La gravitation

Document du professeur 1/6
Fiche professeur
Physique – Chimie
LA GRAVITATION
LA GRAVITATION
Niveau 3ème
Sciences Physiques
Programme
C - De la gravitation … à l’énergie mécanique
Connaissances
Capacités
Commentaires
NOTION DE GRAVITATION
Pourquoi les planètes gravitent-elles autour du Soleil ? Pourquoi les satellites gravitent-ils autour de la
Terre ?
Présentation succincte du système
Anciennes pistes d’activités
solaire.
Activité documentaire.
Action attractive à distance Suivre
un
raisonnement
exercée par :
scientifique afin de comparer, en Séquence vidéo (fronde, lancer du
- le Soleil sur chaque planète ;
analysant les analogies et les marteau…).
- une planète sur un objet proche différences, le mouvement d’une
d’elle ;
fronde à celui d’une planète Expérience avec des aimants :
- un objet sur un autre objet du autour du Soleil.
interactions, influence de la
fait de leur masse.
distance.
La gravitation est une interaction
attractive entre deux objets qui
Commentaires
ont une masse ; elle dépend de
Les noms des planètes n’ont pas à
leur distance.
être connus des élèves.
La relation exprimant la force de
gravitation est hors programme.
La gravitation gouverne tout
l’Univers (système solaire, étoiles
et galaxies).
Pré requis de l’élève
o L’élève sait qu’un aimant possède un pôle Nord et un pôle Sud ;
o L’élève sait que la Lune est le satellite naturel de la Terre ;
o L’élève connaît ou non quelques noms de planètes du système solaire.
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Mots clefs
o
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Aimant
Attraction
Distance
Gravitation
Interaction
Lune
Magnétique
Masse
Planète
Pôle
Rotation
Satellite
Soleil
Terre
o
o
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o
o
o
o
Prévoir
Matériel
Poste élève
o Deux aimants sur chariots
o Une règle graduée
o Une bille
o Une balle
o Une corde
Référence
06022.36.168
Remarques, astuces
o
o
o
Dans l’activité 1, il sera intéressant de montrer ce qui se produit lorsque les deux aimants
présentent l’un vers l’autre des pôles identiques - indiqué en remarque sur la fiche -. De plus,
cela permet de bien distinguer l’interaction gravitationnelle toujours attractive due
uniquement aux masses des corps en présence de l’interaction magnétique tantôt attractive
tantôt répulsive ;
Dans l’activité 3 - simulation d’une fronde avec une balle -, l’expérience sera réalisée
plusieurs fois par des élèves différents pour que tous puissent observer les trajectoires ;
Pour le début de l’activité 4, un document d’aide pourra être distribué aux élèves si ceux-ci
possèdent peu d’informations sur le système solaire ;
Prolongements
o C’est Isaac Newton, célèbre physicien anglais (1643-1727), qui développa la théorie de la
gravitation universelle, permettant d’expliquer le mouvement de la Lune autour de la Terre et
des planètes autour du Soleil ;
o La loi de l’attraction universelle fut formulée par Newton en 1687
dans "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Principes
mathématiques de la philosophie naturelle) :
L'intensité de la force d'attraction entre deux corps est
proportionnelle au produit de leurs masses et inversement
proportionnelle au carré de leur distance mutuelle.
Elle se traduit par la relation :
F = G.
M .M'
d
2
2
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F, exprimée en newtons (N) représente l’intensité des forces d’attraction réciproque ; M et M’,
exprimées en kilogrammes (kg) représentent les masses des corps en interaction ; et d,
exprimée en mètres (m) représente la distance qui les sépare.
La constante G, dite constante universelle de gravitation, vaut 6,67.10-11 N.m2.kg-2.
Ainsi, deux objets de masse M = M’ = 1 kg distants de d= 1 m exercent une force d’attraction
réciproque à distance l’un sur l’autre d’intensité F = 6,67.10-11 N, ce qui est bien sûr
négligeable.
Cela n’est pas du tout le cas de l’attraction entre la Terre et la Lune :
MTerre = 6 × 1024 kg, MLune = MTerre/80, d = 390 000 km = 3,9 × 108 m soit F ≅ 2 × 1020 N !!
Remarque : les valeurs des masses ont été arrondies à la valeur la plus proche et de la distance
« Terre – Lune » à une valeur moyenne
o Dans le cas de l’attraction terrestre, on peut retrouver la valeur de g, intensité locale de la
M .M'
pesanteur car F peut se confondre avec P soit F = G.
= M’.g si on pose M, masse de la
2
d
Terre et M’ masse de l’objet attiré.
D’où g = G.M /d2 avec M = 5,98 × 1024 kg et d = rayonTerre = 6,37 × 106 m
Le calcul donne g = 6,67.10-11 × 5,98 × 1024 / (6,37 × 106)2 = 9,8 N.kg-1
Pistes d’évaluation
Expérimentales
Théoriques
-
Respecter les consignes ;
Réaliser précisément les expériences de l’activité 1 ;
Ranger le matériel.
Répondre aux questions de l’activité 1 ;
Conclure l’activité 2 ;
Répondre aux questions de l’activité 3 ;
Répondre aux questions de l’activité 4 et la conclure ;
3
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Nom :
Prénom :
Classe :
Date :
Physique – Chimie
LA GRAVITATION
Objectifs :
o
o
o
Découvrir que deux corps ayant une masse s’attirent.
Expliquer pourquoi les planètes gravitent autour du Soleil.
Expliquer pourquoi les satellites gravitent autour de la Terre.
