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1 © Belin éducation / Humensis 2019 INTRODUCTION : CHOIX PÉDAGOGIQUES Ce chapit

1 © Belin éducation / Humensis 2019 INTRODUCTION : CHOIX PÉDAGOGIQUES Ce chapitre pour objectif de sensibiliser les élèves à deux modèles différents décrivant les mouvements de la Terre et du Soleil : le modèle géocentrique et le modèle héliocentrique. Dans l’histoire des sciences, ces deux modèles ont coexisté depuis l’Antiquité. Le modèle géocentrique (avec épicycles, unité 2) a eu la préférence de la plupart des mathématiciens et astronomes jusqu’à Copernic car il permettait de prévoir, avec une marge d’erreur, la position des planètes. Ce n’est qu’à partir de Copernic que le modèle héliocentrique s’est progressivement imposé par sa simplicité. Il conviendra d’insister sur le fait qu’il s’agit de modèles, fondés sur des référentiels (référentiels Terre ou Soleil) permettant d’expliquer plus ou moins précisément les observations dans un cadre donné. POUR COMMENCER 1. → a. 2. → b. 3. → c. 4. → a. UNITÉ 1 L’unité 1 propose de revenir aux intuitions géocentriques. Chaque humain, dès sa naissance, peut observer et ressentir certains phénomènes : les premiers savants n’ont pas fait exception. Par l’observation à l’œil nu du ciel et du Soleil, il semble évident que nous ne ressentons pas la Terre bouger sous nos pieds et que c’est bien le Soleil qui se meut dans le ciel jour après jour. Cette intuition, toute naturelle, va favoriser la suprématie du modèle géocentrique pendant près de 1 500 ans. Tâche complexe D’après le doc 1, on constate que la trajectoire du soleil dans le ciel décrit une courbe. Ce qui donne l’impression a priori qu’il tourne autour de la Terre (modèle géocentrique), mais on ne peut exclure que la Terre tourne sur elle-même, alors que le Soleil serait fixe (modèle héliocentrique). Dans ces deux modèles on peut avoir une alternance jour nuit (doc 5). Dans le doc 2, on constate que les étoiles ont une trajectoire circulaire autour d’un point fixe. Ce qui suggère comme dans l’exemple du tourniquet (doc 4) que ce serait plutôt la Terre qui tourne sur elle-même, on peut aussi imaginer que toutes les étoiles sont fixes les unes par rapport aux autres et tournent simultanément autour de la Terre (voir doc 1 unité 2). Le doc 3 décrit des courbes complexes (avec des rétrogradations) qui ne permettent pas d’imaginer une trajectoire simple de Mars autour de la Terre. UNITÉ 2 L’unité 2 se focalise sur la controverse entre partisans du géocen- trisme et défenseurs de l’héliocentrisme. Dès l’Antiquité, cette question fait débat. C’est initialement un débat entre scien- tifiques, car l’observation à l’œil nu du ciel ne permet pas de trancher entre les deux possibilités : les deux modèles permettent des prédictions (position des planètes en fonction du temps) suffisamment précises pour qu’aucun ne se trouve mis en défaut. Quelle différence entre débat et controverse ? Il faut se souvenir qu’à cette époque, même la rotondité de la Terre n’est pas une connaissance prouvée, mais une hypothèse de travail : on cite souvent la démarche d’Eratosthène qui a mesuré la circonfé- rence de la Terre à partir de la différence d’incidence des rayons parallèles du Soleil ; mais s’il avait considéré une Terre plate, il aurait au contraire pu mesurer la distance du Soleil (chapitre 8). Le débat scientifique héliocentrisme/géocentrisme aura perduré pendant plus d’un millénaire. Les Grecs ne sont pas tous de l’avis d’Eudoxe, Aristote ou Ptolémée. Héraclide et Aristarque proposent dès le IIIe s av J.-C. des modèles héliocentriques. Au sein d’une autre civilisation, Aryabhata, en Inde (Ve s) penche lui aussi pour l’héliocentrisme. Pendant l’âge d’or arabe, le mathé- maticien perse Al-Biruni (Xe s) prouve même mathématiquement qu’il est impossible scientifiquement de trancher. Là où le débat scientifique fait place à la controverse, c’est lorsque des arguments théologiques ou philosophiques viennent s’ajouter subjectivement aux arguments scientifiques. Le point d’orgue de cette controverse est l’exécution de Giordano Bruno par l’In- quisition : se permettre un débat scientifique objectif n’est alors plus toléré par la société européenne. Tâche complexe Personnages institutions Époque Modèles proposés Type d’arguments Eudoxe de Cnide IVe siècle avant J.-C. Géocentrisme. Sphères concentriques. Phénomènes terrestres (chutes de corps) et astronomiques (trajectoire des astres dans le ciel terrestre) Ptolémée IIe siècle ap. J.