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Sirius Term S - Livre du professeur Chapitre 1. Ondes et particules, supports d

Sirius Term S - Livre du professeur Chapitre 1. Ondes et particules, supports d’information Chapitre 1 Ondes et particules, supports d’information Manuel pages 15 à 30 Choix pédagogiques Il s’agit dans ce chapitre d’une introduction à la description du comportement de la matière sous son double aspect d’ondes et de particules, sans développement théorique. Comme l’indique le titre choisi, le chapitre est construit à partir de l’idée directrice que ondes et particules sont des intermédiaires de transmission des informations qui permettent au scientifique de comprendre l’Univers proche ou lointain. Pour cette partie du programme, la compétence « Extraire et exploiter des informations » domine largement dans les compétences exigibles. Pour cette raison, le cours contient une seule page « l’Essentiel » qui résume les quelques connaissances exigibles. Par souci de cohérence et pour ne pas alourdir ce chapitre, l’item du programme « Niveau d’intensité sonore » est traité au chapitre 3 avec les ondes sonores. Des animations et des vidéos documentaires illustrent ce chapitre afin d’aider à sa compréhension. Elles sont disponibles dans le manuel numérique enrichi et, certaines d’entre elles, sur les sites Internet compagnon Sirius. Page d’ouverture Le montage de la page d’ouverture peut être exploité pour de montrer que l’aspect d’un objet de l’Univers est très différent suivant le domaine de longueur d’onde dans lequel il est observé. Les quatre parties ont été obtenues avec la radiation rouge de l’hydrogène (H) en A ; une radiation ultraviolette en B ; une onde radio en C ; une radiation violette du potassium en D. Chaque domaine de rayonnement dévoile une partie de la structure du Soleil. © Nathan 2012 1 / 16 Sirius Term S - Livre du professeur Chapitre 1. Ondes et particules, supports d’information Activités Activité documentaire 1 Atmosphère et rayonnements dans l’Univers Commentaires Cette activité est destinée à montrer que la présence de l’atmosphère terrestre conditionne les observations des rayonnements de l’Univers. Elle s’appuie sur l’analyse d’un graphique. Réponses 1. Analyser les documents a. En ordonnée est représentée la proportion de rayonnement arrêté par l’atmosphère avant d’atteindre le sol pour une longueur d’onde donnée. 100 % correspond à un rayonnement n’atteignant pas le sol ; 0 % correspond à un rayonnement pour lequel l’atmosphère est parfaitement transparente. b. En abscisse sont portées les longueurs d’ondes dans le vide des différents rayonnements électromagnétiques. Il faudra remarquer que l’échelle utilisée n’est pas linéaire et on pourra expliquer à cette occasion ce qu’est une échelle logarithmique. On complète l’échelle en multipliant par 10 la valeur indiquée sous la graduation qui précède. c. A = ultraviolet ; B = visible ; C = infrarouge ; D = domaine radio. d. Les illustrations montrent les instruments d’observation adaptés aux différents domaines des ondes électromagnétiques. 2. Conclure a et b. Sont observables depuis le sol : le domaine visible entre 4,0  107 m et 8,0  107 m avec un télescope terrestre ; un large domaine radio entre 103 m et 10 m (en ordres de grandeur), observable à l’aide de radiotélescopes. Sur la figure 2 page 16, la limite supérieure du domaine des ondes radio est ramenée à 10 m, cette correction a été effectuée sur le manuel élève. © Nathan 2012 2 / 16 Sirius Term S - Livre du professeur Chapitre 1. Ondes et particules, supports d’information Activité documentaire 2 L’astronomie de l’invisible Commentaires Nous approfondissons ici des exemples destinés à montrer l’intérêt des rayonnements électromagnétiques non visibles pour l’étude de l’Univers. Réponses Exploiter les documents a. Sur la photographie a, dans le domaine visible, le nuage de gaz et de poussière qui remplit la galaxie arrête une grande partie du rayonnement ; d’autre part, certaines étoiles émettent trop faiblement dans le visible et n’apparaissent pas. Sur la photographie b, en rayonnement infrarouge, le nuage devient transparent et laisse apercevoir des étoiles situées à l’arrière ; de plus, le nuage luimême émet un rayonnement infrarouge qui le rend visible sur la photographie. Sur la photographie c, ce sont des étoiles brillantes dans l’ultraviolet qui deviennent visibles alors qu’elles n’apparaissaient pas sur la photographie a. b. Le rayonnement thermique est le rayonnement émis par un corps uniquement sous l’effet de sa température. Le nuage est beaucoup trop froid pour émettre dans le visible. Son rayonnement thermique a son maximum d’émission dans l’infrarouge et il est brillant dans ce domaine de radiation. c. Plus la température est élevée, plus la longueur d’onde du maximum d’émission est petite. Les