Chapitre La Terre dans l’Univers - Free

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3. La Terre, un astre singulier

3.3 – La Terre dans l’Univers

Le mouvement de la Terre dans l’Univers a été l’objet de célèbres et violentes controverses. L’étude de quelques aspects de ces débats permet de comprendre la difficulté de la construction du savoir scientifique.

Savoirs Savoir-faire

Observée dans un référentiel fixe par rapport aux étoiles, la Terre parcourt une trajectoire quasi circulaire autour du Soleil.

Le passage d’une conception géocentrique à une conception héliocentrique constitue l’une des controverses majeures de l’histoire des sciences.

Interpréter des documents présentant des arguments historiques pour discuter la théorie héliocentrique.

Observée dans un référentiel géocentrique, la Lune tourne autour de la Terre sur une trajectoire quasi-circulaire. Elle présente un aspect qui varie au cours de cette rotation (phases).

La Lune tourne également sur elle-même et présente toujours la même face à la Terre.

Interpréter l’aspect de la Lune dans le ciel en fonction de sa position par rapport à la Terre et au Soleil.

Prérequis et limites

L’organisation du système solaire est déjà connue. L’accent est mis ici sur la compréhension de cette organisation au cours de l’histoire des sciences et sur l’importance des controverses scientifiques concernées.

Manuel p. 184

Chapitre

PARTIE 3

La Terre dans l’Univers

LE PROGRAMME

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102 PARTIE 3 • LA TERRE, UN ASTRE SINGULIER

JE RETROUVE CE QUE JE SAIS DÉJÀ

SITUATION 1Il s’agit ici de faire un état des lieux des connais-sances des élèves sur la composition du système solaire, identifier éventuellement des représenta-tions erronées et revoir le vocabulaire associé.

››Exemple de réponse attendueL’étoile du système solaire est le Soleil, la Terre est une planète du système solaire et la Lune est son satellite. On peut rappeler que le système solaire est constitué de 8 planètes : Mercure, Vénus, Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune. Les six dernières planètes ont des satellites.

››En classe de 1re enseignement scientifiqueDans une approche spiralaire de l’enseignement de la physique-chimie, on insiste sur la dimension historique de la représentation du système solaire et l’évolution des connaissances sur la place de la Terre dans l’Univers. Les élèves approfondissent en particulier les controverses liées à la représen-tation du Monde dans l’activité 1 et l’activité 2, sur l’exemple particulier du mouvement de la planète Mars.

SITUATION 2Il s’agit ici d’insister sur l’importance de définir un référentiel pour décrire un mouvement.

››Exemple de réponse attendueSur l’illustration, on constate que les deux person-nages dans le train sont immobiles l’un par rap-port à l’autre mais en mouvement par rapport à la vache. Il faut toujours préciser le référentiel avant de décrire un mouvement.

››En classe de 1re enseignement scientifiqueDans une approche spiralaire de l’enseignement de la physique-chimie, on réinvestit l’importance de préciser le référentiel pour décrire un mou-vement (vu en classe de Seconde). Le mouve-ment des astres est différent selon le référentiel. On définit aussi le référentiel héliocentrique et géocentrique qui sera utilisé pour décrire le mou-vement des astres dans les activités 2,3 et 4.

SITUATION 3Il s’agit ici de vérifier que les élèves savent bien décrire un mouvement en particulier à partir d’une chronophotographie.

››Exemple de réponse attendueOn peut dire que le mouvement du marcheur est rectiligne uniforme car on peut relier (quasiment) les positions du centre du marcheur par une droite et les positions du marcheur sont réguliè-rement espacées. Pour décrire un mouvement, il faut préciser la nature de la trajectoire et l’évolu-tion de la valeur de la vitesse.

››En classe de 1re enseignement scientifiqueDans une approche spiralaire de l’enseignement de la physique-chimie, la description du mouve-ment introduite en cycle 4 et détaillée en classe de Seconde est appliquée ici au mouvement de la Terre dans le référentiel héliocentrique traité dans l’activité 3 et à celui de la Lune dans le réfé-rentiel géocentrique dans l’activité 4.

