tant pas abord e avant la fin du coll ge cette d finition peut tre remplac e par le Soleil et ce qui tourne autour Mais quels sont ce
4. Europa D tails des surfaces des quatre satellites galil ens Cr dits NASA JPL DLR 6l Activit Les satellites galil ens avec Celestia E CELESTIA L Niveau scolaire Type d activit El ments n cessaires pour l activit Apres avoir vu les satellites de Jupiter aux jumelles on peut aller les voir de plus pres gr ce au logiciel Celestia Avant chaque action dans Celestia il est conseill d appuyer sur la touche Echap afin d annuler l action pr c dente Le but de cette activit est de se promener autour de Jupiter comme si on tait dans un vaisseau spatial et d aller visiter ses lunes Dans le menu Navigation S lectionnez un objet taper Jupiter Appuyer sur la touche G pour se rendre pres de Jupiter On peut tourner autour de Jupiter avec les fl ches directionnelles en maintenant la touche Maj gt enfonc e Appuyer sur O gt pour faire appara tre les orbites des satellites et tourner autour de Jupiter jusqu ce que le plan des principales orbites soit vu de face on regarde alors un des poles de Jupiter S loigner avec la touche Fin on se rapproche avec Home gt jusqu voir les quatre satellites galileens Pour tre sur que ce sont bien eux on peut les s lectionner en cliquant dessus leur nom appara t alors en haut a gauche de l cran On peut acc l rer le temps 10 000x avec la touche L pour les voir tourner autour de Jupiter Le temps d file en hau
5. Les chutes de m t orites sont rarement observ es celle de Noblesville tats Unis en 1991 a ete vue par deux garcons Cette activit propose de r fl chir avec la classe ce ph nom ne travers l histoire de ces deux gar ons La chute Le 31 ao t 1991 19 heures le cr puscule tombe sur la petite ville de Noblesville dans l Indiana Deux garcons Brodie Spaulding et Brian Kinzie de 13 ans et 9 ans reviennent d une ballade a velo et discutent tranquillement dans le jardin de Brodie Soudain ils entendent un sifflement grave Brian voit alors un objet filer dans l air pres de Brodie L objet atterrit avec un bruit sourd sur le sol a quatre metres d eux Les garcons prennent l objet qui ressemble un caillou et sentent qu il est un peu chaud Il a fait un trou de 5 centimetres de profondeur la o il a atterrit Ils regardent alors autour d eux et ne trouvent personne qui aurait pu avoir lance cette pierre Apres avoir lu cette histoire la classe demandez leur ce qu ils auraient ressenti la place des deux gar ons ce qu ils auraient voulu savoir et ce qu ils auraient fait La fin de l histoire Les deux gar ons prennent la pierre et lamenent chez Brodie Ils d cident d appeler l Universit de Purdue Le myst re est r solu quelques jours plus tard quand un professeur de l Universit confirme que la pierre est en fait une m t orite Les gar ons offrent une petite portion de la m t orite aux scientifi
6. deux activit s de bilan sur les objets du syst me solaire Activit D o vient le nom des plan tes Pr requis connaissances g n rales sur les plan tes El ments n cessaires pour lactivit D o vient le nom des plan tes Est il reli une de leurs caract ristiques ou bien ont ils t donn s au hasard Cette activit para t anodine mais poss de un fort potentiel car on peut expliquer bien des choses partir du simple nom des plan tes Les enfants travailleront en groupe chacun ayant pour mission de d cortiquer le nom de sa plan te recherche bibliographique ou partir des fiches plan tes de la mallette puis ils r digeront leur analyse et la pr senteront toute la classe Quelques l ments de mani re g n rale part pour la Terre les plan tes ont des noms de dieux gr co romains il y a d j l une piste creuser sur la mythologie Mais ces noms sont aussi reli s leur caract ristiques Le cas le plus simple est Jupiter c est le Dieu des Dieux or Jupiter est la plus grosse et la plus massive des plan tes Mercure le messager des dieux est la plan te qui effectue une r volution le plus rapidement autour du Soleil la rapidit est un bon point pour un messager Nous avons d j voqu le cas de Mars la plan te rouge V nus d esse de la beaut est celle qui nous appara t la plus brillante depuis la Terre Ces noms sont galement reli s l his
7. kilometrique M me avec les plus grands t lescopes du monde un ast roide appara tra toujours comme un petit point faiblement brillant car c est un corps relativement petit et distant Pour avoir une id e v ritable de la surface d un asteroide et en avoir une image pr cise il faut envoyer une sonde plan taire On a eu ces derni res ann es la chance d avoir des missions spatiales qui nous ont rapport des images spectaculaires de ces petits corps Les premieres images d ast roides Ida et Gaspra ont ete prises par la sonde Galileo en route vers Jupiter Ida a pour dimensions 56 x 24 x 21 kilometres On peut voir que sa surface est couverte de crat res montrant ainsi qu aucun corps du syst me solaire m me aussi petit qu un ast roide n a t exempt de collisions Les images de Mathilde un autre ast roide survol par la sonde NEAR ont surpris par l intensit des collisions qui ont affect sa surface L imageur de la sonde a trouv au moins cinq crat res de plus de vingt kilom tres de diam tre sur le c t jour de l ast roide On se demande comment Mathilde a pu rester intact apr s des collisions aussi violentes Ast roide Ida Ast roide Mathilde Cr dits NASA Galileo Cr dits NASA Galileo 2 Voir le site internet AstDys Asteroids Dynamic Site http hamilton dm unipi it cgi bin astdys astibo 39 TP Mod liser un ast ro de avec de la pate a modeler pate a modeler Niveau scolaire in Elements
8. on adaptera les grandeurs exemple remplacer une expression en puissances de 10 par un multiple de la valeur terrestre Lorsque la temperature est donn e pour le jour et la nuit on fera calculer une temperature moyenne Chaque groupe pr sente enfin ses r sultats sous la forme d un tableau commun Crit re Classement par ordre croissant Distance au Soleil Mercure V nus Terre Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune Taille Mercure Mars V nus Terre Neptune Uranus Saturne Jupiter Masse Mercure Mars V nus Terre Uranus Neptune Saturne Jupiter 18 Densit Saturne Uranus Jupiter Neptune Mars V nus Mercure Terre Temp rature Uranus Neptune Saturne Jupiter Mars Terre Mercure V nus Autre crit re Note pour le crit re de distance les faire r fl chir sur les diff rentes unit s dans lesquels ils ont pu trouver un r sultat km ma s aussi l Unit Astronomique d finie comme la distance Terre Soleil qu ils pourront expliquer l ensemble de la classe Les faire conclure les quatre plan tes les plus proches du Soleil sont aussi les plus petites les moins massives les plus denses et les plus chaudes puisqu elles partagent caract ristiques similaires on peut les regrouper en une cat gorie Les quatre plan tes suivantes forment une autre cat gorie En plus de cette analyse qualitative les l ves pourront analyser les valeurs chiffr es
9. rature interviennent sur les changements d tats de l eau mais ce point ne sera pas abord en d tail ce niveau On rappellera tout d abord les diff rents changements d tat Sur Terre lorsqu on augmente la temp rature l eau passe de l tat solide glace a l tat liquide c est la fusion de l eau Si on augmente encore la temp rature on obtient de la vapeur d eau sa forme gazeuse c est la vaporisation de l eau On ne d taille pas les montages exp rimentaux d crits dans tous les bons manuels de physique chimie qui consistent mesurer la temp rature laquelle la glace fond et laquelle l eau se vaporise Une fois les temp ratures de fusion 0 C et de vaporisation 100 C obtenues les l ves chercheront les valeurs des temp ratures moyennes sur les plan tes ast ro des et com tes D apr s ces valeurs pourrait il y avoir de l eau liquide sur ces objets R ponse la Terre est la seule ou les conditions sont favorables en surface avec une temperature moyenne de 15 C Mais sur certaines planetes ou satellites la basse temp rature en surface peut cacher une temp rature plus lev e sous la surface Cela peut tre le cas sur Mars et Europe un satellite de Jupiter qui cachent peut tre des rivieres ou des lacs souterrains Sous quelles autres formes peut on rencontrer l eau dans le syst me solaire en fonction des temp ratures d termin es voir discussion ci dessous Pour aller plus loin on
10. LA lL O09 Image du Soleil en lumi re visible Image du Soleil en lumi re ultraviolette Cr dit SOHO ESA amp NASA Cr dit SOHO ESA amp NASA Le Soleil met dans tout le spectre lectromagn tique Quand on l observe en lumiere visible on voit des taches noires a sa surface les taches solaires et des t ches brillantes les facules Ces ph nom nes sont li s a l activit du Soleil Les t ches solaires sont des parties plus froides environ 4000 degr s contre 6000 degr s en moyenne pour le reste de la surface Comme l intensit lumineuse d un corps augmente avec sa temp rature ces zones apparaissent plus sombres Au contraire les facules sont des zones de temp rature plus lev e que la moyenne En lumi re ultraviolette le Soleil a un aspect diff rent voir les photos ci dessus En effet on observe son atmosph re qui a une temp rature plus lev e que sa surface pouvant atteindre deux millions de degr s On voit sur cette photo que les t ches solaires et les facules sont associ es des jections de mati re en forme de boucle Le nombre de t ches solaires et donc l activit solaire varie de mani re cyclique en passant par un maximum en moyenne tous les onze ans Observations Que se passe t il la surface du Soleil Ce projet propose d observer les t ches solaires et de mesurer leur taille l aide d un instrument astronomique et d une webcam Attention l observation du Soleil peut tre tr
11. Niveau scolaire Type d activit El ments n cessaires pour l activit A l aide du petit plan taire trouver la place des plan tes par rapport aux constellations du zodiaque En tournant le capot on fait avancer ou reculer la date Une petite fen tre dans le plan taire indique l ann e Le cercle ext rieur indique le jour et le mois qui sont indiqu s par une petite fl che On peut reproduire la position des 64 plan tes sur le plan taire g ant pour que toute la classe puisse profiter du plan taire R gler le cadran horaire plac sur la Terre de sorte que l heure d observation soit en direction du Soleil il faut mettre le temps universel TU Les plan tes observables sont celles de la moiti sud du cadran En faisant tourner le cadran on avance ou on recule l heure En avan ant l heure on se rend compte que les plan tes comme le Soleil se l vent l est et se couchent l ouest On peut donc avoir une estimation de leur heure de lever de coucher et de leur passage au m ridien quand elles sont le plus haut dans le ciel dans la direction du sud On peut profiter de cette pr sentation pour expliquer ce qu est le plan de l cliptique toutes les plan tes tournent dans le m me plan et donc elles traversent toujours les m mes constellations qui sont les constellations du zodiaque La ligne de l cliptique est l intersection du plan de l cliptique avec la vo te c leste Les plan tes ne s en cartent jamai
12. Suivi Un Nuage Me Voici Toute Mignonne Je Suis Une N buleuse Variantes Chercher une phrase avec un A pour ast ro des gt a placer entre Mars et Jupiter l emplacement de la ceinture principale ainsi qu un C pour cometes placer en dernier Trouver des phrases dans l ordre inverse d loignement au Soleil des plan tes Trouver une r ponse une question par exemple Connaissez vous un bon restaurant sur Jupiter Mais Vous Tombez Mal Je Suis Un Neptunien tymologiquement plan te signifie astre errant En effet les plan tes visibles l il nu toutes sauf Uranus et Neptune ont t identifi es dans l antiquit car elles ont la propri t de se d placer de jour en jour par rapport au fond d toiles fixes pour eux la sph re c leste Ce n est que bien plus tard que l on comprit que 1 les toiles dans le ciel sont en r alit d autres soleils comme le n tre mais situ s bien plus loin donc apparaissant comme de petits points brillants quasi fixes pour un observateur terrestre 2 ces astres errants sont en r alit d autres plan tes gravitant galement autour du Soleil et bien plus proches de la Terre que les autres toiles ce qui explique leur rapide mouvement apparent Quelle est la structure du syst me solaire et quels sont les mouvements de ces objets autour du Soleil Ces l ments seront d velopp s dans la seconde partie N anmoins quelques
13. d un kilometre d paisseur Ces anneaux sont constitues de nombreuses particules de roches et de glaces en orbite autour de la plan te dont la taille varie du grain de poussi re a plusieurs metres On pense aujourd hui que cet anneau est r cent En effet il n est pas stable dynamiquement et ne peut pas tre aussi vieux que la planete Les anneaux seraient issus d un ancien satellite de Saturne qui se serait approche de la planete au point d tre compl tement d sint gr par les forces de mar es Jupiter vue par la sonde Cassini en 2000 en Saturne vue par Cassini sous un angle insolite irr alisable route vers Saturne On y remarque la structure depuis la Terre L impressionnante structure des anneaux est nuageuse en bandes horizontales ainsi que la visible en totalit except lorsque la plan te fait de l ombre sur grande t che rouge ses propres anneaux Notez galement l ombre des anneaux se projetant sur la plan te Cr dits NASA Cr dits NASA Enfin Jupiter et Saturne poss dent de nombreux satellites respectivement 63 et 52 connus Les plus gros satellites de Jupiter sont les quatre satellites galil ens nomm s ainsi en r f rence leur d couvreur Galil e lo Europe Ganym de et Callisto Ces satellites de diam tre similaire ou sup rieur a celui de la Lune sont comparables de petites plan tes part enti re avec des caract ristiques tr s diff rentes volcanisme intense sur lo surface glac e re
14. de Mercure Les collisions entre ces plan t simaux aboutissent la formation des quatre plan tes telluriques Une fois form es ces plan tes continuent subir le bombardement de plan t simaux Ceux qui viennent du syst me solaire ext rieur leur apportent de l eau et des l ments volatils ce qui forme en partie leur atmosph re La collision d un corps de la taille de Mars avec la Terre est peut tre l origine de la formation de la Lune la mati re arrach e par la collision en orbite autour de la Terre aurait form la Lune par accr tion Beaucoup de plan t simaux dont les orbites sont perturb es par les plan tes g antes sont ejectes du plan de l cliptique ils forment le nuage de Oort la limite du syst me solaire D autres plan t simaux dont l orbite est non perturb e situ s au del de l orbite de Neptune forment la ceinture de Kuiper dont Pluton fait partie B Les mouvements dans le syst me solaire But avoir une vision ext rieure du Syst me solaire dans laquelle les mouvements sont simples d crire aborder la notion de r f rentiel a Autour du Soleil Les plan tes tournent toutes autour du Soleil avec des p riodes de revolution qui dependent de leur distance par rapport au Soleil c est la troisi me loi de Kepler voir l activit Un avant go t de la troisi me loi de Kepler Les activit s pr sent es ici donnent une vision ext rieure et heliocentrique du syst me sol
