Livre Professeur Enseignement Scientifique 1ére (Nicolas Coppens, David Guillerme Etc.) [PDF]

Zitiervorschau

GUIDE PÉDAGOGIQUE

pour l’enseignant EAU NOUV MME RA G O R P

2019

Sous la direction de Nicolas Coppens, David Guillerme, Marc Jubault-Bregler et Valéry Prévost Par une équipe d’enseignants et d’IA-IPR de Physique-Chimie, de SVT et de Mathématiques Pauline Alméras Philippe Beckrich Lionel Bernard Pascal Combemorel Nicolas Coppens Pierre Cottier Olivier Doerler Anne Florimond David Guillerme Marc Gyr Angélique Johann-Dieudonné Marc Jubault-Bregler Christelle Langrand Murielle Massotte-Le Rille Isabelle Pailloncy Valéry Prévost Mathieu Rajchenbach Françoise Saintpierre Hélène Simon Guillaume Tomasini Thomas Zabulon

ENSEIGNEMENT SCIENTIFIQUE

1

re

1

BIEN DÉMARRER

CHAPITRE 1

Une longue histoire de la matière ................................... 4 ........................................................................................ 5

Un niveau d’organisation : les éléments chimiques ................................. 6

1. Origine des éléments chimiques ...................................................... 8 HED Les éléments dans les étoiles ................................................. 10 2. La radioactivité dans notre environnement .............................. 12 HED La découverte de la radioactivité et du radium .............. 14 3. TÂCHE COMPLEXE Datation au carbone-14 ...................................... 16 Synthèse et exercices .......................................................................... 18

CHAPITRE 2

Des édifices ordonnés : les cristaux ....... 22

1. Structure cristalline ............................................................................. 24 2. De la maille aux réseaux : analyse des propriétés macroscopiques d’un cristal .............................. 26 3. TÂCHE COMPLEXE Le solide à différentes échelles ........................ 28 4. Le verre, de l’art à la science ........................................................... 30 HED Industrie des métaux et du verre ......................................... 32 Synthèse et exercices .......................................................................... 34

CHAPITRE 3

Une structure complexe : la cellule vivante .............................................. 38

1. De l’unité cellulaire à la théorie cellulaire .................................. 40 HED Progrès techniques et observation des cellules ............. 42 2. L’exploration des cellules .................................................................. 44 3. TÂCHE COMPLEXE La membrane plasmique ................................... 46 Synthèse et exercices ......................................................................... 48 Vers le BAC .......................................................................................... 52 LE COIN DES SCIENCES ..................................................................... 53

2

Le Soleil, notre source d’énergie .... 54

BIEN DÉMARRER

....................................................................................... 55

THÈME

THÈME

S O M M A I R E

 ED L’énergie : analyse critique H du vocabulaire d’usage courant........................................................ 56

CHAPITRE 4

Le rayonnement solaire ............................... 58

1. Le rayonnement de la matière ....................................................... 60 2. La libération d’énergie lors d’une réaction de fusion ............. 62 HED Repères historiques sur l’étude du rayonnement thermique ............................................................. 64 3. Rayonnement thermique et température ................................ 66 4. La puissance solaire reçue sur Terre ............................................ 68 Synthèse et exercices ......................................................................... 70

CHAPITRE 5

Le bilan radiatif terrestre ........................... 74

1. Puissance solaire atteignant la Terre ........................................... 76 2. Rayonnement émis par la Terre ..................................................... 78 HED L’albédo terrestre, un paramètre climatique majeur .. 80 3. TÂCHE COMPLEXE Rayonnement infrarouge et effet de serre naturel ..................................................................... 82 HED La distinction entre météorologie et climatologie ....... 84 4. Température moyenne d’équilibre du sol .................................. 86 Synthèse et exercices ......................................................................... 88

CHAPITRE 6

Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse ....... 92

1. Le devenir du rayonnement solaire absorbé ............................ 94 2. De la puissance solaire à la photosynthèse planétaire ......... 96 3. TÂCHE COMPLEXE Photosynthèse et entrée d’énergie chimique dans la biosphère ............................................................. 98 4. CLASSE INVERSÉE Les combustibles fossiles : des témoins d’une photosynthèse passée .............................. 100 Synthèse et exercices ....................................................................... 102

CHAPITRE 7

Le bilan thermique du corps humain ........................................... 106

1. TÂCHE COMPLEXE La stabilité de la température corporelle . 108 2. Conversion d’énergie dans le corps humain ............................. 110 Synthèse et exercices ........................................................................ 112 Vers le BAC ......................................................................................... 116 LE COIN DES SCIENCES .................................................................... 117

2

© Nathan 2019 - 25 avenue Pierre de Coubertin - 75013 Paris — ISBN : 978-2-09-172920-6

4

Son et musique, porteurs d’information .. 164

BIEN DÉMARRER

..................................................................................... 165

THÈME

THÈME

3

La Terre, un astre singulier ................. 118

BIEN DÉMARRER

..................................................................................... 119

CHAPITRE 8

La forme de la Terre .................................... 120

CHAPITRE 11 Le son, phénomène vibratoire .............. 166

1. La méthode d’Ératosthène ............................................................. 122 HED Les premières mesures du méridien et de la circonférence de la Terre .................................................. 124 2. TÂCHE COMPLEXE Mesure d’une longueur par triangulation plane .................................................................... 126 HED Mesurer la méridienne, une mission entre prouesses et péripéties ......................................................... 128 HED Histoire de la définition du mètre ...................................... 130 3. Repérage à la surface de la Terre ................................................. 132 Synthèse et exercices ........................................................................ 134

1. Sons musicaux ..................................................................................... 168 HED L’histoire de l’analyse temps-fréquence depuis Fourier ........................................................................................ 170 2. TÂCHE COMPLEXE Niveau d’intensité sonore ................................ 172 3. Instruments de musique ................................................................. 174 HED La controverse sur le problème des cordes vibrantes .. 176 Synthèse et exercices ........................................................................ 178

CHAPITRE 9

L’histoire de l’âge de la Terre ..................138

1. TÂCHE COMPLEXE L’âge de la Terre, un sujet de controverses scientifiques ....................................................... 140 2. La radiochronologie, un nouvel âge pour la Terre ................ 144 Synthèse et exercices ....................................................................... 146

CHAPITRE 10 La Terre dans l’Univers .............................. 150 1. Conception héliocentrique .............................................................. 152 HED Controverse sur l’organisation du Système solaire ..... 154 2. TÂCHE COMPLEXE La Lune .................................................................... 156 Synthèse et exercices ........................................................................ 158 Vers le BAC ........................................................................................ 162

CHAPITRE 12 La musique ou l’art de faire entendre les nombres ................................ 182 1. Consonance des sons musicaux ................................................... 184 2. Construction de gammes de Pythagore .................................. 186 3. TÂCHE COMPLEXE Approximation dans le cycle des quintes . 188 HED L’histoire des gammes, de Pythagore à Bach .............. 190 4. Construction de gammes musicales à intervalles égaux ... 192 HED Des algorithmes au cœur de la composition musicale . 194 Synthèse et exercices ....................................................................... 196

CHAPITRE 13 Le son, une information à coder ........ 200 1. Numérisation d’un son .................................................................... 202 2. TÂCHE COMPLEXE Compression d’un fichier audio .................... 204 HED Les enjeux culturels et économiques de la numérisation et de la compression des sons ................ 206 Synthèse et exercices ....................................................................... 208

LE COIN DES SCIENCES ................................................................... 163

CHAPITRE 14 Entendre la musique .................................. 212 1. Les oreilles, capteurs des sons ...................................................... 214 2. Les cellules sensorielles de l’oreille interne .............................. 216 3. Aires auditives et musiques ........................................................... 218 4. Pertes d’audition et atteintes du système auditif ............... 220 HED La santé auditive ...................................................................... 222 Synthèse et exercices ....................................................................... 224 Vers le BAC ........................................................................................ 228 LE COIN DES SCIENCES ................................................................... 230

Projet expérimental & numérique ................................................................ 230

3

THÈME 1

THÈME

Livre de l’élève

1

Une longue histoire de la matière BIEN DÉMARRER

CHAPITRE

MÉMO & MOTS CLÉS SCHÉMA BILAN MÉTHODE : Calculer une masse volumique EXERCICES

p. 22

1

Un niveau d’organisation : les éléments chimiques ...................

SYNTHÈSE

CHAPITRE

3

Une structure complexe : la cellule vivante ....................................... p. 64

p. 56

p. 54 HISTOIRE/ENJEUX/DÉBATS Comment les méthodes de fabrication du métal et du verre ont-elles influencé l’histoire de leur production ?

p. 24

p. 52 ACTIVITÉ 4 Qu’est-ce qui différencie le verre d’un autre solide ?

p. 50 ACTIVITÉ 3 TÂCHE COMPLEXE Par quels moyens peut-on identifier les différents constituants d’une même roche ? p. 26 ACTIVITÉ 1 Comment expliquer la diversité des éléments chimiques dans l’Univers ?

p. 48 ACTIVITÉ 2 Comment la structure d’un cristal nous renseigne-t-elle sur ses propriétés ?

p. 28 HISTOIRE/ENJEUX/DÉBATS Quelles avancées scientifiques ont permis de découvrir les éléments dans les étoiles ?

ACTIVITÉ 1

p. 32 HISTOIRE/ENJEUX/DÉBATS Quelles ont été les circonstances propices à la découverte de la radioactivité et du radium ?

CHAPITRE

p. 46

p. 72 ACTIVITÉ 3 TÂCHE COMPLEXE Quelle est l’architecture moléculaire de la membrane plasmique ? p. 74 SYNTHÈSE MÉMO & MOTS CLÉS SCHÉMA BILAN MÉTHODE : Réaliser un schéma d’interprétation EXERCICES

2

Des édifices ordonnés : les cristaux ..................................................

p. 34 ACTIVITÉ 3 TÂCHE COMPLEXE Comment le carbone-14 permet-il de déterminer la date de la mort d’un être autrefois vivant ?

p. 68 HISTOIRE/ENJEUX/DÉBATS Comment des progrès techniques en physique ont-ils permis l’observation des cellules ? p. 70 ACTIVITÉ 2 Quels liens peut-on faire entre échelle cellulaire et échelle moléculaire ?

Comment expliquer la structure des cristaux ?

p. 30 ACTIVITÉ 2 Pourquoi les gaz radioactifs naturels sont-ils dangereux pour la santé ?

p. 66 ACTIVITÉ 1 Comment a-t-on compris que tous les êtres vivants sont constitués de cellules ?

p. 44

LE C IN DES SCIENCES p. 36 SYNTHÈSE MÉMO & MOTS CLÉS SCHÉMA BILAN MÉTHODE : Utiliser une courbe de décroissance radioactive EXERCICES

20

EXERCICES Vers le BAC

20

21

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23/04/2019 18:12

THÈME 1 THÈME L’immense diversité de la matière dans l’Univers se décrit à partir d’un petit nombre de particules élémentaires qui se sont organisées de façon hiérarchisée, en unités de plus en plus complexes, depuis le Big Bang jusqu’au développement de la vie. Cette organisation est présentée à l’échelle du noyau, un assemblage de nucléons (chapitre  1), à l’échelle du cristal, un assemblage d’atomes, d’ions ou de molécules (chapitre 2) puis à l’échelle de la cellule vivante, un assemblage d’organites (chapitre 3).

CHAPITRE 1 Comment, à partir du seul élément hydrogène, la diversité des éléments chimiques est-elle apparue ? Aborder cette question nécessite de s’intéresser aux noyaux atomiques et à leurs transformations. Cela fournit l’occasion d’introduire un modèle mathématique d’évolution discrète. Les éléments chimiques les plus légers sont obtenus au cours de la transformation des étoiles sur plusieurs milliards d’années. Les éléments les plus lourds apparaissent principalement lors des événements cataclysmiques tels que les supernovæ. Les transformations nucléaires peuvent être modélisées par des équations de réaction. Certaines transformations sont spontanées. La modélisation mathématique de ces transformations par une courbe de décroissance dans le temps permet alors de dater des objets terrestres aussi bien dans le domaine du vivant que de la géologie.

4

p. 84 p. 82

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CHAPITRE 2 L’organisation moléculaire étant déjà connue, ce chapitre aborde une autre forme d’organisation de la matière : l’état cristallin, qui revêt une importance majeure, tant pour la connaissance de la nature – minéraux et roches, squelettes, etc. – que pour ses applications techniques. La compréhension de cette organisation à travers des exemples choisis mobilise des connaissances sur la géométrie du cube. Elle fournit l’occasion de développer des compétences de représentation dans l’espace et de calculs de volumes. La description de l’état cristallin est un problème mathématique complexe qui peut se développer à travers la théorie des groupes de symétrie par exemple. Toutefois, une approche géométrique plus pragmatique est accessible aux élèves. Pour cela, le développement de la vision dans l’espace par la perspective cavalière du cube est une première approche.

CHAPITRE 3 Dans le monde, la matière s’organise en structure d’ordre supérieur à l’échelle moléculaire. Un exemple d’organisation du vivant est proposé dans le chapitre 3 : la structure cellulaire. L’observation des cellules repose sur une longue histoire de l’évolution des techniques de la physique. Cette évolution a permis dans un premier temps d’identifier l’unité de base du vivant, puis d’en explorer l’intérieur et d’en révéler la complexité. Une structure complexe nécessite d’être compartimentée, donc de posséder une frontière. La membrane plasmique au sein des cellules joue ce rôle. Sa structure permet les échanges de matière indispensables à la vie.

Livre de l’élève Bien DÉMARRER

FICHE

3

Les niveaux d’organisation du vivant : de l’organisme à l’organite

Bien que certaines cellules puissent être de grande taille, un microscope est nécessaire pour les observer.

QUIZ

Exercice interactif

Parmi les affirmations suivantes, choisissez la réponse exacte.

A

B

C

R

π × R2

R3

uniquement d’anions

uniquement de cations

d’anions et de cations

Le chlorure de potassium est un composé ionique qui contient des ions K+ et des ions Br–. Sa formule est :

KBr

K2Br+

KBr–

Le noyau d’un atome est généralement constitué de :

neutrons et d’électrons

protons et de neutrons

protons et d’électrons

Le volume d’un cube d’arête R est : Le chlorure de lithium est un composé ionique de formule LiCl. Il est composé :

Les mitochondries sont :

des organes

des organites n’existe pas chez les végétaux

10–10 m

10–15 m

1010 m

L’écriture conventionnelle Ni indique que ce noyau de nickel, de symbole Ni, est constitué de 28 :

nucléons

protons

L’énergie lumineuse du Soleil provient, entre autres, de la transformation d’écriture symbolique :

2 H2O(g) ➝ 2 H2(g) + O2(g)

H2(,) ➝ H2(g)

électrons H + 11H ➝ 21H + 01e

1 1

Corrigés p. 346

FICHE

1

Constitution de la matière

Une entité atomique est constituée d’un noyau et d’électrons.

10–10 m

Cortège électronique de l’atome Noyau

Atome de lithium

Le noyau d’une entité atomique est constitué de protons, de charge électrique positive, et de neutrons, de charge électrique nulle. Un atome est constitué d’autant de protons que d’électrons, dont la charge électrique est négative et opposée à celle du proton. Ainsi un atome a une charge électrique nulle ; il est dit neutre. Deux noyaux ayant le même nombre de protons sont appelés noyaux isotopes. Ils différent l’un de l’autre par leur nombre de neutrons. Exemple :

FICHE

Éléments chimiques

2

On appelle numéro atomique Z d’une entité chimique le nombre de protons de son noyau. Toutes les entités chimiques (atome, ion) possédant le même numéro atomique Z appartiennent au même élément chimique. Tout élément chimique est représenté par un symbole qui permet de l’identifier. À ce jour 118 éléments chimiques naturels ou artificiels ont été identifiés sur Terre. Ils sont répertoriés dans le tableau périodique des éléments [➞ rabat]. Un extrait est présenté ci-dessous : 1 1

10–15 m

2

13

14 15 16 17

18

He

H

2

Li Be

B C N O F Ne

3

Na Mg

Al Si P S Cl Ar

FICHE

4

bloc s

en micromètre

partie du corps bien ensemble de cellules délimitée qui participe spécialisées qui à la réalisation d’une réalisent une même fonction biologique fonction

ORGANITE

du micromètre au nanomètres

unité structurale du vivant

5

À chaque nombre réel x d’un intervalle I, une fonction f associe un nombre réel et un seul qu’on note f(x). f(x) est l’image de x par la fonction f et I est l’ensemble de définition de f. Lorsque y = f(x), le nombre x est un antécédent du nombre y par la fonction f. Dans un repère, la courbe représentative (ou représentation graphique) # de la fonction f est l’ensemble des points de coordonnées (x ; y) telles que :  x appartient à l’ensemble de définition D ; y = f(x).

structure cytoplasmique délimitée par une

Constituants communs du vivant ou plusieurs membranes Matière organique

Éléments

FICHE Eau

Fonction mathématique

Structure minéraux de la cellule

Glucides

Lipides

Protides

Tous les êtres vivants sont constitués de cellules ayant une organisation semblable (membrane plasmique délimitant le cytoplasme à l’intérieur duquel on trouve des organites dont le noyau qui contient l’information génétique portée par la molécule d’ADN). Les cellules ont la capacité de se Structures communes du vivant diviser pour former de nouvelles cellules. En fonction de l’organe ou de l’être vivant, les cellules Procaryotes peuvent présenter des différences.

Cellule animale Membrane plasmique

Bactérie

Cellule végétale

Noyau

Chloroplaste

Vacuole

Chromosome

Paroi végétale

Paroi bactérienne

y = f(x)

Une équation de la courbe # dans ce repère est y = f(x).

FICHE

6

1

Cytoplasme 1

Mitochondrie

Schéma simplifié d’une cellule

x

Réactions chimiques communes du vivant

Entités ioniques

CO2

ion monoatomique ayant autant d’électrons que l’atome de gaz noble le plus en numéro atomique. Présence d’O2procheRespiration Formule Nom de l’ion

Proton Lithium-7

CELLULE

TISSU

en millimètre

Conditions Un ion possède des électrons en nombre différent du nombre de protons. Les atomes des éléments des colonnes 1, Métabolisme du milieu 2, 3 et 15, 16, 17 du tableau périodique tendent respectivement à perdre ou à gagner des électrons pour former un

Neutron

Lithium-6

ORGANE

en centimètre

en mètre

MONDE VIVANT

est imperméable aux gaz

58 28

APPAREIL OU SYSTEME

permet de réaliser les grandes fonctions essentielles à l’organisme

des cellules

L’ordre de grandeur de la taille d’un atome est :

en mètre

MONDE INERTE

délimite la cellule

La membrane plasmique :

ORGANISME

bloc p

H+

K+

hydrogène

potassium

Mg2+ Glucose

magnésium

F– Synthèse

fluorure

Croissance Reproduction

Ca2+ calcium Contrôle

Un composé ionique est constitué de cations et d’anions associésAbsence en proportions telles que la charge globale de d’O2 Fermentation l’entité est nulle. Exemple : le chlorure de sodium NaCl est formé des ions Na+et Cl–. Noyau A ZX est la représentation symbolique d’un noyau, où A est le nombre de nucléons, Z est le numéro atomique et X le symbole de l’élément chimique.

Les entités de la colonne 18 constituent la famille des gaz nobles.

CO2

+ éthanol 22

THÈME 1   Une longue histoire de la matière

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RÉPONSES AU QUIZ Le volume d’un cube d’arête R est : L e chlorure de lithium est un composé ionique de formule LiCl. Il est composé : L e chlorure de potassium est un composé ionique qui contient des ions K+ et des ions Br–. Sa formule est : L e noyau d’un atome est généralement constitué de : Les mitochondries sont : La membrane plasmique : L’ordre de grandeur de la taille d’un atome est : L’écriture conventionnelle 2588Ni indique que ce noyau de nickel, de symbole Ni, est constitué de 28 :

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A

B

C

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23

23

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avant la première La constitution de la matière  1 remobilise des notions vues au collège (constitution d’un atome et de son noyau) et en classe de seconde (ordres de grandeur des tailles). La notion d’isotope est rappelée afin que les élèves puissent identifier au plus vite les transformations nucléaires ayant lieu au cœur des étoiles, produisant les éléments chimiques  2 . Ces derniers sont regroupés par blocs, tel que cela est étudié en classe de seconde. Un schéma présente les niveaux d’organisation du vivant : de l’organisme à l’organite  3 , en insistant sur leur lien et les ordres de grandeur de leur taille. La structure de la cellule  5 propose sous forme de schémas une représentation des principaux organites, mettant en relief les similitudes et les différences entre la cellule animale et la cellule végétale. La notion de fonction mathématique  4 étudiée au collège puis en classe de seconde permet de mettre en évidence le vocabulaire qui lui est associé : ensemble de définition, image, antécédent. La courbe représentative de la fonction, outil essentiel dans toute science expérimentale, est donnée en exemple. On présente enfin la méthode de détermination des formules des entités ioniques monoatomiques  6 . Notons qu’à l’issue de la classe de seconde, certains ions doivent être connus par cœur. La détermination de la formule d’un composé ionique (entité électriquement neutre constituée d’anions et de cations) est rappelée.

L ’énergie lumineuse du Soleil provient, entre autres, de la transformation d’écriture symbolique :

THÈME 1 ● Une longue histoire de la matière

5

CHAPITRE 1 Livre de l’élève Vidéo

TEASER

CHAPITRE

1

Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

b. Transformations nucléaires. Par quel processus sont formés les éléments carbone et fer ? ➞ activité 1

Les éléments chimiques présents dans l’Univers sont tous constitués des mêmes particules élémentaires. Ces particules s’organisent pour former des unités complexes.

c. Photo prise dans l’obscurité (en 1922) d’une coupelle contenant du bromure de radium.

Quel autre phénomène accompagne la fission de noyaux de radium ? ➞ activité 2

d. Prélèvement de bandage sur une momie pour une datation au carbone-14.

Comment la présence de carbone-14 dans un échantillon de matière autrefois vivante peut-elle nous renseigner sur la date de sa mort ? ➞ activité 3 a. Installation artistique du tableau périodique regroupant la centaine d’éléments chimiques connus à ce jour.

Comment expliquer la diversité des éléments chimiques dans l’Univers ? ➞ activité 1

24

24

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CHAPITRE 1   Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

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Les grandes idées à construire L es éléments chimiques sont constitués des mêmes particules élémentaires et sont tous issus de réactions nucléaires se produisant dans les étoiles. La diversité des éléments s’explique par les fusions successives qui se produisent entre protons et neutrons. L es étoiles, au cœur desquelles se forment les éléments chimiques, sont majoritairement constituées de deux éléments chimiques. Par ailleurs, les proportions des éléments chimiques sur Terre et chez les êtres vivants qui y vivent sont très différentes.  armi tous les éléments chimiques créés dans l’Univers, certains sont P stables et d’autres non : leurs noyaux se désintègrent. Les éléments instables sont qualifiés de radioactifs. L’instant de désintégration d’un noyau radioactif est purement aléatoire. C ontrairement à ce qui se produit pour un noyau radioactif individuel, la date de désintégration d’un grand nombre de noyaux radioactifs est connue. Un échantillon macroscopique radioactif est ainsi caractérisé par sa demi-vie t1/2. L a radioactivité est exploitée dans de nombreux domaines, entre autres dans des méthodes de datation. Il suffit de déterminer le nombre de noyaux radioactifs présents dans un échantillon, et de connaître la demi-vie de l’élément radioactif considéré, pour estimer l’âge de cet échantillon.

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25

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Ce que disent les documents a La présentation d’une partie du tableau périodique permet d’intégrer l’idée qu’il existe aujourd’hui plus d’une centaine d’éléments chimiques différents, et de se poser la question de l’origine de cette diversité.

b Teaser : cette vidéo présente la naissance de l’Univers et explique très simplement, à l’aide d’animations, la formation des éléments chimiques par fusion de noyaux d’hydrogène. Elle ne présente aucune difficulté pour les élèves puisque les termes de protons et de neutrons ont été vus en seconde. Cette vidéo offre la possibilité au professeur de lancer un débat sur le vocabulaire utilisé pour traduire les explications qui sont en anglais et de porter un regard critique sur les notions présentées. Par exemple, on parle ici de fusion d’atomes alors que si l’on observe attentivement les animations, il s’agit en fait de fusion de noyaux. c Cette photo, datant de 1922 est issue de la photothèque de l’association Curie et Joliot-Curie. Elle présente une coupelle contenant du bromure de radium, photographiée dans l’obscurité. La lumière qu’on aperçoit provient, en réalité, de l’excitation des molécules d’air par le rayonnement émis par l’élément radium lors de sa désintégration. d Une chercheuse prélève un échantillon du bandage entourant une momie. Une analyse de cet échantillon, constitué de fibres de lin, permet de déterminer la quantité de carbone-14 présent dans le bandage. À l’issue de cette analyse, il est possible d’estimer la date de la mort du lin (la plante).

6

Progression dans le chapitre AC TIVITÉ

1

HED

Problèmes scientifiques

Compétences travaillées

 uelle est l’origine des éléments Q chimiques ?

 echercher et organiser des R informations.

 ans quelles proportions les D éléments chimiques sont-ils répartis dans l’Univers ?

 éaliser un histogramme R groupé.

Problèmes scientifiques

Faire une présentation orale.

Compétences travaillées

C omment les scientifiques ontils pu déterminer la composition chimique des étoiles ?

Exploiter des documents.

C omment les scientifiques ont-ils pu identifier la source d’énergie des étoiles ?

Coopérer et collaborer.

 édiger une argumentation R scientifique.

C omment la théorie et l’expérimentation se mêlentelles pour permettre une description de l’Univers ?

AC TIVITÉ

2

Problèmes scientifiques Qu’est-ce que la radioactivité ? C omment caractériser un élément radioactif ? C omment évaluer la dangerosité d’un élément ?

HED

Problèmes scientifiques

3

TÂCHE COMPLEXE

 echercher et organiser R l’information. Faire des calculs. Formuler des hypothèses. Exploiter un graphique.

Compétences travaillées

 n quoi est-il important de E connaître le contexte historique d’une découverte scientifique ?

Exploiter des documents.

 ourquoi est-il difficile P d’attribuer la paternité/ maternité d’une découverte ?

Associer, critiquer, décrire.

 uelles ont été les différentes Q utilisations du radium de sa découverte à nos jours ?

AC TIVITÉ

Compétences travaillées

Problèmes scientifiques D’où provient le carbone-14 ? C omment le carbone-14 se retrouve-t-il dans la matière vivante ?  ur quoi repose la datation au S carbone-14 ?

 édiger une argumentation R scientifique. Coopérer et collaborer. Réaliser une synthèse. Recueillir, représenter.

Compétences travaillées

Idées clés  xplication de la diversité des E éléments chimiques par les réactions de fusion successives dans les étoiles.  épartition inégale des éléments R chimiques dans l’Univers.

Idées clés  es résultats expérimentaux D (spectroscopie) permettent de déterminer la composition des étoiles.  es modèles permettent de D formuler des propositions pour justifier l’origine de l’énergie stellaire et de choisir des processus plausibles, en confrontant leurs prédictions aux résultats expérimentaux.

Idées clés L es éléments radioactifs se désintègrent en émettant des particules capables d’abîmer la molécule d’ADN. L a notion de demi-vie t½ d’un élément radioactif.

Idées clés  ifficultés d’attribution d’une D découverte scientifique liées au contexte historique et à l’émulation scientifique qui entoure les premières observations. L es applications d’une découverte peuvent s’avérer fantaisistes voire dangereuses, et conduire à des polémiques parfois virulentes.

Idées clés

 echercher et organiser R l’information.

 roduction du carbone-14 dans P la haute atmosphère.

 résenter une démarche P de manière argumentée, synthétique et cohérente.

C arbone-14 assimilé par les êtres vivants ; quantité dans la matière vivante qui décroît après la mort.

 ettre en œuvre les étapes M d’une démarche scientifique.

 stimation de la date de mort E grâce à la détermination du rapport 14C/12C dans la matière autrefois vivante.

THÈME 1 ● CHAPITRE 1 ● Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

7

re

les pages

des ressources interactives en accès direct

En flashant

U → 96 39Y + U→

235 92

4 2

Cd + 3 01 n

124 48

92 Xe + 38 Sr + 3 01 n

236 92

I + 4 01 n

136 53

1 Ba + 94 36Kr + 2 0 n

139 56

He

ENSEIGNEMENT SCIENTIFIQUE

8 4

16 8

O

12 6

C

Be

486,1 434,0 447,1

587,6 501,6

667,8

Magnésium Mg

Ion magnésium Mg2+

Interros des lycées

Les vrais exos récoltés dans les lycées pour s’entraîner dans les conditions de l’examen

 lyceen.nathan.fr/ enseignement–scientifique–1re

Les sites compagnons

Sodium Na

Avec Nathan live !, flashez pour accéder directement aux ressources

486,6 516,7 ; 517,3 ; 518,4 448,1 589,0 ; 589,6

3

Analyser les proportions des éléments sur Terre et dans un être humain

Autres (C, H, N, Al, Ca, etc.) 7%

370 395 420 445 470 495 520 545 570 595 620 645 670 695 720 745

Silicium Si 14 % Tableau périodique des éléments

Longueurs d’onde (en nm)

Autres : 1 % N:1% C : 13 %

A-Z

VOCABULAIRE

Fusion : union de deux noyaux produisant un noyau plus gros.

Oxygène O 49 %

Fission : division d’un noyau en deux noyaux plus petits.

O : 24 %

Élément chimique : toutes les entités chimiques (atome, ion) possédant le même numéro atomique appartiennent au même élément chimique. Fer Fe 14 %

I

H : 61 %

c. Tableau périodique d. Dmitri Ivanovitch Mendeleïev

Chimiste russe (1834-1907), on lui doit le tableau périodique des éléments chimiques, publié en 1869.

09172919_000_CV_RECTO.indd Toutes les pages

dans la constellation du Cygne

He

e. Schématisation des réactions successives de noyaux d’hélium

414,4 ; 447,1 ; 471,3 ; 492,5 ; 501,6 ; 504,8 ; 587,6 ; 667,8

0

a. Spectre émis par l’étoile P Cygni située

4 2

He

ISBN 978-2-09-172919-0

3

Ion hélium He+

He 4 2

410,2 ; 434,0 ; 486,1 ; 656,3

Nathan Live

Hélium He

4 2

Longueurs d’onde (en nm)

430,8 ; 466,8 ; 495,8 ; 527,0 Des ressources en accès libre

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En complément ou à la place du papier

Manuel numérique élève

Fer Fe

1

4

430,8

393,4 ; 396,8

Ion calcium Ca2+

ENSEIGNEMENT SCIENTIFIQUE

5

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Atome ou ion Calcium Ca

re

656,3

6

ÉTYMOLOGIE

Le préfixe nucléo- vient du latin nucleus qui signifie « noyau ».

f. Pourcentages en quantité de matière des éléments chimiques

PISTE D’EXPLOITATION

Lorsqu’une étoile massive arrive en fin de vie, elle explose : c’est une supernova. Lors de cette explosion, les noyaux captent des nucléons pour former des noyaux plus lourds comme l’or, le plomb ou l’uranium.

1 Identifier les deux éléments majoritairement présents dans la matière stellaire et les repérer dans le tableau périodique. 2 Pour chaque réaction nucléaire se produisant dans une étoile ou sur Terre, préciser s’il s’agit d’une fusion nucléaire ou d’une fission nucléaire. 3 Faire une recherche sur ce qu’est un histogramme groupé puis réaliser l’histogramme groupé présentant les proportions des éléments chimiques dans l’Univers,

26

09172919_024-043_C01.indd 26

A-Z

Magnésium Mg 16 %

présents sur Terre et dans un être humain

Le tableau périodique des éléments représente tous les éléments chimiques, ordonnés par numéro atomique croissant et organisés en fonction de leur configuration électronique [➞ rabat].

Comprendre la formation des éléments chimiques

Dans le cœur des étoiles, les noyaux d’hydrogène fusionnent pour donner des noyaux d’hélium. Les noyaux formés fusionnent à leur tour pour produire d’autres noyaux (doc. e). C’est la nucléosynthèse stellaire. Ces transformations successives peuvent aller jusqu’à la formation de noyaux de fer dans les étoiles massives.

26

Pd +

112 46

140 54

Valeurs des longueurs d’onde des principales raies

Hydrogène H

2

U→

235 92

b. présentes dans des spectres d’émission

Chaque type d’atome ou d’ion possède un spectre d’émission de raies bien déterminé qui permet de l’identifier.

1

Pu →

239 94

Identifier les éléments chimiques par spectroscopie

La spectroscopie est l’étude des spectres d’émission ou d’absorption d’une substance. Cette technique d’analyse très précise utilisée en astronomie permet de déterminer la composition chimique des étoiles, où se concentre la matière de l’Univers.

2

nano

L

Des transformations nucléaires se produisent ailleurs que dans les étoiles. Sur Terre, on peut par exemple observer les transformations d’équations ci-contre :

Origine des éléments chimiques La matière, qu’elle soit vivante ou inerte, est constituée d’éléments chimiques organisés en structures complexes. OBJECTIF Expliquer l’apparition de la centaine d’éléments chimiques connus à ce jour.

1

femto pico

p f

n

10–9 10–12 10–15

SCIENTIFIQUE

NOUVEAU PROGRAMME 2019

1

1 ENSEIGNEMENT

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

ENSEIGNEMENT COMMUN

1

re

CHAPITRE 1

oral sur Terre et chez un être humain. On précise que la matière stellaire est constituée de 92 % de l’élément le plus léger identifié à la question 1. 4 Indiquer si les éléments chimiques sont répartis dans les mêmes proportions dans tout l’Univers. 5 En mettant en relation les différents documents, préparer une présentation orale avec un support visuel permettant d’expliquer la diversité des éléments chimiques. CHAPITRE 1   Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

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s problèmescientifiques

09172919_024-043_C01.indd 27

27

19/06/2019 08:45

que les proportions des éléments chimiques sont les mêmes dans tout l’Univers.

Quelle est l’origine des éléments chimiques ?  ans quelles proportions les éléments chimiques sont-ils D répartis dans l’Univers ?

Mobilisation des acquis  u en cycle 4 (Physique-Chimie) : l’évolution de l’Univers et l’origine V de la matière. Vu en seconde (Physique-Chimie) : les éléments chimiques, le tableau périodique, l’écriture conventionnelle XAZ et les spectres d’émission.

Les grandes idées à construire L es éléments chimiques sont issus de réactions nucléaires se produisant dans les étoiles. L es proportions des éléments chimiques dans l’Univers, sur Terre et chez les êtres vivants sont différentes.

Les compétences travaillées Rechercher et organiser l’information. Réaliser un histogramme groupé. Faire une présentation orale.

Les représentations de l’élève  u collège, les élèves ont vu que les éléments chimiques légers sont A apparus quelques minutes après le Big Bang et que les éléments plus lourds (jusqu’au fer) se forment dans les étoiles. Si les élèves se souviennent encore de cela, il est quasiment certain qu’ils pensent

8

Ce que disent les documents 1 Ce module présente succinctement la technique d’analyse spectroscopique et permet d’identifier les deux éléments majoritairement présents dans la matière stellaire. Sur le spectre émis par l’étoile P Cygni (doc. a) apparaissent des pics associés aux raies émises par les éléments présents dans cette étoile. Chaque pic est surmonté d’un nombre correspondant à la valeur de la longueur d’onde de la raie émise. Le doc. b regroupe les valeurs des longueurs d’onde des principales raies présentes dans des spectres d’émission. En se reportant à ce tableau, on peut identifier les éléments responsables des raies visibles sur le spectre du doc. a, à savoir l’hydrogène et l’hélium. Le tableau périodique (doc. c, présenté également en pleine page sur le rabat VI du manuel) rappelle la grande diversité des éléments chimiques présents dans l’Univers. Il permet de souligner que, en considérant le nombre important d’éléments connus à ce jour, la matière stellaire est constituée de très peu d’éléments. ? Idée de question : Les éléments chimiques du tableau périodique sont-ils tous présents dans la matière stellaire ?

2 Le doc. e explique très simplement le phénomène de nucléosynthèse stellaire en présentant un schéma des réactions successives des noyaux d’hélium pour aider à comprendre l’origine des éléments chimiques. Ce schéma permet entre autres de définir une réaction de fusion. ? Idée de question : Comment les éléments chimiques présents dans les étoiles et les supernovæ ont-ils pu se retrouver sur Terre ?

3 Le doc. f expose les proportions des principaux éléments chimiques présents sur Terre et dans un être humain. Contrairement à ce que peuvent penser les élèves, la Terre et un être humain ne contiennent pas les mêmes éléments. La Terre est essentiellement constituée d’oxygène, de magnésium, de fer et de silicium, alors qu’un homme est constitué d’hydrogène, d’oxygène et de carbone. Le seul élément en commun est l’oxygène, mais l’être humain en contient deux fois moins.

Les

pour préparer votre séance

 réparer d’autres spectres d’émission d’étoiles (ou de nébuleuses) P afin de montrer aux élèves que l’on retrouve bien les éléments hydrogène et hélium en grandes quantités dans la matière stellaire. La présence d’autres éléments (carbone, azote, oxygène) dans les étoiles permet d’introduire (ou de compléter) la partie du cours sur la nucléosynthèse.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ 1. Les éléments majoritairement présents dans la matière stellaire sont l’hydrogène et l’hélium. Ces éléments occupent les deux premières cases du tableau périodique. 2. Les réactions nucléaires schématisées dans le doc. e sont des réactions de fusion. Les transformations d’équations ci-dessous sont des fissions : Pu → 11462Pd + 12484Cd + 3 01n

239 94

U → 14540Xe + 3982Sr + 3 01n

235 92

U → 3996Y + 13536I + 4 01n

236 92

U → 13569Ba + 3964Kr + 2 01n

235 92

3. H  istogramme groupé : 100 %

Articles en ligne : www.astrosurf.com/rondi/spectro/MissionT60/T60.

90 %

www.ursa-major-astronomie.com/pages/astrophotographie/ exoplanetes-asteroides-spectroscopie/spectre-de-vega.html.

80 %

www.astrosurf.com/astro-images/spectro-buil/eps-ori/eps-ori.htm.  réparer un QCM de remobilisation des acquis de seconde en début de P séance. En voici un exemple : 1. Un élément chimique est : a. l’ensemble des atomes et des ions ayant le même nombre de nucléons A ; b. l’ensemble des atomes et des ions ayant le même numéro atomique Z ; c. l’ensemble des atomes et des ions ayant le même nombre d’électrons. 2. Les nucléons sont : a. soit des électrons soit des neutrons ; b. soit des électrons soit des protons ; c. soit des neutrons soit des protons. 3. Un spectre de raies d’émission est formé : a. d’une bande colorée unique ; b. d’une suite de raies noires distinctes sur fond coloré ; c. d’une suite de raies colorées distinctes sur fond noir. 4. Lors d’une transformation nucléaire, il y a : a. modification de la composition des noyaux ; b. conservation des éléments chimiques et modification des espèces chimiques ; c. conservation des éléments chimiques et modification de l’état physique.

LE SAVIEZ-VOUS ? L es étoiles sont classées en fonction de leur spectre : c’est la classification de Harward. Ce classement se base sur la présence de certaines raies et sur leur intensité. Cette classification, qui date du début du xxe siècle, est encore utilisée de nos jours. Pour en savoir plus : wsdiscovery.free.fr/astronomie/spectro/astrophysique/index et www.cfa.harvard.edu/~pberlind/atlas/atframes.html.

H He C N O Mg Si Fe Autres

70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0%

Univers

Terre

Être vivant

4. Les éléments chimiques ne sont pas répartis dans les mêmes proportions dans tout l’Univers. 5. La présentation orale doit faire apparaître : – le tableau périodique pour montrer tous les éléments chimiques connus à ce jour et insister sur leur grande diversité ; – un schéma de la fusion des noyaux d’hélium. Lors de la présentation, l’élève doit insister sur le fait que la matière présente dans l’Univers est essentiellement constituée d’hydrogène et d’hélium. Il doit clairement expliquer que tous les éléments chimiques sont constitués des mêmes particules élémentaires (protons et neutrons) qui résultent de réactions nucléaires se produisant dans les étoiles.

Indicateurs de réussite  avoir que la matière stellaire est essentiellement constituée S d’hydrogène et d’hélium, et que tous les autres éléments sont issus de réactions nucléaires au cœur des étoiles. F aire des représentations graphiques des différentes proportions des éléments chimiques dans l’Univers, sur Terre et dans un être vivant. Identifier des réactions nucléaires de fusion et de fission.

THÈME 1 ● CHAPITRE 1 ● Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

9

CHAPITRE 1 Livre de l’élève IRE HISTO X ENJEU TS DÉBA

Les éléments dans les étoiles

Nous ne voyons pas le spectre de l’atmosphère solaire luimême, mais son image négative. Cette circonstance permet de déterminer avec la même certitude la nature des métaux contenus dans cette atmosphère ; pour cela il suffit d’avoir une connaissance approfondie du spectre solaire et des spectres produits par chacun des différents métaux.

Notre connaissance actuelle de la composition des étoiles est très étendue. Si nous savons que la plupart d’entre elles sont majoritairement constituées d’hydrogène, de nombreux autres éléments du tableau périodique sont présents dans leur atmosphère.

Quelles sont les avancées et les coopérations des différentes sciences qui ont permis ces découvertes ?

D’après « Analyse chimique fondée sur les observations du spectre », par G. Kirchhoff et R. Bunsen, Annales de chimie et de physique, Crochard et V. Masson (Paris), 1861. Vidéo

BIOGRAPHIES

1859

Joseph von Fraunhofer Physicien allemand (1787-1826) Invente le spectroscope à prisme et étudie le spectre du Soleil.

Fin du XIXe siècle

Gustav Kirchhoff Physicien allemand (1824-1887) et Robert Wilhelm Bunsen Chimiste allemand (1811-1899), qui donne son nom au célèbre brûleur à gaz, le bec Bunsen. Ils identifient ensemble les éléments chimiques présents dans le Soleil en liant les raies d’émission des gaz portés à l’incandescence et les raies d’absorption du spectre solaire.

d. L’élément hélium, d’abord extraterrestre

Interprétation du spectre solaire

c. par Kirchhoff et Bunsen

Années 1920

a. Spectre d’une lumière blanche

Physicien américain d’origine allemande (1906-2005) Décrit le cycle des réactions thermonucléaires de fusion à l’origine de l’énergie solaire.

Charles Darwin, naturaliste anglais (1809-1882), estime l’âge de la Terre à plusieurs centaines de millions d’années dans L’Origine des espèces. Aucune source d’énergie connue (gravitationnelle ou chimique) n’est capable d’expliquer que le Soleil ait pu briller aussi longtemps au rythme observé. Deux physiciens, Jean Perrin (1870–1942) et Arthur Eddington (1882–1944), respectivement français et britannique, proposent les réactions nucléaires entre noyaux atomiques comme source de production d’énergie.

1938

Hans Bethe décrit explicitement les réactions nucléaires qui doivent se produire au cœur du Soleil.

1967

Attribution du prix Nobel de physique à Hans Bethe pour ses travaux sur la nucléosynthèse stellaire expliquant la libération d’énergie dans les étoiles.

Hans Albrecht Bethe

En observant l’éclipse totale de Soleil le 16 août 1868 en Inde, l’astronome français Jules Janssen (1824– 1907) découvre dans le spectre de la couronne solaire une intense raie jaune inconnue, due à un nouvel élément chimique qui sera appelé hélium. Cet élément ne sera ensuite détecté sur Terre, dans des roches volcaniques, qu’en 1882 puis isolé à partir d’un minerai d’uranium par le chimiste britannique William Ramsay (1852–1916) en 1895.

e. Découverte de la nucléosynthèse stellaire

Introduction de l’article de Hans Bethe sur la production

f. d’énergie dans les étoiles

The first main result is that, under present conditions, no elements heavier than helium can be built up to any appreciable extent. Therefore we must assume that the heavier elements were built up before the stars reached their present state of temperature and density. No attempt will be made at speculations about this previous state of stellar matter. The energy production of stars is then due entirely to the combination of four protons and two electrons into an α-particle. This simplifies the discussion of stellar evolution inasmuch as the amount of heavy matter, and therefore the opacity, does not change with time. D’après H. A. Bethe, « Energy Production in Stars », Physical Review (USA), Cornell University, Ithaca (NY), 1939.

RESSOURCES Jean Audouze, « La Nucléosynthèse », Le Ciel à découvert, CNRS Éditions, Paris, 2010. Comité de liaison enseignants et astronomes (CLEA), Les Cahiers Clairaut, no 132, décembre 2010. Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), livret thématique « L’astrophysique nucléaire », 2015, www.cea.fr. Jean Audouze, « Nucléosynthèse », Encyclopædia Universalis, www.universalis.fr.

28

En équipes Équipe 1 scientifiques expérimentateurs Décrivez les observations qui ont fait avancer les connaissances sur la composition des étoiles et leur source d’énergie.

b. Spectroscope à prisme et raies de Fraunhofer

Des raies plus ou moins sombres sont présentes sur le spectre continu du Soleil, elles sont aujourd’hui appelées « raies de Fraunhofer ». On en distingue 570, les plus intenses sont nommées par les lettres A à H.

!

Équipe 2 scientifiques théoriciens Décrivez brièvement la théorie qui permet d’expliquer le fonctionnement du Soleil.

28

09172919_024-043_C01.indd 28

En commun Sur l’exemple de la découverte de la composition et du fonctionnement des étoiles, montrez pourquoi les scientifiques expérimentateurs et les théoriciens ont besoin les uns des autres.

CHAPITRE 1   Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

19/06/2019 08:45

s problèmescientifiques C omment les scientifiques ont-ils pu déterminer la composition chimique des étoiles ? C omment les scientifiques ont-ils pu identifier la source d’énergie des étoiles ? C omment la théorie et l’expérimentation se mêlent-elles pour permettre une description de l’univers ?

Mobilisation des acquis Vu en seconde (Physique-Chimie) : dispersion de la lumière blanche à l’aide d’un prisme et caractérisation d’un spectre d’émission. Par analogie : spectre d’absorption (que certains élèves peuvent avoir rencontré ou vont rencontrer dans l’enseignement de spécialité de première). Réinvestissement de la notion d’élément et de la composition du noyau. Activité 1 : comparaison des raies d’absorption avec les spectres d’émission d’éléments connus et origine nucléaire de l’énergie des étoiles.  our les élèves suivant la spécialité Physique-Chimie : lien entre le P spectre d’émission et le spectre d’absorption.

Les grandes idées à construire  es résultats expérimentaux (spectres d’émission et d’absorption) D permettent de déterminer la composition des étoiles.  es modèles permettent de formuler des propositions pour justifier D l’origine de l’énergie stellaire et de choisir des processus plausibles, en confrontant leurs prédictions aux résultats expérimentaux.

10

Traduction

The progress of nuclear physics in the last few years makes it possible to decide rather definitely which processes can and which cannot occur in the interior of stars. Such decisions will be attempted in the present paper, the discussion being restricted primarily to main sequence stars. The results will be at variance with some current hypotheses.

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29

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Les compétences travaillées Exploiter des documents. Rédiger une argumentation scientifique. Coopérer et collaborer.

Ce que disent les documents a La vidéo rappelle les grands principes de la dispersion de la lumière blanche à l’aide d’un prisme puis la caractérisation d’un spectre d’émission. Elle introduit alors, par analogie, l’expérience conduisant à un spectre d’absorption. Elle explique ensuite comment distinguer les raies sombres dues à l’absorption de la lumière par l’atmosphère terrestre (« raies telluriques ») de celles liées à l’atmosphère solaire. La comparaison de ces raies avec les spectres d’émission d’éléments connus permet de confirmer ou d’infirmer leur présence dans l’atmosphère solaire. ? Des idées de questions : Comment déterminer la composition de l’atmosphère du Soleil à l’aide de la spectroscopie ? Comment distinguer l’absorption de raies due à l’atmosphère terrestre de celle due à l’atmosphère du Soleil ?

b L’image montre un spectroscope à prisme de Fraunhofer pour analyser la lumière de la bougie au premier plan, et l’allure du spectre du soleil en bas à droite. c Le texte, écrit par les scientifiques à l’origine de la découverte, reprend l’idée du spectre d’absorption comme « image négative » du spectre d’émission pour en déduire la composition de l’atmosphère solaire. L’image négative signifie que les bandes noires dans un spectre d’absorption ont exactement la même position que les bandes claires d’un spectre d’émission.

Idée de question : Que signifie « image négative du spectre de l’atmosphère solaire » ? ?

d Le document présente la découverte de l’hélium par spectroscopie. Habituellement, la lumière due à la « couronne solaire » est « masquée » par le reste de la lumière solaire : la circonstance de l’éclipse permet « d’éteindre » le soleil et d’observer sélectivement la couronne, ce qui fait apparaître le signal dû à l’hélium. En dehors d’une éclipse, la lumière émise par le Soleil est beaucoup trop intense et empêche de détecter la très faible absorption due à l’hélium de son atmosphère. ? Des idées de questions : Comment Jules Janssen a-t-il su que l’atmosphère du Soleil contenait un élément encore inconnu sur Terre ? Pourquoi a-t-il fallu attendre une éclipse totale de Soleil pour que cette découverte soit faite ?

e La chronologie permet de mettre en évidence l’histoire de l’identification des problèmes sur le fonctionnement du Soleil et leur résolution. En particulier, à la fin du xixe siècle, les progrès en calcul et en modélisation étaient suffisants pour montrer que la chimie et la gravitation fournissaient des énergies beaucoup trop faibles pour justifier le fonctionnement du Soleil. Il s’agit là d’un raisonnement « par l’absurde » : on montre qu’une hypothèse aboutit à une contradiction pour infirmer cette hypothèse. Les savants devaient donc chercher une autre source d’énergie pour le Soleil. f Ce texte est l’introduction de l’article fondateur de Hans Bethe sur l’origine nucléaire de l’énergie des étoiles : la source essentielle est la fusion de protons et d’électrons pour constituer une particule α, c’est-à-dire un noyau d’hélium. Traduction : « Les progrès des dernières années en physique nucléaire permettent de déterminer selon toute vraisemblance les processus qui peuvent et ne peuvent pas se produire à l’intérieur des étoiles. Ces déterminations seront proposées dans cet article, la discussion étant essentiellement restreinte aux étoiles de la séquence principale. Les résultats seront en désaccord avec certaines hypothèses actuelles. Le premier résultat important est que, dans les conditions actuelles, aucun élément plus lourd que l’hélium ne peut être fabriqué en quantité notable. Nous devons donc supposer que les éléments plus lourds ont été fabriqués avant que les étoiles n’atteignent leur état actuel de température. Nous n’effectuerons aucune spéculation sur cet état précédent de la matière stellaire. La production d’énergie dans les étoiles est alors entièrement due à la combinaison de quatre protons et deux électrons pour constituer une particule α. Cela simplifie la discussion sur l’évolution stellaire pour autant que la quantité de matière lourde, et donc l’opacité, ne change pas dans le temps. » Idée de question : Quel élément est principalement fabriqué dans les étoiles ? ?