ACTIVITÉS

p. 186 ❚

Du géocentrisme à l’héliocentrismeCette activité a pour objectif de traiter la partie suivante du programme :Savoir : « Le passage d’une conception géo-centrique à une conception héliocentrique consti-tue l’une des controverses majeures de l’histoire des sciences. »Savoir-faire : « Interpréter des documents pré-sentant des arguments historiques pour discuter la théorie héliocentrique. »

Cette activité présente certains acteurs et tra-vaux de l’Histoire de la représentation du Monde et permet aux élèves de travailler sur des docu-ments historiques. On parle plutôt de la repré-sentation du Monde que du système solaire car la notion de système solaire implique l’héliocen-trisme. L’utilisation du logiciel Stellarium n’est pas indispensable pour répondre aux questions. Si on l’utilise, il faut bien veiller à l’orientation Est-Ouest pour retrouver les observations de Galilée. Il faut également utiliser l’oculaire avec un grand champ visuel apparent pour observer les satellites de Jupiter.

D O C

Démarche expérimentale

Voici un extrait d’une simulation du ciel du 7 jan-vier 1610 à Padova à 18 h avec Stellarium. Les satellites observés sont Ganymède, Callisto, Io et Europe. Sur cette image, Io et Europe sont confondus et l’Est et Ouest inversés.

❚›p. 184

ACTIVITÉ 1

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103CHAPITRE 3 • lA TERRE dAns l’UnIvERs

››Exemple de correction des pistes de travail1.

étoiles fixes

Terre

Saturne

Jupiter

Mars

Mercure

Vénus

Soleil

Lune

2. La vision du Monde de l’Antiquité est dite géocentrique car elle place la Terre au centre de l’Univers. La vision de Copernic est dite héliocentrique car elle place le Soleil au centre du Monde. La vision de Tycho Brahé est dite géo-hé-liocentrique car la Terre est au centre de la repré-sentation mais le Soleil est un autre centre de rotation (pour Mercure et Vénus).

3. Arguments en faveur du géocentrisme : − Si la Terre était en mouvement, un projectile

envoyé verticalement vers le haut ne retomberait pas au même point : document 1.

− Les convictions philosophiques et religieuses qui placent l’Homme et donc sa planète au centre du Monde : document 1.

Arguments en faveur de l’héliocentrisme : − Le mouvement du Soleil dans le ciel terrestre

peut être décrit comme le résultat du mouvement de la Terre autour de son axe et de son mouve-ment autour du Soleil : document 2.

− Jupiter est également un centre de rotation : des astres tournent autour de Jupiter : document 4. Tous les astres ne tournent donc pas autour de la Terre.

4. Des religions se sont opposées à l’héliocen-trisme car dans cette théorie la Terre, la planète sur laquelle l’Homme se trouve, est une planète comme les autres.

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Le mouvement de MarsCette activité a pour objectif de traiter la partie suivante du programme :Savoirs : « Observée dans un référentiel fixe par rapport aux étoiles, la Terre parcourt une trajec-toire quasi circulaire autour du Soleil. Le passage d’une conception géocentrique à une conception héliocentrique constitue l’une des controverses majeures de l’histoire des sciences. »Savoir-faire : « Interpréter des documents pré-sentant des arguments historiques pour discuter la théorie héliocentrique. »

Le mouvement de Mars est beaucoup plus simple dans la théorie héliocentrique que dans la théorie géocentrique. Pourtant, cela n’a pas empêché les astronomes de l’Antiquité de trouver des modèles très astucieux pour expliquer le mouvement de Mars par rapport à la Terre. Pour observer la rétrogradation de Mars avec le logiciel Stellarium, on peut choisir n’importe quelle date pourvu qu’on fasse défiler les 30 mois.

D O C


Du 1er janvier 2020 au 1er juillet 2023, on constate que Mars évolue devant les constellations dans l’ordre des constellations du zodiaque, semble revenir en arrière quand elle se trouve derrière la constellation du Taureau en janvier 2023, puis reprend sa trajectoire devant les constellations à partir d’avril 2023.

D O C


Voici le résultat du pointage :

ACTIVITÉ 2

y

x

1

20

référentielgéocentrique

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››Exemple de correction des pistes de travail1. Doc. 1 : le point de vue est géocentrique car on se réfère au centre de la Terre.Doc. 2 : le point de vue est géocentrique car on se réfère au centre de la Terre.Doc. 3 : le point de vue est héliocentrique car on se réfère au centre du Soleil.Doc. 4 : le point de vue est héliocentrique car on se réfère au centre du Soleil.