15. dits NASA Uranus et Neptune sont plut t consid r es comme des g antes glac es et non gazeuses car la proportion de leur c ur de glaces et de roches par rapport leur enveloppe gazeuse est beaucoup plus lev e que dans le cas de Jupiter et Saturne Elles ont des masses plus modestes de l ordre de 15 et 17 fois la masse de la Terre La caract ristique la plus originale d Uranus est que son axe de rotation est compl tement pench quasiment dans le plan de son orbite Cela pourrait s expliquer par un m canisme collisionnel durant la formation de la plan te qui l aurait fait basculer Uranus pr sente donc au Soleil tant t l h misph re Nord tant t l h misph re Sud une demi r volution plus tard Ces grandes variations de flux solaire doivent avoir d importantes cons quences sur le climat de la plan te m me si elles n ont encore jamais t mises en vidence cause de la p riode de r volution tr s longue de la plan te 86 ans Neptune est la plan te la plus loign e du syst me solaire Sa distance moyenne au Soleil est 30 fois la distance Terre Soleil et sa p riode de r volution est 164 ans Elle est si loign e qu elle est invisible l il nu Elle a t d couverte en 1846 partir de l analyse fine de l orbite d Uranus cette derni re poss de des anomalies uniquement explicables par la pr sence d une autre plan te tr s massive proximit 29 Par le calcul Urbain Le Verrier et John Co
16. images que nous allons tudier sont dans le format jpeg jpg ou dans le format fits fts Tout d abord on propose aux l ves de d terminer partir de photos la taille d un crat re sur Mars puis d un crat re terrestre Puis on comparera des crat res d impact sur des objets de tailles tr s diff rentes sur Mimas et Ganym de et sur une sph rule Observations Mesurer la taille d un crat re lunaire Ces deux projets observationnels consistent a d terminer la hauteur d un crat re ou d une montagne lunaire en observant son ombre port e Dans la premi re m thode on le fait pr cis ment en mesurant la taille de l ombre sur une image du crat re Dans la deuxi me m thode on utilise le mouvement apparent de la Lune dans le ciel et on mesure le temps que met cette ombre d filer dans le champ du t lescope pour en d terminer la taille connaissant la taille de la Lune Dans les deux cas on trouvera une m thode pour mesurer plus simplement la circonf rence d un crat re lunaire ELE a y E ui Le ra E lF Un troisi me et dernier int r t que l on peut trouver l tude des asteroides est d aspect conomique Les ressources sur Terre ne sont pas in puisables et on peut envisager dans un futur proche pouvoir exploiter les ressources mini res des asteroides On estime qu un kilometre cube d ast roide de type M c est a dire m tallique contient 7 milliards de tonnes de fer 1 milliard de tonne de
17. les de la plan te l o la lumi re ne parvient jamais au fond et la temp rature reste tr s basse Sur V nus de l eau liquide a sans doute exist au d but de sa formation un peu de la m me mani re que sur Terre mais l emballement de l effet de serre a vapor les ventuels oc ans On retrouve toutefois encore aujourd hui quelques traces de vapeur d eau dans son atmosph re On rencontre galement de l eau sous forme gazeuse dans l atmosph re des plan tes g antes Ces mol cules d eau et d autres compos s oxyg n s comme le monoxyde de carbone CO le dioxyde de carbone CO2 sont en partie apport es par des impacts ext rieurs de cometes micro meteorites ou bien de particules vapor es des anneaux dans le cas de Saturne L exemple le plus flagrant est celui 31 de la d sint gration de la com te Shoemaker Levy 9 SL 9 dans l atmosph re de Jupiter en 1994 cette com te s tait quelques ann es auparavant fragmentee sous l effet des forces de mar e importantes de Jupiter Les scientifiques ont pu suivre l volution de la rentr e dans l atmosph re de ces fragments riches en glaces et l volution de la concentration en mol cules oxyg n es au cours des mois qui suivirent Il a t calcul que ces impacts de cometes seraient relativement fr quents de l ordre d un ou deux par si cles mais seulement d un par mill naire pour les cometes de la taille de SL 9 f Bilan Voici pour finir cette partie
18. n cessaires pour l activit Nous proposons de fabriquer en p te a modeler un ast ro de en 3 dimensions partir d images en 2 dimensions puis de d duire quelques informations concernant cet ast ro de De m me que pour les asteroides la nature des meteorites doit refleter leur origine et la nature de leurs corps parents les meteorites primitives chondrites et achondrites primitives n ont pas ete rechauffees depuis leur formation dans la nebuleuse primitive et ne peuvent provenir que de petits corps indifferencies Les achondrites non primitives proviennent de corps beaucoup plus gros qui ont pu chauffer En particulier les achondrites basaltiques proviennent de corps suffisamment gros pour avoir compl tement fondus et avoir d velopp un manteau et une cro te rocheux Les meteorites m talliques constitu es d alliages de fer et de nickel sont form es dans le noyau m tallique de tels objets qui ont donc t totalement disloqu s Les m t orites m tallo pierreuses litho sid rites proviennent d une zone de transition entre manteau et noyau ification d Non diff renti es Achondntes primitives Chondrtes E carboness Chancrites i ordinares Comoos En soeire carbone le perone eat a P i i oe eldegebie r al mela siae Cr dit St phane Erard LESIA OBSPM 40 Activit La m t orite de Noblesville Niveau scolaire Type d activit El ments n cessaires pour l activit
19. peut voquer un autre changement d tat que l on ne rencontre pas sur Terre Lorsque la pression environnante est plus faible que sur Terre l eau passe directement de l tat solide a l tat gazeux sans passer par l tat liquide cela s appelle la sublimation C est le cas par exemple sur Mars et sur les cometes On pourra d ailleurs faire chercher la valeur de la pression atmospherique martienne moins de 1 la valeur terrestre Sur Mars les calottes polaires compos es en partie d eau se subliment en partie selon les saisons tandis que dans le cas des com tes ces normes blocs de glace et de poussi res chauffent lorsqu ils se rapprochent du Soleil La glace se sublime alors et forme cette queue de gaz tr s caract ristique des com tes pouvant s tendre sur des millions de kilom tres Cela permet de faire sentir que le syst me solaire travers son lot de conditions extr mes est un excellent laboratoire pour le scientifique il peut y tudier des ph nom nes qu il ne pourrait pas reproduire ou difficilement sur Terre Nous trouvons beaucoup d eau sous forme solide sur Mars dans les deux calottes polaires Il a t calcul que la fonte hypoth tique des calottes pourrait recouvrir Mars d un oc an d environ 11 metres de profondeur M me Mercure la plan te la plus proche du Soleil avec ses conditions de temp ratures extr mes pourrait contenir de l eau au fond de quelques crat res situ s pr s des p
20. points importants sont savoir et peuvent tre introduits d s maintenant tous ces objets comme la Terre tournent gravitent autour du Soleil des distances plus ou moins grandes de celui ci La trajectoire qu ils effectuent est appel e une orbite Dans le cas des plan tes cette orbite ressemble un cercle aplati une elliose Une orbite compl te autour du Soleil est appel e une r volution et le temps pour l effectuer est la p riode de revolution Il ne faut pas confondre avec la p riode de rotation qui est le temps mis par la plan te pour faire un tour sur elle m me B Un peu de plan tologie compar e But d couvrir les plan tes plus en d tail explorer leurs diff rences et les comprendre Relier leur aspect composition etc a leurs caract ristiques et a leur histoire a La diff rence toile plan te Avant m me de se pencher sur les diff rences entre plan tes on peut se demander quelle est la diff rence entre une toile et une plan te Pour y r pondre cherchons ce qui d finit une toile R ponse elle produit son nergie sa propre lumi re tandis 15 que les plan tes reflechissent la lumi re qu elles re oivent de leur toile Mais quelle est la source d nergie du Soleil Les l ves ont souvent l id e de la boule de feu dans la t te pour repr senter le Soleil qui est une image compl tement fausse Cela peut tre un moyen d aborder le theme de la combustion pr
21. poussi res D abord le nuage de gaz principalement compos d hydrog ne et d h lium s est comprim en son centre sous l effet de son propre poids s chauffant jusqu atteindre la temp rature de fusion nucl aire de l hydrog ne 15 millions de degr s donnant ainsi naissance au Soleil La majorit des poussi res quant elles se sont condens es agglom r es en plan t simaux c est le ph nom ne d accr tion jusqu former les plan tes que nous connaissons par collisions et attraction gravitationnelle mutuelle des plan t simaux Les petits corps sont des embryons de plan tes une partie des plan t simaux n ont pas volu soit car les collisions n taient plus assez fr quentes soit parce que la proximit des plan tes g antes Jupiter Saturne Uranus et Neptune cr ant des perturbations gravitationnelles les ont ject s loin du Soleil c est le cas des cometes r sidant aux confins du syst me solaire Dans le cas o les collisions sont assez fr quentes mais se produisent une vitesse trop lev e alors l impact disperse les corps au lieu de les fusionner c est le cas de la ceinture principale d ast roides situ e entre Mars et Jupiter o les collisions entre les nombreux ast roides n ont pas abouti en la formation d une plan te Les petits corps sont des objets qui ont subi peu d alt ration depuis leur formation pas d rosion par une atmosph re ou un oc an pas de resurfa age par une ac
22. pr voir du temps plusieurs seances Ils pourront definir leur propres objectifs instruments panneaux solaires dur e et trajectoire b Quelques l ments cl s d une sonde interplan taire La conception d une mission spatiale se fait conjointement entre les scientifiques qui en d finissent les objectifs et les ing nieurs et techniciens qui apportent des contraintes sur la faisabilit de ces objectifs Ils ont en charge la maitrise d ouvrage dont la ma trise d uvre est parfois d l gu e plusieurs entreprises sp cialis es Il y a donc synergie entre organismes de recherche industries et agences spatiales les principales sont la NASA c t am ricain l ESA c t europ en la JAXA pour le Japon r unissant de plus en plus souvent diff rents pays au sein d un m me projet Une sonde transporte plusieurs instruments Le responsable scientifique de l un d entre eux est le PI pour Principal Investigator accompagn du co PI 45 Une notion importante est celle de charge utile payload en anglais elle reunit tous les instruments qui doivent realiser les objectifs scientifiques de la mission par opposition la plate forme de l instrument qui contient ce qui est n cessaire la survie de la sonde mais non aux objectifs scientifiques Par exemple les cam ras antennes spectrometres font partie de la charge utile mais le syst me de pointage ou bien les sources d nergie font
23. r volution de Jupiter De plus on voit que le Soleil se d place d environ une fois son diam tre b D autre mouvements Les plan tes sont souvent accompagn es de satellites naturels On peut en distinguer deux types les satellites r guliers et les irr guliers Les satellites r guliers ont une orbite circulaire tournent dans le m me sens que le 59 sens de rotation de la plan te orbite directe et sont dans le plan de l quateur de la plan te Ils se sont form s par accretion dans un disque de poussi re et de gaz qui tournait autour de la plan te lors de sa formation a l image d un syst me solaire en miniature dont le corps central est la plan te et non le Soleil Une fois la plan te et ses satellites form s d autres types de disques de poussi re peuvent appara tre lorsque des corps sont captur s et r duits en poussi res par les forces de mar es gigantesques exerc es par les plan tes g antes Ces forces sont d autant plus grandes qu on est proche d elles Un corps qui se rapproche trop est tir et bris si il d passe une distance limite dite la limite de Roche C est pourquoi proche des plan tes g antes s il existe des disques de poussi re de mani re transitoire leurs anneaux ils ne peuvent donner lieu la formation de satellites par accr tion Les plus fameux sont ceux de Saturne d couverts par Galil e 1564 1642 mais les trois autres plan tes g antes ont aussi des anneaux d co
24. son ensemble travers la d couverte de sa structure l appr hension des chelles de taille de distance des mouvements ainsi que dans ses d tails travers l analyse des caract ristiques des diff rentes plan tes satellites et petits corps L objectif est que les l ves puissent retenir une vision globale de la structure du syst me solaire notamment de la place de la Terre au milieu de ses voisines ainsi que se rendre compte de la grande diversit des objets qui le composent Chaque th me est introduit par quelques pages d explications sur le sujet trait destin es aux enseignants qui souhaitent d couvrir le sujet ou bien remettre a jour leurs connaissances Bien entendu elles ne se veulent pas exhaustives pour aller plus loin nous recommandons notamment les ouvrages en annexe De plus vous b n ficiez du suivi d un parrain de l Observatoire Il peut vous conseiller vous pauler dans votre projet intervenir dans votre classe etc Au sein de chaque partie des encadr s proposent des activit s en rapport avec le chapitre Il y a un code de couleur et des ic nes pour rep rer les activit s Encadr s bleus activit s courtes et ou simples r aliser _ a Niveau Type Mat riels n cessaires pour l activit scolaire d activit Encadr s orange travaux pratiques plus longs mettre en place d taill s dans des fiches sp cifiques en annexe Mat riels n cessaires pour l
25. surface d une sph re ce qui implique que la surface des panneaux cro t en r r tant la distance au Soleil Il se trouve que la sonde Cassini n a pas t quip e de panneaux solaires mais d un r servoir d nergie nucl aire Pourquoi une telle distance du Soleil l nergie solaire que l on peut r cup rer est faible il faudrait des panneaux solaires gigantesques donc lourds ce n est plus rentable en terme d nergie La sonde Messenger tr s proche du Soleil re oit donc beaucoup d nergie Mais c est aussi un d savantage pourquoi la sonde doit tre quip e d un bouclier thermique pour se prot ger des trop forts rayonnements 48 C Ou s arr te le syst me solaire qu y a t il au del Nous voici donc la fin de ce voyage dans le syst me solaire apr s en avoir visit tous les objets connus La limite du syst me solaire est d licate d finir ce serait l endroit o un objet ne serait plus majoritairement soumis l attraction gravitationnelle du Soleil mais celle d une toile voisine Cette limite est estim e environ trois ann es lumi res du Soleil L ensemble d objets le plus loign du Soleil que l on connait mais appartenant encore au syst me solaire est le nuage de Oort C est un ensemble de cometes r parties dans un nuage de la forme d une coquille sph rique ce qui est particuli rement notable car la plupart des autres objets du syst me solaire orbiten
26. utilise dans la partie precedente est plus complique Enfin pour un projet plus avance on pourra determiner la masse de Jupiter grace a l observation de ses satellites en utilisant la troisi me loi de Kepler bien prendre une photographie si on a 60 P riodes de r volution des satellites galil ens en jours terrestres lo 1 8 Europe 3 5 Ganymede 7 2 Callisto 16 7 Tete K us igh an LA lo est le plus proche de Jupiter des quatre satellites C est un corps tres actif de nombreux volcans parsement sa surface Les eruptions sont tres violentes L energie interne de lo provient des forces de mar es exerc es par Jupiter Comme tous les corps actifs il ne possede que tres peu de crateres Europe est la seconde lune galil enne Elle est la plus petite des quatre Une cro te de glace recouvre enti rement sa surface Les forces de mar es d forment cette cro te qui fond et se reforme en permanence On voit ainsi d immense fissures dans la glace et tres peu de crat res Des indices laissent penser qu il y aurait un oc an d eau sous la cro te de glace Comme l eau est un milieu propice l apparition de la vie les astrophysiciens s int ressent beaucoup Europe Des projets de missions d exploration sont pr vus Enfin viennent Ganymede et Callisto Elles ont toutes deux une cro te de glace tr s crat ris e car les forces de mar es sont beaucoup moins grandes de telles distances de Jupiter