Les

pour préparer votre séance

 ontrer aux élèves un visuel du « smiling sun », ou « Soleil souriant », M logo et emblème de la lutte antinucléaire créé en 1975 par deux militants danois de la fondation OOA (un organisme à but non lucratif). C ette activité HED peut être l’occasion de signaler aux élèves le paradoxe d’un logo antinucléaire valorisant un système (le Soleil) fonctionnant exclusivement à l’énergie nucléaire. Article : Olivier Esslinger, « La séquence principale », Astronomie et Astrophysique, 2019, www.astronomes.com/le-soleil-et-les-etoiles/sequence-principale.

 réparer un QCM de remobilisation des acquis de seconde en début de P séance. En voici un exemple : 1. Les raies sombres dans le spectre de la lumière solaire sont dues principalement : a. à l’absorption par les atmosphères de la Terre et du Soleil ; b. à l’absorption par le vide entre le Soleil et la Terre ; c. à l’absorption par la Lune lors d’une éclipse. 2. On appelle « raies telluriques » certaines des bandes sombres sur le spectre du Soleil. Elles sont dues : a. à l’absorption de la lumière par l’atmosphère de la Terre ; b. à l’absorption de la lumière par l’atmosphère du Soleil ; c. à l’absorption de la lumière par l’élément Tellure (Te). 3. Actuellement, l’élément principalement fabriqué dans le Soleil est : a. l’hydrogène ; b. l’hélium ; c. l’uranium. 4. La source d’énergie des étoiles a été identifiée : a. dans la seconde moitié du xixe siècle ; b. dans la première moitié du xxe siècle ; c. dans la seconde moitié du xxe siècle.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ Équipe 1  bservation de spectres d’émission de divers éléments et du O spectre de la lumière solaire pour en déduire, par confrontation des deux types de spectres, la composition de l’atmosphère solaire ; observation du spectre de la couronne solaire spécifiquement lors d’une éclipse pour détecter un nouvel élément. Équipe 2 L a réaction de fusion des noyaux d’hydrogène (protons) et d’électrons forme une particule α en libérant une grande quantité d’énergie. Seule cette source d’énergie est capable d’expliquer pourquoi le Soleil peut briller depuis plusieurs milliards d’années. En commun L es théoriciens ont besoin des expérimentateurs pour avoir des idées de modèles en accord avec la réalité d’un système (ici, le Soleil). Ce modèle devant s’appuyer sur des hypothèses plausibles issues de l’exploitation des expériences, les expérimentateurs ont besoin des théoriciens pour avoir une idée de ce qu’ils doivent chercher : par exemple des spectres d’émission d’éléments à confronter au spectre de la lumière solaire, ou encore les proportions des éléments dans l’atmosphère solaire pour confirmer ou infirmer les modèles des théoriciens.

Indicateurs de réussite Identifier l’instrument (spectroscope à prisme) et son usage pour obtenir les différents faits d’observation (spectres d’émission et d’absorption). Identifier le lien entre spectre d’émission et spectre d’absorption pour en déduire la composition de l’atmosphère solaire.  roposer un intérêt à l’observation de la couronne solaire lors d’une P éclipse.  econnaître dans l’énergie nucléaire la seule source plausible R pour expliquer que le Soleil puisse briller depuis plusieurs milliards d’années. Écrire la réaction nucléaire de formation des particules α.

THÈME 1 ● CHAPITRE 1 ● Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

11

CHAPITRE 1

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

2

2

La radioactivité dans notre environnement Le radon est un gaz radioactif naturel qui s’échappe du sol. Il s’infiltre et s’accumule dans les habitations. Une concentration trop élevée de radon dans l’air est très dangereuse pour la santé. OBJECTIF Évaluer la dangerosité d’un gaz radioactif naturel pour s’en prémunir.

1

Limiter la concentration de radon dans les habitations

Certaines roches, comme le granite, contiennent beaucoup de radon. Les maisons construites sur (et avec) du granite comme en Bretagne, présentent une quantité élevée de radon-222. Une mesure effectuée dans une maison de 100 m3 à Quimper en mars 2018 a révélé un nombre de noyaux N0 = 2,8 × 1011. Pour diminuer la quantité de radon-222 dans les maisons, il est recommandé d’aérer au maximum les pièces et d’assurer une parfaite étanchéité entre le sol et le bâtiment.

Comprendre la dangerosité du radon-222

Le noyau de radon-222 est instable : il se transforme en un autre noyau par désintégration. Ce processus de désintégration se poursuit jusqu’à la formation d’un noyau stable. Les noyaux issus des désintégrations successives du radon-222 se déposent dans les poumons. L’Organisation mondiale de la santé (OMS) recommande de ne pas dépasser le seuil de Ns = 4,7 × 109 noyaux de radon-222 dans une habitation de 100 m3. noyau d’hélium électron

polonium-214

Radium Uranium A-Z

VOCABULAIRE

Noyau radioactif : noyau capable de se transformer spontanément en un autre noyau, avec émission d’un rayonnement ou d’une petite particule.

bismuth-214

plomb-210 10–15 m

Radon

Désintégrer : détruire entièrement quelque chose.

bismuth-210

3

plomb-214 polonium-210

polonium-218

Retombées au sol

LE SAVIEZ-VOUS ? radon-222

Sol

La concentration en noyaux radioactifs s’exprime aussi en becquerel par mètre cube (bq·m–3). Un becquerel correspond à la désintégration d’un noyau par seconde.

a. Chaîne de désintégration d’un noyau de radon-222 Schématisation d’un morceau d’une molécule d’ADN

80 60

Lorsque le nombre de noyaux radioactifs devient très grand, l’évolution statistique de ces noyaux respecte une loi de probabilité. La demi-vie t½ d’un grand nombre N0 de noyaux radioactifs est la durée au bout de laquelle N0/2 noyaux se sont désintégrés. Chaque type de noyau radioactif est caractérisé par sa demi-vie t½.

40 20 0

0

3,8

7,6

11,4

15,2

19

22,8 t (en jour)

e. Décroissance radioactive d’un échantillon de radon-222

PARCOURS 1

Particule β

Les transformations de l’ADN peuvent provoquer une mutation génétique et entraîner l’apparition de cancers.

30

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PARCOURS 2

1 Expliquer en quoi l’inhalation de radon-222 est dangereuse pour un être humain. 2 Exprimer le nombre de noyaux de radon-222 encore présents dans la maison de Quimper après deux, puis trois, puis n demi-vies en fonction notamment de N0 en faisant l’hypothèse que la maison a subi des travaux qui l’isolent du sol. 3 Estimer la durée nécessaire pour que la concentration en radon-222 dans l’air de la maison passe en dessous du seuil recommandé par l’OMS. 4 Malgré une bonne isolation au niveau du sol, il est recommandé d’aérer le plus souvent possible une habitation pour diminuer la concentration de radon dans l’air. Proposer une explication à cette recommandation.

b. Effet des particules a et b sur la molécule d’ADN

30

N(t) 100

DONNÉES Une particule a est un noyau d’hélium 42He. Une particule b– est un électron.

Particule α

d. Maison en granite en Bretagne

Analyser l’évolution temporelle d’un échantillon de noyaux radioactifs

Il est impossible de prévoir quand un noyau radioactif individuel va se désintégrer : cet instant est aléatoire. La prévision du comportement d’un seul noyau radioactif est probabiliste.

Inhalation

plomb-206 stable

c. Infiltration du radon-222 dans une habitation

1 Expliquer en quoi l’inhalation de radon-222 est dangereuse pour un être humain. 2 À l’aide du graphique du doc. e, estimer le nombre de jours nécessaires pour que la concentration en radon-222 dans l’air de la maison de Quimper passe en dessous du seuil recommandé par l’OMS. On fait l’hypothèse que la maison a subi des travaux qui l’isolent du sol. 3 Malgré une bonne isolation au niveau du sol, il est recommandé d’aérer le plus souvent possible une habitation pour diminuer la concentration de radon dans l’air. Proposer une explication à cette recommandation.

CHAPITRE 1   Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

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s problèmescientifiques

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transformations provoquées par l’homme. Ils ignorent qu’il s’agit aussi d’un phénomène naturel, présent tout autour de nous.

Qu’est-ce que la radioactivité ? Comment caractériser un élément radioactif ? Comment évaluer la dangerosité d’un élément ?

Mobilisation des acquis  u en seconde (Physique-Chimie) : le noyau d’un élément chimique et V son écriture conventionnelle AZX ; les transformations nucléaires.

Les grandes idées à construire C ertains éléments, qualifiés de radioactifs, se désintègrent spontanément en émettant des particules et/ou des rayonnements. Ces désintégrations sont aléatoires.  n échantillon macroscopique radioactif est caractérisé par sa U demi-vie t½, durée au bout de laquelle la moitié des noyaux de cet échantillon se sont désintégrés.

Les compétences travaillées Rechercher et organiser l’information. Faire des calculs. Formuler des hypothèses. Exploiter un graphique.

Les représentations de l’élève E n étudiant les transformations nucléaires en seconde, les élèves ont seulement appris à identifier ce type de transformation. Dans l’esprit de beaucoup de personnes, les transformations nucléaires se produisent uniquement dans les centrales et restent des

12

Ce que disent les documents 1 Ce module commence par expliquer que le noyau de radon-222 peut se transformer spontanément en un autre noyau. Le doc. a présente une succession de désintégrations d’un noyau de radon-222 : le noyau de radon-222 se désintègre pour donner un noyau de polonium-218 qui se désintègre lui-même pour former un noyau de plomb-214, lui aussi instable. Ce processus continue jusqu’à formation d’un noyau stable : le plomb-206. À chaque désintégration, il y a émission d’une particule : soit un noyau d’hélium (aussi appelé particule α), soit un électron. L’épaisse flèche rouge représente l’inhalation du radon-222 (qui est un gaz) et de ses noyaux fils (noyaux issus des désintégrations) par l’homme. La zone du schéma en rouge bordeaux permet d’indiquer que les noyaux radioactifs vont aller se fixer dans les poumons en suivant les voies respiratoires. Le doc. b schématise un morceau d’une molécule d’ADN. Les particules α et β, émises lors de désintégrations de noyaux radioactifs, endommagent la molécule d’ADN en cassant sa structure et/ou en rompant les liaisons entre les deux brins. Si la molécule d’ADN n’arrive pas à se réparer correctement, cela crée une anomalie génétique. ? Idée de question : Quels sont les états physiques des noyaux issus de la désintégration du radon-222 ?

2 Le doc. c représente une maison construite sur un sol d’où émane du radon-222. Le radon-222 provient de la désintégration du radium, provenant lui-même de la désintégration de l’uranium présent dans le sol. Le radon est un gaz et les flèches jaunes sur

ce document indiquent comment ce gaz peut s’infiltrer dans une maison (par les portes, fenêtres, systèmes d’aération…). Attention : ce document présente une désintégration simplifiée de l’uranium. L’uranium-234 se désintègre d’abord en thorium-230, puis en radium-226 et enfin en radon-222. Le doc. d est une photo d’une maison faite en granite et construite sur un sol granitique. Dans l’introduction de ce module, il est précisé que le granite contient beaucoup de radon. Cette photo est présente pour que les élèves arrivent à la conclusion que, parfois, la quantité de radon dans une maison peut être très élevée (car le sol et les murs sont en granite) et que ceci représente un danger pour un être humain. ? Idée de question : Pourquoi faut-il isoler le sol d’une maison construite sur un sol granitique ?

3 Ce module explique ce qu’est la demi-vie t½ d’un échantillon macroscopique radioactif. Le doc. e est une représentation graphique de l’évolution d’un ensemble de noyaux radioactifs – ici de radon-222 – en fonction du temps. L’exploitation de ce graphique permet d’affirmer que la quantité de noyaux de radon222 est divisée par deux tous les 3,8 jours (on passe de 100 à 50 noyaux en 3,8 jours, puis de 50 à 25 noyaux en 3,8 jours, de 25 à 12,5 noyaux en 3,8 jours…). La demi-vie d’un échantillon macroscopique d’un élément radioactif est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux de cet échantillon se sont désintégrés. Dans le cas du radon-222, la demi-vie est de 3,8 jours.

Les

pour préparer votre séance

L e site suivant : www.irsn.fr/FR/connaissances/Environnement/ expertises-radioactivite-naturelle/radon/Pages/Le-radon.aspx est très complet et permet de projeter une carte de France avec les concentrations en radon-222. Une recherche par commune est également possible, ce qui peut attirer l’attention des élèves.  réparer un QCM de remobilisation des acquis de seconde en début de P séance. En voici un exemple : 1. Des noyaux isotopes ont : a. le même nombre de neutrons mais pas le même nombre de protons ; b. le même nombre de protons mais pas le même nombre de neutrons ; c. le même nombre de neutrons mais pas le même nombre de nucléons. 2. Lors d’une transformation nucléaire, il y a : a. conservation du nombre de protons ; b. conservation du nombre de neutrons ; c. conservation du nombre de nucléons. 3. L’arsenic-72 possède : a. 72 nucléons ; b. 72 neutrons ; c. 72 protons. 4. La transformation nucléaire du polonium-210 en plomb-206 a pour équation de réaction : a. 21840Po → 01e + 20826Po ; b. 21840Po → –10e + 20826Po ; c. 21840Po → 24He + 20826Po.

LE SAVIEZ-VOUS ? L e radon-222 est la deuxième cause du cancer du poumon en France après le tabac. Au-delà de l’aspect scientifique, cette activité est l’occasion de sensibiliser les élèves au danger inhérent à l’exposition au radon et de les préparer à être des adultes vigilants et responsables.  ans une tonne de croûte terrestre, il y a 2 à 3 grammes D d’uranium. Les trois isotopes naturels de l’uranium sont l’uranium-238, l’uranium-235 et l’uranium-234. Les demi-vies respectives de ces isotopes sont de 4,5 milliards d’années, de 700 millions d’années et de 245 mille ans.

L ’uranium-234 est un produit de la chaîne de désintégration de l’uranium-238, qui représente plus de 99 % de l’uranium naturel.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ Parcours 1 1. Le radon-222 est un gaz : il est donc facilement ingéré par un être humain par simple respiration. En se désintégrant dans l’organisme, il y a émission de particules α qui endommagent la chaîne d’ADN. Par ailleurs, les éléments issus de la désintégration du radon-222 (polonium-218 et plomb-214 en particulier) sont des particules qui se mélangent aux poussières que nous respirons. Ces particules se fixent alors le long des voies respiratoires et, en se désintégrant à l’intérieur de l’organisme, elles l’irradient de particules α et β. 2. L e radon-222 ne peut plus s’infiltrer dans une maison si elle est bien isolée du sol. Au bout d’une demi-vie : N1 = N0/2 = 1,4 × 1011. Au bout de deux demi-vies : N2 = N1/2 = N0/4 = 7,0 × 1010. Au bout de n demi-vies : Nn = N0/2n. 3. Il est recommandé de ne pas dépasser 4,7 × 109 noyaux de radon-222 dans une maison de 100 m3. Il faut donc diviser par 60 le nombre de noyaux N0 pour passer en dessous de ce seuil. Le nombre de demi-vies permettant de diviser N0 par 60 est proche de 6 (exactement n = 5,907). Par ailleurs, le doc. e permet de déterminer la demi-vie du radon-222 : t½ = 3,8 jours. Il faut donc attendre 6 demi-vies, soit 6 × 3,8 = 22,8 jours pour que la concentration en radon-222 passe en dessous du seuil recommandé par l’OMS. 4. M  algré une bonne isolation, il y a toujours des fissures et des trous dans le sol, pour laisser passer des canalisations par exemple. Le radon-222 peut ainsi s’infiltrer dans une maison : aussi est-il essentiel d’aérer le plus possible l’habitation pour diminuer sa concentration dans l’air. Parcours 2 1. L e radon-222 est un gaz : il est donc facilement ingéré par un être humain par simple respiration. En se désintégrant dans l’organisme, il y a émission de particules α qui endommagent la chaîne d’ADN. Par ailleurs, les éléments issus de la désintégration du radon-222 (polonium-218 et plomb-214 en particulier) sont des particules qui se mélangent aux poussières que nous respirons. Ces particules se fixent alors le long des voies respiratoires et, en se désintégrant à l’intérieur de l’organisme, elles l’irradient de particules α et β. 2. Il est recommandé de ne pas dépasser 4,7 × 109 noyaux de radon-222 dans une maison de 100 m3. Le doc. e représente l’évolution, au cours du temps, d’un échantillon de noyaux de radon-222. Il faut exploiter la proportionnalité : si 2,8 × 1011 noyaux de radon-222 en représentent 100 sur la courbe, alors 4,7 × 109 noyaux en représentent 1,7. Par lecture graphique, le nombre de noyaux de radon-222 atteint 1,7 au bout de 22 jours environ. 3. Malgré une bonne isolation, il y a toujours des fissures et des trous dans le sol, pour laisser passer des canalisations par exemple. Le radon-222 peut ainsi s’infiltrer dans une maison : aussi est-il essentiel d’aérer le plus possible l’habitation pour diminuer sa concentration dans l’air.

Indicateurs de réussite  avoir que les noyaux radioactifs sont des noyaux instables qui se S transforment en d’autres noyaux. C omprendre ce que représente la demi-vie d’un échantillon macroscopique radioactif et être capable de l’utiliser pour déterminer un nombre de noyaux. Savoir interpréter et exploiter une courbe de décroissance radioactive.

THÈME 1 ● CHAPITRE 1 ● Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

13

CHAPITRE 1 Livre de l’élève IRE HISTO X ENJEU TS DÉBA

La découverte de la radioactivité et du radium

f. Applications et utilisations du radium

Vidéo

Les découvertes de la radioactivité et du radium, couronnées par le prix Nobel de physique en 1903, révolutionnent physique, chimie, mais aussi médecine puis armement et enfin énergie. Elles sont le fruit d’un labeur titanesque et de la collaboration inédite entre Henri Becquerel et Marie Curie.

Métal aujourd’hui oublié, le radium fit sensation lors de sa découverte. Le nouvel élément était rare et cher, spontanément lumineux, et il émettait une quantité prodigieuse de rayonnement et d’énergie : 1,4 million de fois celle de l’uranium découvert par Becquerel. C’était le plus radioactif des éléments que l’on pouvait voir et peser. Les rayonnements du radium devinrent un formidable outil pour l’exploration de la structure microscopique de la matière. Les applications de la médecine commencèrent dès la fin de 1901. Un nouveau domaine fut créé pour regrouper toutes les applications thérapeutiques où le radium est présent : la curiethérapie ou radiumthérapie.

e. Impact du gaz radon dans des bâtiments en Essonne

Le gaz radon est issu de la désintégration de l’uranium et du radium.

Quelles ont été les circonstances propices à la découverte de la radioactivité et du radium ?

BIOGRAPHIES

D’après www.laradioactivite.com.

Vidéo

Henri Becquerel Physicien français (1852-1908) En cherchant les raisons de la phosphorescence (rayonnement émis par certaines substances), il découvre la radioactivité naturelle et les rayons « uraniques ».

Marie Skłodowska-Curie Physicienne et chimiste française d’origine polonaise (1867-1934) et Pierre Curie Physicien français (1859-1906) Travaillant en tandem, ils explorent la radioactivité afin d’expliquer le phénomène. Ils découvrent deux éléments : le polonium et le radium sous forme ionique. Marie Curie est considérée comme la première femme reconnue par la communauté scientifique internationale.

RESSOURCES www.bibnum.education.fr www.musee.curie.fr Ève Curie, Madame Curie, Gallimard, Paris, 1981. Chantal Montellier et Renaud Huynh, Marie Curie, la fée du radium, Dupuis, Paris, 2011. Les Palmes de Monsieur Schultz, réalisé par Claude Pinoteau en 1997.

32

a. Découverte de la radioactivité Protocole

c. de Becquerel

g. Le radium métallique

Texte source

Parmi les expériences qui précèdent, quelques-unes avaient été préparées le mercredi 26 et le jeudi 27 février et, comme ces jours-là, le Soleil ne s’est montré que d’une manière intermittente, j’avais conservé les expériences toutes préparées et rentré les châssis à l’obscurité dans le tiroir d’un meuble, en laissant en place les lamelles du sel d’uranium. Le soleil ne s’étant pas montré de nouveau les jours suivants, j’ai développé les plaques photographiques le 1er mars, en m’attendant à trouver des images très faibles. Les silhouettes apparurent, au contraire, avec une grande intensité.

En 1910, Marie Curie et André Debierne (chimiste français, 1874-1949) isolent et caractérisent le radium métallique. Le radium émet naturellement – spontanément – de la lumière. Lire la traduction

b. Radiographie de la main

gauche de Madame Röntgen

En 1895, le physicien allemand Wilhelm Röntgen (1845-1923) découvre les rayons X et obtient le premier prix Nobel de physique en 1901.

i. Campagne de publicité mensongère combattue par Marie Curie

h. Attributions des prix Nobel

D’après www.nobelprize.org.

« Sur les radiations invisibles émises par les corps phosphorescents », Comptes rendus de l’Académie des sciences, 1896.

En équipes

d. Plaque photographique

Impression laissée par le rayonnement radioactif et notes manuscrites de Becquerel.

Équipe 1 Relevez les grandes étapes de la découverte du radium et de la radioactivité. Est-il si aisé d’attribuer la paternité/maternité d’une découverte scientifique ?

!

Équipe 2 Présentez les caractéristiques du radium, ses utilisations et les conséquences possibles de l’utilisation d’un produit radioactif.

32

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En commun Élaborez une infographie décrivant les circonstances historiques et scientifiques propices à la découverte de la radioactivité et du radium.

CHAPITRE 1   Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

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s problèmescientifiques E n quoi est-il important de connaître le contexte historique d’une découverture scientifique ?

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Rédiger une argumentation scientifique.

 uelles ont été les différentes utilisations du radium de sa Q découverte à nos jours ?

Réaliser une synthèse.

Les grandes idées à construire Il peut s’avérer difficile d’attribuer la paternité/maternité d’une découverte, comme dans le cas des découvertes de la radioactivité et du radium. En effet, une découverte scientifique s’inscrit dans un contexte historique particulier et une émulation scientifique qui implique plusieurs personnes et qui est encouragée par la communication au sein de la communauté scientifique internationale. L e plus souvent, une découverte est entourée d’un engouement qui dépasse la sphère scientifique mais qui peut engendrer la mise en danger d’autrui, comme ce fut le cas pour la découverte de la radioactivité et du radium. L ‘appropriation d’une découverte est aujourd’hui rendue plus rapide du fait des moyens de communication actuels.

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Les compétences travaillées

Associer, critiquer, décrire.

 u en seconde et mobilisé dans l’activité 2 : description du noyau V atomique et transformations nucléaires. Ici, il s’agit de mobiliser différemment ces connaissances afin de comprendre les informations données dans plusieurs documents.

33

Exploiter des documents.

 ourquoi est-il difficile d’attribuer la paternité/maternité P d’une découverte ?

Mobilisation des acquis

14

Nobel Prize in Physics 1903 : To Henri Becquerel, “in recognition of the extraordinary services he has rendered by his discovery of spontaneous radioactivity.” To Marie and Pierre Curie, “in recognition of the extraordinary services they have rendered by their joint researches on the radiation phenomena discovered by Professor Henri Becquerel.” Nobel Prize in Chemistry 1911 : To Marie Curie, “in recognition of her services to the advancement of chemistry by the discovery of the elements radium and polonium, by the isolation of radium and the study of the nature and compounds of this remarkable element.”

Coopérer et collaborer. Recueillir, représenter.

Les représentations de l’élève  eaucoup de personnes pensent qu’une découverte scientifique est B faite par un chercheur réfugié au fond d’un laboratoire. En consultant les documents, l’élève comprend que les chercheurs travaillent en équipes afin non seulement de mutualiser leurs connaissances et leurs savoir-faire ainsi que de partager leurs résultats en publiant des articles, mais aussi de profiter de l’émulation bénéfique à toute démarche d’investigation scientifique.  n entend parfois que des découvertes scientifiques sont dues au O hasard. En première lecture, les docs. a et c pourraient valider cette idée reçue. Néanmoins, après avoir analysé les biographies et les docs. a, c, d et h, l’élève devrait comprendre que la découverte de la radioactivité a été rendue possible par un contexte scientifique particulier et surtout par la démarche d’investigation rigoureuse développée par Henri Becquerel puis par le travail titanesque réalisé par Marie et Pierre Curie. L a radioactivité est souvent considérée comme un phénomène dangereux. On veillera à ce que l’équipe 2 fasse la part des choses en interprétant les données des docs. e et i d’une part, et du doc. f d’autre part.

Ce que disent les documents L’introduction et les biographies présentent le contexte de ces deux découvertes en précisant la période historique, les noms et les actions des trois protagonistes ainsi que les domaines d’application de la radioactivité.

a Cette vidéo est une infographie qui présente les différentes étapes d’une démarche scientifique au travers de l’exemple de la découverte de la radioactivité. Elle conforte la pratique de la démarche d’investigation introduite dès le cycle 2. Le contexte scientifique de la première expérience-clé menée par Becquerel est décrit, ce qui sous-entend que la découverte de la radioactivité n’est pas le fait d’un seul chercheur ni du hasard. Du fait de son bagage scientifique au sujet de la phosphorescence et après mûre réflexion, Becquerel a entamé l’étude de sels d’uranium par le biais des rayons X. Cette étude est basée sur des résultats expérimentaux répétés et convergents puis a impliqué le couple Curie. Les docs. b , c et d corroborent les informations fournies dans l’infographie en proposant une perspective plus « humanisée » du fait de leur provenance. Des idées de conseil et de question : Prendre des notes au cours des visionnages de l’infographie/vidéo afin de répondre précisément à la question (équipe 1) et de préparer la synthèse (en commun). Quelles informations complémentaires à celles du doc. a sont fournies par les docs. b, c et d ? ?

e La vidéo aborde l’assainissement d’une zone pavillonnaire où la concentration en gaz radon dépasse la norme autorisée. D’autres informations en rapport avec le doc. i sont données. Il y est également question de la « durée de vie » des déchets. ? Idée de question : Corriger la phrase « impossible de les détruire [les gravats pollués] ; leur durée de vie est de 1 600 ans » à l’aide de vos connaissances et d’informations fiables.

g La photographie montre l’émission lumineuse du radium. Sa légende précise le rôle de Marie Curie et d’André Debierne et souligne ainsi l’efficacité d’un travail collaboratif. ?

Idée de question : Marie Curie a-t-elle étudié le radium seule ?

h Le texte indique les motifs d’attribution du prix Nobel de physique 1903 et du prix Nobel de chimie de 1911. Les contributions de chaque scientifique sont ainsi clairement explicitées et lèvent tout ambiguïté sur leurs rôles. Des idées de questions : Quels ont été les rôles de chacun des lauréats du prix Nobel de physique de 1903 ? Pourquoi Marie Curie a-t-elle reçu un second prix Nobel ? ?

Le texte f mentionne les applications médicales et les utilisations dans le domaine de la recherche du radium qui ont rendu sa découverte si importante, tandis que l’affiche i montre comment une découverte a pu être détournée de son objectif au profit de personnes mal attentionnées.

Les

pour préparer votre séance

T raduction du doc. h : « Prix Nobel de physique, 1903 : À Henri Becquerel, en reconnaissance des services extraordinaires qu’il a rendus en découvrant la radioactivité spontanée. À Marie et Pierre Curie, en reconnaissance des services extraordinaires qu’ils ont rendus par leurs recherches conjointes sur les phénomènes radiatifs découverts par le Professeur Henri Becquerel. Prix Nobel de chimie, 1911 : À Marie Curie, en reconnaissance des services extraordinaires qui ont fait progresser la chimie grâce à la découverte des éléments radium et polonium, par l’isolement du radium et l’étude de la nature et des composés de cet élément remarquable. »  our organiser une visite du musée Curie, situé au 1, rue Pierre et P Marie Curie, 75005 Paris : musee.curie.fr/vous/scolaires. Ressources numériques : L’expérience de Pierre et Marie Curie (en 1898) reconstituée à Rennes en 2015 par Bernard Pigelet : www.dailymotion.com/video/x3m8ysm et www.univ-rennes1.fr/files/asset/document/programme_global_ aseiste_2018_dern-1.pdf.

Les parcours possibles Parcours 1  eux heures de cours sont dédiées à l’étude des documents, à D l’élaboration de chaque tâche collaborative et à la présentation des réponses de chaque équipe et de l’infographie. E n début de séance, le contexte historique et scientifique de la découverte de la radioactivité et du radium, les enjeux et les débats sont décrits. Les problèmes scientifiques et les grandes idées à construire sont explicités ; les acquis sont rappelés ; les ressources sont brièvement décrites. À l’issue, la synthèse (travail en commun) est évaluée et replacée dans le contexte du chapitre. Parcours 2 L ’ensemble des élèves prend connaissance des documents individuellement, l’infographie (doc. a) et la vidéo (doc. e) sont visionnées en classe. À l’issue, le travail est organisé au sein des équipes. Le travail demandé est effectué en-dehors des cours ; les réponses communes sont envoyées au professeur. La séance suivante est consacrée à la synthèse des documents (travail en commun) et l’infographie est présentée. Enfin, la synthèse est évaluée et replacée dans le contexte du chapitre. Parcours 3 L es problèmes scientifiques soulevés par la découverte de la radioactivité et du radium et les grandes idées à construire sont introduits. Pendant une semaine, en-dehors des cours, les membres de chaque équipe échangent leurs réponses. Une mise en commun de ce travail collaboratif est effectuée. À l’issue, plusieurs membres de chaque équipe présentent les réponses communes. Puis, le travail en commun est organisé et effectué, l’infographie est présentée. Enfin, la synthèse est évaluée et replacée dans le contexte du chapitre.

Indicateurs de réussite

?

Des idées de questions : Pourquoi Marie Curie était-elle opposée à l’utilisation du radium en cosmétique ? (docs. e, f et i). Comparer les docs. g et i.

 quipe 1 : la réponse est claire et argumentée à l’aide de l’analyse É des docs. a à d, et docs. g et h et de tout autre document pertinent dûment cité.

Les ressources détaillées p. 32 du manuel apportent des informations supplémentaires sur les contextes de ces découvertes et les utilisations du radium, sous diverses formes : le site de référence du musée Curie, la biographie de référence écrite par Ève Curie, la bande dessinée écrite par le directeur du musée Curie et un film retraçant l’épopée scientifique du couple Curie.

 quipe 2 : les contenus du texte ou du support visuel s’appuient sur É les docs. e, f, g et i ainsi que sur tout autre document pertinent.

Ressources en ligne : www.bibnum.education.fr/physique/radioactivite/sur-lesradiations-invisibles-emises-par-les-corps-phosphorescents.

 n commun : l’infographie indique les circonstances propices aux E découvertes d’Henri Becquerel et du couple Curie. La présentation orale est succincte, le vocabulaire scientifique est adapté, les temps de parole sont équilibrés.

musee.curie.fr/decouvrir/documentation/histoire-de-la-radioactivite. www.nobelprize.org.

THÈME 1 ● CHAPITRE 1 ● Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

15

CHAPITRE 1

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

3

TÂCHE XE COMPLE

3

Datation au carbone-14

Analyser les objets trouvés dans la grotte de Lascaux

La datation au carbone-14 permet de déterminer la date de la mort d’une matière autrefois vivante.

Découverte en 1940, la grotte de Lascaux a depuis été soumise à de nombreuses analyses pour estimer l’âge des peintures et gravures dont elle est ornée.

Les travaux de datation effectués dans la grotte portent sur les objets qui y ont été découverts. En déterminant la date de la mort des animaux grâce à des restes trouvés sur le site, les chercheurs estiment à quand remonte l’occupation de la grotte par l’Homme.

MISSION Estimez l’âge des peintures de la grotte de Lascaux.

1

Comprendre l’origine du carbone-14 dans la matière vivante Neutrons cosmiques Transformation nucléaire dans la haute atmosphère

N+ n

14 7

1 0

14 6

14 6

C

14 6

14 6

C

C+ H 1 1

14

Dans la matière vivante, le rapport C/ C est constant : 1 noyau de carbone-14 pour 1012 noyaux de carbone-12.

14 6

C

Mort 14 6

C

Alimentation

C

Photosynthèse

12

c. Willard Frank Libby

14 6

Physicien et chimiste américain (1908-1980), il développe dès 1945 la méthode de datation au carbone-14, qui lui vaut le prix Nobel de chimie en 1960.

14 6

C

C

Mort

14 6

C

d. Bois de renne trouvé dans la grotte de Lascaux

Un échantillon de bois de renne trouvé dans la grotte de Lascaux est analysé par spectrométrie de masse. L’analyse indique que cet échantillon contient 21 noyaux de carbone-14 pour 2 × 1014 noyaux de carbone-12.

DONNÉES

14 6

C

La datation au carbone-14 reste une estimation. En effet, le rapport carbone-14/carbone-12 a varié au cours du temps, en raison des changements climatiques, des essais nucléaires et du développement de l’industrie.

Espèces chimiques contenant des atomes de carbone-14

a. Cycle du carbone-14

2

Exploiter la décroissance radioactive du carbone-14

Dans la matière morte, il n’y a plus d’apport de carbone-14 provenant des transformations nucléaires dans la haute atmosphère. Les noyaux de carbone-14 se désintègrent au cours du temps. Le nombre de noyaux de carbone-14 est ainsi une fonction décroissante du temps.

N(t) 100

N(t) : nombre de noyaux de carbone-14 dans un échantillon de matière morte

80 60

COUPS DE POUCE

40 20 0 0

5,73

11,5

17,2

22,9

28,7

34,4 40,1 t (en 103 ans)

e. Peinture située dans la salle des Taureaux, grotte de Lascaux

Les peintures de la grotte de Lascaux ne contiennent pas de carbone : une datation au carbone-14 de ces peintures est donc impossible.

Avant de commencer, déterminez la demi-vie du carbone-14. Pensez à comparer le rapport carbone-14/carbone-12 de l’échantillon de bois analysé à celui d’un organisme vivant.

b. Décroissance radioactive du carbone-14

Le noyau de carbone-14 est radioactif. Il se transforme par désintégration en noyau d’azote-14 suivant la réaction d’équation : 146C → 147N + –10e.

34

34

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CHAPITRE 1   Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

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s problèmescientifiques D’où provient le carbone-14 ? C omment le carbone-14 se retrouve-t-il dans la matière vivante ? Sur quoi repose la datation au carbone-14 ?

Mobilisation des acquis Activité 2 : demi-vie d’un échantillon macroscopique radioactif.

Les grandes idées à construire L e carbone-14 est un élément chimique radioactif naturellement présent dans la matière vivante. La détermination du rapport 14C/12C dans la matière autrefois vivante permet d’estimer la date de sa mort.

Les compétences travaillées Rechercher et organiser l’information.  résenter une démarche de manière argumentée, P synthétique et cohérente. Mettre en œuvre les étapes d’une démarche scientifique.

Les représentations de l’élève L es élèves ont sans doute tous déjà entendu parler de la datation au carbone-14. Néanmoins, il est probable qu’ils en ignorent le principe et pensent que tout objet peut être daté avec cette méthode. E n ce qui concerne la grotte de Lascaux, l’idée fréquemment rencontrée est que ce sont les peintures qui ont été datées au carbone-14, alors que cela est impossible.

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Ce que disent les documents 1 Le doc. a est un dessin expliquant l’origine du carbone-14 dans la matière vivante et dans la matière morte. Dans la haute atmosphère, les neutrons cosmiques réagissent avec l’azote-14, un noyau stable qui représente la quasi-totalité de l’azote présent sur Terre. La transformation nucléaire qui a lieu produit de l’hydrogène et du carbone-14, radioactif. Le carbone-14 est assimilé par les plantes lors de la photosynthèse. La vache assimile à son tour du carbone-14 en broutant de l’herbe. Le carbone-14 étant instable, il se désintègre dans les organismes. Mais tant que ces organismes sont vivants, les échanges avec le milieu extérieur continuent et les apports en carbone-14 sont maintenus. Le rapport entre le carbone-14 et le carbone-12 reste constant. Lorsque les organismes viennent à mourir, les apports en carbone-14 cessent. Il reste du carbone-14 dans la matière organique morte, mais le rapport carbone-14/carbone-12 diminue du fait de la désintégration des noyaux de carbone-14. 2 Le module présente la décroissance radioactive du carbone-14. L’étude de cette courbe (doc. b) permet de déterminer la demi-vie du carbone-14 : puisque le nombre de noyaux de carbone-14 est divisé par 2 tous les 5 730 ans, la demi-vie du carbone-14 est donc de 5 730 ans. 3 Willard Frank Libby (doc. c) est un enseignant-chercheur, spécialiste de la radioactivité. Il développe dès 1945 la technique de datation au carbone-14, avec l’aide de deux assistants, Ernest Anderson (1920-2013) et James R. Arnold (1923-2012). Ses travaux ne se limitent pas à la datation au carbone-14 puisque dès 1954, il démontre la possibilité de dater le vin en utilisant le tritium. La grotte de Lascaux fut l’un des premiers sites à bénéficier de la

méthode de datation au carbone-14. En 1951, des fragments de charbon de bois trouvés dans la grotte furent envoyés à Chicago pour être analysés au laboratoire de Libby. Le doc. d est une photographie d’un morceau de bois de renne trouvé dans la grotte de Lascaux. En 1949, des fouilles sont réalisées au fond du Puits et des baguettes de bois de renne y sont découvertes. Ces baguettes seront datées au carbone-14 en 1998. Le doc. e est une photographie d’une peinture prise dans la salle des Taureaux. Contrairement à ce qu’on pourrait penser, ces peintures ne contiennent pas de carbone. Le noir n’est pas du charbon de bois mais de l’oxyde de manganèse, le rouge est de l’oxyde de fer (pigment hématite) et le jaune de la goethite, c’est-à-dire de l’oxyhydroxyde de fer (III). La datation au carbone-14 de ces peintures est impossible, contrairement aux peintures de la grotte Chauvet qui contiennent, elles, bel et bien du charbon de bois.

Les

pour préparer votre séance

 roposer un exercice de mobilisation des notions et compétences P acquises dans l’activité. En voici un exemple : Des scientifiques étudient un échantillon de bois mort. L’analyse révèle la présence dans cet échantillon de 250 noyaux de carbone-14 pour 1015 noyaux de carbone-12.

L es premiers essais de la datation au carbone-14 ont été réalisés sur des objets d’âge connu : un échantillon de bois d’une souche de séquoia californien âgé de presque 3 000 ans et sur un échantillon du bateau funéraire du pharaon égyptien Sésostris III, que les archéologues faisaient remonter à 1843 avant notre ère.  ’autres méthodes radiométriques sont utilisées pour dater des D objets : – la datation potassium-argon ; – la datation argon-argon ; – la datation rubidium-strontium ; – la datation uranium-thorium.  ans la lignée des rayons X et des rayons éponymes, d’autres D rayons fantaisistes ont été imaginés. Par exemple, les rayons « N » que René Blondlot a affirmé avoir découverts et caractérisés, mais qui étaient dus à la persistance rétinienne. Ou encore le rayon vert immortalisé par Jules Verne dans le roman éponyme. D’après La Belle Histoire de la physique, par Christelle Langrand et Jacques Cattelin, publié en 2018 aux éditions Deboeck, p. 272. La famille aux 5 Prix Nobel ! Pierre Prix Nobel de physique 1903

Marie Prix Nobel de physique 1903 Prix Nobel de chimie 1911 (découverte du polonium et du radium, isolement du radium)

1. Déterminer graphiquement la valeur de la demi-vie du carbone-14. 2. À l’aide du doc. a, indiquer le rapport entre le nombre de noyaux de carbone-14 et le nombre de noyaux de carbone-12 dans la matière vivante. 3. Donner le nombre de noyaux de carbone-14 dans un échantillon de matière vivante contenant 1015 noyaux de carbone-12. 4. Déterminer le nombre de noyaux de carbone-14 présents dans l’échantillon de bois : – une demi-vie après sa mort ; – deux demi-vies après sa mort. 5. À quand remonte la mort du bois analysé ?

LE SAVIEZ-VOUS ? L a demi-vie du carbone-14 a été déterminée pour la première fois en 1950 par Willard Frank Libby lui-même à 5 568 ans (± 30 ans). Or, en 1961, des expériences plus précises ont montré que cette valeur était fausse : la demi-vie du carbone-14 est de 5 730 ans (différence de 3 %). Néanmoins, la valeur de la demivie déterminée par Libby est conservée, par convention, dans la méthode de datation au carbone-14. Des calculs correctifs sont donc appliqués pour déterminer la date de la mort de l’objet étudié. L e résultat d’une datation au carbone-14 est donnée en « YrBP » (Years Before Present) : « années avant le présent ». Les années sont comptées vers le passé, en prenant comme « année zéro » l’année 1950. C’est Libby qui a fixé cette année de référence. L’âge BP est ensuite transformé en âge calendaire. L es échantillons âgés de plus de 50 000 ans ne peuvent être datés au carbone-14 car le rapport carbone-14/carbone-12 est trop faible pour être mesuré.

Frédéric Joliot

Irène

Ève

Prix Nobel de chimie 1935 (synthèse de nouveaux éléments radioactifs)

Henry Richardson Labouisse Jr. Prix Nobel de la paix 1965 (au nom de l’UNICEF)

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ D’après le doc. a, nous apprenons qu’au moment de la mort de la matière vivante, il y a 1 noyau de carbone-14 pour 1012 noyaux de carbone-12. Dans le bois de renne trouvé dans la grotte de Lascaux, on dénombre aujourd’hui 21 noyaux de carbone-14 pour 2 × 1014 noyaux de carbone-12. Compte tenu de l’information extraite du doc. a, le bois de renne devait contenir, au moment de sa mort, 200 noyaux de carbone-14. Le doc. b donne la décroissance radioactive du carbone-14. Si 200 noyaux de carbone-14 sont représentés par 100 sur le graphique, alors 21 noyaux de carbone-14 correspondent à 10,5 noyaux, toujours sur ce même graphique. Par lecture graphique, on détermine le temps qui s’est écoulé pour passer de 100 à 10,5 noyaux de carbone-14. Il s’est ainsi écoulé 19,5 × 103 ans depuis la mort du renne. On peut ainsi estimer que les peintures de la grotte de Lascaux ont été réalisées il y 19 500 ans.

Indicateurs de réussite Savoir trouver et exploiter les bonnes informations. C omprendre que la datation au carbone-14 repose sur le rapport carbone-14/carbone-12 dans de la matière autrefois vivante. Faire un calcul de proportionnalité. Savoir interpréter et exploiter une courbe de décroissance radioactive.

THÈME 1 ● CHAPITRE 1 ● Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

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CHAPITRE 1 Livre de l’élève SYNTHÈSE Un niveau d’organisation : les éléments chimiques MÉMO

SYNTHÈSE SCHÉMA

Podcast Texte DYS

Bilan animé

ORIGINE DES ÉLÉMENTS CHIMIQUES Actuellement, les scientifiques recensent une centaine d’éléments chimiques, tous constitués des mêmes particules élémentaires (proton, neutron et électron). Ces particules sont apparues une microseconde après le Big Bang (création de l’Univers). Les protons et les neutrons se sont ensuite rapidement associés pour former des noyaux d’hélium. La synthèse des noyaux plus lourds se poursuit au sein des étoiles et des supernovæ. ➞ activité 1 Dans l’Univers, la matière est majoritairement constituée des éléments hydrogène et hélium. Des réactions de fusion nucléaire se produisent dans les étoiles : les noyaux d’hydrogène fusionnent pour donner des noyaux d’hélium. Les noyaux d’hélium fusionnent à leur tour pour donner naissance à des atomes plus lourds : béryllium, carbone, oxygène, fer. D’autres transformations nucléaires peuvent survenir en dehors des étoiles, comme les fissions spontanées. La matière formée est éjectée dans l’espace lorsque les étoiles explosent. Les éléments chimiques ne se répartissent pas avec les mêmes proportions dans tout l’Univers. La Terre est majoritairement constituée d’oxygène, de fer, de silicium et de magnésium. Les êtres vivants sont principalement constitués de carbone, d’hydrogène, d’oxygène et d’azote.

ÉLÉMENTS RADIOACTIFS Parmi les 2 800 noyaux différents connus à ce jour, seuls 256 sont stables. Un noyau instable est dit radioactif. Un noyau radioactif se transforme en un autre noyau par désintégration. Lors de la désintégration d’un noyau radioactif, il y émission d’une particule a ou b avec éventuellement production d’un rayonnement g. L’instant de désintégration d’un noyau radioactif individuel est aléatoire. Lorsque le nombre de noyaux radioactifs devient très grand, l’évolution statistique de ces noyaux respecte une loi de probabilité. La demi-vie t½ d’un échantillon macroscopique radioactif est la durée au bout de laquelle la moitié des noyaux initialement présents dans cet échantillon s'est désintégrée. ➞ activité 2 La demi-vie t½ est caractéristique du noyau radioactif. La radioactivité est exploitée dans de nombreux domaines : dans les centrales thermiques, en médecine curative et imagerie médicale, et même en archéologie. Exemple. La détermination du nombre de noyaux de carbone-14 présents dans un échantillon de matière organique permet de déterminer l’âge de cet échantillon : c’est la datation au carbone-14. ➞ activité 3

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A-Z

MOTS CLÉS

Élément chimique : ensemble des entités chimiques (atome, ion) possédant le même numéro atomique. Particules élémentaires : particules extrêmement petites dont est constituée toute matière. Big Bang : théorie qui avance qu’une gigantesque explosion de matière serait à l’origine de l’expansion de l’Univers il y a 14 milliards d’années. Atome d’hydrogène : peut être un atome de protium (un nucléon et un électron), un atome de deutérium (deux nucléons et un électron) ou un atome de tritium (trois nucléons et un électron). Fusion nucléaire : processus au cours duquel deux noyaux s’assemblent pour former un noyau plus lourd en libérant de l’énergie. Atome : constitué d’un noyau (strictement positif) et d’électrons en mouvement autour de lui. Un atome est électriquement neutre. Particule a : une particule α est un noyau d’hélium 42He. Particule b : une particule β– est un électron et une particule β+ est un positon, c’est-à-dire une particule ayant la même masse que l’électron mais une charge électrique de signe opposé. Rayonnement g : rayonnement dont la longueur d’onde est inférieure à 10–11 m. Aléatoire : qui est imprévisible, lié au hasard. Échantillon macroscopique : échantillon constitué d’un très grand nombre d’entités chimiques.

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CHAPITRE 1   Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

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 ien que le Big Bang soit évoqué dans ce chapitre, il n’est pas B nécessaire de développer cette théorie qui n’est pas au programme et n’apporte rien de plus pour ce chapitre.

L es éléments majoritairement présents sur Terre (oxygène, fer, silicium et magnésium) et dans la constitution des êtres (carbone, hydrogène, oxygène et azote), savoir exigible, sont illustrés dans la partie inférieure du schéma. Ils permettent de bien comprendre que les éléments chimiques ne se répartissent pas avec les mêmes proportions dans tout l’Univers. Les élèves doivent retenir les éléments majoritairement présents, mais par leurs pourcentages.

Il n’est pas question non plus de détailler les radioactivités α et β, et encore moins de parler des règles de Soddy. Les élèves n’ont pas à écrire une équation de réaction nucléaire. Ils doivent juste être capables d’identifier une fusion et une fission.

L a deuxième partie du mémo traite de la radioactivité et de l’une de ses applications : la datation. La radioactivité est présentée simplement : désintégration d’un noyau en un autre noyau. Les réactions nucléaires provoquées ne sont pas évoquées.

SYNTHÈSE Les limites

L’essentiel L a matière dans l’Univers est majoritairement constituée d’hydrogène et d’hélium : c’est que ce montre la partie supérieure droite « Univers » du schéma bilan. La position de l’Univers implique que tout ce qui se trouve en dessous y est situé. L ’étoile au centre représente, à titre générique, l’ensemble des étoiles et des supernovæ de l’Univers. Les éléments chimiques (autres que l’hydrogène) sont formés à l’intérieur des étoiles par des réactions nucléaires. Les deux traits qui partent de l’étoile représentent les deux catégories d’éléments chimiques formés : – à gauche, les éléments chimiques stables, qui ne se désintègrent pas spontanément ; – à droite, les éléments chimiques instables dits radioactifs, caractérisés dans le schéma par une description complémentaire et une courbe de décroissance radioactive. Les élèves ont déjà vu les notions de noyaux, protons et neutrons. Ils doivent retenir que des réactions nucléaires se produisent au sein des étoiles qui sont essentiellement constituées d’hydrogène et d’hélium. Les réactions de fusion successives des noyaux d’hélium donnent naissances à des noyaux plus lourds.

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37

C ompte tenu de l’étymologie du mot radioactivité, nous avons fait le choix d’évoquer les rayonnements α, β et γ sans entrer dans les détails. Nous avons également choisi de parler de la demi-vie d’un échantillon macroscopique radioactif plutôt que de la demi-vie d’un noyau radioactif. En effet, la désintégration d’un noyau radioactif étant aléatoire, cela n’a pas de sens de parler de demi-vie pour un seul noyau.

CORRIGÉS DES EXERCICES

POUR S’ENTRAÎNER Le nombre N0 de noyaux d’uranium-238 initialement présents dans la roche est : N0 = N1 + N2. Initialement, la roche contenait : N0 = 9,0 × 1010 + 9,0 × 1010 = 1,8 × 1011 noyaux. Graphiquement, on détermine la demi-vie de l’uranium-238. On obtient : t½ = 4,5 × 109 ans. On calcule le rapport entre le nombre initial et le nombre restant de noyaux d’uranium-238 : N0/N1 = 1,8 × 1011/9,0 × 1010 = 2. Le nombre initial de noyaux d’uranium-238 a été divisé par 2 : il s’est écoulé une demi-vie. La roche est donc âgée de 4,5 milliards d’années.

