description de l`univers - Fizik Chimie Lycee Free Fr

2nde
Objectifs :
U1-P1
DESCRIPTION DE L’UNIVERS
• Savoir que le remplissage de l’espace par la matière est essentiellement lacunaire, aussi bien au niveau de
l’atome qu’à l’échelle cosmique.
• Connaitre la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide (ou dans l’air).
• Connaitre la définition de l’année de lumière et son intérêt.
• Expliquer l’expression : « voir loin, c’est voir dans le passé ».
• Utiliser les puissances de 10 dans l’évaluation des ordres de grandeurs.
1. Les dimensions dans l’Univers
1.1. Rappels
Pour décrire facilement l’Univers, on utilise les ordres de grandeurs des dimensions des objets.
L’ordre de grandeur d’un nombre très grand ou très petit est la puissance de 10 la plus proche de ce nombre.
Il est donc utile d’utiliser l’écriture scientifique des nombres :
L’écriture scientifique d’un nombre est l’écriture sous la forme du produit
a × 10n ou a ⋅10n
dans lequel : a est un nombre décimal compris entre 1 et 10,
n est un nombre entier positif ou négatif.
Exemple d’ordre de grandeur :
Le mont blanc culmine à 4807 m d’altitude.
En écriture scientifique 4,807 ⋅103 m
Ordre de grandeur 4,807 ⋅103 m , on arrondi donc à 103 m ce qui donne l’ordre de grandeur.
Règles d’arrondi :
Pour les ordres de grandeurs, si on a, en écriture scientifique :
Une valeur inférieure à 5 ⋅10n , l’ordre de grandeur est 10n ;
Une valeur supérieure à 5 ⋅10n , l’ordre de grandeur est 10 n +1
Règles d’arrondi : de 0 à 4 on arrondi à la valeur inférieure
De 5 à 9 on arrondi à la valeur supérieure
Les conversions de longueur et l’écriture scientifique :
Tm
Gm
Mm
km
hm
dam
m
Téramétre gigamètre mégamètre kilomètre hectomètre décamètre
1012 m 10 9 m
10 6 m
10 3 m
10 2 m
101 m
dm
cm
mm
µm
nm
pm
décimètre centimètre millimètre micromètre nanomètre
1m
picomètre
10 −1 m 10 −2 m 10 −3 m 10 −6 m 10 −9 m 10 −12 m
1.2. L’Univers
L’atome est constitué d’un noyau entouré de vide dans lequel se déplacent les électrons.
Les atomes s’associent pour former des molécules, qui forment des cellules pour former les êtres vivants.
Les atomes et les molécules se trouvent dans chaque grain de matière.
La matière se trouve dans les planètes et les étoiles.
Les planètes, tournent autour d’une étoile. Entre l’étoile et ses planètes il n’y a que du vide.
Les systèmes solaires ou extrasolaires ainsi formés se trouvent dans les galaxies, assez éloignés les uns des
autres et séparées, entre les étoiles il y a du vide.
Les galaxies se trouvent dans les amas ou superamas de galaxies, entre les galaxies, il y a du vide.
Ente les amas de galaxies, il y a du vide.
L’univers contient tous ces objets des galaxies aux atomes, il y a donc beaucoup de vide dans l’univers.
On dit d’un espace occupé qu’a certains endroits qu’il est lacunaire.
Le remplissage de l’espace par la matière est lacunaire aussi bien à l’échelle cosmique qu’au niveau de
l’atome.
Lydie GERMAIN
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1.3. Le système solaire
Notre système solaire est constitué :
de 8 planètes (Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter Saturne, Uranus, Neptune),
d’une planète naine (Pluton)
et de petits corps du système solaire (astéroïdes, comètes, …)
en orbite autour du Soleil, notre étoile.
Ces catégories ont été définies le 24 aout 2006 lors de l’assemblée triennale de l’union astronomique
internationale (UAI).
Le système solaire se trouve dans une galaxie spirale appelée La Voie Lactée.
2. Les unités adaptées
2.1. Pour les distances dans l’espace
Les dimensions dans l’Univers sont très grandes, leurs valeurs en kilomètres sont de grands nombres, on a
donc crée une nouvelle unité de longueur : l’année de lumière (a.l.)