27. Les pr requis les notions abord es les objectifs et le d roulement des TPs sont d crits dans ces fiches qui se veulent modulables l enseignant garde ainsi une grande marge de libert dans la r alisation des activit s Retrouvez en annexe un classement des activit s et des travaux pratiques selon le niveau scolaire CONTENU DE LA MALLETTE Ce livret pedagogique Les huit plan tes a l chelle et leurs supports Un ballon jaune de 1 metre de diam tre Les neuf 8 1 pour le soleil cubes de densit Un gonfleur Un chantillon de m t orite Les 10 fiches plastifi es Le Planetica e Un plan taire g ant et ses accessoires Divers CD ROM ducatifs logiciel Celestia 1 2 3 Plan te Promenade dans le syst me solaire CELESTIA Des fiches TP Un kit cadeau ballons porte cl s poster qui vous est offert Table des matieres Introduction Mode d emploi 5 COMES MANI RES enr do der inauateouinanteeias 8 1 Description des objets du syst me solaire 13 A Le syst me solaire c est QUOI Pme enr entre 13 B Un peu de plan tologie compar e 15 a La difference toile plan te ss 15 D DEUX types de DIAM ClSS RS a SN Unes 18 c L SDIAneleSlelIUTIQU S La nn tarte dne te semer 21 d Les g antes gazeuses et glac es 27 e L eau dans le syst me solaire 30 Ts DINAN eene N EE 32 C chelle des tailles e
28. Pr requis r gle de trois chelles Ce TP est s par en deux parties ind pendantes Une premi re partie utilise le traitement d images num riques suivant le m me principe que l activit ci dessus afin de mesurer les tailles caract ristiques de dunes terrestres d sert de Namibie de dunes sur Mars et enfin sur Titan un satellite de Saturne On remarquera galement 26 que les dunes peuvent tre de diff rentes formes issues de processus de formation differents La seconde partie est exp rimentale et propose un montage afin de reproduire le type de dune le plus fr quemment rencontr les barchanes TP L effet de serre et les atmospheres de V nus la Terre et Mars r 4 fa k L TP per Cn prince montage simple Ker Niveau scolaire i Elements n cessaires pour l activit Pr requis Notion d atmosphere Ce TP propose de comprendre le m canisme de l effet de serre par une exp rience simple et d expliquer les temperatures que l on observe sur les diff rentes plan tes telluriques Il comprend une discussion sur l effet de serre sur Terre et les cons quences sur le climat d Les g antes gazeuses et glac es Jupiter et Saturne sont deux plan tes g antes gazeuses G antes car elles ont respectivement un diam tre de 11 et 9 fois celui de la Terre et une masse de 318 et 95 fois celle de la Terre Jupiter est ainsi la plus grosse et la plus massive des plan tes Gazeuses car leur c ur solid
29. activit Niveau Type scolaire d activit Encadr s jaune projets d observation d taill s dans des fiches en annexe Ceux ci n cessitent des instruments d astronomie qui ne sont pas fournis dans la mallette Pour les r aliser vous pouvez contacter Plan te Sciences une association partenaire de l Observatoire de Paris Vous aurez acc s divers instruments astronomiques et un suivi de votre projet d observation gr ce l intervention d un animateur scientifique b n vole Ga ith a Pa Niveau y scolaire D rar Lu lF Classement par niveau scolaire minimum requis Primaire D but coll ge Fin coll g Pour tous Cycle 3 6 5 4e 3 niveaux Classement par type d activit Pore 9 Activit l oral Activit pratique Activit avec recherche exp rience bibliographique 1 http www planete sciences org astro tr Fey e Shey ol j tier cnt x Activit avec logiciel i ji p p j Classement par type de Travaux Pratiques TP TP TP z sans sur experience material informatique 3 A HA i E Travaux pratiques sur Travaux Pratiques Travaux pratiques informatique avec exp rience ake sans mat riel Les activit s sont con ues de mani re ludique parfois exp rimentales parfois plus th oriques et en relation avec les programmes de math matiques et de sciences physiques aussi souvent que possible
30. aire C est le plus simple des r f rentiels pour repr senter les mouvements des plan tes L objectif p dagogique des activit s est donc de donner une vision simple des mouvements pour apprendre que tous les corps du syst me solaire tournent autour du Soleil et se rendre compte que plus ils sont loign s plus leur p riode de r volution est grande Pour cela on dispose de plusieurs outils les l ves qui peuvent mimer les plan tes les plan taires g ant et miniature et le logiciel Celestia 56 Activit Le mouvement des plan tes avec le planetica Niveau scolaire Type d activit El ments n cessaires pour l activit On peut faire passer le plan taire miniature le planetica parmi les l ves pour qu ils se rendent compte du mouvement des plan tes sur une ann e Les distances entre les plan tes ne sont pas respect es dans ce plan taire mais leur ordre par rapport au Soleil l est En tournant le capot on fait avancer ou reculer la date Une petite fen tre dans le plan taire indique l ann e Le cercle ext rieur indique le jour et le mois qui sont indiqu s par une petite fl che Un tour de cadran correspond une ann e terrestre c est dire une r volution de la Terre autour du Soleil A premi re vue en tournant un peu le cadran on se rend compte que plus la plan te est proche du Soleil et plus elle tourne rapidement On voit les plan tes telluriques bouger mais pas ou peu les plan tes g
31. azeuses Cela signifie que les p riodes de r volution des plan tes gazeuses sont beaucoup plus grandes que celles des plan tes telluriques Pour aller plus loin coll ge Un bon exercice est de relever le mouvement des plan tes lors d une r volution de la Terre autour du Soleil c est dire un tour de cadran En une ann e Mercure fait environ quatre tours V nus un tour et demi et Mars un demi tour cela donne des p riodes de r volution respectivement d environ 90 jours terrestres 240 jours et deux ans c est un peu moins 690 jours pour Mars Attention le planetica est fragile et il n est pas conseill de faire plusieurs tours la suite 57 Activit Construire un plan taire g ant Pxng a os Niveau scolaire Type d activit El ments n cessaires pour l activit On peut faire construire aux l ves leur propre plan taire Un moyen simple est de d couper des disques dans des feuilles de cartons les tailles des disques tant proportionnelles aux distances entre les plan tes On pourra prendre par exemple 5 cm pour 1 unit astronomique 150 millions de km la distance Terre Soleil Le diam tre du disque de Mercure fait alors 2 cm et celui de Saturne 1 m tre Il faut ajouter un carton un peu plus grand pour dessiner les douze secteurs des constellations du zodiaque et le point vernal voir le gabarit donn dans la mallette carton crayons Une m thode moins co teuse en carton c
32. cible on a loup le satellite Europe Donn es distance Soleil Terre 150 millions de km Soleil Jupiter 778 millions de km Jupiter Europe 670 000 km Question subsidiaire si au lieu d envoyer un signal avec une antenne radio on voulait utiliser un signal sonore combien de temps mettrait il pour revenir sur Terre Question pi ge bien entendu le son ne peut pas se propager dans le vide programme de 4 me Les sondes effectuent donc des voyages de dur e tr s longue Si on devait leur donner la totalit de l nergie n cessaire leur trajet au moment du d collage cela n cessiterait une quantit d nergie ph nom nale Afin de r duire les co ts de lancement il faut donc que la sonde b n ficie d autres sources d nergies une fois lanc e pour d une part arriver destination et d autre part faire fonctionner les instruments pendant parfois plusieurs ann es une fois arriv e destination De plus il faut que ces sources aient une faible masse car comme nous l avons dit la masse de la sonde faire d coller est un l ment critique ne pas d passer Pour cela trois solutions l assistance gravitationnelle durant son trajet qui consiste venir fr ler une plan te ce qui acc l re la sonde et permet galement de la faire changer de direction les panneaux solaires qui fournissent de l nergie condition que l on ne soit pas trop loign s du Soleil enfin des batte
33. cle Copernic 1473 1543 proposa alors une explication hardie contraire aux pr ceptes 52 religieux et anthropocentriques de l poque les plan tes tournent autour du Soleil Son syst me contenait encore quelques erreurs dues des id es fausses sur la m canique on ne concevait pas qu un corps p t tourner autour d un autre sans tre soutenu Galil e 1564 1642 f t conduit crire un livre comparant les syst mes de Copernic et de Ptol m e les Dialogues pour lequel il fat condamn par le tribunal de l inquisition en 1633 D fenseur du syst me de Copernic il l am liore en stipulant notamment le parall lisme de l axe de la Terre lors de sa rotation autour du Soleil Tycho Brahe 1546 1601 proposa un syst me interm diaire o il supposa la Terre immobile au centre du monde tout en faisant tourner les autres plan tes autour du Soleil Finalement il appartient Kepler 1571 1630 d avoir tabli le bon syst me plan taire en s appuyant sur les observations de Mars tr s pr cises faites par Tycho Il crivit alors trois lois qui portent aujourd hui son nom qui d crivent sans les expliquer les orbites plan taires La premi re loi stipule que les plan tes d crivent des orbites elliptiques dont le Soleil est un foyer Selon la seconde loi dite la loi des aires la droite imaginaire reliant le Soleil une plan te balaye des aires gales en des temps gaux Enfin la troisi me loi d crit la propor
34. compacte que l on pourrait s parer facilement avec ses propres mains tant le noyau est fragile Un noyau com taire peut avoir un diam tre de 1 20 km de masse 108 1012 tonnes et il tourne sur lui m me avec une p riode de rotation de 4 70 heures Les noyaux com taires sont relativement petits et peu massifs compar s aux plan tes et par cons quent leur gravit est faible Si nous tions sur une com te un simple saut nous emp cherait de retomber sur celle ci Ce m me effet explique pourquoi l atmosph re des com tes Noyau de la com te de Halley j i a Cr dit Halley Multicolor Camera Team est pas retenue et s chappe a tout jamais Les Giotto Project ESA noyaux cometaires sont tellement petits qu ils sont difficilement observables depuis la Terre Cependant la mission spatiale Giotto a permis d observer de pres le noyau de la com te de Halley en 1986 Quand les cometes s approchent du soleil le rayonnement solaire qui les atteint est plus intense et permet de sublimer les glaces Cet echappement gazeux entraine avec lui des poussi res On observe ainsi une atmosphere appel e coma ou chevelure en expansion 10 000 a 100 000 kilometres Une queue de poussi res se forme ensuite de couleur blanchatre 1 a 10 millions de kilometres Elle est orient e dans la direction oppos e a celle de la comete mais aussi l g rement deviee dans la direction du Soleil cause de la pression exerc e par la lumi re
35. couvrant sans doute un ocean d eau sur Europe Quant Saturne son plus gros et plus c l bre satellite est Titan Il a fait l objet d une exploration par le module de descente Huygens de la sonde Cassini Titan est le seul satellite du systeme solaire a tre entoure d une atmosphere dense 1 5 fois la pression atmosph rique terrestre Celle ci est essentiellement compos e de m thane et on observe d ailleurs des lacs d hydrocarbures la surface du satellite un cycle du m thane analogue au cycle de l eau sur Terre a sans doute lieu sur 28 Titan Ce satellite intrigue les scientifiques car on suppose que l atmosph re primitive de la Terre devait y ressembler et que des macromolecules prebiotiques pourraient s y former Mais la faible temp rature de Titan 180 C laisse peu d espoir a la vie Citons un autre satellite de Saturne Encelade dont on a r cemment d couvert qu il tait le lieu de cryovolcanisme du volcanisme en milieu glace ou les glaces en fusion remplacent le magma et jectait de la mati re travers des geysers L encore de l eau liquide sous la surface pourrait exister Uranus photographi e par la sonde Voyager 2 On Neptune photographi e par la sonde Voyager 2 en 1989 On voit bien son syst me de fins anneaux voit la structure nuageuse appel e l poque la grande tache sombre par analogie avec la temp te jovienne cette tache s est aujourd hui dissip e Cr dits NASA Cr
36. d plan taire Avec le grand plan taire on peut expliquer la r trogradation des plan tes de fa on visuelle Par exemple pour Mars placer la Terre et Mars diff rents instants de l ann e comme sur la figure de gauche p 50 Mat rialiser les lignes bleu avec des tiges en bois ou bien des r gles en papier Reconstituer la figure p 50 de droite l aide de ces r gles en conservant bien les orientations On peut alors dessiner la trajectoire de Mars sur le support des r gles en papier 5 www ngc 000 com fr coelix 68 69 70 ANNEXES Comment aborder la notion d angle en cycle 3 Pour travailler la question des angles l cole primaire en cycle 3 CE2 CM1 CM2 il importe de rester dans le cadre des programmes officiels sans anticiper comme cela est souvent le cas dans des manuels et dans certaines pratiques de classe sur le programme de la classe de Sixi me La mesure des angles en degr et l usage du rapporteur sont HORS PROGRAMME a l cole primaire ces sujets constituent une part non n gligeable du programme de math matique de la classe de Sixi me Citons ici le document d application des programmes 2007 de math matiques pour le cycle 3 Comparer des angles en utilisant un gabarit en particulier des angles situ s dans une figure angles int rieurs d un triangle d un quadrilat re Capacit s Commentaires Comparer des angles dessin s par Les activit s de classement et de su
37. de ces diff rents param tres afin de s parer au mieux deux cat gories distinctes en introduisant la notion d ordre de grandeur principalement pour la taille et la masse Bilan et terminologie On peut s parer les huit plan tes en quatre plan tes telluriques Mercure V nus la Terre et Mars et quatre plan tes g antes gazeuses Jupiter Saturne Uranus et Neptune Le mot tellurique vient du latin tellus qui signifie la terre en effet ces quatre plan tes sont constitu es comme la Terre d un noyau d un manteau et d une cro te autrement dit principalement de mat riau solide on peut marcher dessus part Mercure ces plan tes sont galement entour es d une fine couche de gaz que l on appelle l atmosph re sans quoi sur Terre nous ne pourrions respirer l oppos les plan tes g antes gazeuses ont bien un petit noyau solide mais sont majoritairement compos es de gaz ce qui explique leur tr s faible densit Elles n ont pas de surface proprement parler mais mesure que l on se rapproche du centre la pression devient de plus importante jusqu atteindre des millions de bar 1 bar est la pression la surface de la Terre Ces conditions de pression n tant pas reproductibles en laboratoire on ne sait pas sous quelle forme est la mati re au sein des plan tes g antes On suppose que le gaz subit diverses transitions de phase de l tat gazeux dans la partie externe de la plan te la seule dir