étoiles les plus chaudes apparaissent en bleu (couleur utilisée sur le document pour les UV lointains). d. Un trou noir est un objet qui résulte de l’effondrement d’une étoile et qui a une masse volumique telle que les effets gravitationnels empêchent même la lumière de s’en échapper. e. D’après l’échelle indiquée sur la photo, la zone d’émission radio occupe une longueur totale d’environ 1,4  106 a.l. f. Le rayonnement visible ne constitue qu’une faible partie des rayonnements électromagnétiques émis dans l’Univers. De nombreux objets de l’Univers n’émettent pas ou bien très faiblement dans le domaine visible. Même si un objet est visible, les rayonnements non visibles peuvent fournir des informations supplémentaires. Des milieux opaques à la lumière visible peuvent être transparents dans d’autres domaines. g. Voir la page « l’Essentiel ». © Nathan 2012 3 / 16 Sirius Term S - Livre du professeur Chapitre 1. Ondes et particules, supports d’information Activité documentaire 3 Les particules dans l’Univers Commentaires Les particules sont envisagées ici du point de vue du transport d’informations portant sur l’Univers et sur la structure intime de la matière. Les interactions avec l’atmosphère sont à nouveau évoquées. Réponses 1. Analyser le document a. Rayonnement cosmique : particules de hautes énergies se déplaçant dans l’espace. Magnétosphère : champ magnétique environnant la Terre (ou un autre objet céleste). Réactions nucléaires : transformations affectant le noyau des atomes. b. La figure 5 illustre la formation d’une gerbe de particules. En A, une particule provenant de l’espace interagit avec un atome de l’atmosphère terrestre déclenchant l’émission de plusieurs autres particules. c. La nature et l’énergie des particules présentes dans les rayons cosmiques ne sont pas prévisibles alors qu’un accélérateur permet de maîtriser les conditions des expériences. 2. Conclure Les rayons cosmiques apportent des renseignements sur le fonctionnement interne du Soleil (particules solaires) ou sur des évènements se produisant dans l’Univers lointain (particules galactiques et extragalactiques). On peut exploiter ces particules pour étudier leurs interactions avec la matière mais ce type d’étude se fait actuellement presque exclusivement avec les accélérateurs de particules. Les résultats des chocs de particules de grandes énergies dans les accélérateurs permettent aux chercheurs d’étudier la structure intime de la matière, c’est à dire son fonctionnement au niveau subatomique. © Nathan 2012 4 / 16 Sirius Term S - Livre du professeur Chapitre 1. Ondes et particules, supports d’information Activité documentaire 4 À l’écoute de la Terre Commentaires Nous envisageons ici les ondes sismiques du point de vue du transfert d’informations : l’étude de ces ondes permet d’analyser la structure du globe terrestre. Réponses 1. Analyser les documents a. Le tableau fournit la date et la position du séisme (latitude, longitude et profondeur du foyer). La magnitude indique l’importance du séisme (l’énergie libérée au foyer de ce séisme). b. En abscisse : le temps. En ordonnée : la vitesse de déplacement du sol enregistrée par le sismographe. c. Les effets d’un séisme se manifestent loin du foyer, ce qui signifie que l’énergie libérée se propage à distance. (On anticipe ici sur le chapitre 2 : la propagation d’une onde s’accompagne d’une propagation d’énergie). 2. Interpréter des données et conclure a. D’après le sismogramme de la figure 7, l’onde P commence à se manifester au niveau du sismographe avant l’onde S. L’onde P (onde primaire) est donc plus rapide que l’onde S (onde secondaire). b. On remarquera trois phénomènes : Au niveau d’une discontinuité, l’onde traverse en partie cette discontinuité avec changement de direction, ce qui est à rapprocher de la réfraction de la lumière. Une partie de l’onde est réfléchie au niveau de la discontinuité comme cela se produit également avec les rayons lumineux. Enfin, on constate que les ondes ne se propagent pas en ligne droite. On peut évoquer à ce sujet les mirages et se rappeler que la courbure des rayons lumineux est due dans ce cas à la variation de vitesse de propagation de la lumière dans les différentes couches d’air. La courbure des ondes sismiques est aussi due aux variations de structure de l’intérieur du globe terrestre entraînant une variation de la vitesse de propagation. c. Le signal PcP a subi une réflexion au niveau de la séparation entre manteau et noyau externe. L’analyse de ce signal permet donc de mesurer la profondeur du manteau. © Nathan 2012 5 / 16 Sirius Term S - Livre du professeur Chapitre 1. Ondes et particules, supports d’information d. Un sismologue dispose des sismogrammes enregistrés en différents points de la surface terrestre avec les dates d’arrivée des différents uploads/Litterature/ c01-prof-corriges 1 .pdf