Livre de l’élève MÉTHODE Utiliser une décroissance radioactive

Vérifier ses connaissances EXERCICES

QUIZ Énoncé

1

Le potassium-40 est radioactif : son noyau se désintègre spontanément pour former un noyau d’argon stable. Une roche formée après solidification de magma contient N1 = 1,2 × 1019 noyaux de potassium-40 et N2 = 3,6 × 1019 noyaux d’argon. L’argon, qui est un gaz, est emprisonné dans la roche et ne peut s’échapper. Cette roche ne contient pas d’argon au moment de sa formation. La courbe de décroissance radioactive du potassium-40 est donnée ci-contre.

Parmi les affirmations suivantes, choisissez la réponse exacte.

La matière connue de l’Univers est principalement constituée :

N(t) 100

L’instant de désintégration d’un noyau radioactif individuel est : a aléatoire b prévisible c déterminé

80

2

60

20 0 0

1

2

Méthode

3

4

5 6 t (en 109 ans)

3

Application

4

N 100 = 50 La droite horizontale d’ordonnée 0 = 2 2 croise la courbe à l’abscisse 9 t½ = 1,25 × 10 ans = 1,25 milliard d’années

5

80

À l’aide de la courbe de décroissance radioactive de l’uranium-238 fournie ci-contre, déterminer l’âge de la roche.

20

sur le thème « Les éléments chimiques ». L’étiquette centrale doit s’intituler

Éléments chimiques Associer à l’étiquette centrale, par le moyen graphique de votre choix, des étiquettes de votre initiative comprenant par exemple les notions suivantes :

60

0 0

9

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE

40

Radioactivité 5

10

15

20

25

30

35 40 t (en 109 ans)

Étoiles

Un échantillon de matière radioactive contient initialement 2,0 × 1010 noyaux. Au bout de deux demi-vies, l’échantillon contient : a 1,0 × 1010 noyaux radioactifs b 5,0 × 109 noyaux radioactifs c 2,5 × 109 noyaux radioactifs

Transformations nuclé aires Demi-vie

38

Un échantillon de matière radioactive contient initialement 1,2 × 1012 noyaux. Ce nombre de noyaux vaut 1,5 × 1011 au bout de : a une demi-vie b deux demi-vies c trois demi-vies

a instable b variable c constante

N(t)

L’uranium-238 est radioactif : son noyau se désintègre pour former un noyau de plomb stable. Une roche ancienne contient N1 = 9,0 × 1010 noyaux d’uranium-238 et N2 = 9,0 × 1010 noyaux de plomb.

8

La demi-vie t1/2 d’un échantillon de noyaux radioactifs identiques est :

100

La demi-vie d’un noyau radioactif est la durée au bout de laquelle : a le tiers des noyaux présents dans un échantillon se sont désintégrés b la moitié des noyaux présents dans l’échantillon se sont désintégrés c le nombre de noyaux présents dans un échantillon a doublé

Un noyau radioactif est : a un noyau stable b un noyau instable c un noyau durable

N0 4,8 × 1019 = = 4. N1 1,2 × 1019 Au bout d’une demi-vie, le nombre initial de noyaux de potassium-40 est divisé par 2. ÉTAPE 3  Calculer le rapport entre le nombre initial et le Au bout de deux demi-vies, le nombre initial nombre restant de noyaux de potassium-40 pour de noyaux de potassium-40 est divisé par 2 déterminer le nombre de demi-vies qui se sont et encore par 2, donc par 4. écoulées depuis la formation de la roche. Il s’est donc écoulé deux demi-vies entre la formation de la roche et l’instant présent. La roche volcanique est âgée de 2,5 milliards d’années.

Pour s’entraîner

7

Les atomes de la centaine d’éléments chimiques stables existants résultent : a de transformations nucléaires b de transformations physiques c de transformations chimiques

ÉTAPE 1  Exploiter le fait que le nombre de noyaux d’argon N0 = N1 + N2 présents dans la roche correspond au nombre de = 1,2 × 1019 + 3,6 × 1019 noyaux de potassium-40 qui se sont désintégrés. = 4,8 × 1019 noyaux Notons N0 le nombre initial de noyaux de potassium-40. ÉTAPE 2  Déterminer le point de la courbe de décroissance pour lequel le nombre de noyaux est égal à la moitié du nombre N0 de noyaux initialement présents.

Les êtres vivants sont principalement constitués : a de carbone, de calcium, d’oxygène et d’azote b de carbone, d’hydrogène, d’oxygène et d’azote c de carbone, de calcium, d’hydrogène et d’oxygène

40

À l’aide du document, déterminer l’âge de la roche volcanique.

1

La radioactivité en médecine

Le technetium-99m est un élément radioactif utilisé en médecine nucléaire pour diagnostiquer une embolie pulmonaire. Sa demi-vie est t½ = 6 heures. Une dose contenant N0 = 2,4 × 1013 noyaux de technetium-99m est injectée à un patient devant subir un examen des poumons.  1. Déterminer le nombre de noyaux radioactifs encore présents dans l’organisme au bout de 12 heures.  2. Calculer au bout de combien de temps il ne reste dans l’organisme que N = 1,5 × 1012 noyaux de technetium-99m.

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L es éléments chimiques sont reliés aux transformations nucléaires dont ils sont issus, et les transformations nucléaires sont reliées aux étoiles, là où elles se déroulent.

1.c / 2.b / 3.a / 4.b / 5.c / 6.a / 7.b / 8.b / 9.c

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE

L es éléments stables et radioactifs sont présentés en parallèle et reliés aux éléments chimiques.

Étoiles

L es caractéristiques des désintégrations radioactives apparaissent clairement.

Transformations chimiques

1 Éléments chimiques

39

Indicateurs de réussite

RÉPONSES DU QUIZ

Éléments chimiques stables

6

a d’oxygène et de carbone b d’hydrogène et de carbone c d’hydrogène et d’hélium

Éléments chimiques radioactifs

Désintégration aléatoire d’un seul noyau

Désintégration d’un grand nombre de noyaux : évolution statistique connue

Demi-vie t1/2

La radioactivité en médecine

1. Au bout de 12 heures, soit deux demi-vies, le nombre N’ de noyaux radioactifs encore présents dans l’organisme est : N’ = N0/4 = 6,0 × 1012 noyaux. 2. On calcule le rapport entre le nombre initial et le nombre N de noyaux de technetium-99m restants dans l’organisme : N0/N = 2,4 × 1013/1,5 × 1012 = 16. Il doit donc s’écouler 4 demi-vies, soit 24 heures, pour que le nombre de noyaux de technetium-99m soit de 1,5 × 1012.

THÈME 1 ● CHAPITRE 1 ● Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

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CHAPITRE 1 Livre de l’élève EXERCICES Extraire des informations 2

Analyser des informations et raisonner EXERCICES 4 Répartition en quantité de matière des éléments sur Terre

Datation d’une momie

OBJECTIF Exploiter une courbe de décroissance radioactive pour estimer l’âge d’une momie.

OBJECTIF Produire et analyser différentes représentations graphiques de l’abondance des éléments chimiques sur Terre. Autres 10,30 % Magnésium Mg 2,20 % Fer Fe 4,50 % Aluminium Al 8 %

R × 1015 1 000 800

Chlore Cl 0,33 % Oxygène O 47 %

Sodium Na 0,28 %

Argon Ar 0,96 %

Hydrogène H 66 %

Oxygène O 33 %

Oxygène O 21%

600

Azote N 78 % Silicium Si 28 %

400

a. Pourcentages en quantité

0 0

5,73

11,5

17,2

22,9

28,7

34,4 40,1 t (en 103 ans)

On note R, le quotient du nombre d’atomes de carbone-14 par le nombre d’atomes de carbone-12 dans l’échantillon de lin. Des analyses réalisées sur les bandelettes d’une momie indiquent la présence de 67 noyaux de carbone-14 pour 1,0 × 1014 noyaux de carbone-12.

 En supposant que la momie a été emmaillotée avec des bandelettes de lin fraîchement tissé, estimer l’âge de la momie.

5

doc.

Les bandelettes qui enveloppent les momies sont en lin

OBJECTIF Identifier la nature d’une transformation nucléaire.

De nombreuses transformations nucléaires se produisent au sein des étoiles tout au long de leur vie. Les équations de réaction de quelques transformations sont données ci-dessous : 4

O + 168O → 42He + 28 14Si

16 8

He

1

12

H

C

1

H

γ

Neutron

Fe → 13 42He + 4 01n 4 2

52 26

15

Ne → 42He + 168O

20 10

13

N

N

ν

Fe + 42He → 60 28Ni

40

8,2 × 1013 – 1,4 × 1014 1,4 × 1013 – 8,2 × 1013 < 1,4 × 1013

γ Rayon Gamma  1. En supposant qu’aucune action de décontamination ne soit mise en place, indiquer si les sols les plus contaminés au césium-137 seront exploitables dans 30 ans.  2. Estimer la durée nécessaire pour que les zones les plus contaminées en 2011 ne le soient plus.

ν Neutrino

56 26

 1. Classer ces transformations selon le type de processus : fusion nucléaire ou fission nucléaire.  2. Identifier les réactions de fusion nucléaire dans le cycle CNO.

1,4 × 1014 – 8,2 × 1014

Positron

Cr + He → Fe

48 24

> 4,1 × 1015 8,2 × 1014 – 4,1 × 1015

Le césium-137, dont la demi-vie est égale à 30 ans, est un produit radioactif issu de la fission nucléaire qui se déroule dans un réacteur. On considère que le sol est contaminé au césium-137, et donc dangereux pour un être humain, lorsque sa concentration surfacique dépasse 1,4 × 1013 noyaux par mètre carré.

Proton

56 26

Nombre de noyaux de césium-137 par m2

Accident de Fukushima

Le 11 mars 2011, un tsunami consécutif à un violent séisme au Japon endommage le système de refroidissement de la centrale nucléaire de FukushimaDaiichi. Du 12 au 15 mars, des explosions se produisent dans les bâtiments réacteurs de la centrale, projetant dans l’air des particules radioactives qui finissent par retomber sur une très large zone autour de la centrale.

Réactions nucléaires

C + 126C → + 42He + 20 10Ne

de matière des éléments dans l’atmosphère terrestre

OBJECTIF Estimer une période de décontamination.

Le lin est une fibre végétale naturelle très résistante et imputrescible.

12 6

c. Pourcentages en quantité

de matière des éléments dans les océans

 1. Réaliser un histogramme groupé présentant les pourcentages en quantité de matière des éléments chimiques dans la croûte terrestre, dans l’atmosphère terrestre et dans les océans.  2. Indiquer si les éléments chimiques sont répartis dans les mêmes proportions sur Terre.

a. Évolution, au cours du temps, du rapport R

3

b. Pourcentages en quantité

de matière des éléments dans la croûte terrestre

200

ν

15

13

O

C

γ

1 1

H

14

N

γ

H

doc. Concentration surfacique de césium-137 le 2 juillet 2011

doc. Le cycle CNO est une suite de réactions nucléaires se produisant dans les étoiles

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CHAPITRE 1   Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

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CORRIGÉS DES EXERCICES

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2. Réactions nucléaires de fusion dans le cycle CNO : 4

He

2

3

Réactions nucléaires

1. Réactions nucléaires de fusion : 12 12 4 20 6C + 6C → 2He + 10Ne O + 168O → 24He + 1248Si

16 8

Cr + 24He → 2562Fe

48 24

Fe + 24He → 2680Ni

56 26

Réactions nucléaires de fission : 56 4 1 26Fe → 13 2He + 4 0n Ne → He + O

20 10

4 2

16 8

H

C

H

γ

15

13

N

N

ν ν

15

13

O

C

γ

1 1

H

14

N

γ

H

en quantité de matière 4 Répartition des éléments sur Terre 1. Histogramme groupé : O Si Al Fe Mg H Cl Na N Ar Autres

80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0%

20

1

12

1

Datation d’une momie

Dans la matière vivante, il y a un noyau de carbone-14 pour 1,0 × 1012 noyaux de carbone-12. Le rapport R0 de ces deux nombres est : R0 = 1/1,0 × 1012 = 1,0 × 10–12. En multipliant R0 par 1 000, on obtient 1 000, soit la valeur de R à l’origine sur la courbe fournie. Dans les bandelettes de lin, il y a 67 noyaux de carbone-14 pour 1,0 × 1014 noyaux de carbone-12. La valeur du rapport R est : R = 67/1,0 × 1014 = 6,7 × 10–13. En multipliant ce résultat par 1 000, on obtient 670. Par lecture graphique, on obtient ce rapport au bout de 3,3 × 103 ans. Le lin qui a été utilisé pour tisser les bandelettes est mort il y a 3 300 ans. En supposant que la momie a été emmaillotée avec du lin fraîchement tissé, l’âge de la momie est estimé à 3 300 ans.

41

Croûte terrestre

Océans

Atmosphère

Livre de l’élève EXERCICES

EXERCICES

Vers le BAC exercice guidé

exercice non guidé Vers le BAC

6 Scintigraphie thyroïdienne

7 Détecteur de fumée

OBJECTIFS Exploiter des documents – Effectuer des calculs.

OBJECTIFS Exploiter des documents – Effectuer des calculs.

Un produit radiopharmaceutique est un médicament contenant un élément radioactif. Ce produit est utilisé dans le diagnostic ou le traitement d’une pathologie. Le choix de l’élément radioactif dans un acte médical n’est donc pas anodin. Cet élément doit en effet respecter certains critères.

Les éléments radioactifs ne sont pas uniquement présents dans les centrales nucléaires ou les laboratoires. On en trouve un peu partout : dans les paratonnerres, les baguettes pour souder, les montres et même dans les détecteurs de fumée.

DONNÉES

a. Pastille d’américium-241 dans un détecteur de fumée

Longueurs d’onde des rayonnements électromagnétiques :

Rayons γ

Rayons X

1 pm

UV

IR

1 nm

1 µm Lumière

Micro-ondes 1 mm Longueur d’onde λ

Ondes radio 1m

1 km

a. Principe de la scintigraphie

Aluminium Plomb

Béton

α alpha

La radioactivité est très utilisée en imagerie médicale (radiographie, scintigraphie, tomographie…). Lors d’une scintigraphie, une faible dose de noyaux radioactifs peu irradiants est injectée au patient. Les noyaux injectés présentent une affinité avec l’organe à analyser et se fixent sur lui. Une caméra sensible aux rayonnements émis par les noyaux prend ensuite des clichés de l’organe.

Depuis 2012, l’Autorité de Sûreté Nucléaire (ASN) oblige les détenteurs de ce type d’appareils à les remplacer par des détecteurs optiques ou thermiques.

β beta rayonnements γ et X

b. Activité d’un échantillon radioactif

neutron

c. Pouvoir pénétrant des rayons radioactifs

Les rayonnements γ sont plus pénétrants que les particules α et β, mais moins ionisants donc moins dangereux pour l’être humain. Les rayonnements X et γ sont des ondes électromagnétiques, comme la lumière visible. Ils diffèrent par leurs valeurs des longueurs d’onde (comprises entre 10–11 m et 10–8 m pour le rayonnement X).

GUIDE D’EXPLOITATION

b. Scintigraphie de la glande thyroïde

Lors de cet examen, une dose d’iode-123 contenant N0 = 1,0 × 1012 noyaux est injectée au patient. La demi-vie de l’iode-123 est t½ = 13,2 heures.

Les détecteurs de fumée ioniques contiennent de l’américium-241 qui est un élément radioactif. Ce dernier ionise l’air situé entre deux électrodes, permettant le passage d’un courant électrique. Lorsque la fumée pénètre dans le détecteur, les très fines particules qu’elle contient absorbent le rayonnement émis par la source radioactive. L’air n’étant plus assez ionisé, le courant circulant entre les deux électrodes diminue et l’alarme retentit.

1. a. Préciser la nature du rayonnement détecté par la caméra lors d’une scintigraphie. b. Lors de la scintigraphie de la thyroïde, seulement 25 % des noyaux se fixent sur la glande, le reste de la dose étant rapidement éliminé par les urines. Exprimer le nombre N de noyaux d’iode-123 encore présents dans l’organisme après n demi-vies. c. Calculer N pour 20 demi-vies, puis pour 40 demi-vies. Commenter ce dernier résultat. 2. On estime que la dose injectée n’a plus d’effet lorsqu’il ne reste plus que 0,78 % des noyaux initialement présents. Estimer la durée nécessaire, en heures et en jours, pour atteindre ce stade. 3. Citer les critères que doit remplir un élément chimique pour être utilisé pour une scintigraphie.

c. Une unité d’activité

L’activité A d’un échantillon radioactif est égale au nombre moyen de désintégrations (de noyaux) qui s’y produisent par seconde. L’activité A d’un échantillon et le nombre de noyaux N qu’il contient sont liés par la relation : A × t½ N= 0,69

Henri Becquerel (1852-1908) est un physicien français. Il est lauréat de la moitié du prix Nobel de physique de 1903 (partagé avec Marie Curie et son mari Pierre Curie), récompensé pour ses travaux sur la radioactivité.

où t½ est la demi-vie de l’échantillon radioactif.

L’activité A d’un échantillon radioactif peut s’exprimer en becquerel, de symbole Bq, qui correspond à l’inverse d’un temps.

Nombre de noyaux d’américium-241 dans un échantillon

10 000 9 000 8 000 7 000 6 000 5 000

 À l’aide des documents et de vos connaissances, déterminer le nombre de noyaux radioactifs initialement présents dans certains détecteurs de fumée.

4 000 3 000 2 000 1 000 0

0

200

400

600

800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000 Date t (en années)

d. Évolution temporelle du nombre N de noyaux d’américium-241 dans un échantillon

42

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CHAPITRE 1   Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

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2. L es éléments chimiques ne sont pas répartis dans les mêmes proportions sur Terre.

5

Accident de Fukushima

1. S  ur les zones les plus contaminés, on dénombre plus de 4,1 × 1015 noyaux de césium-137 par m2. Au bout de 30 ans, soit une demi-vie, le nombre minimal de noyaux de césium-137 par m2 sera de : 4,1 × 1015/2 = 2,0 × 1015. Ces sols seront toujours contaminés dans 30 ans. 2. On se base sur un nombre de noyaux de césium-137 de 4,1 × 1015. On calcule le rapport entre ce nombre et le nombre de noyaux de césium-137 correspondant au seuil de contamination : 4,1 × 1015/1,4 × 1013 = 292,9. Il faut donc plus de 8 demi-vies (28 = 256 et 29 = 512), soit plus de 240 ans pour que les sols les plus contaminés ne le soient plus.

6 Scintigraphie thyroïdienne 1. a  . Lors d’une désintégration, un noyau radioactif émet une particule α ou β, avec éventuellement émission d’un rayonnement γ. Les particules α et β sont facilement arrêtées. Le rayonnement détecté par la caméra est un rayonnement γ. b. Après n demi-vies, le nombre N de noyaux d’iode-123 encore présents dans l’organisme est : N = 0,25 × N0/2n.

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43

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c. Pour 20 demi-vies : N20 = 0,25 × 1,0 × 1012/220 = 2,4 × 105 noyaux. Pour 40 demi-vies : N20 = 0,25 × 1,0 × 1012/240 = 0,23 noyau. Ce résultat n’a pas de sens : on ne peut pas obtenir un quart de noyau. 2. 25 % des noyaux d’iode-123 se fixent sur la thyroïde, soit 2,5 × 1011 noyaux. 0,78 % de ce nombre correspond à 1,95 × 109 noyaux. On calcule le rapport entre ces deux nombres : 2,5 × 1011/1,95 × 109 = 128,2 ce qui égale pratiquement à 27. Pour atteindre le stade où la dose n’a plus d’effets, il faut patienter 7 demi-vies, soit 92,4 heures ou 3,85 jours. 3. Pour être utilisé pour une scintigraphie, l’élément chimique doit : – être peu irradiant ; – émettre un rayonnement γ ; – avoir une affinité avec l’organe à analyser ; – avoir une faible demi-vie.

7 Détecteur de fumée Sur la photographie du doc. a, on peut lire la valeur de l’activité de l’échantillon d’américium-241 présent dans le détecteur : 33 kBq = 33 × 103 Bq. La courbe de décroissance radioactive (doc. d) permet de déterminer la demi-vie de l’américium-241 : t½ = 4,3 × 102 ans = 1,4 × 1010 s. En appliquant la relation du doc. b, on obtient : N = 33 × 103 × 1,4 × 1010/0,69 = 6,5 × 1014 noyaux.

THÈME 1 ● CHAPITRE 1 ● Un niveau d’organisation : les éléments chimiques

21

CHAPITRE 2 Livre de l’élève

CHAPITRE

2

Des édifices ordonnés : les cristaux

b. Quand la chimie inspire l’architecture : l’Atomium, monument de Bruxelles construit à l’occasion de l’Exposition universelle de 1958, représente la structure du fer solide agrandie 165 milliards de fois.

Quelles informations peut fournir la connaissance de cette structure ? ➞ activité 2

Diamant, quartz, sel, verre, etc., l’état solide est le plus diversifié des trois principaux états de la matière. L’analyse des structures cristallines à l’échelle nanométrique permet de mieux comprendre la forme des cristaux et l’absence de forme spécifique des verres.

c. Un bloc de granite. Quels sont les moyens permettant de caractériser les différents constituants de cette roche ? ➞ activité 3

TEASER

Vidéo

d. La souffleuse de verre peut modeler à sa convenance le verre encore chaud pour former les plus beaux objets d’art.

Qu’est-ce qui différencie le verre d’un autre solide ? ➞ activité 4

a. Mine de Naïca, une mine du Mexique, connue pour ses cristaux extraordinaires de gypse sélénite. Comment expliquer la forme des cristaux ? ➞ activité 1

44

44

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CHAPITRE 2   Des édifces ordonnés : les cristaux

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Les grandes idées à construire C e chapitre aborde l’organisation de la matière solide à l’échelle nanométrique. Dans de nombreux cas, l’état solide se caractérise par un agencement régulier d’entités.  ans les cas les plus simples, la maille cubique observée à l’échelle D nanométrique peut se manifester à l’échelle macroscopique dans les cristaux. Ainsi, des cristaux de chlorure de sodium peuvent avoir une forme de cube. Toutefois, cette relation n’est pas systématique.  e la même manière, la masse volumique calculée à l’échelle D nanométrique à partir de la connaissance du réseau est identique à celle mesurée expérimentalement sur un échantillon macroscopique. L a seule connaissance de la formule chimique d’un échantillon ne permet pas de caractériser toutes ses propriétés : pour une même formule chimique, la matière peut avoir des propriétés très différentes, l’exemple le plus emblématique étant celui du graphite et du diamant. L es structures cristallines ne sont pas que du seul domaine de la chimie : elles se retrouvent aussi dans le domaine du vivant. L ’état solide n’est pas représenté que par l’état cristallin. L’état amorphe est aussi très courant.

Ce que disent les documents a Ces cristaux extraordinaires sont assez célèbres depuis leur découverte. La question posée est volontairement très vague pour laisser les élèves lancer le débat. Pourquoi le gypse sélénite ne se dépose-t-il pas tout simplement sur le sol lors de l’évaporation de la solution qui remplissait la grotte ? Le professeur peut alors commencer à sous-entendre que la réponse se retrouve à l’échelle nanométrique. 22

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45

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b Le très célèbre Atomium de Bruxelles représente le réseau cubique centré du fer à température ambiante. Le professeur peut lancer la discussion sur le choix de la modélisation : que représentent les boules ? Pourquoi ne sont-elles pas tangentes les unes aux autres ? Que représentent les barres liant les boules entre-elles ? Pour répondre à la question posée, le professeur peut orienter le débat sur la notion d’échelle : est-ce que certaines propriétés de la matière connues à l’échelle nanométrique (comme par exemple la masse d’un atome) se retrouvent à l’échelle macroscopique (comme par exemple la masse d’une population d’atomes dont le nombre est de l’ordre de celui de la valeur de la constante d’Avogadro) ? c Différents types de roches sont abordés en cycle 4 comme en classe de seconde. Les élèves ont l’habitude de devoir les caractériser par leur aspect (couleur, texture, etc.). Sur l’exemple de ce granite, des zones sombres et des zones claires apparaissent de manière très nette. Ainsi l’élève peut dire que cet échantillon contient certainement des minéraux différents. Le professeur peut alors étendre la discussion en demandant aux élèves s’ils connaissent d’autres techniques que la simple observation à l’œil nu pour caractériser une roche. d Teaser : les métiers liés au travail du verre sont très attractifs. Ils nécessitent non seulement une bonne connaissance du matériau mais aussi de développer ses capacités artistiques. Afin de répondre à la question posée, le professeur peut comparer le verre à d’autres matériaux fondus qui se solidifient. Par exemple, il peut demander aux élèves quel est l’aspect du sucre fondu (juste avant qu’il ne caramélise dans une casserole) : celui-ci est un liquide transparent. Par contre, une fois solidifié, il est opaque. Il n’a pas le même comportement que le verre, qui est transparent aussi bien à haute température qu’à basse température.

Progression dans le chapitre AC TIVITÉ

1

Problèmes scientifiques C omment modéliser un solide cristallin à l’échelle nanométrique ? L a géométrie d’un cristal à l’échelle macroscopique est-elle toujours transposable à l’échelle nanométrique ? C omment représenter un cube sur un dessin à deux dimensions en suivant certaines conventions ?

AC TIVITÉ

2

Problèmes scientifiques  xiste-t-il différents E agencements possibles des entités dans une maille cubique ?  uelle est la proportion de Q l’espace occupé par les atomes, modélisés par des boules, par rapport à l’espace total occupé par la matière ?

Compétences travaillées

Idées clés

 echercher et organiser des R informations.

 iveau d’organisation de la N matière solide.

 uivre un protocole S expérimental.

L ien entre la modélisation à l’échelle nanométrique et l’observation macroscopique.

 éaliser un dessin soigné R en suivant des instructions. Mener un calcul d’échelle.

Compétences travaillées  echercher et organiser R l’information.  uivre un protocole S expérimental.  ener des calculs sous forme M littérale en s’aidant de calculs présentés.

 eprésentation dans l’espace R d’objets de géométrie simple.

Idées clés L e modèle des boules montre que la structure d’un solide présente des cavités.  ifférents types D de représentations complémentaires permettent de mener un calcul complexe.

C omment mener un calcul de masse volumique et de compacité ?

AC TIVITÉ

3

TÂCHE COMPLEXE

Problèmes scientifiques

Compétences travaillées

Idées clés

 uelle distinction faire entre Q maille, réseau, cristal, minéral et roche ?

 echercher et organiser R l’information.

I nhomogénéités d’un matériau non observables à l’œil nu.

Créer un support visuel.

 n solide se définit-il U uniquement par sa formule chimique ?

Réaliser une classification.

 istinctions entre cristaux selon D leur formule chimique, leur réseau atomique et leur masse volumique.

 es structures cristallines D existent-elles dans le domaine du vivant ?

 ouble sens du terme D « minéral » selon le contexte. Roches composées de minéraux.  tructures cristallines produites S par des organismes vivants.

AC TIVITÉ

4

Problèmes scientifiques L ’état solide est-il constitué uniquement d’entités organisées dans l’espace ?

HED

Compétences travaillées  echercher et organiser R l’information.

C omment obtenir un solide non cristallisé ?

 istinguer l’échelle D nanométrique de l’échelle macroscopique.

L e verre existe-t-il dans la nature ?

 uivre un protocole S expérimental.

Problèmes scientifiques

Compétences travaillées

C omment le verre, le fer et l’or ont-ils été fabriqués, ou isolés, historiquement ?

Exploiter des documents.

 uels étaient les besoins Q des verriers et métallurgistes médiévaux ?

 ettre en relation des M informations données dans des documents.

 édiger une argumentation R scientifique.

Idées clés  chelle nanométrique : solides É formés d’entités quasiment immobiles les unes par rapport aux autres et liquides formés d’entités qui peuvent bouger les unes par rapport aux autres. L es conditions de refroidissement d’un liquide peuvent influer sur le type de solide qui se forme.

Idées clés L es productions de verre et de métal fonctionnent en fait sur les mêmes principes et ont les mêmes besoins : matières premières, combustibles, clients et savoir-faire.

 obiliser ses connaissances M pour tirer des informations de graphiques. THÈME 1 ● CHAPITRE 2 ● Des édifices ordonnés : les cristaux

23

CHAPITRE 2

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

1

2

Structure cristalline

EXPÉR

Très souvent, la matière à l’état solide se caractérise à l’échelle nanométrique par des entités (atomes, molécules ou ions) dans un état parfaitement ordonné. Cet ordre se répète sur des grandes distances. OBJECTIF Représenter le chlorure de sodium à l’échelle macroscopique et à l’échelle nanométrique.

1

Relier échelle nanométrique et échelle macroscopique IENCE

OBJECTIF Fabriquer un cristal de sulfate de cuivre.

PROTOCOLE

1. Introduire un échantillon d’eau distillée de 100 mL dans un bécher en pyrex. Ajouter un échantillon de sulfate de cuivre : 60 g environ. Chauffer l’ensemble sur une plaque chauffante jusqu’à dissolution complète du solide.

Comprendre la structure du chlorure de sodium solide

Le chlorure de sodium (le sel de cuisine) est un composé ionique. Il peut se former lors de l’évaporation d’une solution aqueuse selon la réaction d’équation Na+(aq) + Cl–(aq) → NaCl(s).

2. Laisser la solution refroidir : des cristaux

se forment. Recueillir un cristal et l’attacher avec un fl relié à une baguette.

À l’échelle macroscopique, le chlorure de sodium se rencontre sous forme de cristal ayant souvent une forme cubique. À l’échelle nanométrique, les ions sont modélisés par des boules indéformables qui se touchent entre elles, ou, afn de mieux visualiser leur position, par des boules de plus petites tailles.

3. Transvaser la solution froide dans un autre bécher ; poser la baguette sur les rebords du verre et faire plonger le cristal dans la solution sans qu’il ne touche le fond du verre. Laisser le cristal croître pendant plusieurs jours.

4. Remplacer la solution par une nouvelle solution

réalisée selon le point 1. afn d’obtenir un cristal encore plus gros.

1 cm

3 A-Z

a. Paludier récoltant le sel marin

1m

b. Cristaux de chlorure de sodium

Comprendre la perspective cavalière

f. Croissance d’un cristal de sulfate de cuivre dans

une solution aqueuse saturée de sulfate de cuivre

a : dans la réalité c : sur le schéma

G C

VOCABULAIRE

Cristal : solide constitué d’un très grand nombre d’entités (atomes, molécules ou ions) disposées régulièrement dans l’espace.

E

Maille : en trois dimensions, une maille est un polyèdre. Effectuer des translations de la maille dans les trois directions de l’espace permet de réaliser un remplissage de tout l’espace occupé par le cristal.

2 nm

H

D

A

α

Ligne d’horizon F

B

a : dans la réalité b : sur le schéma NOTATION

m

1n

0,56 nm

La lettre grecque alpha, d’écriture a, est la 1re lettre de l’alphabet grec. Elle est souvent utilisée en mathématiques ou en physiquechimie pour désigner un angle.

e. Disposition de mailles cubiques afin de remplir l’espace

13 ions chlorure en vert et 14 ions sodium en mauve.

c. Structure du chlorure de sodium 81 ions chlorure en vert et 81 ions sodium en mauve.

46

Afn de dessiner un cube, outre l’échelle du dessin (le nombre b/a), deux paramètres peuvent être choisis par le dessinateur : – le coefficient de fuite k tel que : c = k × b ; – l’angle de fuite α.

3 Réaliser l’expérience. Déterminer si la maille du sulfate de cuivre est probablement cubique ou pas. 4 Réaliser un schéma de la structure du chlorure de sodium d’arête a = 0,56 nm, en perspective cavalière, à l’échelle 1 × 108 en utilisant un angle de fuite de 60° et un coefficient de fuite k = 0,4.

46

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CHAPITRE 2   Des édifces ordonnés : les cristaux

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s problèmescientifiques C omment modéliser un solide cristallin à l’échelle nanométrique ? L a géométrie d’un cristal à l’échelle macroscopique est-elle toujours transposable à l’échelle nanométrique ? C omment représenter un cube sur un dessin à deux dimensions en suivant certaines conventions ?

Mobilisation des acquis Vu en cycle 4 : l’ordre de grandeur de la taille d’une entité atomique est de 10–10 m = 0,1 nm. Vu en seconde :  otion de composé ionique, assemblage électriquement neutre N d’anions et de cations.  rdre de grandeur du nombre d’atomes dans un échantillon de O quelques grammes de l’ordre de la valeur de la constante d’Avogadro, exprimée en mol–1, soit 6 × 1023.

Les grandes idées à construire L e solide cristallisé est constitué d’entités à l’échelle nanométrique régulièrement réparties dans l’espace. L a maille est une notion géométrique. Le cube est un exemple de maille qui permet un pavage de tout l’espace. Un réseau est décrit par la position des atomes sur une maille. L es cristaux macroscopiques peuvent se former avec une forme particulière selon le réseau de cristallisation. Un cristal non cubique indique qu’il est possible que la maille de cristallisation soit aussi non cubique.

24

en deux dimensions un solide à trois dimensions

PISTE D’EXPLOITATION 1 Utiliser une représentation 3D informatisée du chlorure de sodium afn d’identifer la position de chaque ion par rapport au cube d’arête a = 0,56 nm. 2 Identifer un point commun au cristal de chlorure de sodium photographié (doc. b) et à la maille dans laquelle s’inscrit le chlorure de sodium (doc. e).

d. Structure du chlorure de sodium

g. La perspective cavalière permet de représenter

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 éfinir une perspective cavalière nécessite de définir deux grandeurs : D le coefficient de fuite et l’angle de fuite.

Les compétences travaillées Rechercher et organiser l’information. Suivre un protocole expérimental. Réaliser un schéma en suivant des instructions. Mener un calcul d’échelle.

Les représentations de l’élève L a représentation d’un atome ou d’un ion est toujours très problématique pour un élève. En effet, un atome étant essentiellement constitué de vide, comment le représenter ? Il faut ici faire comprendre à l’élève qu’on choisit un modèle de description. Dans le cas du solide cristallin, la description par une boule est la plus adaptée. Toutefois, le choix du rayon de cette boule est problématique. Représenter des boules tangentes semble le plus intuitif, mais ne permet pas de bien visualiser le réseau. L a notion de molécule est bien maîtrisée par les élèves de première. Il serait alors tentant pour eux de parler de la « molécule de NaCl ». Le fait de présenter un réseau ionique risque de soulever des interrogations sur la validité d’une telle modélisation moléculaire.

Ce que disent les documents 1 Ce module présente différentes situations et modélisations dans lesquelles il est question du chlorure de sodium. Le doc. a évoque la récolte par le paludier de sel obtenu grâce à la transformation chimique d’équation Na+(aq) + Cl–(aq) → NaCl(s). Le doc. b montre des cristaux de chlorure de sodium que les élèves n’ont pas l’habitude de voir. Ils penseront probablement au sel comme

à une poudre blanche, voire au mieux (pour le gros sel) à des grains irréguliers. Le doc. c est une capture d’écran de l’application « BestChemistry app with 3D Molecules viewer », disponible gratuitement. Il suffit ensuite de télécharger le fichier .pdb du chlorure de sodium et de l’ouvrir dans l’application. Le doc. d présente le réseau cubique, en ayant volontairement incliné la face avant afin que les élèves aient un dessin un peu différent à réaliser dans la piste d’exploitation. Enfin, le doc. e évoque la notion de pavage complet de l’espace par répétition périodique de la maille cubique. ? Des idées de questions : Quel est le point commun des docs. b, d et e ? Citer les différences dans les deux représentations des docs. c et d.

2 Cette expérience permet d’obtenir facilement des cristaux de taille conséquente. Les méthodes de cristallisation du chlorure de sodium sont plus compliquées à mettre en œuvre et ne donnent que des résultats moins spectaculaires pour les élèves. En faisant des tests, nous avons pu obtenir des cristaux très gros avec des solutions saturées de sulfate de cuivre à température ambiante, placées ensuite au réfrigérateur (doc. f). Le cristal formé n’est clairement pas en forme de cube (la maille est en fait rhomboédrique).

2. L’écran d’un smartphone a pour dimensions 16 cm sur 9 cm. Pour représenter un smartphone à l’échelle 0,5 il faut dessiner un rectangle dont les dimensions sont de : a. 16 cm sur 9 cm ; b. 32 cm sur 18 cm ; c. 8 cm sur 4,5 cm. 3. La concentration en masse maximale du sulfate de cuivre est de 317 g.L–1 dans de l’eau à 0 °C. 500 g de sulfate de cuivre solide sont introduits dans de l’eau glacée afin d’obtenir 1 L de solution dans un grand bécher. Après une longue agitation, le bécher : a. ne contient que la solution ; b. contient la solution et du solide qui ne s’est pas dissous ; c. ne contient que du solide.

LE SAVIEZ-VOUS ?  elier l’échelle nanométrique à l’échelle macroscopique n’est pas R aisé. Il s’agit ici d’une simplification proposée par le programme officiel pour une meilleure compréhension du phénomène. En effet, il est rare qu’une espèce chimique cristallisant dans un réseau de maille cubique fournisse réellement des cristaux cubiques. Une face visible sur un cristal résulte d’une « coupe » sur un plan qui peut très bien être incliné par rapport aux faces du cube.

? Idée de question : La concentration en masse maximale du sulfate de cuivre est-elle plus grande dans l’eau froide ou dans l’eau chaude ?

3 La perspective cavalière (doc. g) est un mode de représentation assez simple car sans point de fuite, plus difficile à appréhender pour les élèves. Elle nécessite de définir au préalable deux grandeurs : le coefficient de fuite et l’angle de fuite. Il est nécessaire de faire comprendre aux élèves que le choix donné à ces deux valeurs est important pour la suite : si elles n’ont pas été bien calibrées, le dessin des boules en premier plan risque d’occulter le dessin des boules en arrière-plan. Le bloc vocabulaire permet de préciser quelques points délicats : le terme cristal permet de mieux comprendre le choix du dessin du doc. e ; la définition du terme maille a volontairement été choisie simple. Les cristallographes donnent des définitions parfois contradictoires pour ce terme. Nous n’avons pas évoqué la notion de maille élémentaire, encore plus compliquée. Idée de question : Quelle est la longueur de l’arête de la représentation d’un cube de côté 0,56 nm, une fois représenté à l’échelle 108 ? ?

Les

pour préparer votre séance

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ 1. Les ions sodium se placent aux huit sommets du cube et aux six centres des faces du cube. Les ions chlorure se placent au milieu des douze arêtes du cube et au centre du cube. En fait, un élève se décalant d’une demi-arête dans chaque direction trouvera le même résultat mais en inversant les rôles des ions sodium et chlorure. 2. Le point commun est la géométrie cubique. 3. Le cristal n’est visiblement pas cubique. Il est donc peu probable que la maille du sulfate de cuivre soit cubique aussi : il existe d’autres mailles que le cube. 4. À l’échelle 108, la longueur de 0,56 nm doit être dessinée avec une longueur de 0,56 × 10–9 × 108 m = 0,056 m = 5,6 cm.

 emander aux élèves de télécharger l’application sur leur téléphone D portable à la séance précédente.

 eprésentation d’un cube avec python : R pedagogie.ac-reunion.fr/fileadmin/ANNEXES-ACADEMIQUES/03PEDAGOGIE/02-COLLEGE/mathematiques/traam/traam2018/ cristallographie/AC-REUNION_MATHS_180606_Traam2018Presentation_Cristallo.pdf.

0,56 nm

 ’équiper d’un modèle moléculaire du cristal de chlorure de sodium S (disponible chez de nombreux fournisseurs pédagogiques).

 roposer un QCM de vérification de la bonne compréhension de P l’activité. En voici un exemple. Pour chaque proposition, choisir la réponse exacte : 1. Le chlorure de sodium NaCl est constitué des ions sodium et chlorure. Le chlorure de sodium est : a. une molécule ; b. un composé ionique ; c. un élément.

Indicateurs de réussite F aire une distinction entre échelle macroscopique et échelle nanométrique. Utiliser un logiciel. Suivre un protocole expérimental.

THÈME 1 ● CHAPITRE 2 ● Des édifices ordonnés : les cristaux

25

CHAPITRE 2

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

2

De la maille aux réseaux : analyse des propriétés macroscopiques d’un cristal

c. Calcul du nombre de boules entières On note N le nombre de boules entières que l’on peut reconstituer dans une maille à partir des portions de boules comprises dans le cube d’arête de longueur a = 2 × √2 × R. Pour le réseau cubique à faces centrées : 1 1 Ncfc = 8 × + 6 × = 4. 8 2

La disposition dans l’espace des atomes d’une structure cristalline peut se faire de multiples façons. De cet agencement dépendent des propriétés macroscopiques du cristal. OBJECTIF Calculer la masse volumique et la compacité d’un cristal.

1

Observer les réseaux cubique simple et cubique à faces centrées

a. Les représentations des réseaux à mailles cubiques Réseau

Représentation de portions de boules indéformables

Représentation à partir de boules plus petites

d. Compacité du réseau cubique à faces centrées Définition

La compacité est un nombre compris entre 0 et 1. Elle représente la proportion de l’espace occupé par les boules par rapport à l’espace disponible.

DONNÉES

R a’

3

R a

R a

a

R

× π × R3

4 3

π 3√ 2

×π×

1 8×2×√ 2

≈ 0,74

Réaliser le calcul de la masse volumique

Masse volumique du polonium e. calculée dans une maille

a² + a² = (4R)² donc 2a² = 16R² a² = 8R² a = 2√ 2 R

EXP

3

POINT MATHS

Certaines propriétés de la matière à l’état solide sont identiques à l’échelle macroscopique et à l’échelle de la maille. Il en est ainsi par exemple pour la masse m volumique ρ = . V

R

R

Comprendre la compacité

=4× =

4

(2 × √ 2 × R)3

• Théorème de Pythagore :

R

2

Ncfc x =

3

R

R

Vmaille

•√ 2 = √ 2 × √ 2 × √ 2 = 2√ 2

4 π R3. 3

R

cubique à faces centrées (CFC)

Vatomes

• (x × y)3 = x3 × y3

• Volume d’une boule de rayon R :

cubique simple (CS)

ccfc =

Schéma d’une boule coupée en huit

• Volume d’un cube d’arête de longueur a : Vc = a3. Vb =

Calcul

La compacité d’un réseau est le quotient du volume occupé par les boules ou parties de boules modélisant les atomes dans la maille par le volume de la maille.

CE ÉRIEN

OBJECTIF Mesurer la compacité d’un réseau de billes dans une éprouvette.

ρp =

Ncs × mp Vmaille

=

Ncs × mp (2Rp)3

La lettre grecque pi, d’écriture p, est la 16e lettre de l’alphabet grec. Elle est utilisée en mathématique pour désigner le quotient du périmètre d’un cercle par son diamètre.

DONNÉES Polonium

1 × 3,49 × 10–25 kg = (2 × 1,68 × 10–10 m)3 = 9,20 × 103 kg·m–3

PROTOCOLE

NOTATION La lettre grecque rhô, d’écriture r, est la 17e lettre de l’alphabet grec. Elle est souvent utilisée en physique-chimie pour désigner une masse volumique.

Masse de l’atome Réseau de cristallisation Rayon de l’atome

Or

mp = 3,49 × 10–25 kg mo = 3,27 × 10–25 kg Cubique simple

Cubique à faces centrées

Rp = 1,68 × 10–10 m

Ro = 1,44 × 10–10 m

1. Remplir une éprouvette graduée de 10 mL avec

des petites billes jusqu’à la graduation Vtot = 10 mL.

PARCOURS 1

2. À l’aide d’une autre éprouvette graduée, verser

progressivement de l’eau colorée jusqu’à ce qu’elle atteigne la graduation 10 mL et noter le volume Veau d’eau ajoutée.

3. Calculer la compacité du réseau de billes réalisé dans cette éprouvette avec la relation : c=

Vbilles Vtot – Veau = . Vtot Vtot

b. Réseau de billes dans une éprouvette graduée

48

oral

1 Proposer une explication pour le nom de « cubique à faces centrées » donné au réseau cubique à faces centrées (doc. a). 2 Exprimer puis calculer la masse volumique ρo de l’or. 3 Présenter à l’oral à l’ensemble de la classe, à l’aide d’un support visuel [➞ fiche méthode 5], la méthode et le résultat obtenu pour la masse volumique de l’or.

48

CHAPITRE 2   Des édifces ordonnés : les cristaux

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s problèmescientifiques E xiste-t-il différents agencements possibles des entités dans une maille cubique ?

09172919_044-063_C02.indd 49

Les compétences travaillées

C omment mener un calcul de masse volumique et de compacité ?

 ener des calculs sous forme littérale en s’aidant de calculs M présentés.

Volume du cube. (a × b)  = a  × b . c

c

c

 asse volumique d’un échantillon de matière solide, liquide M ou gazeux.

Les grandes idées à construire  ans une maille donnée, différents agencements réguliers des D atomes sont possibles. Deux sont présentés ici, mais il en existe d’autres (en particulier le réseau cubique centré). L e cristal est issu d’une répétition périodique de mailles. Ainsi, la masse volumique d’un échantillon macroscopique peut se déterminer à partir de celle d’un échantillon ayant la taille d’une maille.  ans le modèle des boules, les atomes n’occupent pas tout l’espace ; D des vides existent. La proportion de ces espaces vides est mesurée par la compacité.

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L ’expression de la masse volumique d’un solide cristallisé dépend du réseau de cristallisation.

Rechercher et organiser l’information.

Vu en cycle 4 :

49

La compacité dépend du réseau de cristallisation.

 uelle est la proportion de l’espace occupé par les atomes, Q modélisés par des boules, par rapport à l’espace total occupé par la matière ?

Mobilisation des acquis

26

PARCOURS 2

oral

1 Proposer une explication pour le nom de « cubique simple » donné au réseau cubique simple (doc. a). 2 Déterminer le nombre Ncs de boules entières que l’on peut reconstituer à partir des portions de boules comprises dans le cube d’arête de longueur a = 2R du réseau cubique simple. 3 Exprimer puis calculer la compacité du polonium. 4 Présenter à l’oral à l’ensemble de la classe, à l’aide d’un support visuel [➞ fiche méthode 5], la méthode et le résultat obtenu pour la compacité du polonium.

Suivre un protocole expérimental.

Les représentations de l’élève Ici se poursuit la difficulté de la représentation d’un atome. Les problèmes sont identiques à ceux évoqués dans l’activité 1. L a représentation d’un cube en perspective cavalière permet de mener des calculs géométriques simples sur la face avant, car celle-ci a la même représentation plane.

Ce que disent les documents 1 Un réseau est l’association d’une maille (ici le cube) avec la position des atomes sur la maille. Deux réseaux sont étudiés. Pour chacun d’entre eux, deux modes de représentation sont proposés dans le doc. a : une représentation où les atomes sont modélisés par des boules tangentes entre elles ; une représentation où les atomes sont représentés par des boules plus petites afin de bien visualiser leur position sur le cube. Les couleurs bleu et rouge sont utilisées afin de faire la correspondance entre les deux représentations. Par ailleurs, la couleur rouge sera reprise dans le doc. c.

Le bloc de données constitue des rappels de géométrie. Le schéma permet de comprendre le calcul qui est mené pour mettre en relation la longueur de l’arête du cube avec le rayon des atomes dans le modèle de la tangence des atomes du réseau cubique à faces centrées. Le calcul est développé de manière à ce que les élèves puissent se réapproprier des relations faisant intervenir des puissances. Le doc. a montre qu’un dessin précis est nécessaire pour mener à son terme un calcul complexe. En particulier, on peut faire remarquer à l’élève que la longueur de l’arête du cube ne s’exprime pas de la même façon en fonction du rayon de l’atome dans les deux réseaux. Des idées de questions : Le centre du cube dans les deux réseaux est-il occupé par un atome ? Rappeler le théorème de Pythagore dans un triangle rectangle non isocèle. ?

2 Cette expérience simple permet aux élèves de s’approprier la notion de compacité. En effet, cette notion peut sembler abstraite dans le cadre du simple calcul sur une maille, un objet de taille nanométrique. En remplissant l’éprouvette graduée contenant les billes avec un liquide (doc. b), l’élève comprend que le modèle du réseau est lacunaire, et que l’objectif est d’évaluer l’importance des espaces vides. Le résultat de l’expérience sera très légèrement différent d’un groupe à l’autre. Attention de ne pas attribuer cette différence à d’éventuelles incertitudes de mesure. En effet, ici le réseau n’est pas régulier et dépendra de la façon dont chaque élève a disposé les billes dans l’éprouvette graduée. Certains auront eu besoin de plus ou moins de billes pour atteindre approximativement la graduation de 10 mL. Le calcul de compacité ou de masse volumique nécessite dans un premier temps d’évaluer le nombre d’atomes que contient une maille. Une première méthode, utilisée dans les études supérieures, consiste à déterminer à combien de mailles appartient un atome entier. Nous avons pensé que cette méthode était trop difficile à appréhender en classe de première. Une deuxième méthode repose sur la représentation en portions de boules du module 1, accompagnée du doc. c. Il apparaît alors clairement que seul un huitième d’atome (représenté en rouge) appartient à une maille du réseau. De la même manière, seule la moitié d’un atome (représenté en bleu dans le doc. a) appartient à une maille du réseau cubique à faces centrées. Le doc. d détaille complètement le calcul de la compacité dans le cas du réseau cubique à faces centrées. Le calcul est mené sous forme littérale, puis par une application numérique. L’élève devra s’inspirer de ce document pour mener un calcul analogue dans le cas du réseau cubique simple. ? Des idées de questions : Quelle est la relation liant V et Veau billes à Vtot ? Combien un cube a-t-il de sommets ? Combien un cube a-t-il de faces ?

3 Le doc. e rappelle la définition de la masse volumique d’un échantillon de matière, notion vue au collège et retravaillée en classe de seconde. Le calcul littéral de la masse volumique du polonium, cristallisant dans le réseau cubique simple, est présenté. L’élève pourra réaliser un calcul analogue dans le cas d’un réseau cubique à faces centrées. Parmi les difficultés, l’élève doit bien comprendre que le volume dont il est question dans ce calcul est celui de la maille et non d’un atome. Les unités ont été présentées dans le calcul numérique, conformément aux méthodes actuellement recommandées par plusieurs groupes de travail de l’Éducation nationale. Ceci n’est toutefois pas obligatoire, c’est pourquoi nous avons choisi d’écrire les unités en gris dans les calculs intermédiaires. L’unité dans le résultat final est obligatoire, et donc est écrite en noir.