38. de la gravitation universelle selon laquelle tous les corps massifs s attirent entre eux avec une force inversement proportionnelle au carr de leur distance partir de cette th orie formelle il a pu red montrer les trois lois observationelles de Kepler et 53 montre ainsi que le monde c leste est regi par les m mes lois que le monde terrestre Activit Un avant gout de la troisi me loi de Kepler Niveau scolaire Type d activit El ments n cessaires pour lactivit Une personne jouant le r le du Soleil prend un l ve par les mains et le fait tourner autour de lui il joue le r le de la plan te L l ve se rend compte qu une force s exerce vers l ext rieur c est la force centrifuge Il y a pourtant quelque chose qui le retient de partir vers l ext rieur il est attach au Soleil par ses bras La force exerc e par ses bras contrebalance exactement la force centrifuge principe d action r action Dans le cas des plan tes c est la force de gravitation qui joue le r le des bras Si on fait tourner l l ve plus vite il se rend compte qu une plus grande force s exerce sur ses bras car la force centrifuge est plus grande Pour les plan tes c est pareil plus elles tournent vite et plus la force centrifuge qui s exerce sur elles est grande et donc il faut que la force de gravitation qui la contrebalance soit plus grande Comme la force de gravitation est inversement proportionnelle a la distance cela veut aussi
39. dire qu il faut que la plan te soit plus proche du Soleil Conclusion plus une plan te est proche du Soleil et plus elle tourne vite Avec la th orie de Newton d buta l ge d or de la m canique celeste dont le point culminant f t la d couverte de Neptune grace au calcul par Urbain Le Verrier 1811 1877 On comprenait alors presque tout des mouvements des plan tes mais le mouvement de Mercure ne pouvait tre expliqu par la th orie newtonienne On pr dit d abord l existence d une plan te plac e entre le Soleil et Mercure Vulcain Elle ne fut jamais observ e C est Albert Einstein 1879 1955 qui r solut le probleme gr ce une nouvelle th orie de la gravitation la Relativit G n rale Dans cette th orie la gravitation n est plus vue comme une force mais comme une propri t de l espace temps lui m me la mati re nergie courbe l espace temps et la courbure de l espace temps influe sur la dynamique de la mati re nergie Cependant la th orie de la Relativit G n rale qui contient la th orie newtonienne n est pas n cessaire pour expliquer la grande majorit des mouvements dans le syst me solaire b l origine des mouvements la naissance du syst me solaire Il est admis aujourd hui que les plan tes du syst me solaire se sont form es par condensation d un nuage de gaz et de poussi re en rotation autour du Soleil Ce mod le de formation a t propos ind pendamment par Kant 1724 1804 e
40. e page 30 75 Bibliographie Auteurs Titre Collection Editeur E Lellouch et A Aux confins du syst me solaire PRUA AE UG Belin 2008 Doressoudira scientifique m Cosmographie Comprendre les D Savoie mouvements du Soleil de la Lune Belin 2006 et des plan tes J Lilensten Le syst me solaire revisit ia Rane 2006 Th Encrenaz Syst me solaire syst mes Quai des Dunod 2005 Stellaires sciences B Mauquin et n B Saulier Le Le syst me solaire cae BGG Ges APP 2005 sciences e Dran EDP ma ncrenaz Le syst me solaire Savas Scienc 2003 et al actuels pi A Brahic Plan tes et Satellites Cing Sciences de Vuibert 2001 le ons d astronomie l Univers fr Braet Le systeme solaire Grund 2000 D Benest Les plan tes Ai Seuil 1998 ciences 76
41. e du syst me solaire 13 DANS GUE I ON GES D eme ae a since ci nt ton 14 Calcul de l ge du Soleil charbon 16 Deux familles GE planetes Pinot tasse tasratventans intenses eue tant 18 Densit s l aide des cubes de la mallette 20 POURAUOL IE ciels DECU annee tease ec ne eue 24 Calcul tohboIdS SUF la LUN Se E ne nas 25 Leau GANS TOUS SCS CUS hi nue ne ee Aad aire dees nn anna 30 DOurvient le NOM GES paneles ersam ara esta reee EAA 32 Enqu te sur le syst me solaire 33 Reproduction de plan tes version mod le r duit 34 Reproduction l chelle des tailles et des distances 35 Lam t orte d NODIESVIIE sidrana ua oc 41 Dessine une COMPS SAS nas nt ne Creator ete nae 43 Les MISSIONS SOA AICS En Doc a Cities 45 MISSION SUP EUrOD Gre ne Re te tenant 46 R flexions sur les panneaux solaires 48 Les savants grecs et lASITONOMIS 2 2 RAR Men es 52 Dessine l orbite d une plan te ss 53 Un avant gout de la troisi me loi de Kepler 54 Le mouvement des plan tes avec le planetica seecseeceeeeeeeeeeeceeceeneeeees 57 Construire un plan taire g ant sise 58 Le mouvement des plan tes avec le plan taire g ant 58 Le mouvement des plan tes avec Celestia 59 Les satellites galil ens avec Celestia 62 Changement de r f rentiel ss 62 Quelle plan te observer ce soir 7
42. e ne repr sente que 10 15 seulement de leur masse l essentiel de celle ci tant concentr e dans une gigantesque enveloppe gazeuse compos e 99 d hydrog ne et d h lium deux l ments tr s l gers Jupiter est recouverte de nuages compos s principalement d ammoniac structur s en zones et en bandes longitudinales dont les interactions sont tr s turbulentes Une caract ristique notable de Jupiter est d ailleurs ce qu on appelle la grande t che rouge voir photo ci dessous Cette tache est en r alit une temp te un anticyclone plus gros que la Terre elle m me qui existe depuis le XVII si cle au moins car Jean Dominique Cassini l aurait d j observ en 1665 Les vents dans l atmosph re de Jupiter peuvent tre assez violents de l ordre de 100 m s Jupiter et Saturne sont toutes les deux entour es d une magnetosphere une coquille de fort champ magn tique engendr par ces plan tes L interaction entre ces champs magn tiques et le vent solaire des particules du Soleil ionis es et ject es dans toutes les directions tr s grande vitesse peut cr er des pr cipitations de particules ionis es le long des lignes de champ magn tique jusqu aux p les c est le ph nom ne d aurore polaire Les quatre plan tes g antes poss dent toutes un syst me d anneaux mais c est celui de Saturne qui est le plus remarquable car il est tr s brillant et s tend sur plus 21 de 400 000 km tout en tant tres fin moins
43. ectement accessible l observation l tat liquide plus en profondeur enfin l tat m tallique o les lectrons sont s par s du noyau sous la pression et circulent librement voir image ci dessous 19 Structure interne d une g ante gazeuse ici Jupiter Noyau roches fer entour d hydrog ne sous forme m tallique puis liquide puis gazeux d atmosph re Cr dits NASA Cr dits Calvin J Hamilton Activit Densit s l aide des cubes de la mallette a r Te ii f j f Niveau scolaire Type d activit El ments n cessaires pour l activit Cette notion est critique pour la classification et caract risation des plan tes mais est souvent mal ma tris e par les l ves Au primaire approche qualitative Faire soupeser les cubes et remarquer que pour la m me taille de cube les masses sont diff rentes l ments d explication pour la densit pour qu un cube soit plus lourd qu un autre on a du faire rentrer plus de mati re dedans elle est plus condens e Comparer les cubes qui ont l air Les plus lourds avec les valeurs de densit fournies Relier les diff rentes densit s au diff rentes plan tes un cube de Jupiter ou Saturne est tres l ger mai la plan te tant tr s grosse en tout elle est plus massive que la Terre qui est pourtant plus dense Au coll ge approche physique Avoir dans un premier temps la m me approche qualitative Pour aller plus loin faire peser
44. edistribuerait la chaleur Mercure a ete peu exploree et est encore peu connue Une seule sonde Mariner 10 l a survolee entre 1974 et 1975 La mission Messenger lanc e en 2004 sera en orbite autour de Mercure en 2011 et apportera de nouvelles connaissances sur cette planete Le lancement de Bepi Colombo une autre sonde issue d une cooperation europeano japonaise est pr vu pour 2014 Image de Mercure prise par la sonde Messenger en Image de V nus prise dans l ultraviolet par la sonde 2008 Pioneer r v lant sa structure nuageuse Cr dits NASA Cr dits NASA Le cas inverse extr me se produit sur V nus cette plan te a la particularit de poss der une tr s paisse atmosph re compos e 96 de dioxyde de carbone CO2 ce qui entra ne un tr s fort effet de serre Ceci explique que la temp rature moyenne v nusienne de 460 C d passe celle de Mercure bien que V nus soit situ e presque deux fois plus loin du Soleil Cette paisse atmosph re emp che m me de voir la surface de V nus aux longueurs d onde visibles ou ultraviolets voir image ci dessus Cependant des images de la surface ont t obtenues par 22 imagerie radar Elles r v lent des volcans et peu de traces de crat res signe d une surface relativement jeune La plan te pr sente donc une activit interne r cente peut tre m me encore actuelle dont t moignent les compos s soufres pr sents dans l atmosph re du dioxyde de soufre SO2
45. emp rature moyenne terrestre serait d environ 18 C La Terre serait alors couverte de glace et la vie qui est apparue dans les oc ans n aurait pas pu se d velopper Heureusement l atmosph re produit un effet de serre naturel qui augmente sa temp rature moyenne L oxyg ne que nous respirons n a pas toujours t pr sent L atmosph re primitive tait principalement constitu e de dioxyde de carbone CO2 comme celles de V nus et Mars mais l apparition de v g taux et la photosynth se ont conduit une forte concentration de dioxyg ne O2 En parall le alors que les oc ans recouvraient petit petit la plan te le CO2 a t pi g au fond de ces derniers sous forme de carbonates Ceci explique la composition de l atmosph re pour 20 de O2 79 de diazote N2 et de quelques traces de CO Une autre caract ristique de l atmosph re terrestre est la couche d ozone qui absorbe en grande partie les rayons ultraviolets solaires les plus nocifs qui s ils parvenaient jusqu la surface alt reraient notamment les mol cules comme l ADN Cet quilibre de l atmosph re CO2 ozone est tr s fragile et l impact de l activit humaine sur la composition atmosph rique pourrait avoir des cons quences graves et irr versibles En un si cle depuis la r volution industrielle la quantit de dioxyde de carbone dans l atmosph re a presque doubl e L effet de serre est donc plus important et un r chauffement climatique e
46. epr sente une ann e de r volution de la Terre Jupiter va 12 fois moins vite que la Terre il faut donc d couper notre gabarit en douze parts egales Par exemple on peut le plier deux fois en deux puis le diviser en trois parts egales 58 P riodes de r volution des plan tes en jours ou ann es terrestres Mercure 88 jours Venus 225 jours Terre 365 jours Mars 687 jours Jupiter 12 ans Saturne 29 ans Uranus 84 ans Neptune 165 ans Activit Le mouvement des plan tes avec Celestia qJ Triar ae ee Cues CELESTIA Niveau scolaire Type d activit El ments n cessaires pour l activit Celestia est un outil informatique de simulation de l univers Il peut nous permettre de visualiser le syst me solaire la fa on du plan taire Lorsque le logiciel s ouvre on est face la Terre On dessine les orbites des plan tes en appuyant sur la touche du clavier O On voit alors appara tre les orbites derri re la Terre Avec la touche Fin on s loigne du syst me solaire jusqu le voir en entier sur l cran on se rapproche avec la touche Home gt On voit alors le syst me solaire par la tranche le plan de l orbite terrestre est appel le plan de l cliptique Il serait plus pratique de le voir de dessus Selectionner le Soleil en cliquant dessus avec la touche gauche de la souris et se bloquer dessus avec la touche F gt On peut alors tourner autour en maintenant la touche droite de la sou
47. es page 66 Retrogradation des plan tes page 68 Tous niveaux Densit a l aide des cubes de la mallette page 20 Reproduction de plan tes version mod le r duit page 34 Reproduction l chelle des tailles et des distances page 35 La m t orite de Noblesville page 41 Les missions spatiales page 45 Dessine l orbite d une plan te page 53 Un avant go t de la troisi me loi de Kepler page 54 Le mouvement des plan tes avec le Planetica page 57 Construire un plan taire g ant page 58 Le mouvement des plan tes avec Celestia page 59 Les satellites galil ens avec Celestia page 62 Quelle plan te observer ce soir page 64 Classement des travaux pratiques par niveau scolaire minimum Primaire cycle 3 Les crat res farineux page 37 Mod liser un ast ro de avec de la pate modeler page 490 La ronde des plan tes page 57 74 D but coll ge 6 5 7 Volcanisme dans le syst me solaire page 26 Les dunes dans le syst me solaire page 26 Mesurer la taille d un crat re page 38 Fin coll ge 4 3 Volcanisme dans le syst me solaire page 26 Les dunes dans le syst me solaire page 26 Mesurer la taille d un crat re page 38 Tous niveaux L effet de serre et les atmospheres de Venus la Terre et Mars page 27 Ombres et lumieres sur les anneaux de Saturn
48. es du gaz se collent aux grains lors des collisions atteignant tr s rapidement des tailles centimetriques Pres du Soleil les m taux se condensent les premiers plus loin les roches s ajoutent aux m taux Enfin au dela d une certaine limite les glaces se condensent c est la ligne des glaces La quantit de solide disponible par rapport au gaz est donc plus lev loin du Soleil Cela a une importance dans la formation des plan tes gazeuses En frottant contre le gaz les grains sont frein s et tombent dans le plan du disque proto plan taire Ce faisant les plus gros grains plus rapides accr tent les plus petits qui tombent plus lents Des corps de plusieurs dizaines de m tres se forment Au d part le disque de gaz et de poussi res est tr s pais sup rieure la distance Terre Soleil A la fin de cette phase d accr tion le disque de poussi re n a plus que quelques kilom tres d paisseur Il se forme ensuite les planetesimaux d une taille sup rieure au kilometre Cette tape est sujette d bat aujourd hui Un m canisme propose que la mati re puisse tre accumul e au sein de tourbillons pour former les plan t simaux Phobos un satellite de Mars est probablement un bon exemple de plan t simal ce stade l accr tion s emballe c est I effet boule de neige Un corps se met balayer toute la mati re environnante et grossit beaucoup plus vite que les autres il devient une proto
49. et de l acide sulfurique dans les nuages sans doute d origine volcanique La forte pression de pr s de 90 fois celle de l atmosph re terrestre crase le paysage et les montagnes apparaissent aplaties Une autre caract ristique de V nus est qu elle effectue une rotation tr s lente et dans le sens inverse r trograde de son sens de r volution prograde comme toutes les plan tes Un jour sid ral de V nus sa rotation par rapport un rep re fixe d toiles lointaines et non un jour solaire est ainsi plus long qu une ann e venusienne V nus est souvent qualifi e de s ur jumelle de la Terre car ces deux plan tes ont des tailles et des masses comparables Mais les similarit s s arr tent l On a d ailleurs longtemps cru avant que les missions d exploration spatiales ne r v lent des conditions inhospitali res qu il pouvait y avoir des oc ans voire m me de la vie sur V nus Les auteurs de science fiction s y sont donn c ur joie durant les ann es 1950 citons le roman Lucky Starr les Oceans de Venus d Isaac Asimov La Terre notre plan te bleue est elle la seule connue ce jour a abriter la vie En effet elle n est situ e ni trop pr s ni trop loin du Soleil de sorte que la temp rature sa surface en moyenne 15 C est favorable a la pr sence d eau l tat liquide un peu plus des deux tiers de sa surface est couverte par des oc ans et des mers En r alit sans atmosph re la t