Définition :
Une année de lumière est la distance parcourue par la lumière en un an.
La lumière se propage en ligne droite dans les milieux transparents et homogènes.
La vitesse de propagation de la lumière dans le vide ou dans l’air est d’environ c = 3, 00 ⋅108 m.s −1 soit
c = 300 000 km.s −1 , c’est une constante universelle.
La valeur de la vitesse de propagation de la lumière dans le vide est c = 2,99792458.10 8 m.s −1 .
L’année de lumière vaut donc :
1a.l. = 300 000 × 365,25 × 24 × 3600 = 9,5.1012 km soit environ dix mille milliards de km.
Applications :
1°/ L’étoile la plus proche du Soleil est Proxima du Centaure qui se trouve à 4,2 a.l.
À combien de km cela correspond-il ?
d = 4, 2 × 9,5 ⋅1012 ≃ 4, 0 ⋅1013 km soit 40 milles milliard de km.
2°/ L’étoile polaire est à 4, 2 ⋅106 milliards de km de notre système solaire.
À combien d’année de lumière cela correspond-il ?
4, 2 ⋅1015
6
9
15
d = 4, 2 ⋅10 × 10 km = 4, 2 ⋅10 km soit d =
= 442 a.l. .
9,5 ⋅1012
3°/ Combien de temps met la lumière du Soleil pour parvenir sur la Terre ? L’année de lumière est-elle une
unité adaptée aux distances dans le système solaire ? Proposer une autre unité mieux adaptée.
Distance Terre-Soleil : 150 millions de km soit 150.106 km .
d
d
150 ⋅106
500
donc t = soit t =
= 500 s ce qui correspond à t =
= 8,33 min .
t
c
300 000
60
La lumière met environ 8 min pour aller de la surface du Soleil à a Terre. L’a.l. n’est pas une unité adaptée,
on peut utilise la minute de lumière mais il existe aussi l’u.a.
L’unité astronomique (symbole u. a.) est la distance moyenne Terre-Soleil.
1 u.a. = 150.106 km , elle est utilisée pour le système solaire.
c=
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2.2. Pour les quantités microscopiques
Les atomes, les molécules ou les ions sont beaucoup trop petits pour pouvoir être compté dans un
échantillon à l’échelle macroscopique, on obtient des nombres trop grands.
Les scientifiques ont donc décidé de les compter par paquets et un paquet en contient toujours le même
nombre.
Ce nombre est appelé nombre d’Avogadro ou constante d’Avogadro :
N A = 6, 02 ⋅1023 atomes, molécules ou ions.
On parle alors de quantité de matière, notée n, dont l’unité est la mole de symbole mol.
Alors l’unité de N A = 6, 02 ⋅1023 mol−1 .
Donc 1 mol d’atome contient 6, 02 ⋅10 23 atome.
Applications
1°/ Un échantillon de fer contient un nombre N = 1, 25 ⋅1030 atomes de fer, quelle est la quantité de matière
correspondante ?
Les élèves doivent trouver seuls le calcul à faire, puis on formalise la relation
N(Fe)
1, 25 ⋅1030
n(Fe) =
soit n(Fe) =
= 2, 08 ⋅106 mol .
23
NA
6, 02 ⋅10
2°/ Est-il possible d’avoir une quantité de matière inférieure à une mole ?
Si on a moins de N A = 6, 02 ⋅1023 atomes, molécules ou ions, on aura une quantité de matière inférieure à 1.
3°/ Combien y-a-t-il de molécules dans 0,60 mol d’eau ?
Les élèves doivent trouver seuls le calcul à faire, puis on formalise la relation
N(H 2O) = n(H 2O) ⋅ N A soit N(H 2O) = 0, 60 × 6, 02 ⋅1023 = 3, 6 ⋅1023 molécules .
N(X)
soit aussi N(X) = n(X) N A
NA
n(X) la quantité de matière de l’espèce X en mol ;
N(X) le nombre d’atome, d’ion ou de molécule de l’espèce X.
On a donc la relation : n(X) =
avec
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