Les

pour préparer votre séance

T ravailler en amont l’homogénéité des formules : le volume d’un cube s’exprime par une longueur (ici celle de l’arête) au cube. Le volume d’une boule dépend lui aussi d’une longueur (le rayon de la boule) au cube.  ne autre piste pour l’expérience : remplacer les billes dans U l’éprouvette graduée par du sable.

LE SAVIEZ-VOUS ? L e réseau cubique à faces centrées présente la compacité maximale qui peut être atteinte pour l’empilement de boules de même diamètre.  eul le polonium cristallise à température ambiante dans le réseau S cubique simple.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ Parcours 1 1. Les atomes se placent aux huit sommets du cube. 1 2. Ncs = 8 × = 1. 8 Vatomes 3. Ccs = Vmaille 4 × π × R3 3 = (2R)3 4 1 = 1 × × π × 3 3 2 π =  ≈ 0,52. 6 Ncs ×

4. L e support visuel doit présenter une démarche analogue à celle du module 2. Parcours 2 1. L es atomes se placent aux huit sommets du cube et au centre de chacune des six faces du cube, d’où le terme de cubique à faces centrées. N × mo 2. ρo = cfc Vmaille Ncfc × mo = (2 × Ro)3 4 × 3,27 × 10–25 kg (2 × √2 × 1,44 × 10–10 m)3 = 19 × 103 kg.m–3. =

3. Le support visuel doit présenter une démarche analogue à celle du module 3.

Indicateurs de réussite Mener à bien un calcul littéral.  érifier la cohérence du résultat : une compacité inférieure à 1 et V une masse volumique dont l’ordre de grandeur est voisin de celle du polonium. Suivre un protocole expérimental. Faire une présentation orale structurée.

? Des idées de questions : Quelles sont les unités du Système international pour la masse et le volume ? Le volume de la maille a-t-il la même expression pour les deux réseaux en fonction du rayon d’un atome ?

THÈME 1 ● CHAPITRE 2 ● Des édifices ordonnés : les cristaux

27

CHAPITRE 2

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

3

TÂCHE XE COMPLE

2

Le solide à différentes échelles

Découvrir les structures cristallines dans les organismes biologiques

c. Comparaison de la calcite et de l’aragonite

Classer les objets en différentes catégories fait partie du travail du scientifique. Ainsi les solides peuvent se distinguer en premier lieu par leur aspect à l’échelle macroscopique. Leur composition chimique ou leur structure à l’échelle nanométrique peuvent aussi être utilisées.

Formule chimique Maille

Calcite

Aragonite

CaCO3

CaCO3

Rhomboédrique

Orthorombique

Calcite

Aragonite

MISSION Réalisez un poster distinguant, en termes d’échelle et d’organisation spatiale, maille, cristal, minéral et roche.

1

Analyser des cristaux différents

d. Huître

a. Comparaison du graphite et du diamant Graphite

Coquille bivalve : face extérieure (gauche) ; face intérieure (droite)

Diamant

Échantillon macroscopique d’un cristal

3

Formule chimique

C

Analyser une roche et ses minéraux

La très grande majorité des entités contenant des atomes de carbone et d’hydrogène sont qualifées d’organiques. Ces entités peuvent aussi contenir d’autres éléments : l’oxygène, l’azote et, en particulier dans le domaine du vivant, le phosphore et le soufre, sont les plus courants. Par exemple le glucose de formule brute C6H12O6 est une entité organique.

C

Disposition des atomes

Pour le chimiste, le terme « minéral » désigne toute entité chimique qui n’est pas organique.

Masse volumique

2,1 kg·L–1

3,5 kg·L–1

0,003 euro·g–1

2 000 euro·g–1

Or

Platine

Au

Pt

Cubique à faces centrées

Cubique à faces centrées

19,3 kg·L–1

21,5 kg·L–1

Prix

En géologie, le terme « minéral » désigne les espèces chimiques naturelles se présentant le plus souvent sous forme de solide cristallin, mais aussi des familles de cristaux. Par exemple, un feldspath est un minéral dont la composition est celle d’un aluminosilicate de sodium, de potassium ou de calcium. Il existe de nombreux cristaux appartenant à la famille des feldspaths, dont par exemple : – l’orthose, de formule KAlSi3O8 pouvant contenir des traces de sodium, de fer, de baryum, de rubidium ou de calcium ; – l’anorthite calcique, de formule CaAl2Si2O8 avec des traces de titane, de fer, de sodium et de potassium.

b. Comparaison de l’or et du platine Utilisation possible

5 cm

e. Un gabbro, roche plutonique magmatique à texture grenue

COUPS DE POUCE Formule chimique Réseau Masse volumique

50

Mettez en évidence les moyens de caractériser deux cristaux différents. Dessinez des échelles de longueur approximatives. Distinguez les réseaux de maille cubique des réseaux de maille non cubique.

polarisée analysée

50

09172919_044-063_C02.indd 50

CHAPITRE 2   Des édifces ordonnés : les cristaux

26/06/2019 10:39

s problèmescientifiques  uelle distinction faire entre maille, réseau, cristal, minéral Q et roche ? Un solide se définit-il uniquement par sa formule chimique ?  es structures cristallines existent-elles dans le domaine D du vivant ?

Mobilisation des acquis Vu en cycle 4 :

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L es structures cristallines peuvent être produites par des organismes vivants.

Les compétences travaillées Rechercher et organiser l’information. Créer un support visuel.

Vu en seconde : formule chimique d’un composé ionique.

Réaliser une classification.

 ne observation au microscope d’une préparation du matériau peut U montrer des inhomogénéités non observables à l’œil nu.  ne formule chimique n’est pas suffisante pour complètement U caractériser un solide.  our une même formule chimique, deux matériaux solides peuvent P être différents car ils ne cristallisent pas dans le même réseau.  eux matériaux de formules chimiques différentes peuvent D cristalliser dans le même réseau.

26/06/2019 10:39

Une roche est constituée d’un ou de plusieurs minéraux.

Observation d’une lame mince de roche en lumière polarisée analysée.

Les grandes idées à construire

51

L e terme « minéral » peut avoir deux sens suivant le contexte dans lequel il est utilisé. En chimie, il s’oppose à organique ; une espèce organique contient des atomes de carbone (à l’exception principalement du dioxyde de carbone, des ions carbonates, du cyanure d’hydrogène et des ions cyanure). En géologie, un minéral est constitué d’un ou de plusieurs cristaux, de formule chimique précise ou pouvant présenter un gradient de composition.

Symbole chimique des éléments et notion de roche.

L a caractérisation d’un matériau peut se faire par de nombreuses techniques, dont l’observation à l’œil nu.

28

0,5 mm

f. Lame mince de gabbro observée en lumière

Les représentations de l’élève L ’élève doit ici garder en tête trois niveaux de présentation de la matière : le niveau macroscopique, présenté sous différents aspects (roche, pièce de monnaie, huître), le niveau microscopique représenté par la lame mince de roche, et le niveau nanométrique représenté par les réseaux du graphite et du diamant. L e chimiste a souvent l’habitude de manipuler des espèces chimiques pures. À une espèce chimique pure, définie par une formule chimique, peuvent correspondre plusieurs matériaux différents (par exemple le graphite et le diamant).  n « caillou » rencontré dans la nature est rarement constitué d’un U seul cristal, ou même d’un seul minéral. Ainsi, le terme roche est plus adapté pour désigner un échantillon constitué de plusieurs minéraux.

Les

Ce que disent les documents 1 L’exemple emblématique du graphite et du diamant montre que la seule formule chimique (ici C) ne permet pas de caractériser complètement un solide (doc. a). Le réseau de cristallisation doit être précisé. Ici il s’agit de réseaux autres que ceux étudiés dans l’activité précédente. L’élève peut constater que la masse volumique dépend du réseau de cristallisation. Le prix est évidemment une anecdote intéressante : on pourrait espérer faire fortune en transformant le graphite en diamant. Cette transformation est possible sous forte pression (on ne fait toutefois pas fortune car la méthode ne permet pas de faire croître des cristaux de grande taille). L’or et l’argent cristallisent tous les deux dans le réseau cubique à faces centrées étudié dans l’activité précédente. C’est ici la formule chimique qui distingue les deux matériaux (doc. b). ? Des idées de questions : Quels sont les points communs et les différences du graphite et du diamant ? Quels sont les points communs et les différences de l’or et de l’argent ?

2 Le carbonate de calcium peut cristalliser sous forme de calcite ou d’aragonite, deux formes allotropiques (doc. c). Calcite et aragonite ont donc la même formule chimique. Ils cristallisent dans des réseaux non cubiques. Calcite

Aragonite

Maille rhomboédrique

Maille orthorombique

α < 90°

c b

α

a

a≠b a≠c c ≠b

De nombreux coquillages sont capables de réaliser la transformation progressive de l’aragonite en calcite (doc. d). Des idées de questions : Quels sont les points communs et les différences de la calcite et de l’aragonite ? Selon vous, la coquille de l’huître a-t-elle été fabriquée par l’huître qui l’habite ou a-t-elle été récupérée par le mollusque dans son milieu naturel ? ?

3 La notion de minéral est difficile à appréhender car elle ne recouvre pas les mêmes notions suivant le contexte dans lequel elle est utilisée. En géologie, un minéral est un objet macroscopique qui peut être constitué d’un seul cristal, de plusieurs cristaux de même nature accolés ensemble, ou encore de cristaux de formule chimique appartenant à une même famille. Par exemple, l’orthose et l’anorthite sont deux cristaux différents, mais qui appartiennent à une même famille minérale, celle des feldspaths. Le doc. e permet une analyse simple : ce gabbro présente des zones claires et des zones sombres. Il n’est donc probablement pas constitué d’un seul type de cristaux. L’observation est confirmée par la photo de la lame mince (doc. f) observée en lumière analysée polarisée : des zones franchement différentes apparaissent. ? Des idées de questions : Une roche est-elle toujours constituée d’une seule espèce chimique ? Est-elle toujours constituée d’un seul cristal ?

pour préparer votre séance

 roposer un QCM de vérification de la bonne compréhension de P l’activité. En voici un exemple. Pour chaque proposition, choisir la réponse exacte : 1. Laquelle de ces formules représente un élément chimique : a. HCO3– ; b. CO2 ; c. C. 2. Laquelle de ces matières n’est pas une roche : a. le pétrole ; b. le charbon ; c. le sol. 3. L’ordre de grandeur de la taille d’un atome est : a. 100 m ; b. 1010 m ; c. 10–10 m. 4. La formule chimique de la coquille d’un crustacé est CaCO3. La coquille est une espèce : a. organique ; b. minérale ; c. vivante.

LE SAVIEZ-VOUS ? L e graphite est la forme stable du carbone à pression atmosphérique et température ambiante. Le diamant est la forme stable obtenue à des pressions beaucoup plus élevées. Le diamant se forme dans les couches géologiques profondes compatibles avec les fortes pressions. Il a ensuite été ramené en surface par les mouvements géologiques. Une fois à pression atmosphérique, le diamant devrait se transformer en graphite, phénomène cinétiquement extrêmement lent, ce qui est bienheureux pour les joailliers.  raphite et diamant sont dits être des formes allotropiques du G carbone. D’autres formes cristallographiques ont été synthétisées : parmi elles, le footballène ou encore les nanotubes de carbone.  lus tard dans leurs études, les étudiants se destinant aux P sciences manipuleront la notion d’espèce physico-chimique, c’està-dire une espèce chimique associée à la phase dans laquelle elle se trouve. Dans le cas du solide, la phase est décrite par le système cristallographique de l’échantillon. Ainsi, ils noteront Fe(α) ou Fe(γ), deux espèces physico-chimiques différentes pour la même espèce fer solide. Cet outil est particulièrement précieux ensuite en thermodynamique ; il évite de nombreuses confusions dans les tables de données.

Les parcours possibles PARCOURS 1 Partir de l’échelle nanométrique pour atteindre l’échelle macroscopique.

PARCOURS 2 Partir de l’échelle macroscopique pour atteindre l’échelle nanométrique.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ  n poster peut être réalisé en s’inspirant largement du schéma de U synthèse proposé page 57 du manuel.

THÈME 1 ● CHAPITRE 2 ● Des édifices ordonnés : les cristaux

29

CHAPITRE 2

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

4

2

Le verre, de l’art à la science

Analyser l’influence de la vitesse de refroidissement sur la formation de cristaux EXPÉR

Tous les solides ne sont pas formés de cristaux. Certains sont dits « amorphes » lorsque les entités qui les constituent ne sont pas ordonnées à l’échelle nanométrique. OBJECTIF Comprendre la différence entre un verre et un cristal.

IENCE

OBJECTIF Observer la solidification de deux liquides en fonction de leur mode de refroidissement.

PROTOCOLE

1. Dans un grand récipient,

1

mélanger environ 100 g de glace pilée et 25 g de gros sel afn de préparer un bain très froid. Déposer le socle d’une boîte de Petri sur ce mélange afn de la refroidir.

Découvrir la structure d’un verre à l’échelle nanométrique

À l’échelle nanométrique, les atomes de silicium de la silice cristalline se placent au centre d’un tétraèdre dont les sommets sont occupés par les atomes d’oxygène.

2. Introduire un échantillon

de 4 g de vanilline dans un erlenmeyer surmonté d’un réfrigérant à air. Faire fondre la vanilline grâce à un bainmarie.

g. Refroidissement lent

h. Refroidissement rapide

3. Transvaser la moitié de la vanilline liquide dans le socle de la boîte de Petri froide, et l’autre moitié dans un autre socle d’une boîte de Petri resté à température ambiante.

4. Observer les différences entre les deux solides formés, à l’œil nu puis à la loupe binoculaire.

3

Tétraèdre

a. Silice cristalline (formule SiO2)

b. Silice vitreuse (formule SiO2)

Observer des verres naturels

c. Verre chaud (formule SiO2)

A-Z

i. Affleurement d’obsidienne, roche volcanique entièrement constituée de verre (à gauche), coulée de lave dans la mer (à droite)

VOCABULAIRE

Lent : « qui s’effectue en une durée relativement longue », d’après le Centre national des ressources textuelles et lexicales. La lenteur est une notion relative. Ainsi, pour un géologue, le refroidissement d’une roche magmatique sur plusieurs semaines peut être considéré comme rapide par rapport au refroidissement d’un granite sur plusieurs milliers d’années.

PISTE D’EXPLOITATION

d. Quartz (formule SiO2)

52

e. Sable siliceux (formule SiO2)

1 Citer le point commun ainsi que les différences de toutes les matières présentées dans les doc. a à f. 2 Établir une relation qualitative entre la vitesse de refroidissement d’un échantillon fondu et l’aspect du solide obtenu.

f. Verre froid (formule SiO2)

52

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CHAPITRE 2   Des édifces ordonnés : les cristaux

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s problèmescientifiques L ’état solide est-il constitué uniquement d’entités organisées dans l’espace ? Comment obtenir un solide non cristallisé ? Le verre existe-t-il dans la nature ?

Mobilisation des acquis Vu en cycle 4 : La fusion est le processus de transformation d’un solide en un liquide. La transformation inverse s’appelle la solidification. Un cristal est formé d’entités organisées dans l’espace.  ans un solide ou dans un liquide, les entités sont en contact les unes D avec les autres.

Les grandes idées à construire  l’échelle nanométrique, les solides sont formés d’entités quasiment À immobiles les unes par rapport aux autres.  l’échelle nanométrique, les liquides sont formés d’entités qui À peuvent bouger les unes par rapport aux autres.

30

3 Émettre des hypothèses sur la raison pour laquelle un refroidissement rapide ne conduit pas forcément à une disposition avec ordre géométrique des entités.

09172919_044-063_C02.indd 53

53

26/06/2019 10:39

 n solide n’est pas forcément formé d’entités régulièrement U organisées dans l’espace. L es conditions de refroidissement d’un liquide peuvent influer sur le type de solide qui se forme.

Les compétences travaillées Rechercher et organiser l’information. Distinguer l’échelle nanométrique de l’échelle macroscopique. Suivre un protocole expérimental.

Les représentations de l’élève  ce stade du chapitre, l’élève associe l’état solide à un état À parfaitement organisé dans l’espace à l’échelle nanométrique. L ors de manipulations de chimie, l’élève peut être amené à manipuler des solides cristallisés. Parfois, les cristaux sont de taille suffisante pour faire apparaître des faces brillantes : un cristal est souvent associé à des faces bien formées et « jolies ».  n minéral issu de la nature est souvent associé à la notion de cristal. U Les élèves associent souvent le mot minéral aux cristaux qu’on peut trouver par exemple dans les boutiques de souvenirs dans les zones montagneuses.

 ne représentation que peut se faire un élève de la différence entre U l’état cristallisé et l’état amorphe peut être visualisée par l’étal d’un marchand de fruits :

? Des idées de questions : Quel est le nom du changement d’état de liquide à solide ? Qu’est-ce qu’une température de fusion ? Quel est le nom de la température de changement d’état lors de la transformation de liquide à solide ?

3 Les verres se rencontrent aussi fréquemment dans la nature (doc. i). Une manifestation particulièrement spectaculaire est observable lorsqu’une roche fondue est refroidie de manière brutale, par exemple parce qu’elle est plongée directement dans de l’eau. Le solide formé a un aspect souvent lisse et ne montre pas de face plane régulière. Un complément de vocabulaire permet de relativiser le mot « lenteur ». ? Idée de question : Que signifie l’expression courante « roche en fusion » ?

Les

pour préparer votre séance

 roposer un QCM de vérification de la bonne compréhension de P l’activité. En voici un exemple. Pour chaque proposition, choisir la réponse exacte : 1. La taille d’un cristal que l’on peut rencontrer sur Terre est : a. de l’ordre de grandeur de la taille de quelques atomes ; b. toujours inférieure à 1 μm ; c. comprise le plus souvent entre 0,01 μm et plusieurs mètres. 2. La transformation de l’état liquide à l’état solide s’appelle : a. une condensation ; b. une solidification ; c. une fusion.

Ce que disent les documents 1 Le module présente différents états de la matière dont la formule chimique est SiO2. À cette espèce chimique peuvent être associés de nombreux états de la matière : l’état cristallin (docs. d et e), étudié jusqu’ici, un état liquide très visqueux à haute température (un solide fondu, doc. c), mais aussi un état particulier, solide mais transparent et facilement cassable (doc. f). Deux représentations à l’échelle nanométrique sont proposées. Globalement, elles présentent toutes les deux environ deux fois plus d’atomes d’oxygène que d’atomes de silicium ; elles répondent donc à la formule SiO2. La représentation du doc. a présente des surfaces colorées. L’enseignant doit indiquer aux élèves que ce ne sont que des surfaces géométriques dessinées de manière à mieux appréhender l’empilement régulier des atomes dans l’espace. Le doc. b est une représentation où les atomes sont visiblement en désordre les uns par rapport aux autres. ? Idée de question : Tous les documents représentent-ils la matière à la même échelle ?

2 L’expérience proposée permet de montrer que la vitesse de solidification d’un liquide a une influence sur l’aspect du solide obtenu. Dans le cas d’un refroidissement à température ambiante, un solide brillant se forme (doc. g). La brillance est due aux réflexions de la lumière sur des faces cristallographiques bien formées : le solide est cristallin. Dans le cas d’un refroidissement dans un milieu très froid (proche de –15 °C), la solidification est rapide (doc. h). Le solide présente des zones brillantes, mais aussi des zones mates. Ces zones mates ne sont pas constituées de cristaux.

3. Lorsqu’on diminue la température d’un liquide en dessous de sa température de fusion, ce liquide : a. se vaporise ; b. se transforme en glace ; c. se solidifie.

LE SAVIEZ-VOUS ? L ’état amorphe n’est pas réservé au verre. Les matières plastiques sont souvent obtenues dans un état amorphe : les longues chaînes de polymère ne peuvent pas s’organiser spontanément ; elles restent désordonnées les unes par rapport aux autres.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ 1. Le point commun entre toutes les matières présentées dans le module 1 est la formule chimique. Les différences sont : – les docs. a et b présentent les matières à l’échelle nanométrique ; les autres documents présentent des verres à l’échelle macroscopique ; – doc. c : état liquide (très visqueux). Docs. d à f : état solide ; – docs. d et c : cristaux, de plus ou moins grande taille. Doc. f : solide d’aspect différent (du verre). 2. L orsque le refroidissement est lent, le solide formé est brillant ; il est formé de cristaux. Lorsque le refroidissement est rapide, le solide garde la forme du liquide initial et son aspect est différent. C’est un solide amorphe. 3. L’état solide amorphe est constitué d’entités en état désordonné, tandis que l’état solide cristallin est constitué d’entités ordonnées. Le passage de l’état liquide à l’état solide nécessite qu’une organisation se mette progressivement en place. En cas de refroidissement brutal, la matière se durcit mais l’organisation à l’échelle nanométrique n’a pas le temps de se mettre en place.

THÈME 1 ● CHAPITRE 2 ● Des édifices ordonnés : les cristaux

31

CHAPITRE 2 Livre de l’élève

Industrie des métaux et du verre

IRE HISTO X ENJEU TS DÉBA

Industrie du verre

g. au xixe siècle en France

Comment l’histoire de la production de ces matériaux a-t-elle été influencée par leur méthode de fabrication ?

La technique du soufflage de verre date du premier siècle avant notre ère. Elle permet de donner une forme creuse à un objet en verre à partir d’un mélange liquide à haute température. Ce mélange est composé majoritairement de silice (SiO2, constituant principal du sable), qui fond à 1 713 °C lorsqu’elle est pure. Des oxydes métalliques jouent le rôle de « fondants » en abaissant la température où le mélange devient liquide : par exemple, l’ajout d’oxyde de sodium Na2O en quantité adaptée à la silice permet d’obtenir une fusion vers « seulement » 1 000 °C, ce qui facilite donc le travail du souffleur.

B2O3 (oxyde de bore) 7%

B2O3 (oxyde de bore) 7%

D’après Matthieu Brejon de Lavergnée. « Un secteur en transition ? L’industrie du verre en France au milieu du xixe siècle », Histoire, économie et société, 2002.

Vidéo

f. Production de verre par département en 1840 h. Extraction et traitement des minerais

a. Technique du soufflage de verre

Na2O (oxyde de sodium) 5% Al2O3 (alumine) 2%

Texte intégral

L’industrie du verre dépend des approvisionnements en matières premières, en combustibles, et des marchés de biens de consommation finale. Les matières premières utiles aux verreries peuvent se trouver partout, favorisant ainsi une certaine dissémination des sites. Quant aux combustibles, les principaux lieux d’extraction de la houille sont assez concentrés. […] Encombrant à stocker, fragile à transporter, le verre gagne à être écoulé rapidement. Les grandes villes favorisent ainsi une certaine concentration des verreries : l’essor des verreries parisiennes ne peut s’expliquer autrement.

Les métaux et le verre sont utilisés par l’Homme depuis la Préhistoire : il y a environ 6 000 ans pour le cuivre et le plomb, 3 500 ans pour le fer, 4 500 ans pour le verre. Ces matériaux sont aujourd’hui au cœur de technologies de pointe : batteries, fibres optiques, cellules photovoltaïques…

b. Fabrication et soufflage du verre au Moyen Âge

CaO (chaux) 5% BaO (baryte) 5% MgO (magnésie) 2%

MgO (magnésie) 7%

Na2O (oxyde de sodium) 2% Al2O3 (alumine) 2% Fe2O3 (oxyde de fer) 2%

Le minéralogiste allemand Georg Bauer (1494-1555), dit Agricola, vit en Saxe, au cœur d’une grande région minière au xvie siècle. Son ouvrage le plus célèbre, De re metallica, publié en latin à titre posthume (1556), décrit très en détail l’extraction et le traitement des minerais, à l’aide de nombreuses gravures. Par exemple, l’illustration à la page 255 (montrée ici doc. i) de l’ouvrage présente le broyage du minerai d’or à l’aide d’un pilon (colonnes de bois à gauche) actionné par une roue (au fond) et son extraction : le mélange de minerai et d’eau coule lentement le long de petits canaux recouverts de tissu sur lequel les paillettes d’or se déposent.

Vidéo

i. Broyage et lavage du minerai d’or, extrait de l'ouvrage De re metallica d’Agricola (1556)

A-Z

VOCABULAIRE

Minerais de fer : roche naturelle contenant l’élément fer associé à d’autres éléments, comme par exemple l’hématite de formule Fe2O3.

SiO2 (silice) 81 % Source : Pascal Richet, « Une brève histoire du verre », 2017.

c. Composition

du verre « Pyrex »

54

Fer métallique : espèce chimique de formule Fe(s).

CaO (chaux) 16 %

Al2O3 (alumine) 12 % SiO2 (silice) 69 % Source : Pascal Richet, « Une brève histoire du verre », 2017.

d. Composition du verre d’un écran plat

K2O (oxyde de potassium) 18 %

j. Élaboration du fer métallique par les Gaulois

En équipes SiO2 (silice) 53 %

Source : Pascal Richet, « Une brève histoire du verre », 2017.

e. Composition d’un verre

européen potassique de l’époque carolingienne

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C omment le verre, le fer et l’or ont-ils été fabriqués, ou isolés, historiquement ?  uels étaient les besoins des verriers et métallurgistes Q médiévaux ?

Mobilisation des acquis Vu en cycle 4 et en seconde : phénomène de fusion, notion de mélange (en ce qui concerne l’or, il n’y a pas de réaction chimique, mais juste une séparation du métal de sa gangue). Vu en seconde : écriture d’équations de réaction en reconnaissant les réactifs et produits cités (charbon, monoxyde de carbone, oxyde de fer, fer). Activité 4 : structure du verre.  our certains élèves : exothermicité des combustions ; extraction par P un solvant (ici il ne s’agit pas d’une dissolution de l’or dans l’eau, mais juste d’isolement par un phénomène lié à sa densité très élevée) (programme de spécialité de physique-chimie de première).

Les grandes idées à construire L es productions de verre et de métal fonctionnent en fait sur les mêmes principes et ont les mêmes besoins : matières premières, combustibles, clients et savoir-faire.

Les compétences travaillées Exploiter des documents. Rédiger une argumentation scientifique. Mettre en relation des informations données dans des documents.

!

Équipe métaux Recensez les besoins pour la production historique d’or et de fer. Quels seraient les lieux idéaux pour leur production ?

En commun Dessinez un schéma récapitulatif pour la production historique de métaux et de verre, en mettant en évidence les points communs et les différences de ces techniques.

CHAPITRE 2   Des édifces ordonnés : les cristaux

s problèmescientifiques

32

Équipe verre Identifez les besoins des verriers et proposez des explications à la géographie d’implantation des verreries en France au milieu du xixe siècle.

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 obiliser ses connaissances pour tirer des informations M de graphiques.

Ce que disent les documents a Le texte présente le constituant principal du verre (silice) et le rôle des fondants. b La vidéo montre la technique médiévale de fabrication du verre : la silice doit être chauffée en présence de fondants (comme expliqué dans le doc. a) pour abaisser sa température de fusion. Les verreries médiévales ont besoin de sable (silice, matière première), de cendres végétales (fondants) et de bois de chauffe (source d’énergie pour élever la température du mélange). La vidéo explique également le rôle de chaque artisan dans la verrerie et signale la commercialisation vers la ville. Les fabrications de verre plat et de vitraux sont ensuite présentées. c , d et e Les diagrammes décrivent la composition de différents verres. Quels que soient son usage et son origine, la silice est toujours le constituant largement majoritaire. Mais tous les verres contiennent aussi d’autres oxydes : notamment de potassium, de calcium, d’aluminium et de bore, en proportions très variables. f et g La carte et le texte, en lien avec la vidéo du doc. b, indiquent et expliquent la localisation des verreries, qui ont besoin de matières premières (sable et fondants par exemple), de combustibles pour chauffer, et de clients pour vendre. Elles sont donc localisées là où il y a des forêts ou du charbon (pays miniers du nord-est de la France et région de la Loire notamment) ainsi que dans les grandes agglomérations (Paris, Lyon, Nantes, Bordeaux, Lille) où la production peut être rapidement vendue.

h et i Le texte et l’image décrivent les techniques médiévales d’extraction de l’or. j La vidéo montre une technique ancestrale de réduction du minerai de fer par le charbon dans un « bas-fourneau ». Le charbon est oxydé en monoxyde de carbone par le dioxygène puis le monoxyde de carbone réduit l’oxyde de fer en fer métallique. On peut éventuellement écrire des équations de réaction : 2 C (s) + O2 (g) = 2 CO (g) pour la première étape (réaction de combustion très exothermique qui maintient une température élevée dans le fourneau) et 6 CO (g) + 2 Fe2O3 (s) = 6 CO2 (g) + 4 Fe (s) si on part d’hématite. La vidéo évoque aussi un réseau commercial d’échange de fer par les gaulois.

Les

pour préparer votre séance

 uelques éléments de métallurgie moderne : à part pour les « métaux Q natifs » (comme l’or), il s’agit toujours de réduire un minerai (où le métal est oxydé) en métal à l’état d’oxydation 0. Cela peut se faire par voie chimique (par un réducteur comme le carbone ou le dihydrogène) ou par voie électrochimique, par électrolyse, quand le métal est trop réducteur (cas de l’aluminium).  n peut s’intéresser aux différents combustibles possibles utilisés O dans l’histoire : bois, charbon de bois, charbon de terre (houille), coke, tourbe, lignite, etc. Ces dénominations désignent des variétés historiques de combustibles, trouvés dans la nature ou « affinés » par l’homme. On trouve facilement des renseignements sur Internet, par exemple ici : www.societechimiquedefrance.fr/houille. Il peut aussi être utile de distinguer les différentes formes du « métal » fer : fer, acier, fonte. Par exemple (de très nombreuses sources sont possibles) : – www.universalis-edu.com/encyclopedie/fer-fonte-et-acier-repereschronologiques ; – www.universalis-edu.com/encyclopedie/architecture-materiaux-ettechniques-fer-et-fonte.  roposer un QCM de vérification de la bonne compréhension de P l’activité. En voici un exemple. Pour chaque proposition, choisir la réponse exacte : 1. Le constituant majoritaire du verre est : a. l’alumine ; b. l’eau ; c. la silice. 2. La présence de verreries dans Paris au xixe siècle s’explique par : a. des mines de houille dans Paris ; b. la présence de clients auxquels vendre la production ; c. des carrières de sable dans Paris. 3. Le minerai de fer est réduit en fer métallique par : a. le charbon ou le monoxyde de carbone ; b. le feu ; c. l’air. 4. Une rivière est nécessaire lors de l’extraction de l’or (plusieurs réponses possibles) : a. pour amener l’eau qui est mélangée au minerai et qui s’écoule le long des petits canaux ; b. pour réduire le minerai d’or ; c. pour entraîner la roue qui actionne le pilon.

LE SAVIEZ-VOUS ? L a coloration du verre provient de cations de métaux de transition (souvent présents sous forme d’oxydes) dans le verre, notamment le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre, le chrome, le manganèse… Voir par exemple : www.verreonline.fr/dos_them/dossiers/ Verre(vol11-n4p4-16).pdf. E n anglais et en allemand, le nom de l’or vient de sa couleur : jaune se dit « geolu » en vieil-anglais, d’où « gold » pour l’or en anglais ; en allemand, on entend bien le rapport entre « gelb » (jaune) et Gold (or). Le nom « or » en français vient du latin « aurum », qui est lui-même issu de « ausom », qui serait le nom indo-européen de l’or. Cette racine latine se voit dans l’adjectif « aurifère », dans les noms des sels d’or (aureux, aurique) mais aussi dans « auréole » (couronne dorée) !  u Moyen Âge, les rivières étaient indispensables pour apporter A l’énergie mécanique nécessaire au fonctionnement des ateliers métallurgiques : les moulins à eau permettaient d’actionner les pilons ou les meules pour broyer le minerai ainsi que les soufflets pour apporter l’air nécessaire aux opérations métallurgiques.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ Équipe verre Les besoins des verriers au milieu du xixe siècle étaient du sable (silice), des fondants (cendres végétales en général), des combustibles (charbon et ses variantes), des clients, un réseau de distribution du verre et un savoir-faire artisanal pour la mise en œuvre de techniques de fabrication du verre liquide et de sa mise en forme finale. Équipe métaux Les besoins pour la production d’or étaient du minerai d’or, de l’eau, une source d’énergie pour actionner les pilons, c’est-à-dire une roue probablement entraînée par une rivière (et donc un moulin), des clients, un réseau de distribution de l’or et un savoir-faire artisanal pour la mise en œuvre des techniques. Il faut donc idéalement se situer près d’une mine (pour minimiser les coûts de transport du minerai) et le long d’une rivière (eau et source d’énergie). Les besoins pour la production de fer étaient du minerai d’oxyde de fer, des combustibles (charbon et ses variantes), des clients, un réseau de distribution du fer et un savoir-faire artisanal pour la mise en œuvre de techniques de fabrication du fer (sous forme de fer, de fonte ou d’acier) et sa mise en forme pour constituer des objets. En commun Un schéma quelconque représentant par exemple au centre une verrerie (ou une fabrique de fer ou d’or) avec ses besoins communs en matières premières, sources d’énergie et savoir-faire, et ses sorties vers les clients. Matières premières – pour le verre : sable (silice), fondants (centres végétales) – pour le fer : minerai (oxyde de fer mélangé à une gangue) – pour l’or : minerai (filon d’or « natif » mélangé à une gangue) et eau (rivière)

Main d’œuvre : ouvriers avec savoir-faire artisanal

Énergie – pour le verre : combustible (charbon, houille…) – pour le fer : combustible (charbon, houille…) – pour l’or : énergie mécanique (moulin à eau)

Fabrique Verrerie Fourneau pour la fabrique de fer Atelier de fabrication d’or

Réseau de distribution : commerces, routes, moyens de transport (charrettes, bateaux…), système d’échange financier

Clients

Indicateurs de réussite Identification des besoins communs : énergie (combustible ou énergie mécanique pour actionner les pilons), matières premières, savoirfaire, clients.

THÈME 1 ● CHAPITRE 2 ● Des édifices ordonnés : les cristaux

33

CHAPITRE 2 Livre de l’élève SYNTHÈSE Des édifices ordonnés : les cristaux

SYNTHÈSE

MÉMO

SCHÉMA

Podcast Texte DYS

Bilan animé

L’ÉTAT CRISTALLIN La matière existe principalement sous trois états : solide, liquide et gazeux. Un solide peut se caractériser par sa formule chimique, mais aussi par la disposition de ses entités les unes par rapport aux autres. Le chlorure de sodium solide (présent dans les roches, ou issu de l’évaporation de l’eau de mer) est constitué d’un empilement régulier d’ions : c’est l’état cristallin. Dans le cas d’entités monoatomiques, les atomes et les ions sont modélisés par des boules indéformables. Ces boules sont dessinées dans des représentations 3D informatisées avec une taille permettant de montrer leur tangence, ou, pour mieux visualiser la disposition, par des boules plus petites. Un lien existe entre l’organisation à l’échelle nanométrique et la forme des cristaux à l’échelle macroscopique. Plus généralement, une structure cristalline est défnie par une maille élémentaire répétée périodiquement. Un cristal est défni par la forme géométrique de la maille, la nature et la position dans cette maille des entités qui le constituent. ➞ activité 1

Les cristaux les plus simples peuvent être décrits par une maille cubique que la géométrie du cube permet de caractériser. La position des entités dans cette maille distingue les réseaux cubique simple et cubique à faces centrées.

A-Z

MOTS CLÉS

Entité : atome, molécule, anion ou cation. Échelle nanométrique : échelle des objets dont l’ordre de grandeur va du dixième de nanomètre à la dizaine de nanomètres. 1 nm = 1 × 10–9 m. Échelle macroscopique : échelle des objets visibles à l’œil nu. Maille : polyèdre dont la répétition périodique dans l’espace permet d’occuper tout l’espace. Répétition périodique : une grandeur est périodique lorsqu’elle se répète indéfniment identique à elle-même dans le temps ou dans l’espace. Cristal : objet macroscopique constitué d’un grand nombre d’entités organisées dans un réseau.

Ces réseaux peuvent se représenter en perspective cavalière, un mode de représentation en deux dimensions d’un objet en trois dimensions.

Réseau : position des entités dans la maille.

La structure à l’échelle nanométrique du cristal conditionne certaines de ses propriétés macroscopiques, dont sa masse volumique.

Masse volumique : quotient de la masse d’un échantillon par son volume.

➞ activité 2

DIFFÉRENTES ÉCHELLES D’ORGANISATION DE L’ÉTAT SOLIDE Un composé de formule chimique donnée peut cristalliser sous différents types de structures qui ont des propriétés macroscopiques différentes. Ainsi les minéraux se caractérisent par leur composition chimique et leur organisation cristalline. Une roche est formée par l’association d’un ou de plusieurs minéraux. Exemple. Le granite est formé de minéraux comme le quartz, les micas et les feldspaths. Parmi les feldspaths on peut trouver des cristaux d’orthose ou d’anorthite. Des structures cristallines existent aussi dans les organismes biologiques (coquille, squelette, calcul rénal, etc.). ➞ activité 3

Roche : matériau constitutif de la surface terrestre pouvant être composé d’un ou de plusieurs cristaux identiques ou différents, et pouvant contenir du verre. Minéral : espèce chimique naturelle se présentant le plus souvent sous forme de solide cristallin, mais aussi de famille de cristaux. Solide amorphe : solide dont les entités ne sont pas disposées régulièrement à l’échelle nanométrique. Verre : solide amorphe principalement constitué de silice SiO2.

DES SOLIDES SANS ORDRE GÉOMÉTRIQUE Dans le cas des solides amorphes, l’empilement d’entités se fait sans ordre géométrique. C’est le cas du verre. Certaines roches volcaniques contiennent du verre, issu de la solidifcation très rapide d’une lave. ➞ activité 4

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CHAPITRE 2   Des édifces ordonnés : les cristaux

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SYNTHÈSE Remarque : nous avons tout au long de ce manuel utilisé le terme « échelle nanométrique », plutôt que « microscopique ». En effet, les enseignants de physique-chimie utilisent le terme « échelle microscopique » pour désigner les objets de la taille des atomes ou des molécules. Les enseignants de SVT utilisent ce terme pour désigner ce qui est observable par un microscope. Il y a ici une petite contradiction que nous avons voulu lever en utilisant un terme plus précis. Il serait souhaitable de proposer aux élèves une lecture du schéma bilan en partant de l’objet macroscopique que constitue la roche (partie basse du schéma). La roche proposée présente toutes les caractéristiques étudiées dans le chapitre : une zone amorphe, une zone cristalline clairement identifiée, et une zone observée en microscopie montrant différentes zones cristallines (donc un minéral).  e ces observations résulte la construction de modèles d’étude : D l’agencement régulier des atomes dans l’espace peut s’étudier grâce à la notion de réseau. Les deux réseaux au programme sont représentés (en haut à droite du schéma), et les définitions de la masse volumique et de la compacité sont proposées en formules littérales. E nfin, la notion de réseau s’appuie sur la notion de maille, un objet géométrique (ici le cube, en haut à gauche du schéma). Les deux grandeurs fondamentales à la représentation en perspective cavalière sont rappelées.  ans chaque zone de représentation, une échelle est précisée afin que D les élèves puissent constamment effectuer le « jonglage » intellectuel d’une modélisation macroscopique à une modélisation à l’échelle nanométrique.

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CORRIGÉS DES EXERCICES

POUR S’ENTRAÎNER La méthode proposée permet à l’élève de comprendre comment structurer des calculs à partir d’un schéma correctement légendé. 1 Étape 1 : une maille contient Ncs = 8 × = 1 atome de polonium. 8 Étape 2 : la masse de NCS atomes est de 1 × m = m = 3,49 × 10–25 kg. Étape 3 : le volume de la maille est V = a3 = 3,79 × 10–29 m3. m 3,49 × 10–25 kg Étape 4 : la masse volumique est ρ =  = 3,79 ×10–29 m3 = 9 210 kg.m–3. V

RÉPONSES DU QUIZ 1.b / 2.b / 3.c / 4.c / 5.b / 6.b / 7.a / 8.c / 9.c / 10.c

Livre de l’élève MÉTHODE Calculer une masse volumique

Vérifier ses connaissances EXERCICES

QUIZ Énoncé L’argent est un métal cristallisant dans le réseau cubique à faces centrées. Une représentation utilisant le modèle des portions de boule ainsi qu’une représentation utilisant des boules de taille réduite sont présentées ci-contre.

1

DONNÉES • longueur de l’arête de la maille : a = 4,09 × 10–10 m.

2 R

a R

3

Méthode

Application

ÉTAPE 1  Identifer qu’un atome d’argent occupe chacun des centres des six faces du cube et chacun des huit sommets du cube. D’autre part : • seule la moitié d’une boule occupant le centre d’une face est à l’intérieur de la maille ; • seul un huitième d’un atome d’argent occupant un sommet du cube est à l’intérieur de la maille.

4

ÉTAPE 3  Le volume est le produit de trois longueurs.

Vm = a3.

5

Un réseau cristallin est défini par : a une maille b une maille et la position des atomes dans la maille c la nature des atomes qui le constituent

A.N. : mm = 4 × 1,79 × 10–25 kg = 7,16 × 10–25 kg

A.N. : Vm = (4,09 × 10–10 m)3 = 6,84 × 10–29 m3 ÉTAPE 4  En français, le suffixe -ique signie « relatif à ». La masse volumique est donc la masse relative au volume.

L’unité du Système international de la masse volumique d’un échantillon de matière est le :

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE sur le thème « Des édifices ordonnés : les cristaux ».

mm . Vm 7,16 × 10–25 kg A.N. : ρ = 6,84 × 10–29 m3

ρ=

 c bbb

ccc

Vatomes V    b C = Vatomes × Vmaille   c C = maille Vmaille Vatomes

8

Un échantillon de matière contient de l’aragonite de formule CaCO3(s) et de l’oxyde de magnésium de formule MgO(s). Cet échantillon de matière peut constituer :

9

L’empilement des entités dans un verre se fait :

V m    c ρ = m V

a kilogramme par litre (kg·L ) b mètre cube par kilogramme (m3·kg–1) c kilogramme par mètre cube (kg·m–3)

N = 3 + 1 = 4.

 b aaa

On note Vatomes le volume occupé par les atomes à l’intérieur d’une maille. La compacité d’un réseau est définie par : a C=

–1

à partir des atomes situés sur chacun des sommets.

mm = N × m.

7

L’expression de la masse volumique r d’un échantillon de masse m et de volume V est : a ρ = m × V   b ρ =

1 On peut reconstituer 6 × = 3 atomes 2 à partir des atomes situés sur chacun des centres des faces. 1 On peut reconstituer 8 × = 1 atome 8

ÉTAPE 2  La masse de N atomes est le produit de la masse d’un atome par N.

Le schéma en perspective du réseau cubique à faces centrées est :

a

Une structure cristalline est définie par une maille élémentaire : a isolée b répétée périodiquement c toujours cubique

R R

6

Le chlorure de sodium est constitué d’un empilement régulier : a d’atomes b d’ions c de molécules

• masse d’un atome d’argent : m = 1,79 × 10–25 kg.

1. Calculer le nombre N de boules entières que l’on peut reconstituer dans le cube d’arête de longueur a. 2. Exprimer puis calculer la masse mm de ces N atomes. 3. Exprimer puis calculer le volume Vm du cube d’arête de longueur a. 4. Exprimer puis calculer la masse volumique ρ de l’argent.

Parmi les affirmations suivantes, choisissez la réponse exacte.

a une maille  b un cristal  c une roche

a avec un ordre géométrique rigoureux b avec un ordre géométrique approximatif c sans ordre géométrique

10 L’objet pouvant être constitué de cristaux est : a un liquide b un verre c une coquille de mollusque

1

Roche et cristal

Le fragment de roche ci-dessous est extrait de la mine Victoria en Espagne. La partie cubique est constituée de pyrite de formule chimique FeS2.

L’étiquette centrale doit s’intituler

Roche

= 1,05 × 104 kg·m–3

Associer à l’étiquette centrale, par le moyen graphique de votre choix, des étiquettes de votre initiative comprenant par exemple les notions suivantes :

Pour s’entraîner Le polonium est le seul métal dont le réseau cristallin à température ambiante est cubique simple. Exprimer puis calculer la masse volumique ρ du polonium.

Réseau

Cristal

Maille

DONNÉES

R

• longueur de l’arête de la maille : a = 3,36 × 10–10 m.

 1. Pourquoi cet objet est-il qualifé de roche ?  2. Quelle information probable nous donne cette photo sur la maille dans laquelle la pyrite cristallise ?

• masse d’un atome de polonium : m = 3,49 × 10–25 kg.

R

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CHAPITRE 2   Des édifces ordonnés : les cristaux

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1

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE

Maille

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Cubique simple

Masse volumique

Cubique à faces centrées

Compacité

Réseau

59

59

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Roche et cristal

1. L’objet est qualifié de roche car il contient au moins un cristal (cube) et d’autres éléments solides, probablement d’autres cristaux (partie inférieure). 2. Le cristal est cubique. Il est probable que la maille soit cubique aussi.

Cristal

Minéral

Verre

Roche

Indicateurs de réussite Les mots clés importants sont repérés. L es mots clés faisant référence aux différentes échelles d’observation sont liés entre eux (roche, minéral, cristal, maille/réseau). L es grandeurs physiques (masse volumique, compacité) sont distinguées des objets observables.

THÈME 1 ● CHAPITRE 2 ● Des édifices ordonnés : les cristaux

35

CHAPITRE 2 Livre de l’élève EXERCICES Extraire des informations 2

Analyser des informations et raisonner EXERCICES 4 Identifier des roches au laboratoire

Morphologie des cristaux

OBJECTIF Relier l’organisation de la maille à l’échelle nanométrique à la structure du cristal au niveau macroscopique.

OBJECTIF Identifier des roches sur des échantillons.

Dans la collection du laboratoire de SVT, trois échantillons de roche ont été mélangés. Les élèves cherchent à les identifer.

L’aragonite et la calcite se rencontrent aussi bien chez les êtres vivants que dans les roches.

a. Apparence des trois échantillons de roche

DONNÉES Nom

Formule chimique

Maille c

b

Aragonite

CaCO3 a≠b a≠c c ≠b

a

Orthorhombique α < 90°

Roche 1

 1. Déterminer si l’aragonite et la calcite sont des composés ioniques différents ou identiques. Justifer.  2. Déterminer, lequel du cristal de gauche ou de droite est de l’aragonite, l’autre étant de la calcite.

Calcite

CaCO3

α

Roche 2

b. Protocole pour identifier les roches

DONNÉES

Rhomboédrique

1. Peser chacun des échantillons et noter leur masse

Masse volumique de quelques roches présentes en surface de la Terre :

m1, m2 et m3.

2. Ajouter de l’eau dans une éprouvette graduée

3

de 200 mL jusqu’à la graduation 100 mL. Immerger complètement l’échantillon de roche 1 et noter le volume V1 de l’ensemble {eau ; roche}. Recommencer cette étape avec les échantillons de roche 2 et 3.

La fluorine : à chaque ion son réseau

OBJECTIF Dénombrer les atomes par maille.

La fluorine est un composé ionique contenant l’ion calcium Ca2+ et l’ion fluorure F–. Le réseau de ce composé est représenté ci-dessous.

Ca

a

 1. Nommer la maille et le réseau dans lesquels l’ion fluorure cristallise.  2. Nommer la maille et le réseau dans lesquels l’ion calcium cristallise.  3. Dénombrer les ions fluorure présents dans le cube d’arête de longueur a.  4. Dénombrer les boules entières modélisant les ions calcium qui peuvent être reconstituées à partir des portions de boules comprises dans le cube d’arête de longueur a.  5. En déduire la formule de la fluorine.

a. Réseau de la fluorine

60

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Morphologie des cristaux

1. L a calcite et l’aragonite ont la même formule chimique mais ne cristallisent pas dans le même réseau car les mailles ne sont pas identiques : ce sont des composés ioniques différents. 2. L e cristal de gauche a des arêtes perpendiculaires et pas celui de droite. La forme des cristaux est souvent en lien avec la forme de la maille. Ainsi le cristal de gauche est de l’aragonite tandis que celui de droite est de la calcite.

La fluorine : à chaque ion son réseau

1. L e réseau des ions fluorure se décrit par une maille cubique et un réseau cubique simple. 2. L e réseau des ions calcium se décrit par une maille cubique et un réseau cubique à faces centrées. 3. C haque ion fluorure est intégralement à l’intérieur du cube. Il y a donc 8 entités d’ion fluorure par cube. 1 1 4. L e nombre d’entités d’ion calcium par cube est de 8 ×  + 6 × = 4. 8 2 5. Il y a deux fois plus d’ion fluorure que d’ion calcium. La formule du composé ionique est CaF2, ce qui est bien compatible avec sa neutralité électrique.

36

138

Basalte

Péridotite

2,7 à 3,2

3,2 à 3,4

3

Imprimante de verre 3D

OBJECTIF Discuter de la structure amorphe d’un verre et non amorphe d’un cristal.

 1. Citer la différence entre l’état liquide et l’état cristallin à l’échelle nanométrique.  2. Selon vos connaissances, préciser si cette différence existe encore entre l’état liquide et l’état amorphe.  3. Citer le changement d’état de la matière associé au mot « fondu » utilisé dans le texte. Déterminer s’il est correctement utilisé dans le cadre de ce document. Justifer.  4. L’auteur utilise en fn de document le terme « durcir ». Expliquer en quoi ce terme est plus approprié ici que le terme « se solidifer ».

Vidéo

La partie haute de l’imprimante 3D est équipée d’un four destiné à fondre le verre à une température de 1 037 °C. Le verre fondu est ensuite dirigé vers la partie basse pour être extrudé avec une buse spécifique composée d’Alumine-Zircone-Silice, un alliage capable de supporter de très hautes températures, soit jusqu’à 1 640 °C. Comme pour n’importe quelle imprimante 3D de bureau, la matière est ensuite déposée couche après couche selon les coordonnées transmises par le fichier 3D, pour enfin refroidir et durcir. D’après www.primante3d.com.

CHAPITRE 2   Des édifces ordonnés : les cristaux

CORRIGÉS DES EXERCICES

3

125

172

60

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2

180

5

coupée en huit

2+

2

152 152

Granite 2,4 à 2,7

doc. Du verre imprimé en 3D à 1 037 °C

b. Schéma d’une boule

F–

1

Masse (en g) Volume Vi (en mL)

Roche Masse volumique en g·mL–1

 1. Expliquer pourquoi l’observation à l’œil nu permet de classer les échantillons comme des roches et non comme des cristaux.  2. Analyser les expériences et les données afn de déterminer le nom de chacune des trois roches de la collection du laboratoire de SVT.

c. Résultats de l’expérience Échantillon no i

Roche 3

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61

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4 Identifier des roches au laboratoire 1. Chaque échantillon montre des zones de couleurs voire de textures différentes, ce qui est compatible avec des roches et non des cristaux. 2. Les masses volumiques sont de : ρ1 = 2,92 g.mL–1 : Basalte ; ρ2 = 2,50 g.mL–1 : Granite ; ρ3 = 3,29 g.mL–1 : Péridotite.