50. face est recouverte d une fine couche de poussi res contenant du fer qui en contact avec l air s oxyde et devient rougeatre il rouille Comme pour V nus les auteurs de science fiction se sont empar s de l image myst rieuse de la plan te pour y imaginer une vie extraterrestre Or l atmosph re de Mars tr s t nue est constitu e 95 de dioxyde de carbone CO et la pression a la surface est cent fois moindre que la pression atmosph rique terrestre En outre la temp rature moyenne est de 46 C Ces conditions excluent l existence d eau l tat liquide sur Mars n cessaire la vie telle que nous la connaissons L eau existe toutefois sous forme de vapeur d eau et de cristaux de glace dans l atmosph re ainsi qu en grande quantit dans les calottes polaires voir photo ci dessus De l eau liquide a toutefois certainement coul par le pass lorsque l atmosph re tait plus dense et la temp rature plus lev e On en observe aujourd hui les traces travers les indices d rosion et la d couverte de certains min raux mais cela reste confirmer Les calottes polaires sont galement constitu es de glace de CO2 Lorsque le flux solaire sur ces calottes augmente Mars comme la Terre subit un cycle saisonnier d l inclinaison de son axe orbital ce CO est sublime ce qui cr e de grandes variations de pression dans l atmosph re Des vent violents peuvent avoir lieu qui ont pour cons quence des temp tes de p
51. ie est celle d chelle Pour une repr sentation coh rente du syst me solaire les dimensions doivent tre suffisamment r duites afin de pouvoir repr senter les grandes distances qui s parent les plan tes sur une distance parcourable pied mais pas trop r duites pour que les plan tes soient encore visible et non microscopiques a La notion des tailles Dans un premier temps la suite de la d couverte par les l ves des diff rentes caracteristiques des planetes on pourra chercher a en faire une representation en respectant leurs tailles respectives par exemple soit en pate a modeler soit en utilisant directement les maquettes des plan tes de la mallette On se rendra compte qu en effet les plan tes telluriques sont bien plus petites que les plan tes gazeuses et que Jupiter est la plus grosse plan te du syst me solaire avec un rayon 11 fois sup rieur celui de la Terre Activit Reproduction de plan tes version mod le r duit tableur Niveau scolaire Ex Pera Elements n cessaires pour lactivit Pr requis Division conversion km en cm Le but de cette activit est de se familiariser avec la notion d chelle et de faire des applications num riques Les l ves doivent trouver par eux m me une chelle avec laquelle on va pouvoir repr senter les plan tes de mani re ce qu on puisse les tenir dans les mains c est dire typiquement de la taille de quelques millimetres a quelques cent
52. imetres et realiser par la suite ces planetes en pate a modeler ou autre mati re commode a disposition Faut il diviser la taille r elle des plan tes par mille Cent mille On leur donnera les valeurs des rayons plan taires ou ils pourront les chercher eux m mes Mercure Venus Terre Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune 2 440km 6 052 km 6 378 km 3 402 km 71 492km 60268km 25 656km 24 960 km Cela peut tre l occasion d utiliser un tableur comp tence du B2i 34 Solution une chelle commode est comprise entre 1 500 000 000 et 1 5 000 000 000 on expliquera cette notation Question Quelle taille aurait le Soleil de diam tre 1 4 millions de km cette chelle b La notion des distances On pourra demander aux l ves de placer les plan tes les leurs ou celles fournies dans la mallette avec pr caution dans l espace de la salle de classe ou de la cour par ordre d loignement au Soleil sans donner d indications particuli res L exp rience montre que les l ves vont tr s largement sous estimer la distance entre les planetes qui est tres grande par rapport a la taille des objets le systeme solaire est compose de beaucoup de vide Notamment il existe un grand saut de distance entre Mars et Jupiter ou se situe la ceinture principale d ast roides Comparaison des quatre plan tes telluriques de gauche a droite Mercure V nus la Terre et Mars L chelle de
53. ire Le d but de l re du spatial d bute bien entendu avec le satellite Spoutnik premier satellite en orbite autour de la Terre lanc en 1957 par l URSS Les russes lancent la m me ann e Spoutnik 2 avec son bord la chienne La ka premier tre vivant envoy dans l espace Les tats Unis suivent en 1958 avec le lancement de leur premier satellite Explorer Commence alors la conqu te spatiale sur fond de guerre froide les enjeux ne sont alors pas uniquement scientifiques mais galement politiques Les avanc es technologiques s enchainent et les prouesses s en suivent en 1961 Youri Gagarine est le premier homme en orbite autour de la Terre Puis c est la course vers la Lune avec notamment les missions Apollo dont l v nement historique majeur a lieu en 1969 lorsque l quipage d Apollo 11 fait ses premiers pas sur la Lune L exploration de l ensemble du syst me solaire est alors port e de main mais non humaine le vol habit ne s est pas r alis plus loin que la Lune car ce sont des voyages tr s longs et tr s co teux pour le corps humain N anmoins les sondes d exploration des autres plan tes se multiplient Citons les diff rentes sondes Mariner 4 9 et 10 en 1972 et 1973 qui ont explor Mars V nus et Mercure les sondes Pioneer 10 et 11 en 1972 et Voyager 1 et 2 en 1977 qui ont survole Jupiter et Saturne et ont aujourd hui quitt le syst me solaire Les sondes Vikings se sont pos es pour la premi re f
54. les diff rents cubes avec une balance Calculer le volume d un de ces cubes 4cm de c t et peser ce m me volume d eau Diviser les masses des cubes par la masse du cube d eau comparer avec les valeurs de densit fournies En d duire une d finition de la densit masse d un cube masse volumique divis e par la masse du m me volume d eau Par d finition la densit de l eau vaut la masse d un cube d eau la masse d un cube d eau 1 Faire le test de plonger les cubes dans l eau observer lesquels coulent ou flottent Les 20 Structure interne d une plan te tellurique ici V nus Noyau manteau cro te entour d une fine couche plus denses que l eau coulent les moins denses flottent Remarque Saturne la plan te la moins dense flotterait dans l eau Autre remarque Jupiter et le Soleil ont les m mes densit s comment peut on l expliquer Ils sont compos s des m mes l ments hydrog ne et h lium en majorite Les deux classes de plan tes r sultent de deux m canismes de formation diff rents d taill s dans le deuxi me chapitre Le principe de base est que dans le nuage de gaz et de poussi res qui a forme le syst me solaire la temp rature decroit au fur et a mesure que l on s loigne du centre ou se forme le Soleil source de chaleur Pres du Soleil les temp ratures sont telles que seuls subsistent les l ments les plus r fractaires ayant des temp ratures de fusion les plus lev e
55. leur taille relative est respect e mais pas celle des distances Cr dits NASA Activit Reproduction l chelle des tailles et des distances pe ie a ana tableur a Niveau scolaire Gare El ments n cessaires pour l activit LH RS 35 Pr requis Division conversion km en cm Cette fois ci on cherche tout d abord une chelle qui nous permet de repr senter les plan tes dans l espace en respectant leur loignement les unes par rapport aux autres On donne les valeurs suivantes pour les distance Soleil plan te en millions de km Mercure V nus Terre Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune 58 108 150 228 778 1 420 2 870 4 500 On peut proc der de plusieurs mani res par tapes Trouver une chelle permettant de repr senter toutes les plan tes dans la classe on trouve une chelle de 1 1 000 milliards pour mettre Neptune 4 5 m tres du centre de la classe Avec cette chelle qui permet de tout repr senter dans la classe quelle taille auraient les plan tes quelques centiemes de mm seulement Qu en pensez vous On va maintenant proc der de la mani re inverse en calculant quelle distance on doit placer les plan tes si elles ont la taille que l on a d termin e dans l activit precedente une autre occasion d utiliser un tableur Exemple Si on a utilis l chelle de 1 10 milliard pour la taille des plan tes o
56. lfaisantes et s en servaient pour tirer des pr dictions Chez les Chald ens elles pr sageaient les pluies les temp tes les chaleurs excessives les tremblements de Terre etc On s int ressait aux plan tes et leurs mouvements pour leurs cons quences imaginaires ou r elles sur les hommes et leur environnement ll faut attendre la civilisation grecque pour qu mergent les premi res explications du mouvement des plan tes sans faire appel des causes surnaturelles D apr s Delambre Platon m rite d tre consid r comme le premier promoteur de l astronomie plan taire Les d couvertes des savants grecs sont nombreuses et peuvent faire l objet d une recherche bibliographique Activit Les savants grecs et l astronomie CDI internet as Type d activit El ments n cessaires pour l activit Chaque groupe d l ves choisit un savant grec et fait une petite fiche sur sa vie et sa d couverte Les groupes peuvent ensuite faire partager leurs recherches sous forme de posters afficher dans la classe ou bien de petit expos oral Quelques savants grecs ayant contribu l Astronomie Eudoxe de Cnide Eratosthene Aristarque de Samos Hipparque Ptol m e Le syst me de Ptol m e pr sente la Terre comme le centre des mouvements des plan tes Pour rendre compte de leurs mouvements apparents il faut alors faire appel un syst me complexe les picycles Cette th orie dominera jusqu au XVI si
57. n r utilise cette chelle ce qui donne une distance Terre Soleil de 15 m tres pour une Terre de 0 6 mm Bilan on ne va pas pouvoir repr senter le syst me solaire en entier En se pla ant dans la cour on pourra repr senter le Soleil et les quatre premi res plan tes puis on pourra trouver des points de rep re comme des lieux connus arbre statue situ s plusieurs centaines de metres pour visualiser les distances des quatre plan tes gazeuses On se rend ainsi compte des tr s grandes distances compar es la petite taille des plan tes Avec le Soleil gonflable penser le gonfler l ext rieur car une fois gonfl il ne passe plus les portes et les maquettes fournies l chelle est de 1 1 milliard Les plan tes sont ainsi plus grandes ainsi que les distances la Terre est d j 150 metres du Soleil Question subsidiaire l toile la plus proche de la Terre apr s le Soleil s appelle Proxima du Centaure Elle est situ e 4 2 ann es lumi re soit une distance d environ 40000 milliards de km A l chelle de votre syst me solaire o se situerait elle R ponse pour l chelle 1 10 milliard elle serait 4 000 km on pourra chercher sur google maps des villes cette distance D Les petits corps But d couverte des corps les plus nombreux du syst me solaire les ast roides et les com tes a Les ast roides Le premier jour de l ann e 1801 Giuseppe Piazzi d couvrit un objet
58. nickel et suffisamment de cobalt pour satisfaire la consommation mondiale pendant 3000 ans Les ast roides peuvent constituer d avantageuses bases spatiales de pr colonisation du syst me solaire En effet gr ce leurs ressources mini res ils peuvent pourvoir les colons en mat riaux de construction ainsi que leurs besoins en eau oxyg ne carbone et azote De plus de part leur faible masse donc gravit l nergie requise pour quitter l ast roide h te est beaucoup plus faible que celle 38 necessaire pour quitter la Terre A ce jour 2008 nous connaissons plus de 400 000 ast roides dont pr s de 190 000 sont num rot s Un ast roide obtient un num ro et parfois un nom quand un nombre suffisant d observations a t effectu pour determiner ses elements orbitaux avec precision Grace aux programmes automatiques de recherche le rythme actuel des d couvertes est de plusieurs milliers par an Il y a certainement encore des centaines de milliers d autres asteroides qui sont trop petits trop sombres ou trop distants de la Terre pour tre d tect s En laissant de cote Ceres maintenant classifie comme plan te naine avec ses 950 kilometres de diam tre les plus gros ast roides sont Vesta 5 6 km Pallas 538 km et Hygi a 429 km Ensuite les tailles d croissent tres vite car seulement 30 asteroides sont plus grands que 200 km 200 sont plus grands que 100 km et il existe sans doute un million d ast roides de taille
59. ogramme de 4 me La combustion n cessite de l oxyg ne Or il n y a pas d oxyg ne dans l espace il est quasiment vide le Soleil ne peut pas tre de feu D o vient alors l nergie du Soleil que l on re oit sous forme de lumi re et de chaleur Jusqu au tout d but du XX si cle cette question restait une nigme La source de combustible la plus r pandue alors tant le charbon on calcula que le Soleil de charbon aurait une dur e de vie de l ordre de 6000 ans Or on savait d j cette poque que la Terre tait bien plus vieille grace aux tudes g ologiques D autres m canismes plus complexes ont t propos s comme celui de Kelvin Helmotz qui permet de calculer l nergie d gag e lors de la contraction gravitationnelle du Soleil Mais l encore cela donnait une dur e de vie de l ordre de 20 millions d ann es au Soleil ce n tait pas encore assez Activit Calcul de l ge du Soleil charbon Gate R Le na ngi Niveau scolair e Type dactivite El ments n cessaires pour lactivit Pr requis la combustion les puissances de 10 Nous sommes au d but du XX si cle et voulons savoir combien de temps pourrait bruler le Soleil s il tait compose de charbon hypoth se bien entendu fausse Nous connaissons la masse du Soleil qui est de 2 10 kg et nous savons qu un kilo de charbon fourni une quantite de chaleur de 35 000 kJ pouvoir calorifique Quel est le r serv
60. oir total d nergie du Soleil Charbon pouvoir calorifique masse du soleil donne 7 107 J La luminosit solaire est d environ 3 5 1026 J s traduire a chaque seconde le Soleil d pense compte tenu de son r servoir total et de ce qu il d pense chaque seconde combien de secondes le Soleil va t il durer Et en ann es Qu en pensez vous on trouve 2 1011 s soit 6430 ans le Soleil ne peut pas tre fait de charbon ll a fallu attendre les avanc es des travaux sur la physique atomique la radioactivit les observations de plus en plus pr cises du spectre solaire et les travaux d Einstein pour finalement comprendre qu au centre du Soleil sous l effet des 15 millions de degr s des r actions nucl aires transforment quatre noyaux d hydrog ne en un noyau d h lium Or un noyau d h lium est l g rement moins massif que quatre noyaux d hydrog ne r unis ce d ficit de masse par la relation E mc doit n cessairement se transformer en nergie rayonn e jusqu la surface du Soleil 16 Cela montre que la masse est une forme d nergie qui peut se transformer en d autres formes d nergie Pour avoir une id e plus concrete le Soleil perd environ quatre millions de tonnes de mati re par seconde qui se transforment en lumi re Consid rant qu un dixi me de la masse du Soleil subira cette transformation on aboutit alors a une dur e de vie de l ordre de 10 milliards d ann es CILA 071 4 T to 2005 5
61. ois sur Mars la sonde Magellan quip e d un radar nous a d voil pour la premi re fois les paysages de V nus la sonde Giotto fut la premi re survoler une com te en 1986 la com te de Halley Plusieurs types de mission sont possibles un simple survol une mise en orbite autour d une plan te ou d un satellite une entr e dans l atmosph re sans atterrissage ou encore un module se posant la surface de l objet sur l objet avec une certaine autonomie d analyse On peut se r f rer au CD Promenade dans le syst me solaire dans lequel il y a un chapitre tr s d taill sur l exploration spatiale pour approfondir Voici une liste de quelques missions actuelles et futures parmi les plus remarquables Messenger d di e Mercure dont la mise en orbite est pr vue pour 2011 elle a d j effectu un survol en 2008 V nus Express en orbite autour de la plan te depuis 2006 Mars Express Mars Exploration Rover les deux robots Spirit et Opportunity sur le sol martien depuis 2004 et toujours la en 2008 Mars Reconnaissance Orbiter enfin Phoenix qui a atterri sur Mars en 2008 les missions r centes martiennes sont nombreuses Cassini Huygens qui est en orbite autour de Saturne depuis 2004 et a galement 44 survole plusieurs de ses satellites dont Titan Encelade et Hyperion Rosetta lanc e en 2004 qui doit effectuer le survol de plusieurs com tes Le but final est la pro