-C. Géocentrisme avec épicycles Mathématiques et astronomiques Église chrétienne XVIe et XVIIe siècle Géocentrisme. Théologiques (bible : livre de Josué) Copernic XVIe siècle Héliocentrisme Logiques (économie d’hypothèse) mathématiques et astronomiques Galilée XVIIe siècle Héliocentrisme Astronomiques Giordano Bruno XVIe siècle Héliocentrisme Ceux de Copernic + théologiques UNITÉ 3 L’unité 3 permet de détailler les étapes observationnelles et théo- riques qui ont permis de mettre fin à la controverse. Il a en effet fallu des sauts technologiques et conceptuels, et une intrusion moindre des questions religieuses dans les questions scientifiques pour parvenir à la conclusion de ce débat scientifique. Les premières étapes, progressives, sont l’observation de corps qui ne tournent pas autour de la Terre, pour éliminer l’hypothèse CHAPITRE 10 LA TERRE DANS L'UNIVERS 2 © Belin Éducation / Humensis 2019 Mais que se passe-t-il « en vrai » ? Le Soleil est bien le corps le plus massif du système solaire. Mais il est gravitationnellement perturbé par Jupiter, par Saturne, et par tous les autres corps du système solaire. Le point d’équilibre du système solaire, appelé « barycentre », se trouve à quelques centaines de milliers de kilomètres du centre du Soleil. C’est principalement l’amplitude de la perturbation gravitationnelle de Jupiter sur le Soleil (à titre de comparaison, la perturbation de la Terre sur le Soleil est de quelques centimètres). Tout le système solaire tourne donc autour de ce barycentre (le modèle héliocentrique en est donc une approximation assez bonne), Soleil inclus ! Ce sera l’objet de l’exercice 7, p170. Mais ce barycentre n’est pas non plus le centre de l’Univers : le système solaire orbite en périphérie de la Voie Lactée, notre galaxie. Notre galaxie tourne elle aussi dans notre Amas Local, lui-même en mouvement dans le Grand Amas, et ainsi de suite. En 1927, Lemaître propose la théorie du Big Bang : l’Univers n’a même plus besoin d’un « centre ». Une recherche qui aura donc duré plus de 3 millénaires, pour finalement découvrir qu’il n’existait pas ! Tâche complexe ● 1600 Kepler : trajectoire héliocentrique elliptique de Mars (DOUTE). ● 1610 Galilée : découverte des satellites joviens (DOUTE). ● 1687 Newton : théorie de la gravitation universelle, démons- tration des lois de Kepler (DÉMONSTRATION THÉORIQUE). ● 1727 Bradley : observation du mouvement de la Terre autour du Soleil (PREUVE). ● 1851 Foucault : observation de la rotation de la Terre sur elle-même (PREUVE). UNITÉ 4 L’unité 4 s’intéresse aux lunaisons. Les élèves connaissent géné- ralement bien les phases de la Lune, même si peu d’entre eux sauront le lien entre ces phases et l’angle Terre-Lune-Soleil. Par ailleurs, combien sauront que la Lune peut parfois être visible en plein jour ? Demandez-leur de faire l’expérience, typiquement pendant les premiers et derniers croissants ! Il n’y a pas eu, étonnamment, de controverse sur le mouvement de la Lune : il était évident pour tous qu’elle tournait autour de la Terre. Dès le IIIe s av J.-C., Aristarque de Samos cherche à mesurer la taille et la distance de la Lune et du Soleil. À partir de la durée d’une éclipse lunaire, il estime que la Lune doit être trois fois plus petite que la Terre, mais à une distance d’environ 19 rayons terrestres (il faut noter qu’il ignore la taille de la Terre, qui sera estimée par Ératosthène au siècle suivant). À partir de la mesure de la position du Soleil pendant un quartier de Lune, Aristarque déduit également que le Soleil est 19 fois plus loin de nous que la Lune, et donc 19 fois plus gros ! (En réalité, la Lune est 3,7 fois plus petite que la Terre, la distance Terre-Lune est de 30,1 diamètres terrestres, et le Soleil est 400 fois plus gros que la Lune.) C’est une première mesure qui montre que c’est la Terre, plus grosse que la Lune, qui doit gouverner le mouvement de celle-ci. que « la Terre est immobile au centre de l’Univers ». Déjà Héraclide du Pont imagine au IVe s av J.-C. que Vénus et Mercure tournent autour du Soleil. Tycho Brahé, catholique convaincu, envisage de faire tourner toutes les planètes autour du Soleil, mais garde ce dernier en révolution autour de la Terre. Son élève, Johannes Kepler, étudie le mouvement de Mars pendant 40 ans, et arrive à la conclusion que le modèle héliocentrique, par sa simplicité, explique plus élégamment le mouvement des planètes en général, et leurs rétrogradations en particulier : c’est le principe de parci- monie, ou « rasoir d’Ockham ». Kepler affine même le modèle héliocentrique en proposant des orbites planétaires elliptiques et non circulaires, et il dispose d’assez d’observations et d’ins- truments de mesure pour vérifier que ce modèle semble plus précis que celui de Ptolémée. Grâce à l’invention de la lunette, Galilée observe la Lune et Jupiter. Il observe que la Lune n’est pas une sphère parfaite mais un corps rocheux criblé de uploads/Geographie/ enseignementscientifique-1e-f-s1-zaoui-chapitre10.pdf