5

Imprimante de verre 3D

1. À l’échelle nanométrique les entités sont dans un état ordonné dans l’état cristallin, et dans un état désordonné dans l’état liquide. 2. Cette différence n’existe plus entre l’état liquide et l’état amorphe. 3. Le mot « fondu » fait référence à la fusion, transformation de l’état solide à l’état liquide. Le terme est donc correctement employé dans le document. 4. La solidification est la transformation de l’état liquide à l’état solide cristallin. Or le verre n’est pas un état solide cristallin, mais solide amorphe. Le terme « durcir » est donc approprié ici.

Livre de l’élève EXERCICES

EXERCICES

Vers le BAC exercice guidé

exercice non guidé Vers le BAC

6 La découverte du polonium

7 Le basalte, une roche magmatique

OBJECTIFS Exploiter des documents – Effectuer des calculs.

OBJECTIFS Exploiter des documents – Rédiger une argumentation scientifique.

En 1898, Pierre et Marie Curie découvrent le polonium. Ainsi nommé en hommage au pays natal de Marie Curie, la Pologne, ce métal cristallise dans le réseau cubique simple. N (en million)

Le basalte est une roche magmatique volcanique rencontrée le plus souvent dans la croûte océanique.  1. Citer, en justifant, le matériau non cristallin présent dans le basalte. Justifer sa présence.  2. À partir de l’ensemble des documents, décrire le basalte en distinguant différentes échelles et en illustrant les notions de maille, cristal, minéral et roche.

DONNÉES

1

Volume d’une boule de rayon R : V =

0,9 0,8

4 π R3. 3

a. Échantillon de basalte

Polonium

0,7 0,6 0,5 0,4

Réseau de cristallisation

Cubique simple

Arête de la maille

a = 3,36×10–10 m

Demi-vie du polonium-210

138 jours

Feldspath plagioclase

0,3

GUIDE D’EXPLOITATION

0,2 0,1 0

0

50

100

150

200

250

300 350 t (en jour)

a. Courbe de décroissance radioactive

Olivine

1. Faire une représentation de la maille cubique dans laquelle cristallise le polonium en utilisant : • l’échelle 2 cm sur le dessin pour 1 × 10–10 m dans la réalité ; c • un coefficient de fuite = 0,60 ; b

Pyroxène

• un angle de fuite α = 30°.

0,5 mm

2. Ajouter sur le dessin précédent une représentation des atomes dans le réseau de cristallisation en modélisant les atomes par des boules de petite taille par rapport à l’arête de longueur a.

Chaussée des Géants en Irlande.

3. Déterminer le nombre N d’atomes que contient une maille.

DONNÉES

4. Dans le modèle des boules, les atomes de polonium sont tangents dans le réseau. Indiquer sur le schéma précédent où a lieu cette tangence. En déduire le rayon Rp d’un atome de polonium.

b. Roche de pechblende dont Marie Curie a extrait le polonium

a : dans la réalité c : sur le schéma

H

G C

D

E

α

A

Ligne d’horizon F

c. Lame mince de basalte

b. Affleurement de basalte

Type de minéral Exemple de cristal

Plagioclase

Pyroxène

Forstérite Mg2SiO4

Albite NaAlSi3O8

Diopside CaMgSi2O6

Fayalite Fe2SiO4

Olivine

Anorthite CaAl2Si2O8

Jadéite NaAlSi2O6

Maille de quelques cristaux

5. Exprimer puis calculer le volume Vmaille de la maille cubique.

Diopside Jadéite

6. Exprimer puis calculer le volume Vatomes occupé par les atomes de polonium dans une maille.

Forstérite Fayalite

β  90° α, γ = 90°

7. En déduire la compacité du réseau cubique simple. L’exprimer en %. 8. Un cristal de polonium est constitué de 1 million d’atomes de polonium-210, espèce chimique radioactive. Déterminer au bout de combien de jours ce cristal ne contiendra plus que 250 mille atomes de polonium-210.

b

β

B

α γ

a : dans la réalité b : sur le schéma Monoclinique

c. Représentation d’un cube en perspective cavalière

c

62

a

a≠b a≠c c ≠b

Orthorombique

CHAPITRE 2   Des édifces ordonnés : les cristaux

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CORRIGÉS DES EXERCICES

6 La découverte du polonium 1. L e cube doit avoir une arête de longueur 7,7 cm. 2. 

a’

1 3. La maille contient N = 8 ×  = 1 atome par maille. 8

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63

63

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7 Le basalte, une roche magmatique 1. Le basalte se retrouve le plus souvent dans la croûte océanique. Il est donc probable que le magma ait subi un refroidissement rapide. Il doit ainsi contenir du verre, matériau non cristallin. Sur la lame mince, le verre est probablement visible sous forme de grosses zones noires. 2. Le basalte est une roche car il est constitué de différents minéraux, amorphes et cristallins. Parmi les minéraux cristallins, on peut observer de l’olivine, du pyroxène ou encore un feldspath plagioclase. L’olivine est constituée de plusieurs matériaux cristallins, c’est-à-dire caractérisés par une formule chimique et un réseau de cristallisation. La forstérite et la fayalite en sont deux exemples. Les mailles de ces réseaux cristallins sont des polyèdres sur lesquels vont se positionner les entités à l’échelle nanométrique.

4. L a tangence a lieu au milieu de chaque arête du cube. a Ainsi Rp =   = 1,68 × 10–10 m. 2 5. Vmaille = a3 = (3,36 × 10–10 m)3 = 3,79 × 10–29 m3. 4 4 6. Vatomes = N ×   × π × Rp3 = 1 ×   × π × (1,68 × 10–10 m)3 3 3 = 1,99 × 10–29 m3. V 1,99 × 10–29 m3  = 0,53 soit 53 % (le résultat est 7. C =  atomes = Vmaille 3,79 ×10–29 m3 légèrement différent de celui des activités à cause des arrondis successifs). 8. Le graphique permet de déterminer une durée de 275 jours.

THÈME 1 ● CHAPITRE 2 ● Des édifices ordonnés : les cristaux

37

CHAPITRE 3 Livre de l’élève

CHAPITRE

3

Vidéo

TEASER

Une structure complexe : la cellule vivante

b. Blood, série « Molecular Landscapes », 2000. Représentation du sang à l’échelle moléculaire par le biologiste David S. Goodsell dans le cadre du Scripps Research Institute (États-Unis d’Amérique).

Comment accède-t-on à la connaissance de l’organisation moléculaire des cellules ?

La matière est constituée d’atomes et s’organise en molécules. Des structures plus complexes existent dans le vivant, comme celle de la cellule par exemple. Les organismes pluricellulaires sont constitués de cellules spécialisées formant des tissus.

➞ activité 2

c. Un microscope électronique à transmission permet d’obtenir une image très agrandie des cellules.

En quoi la microscopie électronique a-t-elle permis d’explorer l’intérieur de la cellule et de comprendre son organisation ? ➞ activité 3

d. Observation de globules rouges dans un vaisseau sanguin au microscope électronique à balayage.

Quelle architecture moléculaire sépare l’intérieur de la cellule du milieu extra-cellulaire ?

a. Organisme animal (un écureuil roux) et organismes végétaux (des plantes à l’automne). Comment a-t-on compris que tous les êtres vivants sont constitués de cellules ? ➞ activité 1

➞ activité 3 10 μm

64

64

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CHAPITRE 3   Une structure complexe : la cellule vivante

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Les grandes idées à construire  n des grands enjeux de cette partie du programme est de U comprendre, à travers l’exemple de la théorie cellulaire, comment se construit au cours du temps le savoir scientifique et s’élabore une théorie scientifique. L’idée est de former en filigrane des citoyens rationnels, qui distinguent croyance et connaissance.  l’origine des savoirs scientifiques se trouvent des observations qui À dépendent des instruments dont on dispose à un moment donné. La découverte des cellules et de l’unité cellulaire est liée à l’invention des instruments d’observation comme les microscopes. L ’observation des cellules dans des organismes différents a permis l’établissement de la théorie cellulaire. Celle-ci stipule que tout organisme est constitué de cellules qui dérivent d’une cellule préexistante. La cellule est l’unité structurale et fonctionnelle des êtres vivants. Comme toute théorie, on ne peut pas affirmer qu’elle est vraie.

38

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65

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Ce que disent les documents a Des organismes très différents, un écureuil et des végétaux dans le cas présent, ne présentent pas de points communs à l’œil nu. Les élèves savent que tous les êtres vivants sont constitués de cellules. Cela permet d’amener l’idée que la mise au point d’instruments a été nécessaire à cette compréhension.

b Teaser : les éléments chimiques et les cellules sont des notions connues des élèves. De plus en plus de vidéos permettent de voyager au cœur des cellules et de la matière. Il est cependant parfois complexe de comprendre la réalisation des images de synthèse qui permettent de faire le lien entre cellule et molécules. L’extrait présenté permet d’appréhender ce lien. Les cellules sont des assemblages organisés de molécules. L’image d’illustration de la vidéo est une représentation d’un globule rouge. On distingue l’hémoglobine (en rouge), la membrane plasmique (en violet) ainsi que le milieu extracellulaire (en tons de verts).

L ’exploration de l’intérieur des cellules et la compréhension du lien entre les échelles moléculaire et cellulaire sont à lier à l’invention de nouvelles techniques de microscopie comme la microscopie électronique.

c Il existe des microscopes différents de ceux utilisés en classe qui permettent d’obtenir une image très agrandie des cellules. Les élèves ayant déjà observé des cellules en classe peuvent ainsi prendre conscience que les microscopes électroniques permettent de comprendre l’organisation d’une cellule.

L a membrane plasmique est une bicouche de lipides dans laquelle sont insérées des protéines. Elle est stabilisée par les caractères hydrophiles et lipophiles des éléments qui la constituent. L’étude de la membrane plasmique permet ainsi de faire le lien entre les échelles moléculaire et cellulaire.

d Les cellules sont des espaces délimités et séparés du milieu extracellulaire par la membrane plasmique. Le lien avec le doc. b permet de soulever le problème de l’organisation moléculaire de cette limite.

Progression dans le chapitre AC TIVITÉ

1

Problèmes scientifiques C omment les premières observations cellulaires ontelles été réalisées et comment ont-elles été utilisées par les scientifiques ?  uels progrès techniques et Q observations complémentaires ont permis d’énoncer une première version de la théorie cellulaire ?

Compétences travaillées

Idées clés

 xtraire et organiser des E informations.

L ’invention du microscope permet l’observation des cellules.

Communiquer.

L a répétition de ces observations sur de nombreux êtres vivants différents permet la construction progressive de la théorie cellulaire. Cette théorie, comme toute théorie scientifique, est une représentation à un instant t qui intègre un ensemble de faits dans un modèle explicatif.

Coopérer et collaborer. C onduire une recherche d’informations.

 uelles ont été les modifications Q de ce premier énoncé ?

 ’il y a des faits nouveaux, on S a deux possibilités : soit un renforcement de la théorie, soit un changement de paradigme. C ela permet d’approcher le fonctionnement normal des sciences.

HED

Problèmes scientifiques C omment différents progrès techniques ont participé à l’observation des cellules et à des avancées spectaculaires ?  uelles corrélations peut-on Q établir entre les avancées techniques et les progrès en biologie ?

AC TIVITÉ

2

Problèmes scientifiques  uels sont les apports des Q nouvelles techniques de microscopie à la connaissance de l’ultrastructure cellulaire ?

Compétences travaillées Communiquer. Coopérer et collaborer. C onduire une recherche d’informations. Utiliser des outils numériques.

Compétences travaillées  xtraire et organiser des E informations. Communiquer.

 uels sont les apports Q des différents types de microscopie et en quoi sont-ils complémentaires ?

AC TIVITÉ

3

TÂCHE COMPLEXE

Problèmes scientifiques  uelles sont les propriétés Q hydrophiles et lipophiles de la membrane plasmique ? C omment les lipides qui constituent la membrane plasmique sont-ils disposés ?  uelle est la propriété commune Q aux lipides membranaires et aux protéines permettant de comprendre leur disposition dans la bicouche lipidique ?

Compétences travaillées  xtraire et organiser des E informations. Communiquer.

Idées clés L es grandes étapes de la compréhension de l’organisation du vivant, des cellules aux molécules, sont associées à différents progrès techniques.

Idées clés L ien entre les découvertes en physique et les observations de plus en plus précises des cellules. Les organites, ainsi que certains assemblages moléculaires, sont visibles.

Idées clés L a membrane plasmique possède une organisation moléculaire précise : c’est une bicouche lipidique dans laquelle sont insérées des protéines. Les molécules membranaires sont hydrophiles et lipophiles.

THÈME 1 ● CHAPITRE 3 ● Une structure complexe : la cellule vivante

39

CHAPITRE 3

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

1

2

De l’unité cellulaire à la théorie cellulaire

Expliquer les apports des observations microscopiques à la formulation de la théorie cellulaire

La théorie cellulaire stipule que : • tout organisme vivant est constitué de cellules : la cellule est l’unité structurale et fonctionnelle des êtres vivants ; • certains êtres vivants sont unicellulaires et d’autres sont constitués d’un assemblage de cellules ; • toute cellule provient de la division d’une cellule préexistante. OBJECTIF Identifier les différentes étapes de la construction de la théorie cellulaire.

c. Matthias Jakob Schleiden

1

Botaniste allemand (1804-1881) observe des structures semblables à celles décrites par Hooke dans tous les tissus végétaux qu’il examine au microscope. Il décrit les plantes comme « des agrégats d’êtres pleinement individualisés et distincts que sont les cellules ».

Expliquer le lien entre invention du microscope et compréhension de l’organisation du vivant

Le chercheur anglais Robert Hooke (1635-1703) publie en 1665 Micrographia où il relate ses observations au microscope et en particulier des coupes réalisées dans du liège. Il donne le nom de cellule, du latin cella, « petite chambre, alvéole », aux petites cavités qu’il observe.

100 μm

e. Extrait des dessins de Theodor Schwann

et cartilage observé au microscope optique actuel à × 160

En 1837, Schwann et Schleiden confrontent leurs observations. Les dessins 1, 2 et 3 représentent des structures végétales inspirées des observations de Schleiden. Les dessins 5 à 9 résultent d’observations de cartilage.

Le naturaliste hollandais Antonie Van Leeuwenhoek (1632-1723) met au point un microscope qui atteint le pouvoir grossissant de 270. Il découvre ainsi les globules sanguins, les spermatozoïdes (appelés animalcules spermatiques) et des êtres vivants microscopiques dans l’eau de mare. Il n’utilise pas le terme de cellule.

f. Une première version de la théorie cellulaire

d. Theodor Schwann

Naturaliste allemand (1810-1882) travaille sur les tissus animaux : os, dents, muscles, nerfs… et constate, dans toutes ses observations, la présence de structures qui correspondent aux cellules.

20 μm

a. Dessin d’une tranche de liège réalisé par Robert Hooke (à gauche)

La cellule est l’unité structurale de base des tissus animaux et végétaux ; elle est constituée d’un protoplasme nucléé et d’une membrane. Le protoplasme, constitué de couches superposées de l’intérieur vers l’extérieur, est le siège des processus métaboliques physico-chimiques ; la cellule peut se transformer, ce qui explique la diversité des êtres vivants. D’après Theodor Schwann, Investigations microscopiques sur la similitude de structure et de croissance des animaux et des plantes, 1839.

et photographie d’une coupe de liège observée au microscope optique actuel (à droite)

POUR ALLER

3

LOIN

p. 68 : Progrès techniques et observation des cellules.

b.

Dessin d’une coupe transversale de tige de frêne par Antonie Van Leeuwenhoek (à gauche) et photographie d’une coupe observée au microscope optique actuel (à droite)

La théorie de la génération spontanée sera finalement rejetée en 1864.

g. Vue d’artiste des recherches

66

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de Pasteur

CHAPITRE 3   Une structure complexe : la cellule vivante

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s problèmescientifiques C omment les premières observations cellulaires ont-elles été réalisées et comment ont-elles été utilisées par les scientifiques ?  uels progrès techniques et observations complémentaires Q ont permis d’énoncer une première version de la théorie cellulaire ? Quelles ont été les modifications de ce premier énoncé ?

Mobilisation des acquis  u en cycles 3 et 4 : construction du concept d’un point de vue V structural et fonctionnel. Vu en seconde : la démarche sur laquelle repose une théorie scientifique est explicitée à partir du travail mené sur l’évolution. Les cellules spécialisées ont une fonction particulière dans l’organisme, en lien avec leur organisation (observations de cellules au microscope, images de microscopie électronique).

Les grandes idées à construire L a science construit peu à peu un corpus de connaissances grâce à des méthodes scientifiques : elle élabore un ensemble de théories qui se perfectionne par la confrontation à des faits nouveaux, souvent en lien avec l’évolution des techniques. L ’observation de structures semblables dans de très nombreux organismes a conduit à énoncer le concept général de cellule et à construire la théorie cellulaire. Celle-ci stipule que tout organisme est constitué de cellules qui dérivent d’une cellule préexistante. La cellule est l’unité structurale et fonctionnelle des êtres vivants.

40

PISTE D’EXPLOITATION 1 Repérer l’époque relative à chacun des documents et reporter le tout sur une frise chonologique. 2 À l'aide de la fiche décrivant le principe du microscope [➞ fiche méthode 7], déterminer le dispositif physique utilisé dans un microscope optique. 3 Rechercher et présenter dans un tableau l’apport de chacun des scientifiques présentés à la théorie cellulaire.

En 1861, le chimiste et biologiste français Louis Pasteur (1822-1895) démontre qu’une cellule ne peut pas croître spontanément à partir de la matière inerte et qu’elle n’apparaît pas non plus dans une solution stérile. 20 μm

66

Décrire l’évolution de la théorie cellulaire

En 1858, le médecin prussien Rudolf Virchow (1821-1902), qui soutenait jusque-là les idées de Schleiden et Schwann sur la genèse des cellules au sein de la matière organique, écrit que toute cellule provient de la division d’une cellule préexistante.

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67

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L a théorie cellulaire, comme toute théorie scientifique, donne une explication à l’ensemble des faits observés. C ette théorie a évolué au cours du temps. Comme pour toute théorie, lors de l’émergence de faits nouveaux, il y a deux possibilités : soit le renforcement de la théorie, soit un nouveau paradigme.

Les compétences travaillées Extraire et organiser des informations. Communiquer. Coopérer et collaborer. Conduire une recherche d’informations.

Les représentations de l’élève  ne des représentations fréquentes est qu’une théorie, même s’il U s’agit d’une théorie scientifique, ne repose pas sur des connaissances vérifiées. Hypothèse et théorie sont souvent confondues.

Ce que disent les documents 1 Le module permet de constater que l’observation des premières cellules a eu lieu au xviie siècle. Cependant, ces observations ne sont pas interprétées comme des cellules, au sens actuel du terme. Les premiers observateurs des cellules ne sont pas les fondateurs de la théorie cellulaire. Ces observations permettent cependant de nommer les cellules. Le savoir scientifique repose sur des observations constituant une base de données objectives. C’est la multiplication des faits qui conduit à dégager une relation. Les premiers travaux, réalisés indépendamment par Hooke et Van Leeuwenhoek sont des observations ponctuelles qui n’ont révélé leur importance qu’a posteriori (docs. a et b).

Des idées de questions : À quelle époque les observations des premières cellules ont-elles été réalisées ? Quels sont les points communs et les différences entre ce qui est observé aujourd’hui et ce qui l’était à cette époque ? Pourquoi les légendes des dessins ou des photos, si elles avaient été réalisées au moment de l’observation, seraient-elles différentes ? ?

2 Au xixe siècle, la microscopie est un outil fréquemment employé qui permet de réaliser de très nombreuses observations. C’est ce grand nombre d’observations qui permet de généraliser et d’énoncer une théorie générale. Ainsi, la mise en commun des observations, notamment par Schleiden et Schwann, leur permet de réaliser l’importance de la cellule dans le monde vivant et sa présence dans tous les êtres vivants observés (docs. c et d). Schwann élabore une première version de la théorie cellulaire : comme toute théorie scientifique, elle est hypothétique mais donne l’explication au plus grand nombre de faits observables (docs. e et f). ? Idée de question : Quelles sont les différences entre la théorie cellulaire élaborée par Theodor Schwann et la théorie cellulaire actuelle ?

3 Une théorie scientifique est un énoncé général qui est ensuite mis à l’épreuve. Elle peut évoluer au cours du temps lorsque de nouveaux faits sont établis. Lorsque ces faits ne corroborent pas certains points de la théorie, ces points sont réfutés et validés, ou vérifiés dans le cas contraire. On ne dit pas qu’une théorie est vraie ou fausse. Ainsi la genèse des cellules (toute cellule provient d’une cellule préexistante) fut précisée par Virchow et Pasteur et la théorie de la génération spontanée fut rejetée, ouvrant de nouvelles perspectives dans la compréhension du développement puisque l’œuf est une cellule. La théorie cellulaire a une valeur explicative mais elle ouvre également sur de nouveaux problèmes à résoudre, par exemple concernant l’hérédité ou la réalisation des fonctions du vivant à l’échelle cellulaire. ? Idée de question : Quels points de la théorie cellulaire sont modifiés par Virchow ?

Les

pour préparer votre séance

L es observations réalisées par Hooke et Van Leeuwenhoek peuvent être réalisées avec un microscope optique, ce qui permet aux élèves de comparer leur représentation légendée avec les représentations non légendés historiques. Les cellules observées par Hooke sont en réalité des parois de cellules mortes. L es élèves peuvent réaliser eux-mêmes une préparation de cartilage, en faire un dessin légendé et comparer leur travail avec les dessins de Theodor Schwann. Il faut prévoir des « têtes d’os » de bœuf (ou de veau) ou des os de poulet. À l’aide d’une lame de rasoir ou d’un scalpel, effectuer des coupes fines dans le cartilage des os. Placer ces coupes dans un verre de montre contenant du vert de méthyl acétique ou du bleu de méthylène. Après quelques minutes (environ 5 min) de coloration, rincer l’échantillon à l’eau distillée dans une cupule. Puis monter entre lame et lamelle. Les observations réalisées sont proches de celles réalisées par Theodor Schwann. L ’université de Liège propose un article présentant des travaux de Theodor Schwann à l’adresse suivante : 200.ulg.ac.be/schwann.html. L’œuvre originale de Schwann est disponible en téléchargement gratuit (en allemand) sur le site : orbi.uliege.be/handle/2268/203950. T exte publié par Schwann en octobre 1838 : « Un jour que je dînais avec Schleiden, cet illustre botaniste me signala le rôle important que joue le noyau dans le développement des cellules végétales. Je me rappelai tout de suite avoir vu un organe pareil dans les cellules de la corde dorsale de têtard (remarque : organe embryonnaire) et je saisis à l’instant même l’extrême importance de cette découverte,

si je parvenais à montrer que, dans les cellules de la corde dorsale, ce noyau joue le même rôle que le noyau des plantes dans les cellules végétales […] Ces idées se présentant à mon esprit, j’invitai M. Schleiden à m’accompagner à l’amphithéâtre d’anatomie où je lui montrai les noyaux des cellules de la corde dorsale. Il leur reconnut une ressemblance parfaite avec les noyaux des plantes ». Schwann cherche à partir de ce moment des cellules et des noyaux dans divers organismes animaux. L’unité cellulaire commence à se mettre en place et permettra d’établir la théorie cellulaire.  n article en anglais sur les travaux et les recherches de Van U Leeuwenhoek est disponible sur le site suivant : discovermagazine.com/2015/june/21-leeuwenhoeks-lucky-break. L ’arbre du vivant comporte trois branches : les archées, les eubactéries et les eucaryotes. On s’intéresse ici principalement aux cellules eucaryotes qui ont permis de formuler la théorie cellulaire. L’approfondissement des travaux de Pasteur permet d’envisager les cellules procaryotes.

LE SAVIEZ-VOUS ? E n 1831, Schleiden affirme que le noyau est un élément fondamental qui constitue un centre de cristallisation autour duquel se forme la cellule (ce qui est appelé aujourd’hui cytoplasme). C ’est en 1865 que la nature cellulaire du spermatozoïde est établie. Cela remplace le nom d’animalcule spermatique donné en 1851. Mais on ne sait toujours pas s’il entre ou non dans l’ovule. La fécondation est observée en 1853 par Gustave Thuret chez le fucus et confirmée deux ans plus tard.

Les parcours possibles PARCOURS 1 Repérer la date de la formulation de la théorie cellulaire par Theodor Schwann. Lister les chercheurs qui ont permis à Theodor Schwann d’établir une première version de la théorie cellulaire en mettant en relation une date, un chercheur et une découverte. Identifier les points modifiés de la première version de la théorie cellulaire en mettant en relation une date, un chercheur et le point modifié. Réaliser un tableau en mettant en relation une date clé et une étape de l’élaboration de la théorie cellulaire.

PARCOURS 2 Construire un tableau avec les différentes dates, les chercheurs et leurs découvertes qui ont permis l’établissement de la première version de la théorie cellulaire. Compléter le tableau avec les modifications de la théorie cellulaire.

PARCOURS 3 Présenter dans un tableau l’apport de chacun des scientifiques présentés à la théorie cellulaire.

Indicateurs de réussite L e tableau est correctement construit avec les dates, les noms des scientifiques et l’étape de l’élaboration de la théorie cellulaire. Les dates clés sont repérées dans le document. L es premières observations des cellules sont associées à des scientifiques. L ’élaboration de la première version de la théorie cellulaire et sa modification sont identifiées.

THÈME 1 ● CHAPITRE 3 ● Une structure complexe : la cellule vivante

41

CHAPITRE 3 Livre de l’élève IRE HISTO X ENJEU TS DÉBA

Progrès techniques et observation des cellules

e. Microscope électronique à transmission

Vidéo

Les cellules ne sont pas visibles à l’œil nu. La formulation de la théorie cellulaire et la compréhension de l’organisation des cellules reposent sur des évolutions techniques ayant permis d’accéder à l’infiniment petit.

noyau

Cytoplasme

Comment des découvertes en physique ont-elles permis la mise au point de nouvelles techniques d’observation et des avancées spectaculaires en biologie ?

Cellule de racine de pois observée au MET

d. Découverte des électrons par le physicien

britannique Sir Joseph John Thomson en 1899

f. Microscope électronique à balayage

BIOGRAPHIES Les lentilles en verre, connues depuis plusieurs siècles, sont utilisées à partir du xive siècle pour corriger la vision. Au xviie siècle, deux scientifiques contemporains mettent au point les premières versions des microscopes, permettant de réaliser des observations jusque-là impossibles.

Occulaire

Robert Hooke

Cytoplasme avec vésicules

g. Étapes de colorisation d’hématies (MEB)

Ballon d’eau

Savant anglais (1635-1703) Il met au point un microscope qui comporte deux lentilles mais au-delà d’un grossissement de × 20, l’objet devient flou.

L’apparition des images numériques en 1975 permet un traitement informatique. Les clichés divisés en pixel sont artificiellement colorés.

Vis de mise au point

2 μm

Objectif Cellule pancréatique observée au MEB (fausses couleurs)

Antonie Van Leeuwenhoek Naturaliste hollandais (1632-1723) Pour son travail de drapier, il utilise des billes de verre pour vérifier la qualité du tissu. Il fixe une minuscule bille, de diamètre inférieur à 3 mm, dans une lame métallique et place l’échantillon sur une pointe qu’il peut régler. En tenant l’ensemble face à la lumière, très près de son œil, il obtient des grossissements jusqu’à × 300.

Les zones qui laissent passer les électrons apparaissent en blanc alors que celles qui les dispersent apparaissent sombres, ce qui permet de former une image en noir et blanc.

Noyau

Tube optique

Lampe à huile

Specimen à observer

a. Microscope de Hooke

b. Microscope de Leeuwenhoek

Les microscopes électroniques à balayage (MEB) utilisent des électrons qui balayent l’échantillon et sont réfléchis ce qui permet d’établir une image en 3D de la surface. Le pouvoir de résolution est de 1 à 2 nm.

c. Microscope optique

5 μm

h. Accès à l’échelle moléculaire Molécule d’ADN

Protéine membranaire (ATP synthase) à trois instants différents

RESSOURCES Bicentenaire de Theodor Schwann, www.200.ulg.ac.be/schwann.html Dossier « Les outils pour observer le monde », www.culturesciencesphysique.ens-lyon.fr Dossier sur le fonctionnement des microscopes, www.cnrs.fr Tutoriel pour construire un microscope à la maison, www.didier-pol.net

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En équipes

10 μm Cellules du tissu épithélial coloré vues au MO

Des lentilles de formes différentes sont utilisées à partir du xviiie siècle et corrigent le défaut de netteté. Depuis cette époque, les microscopes sont similaires et ont un grossissement de × 200 à × 1 500. Le pouvoir de résolution est de 0,2 µm.

Équipe 1 Représentez sur une frise chronologique les différentes innovations techniques en microscopie.

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C omment différents progrès techniques ont participé à l’observation des cellules et à des avancées spectaculaires ?  uelles corrélations peut-on établir entre les avancées Q techniques et les progrès en biologie ?

Mobilisation des acquis  u en cycle 4 : situation dans son contexte historique et technique V de l’évolution des idées sur la vaccination et les antibiotiques, en lien avec l’histoire des sciences (SVT). Étude des constituants de l’atome, structure interne d’un noyau atomique (nucléons : protons, neutrons), électrons (Physique-chimie). Vu en seconde : exploitation des données d’histoire des sciences afin de comprendre la découverte de maladies liées à des pathogènes (SVT). Étude des lentilles sur la base du modèle de la lentille mince convergente (Physique-chimie).

Les grandes idées à construire L a découverte de la cellule et de son ultrastructure a été réalisée progressivement en lien avec les découvertes en physique et la mise au point de nouveaux instruments d’étude. La mise en place de la théorie cellulaire n’a pu être envisagée qu’après l’invention du microscope.

Les compétences travaillées Communiquer. Coopérer et collaborer. Conduire une recherche d’informations. Utiliser des outils numériques.

En 1981 est créé le microscope à effet tunnel utilisant le courant électrique qui peut s’établir entre une surface et une pointe métallique (1000 fois plus fine qu’un cheveu). En balayant la surface d’un échantillon avec la pointe, on peut reconstituer une image 3D. Le pouvoir de résolution est inférieur au nm.

!

Équipe 2 Identifiez les étapes successives d’observations cellulaires possibles, ainsi que leur apport pour la biologie, et représentez-les sur une frise.

En commun Préparez un exposé sur les évolutions techniques ayant permis d’accéder à l’infiniment petit, en vous référant notamment à l’échelle d’observation du vivant.

CHAPITRE 3   Une structure complexe : la cellule vivante

s problèmescientifiques

42

2 μm

Les microscopes électroniques à transmission (MET) sont mis au point à partir des années 1930 et utilisent un faisceau d’électrons qui traverse l’échantillon. Les grossissements vont de 1 000 à 150 000 mais les cellules étudiées sont mortes.

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Les représentations de l’élève L es acquis en physique-chimie sont souvent désolidarisés des connaissances de biologie. C’est ici l’occasion de faire le lien entre les deux matières. Par exemple, les lentilles (programme de seconde) peuvent être réutilisées lors de la compréhension du fonctionnement d’un microscope.

Ce que disent les documents Les biographies de Robert Hooke et Antonie Van Leeuwenhoek permettent de constater que ce sont les inventeurs des premiers microscopes, ce qui leur a permis de réaliser des observations de cellules. Les deux microscopes fonctionnent différemment, ce que l’on constate à la lecture des documents.

a Le microscope de Hooke se rapproche dans sa conception des microscopes actuels avec un système de lentilles. ? Idée de question : Quels sont les points communs et les différences entre le microscope de Robert Hooke et les microscopes actuels ?

b Le microscope de Leeuwenhoek est de petite taille, ce qui diffère de celui de Hooke. Il se tient très proche de l’œil et ne comporte qu’une bille de verre, ou lentille sphérique, qui permet un grossissement important quasiment identique à celui des microscopes optiques des salles de classe. Grâce à cet outil, Leeuwenhoek est le premier à observer des bactéries. ? Idée de question : Quelle est l’originalité du microscope d’Antonie Van Leeuwenhoek ?

c La comparaison peut être réalisée avec une observation au microscope actuel. L’observation avec un microscope actuel (à un

grossissement semblable à celui des premiers microscopes) permet de constater que les cellules sont visibles, et que parfois certains compartiments comme le noyau le sont aussi. Une observation rigoureuse et fidèle est indispensable en science. Cependant, l’observateur n’est pas passif et fait appel à ses connaissances pour interpréter ses observations. ? Idée de question : Quelle interprétation de cette observation aurait pu être réalisée par Hooke et Van Leeuwenhoek ?

d et e La découverte des électrons ouvre de nouvelles perspectives en sciences et permet notamment la mise au point des microscopes électroniques. Ces microscopes ont l’avantage de permettre un grossissement très important mais les cellules sont mortes et les images obtenues sont en noir et blanc. Dans une cellule, on peut réaliser une centaine de coupe expliquant certaines observations (organites non visibles par exemple). ? Des idées de questions : Quelle différences existe-t-il entre microscopie optique et microscopie électronique à transmission ? Comment expliquer que le noyau d’une cellule ne soit pas toujours visible sur une photo de cellule en MET ?

f et g La colorisation permet visuellement de mieux s’approprier les images réalisées en microscopie électronique mais il est indispensable de préciser que les images ont été colorisées et qu’il s’agit de fausses couleurs. La microscopie électronique à balayage, contrairement à la microscopie électronique à transmission, donne une impression de relief. Le faisceau d’électrons balaye une surface, résultant souvent d’une cryofracture, au lieu de traverser la coupe. ? Des idées de questions : Comment peut-on distinguer une image prise en microscopie électronique à transmission d’une image prise en microscopie électronique à balayage ? Une image de cellule en couleur peut-elle avoir été réalisée au microscope électronique sans traitement ?

h Les derniers microscopes mis au point permettent l’accès à l’échelle moléculaire préfigurant déjà l’unité 2. On observe ainsi dans ce document la double hélice d’ADN mais également les trois conformations de la tête de l’ATP synthase lors de la régénération de l’ATP. La microscopie permet d’accéder à l’échelle de l’organisation moléculaire et, dans certains cas, de mieux comprendre le fonctionnement cellulaire.

Les

LE SAVIEZ-VOUS ? L e microscope de Van Leeuwenhoek lui permet d’observer des détails de 1,5 millième de millimètre. L e noyau des cellules fut observé par Leeuwenhoek. Dans une lettre qu’il publia en 1702, il mentionne la présence d’un point au centre des globules rouges de poisson.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ Les documents permettent d’établir les deux frises demandées dans le questionnement, qui peuvent ensuite être mises en commun. Équipe 1 XIVe

Mise au point des lentilles en verre pour corriger la vision.

XVIIe

Mise au point des premiers microscopes.

1665

Robert Hooke met au point un microscope rudimentaire. Le grossissement est de × 20.

1673

Antonie Van Leeuwenhoek met au point, pour ses loisirs, le premier microscope qui atteint le pouvoir de grossissement de 300.

XVIIIe

Utilisation de lentilles de formes différentes qui corrigent le défaut de netteté permettant d’atteindre un grossissement de × 200 à × 1 500.

1899

Joseph John Thomson découvre les électrons.

1930

Mise au point des premiers microscopes électroniques : pouvoir de résolution de 1 à 2 nm.

1975

Les images numériques permettent de colorer pixel par pixel.

1981

Mise au point du microscope à effet tunnel.

Équipe 2 1665

Robert Hooke observe des cellules de liège (non identifiées comme des cellules).

1673

Antonie Van Leeuwenhoek réalise un très grand nombre d’observations de cellules différentes qu’il consigne sous forme de dessins. Comme Hooke, il ne parle pas de cellule.

1930

La cellule, qui comporte un cytoplasme et un noyau, est davantage compartimentée. Exemple : on observe des vésicules dans le cytoplasme.

1975

La coloration pixel par pixel permet de mieux révéler les différentes parties d’une cellule ou de distinguer une cellule de son environnement.

1981

Une cellule est un assemblage moléculaire organisé. On visualise la molécule d’ADN et en réalisant des images à des moments différents, on peut observer des modifications moléculaires.

pour préparer votre séance

L e site de Didier Pol propose un tutoriel pour fabriquer un microscope en classe sur le principe des premiers microscopes. Il permet d’envisager de réaliser un microscope simple basé sur le modèle construit par Leeuwenhoek et de réaliser des observations de cellules et de les comparer avec les cellules observées au microscope : www.didier-pol.net/1MICROSC.html. Il est possible d’interroger les élèves sur la bonne compréhension des notions de l’activité, par exemple grâce à un quiz vrai/faux. En voici un exemple : Les microscopes de Hooke et de Leeuwenhoek : – s’utilisent de manière semblable (faux) ; – ont permis à leurs inventeurs d’observer des cellules (vrai) ; – ont permis à leurs inventeurs de décrire des cellules (faux). La microscopie électronique : – a été inventée à la même époque que la microscopie optique (faux) ; – a été inventée après la découverte des électrons (vrai) ; – donne des images en noir et blanc (vrai) ; – permet d’observer des compartiments cellulaires (vrai). La colorisation des images obtenues en microscopie électronique : – s e fait exclusivement en utilisant les couleurs des compartiments en microscopie optique (faux) ; – nécessite un traitement informatique (vrai) ; – est indispensable (faux).

Indicateurs de réussite La frise est représentée sous forme d’un axe gradué. Les dates clés y figurent. À chaque date est associée un chercheur ou une étape clé de la théorie. THÈME 1 ● CHAPITRE 3 ● Une structure complexe : la cellule vivante

43

CHAPITRE 3

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

2

2

L’exploration des cellules

Identifier le lien entre échelle cellulaire et échelle moléculaire

f. Cellule du tissu épithélial (MET)

La cellule est la plus petite unité vivante d’un organisme. Les microscopes optiques permettent d’observer les cellules, et une exploration plus fine est réalisée avec les microscopes électroniques. OBJECTIF Décrire comment les observations réalisées avec les microscopes électroniques permettent de préciser l’organisation cellulaire et de faire le lien entre échelles moléculaire et cellulaire.

1

Décrire les structures observables en fonction du type de microscopie

Chaque type de microscopie apporte des informations sur la structure des cellules.

A-Z

VOCABULAIRE

MO : microscope optique. MET : microscope électronique à transmission.

Paroi Chloroplaste

0,5 μm

MEB : microscope électronique à balayage.

Cytoplasme

Microvillosités (MEB, fausses couleurs)

[➞ fiche méthode 9] 50 μm

a. Cellule chlorophyllienne d’élodée (MO)

0,2 μm Paroi Mitochondries (MEB, fausses couleurs) Noyau

Chloroplastes

0,5 μm Mitochondrie

Cytoplasme

0,1 μm

5 μm

b. Cellule chlorophyllienne (MET, fausses couleurs)

d. Bactérie en cours de division (MET, fausses couleurs)

pore nucléaire

Chloroplastes 150 nm Enveloppe nucléaire (MEB, fausses couleurs)

50 nm Chromatine (MEB)

PISTE D’EXPLOITATION Cytoplasme Paroi

c. Cellule chlorophyllienne (MEB, fausses couleurs)

70

5 μm

1 μm

e. Bactérie (MEB, fausses couleurs)

CHAPITRE 3   Une structure complexe : la cellule vivante

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s problèmescientifiques  uels sont les apports des nouvelles techniques de Q microscopie à la connaissance de l’ultrastructure cellulaire ?  uels sont les apports des différents types de microscopie et Q en quoi sont-ils complémentaires ?

Mobilisation des acquis Vu en seconde : L a notion de cellule spécialisée avec ses caractéristiques structurelles et métaboliques. L’existence d’une matrice extracellulaire. L es différentes échelles du vivant (molécules, cellules, tissus, organes, organisme) ainsi que l’ordre de grandeur de leur taille. L e métabolisme d’une cellule dépend de son équipement spécialisé (organites, macromolécules dont les enzymes).

Les grandes idées à construire L a microscopie électronique permet d’explorer l’intérieur de la cellule et de préciser l’organisation du cytoplasme des cellules. Pour les cellules eucaryotes, outre le noyau, déjà observable en microscopie optique, il existe d’autres compartiments. L a cellule, et les compartiments qui la composent, sont constitués de molécules et d’assemblages moléculaires. Il est possible de relier les différentes échelles : molécule, organite, cellule et organisme et de repérer les ordres de grandeur sur la frise des tailles.

44

1 Comparer les résultats obtenus avec les différents types de microscopie. 2 Préciser les apports de la microscopie électronique à la compréhension de l’organisation des cellules. 3 Compléter la frise [➞ rabat] avec les différentes tailles des objets observés.

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20 nm Chromatine (MEB, fausses couleurs) Le cercle blanc indique des protéines et les flèches blanches indiquent l’ADN.

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Les compétences travaillées Extraire et interpréter des informations. Communiquer.

Les représentations de l’élève L a microscopie électronique est souvent perçue comme plus performante que la microscopie optique. La microscopie électronique à transmission ainsi que la microscopie électronique à balayage permettent d’observer les compartiments mais seulement pour des cellules mortes. L’observation de cellules d’élodée en microscopie optique permet d’observer des cellules vivantes (mouvement de cyclose, états de plasmolyse ou de turgescence en fonction du milieu extracellulaire par exemple).

Ce que disent les documents 1 L’observation de cellules chlorophylliennes avec les trois types de microscopie permettent d’appréhender les apports de chacune des techniques : – La microscopie optique (doc. a) permet d’observer des cellules vivantes. Les chloroplastes, de couleur verte, sont visibles. On peut également distinguer le noyau et la vacuole s’ils ne sont pas masqués. Si l’observation est réalisée en classe, les cellules sont vivantes et on peut également observer des mouvements de cyclose. – La microscopie électronique à transmission (doc. b) permet d’observer une tranche cellulaire avec un degré de précision nettement supérieur. Le pouvoir de séparation est de 0,1 nm environ. On distingue les thylakoïdes (terme non exigible) des chloroplastes. Il s’agit d’une image colorisée puisque le MET ne donne que des images en noir et blanc.

– La microscopie électronique à balayage (doc. c) permet d’obtenir des images en trois dimensions. La cellule est observée après cryofracture. On constate que la cellule végétale comporte une grande cavité, la vacuole, autour de laquelle sont situés les chloroplastes. Il s’agit également d’une image colorisée. Docs. a, b et c : les cellules qui constituent un organisme pluricellulaire ont des formes diverses mais elles ont une organisation commune révélée par la microscopie. Elles comportent un noyau et un cytoplasme et sont délimitées par une membrane dite plasmique. Il existe dans le cytoplasme un ensemble de compartiments, ou organites, limités par des membranes. Docs. d et e : une cellule procaryote est une cellule de petite taille (environ 2 µm). Elle comporte un cytoplasme limité par une membrane plasmique. Elle ne constitue pas une exception à la théorie cellulaire envisagée dans l’unité 1. C’est le microscope électronique qui permet l’identification de deux types cellulaires se distinguant par la présence ou l’absence d’un noyau. ? Des idées de questions : Quelles structures sont observables avec les trois types de microscopie ? Quels sont les apports de chacun des types de microscopie ? Comment expliquer que la microscopie électronique ait été nécessaire à la compréhension de l’organisation des cellules procaryotes ?

2 L’utilisation de la microscopie et la réalisation de nombreuses observations permet de détailler l’organisation cellulaire et de faire le lien avec l’échelle moléculaire. La photo d’une cellule épithéliale permet de localiser les observations plus précises (doc. f). On distingue le pôle apical avec les microvillosités et le pôle basal (le noyau comporte des zones claires, où est localisée l’euchromatine, et des zones sombres, proches de l’enveloppe où est localisée l’hétérochromatine). Des observations complémentaires des zones encadrées toutes réalisées en microscopie électronique permettent de préciser l’architecture cellulaire et de faire le lien avec l’échelle moléculaire : – l’enveloppe nucléaire comporte des protéines (en rose sur l’image) organisées en pores nucléaires ; – on trouve dans le nucléoplasme des molécules d’ADN associées à des protéines. L’ensemble constitue la chromatine qui se présente comme un réseau de filaments ; – les mitochondries sont elles-mêmes compartimentées. Toutes les informations fournies par les différentes images du doc. f permettent de réaliser un schéma bilan complet d’une cellule.

Il est possible de proposer un quiz additionnel pour tester les élèves sur la bonne compréhension des notions de l’activité : 1. U  ne cellule observée en microscopie électronique à balayage : – est vivante (faux) ; – présente un relief (vrai) ; – permet d’observer en couleur les différents compartiments de la cellule (faux : ils ne sont pas en couleur). 2. Le cytoplasme des cellules eucaryotes : – comporte toujours des organites (vrai) ; – ne comporte pas d’organites visibles au microscope optique (faux : exemple, les chloroplastes) ; – présente une structure complexe observable au microscope électronique à transmission (vrai). 3. Le noyau : – contient des molécules (vrai : ADN et protéines organisés en chromatine) ; – est séparé du cytoplasme une enveloppe étanche (faux : elle contient des pores nucléaires) ; – a une taille de 100 µm (faux : 5 µm environ).

LE SAVIEZ-VOUS ? E n microscopie électronique à transmission, on peut réaliser environ 200 coupes dans une cellule végétale avant observation. Contrairement à la microscopie optique, tous les compartiments cellulaires ne sont pas visibles et la cellule peut apparaître dépourvue de noyau par exemple. L a séparation procaryote/eucaryote a été faite en 1938 grâce aux apports de la microscopie électronique. Ce n’est que bien plus tard (en 1990), grâce aux progrès de la biologie moléculaire, qu’ont été distinguées les archées des eubactéries.

Les parcours possibles PARCOURS 1 Comparer les résultats obtenus avec les différents types de microscopie : – pour une cellule d’élodée ; – pour une cellule bactérienne. Donner les éléments visibles pour chacun des types de microscopie. Réaliser un schéma d’une cellule eucaryote à partir des documents du module 2 et préciser les molécules observables.

PARCOURS 2

Les

pour préparer votre séance

L es microscopes électroniques utilisent des faisceaux d’électrons et non la lumière. Ils ont des pouvoirs de résolution jusqu’à 1 000 fois supérieurs à ceux des microscopes photoniques mais les cellules étudiées sont mortes et les images obtenues sont en noir et blanc (parfois colorisées).  ET : un faisceau d’électrons traverse l’échantillon. Les zones qui M les laissent passer apparaissent en blanc alors que celles qui les dispersent apparaissent sombres, ce qui permet de former une image en noir et blanc.  EB : la surface de l’échantillon est balayée par un faisceau M d’électrons qui est réfléchi. La topographie de la surface permet d’établir une image en 3D de la surface de l’échantillon. Les cellules sont souvent étudiées après cryofracture.  armi les activités complémentaires réalisables par les élèves chez P eux, il est possible de charger une image de MET ou de MEB, de la mettre à disposition des élèves sur l’ENT de l’établissement et leur faire coloriser l’image à l’aide d’un logiciel de traitement d’image.

Comparer les résultats obtenus avec les différents types de microscopie : – pour une cellule d’élodée ; – pour une cellule bactérienne. Réaliser un schéma d’une cellule eucaryote à partir des documents du module 2 et préciser les molécules observables. Rédiger un bilan donnant les apports des différents types de microscopie à la compréhension de l’organisation cellulaire.

PARCOURS 3 En vous appuyant sur des schémas, comparer les apports des différents types de microscopie à la compréhension de l’organisation cellulaire.

Indicateurs de réussite L e schéma est légendé (membrane plasmique, noyau, cytoplasme, mitochondrie, chromatine) et comporte un titre et une échelle. L e bilan met en lien le type de microscopie et ce qui peut être observé dans une cellule.

THÈME 1 ● CHAPITRE 3 ● Une structure complexe : la cellule vivante

45

CHAPITRE 3

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

3

TÂCHE XE COMPLE

2

La membrane plasmique Une cellule est un assemblage moléculaire organisé. Elle est délimitée par une membrane qui permet des échanges et assure le contact avec le milieu extracellulaire.

Décrire l’organisation des lipides de la membrane plasmique

Agitation

Décantation

Huile Eau

Eau

Huile

Goutelette d’huile

Eau

Émulsion

MISSION

d. Résultat d’un mélange de substances

Stagiaire pour un magazine d’actualité scientifique grand public, vous devez rédiger un article illustré présentant l’architecture moléculaire de la membrane plasmique.

lipophile (huile) et hydrophile (eau)

H H C1 O O C CH2 CH2 CH2

O O P O– H O C2 C3 H2 O O C CH2 CH2 CH2

2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2

Formule chimique

1

Observer la membrane plasmique : limite cytoplasme-milieu extracellulaire

1

Modèle moléculaire (couleurs arbitraires)

Représentation simplifiée

f. Exemple de lipide membranaire

Globules rouges

➀ Région hydrophile qui peut établir des interactions attractives avec l’eau ou d’autres régions hydrophiles.

➁ Région lipophile qui peut établir des interactions Estimation de la surface de la membrane plasmique

Extraction des lipides membranaires

attractives avec d’autres régions lipophiles.

2 µm 7,5 µm

Couche lipidique Comparaison des aires : l’aire de la surface de la couche de lipides est le double de l’aire de la surface de la membrane plasmique 2 μm

Liposome

e. Expérience de Gorter et Grendel (1920)

a. Globules rouges (MEB, fausses couleurs)

Échelle non respectée.

Les globules rouges sont des cellules sanguines dont le cytoplasme est essentiellement constitué d’hémoglobine.

A-Z

ÉTYMOLOGIE

b. Membrane plasmique de globule rouge vidé de son cytoplasme, déposée sur un support (MET)

3

L’analyse de la composition des membranes plasmiques a également révélé la présence de protéines.

Lipides

Milieu extracellulaire Protéine

COUPS DE POUCE

Régions lipophiles

e e plasmiqu Membran

Hémoglobine

Partie intramembranaire

10 nm

Protéine membranaire

c. Coupe de globule rouge (MET)

Pour la membrane plasmique, on distingue deux parties de nature hydrophile (foncées) et une partie lipophile (claire).