2. On parle de rétrogradation car dans le ciel, sur le fond des constellations, Mars part en arrière puis reprend son chemin dans les constellations sur la simulation de la démarche expérimentale du document 1. C’est aussi ce que l’on constate sur le pointage du document 3.

3. Les mouvements de Mars et de la Terre dans le référentiel héliocentrique sont circulaires uniformes.

4. La rétrogradation de Mars s’explique très sim-plement dans le référentiel héliocentrique car lorsqu’on pointe les positions de Mars depuis la Terre, on explique la rétrogradation. Dans la théo-rie géocentrique, Mars tourne sur un épicycle qui tourne lui-même sur un déférent. Cette explica-tion est plus complexe.

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Le mouvement de la TerreCette activité a pour objectif de traiter la partie suivante du programme :Savoirs : « Observée dans un référentiel fixe par rapport aux étoiles, la Terre parcourt une trajec-toire quasi circulaire autour du Soleil. »Cette activité permet aux élèves de bien com-prendre les caractéristiques et les manifes-tations des mouvements de la Terre. Dans le document 3, les animations apportent une vraie plus-value, mais l’activité peut être réalisée avec les schémas c et e .

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• Le Soleil décrit une courbe d’Est en Ouest dans l’hémisphère Nord, plus ou moins haute selon la saison.• Dans l’hémisphère Sud, le mouvement est aussi curviligne d’Est en Ouest, mais lorsque le Soleil est au plus haut dans l’hémisphère Nord, il est au plus bas dans l’hémisphère Sud et inver-sement. Le Soleil est au Sud à midi solaire dans

l’hémisphère Nord et est au Nord à midi solaire dans l’hémisphère Sud.

››Exemple de correction des pistes de travail1. Selon la troisième loi de Kepler, la trajectoire de la Terre autour du Soleil est une ellipse qui a une forme ovale donc quasi circulaire (doc. 1).

2. Le mouvement de la Terre autour du Soleil s’ex-plique par la vitesse de la Terre et l’attraction exer-cée par le Soleil sur la Terre (doc. 2).

3. Si on note d la distance parcourue par la Terre pendant une révolution, Δt la durée en seconde correspondant à une révolution et R le rayon de l’orbite de la Terre autour du Soleil, la vitesse moyenne de révolution de la Terre s’exprime :

v = dt∆ = R

tπ

∆2

Le rayon moyen de l’orbite terrestre vaut :+147 000 000 152 000 0002

= 149 500 000 km,

soit 1,495 × 1011 m.

Donc v = 2 × π × × × ×

149500 000 000365,26 24 60 60

= 29 765 m ⋅ s–1 ≈ 30 km ⋅ s–1.

4. Des manifestations du mouvement de la Terre autour du Soleil sont : le mouvement apparent du Soleil qui est plus ou moins haut dans le ciel selon la saison et la latitude du lieu dans lequel on se trouve ; les saisons.

p. 192 ❚

Les phases de la LuneCette activité a pour objectif de traiter la partie suivante du programme :Savoirs : « Observée dans un référentiel géocentrique, la Lune tourne autour de la Terre sur une trajectoire quasi-circulaire. Elle présente un aspect qui varie au cours de cette rotation (phases). La Lune tourne également sur elle-même et présente toujours la même face à la Terre. »Savoir-faire : « Interpréter l’aspect de la Lune dans le ciel en fonction de sa position par rapport à la Terre et au Soleil. »Cette activité permet aux élèves de bien com-prendre l’origine et les caractéristiques des phases de la Lune. Lors des simulations sur Stella-rium, on pourra utiliser la fonction oculaire pour bien visualiser la Lune. Il est possible de modifier directement la latitude sur l’onglet « situation » pour se placer en différents points de la Terre.

ACTIVITÉ 3

ACTIVITÉ 4

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D O C


On observe un cycle complet de phases de la Lune (lunaison) sur un mois environ.Les différents aspects de la Lune dépendent de la latitude du lieu : ils sont opposés en deux posi-tions symétriques par rapport à l’équateur dans les hémisphères Nord et Sud. Les parties éclairées ne sont pas disposées de la même manière selon la latitude donc ne sont pas les mêmes aux pôles et sur l’équateur.