62. onsiste reproduire le gabarit donn dans la mallette et fabriquer un syst me de plan tes avec des tiges et une attache centrale Activit Le mouvement des plan tes avec le plan taire g ant plan taire g ant de la mallette Type d activit El ments n cessaires pour l activit Le mouvement des plan tes avec le plan taire g ant est beaucoup plus visible pour toute la classe On peut aussi faire fabriquer plusieurs groupes leur propre plan taire activit pr c dente Connaissant la position des plan tes une date donn e on veut conna tre leur position une ann e terrestre plus tard connaissant leur p riode de revolution Pour cela il faut comprendre que 1 ann e terrestre 365 jours terrestres correspondent un tour de la Terre autour du Soleil c est dire 360 degr s La Terre tourne donc d environ 1 degr par jour autour du Soleil La periode de revolution de Jupiter est de 12 ans elle tourne donc de 360 12 30 degr s en une ann e terrestre On peut placer la plan te en reportent cet angle l aide d un rapporteur La p riode de r volution de Mercure est de 88 jours terrestres ce qui correspond 0 24 ann e terrestre En une ann e terrestre elle tourne donc de 360 0 24 1500 degr s c est dire quatre tours et 60 degr s Variante primaire cycle 3 En primaire il est pr f rable de ne pas utiliser le rapporteur voir annexe 1 Par contre on peut utiliser un gabarit Un disque r
63. our de Jupiter Dans cet exemple on a repr sent le satellite lo lors d une r volution de lo 1 8 jours repr sent de 1 6 Jupiter a parcourue environ cinq fois le rayon de l orbite de lo 4 Vitesse orbitale de Jupiter 13 km s On peut repr senter la trajectoire de Jupiter par une ligne droite car 1 8 jours est tr s petit par rapport la p riode de r volution de Jupiter 12 ans 63 C Mouvements apparents et r f rentiels But appr hender le mouvement apparent des plan tes dans le ciel faire le lien entre la vision ext rieure et la vision locale a Les mouvements sur la vo te c leste Nous avons vu dans le chapitre pr c dent le mouvement des plan tes dans le r f rentiel h liocentrique centr sur le Soleil C est une vision ext rieure la Terre En observant les plan tes depuis la Terre leur mouvement est plus compliqu En plus de leur r volution autour du Soleil s ajoute une composante due au mouvement de la Terre combinaison de sa r volution et de sa rotation Les activit s que l on propose ici ont plusieurs objectifs D abord savoir diff rencier le mouvement de la vo te c leste et le mouvement des plan tes par rapport aux toiles lointaines Ensuite en utilisant le plan taire de d terminer quelles plan tes on peut voir dans le ciel Enfin pour un projet plus avanc on pourra observer et expliquer le mouvement de r trogradation des plan tes Petit plan taire
64. oussi res allant jusqu couvrir la surface enti re de la plan te Le plus grand volcan du syst me solaire est observ sur Mars Olympus Mons mais il est aujourd hui inactif comme le reste de la plan te En effet l activit d une plan te est li e son r servoir d nergie interne principalement due ses l ments 25 radioactifs Mars ayant une masse assez faible la plan te a d j puis presque toute sa source de radioactivite Enfin Mars possede deux satellites naturels Phobos et Deimos la panique et la terreur en Grec respectivement qui accompagnent le dieu de la guerre durant ses batailles On pense qu il s agit de deux asteroides captur s par la plan te Voici quelques activites en rapport avec les planetes telluriques TP Volcanisme dans le syst me solaire a F a images du systeme solaire a i E n ka TP cur Elements n cessaires pour lactivit Pr requis r gle de trois chelles notions sur les volcans l outil informatique Ce TP utilise le traitement num rique des images afin de calculer des dimensions de differents volcans du systeme solaire sur Mars des satellites de Saturne et de Jupiter Notes Ce TP est adapt la sixi me pour aborder la proportionnalit et s acquitter du B2i Le volcanisme est au programme de SVT de 4 me TP Les dunes dans le syst me solaire po Pa a TP eric On per iene PE E Type d activit
65. partie de la plate forme Cette charge utile doit tre la plus l g re possible car la masse totale de la sonde est limit e par les capacit s du lanceur et la quantit de carburant que l on dispose plus la sonde est massive plus il faudra d nergie pour la faire d coller et qu elle s arrache du champ de gravit terrestre La charge utile est donc bien souvent la contrainte la plus forte et celle d finie en premier ce qui pousse les ing nieurs miniaturiser de plus en plus les instruments Ce que l on remarque souvent est la dur e tr s longue qu il faut une sonde pour atteindre sa cible et se mettre en orbite Il y a deux raisons majeures ces longues dur es bien entendu les objets tudi s sont situ s tres loin a des millions de kilom tres mais il ne faut pas aller trop vite non plus car le but tant de se mettre en orbite autour d un autre objet la sonde doit arriver avec la bonne vitesse pour se faire capturer par l attraction gravitationnelle de la plan te Cela est donc d autant plus difficile que l objet vis est de faible masse Pour un simple survol on peut se permettre d avoir une grande vitesse lors du passage a proximit Prenons l exemple de Messenger une sonde lanc e en 2004 Elle ne sera en orbite autour de Mercure qu en 2011 qui n est pourtant pas si loin la sonde effectuera m me trois survols de la plan te afin de se ralentir avant sa mise en orbite Activit Mission sur E
66. perposition rangement d angles pr c dent les activit s de mesurage en degr s qui rel vent du coll ge Les l ves doivent en particulier prendre conscience du fait que les longueurs des c t s n ont aucune incidence sur le r sultat de la comparaison des angles Reproduire un angle donn en utilisant un gabarit ou par report d un talon L usage du rapporteur gradu classique ne rel ve pas du cycle 3 On peut par exemple faire utiliser le gabarit d un angle du triangle quilat ral pour v rifier l galit des trois angles de ce triangle ou encore pour faire remarquer que sa moiti est gale au tiers de l angle droit Tracer un angle droit Tracer un angle egal a la moitie le quart ou le tiers d un angle droit Un pliage soigneux d un angle droit en 2 4 ou 3 angles gaux permet d obtenir les angles ci contre 6 Bulletin Officiel hors s rie n 5 du 12 avril 2007 http www education gouv fr bo 200 7 hs5 default htm 71 Programmes en rapport avec l astronomie Cycle 3 Le ciel et la Terre Cinqui me Troisi me savoir que la Terre tourne sur elle m me savoir relever la trajectoire du Soleil par rapport au sol horizon et savoir qu elle peut s interpreter par la rotation de la Terre sur elle m me savoir que la Terre et les plan tes tournent autour du Soleil selon des trajectoires quasiment circulaires Savoir que la Lune tourne autour de la Terre
67. planete La croissance de ce corps s arr te lorsque la zone accessible a son attraction gravitationnelle est vide de mati re Le corps a nettoy son environnement orbital Pr s du Soleil la taille des protoplan tes est inf rieure celle de la lune Au del de la limite des glaces la mati re disponible tant plus importante des protoplan tes d une dizaine de masses terrestres apparaissent 4 C est un concept fondamental dans la derni re d finition d une plan te donn e en 2006 par l Union Astronomique Internationale 55 Jupiter se forme tres tot dans l histoire du syst me solaire Lorsque la protoplanete atteint environ dix masses terrestres le gaz alentour est capte et la planete gazeuse g ante se forme en moins d un million d ann es Apres cette p riode le Soleil atteint une phase violente un vent solaire intense balaye le systeme solaire et vide le milieu interplanetaire Saturne est form e lorsque le gaz est partiellement dissipe et Uranus et Neptune se forment encore plus tard Cela explique les grandes diff rences de masse entre ces plan tes Jupiter fait plus de 300 fois la masse de la Terre alors qu Uranus et Neptune font environ 15 fois la masse de la Terre tant essentiellement constitu es de leur noyaux de glace Les plan tes telluriques se forment beaucoup plus lentement en 10 100 millions d ann es Pr s du Soleil la phase d emballement se termine avec une centaine d embryons de la taille
68. qu il pensa d abord tre une com te Mais apres que son orbite fut mieux d termin e il apparut vident que ce n tait pas une com te mais plus vraisemblablement une petite 36 plan te Piazzi l appela Ceres en l honneur du dieu sicilien de l agriculture Cette d couverte marqua le debut de l exploration et de la recherche sur la population ast roidale Mais pourquoi tudier les asteroides Petits objets rocheux de taille n exc dant pas quelques centaines de kilometres de diametre les asteroides ont souvent ete appeles au milieu du siecle dernier les vermines du ciel Les petites trainees qu ils laissaient sur les plaques photographiques taient consid r es comme des nuisances Les asteroides occupent principalement la r gion de transition entre les plan tes telluriques et les plan tes g antes c est a dire entre 2 1 et 3 3 UA Quoique les ast roides aient subi une substantielle volution collisionnelle depuis leur formation la plupart d entre eux n ont pas eu souffrir d une grande volution g ologique thermique ou orbitale Et c est l que reside le principal int r t de l tude des asteroides De par leur petitesse ces objets ont tr s vite vacu la chaleur originelle de la n buleuse protosolaire figeant ainsi la composition initiale de cette derni re Ainsi l tude des petits corps nous renseigne sur les conditions initiales qui ont pr valu la naissance du syst me solaire En particulier les me
69. ques pour qu ils l tudient Alors que des marchands de m t orites leur offrent plusieurs centaines de dollars pour acheter la m t orite ils d cident de la garder C est le bon moment pour montrer la classe la m t orite contenue dans la mallette D Les cometes Les com tes sont connues depuis l antiquit Certaines sont visibles dans le ciel de rares occasions 10 ans Suivant les diff rentes cultures la croyance populaire associait les cometes un symbole de bon ou de mauvais presage Elles ont une orbite elliptique et inclin e par rapport au plan de l cliptique Certaines sont p riodiques c est a dire qu elles sont visibles r guli rement comme la com te de Halley p riode 77 ans d autres non Environ 1000 cometes sont recens es actuellement Les plus grandes ou celles qui s approchent suffisamment de la Terre sont observables l il nu mais la plupart d entre elles ne sont visibles qu avec un telescope Voici deux cometes r centes qui tait tr s tendues et visibles a l il nu 3 Cette activit est tir e du livret d activit Exploring Meteorite Mysteries ARES NASA 41 Com te Holmes 2007 2008 Com te de Hale Bopp 1996 1997 Cr dit J C Cuillandre CFHT amp G Anselmi Coelum Astronomia Hawaiian Starlight Cr dit NASA Le noyau des cometes est compose d un m lange de glaces et de poussieres On peut associer ce noyau a une boule de neige sale legerement
70. re para t bleu tre quand on l claire avec la lampe Les petites particules de lait diffusent la lumiere bleue dans le verre comme les mol cules contenues dans notre atmosphere diffusent la lumi re bleue dans le ciel Le m me ph nom ne expliquent les levers et couchers de Soleil lorsque le Soleil est bas sur l horizon sa lumi re traverse beaucoup d atmosph re et beaucoup de bleu est diffuse la lumiere apparait alors de couleur rouge 24 Pour faire l exp rience il faut un long bac transparent que l on remplit comme le verre d eau m lang e un peu de lait En pla ant la lampe une extr mit du bac on voit alors une lumi re rougie l autre extr mit Activit Calcule ton poids sur la Lune Gale p o Niveau scolaire Type d activit El ments n cessaires pour l activit Pr requis multiplication Pour conna tre ton poids sur la Lune il faut conna tre quelle est son attraction c est dire la gravit sa surface par rapport celle de la Terre Il suffit alors de multiplier ton poids sur Terre par cette valeur Gravit de surface par rapport la gravit la surface de la Terre Mercure 0 38 V nus 0 9 Terre 1 Lune 0 17 Mars 0 38 Mars a t nomm e ainsi en r f rence au dieu de la guerre dans la mythologie gr co romaine cause de la couleur rouge orang e de sa surface qui rappelait la couleur du sang Cette couleur lui vient de sa composition la sur
71. re que les caract ristiques d une sonde sont adapt es en fonction de l objet tudier ici en fonction de sa distance au Soleil Les panneaux solaires que nous connaissons sur Terre ont t en premier d velopp s pour le spatial afin de fournir de l nergie aux diff rents satellites de mani re autonome et fiable On donne les dimensions d un panneau solaire longueur et largeur de forme rectangulaire Sachant que chaque sonde poss de deux panneaux solaires identiques calculer leur surface totale pour chacune des sondes Puis relier le nom des sondes l objet dont elles font l tude certaines sont explicites sinon par recherche bibliographique et chercher leur loignement au Soleil Qu en concluez vous La surface des panneaux solaires est d autant plus grande que l loignement de la sonde est important On pourra tracer sur un graphique les points surface des panneaux distance de l objet pour les 4 sondes Remarquez que ce n est pas lin aire donc pas proportionnel Rosetta Mars Express Messenger V nus Express Cassini 16m 2m 3 2m 1 8m 1 65m 1 5m 2m 1 4m Pas de panneaux solaires Quelques l ments adapter selon le niveau pour l interpr tation on peut imaginer le rayonnement mis par le Soleil comme se propageant sur une sph re qui se dilate au fur et mesure qu il s loigne dans l espace L nergie par unit de surface diminue donc avec la distance en 1 r comme la
72. ries parfois classiques parfois fonctionnant l nergie nucl aire les Etats Unis ont jusqu pr sent le monopole sur cette technologie qui fait controverse M me en disposant de toutes ces sources d nergies ce n est pas encore gagn Un dernier moyen d optimiser le trajet est de lancer la sonde au moment o sa trajectoire sera d une longueur et dur e optimale selon la position relative de la Terre des plan tes autour du Soleil qui serviront d assistance gravitationnelle et de la position de la cible Ainsi on d finit ce qu on appelle des fen tres de lancement qui sont des courtes p riodes d une ou deux semaines durant lesquelles le lancement est r alisable Si le lancement n a pas pu avoir lieu conditions m t orologique probl mes techniques durant cette fen tre alors il pourra tre report de plusieurs mois jusqu la prochaine fen tre Par exemple Mars tant au 47 plus proche de la Terre en opposition tous les deux ans il y a des fen tres optimales environ tous les deux ans vous pouvez le remarquer en cherchant les dates de lancement des nombreuses sondes martiennes Activit R flexions sur les panneaux solaires Caley j Sp Niveau scolaire Type d activit El ments n cessaires pour lactivit Pr requis notion de propagation de la lumi re Le but est d tudier le r le d un m me l ment un panneau solaire mais travers diff rentes sondes afin de comprend