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par cryofracture (MEB)

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 uelles sont les propriétés hydrophiles et lipophiles de la Q membrane plasmique ? C omment les lipides qui constituent la membrane plasmique sont-ils disposés ?  uelle est la propriété commune aux lipides membranaires Q et aux protéines permettant de comprendre leur disposition dans la bicouche lipidique ?

Mobilisation des acquis Vu en cycle 4 : la cellule est limitée par une membrane plasmique. Vu en seconde : les molécules constituent une des échelles du vivant.

Les grandes idées à construire L ’exemple de la membrane plasmique permet de comprendre qu’une cellule est un assemblage organisé de molécules. On peut ainsi faire le lien entre échelle cellulaire et échelle moléculaire. L a cellule est un espace séparé de l’extérieur par une membrane plasmique. Cette membrane est constituée d’une bicouche lipidique et de protéines. L a structure membranaire est stabilisée par le caractère hydrophile ou lipophile de certaines parties des molécules constitutives. La membrane plasmique est schématisée à partir de molécules dont les parties hydrophile/lipophile sont identifiées.

Les compétences travaillées Communiquer.

Représentation simplifiée

i. Les protéines de la membrane plasmique CHAPITRE 3   Une structure complexe : la cellule vivante

s problèmescientifiques

46

h. Résultat du clivage d’une membrane

72

Extraire et organiser des informations.

Régions hydrophiles

Surface extracellulaire de la membrane

Le préfixe lipo-, du grec ancien λι’ πος, lípos (« gras »), est employé pour former des mots ayant un rapport avec la graisse, les lipides.

72

des lipides dans un milieu aqueux

Décrire l’association des protéines et des lipides membranaires

Le préfixe hydro-, du grec ancien υ ¨ δριος, húdrios (« d’eau, aqueux »), se rapporte à l’eau.

Analysez les propriétés hydrophiles et lipophiles des lipides membranaires et des protéines. Reliez l’organisation de la membrane à ces propriétés. Faites figurer sur le schéma : les lipides, les protéines, le milieu aqueux extracellulaire, le cytoplasme, en précisant les régions hydrophiles, les régions lipophiles ainsi que les liaisons.

g. Différents agencements stables

Ces structures sont souples et déformables.

1 μm

Du grec ancien φι’ λος, phílos (« qui aime »), le suffixe -phile signifie « qui a une affinité avec, qui a des dispositions à » en référence au préfixe auquel il s’associe.

Film lipidique

Mesure de l’aire occupée par une couche de lipides

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Les représentations de l’élève L a membrane plasmique est souvent visualisée comme une structure de type « sac » et dont les composants seraient donc unis les uns aux autres de façon plutôt covalente. La membrane plasmique est rarement envisagée comme une structure fluide maintenue par les liaisons faibles entre les composants eux-mêmes mais également avec les deux milieux aqueux à son contact.

Ce que disent les documents 1 Les globules rouges (doc. a) constituent un matériel de choix pour étudier la membrane plasmique car ces cellules ne contiennent ni noyau, ni aucun organite. Le fait de les placer dans un milieu hypotonique entraîne une entrée d’eau et provoque leur éclatement, permettant de récupérer des fantômes d’hématies, c’est-à-dire des membranes plasmiques (doc. b). La membrane plasmique n’est pas uniquement la limite externe d’une cellule, il s’agit également d’une structure physique. Le doc. c permet de visualiser cette structure : elle comporte deux parties hydrophiles qui sont de part et d’autre d’un cœur lipophile. Le cytoplasme contenant de l’hémoglobine apparait sombre et le milieu extracellulaire apparait clair. ? Des idées de questions : Quelle est la particularité des hématies qui en font des cellules intéressantes pour isoler la membrane plasmique ? Comment sont disposées les zones hydrophiles et lipophiles de la membrane plasmique ? Le cytoplasme et le milieu extracellulaire sont-ils hydrophiles ou lipophiles ?

2 Les molécules hydrophiles sont capables d’effectuer des liaisons avec des molécules d’eau ou d’autres molécules hydrophiles. Les molécules lipophiles sont capables d’effectuer des liaisons entre elles (doc. d). Les lipides membranaires sont des molécules à la fois hydrophiles (têtes) et lipophiles (queues) (doc. f). Elles sont amphiphiles. Le mélange d’eau et de molécules lipophiles entraîne une séparation de ces deux types de constituants. Les molécules hydrophiles établissent des liaisons entre elles et les molécules lipophiles établissent des liaisons entre elles. L’expérience de Gorter et Grendel (doc. e) permet de montrer que les têtes des lipides membranaires peuvent établir des liaisons avec l’eau et que les queues des lipides peuvent établir des liaisons entre elles. Puisque la surface d’une monocouche de lipides est le double de la surface de la membrane plasmique, on peut en déduire que les lipides sont associés en bicouche dans la membrane plasmique. Leurs têtes hydrophiles établissent des liaisons entre elles et avec l’eau et les queues hydrophobes établissent des liaisons entre elles uniquement (doc. g). Une membrane plasmique comporte un film lipidique. On peut rapprocher la structure cellulaire, d’un liposome de grande taille (hors protéines).

LE SAVIEZ-VOUS ? L a membrane plasmique des hématies ne présente pas de protéines de jonction avec d’autres cellules. Elle est notamment maintenue par un maillage du cytosquelette (composé de spectrine et d’actine) sous-jacent à la membrane et fixé à celle-ci par des protéines membranaires, les glycophorines. L ors d’une cryofracture, la fracturation se fait préférentiellement par les zones de moindre résistance. Ainsi la membrane peut être fracturée à l’extérieur ou entre les deux monocouches de lipides membranaires. Moitié externe de la bicouche fracturée

Moitié interne dévoilée de la bicouche fracturée

? Des idées de questions : Quel est le comportement des molécules hydrophiles et des molécules lipophiles lorsqu’on les mélange puis qu’on laisse décanter ? Quelles sont les propriétés hydrophiles ou lipophiles des lipides membranaires ? Quelles propriétés des lipides membranaires mettent en évidence les résultats des expériences de Gorter et Grendel ?

3 Une membrane n’est pas uniquement constituée d’une bicouche lipidique, elle comporte aussi des protéines insérées. Les protéines sont également hydrophiles et lipophiles. Les régions hydrophiles des protéines sont en contact avec les têtes hydrophiles des lipides et établissent des liaisons avec un milieu aqueux : cytoplasme ou milieu extracellulaire. Les régions lipophiles sont en contact avec les queues lipophiles des lipides (docs. h et i). ? Des idées de questions : Quelles sont les similarités et les différences des surfaces extracellulaire et intracellulaire ? Réaliser un schéma permettant d’expliquer le clivage en utilisant les propriétés hydrophile et lipophile des protéines membranaires.

Les

pour préparer votre séance

 rotocole d’isolement des membranes plasmiques de globules P rouges : Plasma

Schéma bilan de la membrane plasmique Milieu extracellulaire Interactions entre régions hydrophiles ou avec l’eau

Tête hydrophile Région lipophile Lipide Double couche Lipide lipidique

Interactions entre régions lipophiles

Cytosol

Lipide

Protéine

Les parcours possibles PARCOURS 1 Identifier la disposition des zones hydrophiles et des zones lipophiles d’une membrane. Relever l’argument qui permet de comprendre que les lipides sont organisés en bicouche. Identifier les zones hydrophiles et lipophiles sur les lipides et les protéines et faire un schéma de la membrane plasmique.

Eau

Hémoglobine

PARCOURS 2 Membranes

Globules rouges

Gonflement des globules rouges

Percement des membranes et sortie de l’hémoglobine

Séparation des membranes et de l’hémoglobine

Rédigez deux paragraphes donnant les conclusions essentielles de l’analyse des modules 1 et 2. Représenter la disposition des lipides dans la membrane plasmique. Compléter avec celle des protéines.

Indicateurs de réussite  ur le schéma utilisé pour illustrer l’article scientifique, des couleurs S différentes sont utilisées pour les zones hydrophiles et pour les zones lipophiles. L es lipides sont représentés en bicouche et les protéines sont insérées dans celle-ci. Le schéma est légendé et comporte un titre.

THÈME 1 ● CHAPITRE 3 ● Une structure complexe : la cellule vivante

47

CHAPITRE 3 Livre de l’élève SYNTHÈSE Une structure complexe : la cellule vivante MÉMO

SYNTHÈSE SCHÉMA

Podcast Texte DYS

Bilan animé

DE L’UNITÉ CELLULAIRE À LA THÉORIE CELLULAIRE L’invention du microscope permet à des scientifiques, comme Hooke et Leeuwenhoek, de plonger au cœur du vivant et de réaliser des observations jusque-là impossibles. Ils découvrent et décrivent des structures de très petite taille, que Hooke nomme « cellules ». Mais si la découverte des cellules revient à ces scientifiques, ce n’est que bien plus tard qu’elle révèlera toute son importance. Près de deux siècles plus tard, la répétition d’observations microscopiques similaires sur des tissus animaux et végétaux permet de comprendre le concept général de cellule et de découvrir l’unité cellulaire. Au fur et à mesure de la double évolution, technique et conceptuelle, se construit peu à peu la théorie cellulaire. ➞ activité 1

L’EXPLORATION DES CELLULES L’invention des microscopes électroniques, dont le pouvoir de résolution est 1 000 fois supérieur à celui des microscopes optiques, a permis l’exploration de l’intérieur de la cellule. Différents compartiments ou organites, limités par des membranes, sont identifiables dans les cellules eucaryotes. Chaque organite a des fonctions bien précises. Au sein de ces compartiments, on peut identifier des molécules en lien avec la spécificité du compartiment. On distingue par exemple le noyau mais également ce qu’il contient : de l’ADN et des protéines. Chaque compartiment a sa spécificité. ➞ activité 2

LA MEMBRANE PLASMIQUE La cellule est un espace séparé de l’extérieur par une membrane appelée membrane plasmique dont on peut préciser l’organisation moléculaire. Elle est constituée d’une bicouche lipidique dans laquelle sont insérées des protéines. Ces deux catégories de molécules possèdent des régions hydrophiles et lipophiles. Les régions hydrophiles se regroupent grâce à des interactions attractives. Elles sont également en interaction attractive avec le cytoplasme et le milieu extracellulaire. Les régions lipophiles se regroupent grâce à des interactions attractives. C’est l’ensemble de toutes ces interactions qui stabilise la membrane qui reste souple et déformable.

A-Z

MOTS CLÉS

Microscope : instrument d’optique permettant de grossir les objets observés grâce à un système de lentilles. Tissu : ensemble de cellules de l’organisme possédant une structure semblable et concourant à une même fonction. Théorie cellulaire : tout être vivant est constitué d’une ou plusieurs cellules qui proviennent d’autres cellules par division. Théorie scientifique : modèle qui permet d’expliquer l’ensemble des faits observés. Membrane plasmique : film, bicouche, lipidique contenant des protéines, qui entoure le cytoplasme d’une cellule et la délimite du milieu extra-cellulaire. Bicouche lipidique : double couche de lipides constitutive de la membrane. Hydrophile : se dit d’une entité (molécule ou ion) ou d’une portion d’entité qui peut établir des interactions attractives avec l’eau. Lipophile : se dit d’une entité (molécule ou ion) ou d’une portion d’entité qui peut établir des interactions attractives avec d’autres entités lipophiles. Les interactions attractives avec l’eau ne sont toutefois pas suffisantes pour permettre qu’elles se solubilisent dans l’eau.

On peut établir un lien entre l’échelle cellulaire et l’échelle moléculaire. La cellule est un ensemble organisé de molécules constituant par exemple la membrane plasmique ou encore les organites. ➞ activité 3

74

74

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CHAPITRE 3   Une structure complexe : la cellule vivante

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SYNTHÈSE L a découverte des premières cellules, en lien avec l’invention du microscope, et la multiplication des observations ont conduit à l’établissement de la théorie cellulaire en plusieurs étapes. La partie centrale haute du schéma résume la découverte des cellules en lien avec l’invention du microscope et la colonne de droite fait le parallèle avec la construction de la théorie cellulaire. L e perfectionnement des microscopes, et notamment l’invention de la microscopie électronique, permet l’exploration cellulaire et la compréhension de l’organisation cellulaire. C’est ce que montre la partie centrale du schéma avec l’identification de la structure interne des cellules. Les principaux compartiments sont identifiés (noyau, mitochondrie, appareil de Golgi). L es cellules sont des assemblages organisés de molécules. L’étude de la membrane plasmique permet de comprendre sur un exemple comment un assemblage de molécules peut créer une structure d’ordre supérieur. C’est ce que montre le bas du schéma avec la représentation de l’organisation moléculaire de la membrane.  gauche et au centre, on passe progressivement de l’échelle de À l’organisme à l’échelle cellulaire puis à l’échelle moléculaire (en se basant sur l’exemple de la membrane plasmique). Les couleurs jaune et bleu permettent d’identifier respectivement les zones lipophiles et hydrophiles des molécules (protéines et lipides membranaires).

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CORRIGÉS DES EXERCICES

POUR S’ENTRAÎNER L e schéma d’interprétation représentant les caractéristiques structurales d’une cellule de levure à partir d’observations au microscope électronique doit rendre compte de ce qui est observable avec cet instrument : la paroi, la membrane plasmique, le cytoplasme mais également les organites de cette cellule (noyau, mitochondrie et vacuole). L es légendes sont placées avec des flèches, si possible parallèles entre elles. Le schéma comporte un titre (schéma d’une cellule de levure observée au microscope électronique).

RÉPONSES DU QUIZ 1.b / 2.c / 3.b / 4.b / 5.c / 6.b / 7.b

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE Cellule

Optique

Compartiments

Énoncé de la théorie

Molécules

Électronique

Observation

Invention du microscope

Évolution de la théorie Multiplication des observations

Théorie cellulaire Une structure complexe : la cellule Structure cellulaire

Compartiments

48

75

Structure moléculaire Ex. : membrane plasmique

Livre de l’élève MÉTHODE Réaliser un schéma d’interprétation

Vérifier ses connaissances EXERCICES

QUIZ Énoncé

1

L’élodée est une petite plante d’eau douce dont on cherche à observer des cellules de feuille. On réalise une photographie en microscopie électronique à transmission. Réaliser un schéma d’interprétation représentant les caractéristiques structurales d’une cellule végétale chlorophyllienne, observée au microscope électronique.

4

Le microscope optique : a a été mis au point afin d’observer des cellules b a été indispensable à l’observation de cellules c ne permet pas d’observer des cellules vivantes

doc.

Observation microscopique d’une cellule végétale (MET)

Méthode ÉTAPE 1  Analyser la photographie Il faut d’abord identifier la structure étudiée. • Certaines zones n’ont pas besoin d’être détaillées car elles ne constituent pas l’objectif du schéma. • On peut annoter quelques éléments permettant de se repérer plus facilement dans l’image.

Parmi les affirmations suivantes, choisissez la réponse exacte.

2

La découverte de l’unité cellulaire : a est liée à l’invention du microscope électronique b a été établie dès la découverte des cellules au microscope c repose sur l’observation de cellules dans des espèces différentes

Application

Membrane plasmique

3

Enveloppe nucléaire

Paroi

Cytoplasme

Mitochondrie

Vacuole

Chloroplaste

a donne des images moins précises que le microscope optique b ne permet pas d’observer des cellules vivantes c donne des images en couleur

5

La membrane plasmique : a sépare deux cytoplasmes b est un assemblage de lipides uniquement c est stabilisée par des interactions des lipides entre eux et avec les milieux aqueux

6

Les lipides de la membrane plasmique : a sont totalement hydrophiles b peuvent former des liaisons avec des molécules d’eau c sont associés en simple couche

La théorie cellulaire : a a été rédigée après les premières observations cellulaires au microscope b a évolué plusieurs fois depuis sa formulation initiale c stipule que tous les êtres vivants sont faits de cellules qui peuvent se former à partir de la matière inerte

Noyau

Le microscope électronique à transmission :

7

Les protéines membranaires : a sont toutes totalement lipophiles b ont des parties lipophiles et hydrophiles c sont totalement hydrophiles

5 μm

ÉTAPE 2  Réaliser et utiliser un schéma d’interprétation Le schéma d’interprétation est donc le résultat d’une analyse, puisqu’on accorde à certains éléments une place particulière. • Il doit être légendé en indiquant les structures qu’on veut mettre en évidence. • Il peut être utilisé pour montrer un phénomène ou un mécanisme spécifique.

Membrane plasmique

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE

Enveloppe nucléaire

sur le thème « Une structure complexe : la cellule ».

Noyau

Paroi

Cytoplasme Mitochondrie

L’étiquette centrale doit s’intituler

Vacuole

Cellule

Chloroplaste

82 x 52

Réaliser un schéma d’interprétation représentant les caractéristiques structurales de la cellule de levure observée ci-contre.

Utiliser des microscopes

Des levures, champignons unicellulaires, sont observées avec différents types de microscopie. Les levures sont constituées d’une seule cellule entourée d’une paroi accolée à la membrane plasmique. 1 μm

Associer à l’étiquette centrale, par le moyen graphique de votre choix, des étiquettes de votre initiative comprenant par exemple les notions suivantes :

Pour s’entraîner Les levures sont des champignons microscopiques unicellulaires utilisés dans l’industrie alimentaire (fabrication du pain, du vin, de la bière).

1

Invention du microscope

doc.

Unité cellulaire 1 μm

Multiplication des observations

Observation microscopique d’une cellule de levure Saccharomyces cerevisiae (MET)

Structure cellulaire

Organisation cellulaire

1 μm

76

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Observation A

1 μm

Observation B

Observation C

 1. Attribuer un type de microscopie à chacune des photos.  2. Réaliser un dessin légendé d’une levure.  3. La théorie cellulaire précise que « toute cellule provient d’une cellule préexistante par division ». Expliquer en quoi ces photos semblent confirmer ce point même pour les organismes unicellulaires. CHAPITRE 3   Une structure complexe : la cellule vivante

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Indicateurs de réussite

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77

77

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2. Dessin d’une levure

L es techniques sont identifiées et correctement reliées aux observations qu’elles permettent de faire. L a théorie cellulaire est reliée aux observations qui ont permis de l’établir et son évolution est précisée.

Bourgeonnement

L a structure cellulaire est précisée avec les compartiments observables.

1

Utiliser des microscopes

1. Sur l’observation A, les compartiments cellulaires sont bien visibles et en couleur et on ne note pas de relief : il s’agit d’une électronographie en microscopie électronique à transmission en fausses couleurs. Sur l’observation B, les levures sont en relief et colorées. Le cytoplasme n’est pas observable. Il s’agit d’une électronographie réalisée au microscope électronique à balayage en fausses couleurs. Sur l’observation C, on distingue les compartiments cellulaires, même s’ils sont moins nets que l’observation A. Il s’agit d’une observation en microscopie optique.

Paroi Vacuole Cytoplasme Noyau Mitochondrie

3. La théorie cellulaire précise que « toute cellule provient d’une cellule préexistante par division ». On constate sur ces photographies que les cellules bourgeonnent ce qui donne deux cellules filles. Ainsi, un organisme formé d’une seule cellule peut se diviser et donner deux cellules.

THÈME 1 ● CHAPITRE 3 ● Une structure complexe : la cellule vivante

49

CHAPITRE 3 Livre de l’élève EXERCICES Extraire des informations 2

Analyser des informations et raisonner EXERCICES 4 La membrane, une structure fluide

Structure moléculaire de la membrane plasmique

OBJECTIF Identifier les éléments d’une représentation moléculaire.

OBJECTIF Caractériser une propriété des membranes.

a. Expérience A

4

On peut coupler une particule d’or à un lipide membranaire (figure 1). Les déplacements de la bille ainsi fixée peuvent être suivis par vidéomicroscopie. On a ainsi marqué un petit nombre de lipides de la face externe de la membrane plasmique d’une cellule vivante et suivi leurs déplacements au microscope, à l’aide d’un écran vidéo pendant 13,2 secondes. Le résultat obtenu est donné par la figure 2.

5

À partir de la représentation ci-contre de la membrane plasmique :  1. Attribuer une légende à chaque numéro.  2. Déterminer si A et B sont des régions hydrophiles et/ou lipophiles.  3. Expliquer ce qui stabilise la structure membranaire.

Figure 1

Figure 2

Bille d’or fixée à un lipide membranaire par l’intermédiaire d’un anticorps

Résultat obtenu

B

Bille d’or

A

3

Attache

2

Lipide membranaire

B 1

doc. Représentation de la membrane plasmique

b. Expérience B

3

Les lipides de la surface d’une cellule sont marqués par fluorescence verte. Par application d’un faisceau laser, on supprime la fluorescence d’une petite zone de la membrane (ce qui ne détruit pas les lipides qui portent cette fluorescence). On observe l’évolution de la fluorescence de ce secteur membranaire au cours du temps. Le résultat est donné ci-dessous :

Étude de deux protéines membranaires

OBJECTIF Faire le lien entre lipophilie et insertion des protéines dans la bicouche lipidique.

On étudie deux protéines membranaires. Pour chacune de ces deux protéines, on établit un profil de lipophilie en déterminant l’indice de lipophilie de l’extrémité A (ou A’) à l’extrémité B (ou B’). L’indice est positif lorsque le segment de la protéine est lipophile et il est négatif lorsque le segment est hydrophile. Protéine 1

 1. Déterminer le nombre de segments hydrophiles et de segments lipophiles pour chacune des deux protéines membranaires.  2. Faire le lien entre le profil et la disposition des protéines dans la bicouche lipidique.

2 μm

Protéine 2

B

Protéine 1

• Le faisceau laser est appliqué dans le carré figuré sur la première photo, la surface décolorée apparaît noire après application du laser.

Protéine 2

B’

A

A’

a. Deux protéines membranaires

Indice de lipophilie

Bicouche lipidique

Indice de lipophilie

• Les photographies b, c et d, ont été réalisées respectivement 0, 30 minutes et 1 heure après l’application du laser.

0

A

B

c. Expérience C 0

Cellule de souris

A’

B’

b. Profil de lipophilie des deux protéines

Les protéines membranaires de cellules sont marquées puis les cellules sont fusionnées. On suit les protéines au sein de la membrane plasmique.

Fusion de cellules

Cellule humaine

78

78

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CHAPITRE 3   Une structure complexe : la cellule vivante

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CORRIGÉS DES EXERCICES

2

Structure moléculaire de la membrane plasmique

1. 1   : cytoplasme ; 2 : lipide membranaire ; 3 : bicouche lipidique ; 4 : milieu extracellulaire ; 5 : protéine membranaire. 2. L a région A correspond aux queues lipophiles des lipides. Les régions B correspondent aux têtes hydrophiles des lipides. 3. L a structure membranaire est stabilisée par différentes interactions entre les molécules constitutives de la membrane et avec les milieux à son contact (milieu extracellulaire et cytosol) : – des liaisons lipophiles entre les queues des lipides et les parties lipophiles des protéines ; – des liaisons hydrophiles entre les têtes hydrophiles des lipides et avec les parties hydrophiles des protéines membranaires. Il y a également des liaisons hydrophiles entre les têtes des lipides et les milieux aqueux (milieu extracellulaire et cytoplasme).

3

Étude de deux protéines membranaires

1. L a protéine 1 comporte un segment lipophile et la protéine 2 en comporte trois. 2. L es protéines 1 et 2 sont deux protéines membranaires et comportent donc des parties hydrophiles, à l’extérieur de la membrane, et lipophiles insérées dans la bicouche lipidique. La protéine 1 possède un segment inséré dans la bicouche lipidique et donc une seule partie lipophile. La protéine 2 possède trois segments insérés dans la bicouche lipidique donc lipophiles (= hydrophobes) et 4 segments en contact avec les milieux hydrophiles, milieu extracellulaire et cytosol.

50

Protéines membranaires mélangées

 1. Réaliser un schéma de la membrane plasmique et préciser ce qui stabilise cette structure.  2. Interpréter les résultats de l’expérience A.  3. En quoi les résultats de l’expérience B sont-ils complémentaires ?  4. Confronter les résultats de l’expérience C aux deux précédents et dire ce qui est commun aux lipides et aux protéines membranaires.

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4 La membrane, une structure fluide 1. La membrane plasmique et les liaisons qui la stabilisent Milieu extracellulaire

Interactions entre têtes hydrophiles et avec le milieu extracellulaire

Bicouche lipidique

Interactions entre régions lipophiles

Cytosol Protéine membranaire

Interactions entre têtes hydrophiles et avec le cytoplasme

2. Les déplacements de la bille sont suivis par vidéomicroscopie pendant 13,2 secondes. Chaque trace noire correspond au déplacement d’une bille à la surface de la membrane et donc au déplacement du lipide membranaire qui porte la bille. On constate que les lipides se déplacent dans la membrane. La bicouche lipidique est une structure fluide. 3. Le faisceau laser supprime la fluorescence de certains lipides. On constate que la zone « éteinte » par fluorescence disparaît progressivement. Ceci peut s’expliquer par des mouvements latéraux des lipides membranaires qui sont unis entre eux par des liaisons faibles et peuvent se déplacer les uns par rapport aux autres. Un schéma présentant ce phénomène est donné ci-contre.

Livre de l’élève EXERCICES Résoudre une situation problème 5

EXERCICES

exercice guidé Vers le BAC

Les spermatozoïdes, des cellules particulières

OBJECTIF Comparer des observations et leur interprétation.

Pour son travail de drapier, Antonie Van Leeuwenhoek (1632-1723) utilise des billes de verre pour observer le tissu et vérifier ainsi sa qualité. Il fixe une minuscule bille dans une lame métallique et place l’échantillon sur une pointe qu’il peut régler. C’est ainsi qu’il met au point des microscopes qui, toujours plus précis, l’amènent à observer… le vivant ! En 1677, il utilise ses microscopes, pouvant alors grossir jusqu’à 300 fois, pour observer des spermatozoïdes d’insectes, de chien et d’homme qu’il nomme « animalcules » et dont il réalise des dessins.

6 Les virus, des exceptions à la théorie cellulaire ?  1. Utiliser l’échelle afin de montrer que l’utilisation d’un microscope est indispensable à l’observation des spermatozoïdes.  2. Comparer les apports des différents types de microscopie à la compréhension de l’organisation d’un spermatozoïde.  3. Comparer les dessins réalisés en 1677 et actuellement à partir des mêmes observations.  4. Énoncer la théorie cellulaire et dire en quoi elle modifie l’interprétation des observations.

OBJECTIFS Exploiter des documents – Réaliser un schéma scientifique.

Le virus de la grippe est une sphère d’environ 0,05 µm. Cette particule ne comprend pas de compartiment et elle est totalement inerte. Lorsque le virus rencontre des cellules humaines comme les cellules des bronches, il se fixe à leur membrane plasmique puis fusionne avec celle-ci, ce qui permet l’entrée de son programme génétique dans le cytoplasme de la cellule hôte. Ce programme est intégré au programme génétique de la cellule hôte et l’ensemble de la machinerie cellulaire est détourné, permettant la fabrication de nouveaux virus qui sortent de la cellule par bourgeonnement.

Enveloppe virale Bicouche lipidique

Protéines d’enveloppe

Programme génétique

a. Observation du virus de la grippe (MET, fausses couleurs)

 Justifier le fait que les virus ne soient pas des cellules et qu’ils ne remettent pas en cause la théorie cellulaire, après avoir rappelé cette dernière. 80 nm 5 μm

a. Représentations par Leeuwenhoek en 1677 d’un

homoncule (en haut) et de spermatozoïdes (en bas)

Microscope électronique à transmission

Programme génétique

Microscope optique Bicouche lipidique

5 μm

Enveloppe

Protéines

Membrane plasmique

b. Schéma du virus de la grippe

Noyau

➊ Liaison du virus

c. Bourgeonnement d’un virus sur la membrane Cytoplasme

avec la membrane cellulaire.

➎ 1

plasmique d’une cellule hôte

Noyau

➋ Entrée

Mitochondrie 5 μm

Microscope électronique à balayage (fausses couleurs)

b. Schéma d’un spermatozoïde

GUIDE D’EXPLOITATION

5 μm

1. Comparer la taille d’un virus à celle d’une cellule animale. Les virus peuvent-ils être observés au microscope optique ? 2. Analyser les points communs et les différences entre virus et cellules. 3. Réaliser un schéma comparatif de la membrane plasmique et de l’enveloppe virale. Quelle étape du cycle viral, que vous schématiserez, permet de comprendre la ressemblance entre les deux ?

4

du virus dans la cellule. 3

➌ Introduction du programme génétique viral dans le noyau de la cellule.

2

➍ Détournement de la machinerie cellulaire et production de nouveaux virus par la cellule.

➎ Assemblage des virus et bourgeonnement.

d. Cycle du virus de la grippe

c. Résultats d’observations de spermatozoïdes réalisées avec des instruments actuels

80

CHAPITRE 3   Une structure complexe : la cellule vivante

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Laser

Fluorescence Lipide membranaire

Zone décolorée

Déplacement latéral des lipides membranaires et répartition de la fluorescence

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81

81

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3. Des observations similaires sont interprétées différemment en fonction de l’époque à laquelle elles sont réalisées. Avant la théorie cellulaire, le spermatozoïde est interprété comme une ébauche d’un organisme. Le développement est la croissance d’un organisme préformé. 4. La théorie cellulaire stipule que : – tout organisme vivant est constitué de cellules : la cellule est l’unité structurale et fonctionnelle des êtres vivants ; – certains êtres vivants sont unicellulaires et d’autres sont constitués d’un assemblage de cellules ; – toute cellule provient de la division d’une cellule préexistante. Après l’élaboration de cette théorie, le spermatozoïde est interprété comme une cellule.

6 Les virus, des exceptions à la théorie cellulaire ?

4. O  n constate que les protéines issues des deux cellules sont mélangées après la fusion des cellules. On en déduit que les protéines membranaires, comme les lipides qui constituent la bicouche lipidique, se déplacent latéralement dans la membrane plasmique.

Le virus de la grippe est une particule de 0,05 µm qui comprend : – une région centrale qui contient le programme génétique ; – une enveloppe qui comporte une bicouche lipidique ainsi que des protéines d’enveloppe.

5

C’est une particule de taille nettement moins importante que la plus petite des cellules (1 µm pour une bactérie). Un virus ne comporte pas de compartiments cellulaires, comme les cellules procaryotes, mais contrairement aux cellules, il est totalement inerte et ne constitue donc pas une exception à la théorie cellulaire. Le virus et la cellule possèdent tous deux un programme génétique.

Les spermatozoïdes, des cellules particulières

1. U  n spermatozoïde a une taille de quelques dizaines de micromètres. Un microscope est donc nécessaire à son observation. 2. L es différents types de microscopie permettent de comprendre l’organisation d’un spermatozoïde : – un spermatozoïde comporte une tête et un flagelle bien visibles en microscopie optique ainsi qu’en microscopie électronique à balayage ; – la microscopie électronique à transmission permet d’identifier des compartiments cellulaires (le noyau dans la tête et des mitochondries).

Un virus parasite une cellule et détourne la machinerie cellulaire ce qui permet d’exprimer son programme génétique et d’entraîner la production de nouveaux virus. La formation de nouveaux virus se fait par bourgeonnement de la membrane plasmique ce qui explique les ressemblances entre enveloppe virale et membrane plasmique. THÈME 1 ● CHAPITRE 3 ● Une structure complexe : la cellule vivante

51

THÈME 1 Livre de l’élève EXERCICES

EXERCICES

Vers le BAC

QUIZ 1

2

Vers le BAC

Exercice interactif

Parmi les affirmations suivantes, choisissez la réponse exacte.

Le réseau cristallin de l’or est cubique à faces centrées. Dans une maille cubique du réseau les atomes d’or se positionnent : a seulement aux huit sommets du cube b aux huit sommets du cube au centre du cube c seulement aux six centres des faces du cube d aux huit sommets du cube et au centre de chacune des six faces du cube La matière de la Terre est principalement formée : a de carbone, d’oxygène, d’hydrogène et d’azote b d’oxygène, de fer, de silicium et de magnésium c d’oxygène et d’azote d d’hydrogène et d’hélium

3

4

Le radium-226 a une demi-vie de 1 600 ans. Un échantillon de radium contient 10 000 noyaux de radium-226. Combien possédait-il de noyaux de radium-226 il y a 6 400 ans ? a 625 c 80 000 b 40 000 d 160 000 La chlorite et la pyroxène font partie de la famille des silicate. L’orthose et le microcline font partie de la famille des feldspath. Un échantillon de matière est constitué d’orthose, de microcline et de pyroxène. Cet échantillon peut être classé dans la catégorie : a d’une maille c d’un minéral b d’un cristal d d’une roche

H H C1 O O C CH2 CH2 CH2

O O P O– H O C2 C3 H2 O O C CH2 CH2 CH2

1

Espèce modifiée par les chimistes

2

Air

CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2

Formule chimique

Eau Modèle moléculaire (couleurs arbitraires)

Représentation simplifiée

Exemple d’entité présentant des parties hydrophiles et des parties lipophiles

Protéine soluble dans l’eau

Des molécules membranaires modifiées auto-organisées Zone Zone lipophile hydrophile

Air

OBJECTIF

BAC

Différents niveaux d’organisation : comment la nature inspire les physiciens et chimistes

Eau 1 nm

OBJECTIFS Exploiter des documents – Organiser, effectuer et contrôler des calculs – Rédiger une argumentation scientifique.

Organisation en couche simple à l’interface air-eau

b. Modélisation de l’organisation en couches à l’échelle nanométrique

Les entités moléculaires ou ioniques présentant une partie hydrophile et une partie lipophile s’organisent spontanément à la surface de l’eau de manière à former un « film lipidique ».

QUESTIONS L’organisation de la matière existe à différentes échelles 1. En utilisant une représentation analogue à celle du doc. b, schématiser une membrane plasmique. 2. Expliquer pourquoi les protéines représentées dans le doc. c forment un « cristal à deux dimensions » alors que le cuivre présenté dans le doc. e forme un cristal à trois dimensions. 3. Un cristal de cuivre-64 est constitué de 10 000 atomes de cuivre-64. Calculer au bout de quelle durée ce cristal ne contiendra plus que 1 250 atomes de cuivre-64.

à deux dimensions

Les chimistes ont modifié des espèces présentant une partie lipophile et une partie hydrophile en incluant des zones pouvant se lier avec des protéines solubles dans l’eau.

10 nm

a Diffraction des rayons X

Jusqu’au début des années 2000, aucune technique expérimentale ne permettait de « voir » une unique molécule. Au xxe siècle, la diffraction des rayons X permet de connaître la position dans l’espace des atomes d’une entité, mais celle-ci doit faire partie d’un grand ensemble d’entités identiques et formant un cristal.

Vue d’une membrane plasmique de cellule végétale

d. Cristal à deux dimensions d’une protéine OmpF observée au microscope à force atomique

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c. Formation d’un cristal de protéines

e. L’élément cuivre

a. Organisation à l’échelle cellulaire

82

Associations de protéines solubles dans l’eau avec des molécules membranaires modifiées.

Vue de l’intérieur d’une cellule d’amidon (MET)

SYNTHÈSE À partir de l’ensemble des documents ci-contre, présenter une synthèse d’environ 15 lignes illustrant la notion d’organisation de la matière à différentes échelles. Expliquer alors l’intérêt de la cristallisation à deux dimensions des protéines.

Eau

Air

DONNÉES • Masse d’un atome de cuivre : m = 1,06 × 10-25 kg • Rayon d’un atome de cuivre : R = 1,28 × 10-25 m

THÈME 1

23/04/2019 19:52

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L’isotope du cuivre 64Cu est radioactif. Ses propriétés de désintégrations uniques font que le cuivre-64 est utilisé en médecine nucléaire à la fois en imagerie et en thérapie. Sa demi-vie est de 12,7 h soit 12 heures et 42 minutes.

Une longue histoire de la matière

83

23/04/2019 19:52

RÉPONSES DU QUIZ

SYNTHÈSE

1.d / 2.b / 3.d / 4.d

Le doc. c permet d’illustrer l’organisation d’une cellule vivante (donc probablement à l’échelle du micromètre). Une cellule vivante est séparée de l’extérieur par une membrane plasmique.

CORRIGÉ DE L’EXERCICE 1. 

Une membrane plasmique est constituée de molécules présentant une zone hydrophile et une zone lipophile (à l’échelle moléculaire, donc de l’ordre du nanomètre). Ces molécules s’auto-organisent entre elles en présence d’eau, sous forme de bicouche lipidique étudiée à la question 1. D’autres organisations de ces molécules sont possibles, comme par exemple à l’interface eau-air comme cela est représenté dans le doc. b.

2. Un cristal est formé par un agencement ordonné d’un grand nombre d’entités identiques. Le cristal de cuivre est formé par l’agencement ordonné d’atomes de cuivre dans les trois directions de l’espace. Il forme donc un cristal à trois dimensions. Les protéines représentées dans la partie inférieure du doc. c sont agencées de manière régulière, mais en ne se développant qu’à la surface de l’eau, c’està-dire dans deux dimensions d’espace, d’où le nom de cristal à deux dimensions. 3. Au bout d’une demi-vie, il ne reste plus que 5 000 atomes ; au bout de deux demi-vies, il ne reste plus que 2 500 atomes ; au bout de trois demi-vies, il ne reste plus que 1 250 atomes. Une demi-vie correspond à 12,7 heures, il ne restera donc plus que 1 250 atomes de cuivre-64 au bout de 12,7 × 3 = 38,1 heures soit 38 heures et 6 minutes.

52

Les chimistes ont alors modifié des molécules (doc. c) afin que des protéines solubles dans l’eau puissent s’y fixer. Ces protéines s’agencent comme dans un cristal dans un réseau à deux dimensions. Or la diffraction des rayons X, technique expérimentale permettant d’avoir une image à l’échelle moléculaire (doc. d), ne peut se faire que sur un cristal. La technique développée par les chimistes permet donc d’obtenir des images d’un cristal formé de protéines solubles dans l’eau.

Livre de l’élève LE C IN DES SCIENCES

SUPPLÉMENT

LE C IN DES SCIENCES L’élucidation de la structure de l’ADN

Les petites Curie

Sciences

&

HISTOIRE

Fiche métier Voir les molécules

ISTE JOURNAL TIFIQUE SCIEN Bac + 2 à Bac + 5

Sciences

& DÉCOUVERTE

Le journaliste scientifique se consacre à la transmission au public de l’actualité scientifique. Il peut travailler dans un journal de vulgarisation ou pour des revues, sites web ou émissions de télévision spécialisées.

L’ÉLUCIDATION DE LA STRUCTURE DE L’ADN

FORMATION

L

a diffraction d’un rayonnement est facilement observable lorsque de la lumière traverse un voilage. Ce phénomène est aussi exploité lorsqu’un rayonnement X traverse un échantillon de cristal. La « figure de diffraction » obtenue, une fois exploitée, permet de connaître la position dans l’espace des atomes du cristal. À partir notamment des figures de diffraction des rayons X par l’ADN de Rosalind Franklin, James Watson, biologiste américain, et Francis Crick, physicien et biochimiste britanique, après de nombreuses années de recherche, élucident la structure de l’ADN, molécule porteuse de l’information génétique. Pour ce travail, Francis Crick et James Watson partagent le prix Nobel de médecine en 1962 avec Maurice Wilkins, biophysicien britanique.

Il existe une filière en DUT « information-communication option journalisme », qui est éventuellement poursuivie par une licence pro des métiers de l’information. Il est également possible d’obtenir une licence dans une université, dans divers domaines, avant d’intégrer pour le master une école spécialisée en journalisme.

Remise des prix Nobel en 1962 De gauche à droite : Maurice Wilkins, Max Ferdinand Perutz (chimie), Francis Crick, John Steinbeck (littérature), James Watson et John Kendrew (chimie).

P

endant la Première Guerre mondiale, Marie Curie est à l’origine de la création d’un service de radiologie aux armées dont elle prend la direction. Elle dispose de 18 camions qu’elle fait équiper d’appareils radiologiques. Ces véhicules, nommés « Les petites Curie », permettent de monter au front pour traiter les blessés que l’on ne pouvait pas rapatrier à l’arrière. Plus d’un million d’examens radiologiques sont réalisés pendant la guerre, évitant ainsi les complications et sauvant sans doute la vie de milliers d’hommes.

Sciences

& ACTUALITÉ

COMPÉTENCES REQUISES Le journaliste doit être toujours à l’affut de la moindre information, et être très réactif. Il faut maîtriser diverses techniques et disposer d’une solide culture générale. Le journaliste scientifique a idéalement une formation dans au moins un domaine des sciences, afin d’être capable de comprendre les informations et de les transmettre fidèlement, de manière claire et intelligible.

DÉBOUCHÉS / EMPLOIS

Modèle moléculaire d’ADN de Crick et Watson

Marie Curie au volant d’une « petite Curie »

LES PETITES CURIE

Le journaliste pourra obtenir une carte de presse après quelques mois de travail pour une entreprise ou agence de presse. Les magazines ou rubriques scientifiques (journaux, émissions à la télévision ou à la radio) sont peu nombreuses, la concurrence est donc rude dans ce milieu. Les débutants se forment souvent grâce à des stages et des missions de pigiste.

Molécules d’anthracène modifiées observées en AFM

VOIR LES MOLÉCULES

L

a microscopie à force atomique (AFM), inventée en 1985 par Gerd Binnig, physicien allemand, Calvin Quate, ingénieur américain et Christoph Gerber, physicien suisse, ne cesse de progresser. Ce type de microscopie repose essentiellement sur l’analyse d’un objet point par point au moyen d’un balayage par une pointe effilée. De nos jours, cette technique permet de réaliser une image d’un objet aussi petit qu’une molécule jusqu’à en « voir » les liaisons entre les atomes. Pour la première fois en 2013, un type de liaison particulier, des liaisons par pont hydrogène, ont été observées. Peut-être dans un proche avenir observerons-nous ces liaisons dans les molécules d’ADN.

84

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THÈME 1   Une longue histoire de la matière

23/04/2019 18:11

ARTICLE EN La Diffraction des Rayons X (DRX) est une technique de caractérisation des matériaux cristallisés, qu’ils soient massifs, sous forme de poudre ou de dépôts. En laboratoire, cette technique est principalement appliquée aux matériaux inorganiques : minéraux, métaux, alliages, céramiques, etc. Le principe est le suivant : les faisceaux de rayons X produits par le tube sont envoyés sur l’échantillon dans lequel ils sont déviés par les atomes. Ces faisceaux diffractés interfèrent entre eux, conduisant à la production d’un signal intense dans certaines zones précises de l’espace. C’est ce signal qui est collecté par le détecteur, et tracé sous forme d’une courbe (diffractogramme) qui présente des pics à des angles bien spécifiques de diffraction. La position de ces pics est une véritable signature de l’arrangement des atomes à l’intérieur d’un cristal (distance entre atomes, entre plans intracristallins). La relation empirique qui relie les angles auxquels sont observés les pics et les distances entre plans atomiques est la loi de Bragg. La diffraction des rayons X permet de distinguer des produits ayant la même composition chimique mais dont les arrangements atomiques diffèrent. Par exemple, les carbonates de calcium comme la calcite et l’aragonite, de même formule chimique (CaCO3), ont des diagrammes de diffraction différents. En revanche, les phases de nature chimique différente mais dont les atomes sont organisés selon le même arrangement présentent de grandes similitudes, à savoir des pics de diffraction localisés aux mêmes positions angulaires. D’après « Diffraction des Rayons X sur poudres », liec.univ-lorraine.fr/content/fiche-diffraction-rayons-x.

Pointe effilée d’interaction d’un microscope AFM

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23/04/2019 18:11

Pour aller

loin

 atan Capobianco et Gauthier Roisine, Un siècle de N cristallographie : de la maille au cristal, 2017, culturesciences.chimie.ens.fr/node/1757.  atan Capobianco et Gauthier Roisine, Le siècle de la N cristallographie : de la diffraction des rayons X à la cristallographie, 2017, culturesciences.chimie.ens.fr/node/1790.  agop Demirdjian, La radiographie (I) – Histoire de la découverte H des rayons X et de leur application en médecine, 2007, culturesciences.chimie.ens.fr/content/la-radiographie-i-histoirede-la-decouverte-des-rayons-x-et-de-leur-application-enmedecine-1196.  idier Roux, Le verre : un matériau unique, des procédés D exceptionnels, conférence, 2018, culturesciences.chimie.ens.fr/le-verre-un-mat%C3%A9riauunique-des-proc%C3%A9d%C3%A9s-exceptionnels. C NRS, Les sciences de la vie au lycée : « La cellule », www.cnrs.fr/ cnrs-images/sciencesdelavieaulycee/cellule/intro.htm. C NRS, Les sciences de la vie au lycée : « La cellule, la synthèse des protéines », www.cnrs.fr/cnrs-images/sciencesdelavieaulycee/ cellule/proteine.htm. IUPAC, Compendium of Chemical Technology, 1997, « Unit cell », goldbook.iupac.org/html/U/U06562.html.

THÈME 1 ● Une longue histoire de la matière

53

THÈME 2

THÈME

Livre de l’élève

2

Le Soleil, notre source d’énergie

BIEN DÉMARRER

MÉMO & MOTS CLÉS SCHÉMA BILAN MÉTHODE : Calculer la puissance solaire reçue par la Terre EXERCICES p. 126 SYNTHÈSE

p. 88

p. 90 HISTOIRE/ENJEUX/DÉBATS Le discours sur l’énergie dans la société est-il fondé sur un vocabulaire scientifiquement adapté ?

CHAPITRE

4

LE C IN DES SCIENCES ..................

p. 122 HISTOIRE/ENJEUX/DÉBATS Pourquoi est-il essentiel de savoir distinguer la météorologie de la climatologie ?

p. 92

ACTIVITÉ 3 TÂCHE COMPLEXE

p. 120

À quoi sert l’effet de serre naturel sur Terre ?

p. 118 HISTOIRE/ENJEUX/DÉBATS Comment l’albédo et ses variations influencent-ils le climat terrestre ?

p. 96 ACTIVITÉ 2 Existe-t-il un lien entre la température de surface d’une étoile et sa couleur ? p. 98 HISTOIRE/ENJEUX/DÉBATS Comment l’étude du rayonnement thermique a-t-elle ouvert la voie à la compréhension de la matière à l’échelle microscopique ?

p. 114 ACTIVITÉ 1 Quelle proportion de la puissance émise par le Soleil atteint la Terre et son atmosphère ?

CHAPITRE

p. 100

Pourquoi fait-il plus froid en hiver qu’en été ?

p. 136 ACTIVITÉ 1 Dans quelle mesure le rayonnement solaire est-il absorbé et utilisé par les végétaux chlorophylliens ?

p. 138 ACTIVITÉ 2 Quelle est l’importance de la photosynthèse à l’échelle planétaire ?

5

Le bilan radiatif terrestre

SYNTHÈSE

p. 160

p. 158 ACTIVITÉ 2 Quelles conversions d’énergie se déroulent dans le corps ? p. 140 ACTIVITÉ 3 TÂCHE COMPLEXE Quel est le devenir d’un atome de carbonne à partir de son entrée dans la biosphère ?

p. 156 ACTIVITÉ 1 TÂCHE COMPLEXE Quels mécanismes permettent de maintenir la température corporelle stable ?

CHAPITRE

............

p. 170 p. 168

MÉMO & MOTS CLÉS SCHÉMA BILAN MÉTHODE : Lire un diagramme en aires EXERCICES

p. 142 ACTIVITÉ 4 CLASSE INVERSÉE Pourquoi peut-on dire que brûler un combustible fossile, c’est utiliser une énergie solaire du passé ?

7

Le bilan thermique du corps humain .................................. p. 154

p. 112

p. 102 ACTIVITÉ 4 Comment déterminer la température de la surface du Soleil alors qu’on ne peut pas s’y rendre ?

p. 146 SYNTHÈSE MÉMO & MOTS CLÉS SCHÉMA BILAN MÉTHODE : Réaliser un schéma fonctionnel EXERCICES

p. 104 SYNTHÈSE MÉMO & MOTS CLÉS SCHÉMA BILAN MÉTHODE : Appliquer la loi de Wien EXERCICES 86

87

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19/06/2019 08:58

THÈME 2 THÈME L’énergie est un concept scientifique largement diffusé dans nos sociétés modernes. On retrouve ce concept dans de nombreux champs scientifiques où chacun l’a généralement adapté à sa propre utilisation disciplinaire. Il s’ensuit parfois des difficultés pour les élèves, car le vocabulaire utilisé pour manier ce concept peut largement changer d’une matière à l’autre. Ainsi, au-delà de cette thématique abordant l’énergie solaire et ses déclinaisons terrestres sur le bilan radiatif et la photosynthèse, ainsi que le bilan thermique du corps humain, nous nous sommes attachés à harmoniser le vocabulaire employé dans chaque chapitre, et nous avons porté une attention particulière à distinguer énergie, puissance et température.

CHAPITRE 4 Ce premier chapitre consacré au rayonnement solaire permet une entrée concrète dans la thématique de l’énergie qui est développée dans cette partie du programme. Le chapitre 4 s’articule autour de trois notions : – l’énergie libérée par la fusion atomique ; – l’émission d’énergie par rayonnement ; – la variation de la puissance solaire reçue sur Terre. Ces notions permettent d’établir les liens entre énergie dégagée, température, longueur d’onde et puissance radiative reçue. Ce point est particulièrement important dans ce chapitre car les confusions sont courantes. Le chapitre 4 est l’occasion d’appréhender des grandeurs comme la transformation de masse solaire en énergie par seconde, la relation entre la température de surface d’un corps et la longueur d’onde d’émission maximale, et de calculer des moyennes temporelles de température.

54

EXERCICES Vers le BAC

p. 116 ACTIVITÉ 2 Quel type de rayonnement électromagnétique est émis par la Terre ?

p. 94 ACTIVITÉ 1 Comment le Soleil peut-il dégager constamment de l’énergie depuis 4,5 milliards d’années ?

86

6

Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse ................................... p. 134

p. 124 ACTIVITÉ 4 Comment la température moyenne à la surface du globe peut-elle rester constante ?

Le rayonnement solaire

ACTIVITÉ 3

CHAPITRE

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19/06/2019 08:58

CHAPITRE 5 Ce chapitre sur le bilan radiatif terrestre permet d’aborder la notion d’équilibre dynamique. Dans le cas présent, ce bilan a des conséquences sur la température de la surface terrestre, et donc sur les conditions de vie de notre planète. La démarche retenue ici consiste à présenter pas à pas les différentes composantes de ce bilan. Le bilan restant qualitatif, il est important d’insister sur les ordres de grandeur des différentes composantes. Le chapitre 5 sera à construire en perspective du programme de Terminale, où les perturbations de cet équilibre par l’activité humaine, et les conséquences sur le climat, seront étudiées.