ACTIVITE 1 : Etudier une interaction magnétique
Deux aimants A et B identiques sont fixés sur des chariots également
identiques et très légers, le pôle Sud* (peint en blanc) de l’un tourné vers
le pôle Nord* (repéré en rouge) de l’autre.
Ils sont placés à 5 cm l’un de l’autre.
1. Tenir le chariot de l’aimant A et approcher lentement le chariot de
l’aimant B sans le maintenir en surveillant la distance entre les deux
chariots mesurée avec une règle graduée.
Que se passse-t-il à un certain moment ?
Le chariot de l’aimant B est attiré par le chariot de l’aimant A.
Quelle est la distance entre les deux chariots lorsque le mouvement se
produit ?
La distance entre les deux chariots est d’environ 2,5 cm.
2. Recommencer la même expérience en tenant le chariot de l’aimant B et en approchant le chariot de
l’aimant A.
Que se produit-il et à quelle distance ?
Cette fois, c’est le chariot de l’aimant A qui se dirige vers le chariot de l’aimant B également à 2,5cm.
3. Conclusion (entourer la bonne réponse)
Le pôle Sud de l’aimant A attire / repousse le pôle Nord de l’aimant B et le pôle Nord de l’aimant B
attire / repousse le pôle Sud de l’aimant A. Il y a interaction attractive entre les deux aimants : elle est
d’autant plus faible / forte que les aimants sont proches l’un de l’autre.
* Si les deux aimants présentent l’un à l’autre des pôles identiques, ils se
repoussent.
RANGER LE MATERIEL
ACTIVITE 2 : Comprendre une analogie
1. Lâcher une bille à la hauteur de 1 mètre au-dessus du sol.
Que se produit-il ?
La bille tombe sur le sol.
2. Dans cette expérience, il y a également une interaction attractive entre
deux corps : lesquels ?
Il y a interaction entre la bille et la Terre.
Cette interaction appelée gravitation est due à la masse des corps.
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Compléter les phrases ci-dessous.
De même que deux aimants peuvent s’attirer à distance, deux objets ayant une masse
s’attirent à distance : cette attraction qui augmente lorsque les objets se rapprochent
est appelée gravitation ou interaction gravitationnelle.
Ainsi la Terre attire par gravitation tous les corps ayant une masse.
ACTIVITE 3 : Simuler une fronde
Cette expérience sera réalisée dans la cour du collège.
Une balle est attachée à une corde.
Un élève fait tourner rapidement la balle au-dessus de sa tête puis lâche
l’ensemble.
1. Quelle figure décrit la balle ?
La balle décrit un cercle
2. Dans quel état est la corde lorsque la balle tourne rapidement ?
La corde est tendue.
3. Pourquoi la corde est-elle dans cet état ?
La corde est tendue car la balle possède une grande vitesse
4. Lorsque la corde est lâchée, la balle continue-t-elle à tourner ?
Non, elle part en ligne droite.
5. La balle part-elle selon un rayon du cercle qu’elle décrivait ? Sinon dans quelle direction part-elle ?
Non, elle ne part pas selon un rayon du cercle mais tangentiellement à celui-ci.
6. Pendant quelques secondes, quelle est la forme de sa trajectoire ?
Sa trajectoire est une droite.
7. Qu’arrive-t-il ensuite quand la balle perd de sa vitesse ?
Au bout de quelques instants, la balle retombe sur le sol car la Terre l’attire.
ACTIVITE 4 : Comprendre le mouvement des planètes autour du Soleil ou de la
Lune autour de la Terre
Rappelons les noms des huit planètes du système solaire et leur classement par ordre d’éloignement au
Soleil : Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune.
1. Quelle est la forme approximative des trajectoires de ces planètes autour du Soleil ?
Ces planètes décrivent des trajectoires pratiquement circulaires.
2. Quel est le seul satellite naturel de la Terre ?
Le seul satellite naturel de la Terre est la Lune.
3. Qu’est-ce qu’un satellite artificiel ? A quoi peut-il servir ?
Un satellite artificiel est un satellite envoyé par l’Homme. Il peut servir à retransmettre des images
télévisées, à photographier la Terre pour aider à sa connaissance, à effectuer des prévisions
météorologiques….
4. A l’image de l’expérience de l’activité 3, on peut comparer le mouvement des planètes autour du
Soleil ou des satellites autour de la Terre à celui de la balle tenue par l’intermédiaire de la corde, la
tension de cette dernière symbolisant l’attraction gravitationnelle ou gravitation.
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Les planètes pourtant attirées par le Soleil ne tombent pas dans le Soleil tout comme les satellites
attirés par la Terre par exemple ne tombent pas sur la Terre à cause de leur vitesse de révolution
autour de l’astre qui les attire !
Compléter les phrases ci-dessous qui expliquent le mouvement des planètes et des satellites, en utilisant
les mots suivants :
attraction gravitationnelle / Terre / attirée / gravitationnelle / droite / vitesse / tournent / attirées /
Terre / vitesse
Grâce à leur vitesse et à l’attraction gravitationnelle que le Soleil exerce sur elles, les
planètes tournent autour du Soleil.
La Lune tourne autour de la Terre grâce à sa vitesse et à l’attraction gravitationnelle
que la Terre exerce sur elle.
Si les planètes n’étaient pas attirées par le Soleil ou si la Lune n’était pas attirée par la
Terre, planètes et Lune se déplaceraient en ligne droite dans l’espace jusqu’à ce qu’un
astre plus gros les attirent.
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