73. ris et en bougeant On peut faire la m me op ration avec les fl ches directionnelles tout en maintenant la touche Maj enfonc e Lorsque le plan de l cliptique est vu de dessus on voit les plan tes et leur orbite La vitesse de d filement du temps est trop faible pour les voir bouger On peut l acc l rer avec la touche L jusqu les voir bouger de mani re perceptible En haut a droite est indiqu e la date La touche K permet de d c l rer Espace d arr ter le temps et J de le renverser Il faut se rapprocher du Soleil pour voir les plan tes telluriques qui tournent alors beaucoup plus rapidement que les planetes gazeuses Pour aller plus loin le centre de gravit du syst me solaire quatri me Appuyer sur la touche Echap pour annuler la s lection du Soleil Cliquer sur Selectionner un objet dans le menu Navigation Une petite fen tre s ouvre dans laquelle on crit SSB et on confirme On appuie sur F pour se bloquer sur le SSB qui est le centre de gravit du syst me solaire Ce centre de gravit n est pas confondu avec celui du Soleil La pr sence des plan tes principalement de Jupiter fait que ce centre de gravit est situ hors du Soleil En acc l rant suffisamment le d filement du temps et en tant assez proche on peut voir le Soleil tourner autour du centre de gravit du syst me solaire Il en fait le tour en environ 12 ans qui est la p riode de
74. rps compos environ 70 de m taux et 30 de silicates Elle appara t recouverte de crat res cela est d l impact de nombreux plan t simaux Le fait que l on voit toujours ces traces de crat res nous informe que la surface est vieille et n a subi que peu d alt ration depuis cette poque notamment cela traduit une absence ou une tr s faible activit interne En outre l absence d atmosph re fait que m me les plus petits asteroides vont heurter la surface en formant un crat re alors que sur Terre par exemple les asteroides plus petits qu une cinquantaine de centimetres sont vaporis s par friction avec l atmosph re avant de toucher le sol Mercure n a donc pas d atmosphere car elle est trop peu massive pour en retenir une elle poss de n anmoins une exosph re compos e d l ments du vent solaire 21 d atomes de la surface ionis s par le vent solaire ou d atomes arrach s par impacts de micro m t orites On parle d exosphere car ce m lange gazeux n est pas stable et s chappe en continu L absence d atmosphere sur Mercure a une autre cons quence le jour la surface exposee aux rayonnements solaires tres energetiques est rapidement chauffee jusqu atteindre 430 C La nuit d s que la surface n est plus illumin e par le soleil elle se refroidit rapidement jusqu atteindre 180 C Cette difference norme de 600 entre jour et nuit serait tres amoindrie en presence d une atmosphere qui regulerait et r
75. s comme les m taux et les roches les autres l ments tant vaporis s puis souffl s par le vent solaire Au del d une certaine distance la temp rature est assez basse pour que les glaces d eau de m thane ou encore d ammoniac puissent condenser Cela fournit beaucoup plus de mat riau solide roches m taux glaces pour constituer la base des c urs plan taires Ces c urs plan taires plus massifs vont pouvoir accr ter efficacement le gaz environnant de la n buleuse primitive ce qui explique que la densit de Jupiter soit tr s proche de la densit solaire L atmosph re des plan tes gazeuses est dite primaire car elle est directement issue de l accr tion du gaz de la n buleuse tandis que l atmosph re des plan tes telluriques est dite secondaire En effet ces derni res n tant pas assez massives pour accr ter l hydrog ne et l h lium du nuage primitif gaz tr s l gers s chappant facilement leur atmosphere s est form e ult rieurement par volcanisme ou bien d gazage d l ments l gers pi g s en profondeur Durant les premi res phases de la formation du syst me solaire les fr quents impacts de com tes compos es de glaces ont galement contribu l apport d l ments l gers dont l eau C Les plan tes telluriques Nous allons ici d crire un peu plus en d tails les quatre plan tes telluriques et leurs principales caract ristiques Mercure la plan te la plus proche du Soleil est un co
76. s dangereuse si toutes les pr cautions ne sont pas prises Il ne faut pas essayer si l on n est pas accompagn d un professionnel 17 b Deux types de planetes Revenons aux planetes Elles ont leurs caracteristiques propres et sont toutes diff rentes mais peut on les regrouper en categories La r ponse est oui Si on tudie leurs caract ristiques globales de masse densit composition etc on se rend compte que l on peut les s parer en deux cat gories Quatre des huit plan tes ont la particularit d tre assez denses compos es de mat riaux solides roches silicates metaux plut t petites et il se trouve que ce sont les quatre plan tes les plus proches du Soleil l inverse les quatre plan tes les plus loign es sont la fois les plus massives et les moins denses ce qui implique qu elles sont aussi beaucoup plus grosses Activit Deux familles de plan tes Niveau scolaire Type dactivite El ments n cessaires pour lactivit Comp tences rangement par ordre croissant recherche bibliographique Chaque groupe d l ve re oit la mission de trier les plan tes en fonction d un certain crit re par distance au Soleil par taille masse densit temp rature ou bien un autre crit re de leur choix Ils font une recherche bibliographique pour trouver ces grandeurs ou peuvent utiliser les panneaux de la mallette qu ils notent dans un tableau puis rangent par ordre croissant Selon le niveau
77. s de plus de 8 degr s Heure d t Heure TU 2 heures Heure d hiver Heure TU 1 heure 65 e Mouvement de la Terre et de Mars dans le r f rentiel e Mouvement de Mars avec la Terre fixe h liocentrique Les lignes bleu d notent les positions en ramenant toutes les lignes bleues un relatives de la Terre et Mars au m me instant la m me point l chelle est agrandie On vitesse angulaire de la Terre est deux fois plus grande voit bien le mouvement de r trogradation que celle de Mars de Mars b De la voute celeste au r f rentiel heliocentrique Les activites presentees ici ont pour objectifs de relier une vision locale du systeme solaire celle que l on a sur Terre et une vision externe le r f rentiel h liocentrique Elles sont les plus difficiles conceptuellement et supposent de bien maitriser les notions abord es dans les activit s pr c dentes Activit Elongation des plan tes grand plan taire Type d activit El ments n cessaires pour l activit 66 Avec le grand plan taire on va pouvoir expliquer pourquoi on ne peut voir Mercure et Venus que le soir ou le matin et jamais la nuit On peut expliquer ce qu est elongation et intrepr ter les ephemerides Mercure et V nus sont des plan tes int rieures Lorsqu on veut les regarder depuis la Terre quelque soit la configuration des plan tes sur le plan taire il y a toujours le Soleil pas loin de la ligne de vis e En prenan
78. s objets Activit Inventaire du syst me solaire g Niveau scolaire Type dactivite El ments n cessaires pour lactivit Competences lecture criture recherche documentaire classification A partir des connaissances des l ves c est d ailleurs un moyen de les sonder il sera tout d abord propos de faire un inventaire des objets du syst me solaire puis de leur faire trouver des cat gories dans lesquelles les classer Apres avoir nomm d eux m me les plan tes le Soleil sans doute les com tes et peut tre les ast ro des on les fera travailler par groupes pour qu ils compl tent leur classification par exemple gr ce aux fiches descriptives pr sentes dans la mallette ou bien par recherche bibliographique internet Le but est d aboutir quelque chose comme Cat gorie Objets toile Le Soleil Plan tes Mercure V nus la Terre Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune Plan tes naines Pluton Cer s Eris Leurs Naturels Lune mais aussi les satellites de Mars Jupiter Saturne Satellites Uranus Neptune 165 en tout ae Satellites de communication m t o GPS Artificiels 13 Petits corps Ast roides com tes m t oroides poussi res Tout ces objets Soleil compris se sont formes presque en m me temps il y a environ 4 5 milliards d ann es Ils proviennent du m me berceau un gigantesque nuage de gaz et de minuscules
79. solaire la pression de radiation Le rayonnement ultraviolet solaire permet d ioniser certaines mol cules comme le monoxyde de carbone CO de la coma Le vent solaire les oriente dans une direction compl tement oppos e au soleil formant ainsi une autre queue com taire queue ionique ou de plasma de couleur bleue 10 100 millions de kilom tres 42 Activite Dessine une comete Expy a i i aNd Niveau scolaire Type d activit El ments n cessaires pour l activit photos des cometes partir des photos des com tes Holmes et Hale Bopp dessiner ces com tes de facon a faire ressortir les diff rents elements qui les composent le noyau m lange de glaces et de poussi res la Coma Chevelure gaz et poussi res issus du noyau de la com te formant une atmosph re la queue de poussi res poussi res ject dans le sens oppos a la trajectoire et l g rement d vi es dans la direction du Soleil la queue de plasma mati re ject e dans le sens oppos la direction du Soleil Nos connaissances actuelles sur l origine des com tes indiquent que celles ci proviennent de deux grands r servoirs diff rents le Nuage de Oort et la ceinture de Kuiper Le nuage de Oort se situe entre 50 000 et 100 000 UA Les cometes de ce r servoir se seraient form es l int rieur du syst me solaire en m me temps qu il se formait lui m me On estime qu environ 1000 milliards de com tes pourraien
80. st observ La surface de la Terre travers son paysage contrast de plaines de montagnes et de volcans r v le une intense activit interne Les plaques tectoniques la surface de la Terre sont port es par les mouvements du manteau form de roches en fusion ou magma la fronti re des zones de divergence entre plaques a lieu un 23 volcanisme actif tandis qu la fronti re d une zone de collision se forment les montagnes ex la cha ne de l Himalaya Enfin la Terre poss de un satellite naturel la Lune Les mouvements et les positions relatives de la Terre de la Lune et du Soleil r sultent en divers ph nom nes observables comme les phases de la Lune ou encore les clipses Ceci fera l objet d une autre mallette part enti re La Terre vue par la sonde Apollo 17 alors en route vers La plan te Mars vue par Hubble On peut y voire les la Lune calottes polaires Cr dits NASA Cr dits Nasa ESA Activit Pourquoi le ciel est bleu Verre bac eau lait lampe de poche Niveau scolaire Type dactivit El ments n cessaires pour lactivit Remplir un verre d eau froide et laisser le reposer On peut v rifier dans le noir si on l claire avec une lampe de poche que l eau est bien claire Verser quelques gouttes de lait dans le verre En clairant le verre avec la lampe de poche on voit que les gouttes de lait sont bleu tres Maintenant si on m lange l eau alors tout le contenu du ver
81. t Pr requis quelques connaissances sur les plan tes mais le but est de les approfondir Chaque groupe d l ve re oit la mission de faire une enqu te sur une des plan tes du syst me solaire les ast ro des ou les com tes Le but est de les entra ner la recherche bibliographique via une encyclop die et internet si possible la classification et la pr sentation des informations sous forme d une affiche que le groupe commentera devant la classe Pour les guider on pourra leur poser les questions suivantes De quoi est il constitue Est il solide liquide gazeux Comment est sa surface Quelle est sa taille par rapport a la Terre Son mouvement dans le syst me solaire Tourne t il sur lui m me Y a t il des jours et des nuits sa surface des saisons Pourrait on vivre a sa surface Pour quelle s raison s Cet objet a t il d j t explor et par quel moyen sonde robot sa surface astronaute Peut on voir cet objet depuis la Terre A l oeil nu avec des jumelles avec un telescope Possede t on des photos de cet objet Quels sont les traits marquant de cet objet C chelle des tailles et des distances voyage dans le Syst me solaire But se rendre compte de la taille des objets du syst me solaire et de la distance qui les s pare acqu rir la notion d chelle se repr senter les objets dans l espace 33 La notion fondamentale d velopp e dans cette part
82. t droite de l cran Pour aller visiter une des lunes de Jupiter on la selectionne en cliquant dessus et on appuie sur G pour se rapprocher Activite Changement de referentiel crayon corde ou baton Type d activit El ments n cessaires pour l activit 62 Pour une premi re approche du r f rentiel on peut r fl chir l orbite d un satellite de Jupiter Dans le r f rentiel centr sur Jupiter c est un cercle Dans le r f rentiel centr sur le Soleil r f rentiel h liocentrique il faut combiner le mouvement du satellite et celui de Jupiter qui tourne autour du Soleil Cela donne une figure plus compliqu e On montre ainsi qu il existe un r f rentiel privil gi pour tudier les mouvements des diff rents corps du syst me solaire Par exemple on peut fabriquer un syst me de crayon attach un mobile par une corde ou un b ton de longueur fixe En faisant tourner le crayon autour de l axe du mobile si celui ci est immobile cela dessine un cercle On peut faire le m me exercice en faisant bouger le mobile a vitesse constante en ligne droite en cercle et comparer les r sultats obtenus voir figure ci dessous 60 O e L orbite du satellite dans le r f rentiel centr sur Jupiter est quasi circulaire e L orbite du satellite dans le r f rentiel h liocentrique est plus compliqu e il faut combiner le mouvement de Jupiter autour du Soleil et celui du satellite aut
83. t tre pr sentes dans ce r servoir La ceinture de Kuiper est le deuxi me r servoir de cometes On peut la repr senter comme un tore entourant le plan de notre syst me solaire et qui se serait form e en m me temps que celui ci au del de Neptune de 30 UA jusqu une distance inconnue Depuis 1992 environ 1300 objets de la ceinture de Kuiper ou objets Trans Neptuniens ont t d tect s 2008 confirmant ainsi l existence de ce r servoir com taire E L exploration du syst me solaire But conna tre quelques missions spatiales leur historique li e aux avanc es technologiques les missions actuelles et futures D couvrir quelques l ments des sondes spatiales et leur fonction L astrophysique est une science qui a une place un peu particuli re parmi les autres domaines de la physique de la chimie ou de la biologie En effet ce n est pas une science bas e sur l exp rimentation mais principalement sur l observation on ne peut pas en laboratoire recr er une plan te ou une toile afin de l tudier Pour tudier le plus en d tail possible les plan tes des technologies de plus en plus pointues ont t d velopp es de l instrumentation au sol t lescopes de plus en plus grands miroirs d formables afin de corriger les d fauts optiques dus l atmosph re jusqu aux sondes aujourd hui en orbite autour d autres plan tes et aux robots effectuant des analyses in situ 43 a Un peu d histo
84. t dans un m me plan le plan de l cliptique L toile la plus proche alpha du Centaure ce qui signifie que c est la plus brillante toile de la constellation du Centaure vue depuis la Terre est situ e 4 2 ann es lumi res l chelle de 1 milliardi me laquelle les plan tes de la mallette sont repr sent es il faudrait la placer a 40 000km de la Terre soit environ un dixi me de la distance Terre Lune Nuage de Oort et ceinture de Kuiper Cr dit NASA Aujourd hui nous commen ons d tecter d autres plan tes autour d autres toiles Les techniques de d tection sont telles que pour le moment nous ne d tectons que les plan tes les plus massives et les plus proches de leur toile appel es des Jupiter chauds qui sont peu propices au d veloppement de la vie En outre m me si nous observions des traces d activit biologique ou technologique ces plan tes sont situ es tellement loin qu il faudrait des ann es un signal radio pour se propager jusqu a la plan te sans parler du probleme de puissance de ce signal Mais qui sait peut tre que la g n ration future verra la d tection de plan tes habitables et peut tre habit es 49 50 51 2 MOUVEMENTS ET TRAJECTOIRES A Introduction a Un peu d histoire Les plan tes occupaient une place symbolique tr s importante au sein des civilisations anciennes Les gyptiens leur attribuaient des qualit s bienfaisantes ou ma