CHAPITRE 6 La perspective notionnelle envisagée ici est triple. Elle concerne tout d’abord le processus de la photosynthèse vu comme une conversion énergétique à l’origine de la matière organique du monde vivant. Ceci permet de comprendre que la photosynthèse est le point d’entrée énergétique majeur de toute la biosphère, et conditionne le fonctionnement des écosystèmes. Enfin, le processus de la photosynthèse permet de relier les combustibles fossiles à leur origine organique, et ainsi de retrouver la source primaire de cette énergie : le Soleil.

CHAPITRE 7 Ce dernier chapitre est essentiel pour relier les différentes notions associées à l’énergétique du monde vivant. Il permet entre autres de définir clairement le lien entre des processus métaboliques comme la respiration et la fermentation, et la nécessité pour un organisme animal (ici humain) de se procurer de l’énergie par l’alimentation. Si, une fois encore, l’approche qualitative est essentielle, les ordres de grandeur des processus énergétiques doivent être mis en perspective des autres chapitres du thème.

Livre de l’élève Bien DÉMARRER

FICHE

3

Lumière visible et rayonnement invisible

FICHE

4

La lumière peut se modéliser par une onde. Sa vitesse de propagation est : Exercice interactif

Parmi les affirmations suivantes, choisissez la réponse exacte.

A

B

C

La longueur d’onde dans le vide ou dans l’air d’un rayonnement monochromatique peut s’exprimer en :

hertz (Hz)

nanomètre (nm)

mètre par seconde (m·s–1)

Le spectre d’émission d’une lumière blanche peut être réalisé facilement avec :

une lentille

un prisme

un microscope

L’énergie d’un système physique, chimique ou biologique peut s’exprimer en :

watt (W)

joule par seconde (J·s–1)

joule (J)

Lors de la photosynthèse, un des réactifs transformés est :

le dioxygène

le dioxyde de carbone

le glucose

Lors d’une transformation chimique exothermique, le système chimique :

produit de l’énergie

cède de l’énergie à l’extérieur

reçoit de l’énergie de l’extérieur

L’équation de la réaction modélisant la formation de glucose C6H12O6 par photosynthèse s’écrit :

CO2 + H2O ➝ C6H12O6 + O2

6 CO2 + H2O ➝ C6H12O6 + O2

6 CO2 + 6 H2O➝ C6H12O6 + 6 O2

Les gisements de combustibles fossiles se sont formés dans des bassins sédimentaires :

à forte productivité de biomasse

à roches carbonées

à roches métamorphiques

produit du dioxygène

permet le transfert d’énergie

ne se déroule que la nuit

enfouis

refroidis

hydratés

La respiration : Lors de la formation des roches sédimentaires, les sédiments sont :

Transformations de la matière

Les différentes transformations de la matière possibles sont : – les transformations physiques ; – les transformations chimiques ; – les transformations nucléaires. Les transformations de la matière s’accompagnent d’un transfert d’énergie. Dans le cas des transformations nucléaires ayant lieu dans les étoiles ou dans les centrales électriques, l’énergie mise en jeu est beaucoup plus grande que pour des transformations chimiques ou physiques à masses comparables.

Énergie de Énergie de rayonnement rayonnement

Énergie Énergie

FICHE

2

Énergie et puissance

Une source d’énergie renouvelable a une durée d’exploitation plus grande ou au moins égale à sa durée de reconstitution. Le soleil est classé dans les sources d’énergie renouvelables. Quelle que soit sa forme, une énergie s’exprime en joule (J) dans le Système international. Les différentes formes d’énergie peuvent se convertir entre elles. Au cours d’une transformation, l’énergie n’est ni produite ni consommée. Elle ne peut qu’être échangée sous différentes formes : l’énergie se conserve. La puissance 3 d’un convertisseur d’énergie est égale au quotient de l’énergie % qu’il convertit par la durée Δt de la conversion : 3=

% donc % = 3 × Δt Δt

La puissance s’exprime en watt (W) dans le Système international.

L e spectre d’émission d’une lumière blanche peut être réalisé facilement avec : L ’énergie d’un système physique, chimique ou biologique peut s’exprimer en : L ors de la photosynthèse, un des réactifs transformés est : L ors d’une transformation chimique exothermique, le système chimique : L ’équation de la réaction modélisant la formation de glucose C6H12O6 par photosynthèse s’écrit : L es gisements de combustibles fossiles se sont formés dans des bassins sédimentaires : La respiration : L ors de la formation des roches sédimentaires, les sédiments sont :

p est un nombre compris entre 0 et 1. Le pourcentage associé à la valeur p est p% = p × 100. Il est compris entre 0 % et 100 %.

FICHE

5

La photosynthèse

En présence de lumière (transportant de l’énergie), les cellules végétales chlorophylliennes réalisent un métabolisme photosynthétique qui produit des espèces organiques (glucose) à partir d’espèces minérales (eau et dioxyde de carbone). Les cellules végétales possèdent des organites cellulaires particuliers, les chloroplastes, qui sont le siège de la photosynthèse.

Énergie solaire CO2 Photosynthèse O2

Le spectre de la lumière émise par un gaz, porté à haute température ou traversé par une décharge électrique est un spectre de raies. Il est caractéristique de l’atome ou de l’ion qui émet la lumière.

Eau + sels minéraux FICHE

6

Spectres de raies d’émission. De haut en bas : déutérium (isotope de l’hydrogène), hélium, hydrogène, krypton.

La respiration

Les aliments sont des sources d’énergie et de matière pour le métabolisme des cellules. La respiration cellulaire, qui permet cette libération d’énergie, nécessite la présence dans la cellule d’un organite particulier : la mitochondrie. Respiration, fermentation et photosynthèse sont à la base de flux de matières et d’énergie à l’échelle des écosystèmes. THÈME 2   Le Soleil, notre source d’énergie

09172919_088-089_BDT2.indd 88

L a longueur d’onde dans le vide ou dans l’air d’un rayonnement monochromatique peut s’exprimer en :

GS GE

Évolution d’un spectre continu d’origine thermique avec la température de la source de lumière.

88

RÉPONSES AU QUIZ

p=

Augmentation de la température

1

Longueur d’onde λ dans le vide ou dans l’air des rayonnements.

Le spectre de la lumière émise par un corps dense et chaud est un spectre continu. Il dépend de la température de la source de lumière. Quand la température augmente, le spectre s’enrichit progressivement vers le violet.

Corrigés p. 346

FICHE

c ≈ 3,00 × 108 m·s–1 La lumière blanche est une lumière polychromatique car elle est composée de rayonnements de couleurs différentes. Une lumière visible monochromatique n’est composée que d’un seul rayonnement coloré, caractérisé par sa longueur d’onde λ dans le vide ou dans l’air, pouvant prendre des valeurs comprises entre 400 nm (violet) et 750 nm (rouge). La lumière visible est un exemple de rayonnement. Tous les rayonnements sont caractérisés par leur longueur d’onde. Le spectre d’un rayonnement présente l’ensemble des rayonnements monochromatiques qui le composent.

Augmentation de la température

QUIZ

Proportion et pourcentage

La proportion d’une sous-population S, dans une population E, est le quotient de l’effectif de S par l’effectif de E. Par analogie, la proportion p d’une grandeur physicochimique G de valeur GS d’un sous-système S, dans un système E caractérisé par la valeur GE, est le quotient de GS par GE :

19/06/2019 09:00

A

B

C

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89

89

19/06/2019 09:00

avant la première Les différentes transformations de la matière  1 abordées en cycle 4, puis en seconde, sont rappelées ainsi que le lien existant avec les transferts d’énergie. Une première notion quantitative est également rappelée. Énergie et puissance  2 , abordées en cycle  4, permet comme l’indique le programme, de remobiliser ces deux notions de base. Cette fiche permet aussi de réactiver des notions comme l’« énergie renouvelable », ou d’insister sur le vocabulaire et les formulations à employer. Les prérequis issus de la classe de seconde, et du cycle  4, sur la lumière visible et les rayonnements invisibles  3 sont synthétisés dans cette fiche. L’objectif est de remobiliser les notions de longueur d’onde et de spectre visible. Citer la valeur de la vitesse de propagation de la lumière est une capacité exigible. La photosynthèse  5 est ici abordée et rappelle la première construction notionnelle (cycle 4 et seconde) associée à une production de matière organique, nécessitant de la lumière (celle-ci étant considérée jusqu’alors comme une condition de réalisation et l’aspect énergétique n’ayant pas été explicitement formulé). À noter qu’en seconde, la nécessité d’organites spécialisés a déjà été étudiée. La respiration  6 réactive les acquis de seconde sur le métabolisme respiratoire des cellules, et la nécessité de la présence d’organites spécialisés. Les fiches 1 et 6 peuvent être regroupées pour une meilleure intégration transdisciplinaire des notions. Un premier lien entre respiration et énergétique a été envisagé en cycle 4, à la fois au niveau cellulaire, mais aussi au niveau de l’organisme et des variations d’activité.

THÈME 2 ● Le Soleil, notre source d’énergie

55

THÈME 2 Livre de l’élève IRE HISTO X ENJEU TS DÉBA

L’énergie : analyse critique du vocabulaire d’usage courant

Crédit d’impôt pour la transition

d. énergétique (CITE)

La transition énergétique désigne l’évolution des techniques d’exploitation des sources d’énergie et des modes de consommation énergétique dans le cadre du développement durable. En France, elle est régie par une loi publiée le 17 août 2015.

Les citoyens du xxie siècle doivent relever, chacun à leur échelle, des défis énergétiques intimement liés à des enjeux écologiques. Ces préoccupations se reflètent dans le discours sur l’énergie au sein de la société. Cependant, les raccourcis linguistiques sont sources de confusion.

Le CITE est un avantage fiscal variable selon la nature des travaux visant à augmenter l’efficacité énergétique d’une habitation principale.

Le discours sur l’énergie est-il fondé sur un vocabulaire scientifiquement adapté ? Infographie

REMARQUE Sur cette page, le vocabulaire d’usage courant est indiqué en italique, et le vocabulaire scientifique en romain, afin de ne pas les confondre.

Aujourd’hui, il est même possible d’habiter ou de travailler dans un bâtiment à énergie positive qui produit plus d’énergie, en privilégiant les sources d’énergie renouvelables, que ses occupants n’en consomment : les architectes se basent sur le concept bioclimatique qui tire au mieux parti de l’environnement et du climat pour améliorer le confort intérieur.

f. Empreinte écologique L’empreinte écologique d’une personne désigne la surface de terre et la surface d’eau bioproductives nécessaires pour assurer son mode de vie, matières premières et déchets inclus.

VOCABULAIRE Formes d’énergie : l’énergie prend différentes formes comme mécanique, transfert thermique (ou chaleur), électrique, chimique, etc. Source d’énergie : réservoir d’énergie. Par exemple, les roches chaudes, les sources d’énergie fossiles (le pétrole, le charbon, le gaz naturel, le gaz de schiste, l’uranium). Source d’énergie renouvelable : réservoir qui stocke de l’énergie quasiment au même rythme que cette forme d’énergie est exploitée. Par exemple, le vent, la biomasse. Le Soleil est considéré comme une source d’énergie renouvelable car son stock d’énergie est immense.

a. Géothermie : utiliser la chaleur interne du globe terrestre

b. Énergie propre, énergie verte

Source d’énergie non renouvelable : réservoir qui met beaucoup plus de temps à se régénérer qu’à être exploité. Par exemple, les sources d’énergie fossiles. Production d’énergie et consommation d’énergie : selon le principe de conservation de l’énergie, l’énergie n’est ni créée ni perdue, elle ne peut être que convertie d’une forme en une autre. La consommation d’énergie représente l’ensemble des transformations de l’énergie. La production d’énergie désigne l’exploitation des sources d’énergie. Aujourd’hui, on préfère parler d’énergie libérée plutôt que d’énergie produite. Convertisseur d’énergie : appareil ou ensemble d’appareils qui transforme une forme d’énergie en une autre. Par exemple, un panneau solaire transforme de l’énergie lumineuse émise par le Soleil en énergie de transfert thermique et/ou électrique.

RESSOURCES « La nature pour modèle », magazine La Vie, hors-série Sciences, juin 2017. Demain et Après-demain, documentaires réalisés par Cyril Dion, Mélanie Laurent et Laure Noualhat, 2016 et 2018. www.planete-energies.com www.nationalgeographic.com

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L’exploitation des sources d’énergie renouvelables – ou énergie propre, énergie verte – est largement considérée comme une solution vertueuse au défi énergétique et environnemental. Cependant, de sa conception à son recyclage et au stockage des déchets, un convertisseur d’énergie reste gourmand en matières premières et en énergie. Par exemple, lorsque les éoliennes ne sont plus compétitives, elles sont démantelées : l’acier et le cuivre sont réutilisés mais la fibre de verre, les résines polyesters et le béton armé des fondations posent de gros soucis environnementaux.

Ramassage

Consommateur

En équipes Équipe 1 Choisissez un article de presse ou un extrait de documentaire consacré aux sources d’énergie et critiquer le vocabulaire employé. Si nécessaire, envoyer des corrections argumentées au journaliste/ réalisateur en vous basant sur du vocabulaire et des faits scientifiques.

Tri manuel et mise en balle

Broyage

Bouteilles en plastique Régénération

Produits finis

D’après www.data.footprintnetwork.org.

c. Économies d’énergie et développement durable

Transformation

!

Équipe 2 Calculez l’empreinte écologique moyenne du mode de vie de votre équipe en utilisant un logiciel dédié. Proposez des pistes réalistes pour la réduire au niveau local (chez vous, au lycée) autant qu’au niveau global.

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En commun Rédigez une charte réaliste de l’éco-lycéen dont l’objectif est de faire baisser la facture énergétique de votre lycée et donc de faire des économies d’énergie au sein de votre établissement. Présentez cette charte devant le conseil d’administration du lycée afin de la faire appliquer. THÈME 2   Le Soleil, notre source d’énergie

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s problèmescientifiques  ourquoi est-il important que le discours sur l’énergie soit P audible par le grand public ? L e discours sur l’énergie est-il en adéquation avec un vocabulaire scientifique adapté ?  uels moyens chacun dispose-t-il pour répondre aux enjeux Q énergétiques et environnementaux ?

Mobilisation des acquis Vu en cycle 4 : les sources, les transferts, les conversions et les formes d’énergie. Bien démarrer : fiche 2 « Énergie et puissance », p. 88.

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Les représentations de l’élève  our préserver notre planète, il faut revoir notre consommation P d’énergie. Chacun a des efforts à faire ; par exemple, recycler. Il faut privilégier les sources d’énergie renouvelables aux sources d’énergie fossiles.

Ce que disent les documents L’introduction et la question posent le constat selon lequel le discours sur l’énergie n’est pas assez fondé sur un vocabulaire scientifique adapté. ? Idée de question : Quels sont l’avantage et l’inconvénient d’utiliser des raccourcis linguistiques pour discuter de l’énergie ?

 es efforts sont encore à faire pour adapter le discours sur l’énergie D au grand public tout en utilisant le vocabulaire scientifique adapté.

Le point vocabulaire rappelle des définitions déjà travaillées au cours du cycle 4. Vocabulaire d’usage courant (dont les raccourcis peuvent entraîner des confusions) et vocabulaire scientifique sont distingués visuellement.

L e discours sur l’énergie revêt diverses formes. Cependant, les raccourcis et les simplifications pourraient s’avérer contre-productifs.

Les ressources fournissent des informations très utiles à l’ensemble de la classe pour répondre aux questions.

C hacun peut améliorer son hygiène de vie et répondre aux enjeux énergétiques et environnementaux de plusieurs manières.

a Cette infographie de courte durée définit et caractérise la géothermie. Les trois procédés géothermiques sont décrits. Il est en outre précisé que la frontière entre source d’énergie renouvelable et source d’énergie non renouvelable n’est pas aussi évidente.

Les grandes idées à construire

Les compétences travaillées Rédiger une argumentation scientifique. Exploiter/critiquer des documents. Expliquer/interpréter et justifier ses choix.

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g. Recyclage et éco-responsabilité Le discours sur l’énergie au sein de nos sociétés s’accompagne d’une prise de conscience du rôle des différents acteurs économiques dont les consommateurs qui sont régulièrement appelés à recycler. Le recyclage désigne un ensemble de procédés industriels de transformation d’un objet en un autre objet en vue d’utiliser moins d’énergie et de matières premières en comparaison avec la fabrication de ce nouvel objet. D’autres pratiques permettent de recycler : acheter des objets éco-conçus c’est-à-dire réparables à long terme et recyclables ou bien des objets déjà utilisés (enchères, Emmaüs, etc.), participer à des « troc-parties », adopter un mode de vie proche du « zéro déchet ».

Depuis 2008, l’empreinte écologique des Français baisse. En 2014, elle était estimée à 4,7 hectares par personne. Si toute la population humaine avait les mêmes habitudes de vie que cette moyenne française, il faudrait 2,8 planètes Terre par an pour subvenir à ses besoins, autrement dit l’exploitation durable et homogène des ressources de la biosphère cesserait le 10 mai de chaque année.

D’après Luc Lenoir, « Le (polluant) recyclage des vieilles éoliennes allemandes », www.lefigaro.fr, le 29 janvier 2019.

Pour que les générations futures vivent au moins aussi bien que nous, il faut que nos sociétés se développent durablement et il nous faut faire des économies d’énergie. Ces économies représentent des enjeux locaux aussi bien que globaux, économiques autant qu’environnementaux et politiques. Au quotidien, chacun peut diminuer sa consommation d’énergie électrique, par transfert thermique ou chimique (alimentation, carburant).

e. Schéma d’une maison individuelle à énergie positive

? Des idées de questions : Pour quel public cette infographie vous semble-t-elle avoir été conçue ? Justifier. La géothermie exploite-telle une source d’énergie renouvelable ?

b Cet article de presse pointe les problèmes soulevés par le recyclage des éoliennes pourtant considérées par beaucoup comme le convertisseur écologique par excellence. ? Idée de question : Le vent est-il une source d’énergie propre ? Justifier.

c Ce texte donne la définition du développement durable puis insiste sur l’importance des mesures économiques et politiques autant à l’échelle individuelle que collective, au niveau local que global. Il est rappelé que chacun peut contribuer au développement durable. ? Des idées de questions : Quelle est la définition du développement durable ? À quels niveaux la réussite du développement durable se joue-t-elle ?

d et e Le texte fournit des informations sur l’avantage fiscal CITE mis en place depuis quelques années et visant à aider les particuliers dans leur gestion de l’énergie ainsi que sur le concept bioclimatique qui est partiellement illustré par le schéma. ? Des idées de questions : Quelles sont les deux conditions sous lesquelles le CITE peut être reçu ? Comparer les deux documents. Le schéma (doc. e) illustre-t-il le concept bioclimatique dans son ensemble ? Justifier.

Les parcours possibles Les trois parcours proposés ont plusieurs points communs. Tout d’abord, ils débutent de la même façon : les enjeux et les débats au sujet de l’utilisation de raccourcis linguistiques et/ou d’un vocabulaire scientifique adapté sont décrits ; les problèmes scientifiques et les grandes idées à construire sont explicités ; les acquis sont rappelés ; les représentations des élèves sont énumérées ; les ressources sont brièvement décrites. Ensuite, ils se déroulent sur tout ou partie de deux séances. Enfin, après l’intervention devant le conseil d’administration du lycée, un retour d’expérience est rempli, une mise en pratique et un suivi de la charte sont planifiés. Ce suivi devra courir sur au moins deux ans et prévoir des ajustements. Éventuellement en complément, une entreprise actrice du recyclage est visitée (organisation, questionnaire, synthèse).

PARCOURS 1 Deux heures de cours sont dédiées à l’étude des documents, à l’élaboration de chaque tâche collaborative et à la présentation des réponses de chaque équipe ainsi qu’à la rédaction d’une charte. En début de séance suivante, la charte et sa représentation sont collectivement évaluées ; le conseil d’administration du lycée est informé de sa présentation.

PARCOURS 2

f Ce texte précise la définition de l’empreinte énergétique et indique la tendance de l’empreinte moyenne de la population vivant en France.

L’enseignant introduit les documents. Le travail est ensuite organisé au sein des équipes.

? Idée de question : Comment montrer que l’empreinte écologique permet de quantifier l’exploitation de la biosphère au niveau individuel aussi bien que collectif ?

Avant la deuxième séance, l’équipe 1 décide de l’article ou de l’extrait de documentaire à analyser après avoir effectué les recherches adéquates tandis que l’équipe 2 décide du logiciel à utiliser et que chacun de ses membres calcule son empreinte écologique.

g Ce texte propose différents moyens de recyclage et plusieurs pistes pour réutiliser des objets courants. ? Des idées de questions : Distinguer recycler et recyclage. Quelles sont les pratiques éco-responsables de réduction, de ré-utilisation et de recyclage qui vous sont familières ?

Les

pour préparer votre séance

 vantages et inconvénients des éoliennes offshore, coll. Sirius, A Terminale S, Nathan, 2017, doc. 3, p. 451. E xemple d’une construction bioclimatique de 150 m2, coll. Sirius, Terminale S, Nathan, 2017, doc. 1, p. 452. L e diagnostic de performance énergétique, coll. Sirius, Terminale S, Nathan, 2017, Exercice 16 (résolu), p. 464.  es dossiers pédagogiques et interactifs au sujet de l’énergie et D notamment du discours sur l’énergie sont disponibles dans l’espace enseignants du site planete-energies.com accessible par : www.planete-energies.com/fr/decouvrez-espace-enseignants.  n dossier pédagogique basé sur le documentaire Demain est à U télécharger depuis : www.demain-lefilm.com/enseignants. Il est également possible de partager la charte rédigée en commun via ce site. Inscrire le lycée au site de l’association National Geographic : www.nationalgeographic.com/subscribe/magazines/?key=MULTNVH6. Ce site dont une partie est dédiée à l’éducation (www.nationalgeographic.org/education/) offre un large panel de documents régulièrement actualisés. Des activités et des projets interdisciplinaires (physique-chimie, biologie, géographie, économie, histoire, anglais) peuvent être élaborés notamment au sujet de l’énergie.  rganiser la visite d’un centre de tri des déchets, par exemple celui O de La Ferrière en Vendée (trivalis.fr/), ou d’une usine de recyclage (trivalis.fr/partenaires/) proche du lycée.

La troisième séance est consacrée à la rédaction de l’argumentation scientifique (équipe 1), au calcul de l’empreinte écologique moyenne de l’équipe 2 et au listage de pistes réalistes pour réduire cette empreinte, au travail en commun et à la conception de sa présentation devant le conseil d’administration du lycée.

PARCOURS 3 L’enseignant introduit les documents. À l’issue, le travail est organisé au sein des équipes. Avant la séance suivante, les équipes envoient leurs réponses au professeur afin d’être évaluées. Celles de l’équipe 1 sont discutées et éventuellement retravaillées avant l’envoi au journaliste ou au réalisateur du documentaire choisi. Une partie de la séance suivante est consacrée à la rédaction et à la représentation de la charte.

Indicateurs de réussite É quipe 1 : les corrections sont basées sur un vocabulaire scientifique adapté et rappelé dans le point vocabulaire ; elles sont argumentées à l’aide de l’analyse du document source choisi (par exemple le doc. a ou b, un document provenant des ressources, un extrait de la loi pour la transition énergétique introduite par le doc. d. Un suivi de la correspondance avec le journaliste ou le réalisateur est mis en place. É quipe 2 : le doc. f est analysé et la méthode suivie pour calculer l’empreinte écologique moyenne est décrite. Les pistes avancées sont résolument réalistes. E n commun : certains points de la charte font suite à l’analyse des docs. c, d, e et g, du logiciel de calcul de l’empreinte écologique (doc. f) ainsi que d’autres documents issus des ressources. Les articles de la charte sont résolument réalistes. La présentation de la charte devant le conseil d’administration du lycée, claire et rapide, s’appuie sur un document écrit et éventuellement sur un support visuel. Un suivi de sa mise en place puis de sa pratique est organisé sur la base de retours d’expérience réguliers.

THÈME 2 ● Le Soleil, notre source d’énergie

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CHAPITRE 4 Livre de l’élève

CHAPITRE

4

Le rayonnement solaire

Le Soleil, notre étoile, fournit de l’énergie à la Terre par son rayonnement depuis 4,5 milliards d’années. Cette énergie conditionne la température de surface de la Terre et détermine climats et saisons.

b. Marmotte sortant provisoirement de son état d’hibernation. Pourquoi fait-il plus froid en hiver qu’en été ? ➞ activité 4

Vidéo

TEASER

c. Le 9 novembre 2018, la sonde Parker s’est approchée à 42,73 millions de kilomètres du Soleil, devant ainsi résister à des températures de l’ordre de 1 300 °C.

Quelle transformation permet aux étoiles de les maintenir à une température très élevée ? ➞ activité 1

d. Plan technique du réacteur Iter, projet international localisé à Cadarache (France), cherchant à reproduire les transformations nucléaires ayant lieu dans le Soleil.

Quelles sont les conséquences sur sa masse des transformations nucléaires ayant lieu au sein du Soleil ?

a. Vincent van Gogh peint en 1889 La Nuit étoilée,

➞ activité 2

tableau emblématique aux teintes variées pour représenter les étoiles.

Existe-t-il un lien entre la température de surface d’une étoile et sa couleur ? ➞ activité 3

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CHAPITRE 4   Le rayonnement solaire

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Les grandes idées à construire C e chapitre est l’occasion de découvrir le modèle du corps noir, de façon à établir un lien entre température de surface d’une étoile et longueur d’onde du maximum d’émission. Les réactions de fusion nucléaire sont étudiées pour comprendre comment la température moyenne au cœur du Soleil peut rester constante. L es corps matériels émettent tous un rayonnement électromagnétique. Les réactions de fusion nucléaires qui ont lieu au cœur du Soleil libèrent de l’énergie et compensent celle perdue à chaque instant à sa surface. La température au cœur du Soleil est ainsi maintenue constante. L ’exploitation de la célèbre relation d’Einstein  = m × c2 permet de comprendre pourquoi la masse du Soleil diminue constamment. L ’analyse spectrale de la lumière en provenance d’une étoile renseigne sur sa température (exploitation de la loi de Wien). L a puissance solaire reçue sur Terre dépend de l’angle entre la normale à la surface qui reçoit les rayons et la direction des rayons lumineux. Ainsi, cette puissance varie avec l’heure de la journée, avec la saison et avec la latitude sur Terre.

Ce que disent les documents a La Nuit étoilée est un tableau peint par Vincent van Gogh en 1889 à Saint-Rémy-de-Provence (13). La Lune est visible en haut à droite du tableau et Vénus à droite du clocher. Il s’agit d’une observation directe du peintre depuis sa chambre en maison de santé, à laquelle il a ajouté des éléments de son imagination comme les volutes dans le ciel. Les couleurs des étoiles ne sont pas toutes les mêmes. L’observation du tableau peut être l’occasion d’engager avec les élèves une discussion sur la couleur des étoiles et les liens qu’ils supposeraient avec leurs températures.

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b Sur cette photo on observe une marmotte sortant de son état d’hibernation. La température au sol est fonction de la saison comme les élèves le savent déjà et donc de la puissance solaire reçue, comme ils l’apprendront au cours de ce chapitre. c Teaser : ne jamais s’approcher du Soleil si l’on veut conserver ses ailes… Le mythe grec d’Icare met en avant ce besoin de l’Homme de se dépasser, une ambition aveugle qui peut parfois être préjudiciable. Vraisemblablement, les ingénieurs de l’agence spatiale américaine ont correctement évalué les risques : la sonde Parker ne s’est pas brûlé les ailes, devenant ainsi l’objet fabriqué par l’Homme à s’être approché le plus près du Soleil – 42,73 millions de kilomètres depuis son lancement le 12 août 2018. La sonde a confirmé que tous ses systèmes étaient opérationnels – elle peut donc poursuivre sa mission. Ses trois derniers passages s’effectueront à environ 6 millions de kilomètres. À cette distance, la température atteindra 1 300 °C. Pour résister, la sonde est équipée d’un important bouclier thermique en fibre de carbone et peinture céramique. Ce bouclier a été testé à plusieurs reprises dans le four solaire d’Odeillo dans les Pyrénées, un système qui permet d’obtenir des températures supérieures à 3 500 °C (d’après : www.cnetfrance. fr/news/une-sonde-de-la-nasa-s-approche-au-plus-pres-du-soleilet-bat-un-nouveau-record-39876255.htm). d Cette perspective 3D représente le réacteur Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor). Il s’agit d’un projet de réacteur de recherche civil à fusion nucléaire situé à Cadarache (Bouches-du-Rhône). Le projet de recherche, associant trentecinq pays, s’inscrit dans une démarche à long terme visant à l’industrialisation internationale de la fusion nucléaire.

Progression dans le chapitre AC TIVITÉ

1

Problèmes scientifiques C omment un corps peut-il émettre naturellement un rayonnement ? C omment le Soleil maintient-il sa température constante ?

AC TIVITÉ

2

Problèmes scientifiques C ombien de centrales nucléaires fourniraient la même puissance que le Soleil ?  ue représente la célèbre Q relation d’Einstein = m × c 2 ?

HED

Problèmes scientifiques

Compétences travaillées Extraire des informations.  ettre en relation les M informations extraites des documents avec ses connaissances.

Idées clés  n corps massif perd de U l’énergie par rayonnement.  oute l’énergie libérée par T le Soleil est compensée par l’énergie produite en son cœur.

Compétences travaillées Effectuer des calculs.  xtraire des informations des E documents fournis pour valider un résultat.

Idées clés  elation entre énergie et R puissance. Équivalence masse-énergie.

C ommuniquer avec le langage scientifique approprié.

Compétences travaillées

 ourquoi est-il important P de s’intéresser aux repères historiques de l’étude du rayonnement thermique ?

 xploiter et décrire des E documents.

 ans quelle mesure l’étude D du rayonnement thermique a-t-elle bénéficié d’une succession de démarches d’investigation scientifique?

 édiger une argumentation R scientifique.

 ssocier et recueillir des A informations.

Idées clés L ’étude et la modélisation du rayonnement thermique ont permis de découvrir des phénomènes par-delà le domaine des ondes. L a physique quantique trouve ses origines dans la modélisation du rayonnement thermique.

 uels modèles les physiciens ontQ ils construits pour caractériser le rayonnement thermique qui, comme tout rayonnement, n’est pas une réalité tangible ?

AC TIVITÉ

3

Problèmes scientifiques

Compétences travaillées

 u’est-ce que le rayonnement Q d’un corps noir ?

a Tracer la fonction f(x) =  . x

C omment exploiter la loi de Wien dans des cas simples ?

 anipuler une expression M littérale.

Idées clés Modèle du corps noir. Loi de Wien.

 ffectuer des calculs et des E conversions.

AC TIVITÉ

4

Problèmes scientifiques

Compétences travaillées

Idées clés

L ’angle entre les rayons solaires incidents et la surface qui les reçoit a-t-il une incidence sur la puissance surfacique reçue ?

 tiliser des acquis de géométrie U pour comparer les aires de deux surfaces. Réaliser une expérience.

 épendance qualitative D de l’angle entre les rayons lumineux et la normale à la surface sur la puissance.

C omment calculer la moyenne temporelle des températures ?

Exploiter des schémas.

Moyennes de températures.

C alculer des moyennes de températures.

THÈME 2 ● CHAPITRE 4 ● Le rayonnement solaire

59

CHAPITRE 4

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

1

3

Le rayonnement de la matière Le Soleil nous fournit de l’énergie par son rayonnement, qu’il soit visible ou invisible. OBJECTIF Expliquer que malgré l’énergie qu’il libère, le Soleil maintienne sa température interne à quinze millions de degrés.

1

Décrire la température et la pression dans le Soleil

La nuit, alors que la lumière visible diffusée par les objets est trop faible pour être vue, les équipements de vision nocturne exploitent le rayonnement infrarouge : celui-ci est détecté puis amplifié pour être affiché sur un écran.

Soleil 1 400 000 km

Surface

DONNÉES

Ts = 6 000 K

La lettre grecque théta, d’écriture θ, est la 8e lettre de l’alphabet grec. Elle est souvent utilisée en physique-chimie pour désigner une température exprimée en degré Celcius (°C).

augmentation de la pression et de la température

ÉVITER LES ERREURS

Cœur

Celle qui est utilisée dans les expressions scientifiques est la température absolue T, exprimée en kelvin (K), du nom de Lord Kelvin (1824-1907), un physicien britannique anobli par la Reine Victoria en 1866.

Tc = 15 000 000 K

transfert thermique d'énergie

transfert d'énergie par rayonnement

La relation entre les deux grandeurs est : T (K) = θ (°C) + 273,15

Observer le rayonnement d’un corps matériel

Tous les objets ayant une masse émettent un rayonnement, qu’ils soient vivants ou non. Ainsi, le corps humain à 37 °C libère une partie de son énergie en émettant un rayonnement dont la longueur d’onde est dans le domaine de l’infrarouge.

La « chaleur », souvent associée par les scientifiques à l’expression « transfert thermique d’énergie » est-elle une mesure de la température ? Même si le lien entre énergie et température est fort, ces deux grandeurs sont très différentes l’une de l’autre, ne serait-ce que parce qu’elles ne se mesurent pas dans la même unité.

c.

a. Équilibre dynamique du Soleil

Thermographies

Images obtenues par caméra infrarouge.

2

d.

Modéliser les réactions de fusion nucléaire

Quelques applications et usages de la thermographie

Si elles se contentaient d’émettre constamment des rayonnements énergétiques, les étoiles se refroidiraient et finiraient par s’éteindre. Leur longévité prouve qu’elles compensent « l’hémorragie » lumineuse.

La thermographie peut être utilisée dans différents domaines professionnels : pour mesurer la déperdition de chaleur lors de travaux, pour les pompiers ou encore lors d’études pour l’isolation thermique d’habitations.

Dans les régions centrales du Soleil, plus denses et plus chaudes, se produisent des réactions de fusion nucléaire. Chaque série de réactions de fusion nucléaire transforme quatre noyaux d’hydrogène (H) en un noyau d’hélium (He) et libère de l’énergie. A-Z

PISTE D’EXPLOITATION 1 Déterminer si les objets qui émettent un rayonnement, par exemple dans l’infrarouge, cèdent de l’énergie à l’extérieur ou la reçoivent de l’extérieur. En déduire si leur énergie augmente ou diminue. 2 Au cours de son évolution, une étoile voit son énergie diminuer. Déterminer sous quelle forme elle peut transférer de l’énergie à l’espace qui l’entoure.

VOCABULAIRE

Le mot fusion est aussi employé en seconde pour le changement d’état (transformation d’un solide en un liquide).

b. Réactions de fusion nucléaire Formation d’hélium à partir de l’hydrogène.

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CHAPITRE 4   Le rayonnement solaire

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s problèmescientifiques C omment un corps peut-il émettre naturellement un rayonnement ? Comment le Soleil maintient-il sa température constante ?

Mobilisation des acquis Vu en seconde :  tilisation des longueurs d’onde des ondes électromagnétiques. Les U élèves ont appris qu’un rayonnement électromagnétique transporte de l’énergie. Réactions nucléaires : lien entre énergie convertie dans le Soleil et dans une centrale nucléaire, et réactions nucléaires. Identification de la nature physique, chimique ou nucléaire d’une transformation à partir de sa description ou d’une écriture symbolique modélisant la transformation. Lecture d’une équation de réaction nucléaire.

Les grandes idées à construire  n corps massif libère de l’énergie sous forme de rayonnement. U Le lien direct entre longueur d’onde du rayonnement émis et température du corps n’est pas à mettre en œuvre dans cette activité. L a loi de conservation de l’énergie est en revanche introduite : toute l’énergie libérée par le Soleil est compensée par l’énergie produite en son cœur.

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3 Justifier que les transformations successives qui transforment quatre noyaux d’hydrogène en un noyau d’hélium sont modélisées par des réactions de fusion nucléaire. 4 Écrire l’équation de réaction de fusion nucléaire correspondant à l’étape 3. 5 Expliquer comment la température au cœur du Soleil peut se maintenir à 15 millions de degrés.

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Les compétences travaillées Extraire des informations.  ettre en relation les informations extraites des documents M avec les connaissances.

Les représentations de l’élève  ans le langage courant, on peut parfois confondre « chaleur » et D « température ». L’exergue Éviter des erreurs soulève une différence entre ces deux grandeurs. Néanmoins, on pourra ajouter que lors d’un changement d’état, par exemple la fusion, il y a un apport de chaleur tandis que la température reste constante. Aux élèves ayant choisi la spécialité Physique-Chimie, on pourra également préciser que la « chaleur » est une forme de l’énergie tandis que la température d’un corps est une mesure de l’agitation des entités chimiques qui constituent ce corps. L ’élève ne sait pas forcément qu’un corps massif rayonne car, même s’il connaît l’existence de rayonnements électromagnétiques dans d’autres domaines que le visible, il est habitué à ne voir que des sources de rayonnements visibles. Dès l’introduction de cette activité, il serait donc souhaitable d’insister sur le fait qu’un corps massif émet un rayonnement visible ou invisible.

Ce que disent les documents 1 Ce module permet à l’élève de répondre aux questions 2 à 5. Le doc. a est un schéma simplifié du Soleil montrant certaines caractéristiques physiques du Soleil : diamètre, température de son cœur et température à sa surface, gradients de pression et de température, émission de chaleur et de rayonnement. Il peut être commenté en indiquant que le transfert thermique se faisant des

corps les plus chauds vers les corps les plus froids, celui du Soleil se fait depuis son cœur vers la surface. Ce transfert thermique est réalisé de façon isotrope (c’est-à-dire identique quelle que soit la direction envisagée) même si le schéma ne représente qu’une seule flèche. Les flèches désignant les transferts d’énergie par rayonnement donnent l’occasion de remobiliser les connaissances vues en seconde sur les rayonnements électromagnétiques. Enfin, le schéma montre que le Soleil, en tant que corps massif, libère de l’énergie par rayonnement, sous-entend que cette libération est naturelle, et rejoint ainsi les idées clés et la première grande idée à construire de cette activité. La donnée de la relation entre température en Kelvin et température en degrés Celsius (exergue : Données) peut être l’occasion de parler du zéro absolu et de sa signification au niveau microscopique de la matière. ? Des idées de questions : Quel type de transformations nucléaires au cœur du Soleil permet d’expliquer que la température à sa surface reste constante ? Les réactions qui libèrent de l’énergie au cœur du Soleil sont-elles des réactions de fission ou des réactions de fusion ?

2 Le schéma (doc. b) présente les différentes étapes de la fusion des noyaux d’hydrogène pour aboutir à un noyau d’hélium. Les connaissances acquises en classe de seconde sur les réactions nucléaires (fission et fusion) sont ici remobilisées pour détecter la nature de la réaction proposée. En fonction des difficultés des élèves, le schéma peut être commenté de diverses manières en s’attardant sur les étapes 2 et 3 ou en ne commentant que le résultat final de la fusion nucléaire. Les deux textes accompagnant le doc. b permettent de répondre partiellement aux deux problèmes scientifiques soulevés par cette activité : le Soleil libère de l’énergie par rayonnement et cette énergie provient de réactions nucléaires. Le premier paragraphe permet de construire la seconde idée clé de cette activité. ? Des idées de questions : Quelles sont les écritures conventionnelles des réactifs et des produits de la réaction nucléaire ayant lieu au cours de l’étape 3 ? Existe-t-il un isotope du noyau d’hélium obtenu ?

3 La première idée clé de cette activité, à savoir tout objet ayant une masse émet de l’énergie par rayonnement, est explicitée dans le premier paragraphe, qui apporte par conséquent la réponse à la première partie de la question 1. Le second paragraphe explique le principe de fonctionnement d’une caméra infrarouge et introduit les docs. c et d. La série d’images obtenues par caméra infrarouge montre que la déperdition d’énergie par rayonnement existe, que le corps considéré soit vivant ou non. Il faut insister sur le fait que ces photos obtenues par caméra thermique ne donnent pas directement la température du corps. L’activité 3 permettra de comprendre le lien entre la température du corps et le type de rayonnements émis. Des idées de questions : Les rayonnements émis par un corps dépendent-ils de la partie du corps qui les émet ? Choisir une des images des docs. c et d. La décrire et l’expliquer. ?

Les

pour préparer votre séance

Il peut être intéressant d’avoir une banque d’images obtenues par une caméra thermique afin notamment de montrer que le corps humain rayonne et que l’on peut ainsi expliquer en partie l’augmentation de température dans une pièce lorsque plusieurs personnes s’y trouvent.  roposer un QCM de remobilisation des acquis de seconde en début P de séance. En voici un exemple : 1. Des réactions de fission nucléaires peuvent avoir lieu : a. dans une centrale nucléaire ; b. dans une étoile ; c. au laboratoire du lycée. 2. Lors d’une transformation nucléaire : a. les noyaux des atomes sont modifiés ; b. les atomes des molécules se réarrangent pour former d’autres molécules ; c. il y a conservation des éléments chimiques. 3. Le noyau dont le symbole est 11H contient : a. un proton et un neutron ; b. un proton ; c. un neutron. 4. Lors d’une réaction de fusion nucléaire : a. de l’énergie est consommée ; b. de l’énergie est libérée ; c. il n’y a pas de variation d’énergie.  l’issue de cette activité, demander aux élèves de : lire le À paragraphe 1 de la synthèse p. 104 ; préparer les exercices 1, 2 et 3 p. 107 et l’exercice 7 p. 111.

LE SAVIEZ-VOUS ? T outes les étoiles perdent à chaque instant une partie de leur masse, ce qui limite leur durée d’existence.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ 1. Un rayonnement électromagnétique transporte de l’énergie. Si un corps émet un rayonnement électromagnétique, c’est qu’il perd de l’énergie et la cède à l’extérieur. L’énergie globale du corps diminue donc. 2. Autour d’une étoile règne le vide. La seule façon (outre les éjections de matière) pour l’étoile de voir son énergie diminuer est d’émettre des rayonnements électromagnétiques. Cette question peut être l’occasion de remobiliser des connaissances sur les rayonnements électromagnétiques et leur vitesse dans le vide, vues en seconde. 3. Lors de la réaction au cœur du Soleil, quatre noyaux d’hydrogène vont s’assembler pour former un noyau plus lourd en libérant de l’énergie. Il s’agit donc bien d’une réaction de fusion. 4. 2  32He → 2 11H + 42He 5. L’énergie libérée par les réactions de fusion au cœur du Soleil compense l’énergie libérée sous forme de rayonnements à la surface du Soleil. La température moyenne est donc globalement constante.

THÈME 2 ● CHAPITRE 4 ● Le rayonnement solaire

61

CHAPITRE 4

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

2

2

La libération d’énergie lors d’une réaction de fusion

Comparaison de la puissance libérée par le Soleil avec des puissances

d. rencontrées dans notre vie quotidienne

Alors que la loi de conservation de la masse est une loi fondamentale des transformations physiques ou chimiques, celle-ci n’est plus vérifiée lors des transformations nucléaires. OBJECTIF Comprendre pourquoi la masse de notre Soleil diminue au cours du temps.

1

Mesurer la puissance libérée par le Soleil

La puissance libérée par rayonnement par le Soleil est : 3 = 3,843 × 1026 W = 384 300 000 000 000 000 000 000 000 W. C’est une puissance sans commune mesure avec celles rencontrées dans le cadre des activités humaines. À titre de comparaison, cela représente : 200 000 milliards de milliards de radiateurs électriques (d’une puissance moyenne de 2 000 W) ;

Décrire une transformation qui ne conserve pas la masse

400 millions de milliards de réacteurs nucléaires (d’une puissance électrique moyenne de 1 000 MW).

Les atomes sont animés d’un mouvement incessant. Plus ils sont chauds, plus ce mouvement est rapide.

Chaque seconde environ 600 millions de tonnes de noyaux d’hydrogène se transforment en 596 millions de tonnes de noyaux d’hélium.

Au cœur du Soleil, où la température atteint 15 millions de kelvins, les noyaux d’hydrogène – qui ont naturellement tendance à se repousser – réussissent à entrer en collision grâce à leurs vitesses très élevées. Lors de certaines collisions, les noyaux d’hydrogène fusionnent et donnent naissance à un noyau d’hélium.

3

La masse du noyau d’hélium 3He obtenu lors d’une fusion ne correspond pas exactement à la somme des masses des deux noyaux d’hydrogène de départ : la masse du système des trois particules élémentaires a diminué. Simultanément, une grande énergie est libérée.

2 000 W

× 2 × 1023

1 000 MW

× 4 × 1020

Exprimer la relation entre puissance et énergie e. Le lièvre et la tortue cèdent la même

énergie pour atteindre la ligne d’arrivée

La tortue le fait sur une grande durée avec une faible puissance et le lièvre sur une courte durée, mais avec une grande puissance.

LE SAVIEZ-VOUS ? Albert Einstein publie la théorie de la relativité restreinte en 1905, puis la théorie de la gravitation (appelée relativité générale) en 1915. Toutefois, c’est pour sa modélisation de l’effet photoélectrique qu’il reçoit le prix Nobel de physique en 1921. Selon l’hebdomadaire Times, c’est LA personnalité du xxe siècle car sa popularité dépasse largement le milieu scientifique. Il a en effet su exploiter sa renommée pour prendre position politiquement et œuvrer pour la paix dans le monde.

f. La puissance La puissance cédée 3 par un système est la grandeur quotient de l’énergie cédée % par ce système par la durée Δt de sa transformation : 3=

Dans le Système international, les unités sont le watt (W) pour la puissance, le joule (J) pour l’énergie et la seconde (s) pour la durée.

a. Schématisation de la formation d’un noyau d’hélium par une transformation de fusion nucléaire

% Δt

c. La célèbre relation d’Einstein Lors d’une fusion, la diminution de masse observée au profit de la libération d’énergie est modélisée par la célèbre relation d’Einstein : % = Δm × c2 Δm est la diminution de masse lors de la réaction de fusion. C’est une grandeur positive qui s’exprime en kilogramme (kg) dans le Système international.

b. Comparaison des masses des noyaux d’hélium et d’hydrogène

96

c est la célérité de la lumière (constante) : c ≈ 3,0 × 108 m·s–1. % est l’énergie libérée lors de la réaction de fusion. C’est une grandeur positive qui s’exprime en joule (J).

PARCOURS 2

CHAPITRE 4   Le rayonnement solaire

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s problèmescientifiques

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Les représentations de l’élève

C ombien de centrales nucléaires fourniraient la même puissance que le Soleil ? Que représente la célèbre relation d’Einstein

oral

1 Déterminer la diminution de la masse du Soleil à chaque seconde sous-entendue dans le doc. d. 2 En mettant en relation les différents documents, préparer une présentation orale avec un support visuel permettant d’expliquer pourquoi la masse du Soleil diminue au cours du temps.

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L ’élève n’a pas de représentation de l’équivalence masse-énergie. Seules les réactions chimiques et les lois de conservation ont été abordées lors des réactions nucléaires en seconde.

= m × c2 ?

Mobilisation des acquis Vu en seconde : L oi de conservation des éléments lors d’une réaction chimique (différence avec la relation à découvrir dans l’activité). Utilisation de la relation entre puissance et énergie.  eux valeurs exprimées dans la même unité sont comparées en D calculant leur quotient.

Les grandes idées à construire L ors d’une fusion nucléaire, il n’y a pas conservation de la masse. L’activité montre qu’une partie de la masse peut être convertie en énergie même si la transformation d’énergie en masse ne fait pas l’objet de cette activité. L a masse du Soleil diminue au cours du temps du fait des réactions de fusion nucléaires.

Les compétences travaillées E ffectuer des calculs : savoir trouver une énergie à partir d’une puissance donnée, savoir exploiter la relation  = m × c2 avec les bonnes unités. E xtraire des informations des documents fournis pour valider un résultat. Communiquer avec le langage scientifique approprié.

62

PARCOURS 1 1 Calculer la valeur de l’énergie libérée chaque seconde par le Soleil. 2 a. Exprimer puis calculer la masse solaire Δm convertie en énergie chaque seconde par le Soleil. b. Comparer la valeur de Δm obtenue avec celle sous-entendue dans le doc. d. 3 Rédiger un court texte permettant d’expliquer pourquoi la masse de notre Soleil diminue au cours du temps.

Ce que disent les documents 1 Les deux premiers paragraphes affirment que la fusion entre deux noyaux n’est possible que si la température est suffisamment élevée. Le troisième paragraphe expliquant les docs. a et b sont à commenter en premier, avant d’étudier la relation d’Einstein. En effet, ils permettent de comprendre de façon très simplifiée que la masse d’un noyau obtenu par fusion nucléaire n’est pas égale à la somme des masses des noyaux qui ont fusionné. Attention toutefois à ce que les élèves ne pensent pas qu’il est possible de mesurer la masse de si petites particules avec une balance de type Roberval. Il faut ensuite passer du temps sur la relation d’Einstein (doc. c) pour bien faire comprendre aux élèves que m est une variation de masse lors d’une réaction de fusion nucléaire, et non une masse. m est la valeur absolue de la diminution de la masse lors de la réaction de fusion ; c’est pourquoi elle est positive. Par soucis de simplicité, nous avons choisi de ne pas faire mention de la valeur absolue dans le manuel de l’élève. La relation d’Einstein sera à appliquer pour répondre à la question 2.a du parcours 1 et à la question 1 du parcours 2. ? Des idées de questions : Est-il possible de mesurer la masse d’un atome avec une balance au laboratoire ? Quel est l’ordre de grandeur de la masse d’un atome ?

2 Le doc. d donne deux exemples de comparaisons de puissances émises ou reçues (dans ce dernier cas par les radiateurs), l’objet de référence étant le Soleil. Il peut être intéressant de demander aux élèves de relever chez eux, sur les appareils électroménagers, les puissances indiquées pour faire facilement des comparaisons avec la puissance solaire libérée. Ce travail qui peut être fait à la maison est l’occasion de remobiliser les comparaisons par quotients, les calculs avec puissances de 10 et les ordres de grandeur. ? Idée de question : Quelle est l’ordre de grandeur des puissances des appareils électroménagers à la maison ?

3 Les docs. e et f rappellent la relation entre puissance et énergie. L’exemple donné sur l’image (doc. e) permet de montrer qu’à énergie dépensée constante, la durée augmente quand la puissance diminue. On peut demander aux élèves d’autres cas concrets pour lesquels une puissance reste constante tandis que l’énergie reçue ou émise varie à cause d’une durée différente par exemple (utilisation d’une ampoule de puissance donnée sur une plus ou moins grande durée). Ces exemples permettraient aux élèves de manipuler des expressions littérales, point délicat pour un certain nombre d’entre eux. ? Idée de question : Comment exprimer un joule en fonction d’un watt et d’une seconde ?