Phases de la Lune à Quito (latitude 0°)

PC PQ PL DQ DC

Phases de la Lune pour Paris (latitude de 49° Nord)

PC PQ PL DQ DC

Phase de la Lune pour Puerto Aisén au Chili (latitude 49° Sud)

PC PQ PL DQ DC

Phases de la Lune au pôle NordLes phases de la Lune aux pôles sont complexes et dépendent des saisons. Voici un exemple pour une ville au pôle Nord en hiver :

PC PQ PL DQ DC

D O C


• La Lune a un mouvement de rotation et un mou-vement de révolution autour de la Terre.• Le repère fixe est toujours orienté vers la Terre.• On compte un peu plus de 13 révolutions et rotations de la Lune pendant une révolution de la Terre autour du Soleil.

D O C


• On place une lampe fixe qui modélise le Soleil. Une personne se place face à la lampe, elle modélise la Terre. Elle fait tourner la boule de polystyrène autour d’elle et se place à chaque fois en face d’elle pour constater la partie de la boule qui est éclairée. La boule de polystyrène modélise la Lune.

• On observe les aspects suivants :

1 2 3 4

5 6 7 8

Pour mener une investigation1 nouvelle lune2 premier croissant3 premier quartier4 lune gibbeuse

croissante

5 pleine lune6 lune gibbeuse

décroissante7 dernier quartier8 dernier croissant

hémisphère Nord

nouvellelune

premiercroissant

premierquartier

lunegibbeusecroissante

pleinelune

lunegibbeuse

décroissante

dernierquartier

derniercroissant

nouvellelune

premiercroissant

premierquartier

lunegibbeusecroissante

pleinelune

lunegibbeuse

décroissante

dernierquartier

derniercroissant

hémisphère Sud

››Exemple de correction des pistes de travail1. La Lune a un mouvement de rotation sur elle-même et un mouvement de révolution autour de la Terre.La Lune fait environ 13 tours autour de la Terre pendant une année sidérale, donc cela signifie

qu’elle fait un tour en 26513

= 28 jours environ. En

disposant un repère fixe sur la Lune, on constate que la Lune fait un tour sur elle-même en même temps qu’elle fait un tour autour de la Terre. Elle a donc une période de rotation égale à celle de révolution soit 28 jours environ.

2. La Lune a une trajectoire circulaire dans le réfé-rentiel géocentrique.

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3. La Lune montre toujours la même face car sa période de rotation et sa période de révolution sont identiques.4. Les phases de la Lune sont liées à la position de la Lune par rapport au Soleil et à la position de l’observateur sur la Terre.5. La valeur moyenne de la lunaison est de :

+ + + + + + + + + + +30 29 30 27 31 29 30 29 30 30 29 3012

= 29,5 jours.Le décalage par rapport à la période de révolution est lié au déplacement de la Terre sur son orbite, donc par rapport au Soleil.

CORRECTION DES EXERCICES

Vérifier ses connaissances

1 Connaître les mots-clés

Voir définitions p. 195.

2 Questions à choix multiple

A-1 et 2 ; B-1 et 3 ; C-2 et 3 ; D-2 ; E-1.

3 Appliquer le cours

a. C’est un argument en faveur puisqu’il place la Terre au centre de l’Univers.b. C’est un argument contre car dans la théorie géocentrique, tout tourne autour de la Terre.c. C’est un argument contre car la trajectoire des planètes est plus complexe autour de la Terre.d. C’est un argument contre la théorie géocen-trique car c’est plus logique que les astres tournent autour de l’astre le plus brillant et volumineux.e. C’est un argument en faveur du géocentrisme car le Soleil est en mouvement depuis la Terre.

4 Restituer le cours

1. a. Cela concerne la Terre.b. Cela concerne la Lune.c. Cela concerne la Lune.d. Cela concerne la Terre.e. Cela concerne la Lune.f. Cela concerne la Terre.2. La Lune montre toujours la même face car elle fait un tour sur elle-même et autour de la Terre pendant la même durée.

4 Exploiter un schéma

a-5 ; b-2 ; c-7 ; d-4 ; e-1.

Exercice similaire

7 Éclipse de Lune

1. Soleil

TerreLune

ombre

2. La Lune est en phase de pleine lune.

3. a. On représente la trajectoire de la Terre autour du Soleil et celle de la Lune autour de la Terre qui est dans un plan incliné par rapport à celui de l’orbite de la Terre.

b. La situation 1 correspond à l’éclipse de Lune car les 3 astres sont alignés dans l’ordre de la question 1.