85. t des distances voyage dans le syst me solaire 33 a La notion des tailles 34 D LA hOtIon AS GISTANGES ne RAR mon ao 39 POS SUNS CONS ecn E nanan in ne nan 36 Ais LOS ASC DITS a et nt nn ete a Rd A 36 DCS COMEIES RS ie Ra R gio En te a 41 E L exploration du syst me solaire 43 aUn DUC AIS IOIM nan end an de ne nono mme 44 b Quelques l ments cl s d une sonde interplan taire 45 c O s arr te le syst me solaire qu y a t il au del 7 49 2 Mouvements el IralectOeS saine tae aiken nn ann e 52 Pos WMO CII OM ee ut ct on astatneshaats tact aupadcntanaacaseqnaenrageanteal vise iisen eos greaeanenecaneumeatareacs 52 IUN peu d MSOC ner ane ersnnenseta scene tienne her era ben 52 b l origine des mouvements la naissance du syst me solaire 54 B Les mouvements dans le syst me solaire 56 TANO AU SOE NAME a de ad ee nn ere 56 D D autre MOUVEMECINS Lis AA nena nmenaanadians 59 C Mouvements apparents et r f rentiels 64 a Les mouvements sur la vo te c leste 64 b De la voute c leste au r f rentiel h liocentrique 66 ANNEXES RS SC M AE ASS Cine ae na anaes 11 Comment aborder la notion d angle en cycle 3 7 71 Programmes en rapport avec l astronomie 72 PIDNOGKADING sacaies sete scns saat a ter siotaues eit aaean a anes pad ie teidlee na asta est ete eetanre aie 16 Table des Activites Inventair
86. t le gabarit des heures d observation on se rend compte qu on ne peut les observer que t t le matin ou bien le soir L longation est l angle entre le Soleil et la plan te vu depuis la Terre On peut derminer l longation maximale de Mercure et de V nus lorsque les trois corps forment un triangle rectangle l angle droit sur le Soleil On trouve environ 20 degr s pour Mercure et 50 degr s pour V nus L longation des plan tes ext rieures va de 0 a 180 degr s L longation de la plan te est nulle lorsqu elle est en conjonction vue depuis la Terre la plan te est derri re le Soleil et les trois corps sont align s L longation est maximale 180 lorsque la plan te est en opposition le Soleil la Terre et la plan te sont align s dans cet ordre la C est le meilleur moment pour observer la plan te car d une part on peut la voir presque toute la nuit et d autre part elle est au plus proche de la Terre donc son diametre apparent est maximal Le graphique ci dessous donne les longations des plan tes en 2008 et en 2009 On peut aussi les obtenir grace a des ph m rides khongabois des slaiebes er 2008 eaten OLA Pare wd ue isin he hwm ee led ee i N 17 INT Pr Wr is FE FI i Ir ar dE FE sa EP FPF Wl 1A Fr E a oe TH 67 Graphique g n r par le logiciel Coelix Activit Retrogradation des plan tes Pram at Type d activit El ments n cessaires pour l activit gran
87. t par Laplace 1749 1827 Il rend compte des nombreuses caract ristiques du syst me solaire parmi lesquelles on peut citer 54 x les orbites coplanaires et quasi circulaires des plan tes x les plan tes int rieures sont rocheuses alors que les plan tes ext rieures sont gazeuses x la pr sence et la dynamique des ast roides et des objets de Kuiper x la pr sence et l ge des crat res sur de nombreux corps Le syst me solaire est tr s vieux environ cinq milliards d ann es Les plan tes se sont form es tr s t t et tr s vite par comparaison en l espace de quelques centaines de millions d ann es Les formations du Soleil et des plan tes sont intimement li es et les d tails de l histoire n ont pas tous t r solus aujourd hui On se contentera ici d en r sumer les grandes lignes Le Soleil s est form dans une n buleuse un nuage de gaz principalement d hydrog ne et de poussi re Une partie de la n buleuse s est effondr e sur elle m me et en son centre s est cr le Soleil Autour se forme alors le nuage proto plan taire fait du gaz et de la poussi re pr sents dans le nuage initial Du fait de sa rotation initiale le nuage proto plan taire est aplati C est dans ce nuage en rotation que les plan tes vont prendre forme Les grains de poussi res pr sents dans le nuage proto plan taire ont une taille inf rieure au microm tre Ils croissent d abord par condensation les mol cul
88. teorites qui sont des fragments d asteroides tomb s sur Terre sont les preuves fossiles des v nements qui ont affect les premiers temps de la formation du syst me solaire Les ast roides sont aussi importants parce qu ils sont la source de la plupart des m t orites De plus certains ast roides les g ocroiseurs pr sentent un danger pour la Terre car leurs orbites croisent celle de notre plan te On sait que la Terre comme tous les corps du syst me solaire a eu un pass violent Pour preuve la constellation de crat res dont est orn e la surface lunaire De telles cicatrices sur Terre ont t masqu es et rod es par l activit terrestre Il est rituel quand on parle de ce sujet d voquer la chute d un ast roide ou d une com te il y a 65 millions d ann es la fronti re du Cr tac et du Tertiaire et qui fut peut tre responsable de l extinction des dinosaures Le crat re d impact retrouv pr s de la c te de la p ninsule de Yucatan pres du village de Chicxulub golfe du Mexique a un diam tre estim d au moins 180 km oF TP Mesurer la taille d un cratere ka logiciel SalsaJ photos du S S El ments n cessaires pour lactivit Pr requis r gle de trois chelles notions sur les volcans l outil informatique Dans ces Travaux Pratiques nous utilisons le logiciel didactique de traitement d images SalsaJ EU HOU qui permet de manipuler et analyser simplement les images Les
89. tionnalit entre le carr de la p riode 7 d un objet et le cube du demi grand axe a Activit Dessine l orbite d une plan te tableau punaises fil ruban adh sif Niveau scolaire Type d activit El ments n cessaires pour lactivit Mat riel n cessaire un tableau des punaises du fil du ruban adh sif un crayon et du papier Coller la feuille de papier sur le tableau avec du ruban adh sif Planter les deux punaises au centre de la feuille un peu loign es Nouer le fil pour faire une boucle et attacher chacune des extr mit s du fil aux punaises Mettre le crayon dans la boucle et en tendant bien le fil tracer une ellipse Le Soleil est a l emplacement de l une des deux punaises c est un foyer de l ellipse Sur l autre foyer il n y a rien On peut s parer plusieurs groupes et leur demander de faire l exp rience avec des distances diff rentes entre les punaises pour des longueurs de boucle gales On constate alors que certaines trajectoires ressemblent plus un cercle que d autres On peut alors r fl chir pourquoi on a longtemps cru que la trajectoire des plan tes taient des cercles parfaits les deux foyers de l ellipse sont tr s rapproch s Pour la Terre la distance entre le Soleil et le deuxi me foyer est d environ 5 millions de kilometres alors que la distance Terre Soleil est de 150 millions de kilom tres Isaac Newton 1643 1727 p re de la physique moderne d veloppe alors la th orie
90. tivit interne l exception des cometes ou ast roides les plus massifs On les qualifie de mati re primitive du syst me solaire Leur tude nous renseigne sur les conditions initiales temp rature densit qui pr valaient il y a plus de 4 milliards d ann es et sur la composition du nuage initial Ces informations sont primordiales pour mieux comprendre les m canismes de formation du syst me solaire ll y a huit plan tes dans le syst me solaire et non plus neuf Pluton ayant t rel gu e au statut de plan te naine ainsi que de nombreux petits corps dont l origine est vari e Par ordre d loignement au Soleil on trouve Mercure V nus la Terre Mars Jupiter Saturne Uranus et Neptune Activit Dans quel ordre Lr T a Niveau scolaire Type dactivite El ments n cessaires pour l activit pr requis pr sentation des objets du syst me solaire Afin de se rappeler le nom des plan tes dans leur ordre de distance au Soleil proposer aux l ves de construire des phrases mn motechniques travail de fran ais et d imagination dont la premi re lettre de chaque mot correspond la premi re lettre de chaque planete Il n y a pas de bonne ou mauvaise phrase il en existe des dizaines de possibles Pour vous inspirer en voici quelques unes 14 Ma Vieille Trompette Me Joue Seulement Une Note Mangez Vos Tartes Mais Juste Sur Une Nappe Me Voila Tout Mouill J ai
91. toire de leur d couverte qu il peut tre int ressant de creuser Certains noms ne correspondent rien de sp cial ou bien ont des connotations antinomiques par rapport leur caract ristiques car elles ont t nomm es bien avant qu on ne les connaisse en d tail ce sont des cas int ressants galement C est le cas par exemple de V nus dont les conditions sont loin d tre hospitali res pas terrible pour la d esse de la beaut Les l ves pourront chercher renommer ces plan tes dans ce cas Par exemple Neptune nomm en r f rence au dieu de la mer alors qu il n y a pas d eau liquide il y fait bien trop froid pourrait tre renomm en ole le dieu du vent en l honneur des vent violents qui soufflent dans son atmosphere 32 Enfin on pourra r fl chir sur l origine du nom des jours de la semaine Ce travail sur les noms permet de fixer les connaissances sur les caract ristiques des plan tes l origine de leur d couverte et l volution de nos propres connaissances Pour aller plus loin on pourra s int resser au nom des satellites qui r v lent quelques surprises insolites On peut se referer au CD Promenade dans le syst me solaire inclus dans la mallette dans lequel il y a un chapitre tr s complet sur les origines des noms des objets du syst me solaire Activit Enqu te sur le syst me solaire internet Niveau scolaire Type dactivite El ments n cessaires pour lactivi
92. uch Adams ont pr dit la position dans le ciel d une planete responsable de ces perturbations que John Galle a effectivement observ e Neptune C est une plan te bleut e dont l atmosph re est tres changeante c est sur Neptune que l on trouve les vents les plus violent dans le syst me solaire atteignant plus de 2000 km h On y observe comme sur Jupiter des t ches correspondant des temp tes De m me que Jupiter et Saturne Uranus et Neptune poss dent toutes les deux un syst me d anneaux un champ magn tique et de nombreux satellites dont Triton le plus gros satellite de Neptune Ces propri t s sont donc caract ristiques des plan tes g antes e L eau dans le syst me solaire La mol cule d eau H20 est omnipr sente dans le syst me solaire en cherchant bien on la retrouve sur toutes les plan tes et les petits corps en des quantit s plus ou moins grandes mais sous des formes diff rentes gazeuse liquide et solide Activit L eau dans tous ses tats eau diff rentes temp ratures Niveau scolaire Type d activit El ments n cessaires pour l activit Pr requis notions sur l eau programme de cinqui me Le but de cette activit est d obtenir la temp rature de fusion et ou de condensation de l eau et de faire le lien avec l existence ou non d eau liquide sur les diff rentes 30 plan tes Bien entendu la r alit est plus complexe car les conditions de pression en plus de la temp
93. uesse technique de r aliser le largage d un robot d analyse de la surface de l une d entre elles en 2014 New Horizons lanc e en 2006 qui ira explorer Pluton en 2015 et des objets de la ceinture de Kuiper par la suite Activite Les missions spatiales internet Ke Niveau scolaire Type dactivite El ments n cessaires pour lactivit Pr requis quelques connaissances sur les objets du syst me solaire Cette activit propose aux l ves travaillant en groupe de faire une recherche bibliographique sur les missions d exploration du syst me solaire Chaque groupe sera charg d un objet ou groupe d objet Mercure V nus la Lune Mars Jupiter Saturne les asteroides les com tes et les objets de la ceinture de Kuiper dont Pluton et devra refaire l historique de son exploration combien de missions ont elles t envoy es et en quelle s ann e s Ont elles toutes r ussi ou y a t il eu des checs Quels taient les principaux objectifs scientifiques Combien de temps a t elle mis pour voyager De quel type s agit il survol robot Quels sont les anecdotes ou les faits marquants sur ces missions Est ce qu il y a de nouvelles missions pr vues dans le futur vers ces objets Les groupes pr senteront leurs recherches l ensemble de la classe sous la forme la plus appropri e poster frise compte rendu Pour aller plus loin les eleves pourront aussi inventer la future mission qui ira explorer leur objet
94. urope Caley j Niveau scolaire Type dactivite El ments n cessaires pour lactivit Pr requis notions sur la vitesse de la lumiere Nous sommes des ing nieurs planifiant la trajectoire d une sonde devant se poser sur Europe un des satellites de Jupiter La sonde a t lanc e il y a quelques ann es et est sur le point d arriver a destination c est une phase cruciale pour nous Nous avons besoin de calculer tr s pr cis ment quelle distance est la sonde de la Terre Pour 46 cela nous envoyons un signal radio les ondes radio sont des ondes lumineuses mais invisibles a nos yeux la sonde qui en fait l cho aussit t recu le signal nous revient sur Terre un certain temps t apr s que nous l ayons envoy Faites un schema de la Terre de la sonde et du signal se propageant Rappelez quelques proprietes fondamentales de la lumiere elle se propage en ligne droite sa vitesse est constante et vaut 300 000 km s Le d calage entre l envoi et la r ception sur Terre du signal tant de 1h12min quelle distance est la sonde environ 650 millions de km ne pas oublier de diviser le temps par deux qui est un temps daller retour On suppose que l on est dans le cas ou le Soleil la Terre Europe et Jupiter sont alignes dans cet ordre Calculez alors la distance Terre Europe environ 627 millions de km Comparez avec la distance de la sonde trouv e auparavant qu en concluez vous La sonde est bien trop loin de sa
95. uverts plus tardivement Les satellites irr guliers ont des orbites excentriques aplaties inclin es par rapport au plan de l quateur de la plan te parfois r trogrades ils tournent dans le sens inverse du sens de rotation de la plan te Ils sont nombreux autour des plan tes g antes Ce sont des corps captur s par attraction gravitationnelle qui proviennent probablement de la ceinture de Kuiper Phobos et Deimos les satellites de Mars sont probablement des ast roides captur s Les satellites naturels se sont donc form s comme les plan tes ou bien sont les vestiges des planetesimaux ayant formes les planetes Ganymede satellite de Jupiter et Titan satellite de Saturne sont plus gros que la planete Mercure Le terme satellite indique que le corps orbite autour d une planete ou bien d un objet plus gros que lui On a trouve des satellites d ast roides comme Dactyl qui orbite autour de Ida et des satellites de plan tes naines comme Charon qui orbite autour de Pluton Par contre on ne parle pas de satellites du Soleil mais de planete Un des objectifs des activites presentees ici est de comprendre la difference entre un satellite et une plan te c est aussi de faire une premiere approche du r f rentiel le mouvement d un satellite est beaucoup plus simple quand on le considere dans un referentiel centre sur la planete autour de laquelle il tourne Son mouvement dans le referentiel heliocentrique centre sur le Soleil

B : Les mouvements dans le système solaire

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