S’entraîner

8 Retour vers les problématiques

• Comment a évolué la représentation du sys-tème solaire depuis l’Antiquité ?Les savants de l’Antiquité étaient majoritairement partisans de la théorie géocentrique qui place la Terre au centre du Monde. La complexité des mouvements des planètes du système solaire par rapport à la Terre et les observations du ciel qui se perfectionnent imposent progressivement la théorie héliocentrique qui place le Soleil au centre du système solaire.

• Quelles conséquences a le mouvement de la Lune sur son apparence depuis la Terre ?La Lune a un mouvement de révolution autour de la Terre et un mouvement de rotation sur elle-même qui se font avec la même période. Elle pré-sente toujours le même hémisphère à la Terre. Selon la position du Soleil, de la Terre et de la Lune, cet hémisphère est plus ou moins éclairé, ce qui constitue les phases de la Lune. Les phases de la Lune dépendent de la latitude de l’observateur.

9 Dialogue

Arguments pour l’héliocentrisme (Salviati) : − il y a d’autres centres de rotation, comme Jupiter ; − les mouvements sont plus simples autour du

Soleil.

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Arguments pour le géocentrisme (Simplicio) : − la Terre est la planète de l’espèce humaine, elle

doit donc avoir une position centrale dans l’Univers ; − le Soleil tourne dans le ciel depuis la Terre.

10 Les phases de la Lune

1. a. Origine des phases de la Lune : le Soleil éclaire la moitié de la Lune et la partie éclairée visible depuis la Terre est plus ou moins impor-tante au cours de la révolution de la Lune autour de la Terre.b. a premier croissant ; b premier quartier ; c dernier quartier.c. On peut modéliser le Soleil par une source de lumière comme une lampe et la Lune par une sphère. L’observateur est la Terre. On fait tourner la sphère autour de l’observateur en laissant fixe la source de lumière.

2. A B C

b. L’observation des satellites de Jupiter par Gali-lée est un argument contre la vision géocentrique d’Aristote.

11 Lever de Terre

1. Le Soleil se situe en haut à droite, en direction de la partie éclairée de la Terre.

2. En comparant avec les phases de la Lune dans l’hémisphère Nord, cette phase de la Terre serait la terre gibbeuse.

3. La Lune tourne autour de la Terre et sur elle-même avec la même période. La Lune présente donc à la Terre le même hémisphère appelé : face visible. L’autre hémisphère est appelé face cachée.

12 La parallaxe

1. Il s’agit de l’héliocentrisme.

2. La théorie adverse est le géocentrisme : la Terre est immobile au centre de l’Univers et les autres astres sont en mouvement autour.

3. a. La trajectoire de la Terre est quasi circu-laire autour du Soleil donc dans le référentiel héliocentrique.

b. La Terre fait un tour autour du Soleil en un an. La parallaxe se mesure au bout d’un demi-tour donc au bout de 6 mois.

13 Rétrogradation de Vénus

1. a. On étudie ces mouvements dans le référen-tiel héliocentrique.

b. Le mouvement de la Terre et de Vénus sont cir-culaires uniformes.

2.22

21

20

19

18

17

16

15

1413

121110987

65

4

3

2

1

T

Strajectoirede Vénus

par rapportà la Terre

3. Le mouvement de Vénus par rapport au Soleil est beaucoup plus simple que celui de Vénus par rapport à la Terre.

14 Prépa BAC Les phases de Vénus

1. a. La théorie de Ptolémée est le géocentrisme.b. La théorie de Nicolas Copernic est l’héliocen-trisme.

2. a. Cela s’inspire de la Lune.b. Ces différentes apparences dépendent de la position de la Lune, de la Terre et du Soleil.c. 1 Premier quartier 2 Pleine vénus.

3. a. Les phases de Vénus de la figure 1 sont en accord avec le système de Copernic de la figure 2.b. Des planètes du système solaire ont des satel-lites donc tous les astres ne tournent pas autour de la Terre.

PROJET EXPÉRIMENTAL ET NUMÉRIQUE p. 201 ❚

Ce projet permet de réinvestir beaucoup de notions abordées dans ce chapitre et a l’avantage d’aboutir à une réalisation pratique. De plus, le matériel pour expérimenter les différents cadrans est très facile à obtenir et les élèves peuvent expé-rimenter en autonomie. Le cadran solaire est un objet qui peut paraître simple mais sa compré-hension est plus complexe.On peut trouver de très nombreuses ressources dont des logiciels dédiés en ligne sur ce sujet.

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