Les

pour préparer votre séance

 roposer quelques exercices à la maison de manipulation de la P relation entre énergie et puissance avec des conversions d’unités par exemple peut permettre d’aborder l’activité plus directement. E xemples d’exercices simples (qui nécessitent l’usage de la calculatrice) : 1. Une ampoule de 100 W fonctionne pendant 1 h 30 min. Calculer l’énergie consommée par cette ampoule pendant cette durée. 2. Un radiateur électrique a consommé 1,73 × 108 J en 24 h. Quelle est la puissance de ce radiateur ?  roposer un QCM en fin de séance afin de vérifier la bonne P compréhension de l’activité par les élèves. En voici un exemple : 1. Lors d’une réaction de fusion nucléaire : a. de la masse est transformée en énergie ; b. de l’énergie est transformée en masse ; c. la masse reste constante. 2. Plus la puissance d’un appareil est élevée : a. plus l’énergie consommée par unité de temps est grande ; b. plus l’énergie consommée par unité de temps est petite ; c. moins le temps d’utilisation est élevé.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ Parcours 1 1. La puissance libérée par le Soleil est donnée dans le doc. d :  = 3,843 × 1026 W. La relation donnée dans le doc. f permet de trouver l’énergie libérée en une seconde :  =  × t. L’énergie libérée en une seconde est donc  = 3,843 × 1026 J.  2. a  . On a : m = 2 soit : c m = 0,426 × 1026–16 = 426 × 107 kg = 426 × 104 tonnes = 4,26 × 106 tonnes. La masse convertie chaque seconde en énergie au cœur du Soleil est donc de 4,26 millions de tonnes. b. Dans le doc. d, il est indiqué que « chaque seconde environ 600 millions de tonnes de noyaux d’hydrogène se transforment en 596 millions de tonnes de noyaux d’hélium ». Ceci correspond à une différence de masse de 4 millions de tonnes. Ce résultat est cohérent avec celui trouvé dans la question précédente. 3. Chaque seconde, la masse solaire diminue de 4 millions de tonnes. Cette diminution de masse s’accompagne d’une libération d’énergie par le Soleil mais cette masse n’est pas remplacée. Par conséquent, la masse du Soleil diminue au cours du temps. Parcours 2 1. La puissance libérée par le Soleil est donnée dans le doc. d :  = 3,843 × 1026 W. La relation donnée dans le doc. f permet de trouver l’énergie libérée en une seconde :  =  × t. L’énergie libérée en une seconde est donc  = 3,843 × 1026 J. On peut alors en déduire la variation de masse du Soleil en une seconde.  m = 2 soit : c m = 0,426 × 1026–16 = 426 × 107 kg = 426 × 104 tonnes = 4,26 × 106 tonnes. On retrouve la valeur donnée dans le doc. d. 2. Indicateurs de réussite  ariation de masse : manipulation correcte de la relation d’Einstein ; V résultat exprimé avec le bon nombre de chiffres significatifs et l’unité la plus appropriée ; comparaison avec la valeur de référence.  ral  : support visuel pertinent avec vocabulaire scientifique adapté O et explications claires.

3. Lors d’une réaction de fusion nucléaire, le noyau formé a une masse : a. plus petite que la masse des noyaux qui fusionnent ; b. identique à la masse des noyaux qui fusionnent ; c. plus grande que la masse des noyaux qui fusionnent. 4. Deux noyaux d’hydrogène, chargés positivement : a. ont tendance à s’attirer ; b. ont tendance à se repousser ; c. n’exercent aucune force l’un sur l’autre.  l’issue de cette activité, demander aux élèves de : lire le paragraphe À 1 de la synthèse p. 104 ; mémoriser la partie haute du schéma p. 105 ; préparer la question 4 p. 107 et l’exercice 4 p. 109.

LE SAVIEZ-VOUS ? La relation d’Einstein  = m × c2 explique comment les étoiles peuvent émettre leur énergie pendant des milliards d’années, alors que cette situation constituait un mystère pour la physique du début du xxe siècle, aucune source d’énergie connue à l’époque ne pouvant en rendre compte.

THÈME 2 ● CHAPITRE 4 ● Le rayonnement solaire

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CHAPITRE 4 Livre de l’élève

Repères historiques sur l’étude du rayonnement thermique Après avoir apprivoisé la « chaleur » et l’électricité afin d’améliorer les conditions de vie de leurs concitoyens, les physiciens s’attachent à découvrir ce que sont les rayonnements. Des années 1870 à 1905, les bases des nouveaux domaines de la physique sont établies grâce à l’étude du rayonnement thermique.

En quoi étudier le rayonnement thermique a ouvert la voie à la compréhension de la matière à l’échelle microscopique ?

BIOGRAPHIES Josef Stefan Physicien autrichien (1835-1893) Spécialiste notamment de la physique statistique.

Ludwig Boltzmann Physicien autrichien (1844-1906) « Père » de la physique statistique et promoteur des atomes. 1879 – Loi de StefanBoltzmann relative au rayonnement thermique.

A-Z

VOCABULAIRE

Physique statistique : domaine de la physique qui étudie le comportement et l’évolution d’un système physique macroscopique comportant un très grand nombre d’entités à partir des caractéristiques des entités microscopiques le constituant. Physique quantique : domaine de la physique qui modélise les entités microscopiques comme les atomes, les molécules et les ions ainsi que leur interaction avec les rayonnements électromagnétiques. Rayonnement thermique : rayonnement électromagnétique émis par tout corps de température absolue T non nulle.

2 200 2 000 1 800 1 600 1 400 1 200 1 000 800 600 400 200 0

Rayonnement du corps noir à 6 000 K selon la loi de Planck Rayonnement thermique du Soleil, mesuré dans la couche supérieure de l’atmosphère

D’après Christelle Langrand et Jacques Cattelin, La belle histoire de la Physique, Deboeck, 2018.

La reconnaissance :

0

400

800 1 200 1 600 2 000 2 400 2 800 3 200 3 600 4 000 Longueur d’onde (en nm)

comme un quasi-corps noir

g. L’effet photoélectrique et le photon L’effet photoélectrique est la conversion de l’énergie lumineuse en énergie électrique, spécifique à certains matériaux comme le silicium utilisé dans les cellules photovoltaïques.

Albert Einstein

a. Ampoule à incandescence

Une ampoule à incandescence produit plus de rayonnement thermique que de rayonnement visible. L’analyse thermographique (droite) révèle que la température est plus importante au sommet du bulbe.

Einstein étudie ce phénomène physique selon la perspective de la physique quantique inventée par Planck en 1900. Il publie ses résultats dans un article datant de 1905. Dans ce même article, il introduit le modèle du « grain » de lumière : la lumière peut être considérée comme un rayonnement ou un ensemble de particules. En 1929, la dualité onde-particule de la lumière est modélisée par le photon.

f. les prix Nobel de physique

Lire la traduction

1918: to Max Planck, “in recognition of the services he rendered to the advancement of Physics by his discovery of energy quanta.” 1921: to Albert Einstein, “for his services to Theoretical Physics, and especially for his discovery of the law of the photoelectric effect.” Depuis lors, la majorité des prix Nobel de physique a été décernée à la suite de travaux liés à la physique quantique. 1992: to Georges Charpak, “for his invention and development of particle detectors, in particular the multiwire proportional chamber.” 2018: to Arthur Ashkin, Gérard Mourou and Donna Strickland, “for groundbreaking inventions in the field of laser physics.” D’après www.nobelprize.org.

b. Analyse thermographique

L’analyse thermographique d’un bâtiment diagnostique ses performances énergétiques [➞ HED p. 90]. Les zones en rouge sur l’image sont celles où le rayonnement thermique de l’intérieur de la maison vers l’extérieur est le plus important, c’est-à-dire là où il y a les murs avec des performances énergétiques moindres.

En équipes Équipe 1 À l’aide d’un diagramme, décrivez les étapes qui ont jalonné l’étude et la modélisation du rayonnement thermique.

!

Équipe 2 Soulignez les ramifications de l’étude du rayonnement thermique dans d’autres domaines de la physique que celui des ondes.

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En commun L’année 1905 est souvent décrite comme « miraculeuse » pour Albert Einstein. Recherchez des informations concernant les quatre articles publiés par Einstein en 1905. Présentez-les par exemple à une autre classe du lycée à l’aide d’un support visuel. CHAPITRE 4   Le rayonnement solaire

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s problèmescientifiques  ourquoi est-il important de s’intéresser aux repères P historiques de l’étude du rayonnement thermique ? Dans quelle mesure l’étude du rayonnement thermique a-t-elle bénéficié d’une succession de démarches d’investigation scientifique ?  uels modèles les physiciens ont-ils construits pour Q caractériser le rayonnement thermique qui, comme tout rayonnement, n’est pas une réalité tangible ?

Mobilisation des acquis  u en cycle 4 : identification des sources, transferts, conversions V et formes d’énergie [→ fiche 2 p. 88]. Vu en seconde : caractéristiques des électrons ; caractérisation du spectre du rayonnement émis par un corps chaud ; longueur d’onde dans le vide ou dans l’air [→ fiche 3 p. 89].  ED « L’énergie : analyse critique du vocabulaire d’usage courant », H p. 90-91. Activité 1 « Le rayonnement de la matière », module 3 « Observer le rayonnement d’un corps matériel » p. 95.

Les grandes idées à construire L ’étude du rayonnement thermique s’inscrit comme l’archétype de la recherche scientifique : démarches d’investigation, modélisations faisant appel à des outils mathématiques, extensions vers d’autres domaines.

64

1877. Avant de finaliser le mémoire dans lequel il jette les bases de la physique statistique, Boltzmann prend conseil auprès de Stefan. Ce dernier a été son directeur de thèse ; il s’agissait alors d’expliquer les comportements macroscopiques d’un gaz à partir des mouvements microscopiques de ses particules. Mais Boltzmann reste inquiet car ses précédents articles ont été vivement rejetés, en partie à cause de leur contenu mathématique basé sur les statistiques. Boltzmann ne connaîtra pas la reconnaissance de ses pairs car son approche de la matière ne sera reconnue qu’au début du xxe siècle, quelques années après sa mort. Ses échanges fructueux avec son maître ne s’arrêteront pas là : tous deux ouvriront la voie aux découvertes de divers rayons – cathodiques, X, radioactifs – en découvrant une loi expérimentale liée à un type de rayonnement et en établissant les bases théoriques de cette loi dite de Stefan-Boltzmann dans le cadre de la théorie statistique.

e. Répartition spectrale du Soleil considéré

Max Planck

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d. De la difficulté à être compris

Un corps noir est un corps idéal qui absorbe l’intégralité du rayonnement thermique qu’il reçoit et qui en réémet une partie. Sa puissance rayonnée est modélisée par la loi de Stefan-Boltzmann tandis que la répartition spectrale, c’està-dire la distribution de cette puissance en fonction de la longueur d’onde, est régie par la loi de Planck. Il ne faut pas confondre le corps noir avec un objet de couleur noire qui absorbe le rayonnement visible, ni avec un trou noir qui n’émet rien. D’après « Le Rayonnement thermique », Conférence de Catherine Freydier. Formation « Sciences à l’École », organisée par Yann Esnault, juin 2012.

Physicien allemand (1858-1947) L’un des « pères » de la physique quantique, prix Nobel de physique 1918. 1900 – Loi de Planck relative au corps noir, à l’origine de la mécanique quantique. Physicien d’origine allemande, naturalisé suisse puis américain (1879-1955) Spécialiste de l’effet photoélectrique, « père » du photon et des théories de la relativité. 1905 – Explication de l’effet photoélectrique.

c. Corps noir

Éclairement solaire (en W•m–2•μm–1)

IRE HISTO X ENJEU TS DÉBA

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L ’étude du rayonnement thermique a été rendue possible par la mise en œuvre d’un grand nombre de démarches d’investigation selon les étapes classiques : observations/questionnement → mobilisation des acquis/expériences → modélisation → comparaison avec la réalité → en cas de divergences, rétroactions vers la seconde étape → nouveaux acquis [→ fiche méthode « Identifier la construction d’un savoir scientifique », p. 208].  u cours de l’étude du rayonnement thermique, le modèle du corps A noir a été construit ; son comportement suit plusieurs lois découvertes au cours de cette étude. L ’étude et la modélisation du rayonnement thermique ont permis à des physiciens de découvrir d’autres phénomènes qui dépassent le domaine des ondes, comme ceux liés à la physique quantique.

Les compétences travaillées Exploiter et décrire des documents. Associer et recueillir des informations. Rédiger une argumentation scientifique.

Les représentations de l’élève Il est d’usage de penser qu’Einstein a reçu le prix Nobel de physique car il avait bâti la théorie de la relativité. On veillera à expliquer, à l’aide des docs. f et g, que ce n’est pas le cas. L a physique statistique et la physique quantique restent cantonnées à la recherche fondamentale et n’ont pas d’applications dans la vie quotidienne. On indiquera que le téléphone portable est un objet quantique (voir l’encadré Le saviez-vous ? ci-contre).  eiller à bien distinguer faits réels et modèles notamment à l’aide V des docs. c et e. Veiller également à bien insister sur l’interaction des différents domaines de physique nommés dans les documents, du fait de la persévérance des scientifiques et aussi de leurs échanges.

Ce que disent les documents L’introduction fait tout d’abord référence à l’activité HED « La découverte de la radioactivité et du radium » p. 32-33, et clarifie la période historique qui sera balayée dans les documents. ? Idée de question : Quel phénomène a permis de jeter les bases de nouveaux domaines de la physique et situer ces études dans le temps ?

Les biographies regroupent des informations très générales concernant les quatre physiciens les plus reconnus pour leur étude du rayonnement thermique. Elles sont à lire en parallèle du point vocabulaire où les définitions – adaptées au niveau de classe de première – de « physique statistique », « physique quantique » et « rayonnement thermique » sont données. Les caractéristiques du rayonnement thermique sont développées dans les documents qui suivent. ? Des idées de questions : Quelles sont les principales contributions des quatre physiciens nommés ? En quoi la physique statistique et la physique quantique sont-elles à rapprocher du rayonnement thermique ?

a et b La définition du rayonnement thermique est illustrée à partir d’objets du quotidien (doc. a). L’interprétation de photographies d’analyse thermographique (doc. b) avait déjà été réalisée au cours de l’activité 1 ; ce raisonnement est ici réinvesti. ? Idée de question : Quelles informations peut-on obtenir d’une analyse thermographique ?

c et e Le modèle du corps noir est défini et caractérisé sans qu’aucune formule ne soit donnée, selon la philosophie des pages « Histoire, Enjeux, Débats » (doc. c). La loi de Wien sera étudiée au cours de l’activité 3 et appliquée dans plusieurs exercices. Le doc. c distingue clairement les trois objets suivants : – le corps noir qui désigne un objet non réel, un modèle, qui absorberait toutes les radiations électromagnétiques quelle que soit leur longueur d’onde et qui en réémettrait une partie ; – un objet de couleur noire qui absorbe les radiations du visible (de longueurs d’ondes comprises entre environ 400 et 800 nm) et n’en transmet aucune ; – un trou noir qui est un objet céleste absorbant matière et rayonnement sans rien émettre. Les deux courbes de répartition spectrale reportées sur le graphique (doc. e) sont presque superposables ; le Soleil peut donc être considéré comme un corps noir en première approximation. ? Des idées de questions : En quoi la physique statistique permet-elle de caractériser le comportement d’un corps noir ? Distinguer corps noir, corps de couleur noire et trou noir. Pourquoi le Soleil peut-il être considéré comme un quasi-corps noir ? En déduire l’une des forces et l’une des faiblesses de tout modèle.

d Les physiciens qui se sont consacrés à l’étude du rayonnement thermique n’ont pas tous reçu la reconnaissance de leurs pairs, tel Boltzmann, bien que ses travaux aient été de toute première importance. ? Des idées de questions : Quels facteurs ont ralenti les recherches sur l’organisation de la matière à l’échelle macroscopique ? En citer au moins un. De même, citer un autre domaine de la physique étudié selon la perspective statistique.

f La modélisation et les applications de phénomènes identifiés au cours de l’étude du rayonnement thermique sont régulièrement couronnées par des prix Nobel. ? Idée de question : Quel est le phénomène physique dont l’étude a valu à Einstein de recevoir son prix Nobel ?

Les

pour préparer votre séance

Présenter cette page HED comme un complément aux activités 1 et 3.  elier cette activité HED au chapitre 1, en particulier à la page « La R découverte de la radioactivité et du radium », p. 32-33.

Pour obtenir des informations complémentaires : L a conférence de Catherine Freydier, enseignante à l’École nationale de la météorologie, organisée en juin 2012 par Pr. Yann Esnault pour la formation « Sciences à l’École », est visible sur html5.ens-lyon.fr/ Acces/Physique/20120605/Catherine_Freydier/video.html. Les diapositives 9, 13 et 17 sont respectivement consacrées à la définition du corps noir (16’00”-16’30”), à la comparaison des spectres d’émission du Soleil et de la Terre à des fins de modèles météorologiques (20’19”-22’33”) et à la répartition spectrale du Soleil (25’51”-28’50”) en partie reprise dans le doc. e. « L’année miraculeuse » d’Einstein est décrite dans le livre de vulgarisation La Belle Histoire de la physique par Christelle Langrand et Jacques Cattelin, publié aux éditions Deboeck en 2018, à la page 276. C onsulter le site www.nobelprize.org afin de trouver des informations sur les autres prix Nobel de physique.

LE SAVIEZ-VOUS ? L a physique quantique n’est pas du tout cantonnée à la recherche fondamentale. Certaines de ses applications font partie intégrante de notre quotidien, comme par exemple les téléphones portables et autres objets connectés. En effet, les « fonctionnements des circuits intégrés lilliputiens et les mémoires de grande capacité s’appuient sur la compréhension des phénomènes quantiques dans les semi-conducteurs. » D’après Christelle Langrand et Jacques Cattelin, La Belle Histoire de la physique, Deboeck, 2018, p. 303.

Les parcours possibles PARCOURS 1 En début de première séance, les problèmes scientifiques et les grandes idées à construire sont explicités ; les acquis sont rappelés ; les documents sont brièvement décrits et des questions sont posées afin de s’assurer que chaque élève les a compris. Deux heures de cours sont dédiées à l’étude des documents, à l’élaboration des trois réponses collaboratives. Lors de la séance suivante, la réponse à la tâche en commun est présentée oralement éventuellement devant une classe de seconde.

PARCOURS 2 L’enseignant explicite les problèmes scientifiques et les grandes idées à construire au cours de cette activité HED ; les acquis sont brièvement rappelés de manière interactive. L’ensemble des élèves prend connaissance des documents et des questions leur sont posées afin de s’assurer que chacun s’est approprié les documents. Avant la séance suivante, chaque équipe prépare sa réponse ; les recherches et la présentation orale sont organisées et effectuées afin que chaque élève apporte sa contribution.

Indicateurs de réussite  quipe 1 : les informations utiles sont recueillies en analysant les É biographies, les docs. c, d, e, f et g ainsi que tout autre document dûment cité. Le graphique du doc. e est brièvement et correctement interprété grâce à la mobilisation des acquis (longueur d’onde, unités des grandeurs, comparaison de deux courbes). Le diagramme réalisé est clair et facile à lire ; il peut se présenter sous la forme d’une frise.  quipe 2 : les informations pertinentes sont recueillies en analysant les É biographies, le point vocabulaire, les docs. a, b, g et f ainsi qu’une partie de la conférence de Catherine Freydier (voir « Les + pour préparer votre séance »). La présentation de la réponse, écrite par exemple sous la forme d’un organigramme et/ou à l’oral, est claire et synthétique.  n commun : l’importance des quatre articles est explicitée à l’aide E d’un vocabulaire scientifique et compréhensible au niveau du lycée. Le lien entre l’étude du rayonnement thermique et l’effet photoélectrique est souligné. La présentation orale est maîtrisée et illustrée à l’aide d’un support visuel clair.

THÈME 2 ● CHAPITRE 4 ● Le rayonnement solaire

65

CHAPITRE 4

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

3

2

Rayonnement thermique et température Alors qu’il est impossible d’approcher de trop près le Soleil, la température de la surface de notre étoile est connue. OBJECTIF Analyser le spectre d’une étoile afin de déterminer la température de sa surface.

1

Évaluer la température d’une étoile

Une étoile rayonne comme un corps noir ayant la température de sa surface. Une étoile chaude peut avoir une température de surface allant jusqu’à 50 000 K. Une étoile froide a une température de surface d’environ 3 000 K.

Analyser le spectre de rayonnement d’un corps noir

Si l’on chauffe un éclat de verre (transparent) ou de miroir (réfléchissant) à quelques milliers de degrés Celsius, on observe qu’il émet considérablement moins de lumière qu’un morceau de charbon porté à la même température. Ainsi, ce morceau de charbon est modélisé par un objet appelé corps noir. Pour chaque température, il existe une longueur d’onde λm pour laquelle l’intensité lumineuse émise par la source chaude est la plus grande.

A-Z

c. Beltégeuse

VOCABULAIRE

d. Rigel

Étoile rouge-orangée

Un objet « sombre », c’est-à-dire ni réfléchissant ni transparent, qu’on appelle « corps noir », émet de la lumière avec un spectre bien particulier qui dépend uniquement de sa température.

3

Étoile bleue

Comparer la loi de Wien à une fonction de référence mathématique

e. Loi de Wien

f. Fonction inverse

La loi de Wien peut être utilisée pour déterminer la température d’une source chaude, modélisée par un corps noir, dont le spectre et λm sont connus. Inversement il est possible de déterminer λm à partir de la température d’une source chaude.

a Soit la fonction f définie sur R+* par f(x) = x où a est une constante strictement positive. f est une fonction inverse. La courbe représentative de la fonction f s’appelle une hyperbole.

La température T de la source chaude modélisée par un corps noir et la longueur d’onde λm sont liées par la relation : a λm = T

La représentation graphique est tracée ci-dessous pour a = 2,9 × 10–3.

f (x)

a est une constante dont la valeur est a = 2,90 × 10–3 m·K.

8,0

La relation entre la température absolue T en K et la température θ en °C s’écrit :

6,0

b. Étoile Arcturus

T(K) = θ (°C) + 273,15 4,0

CORRESPONDANCES DES NOTATIONS Physique-chimie

Mathématiques

Paramètre température T

Variable x

Grandeur longueur d’onde λm

f(x), image de x par la fonction f

2,0 1,0 0

0,001

0,002

0,003

0,004

x

0,0029

PISTE D’EXPLOITATION

a. Rayonnement d’un corps noir et spectre d’émission de la lumière

émise par l’étoile Arcturus, appartenant à la constellation du Bouvier

A-Z

VOCABULAIRE

La lettre grecque lambda, d’écriture λ, est la 11e lettre de l’alphabet grec. Elle est souvent utilisée en physiquechimie pour désigner une longueur d’onde.

ÉVITER LES ERREURS Seules les sources d’origine thermique donnent ce type de spectres. Une lampe à vapeur de gaz par exemple donne un spectre très différent.

1 a. Déterminer si la fonction f est croissante ou décroissante sur son domaine de définition. b. Déterminer, en le justifiant, si les étoiles les plus chaudes apparaissent bleues ou rouges. 2 a. Pour l’étoile Arcturus, déterminer graphiquement la valeur de λm, la longueur d’onde correspondant à l’intensité lumineuse émise maximale. b. En déduire la température de surface de l’étoile.

3 a. La température de surface de l’étoile Beltegeuse est T = 3 200 °C. Déterminer la longueur d’onde λm correspondant au maximum d’intensité lumineuse du spectre de la lumière émise par l’étoile. b. Montrer que cette longueur d’onde est dans le domaine de l’infrarouge.

100

CHAPITRE 4   Le rayonnement solaire 101

100

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s problèmescientifiques Qu’est-ce que le rayonnement d’un corps noir ? Comment exploiter la loi de Wien dans des cas simples ?

Mobilisation des acquis  u en seconde : fonction inverse (Mathématiques) ; notion de V longueur d’onde d’un rayonnement (Physique-Chimie). Activité 1 : notion de température en kelvin.

Les grandes idées à construire  ettre en relation la température d’un corps chauffé assimilé à un M corps noir avec la longueur d’onde du domaine d’émission maximale et vice versa.

Les compétences travaillées a Tracer la fonction f(x) =  . x Compétence mathématique : utiliser la fonction inverse pour faire des calculs mais aussi des prévisions qualitatives sur les sens de variation de λm en fonction de T ou T en fonction de λm. Manipuler une expression littérale. Effectuer des calculs et des conversions.

Les représentations de l’élève Il n’est pas évident que l’élève pense à faire un lien entre température et longueur d’onde du rayonnement émis. On veillera à s’appuyer sur des exemples de la vie quotidienne comme la flamme d’un feu ou la flamme d’une cuisinière à gaz pour permettre aux élèves d’amorcer un lien entre température et longueur d’onde du rayonnement émis.

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L ’élève pourrait confondre corps noir et corps de couleur noire. On demandera de relire le doc. c p. 99 et d’écouter la conférence de Catherine Freydier, visible sur html5.ens-lyon.fr/Acces/Physique/ 20120605/Catherine_Freydier/video.html, entre 16’00”-16’30”.

Ce que disent les documents 1 Pour introduire le spectre d’émission d’un corps noir selon sa température de surface, une expérience peut-être familière pour l’élève est décrite. Il faut veiller à sensibiliser les élèves sur le fait qu’un corps noir est un objet-modèle qui n’est pas forcément de couleur noire. La série de courbes (doc. a) regroupe les variations de l’intensité du rayonnement émis par un corps noir dont la température de surface varie (4 000 K, 5 000 K et 6 000 K) en fonction de la longueur d’onde du rayonnement émis. Les trois courbes sont relativement similaires : elles sont tracées sur une large gamme de longueurs d’ondes et présentent un maximum. Néanmoins, une analyse plus fine montre que le maximum des courbes se déplace vers les longueurs d’onde plus faibles lorsque la température de surface augmente, et que l’intensité maximale émise augmente également. Les exemples étant pris pour des corps noirs rayonnant dans le visible, on peut faire le lien entre la couleur perçue d’une étoile et sa température de surface comme dans l’exemple proposé pour l’étoile Arcturus (doc. b). L’approche en spirale de l’acquisition du savoir est mise en évidence dans l’exergue Éviter les erreurs et fait référence à une capacité exigible de seconde. Elle permet de bien distinguer rayonnement thermique émis du spectre d’émission de raies ou de bandes d’une lampe spectrale.

Remarque : sur le doc. b, des aigrettes de diffraction avec décomposition de la lumière visible émise par cette étoile sont bien visibles. On peut demander aux élèves d’avancer des hypothèses sur l’occurrence de ce phénomène. Les élèves les plus motivés peuvent rechercher des informations sur les défauts des instruments optiques utilisés en astronomie, par exemple sur le site de la NASA (hubblesite.org/image/2212/news_release/2007-42). Des idées de questions : L’intensité lumineuse émise par une étoile dépend-elle de sa température ? L’intensité lumineuse émise par une étoile dépend-elle de la longueur d’onde du rayonnement émis ? Estimer la température de surface de l’étoile Arcturus à l’aide d’un encadrement. Quelle est la couleur de cette étoile ? Votre réponse concorde-t-elle avec les informations données par la courbe du doc. a relative à cette étoile ? ?

2 Les docs. c et d permettent d’illustrer à travers deux exemples d’étoiles le lien qui vient d’être fait dans le doc. a entre température de surface d’une étoile et couleur perçue. Les deux exemples choisis permettent de bien faire la différence entre une étoile « chaude » dont la couleur nous apparaît bleue et une étoile plus « froide » dont la couleur nous apparait rouge. Remarque : il serait intéressant de collaborer avec le professeur d’arts plastiques afin de montrer que les définitions de « couleur chaude » et de « couleur froide » sont inversées entre la peinture et la physique. Cette approche interdisciplinaire pourrait débuter par une recherche sur la période bleue du peintre Pablo Picasso (www.cubisme.org/artistes/pablo-picasso/periode-bleue.html). La discussion peut également être amorcée en demandant par quelle couleur l’eau chaude est représentée sur les robinets de cuisine ou de salle de bain. Des idées de questions : L’étoile la plus chaude est-elle celle qui nous apparaît bleue ou celle qui nous apparaît rouge ? Peut-on faire un lien direct entre la couleur perçue de l’étoile et la température en son cœur ? ?

3 L’analyse du doc. a a montré que longueur d’onde de l’émission maximale λm et température T semblent corrélées, ce que la loi de Wien (doc. e) modélise. Afin de mieux appréhender cette loi, le a doc. f montre la représentation graphique de la fonction f(x) =  x avec une valeur de a = 2,9 × 10–3. Il peut être travaillé en premier dans ce module. On peut faire réaliser aux élèves plusieurs lectures graphiques pour trouver des couples de points (x ; f(x)) afin de montrer que l’on retrouve le coefficient a donné. Enfin, on revient sur la loi de Wien donnée pour retrouver sur plusieurs exemples soit la température d’une étoile connaissant λm, soit λm connaissant la température de surface de l’étoile. ? Des idées de questions : Quelle est la longueur d’onde λ du m rayonnement émis par le corps noir de température T = 1 000 K ? Quelle est la température de surface du corps noir qui émet un rayonnement thermique caractérisé par λm = 8 m. Dans les deux cas, la réponse s’appuiera sur une détermination graphique et sur l’application de la loi de Wien. Comment retrouver à partir de l’expression de la loi de Wien l’unité de la constante a ?

Les

pour préparer votre séance

Demander aux élèves de faire sur papier millimétré le tracé de la 2 fonction f(x) =  par exemple avant de faire la séance peut permettre x d’aborder plus facilement l’utilisation de la fonction vue dans l’activité.

 roposer un QCM en fin de séance afin de vérifier la bonne P compréhension de l’activité par les élèves. En voici un exemple : 1. L’intensité lumineuse des rayonnements émis par une étoile : a. est la même quelle que soit la longueur d’onde des rayonnements émis ; b. est maximale pour une longueur d’onde donnée ; c. est maximale pour les longueurs d’onde les plus grandes. 2. L’intensité lumineuse des rayonnements émis par une étoile : a. augmente quand la température de surface de l’étoile augmente ; b. est indépendante de la température de surface de l’étoile ; c. diminue quand la température de l’étoile augmente. 3. Dans l’expression mathématique de la loi de Wien, la température doit être exprimée en : a. degrés Celsius ; b. kelvin ; c. joule. 4. La représentation graphique de la longueur d’onde du maximum d’émission lumineuse par une étoile en fonction de la température de sa surface est : a. une droite ; b. une parabole ; c. une hyperbole.  l’issue de cette activité, demander aux élèves de : lire le À paragraphe 2 de la synthèse p. 104 ; mémoriser la partie centrale du schéma p. 105 ; travailler l’exercice résolu et préparer l’exercice S’entraîner p. 106 ; préparer les questions 5, 6 et 9 p. 107 ainsi que les exercices 1 p. 107 et 3 p. 109.

LE SAVIEZ-VOUS ? L e physicien allemand Wilhelm Wien (1864-1928) a reçu le prix Nobel de physique de 1911 « pour ses découvertes sur les lois du rayonnement de la chaleur ».

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ 1. a. Lorsque x augmente, f(x) diminue. La fonction est donc une fonction décroissante sur son domaine de définition. a b. À l’aide de la relation λm =   , on peut dire que plus une étoile est T chaude (plus sa température est élevée) et plus la longueur d’onde du maximum d’émission est petite. Les petites longueurs d’onde correspondent au domaine du bleu. Les étoiles les plus chaudes apparaissent donc bleues. 2. a. Sur le graphique du doc. a on lit pour Arcturus une longueur d’onde d’émission maximale aux alentours de 675 nm. a b. On utilise l’expression λm =  pour déterminer la température T a 2,9 × 10–3 K·m correspondante : T = = 4 290 K. = λm 675 × 10–9 m a 3. a. On utilise l’expression λm =   . Attention, pour faire l’application T numérique, la température doit être exprimée en Kelvin. 2,9 × 10–3 K·m AN : λm = = 835 × 10–9 m = 835 nm. (3 200 + 273,15) K b. Cette longueur d’onde est un peu supérieure à celle de l’extrémité rouge du spectre du visible (750 nm). Elle appartient donc au domaine infrarouge.

THÈME 2 ● CHAPITRE 4 ● Le rayonnement solaire

67

CHAPITRE 4

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

4

2

La puissance solaire reçue sur Terre

Représenter des variations de températures e. La température

Les tournesols modifient judicieusement leur orientation au cours de la journée de manière à recevoir le maximum de lumière solaire. OBJECTIF Comprendre l’influence de l’orientation d’une surface par rapport aux rayons du Soleil sur la puissance qu’elle reçoit par rayonnement.

Analyser l’influence de la géométrie sur la puissance solaire reçue sur Terre

Puissance reçue (en W) Aire du panneau (en m2)

120 1,0

180 1,5

360 3,0

540 4,5

3

b. Les fleurs de tournesol

s’orientent physiquement, en fonction de l’heure de la journée, vers leur source d’énergie : le Soleil

Analyser l’influence de la latitude, de l’heure et de la saison fuseau horaire  18 h

1

de la tour Eiffel

Enregistrement de la température au sommet et au pied de la tour Eiffel pendant l’année ayant suivi son inauguration.

f. Influence

de la saison

Ouest Nord

a. Puissance solaire reçue à midi le 15 juillet à Mulhouse par un panneau solaire en fonction de sa surface

EXPÉR

IENCE

D

fuseau horaire  12 h

DONNÉES La puissance reçue par unité de surface s’exprime en watt par mètre carré (W·m–2) dans le Système international.

D

Sud Faisceau de lumière solaire

Parcours du Soleil en été

OBJECTIF Montrer que la puissance solaire reçue par le panneau dépend de l’aire qui reçoit les rayons du Soleil.

Est

g.

Nord

Influence de l’heure (haut) et de la latitude (bas)

Ouest Nord

D

D

PROTOCOLE

Sud

1. Allumer la lampe-source. Positionner la lentille

par rapport à la lampe-source de manière à ce que le faisceau lumineux sortant de la lentille ait le même diamètre tout au long de son parcours.

2. Placer l’écran à environ 50 cm de la lentille

Parcours du Soleil en hiver

c. Dispositif

et perpendiculairement au faisceau de rayons lumineux. À l’aide d’un crayon, tracer sur l’écran le contour de la zone éclairée. qualitativement comment varie la puissance reçue par une surface d’aire fixée en fonction de l’angle α. A-Z

Sud

PISTE D’EXPLOITATION

3. Compléter l’expérience afin de déterminer

1 Montrer que la puissance solaire reçue par le panneau solaire de Mulhouse est proportionnelle à l’aire qui reçoit les rayons du Soleil. 2 Déterminer qualitativement comment varie la puissance solaire reçue par une surface éclairée en fonction de l’heure de la journée, de la saison et de la latitude. 3 Calculer les moyennes mensuelles des températures relevées au bureau météorologique et au sommet de

VOCABULAIRE

La lettre grecque alpha, d’écriture α, est la 1re lettre de l’alphabet grec. Elle est souvent utilisée en mathématiques pour désigner un angle.

Est

d. Schéma de la situation vue du dessus α est l’angle entre les rayons lumineux et la perpendiculaire à la surface matérialisée par l’écran.

la tour Eiffel et les représenter sur un histogramme groupé avec deux couleurs distinctes. 4 a. Représenter la courbe de la température relevée au mois de juillet au bureau météorologique en fonction de l’heure et indiquer graphiquement la variation maximale de température. b. Faire de même pour la température relevée au sommet de la tour.

102

CHAPITRE 4   Le rayonnement solaire 103

102

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s problèmescientifiques L ’angle entre les rayons solaires incidents et la surface qui les reçoit a-t-il une incidence sur la puissance surfacique reçue ? Comment calculer la moyenne temporelle des températures ?

Mobilisation des acquis  u en cycle 4 (Mathématiques) : utilisation de la relation de V proportionnalité entre deux grandeurs ; aire d’une surface. Vu en cycles 3 et 4 : calcul d’une moyenne temporelle.  u en seconde : extraction d’informations qualitatives à partir V de schémas.

Les grandes idées à construire L a puissance reçue sur la Terre n’est pas constante mais dépend de plusieurs paramètres : de l’aire de la surface qui reçoit les rayons lumineux, de l’angle entre les rayons lumineux et la normale à la surface qui varie en fonction de la latitude, de la saison et de l’heure de la journée.

Les compétences travaillées  tiliser des acquis de géométrie pour comparer les aires U de deux surfaces. Réaliser une expérience. Exploiter des schémas. Calculer des moyennes de températures.

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Les représentations de l’élève L ’élève n’a pas forcément une idée claire des raisons pour lesquelles la puissance solaire surfacique reçue n’est pas la même par exemple en fonction des saisons.  n veillera donc à lutter contre la conception erronée disant que O « c’est parce que la Terre est plus éloignée du Soleil qu’elle reçoit moins d’énergie en provenance du Soleil ».

Ce que disent les documents 1 Le doc. a vise à retrouver la relation de proportionnalité entre la surface d’un panneau solaire et la puissance qu’il reçoit, toutes choses étant égales par ailleurs (date dans l’année, heure de la journée et latitude). On peut, pour retrouver la relation de proportionnalité, soit passer par le calcul soit tracer le graphique de la puissance reçue en fonction de la surface et calculer le coefficient directeur de la droite. L’expérience qui suit (docs. c et d) permet de visualiser concrètement que plus les rayons arrivent avec un angle important par rapport à la normale à la surface, plus la surface recevant les rayons s’agrandit, donc plus la puissance surfacique reçue est petite. Cette expérience permet de remobiliser les connaissances acquises en seconde dans le chapitre sur la réfraction : normale à une surface, angle d’incidence. ? Des idées de questions : Un panneau solaire reçoit les rayons solaires. De quels paramètres dépend la puissance surfacique reçue par le panneau ? Pourquoi les tournesols font-ils évoluer leur orientation par rapport au Soleil en cours de journée ?

températures l’année de la construction de la tour Eiffel. On peut commencer par faire remarquer aux élèves que l’instrument de mesure utilisé permet quatre chiffres significatifs et faire éventuellement chercher avec quel type de thermomètre on procédait aux mesures de températures à cette époque. ? Idée de question : Quel instrument de mesure était utilisé en 1889 pour faire ces relevés de températures ?

3 Les docs. f et g sont à mettre en relation directe avec l’expérience réalisée dans le doc. c et son exploitation dans le doc. d. Il s’agit de comprendre comment va varier l’angle α en fonction de la latitude et de la saison. On peut demander aux élèves de reproduire sur une feuille les schémas et de tracer la normale à la surface recevant les rayons du Soleil ainsi que les rayons en provenance du Soleil et l’angle entre les deux directions. ? Idée de question : Pour une latitude donnée, la puissance solaire surfacique reçue est-elle plus importante en été ou en hiver ?

Les

3. Moyennes temporelles des températures Température moyenne Juillet Août Septembre Octobre Novembre Décembre Température (en °C)

2 Le doc. e est un document authentique de relevés de

 l’issue de cette activité, demander aux élèves de : lire le paragraphe 3 À de la synthèse p. 104 ; mémoriser la partie basse du schéma p. 105 ; préparer les questions 7 et 8 p. 107 ainsi que l’exercice 5 p. 109.

LE SAVIEZ-VOUS ? C ’est en janvier que la Terre est au périhélie, point le plus proche du Soleil, et c’est l’hiver dans l’hémisphère nord. L es fermes solaires sont conçues comme des champs de tournesol : en effet, l’orientation des panneaux solaires est modifiée de sorte que la puissance solaire reçue reste maximale au cours de la journée. La « SmartFlower » en est un exemple ; son fonctionnement est expliqué sur le site smartflower.com/commercial/ et dans de nombreuses vidéos disponibles sur Internet.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ 1. On peut tracer la fonction « puissance solaire reçue » en fonction de l’aire de la surface et montrer que l’on obtient une droite passant par l’origine ou calculer pour chaque couple de valeurs le rapport : puissance solaire reçue aire de la surface 120 180 360 540 = = = = 120 W.m–2 1 1,5 3 4,5 La puissance solaire reçue par le panneau solaire est proportionnelle à l’aire de la surface du panneau. 2. On considère l’angle α entre la direction des rayons lumineux parallèles entre eux et la normale à la surface recevant les rayons solaires. D’après le doc. g, on voit que c’est à midi que cet angle est le plus petit et que la puissance solaire reçue est la plus grande. Le doc. g montre également que la puissance reçue dépend de la latitude et qu’elle est plus grande quand on s’approche de l’équateur. Enfin, on voit grâce au doc. f que cet angle est plus petit l’été que l’hiver, montrant ainsi que la puissance solaire reçue est plus grande en été.

20

Haut de la tour 16,13 °C 15,65 °C 13,43 °C 8,76 °C 6,17 °C –0,71 °C

Cour Haut de la Tour

15 10 5

pour préparer votre séance

 éaliser au bureau ou faire réaliser par les élèves l’expérience R proposée : pour cela, positionner le trou source devant la lampe au foyer objet d’une lentille convergente de focale 20 cm par exemple (le trou source est donc à 20 cm avant la lentille). Le faisceau lumineux émergent de la lentille est alors un faisceau de rayons parallèles entre eux modélisant le faisceau lumineux solaire arrivant sur Terre. Les élèves doivent ensuite augmenter petit à petit l’angle α entre le faisceau lumineux et la normale à la surface de l’écran qui reçoit les rayons.

Cour de la tour Eiffel 18,72 °C 17,79 °C 15,06 °C 10,52 °C 6,72 °C 1,28 °C

0

Juillet

Août

Sept.

Oct.

Nov.

Déc.

4. a. Courbe de la température dans la cour de la tour Eiffel en fonction de l’heure en juillet : Température (en °C)

20

15

10

5

0

0

5

10

15

20 Horaire (en h)

b. Courbe de la température en haut de la tour Eiffel en fonction de l’heure en juillet : Température (en °C) 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

0

5

10

15

20 Horaire (en h)

THÈME 2 ● CHAPITRE 4 ● Le rayonnement solaire

69

CHAPITRE 4 Livre de l’élève SYNTHÈSE Le rayonnement solaire

SYNTHÈSE

MÉMO

SCHÉMA

Podcast Texte DYS

Bilan animé

ÉNERGIE LIBÉRÉE PAR LE SOLEIL L’énergie libérée par les réactions de fusion nucléaires de l’hydrogène qui se produisent dans les étoiles les maintient à une température très élevée. ➞ activité 1

Dans le cas du Soleil, la température de son centre est de l’ordre de quinze millions de kelvins, et la température de sa surface de l’ordre de six mille kelvins. À l’échelle atomique, la masse de deux noyaux légers avant leur fusion est légèrement plus élevée que la masse du noyau résultant de leur fusion. Cette propriété se répercute à l’échelle macroscopique. Du fait de l’équivalence masse-énergie (relation d’Einstein), les réactions de fusion nucléaires s’accompagnent d’une diminution de la masse solaire au cours du temps. ➞ activité 2

Ainsi, chaque seconde, le Soleil voit sa masse diminuer de quatre millions de tonnes du seul fait des fusions nucléaires.

RAYONNEMENT DU SOLEIL Comme tous les corps matériels, les étoiles et le Soleil émettent des ondes électromagnétiques et libèrent donc de l’énergie par rayonnement. ➞ activité 1

Chaque rayonnement monochromatique est caractérisé par sa longueur d’onde λ, exprimée en mètre dans le Système international. Le spectre d’un rayonnement polychromatique est une représentation visuelle ou graphique de l’ensemble des rayonnements monochromatiques dont il est constitué. Le spectre du rayonnement émis par la surface (modélisé par un spectre de corps noir) dépend seulement de la température de surface de l’étoile. La longueur d’onde d’émission maximale est inversement proportionnelle à la température absolue de la surface de l’étoile (loi de Wien). ➞ activité 3

Ainsi, les étoiles émettant un rayonnement de couleur bleue ont une température de surface plus grande que les étoiles émettant un rayonnement de couleur rouge, dont la longueur d’onde est plus grande.

PUISSANCE RADIATIVE REÇUE DU SOLEIL

A-Z

MOTS CLÉS

Fusion : la fusion nucléaire est un processus au cours duquel deux noyaux légers s’assemblent pour former un noyau plus lourd en libérant de l’énergie. Kelvin : le kelvin est l’unité de température absolue utilisée en sciences. La température absolue se déduit simplement de la température « usuelle » exprimée en degré Celsius. Diminution de la masse solaire : le Soleil qui libère chaque seconde de l’énergie voit sa masse diminuer. Tonne : la tonne est une unité de masse. 1 tonne = 1 × 103 kg. Rayonnement : le rayonnement émis par le Soleil consiste en un transfert d’énergie sous forme d’ondes électromagnétiques. Longueur d’onde : la longueur d’onde est une grandeur caractéristique d’une onde. Elle s’exprime en mètre dans le Système international. Puissance radiative : la puissance radiative solaire reçue sur Terre est la puissance des rayonnements du Soleil qui atteignent la Terre. Normale à la surface : pour une surface plane, la normale à la surface est la direction perpendiculaire à l’ensemble des droites qui peuvent être tracées sur la surface.

Lors d’un transfert ou d’une conversion d’énergie, la puissance est l’énergie transférée ou convertie par unité de temps. Son unité dans le Système international est le watt (W correspondant donc à J·s–1). La puissance radiative reçue du Soleil par une surface plane est proportionnelle à l’aire de la surface et dépend de l’angle entre la normale à la surface et la direction du Soleil. De ce fait, la puissance solaire reçue par unité de surface terrestre dépend : – de l’heure (variation diurne) ; – du moment de l’année (variation saisonnière) ; – de la latitude (zonation climatique). ➞ activité 4

La puissance par unité de surface s’exprime en watt par mètre carré (W·m–2) dans le Système international.

104

CHAPITRE 4   Le rayonnement solaire 105

104

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SYNTHÈSE  ans un premier temps, on s’intéresse à la partie haute du schéma D bilan où le Soleil est présenté en coupe jusqu’en son cœur. On met en relation directe la température constante au cœur du Soleil avec la diminution de la masse dans la relation d’Einstein, que les élèves doivent connaître et pouvoir appliquer.  ans un second temps, on regarde les trois étoiles dessinées avec D leurs couleurs respectives, représentatives de leurs températures, puis on commente en même temps les deux flèches en sens inverse montrant l’augmentation de la longueur d’onde maximale du rayonnement émis et la température de surface de l’étoile.  n fait ensuite le lien entre le spectre dessiné sous chaque étoile et la O couleur perçue de l’étoile. E nfin, on montre les rayons parallèles entre eux arrivant sur la surface de la Terre et l’angle entre ces rayons et la normale à la surface (dernière ligne du schéma).

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CORRIGÉS DES EXERCICES

POUR S’ENTRAÎNER  n détermine le point de la courbe pour lequel l’intensité lumineuse O émise est maximale. On trace la droite verticale passant par ce point. Le croisement de cette droite et de l’axe des abscisses donne λm = 95 nm. On détermine alors la température de surface de l’étoile grâce à la loi a 2,9 × 10–3 K·m = 30,5 × 103 K = 30,2 × 103 °C. de Wien : T = = λm 675 × 10–9 m

RÉPONSES DU QUIZ 1.a / 2.b / 3.b / 4.a / 5.b / 6.b / 7.c / 8.b / 9.c

Livre de l’élève MÉTHODE Appliquer la loi de Wien

Vérifier ses connaissances EXERCICES

QUIZ Énoncé

1

Intensité lumineuse (en unité arbitraire)

Certains satellites, équipés de spectromètres, ont permis d’obtenir le spectre du rayonnement émis par le Soleil. La représentation graphique de l’intensité lumineuse en fonction de la longueur d’onde du rayonnement est donnée ci-dessous :

1. Loi de Wien : a T= avec a = 2,90 × 10–3 m·K. λm 2. Relation entre température absolue T et température θ :

2

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

Méthode

3

ÉTAPE 2  Appliquer la loi de Wien afin de déterminer T à partir de la valeur de λm. Écrire l’application numérique en s’aidant éventuellement de l’écriture des unités dans le quotient afin de ne pas faire d’erreur numérique.

6

4

λm = 480 nm

La relation d’Einstein % = Dm × c² indique que l’énergie libérée par une réaction de fusion dans le cœur du Soleil est due à : a une diminution de la masse solaire b une augmentation de la masse solaire c une libération de masse

λm = 480 nm = 4,80 × 10–7 m ainsi 2,90 × 10−3 m·K T= 4,80 × 10−7 m

5

Le spectre du rayonnement émis par la surface d’une étoile dépend de :

7

θ = 6,04 × 103 – 273,15 ÉTAPE 3  La relation entre T et θ est T = θ + 273,15. En soustrayant 273,15 aux deux membres de l’égalité, on établit θ = T - 273,15. θ = 5,77 × 103 °C Écrire le résultat en notation scientifique puis éventuellement soit 5 770 °C. en notation usuelle afin de lui donner plus de sens.

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE sur le thème « Le soleil, notre source d’énergie ».

Pour s’entraîner

L’étiquette centrale doit s’intituler

énergie dégagée par le Soleil

L’étoile Véga, dans la constellation de la Lyre, est l’étoile la plus brillante du ciel d’été.

Utiliser un graphisme mettant en valeur vos goûts artistiques pour y associer d’autres étiquettes de votre initiative, ou par exemple :

À l’aide du graphique de l’intensité lumineuse du rayonnement émis par l’étoile en fonction de la longueur d’onde et de la loi de Wien, déterminer la température de surface de l’étoile, en kelvin puis en degrés Celsius.

rgie

Équivalence masse-éne

Loi de Wien

Rayonnement

106

Les rayons du Soleil éclairent sur Terre une surface S. Si l’aire de cette surface est multipliée par deux, la puissance solaire reçue : a est divisée par deux b reste inchangée c est multipliée par deux

8

La puissance solaire reçue par une même unité d’aire d’une surface est la plus grande dans le cas :

9

La représentation graphique de la fonction f a définie sur R+* par f(x) = avec a = 2 est : x

a

   b

   c

a

b

f (x)

c

f (x)

f (x)

2

1

a la température du cœur de l’étoile b la température de surface de l’étoile c la différence de température entre le cœur et la surface de l’étoile

= 6,04 × 103 K soit 6 040 K.

Lorsque la température de surface d’une étoile augmente, la longueur d’onde du maximum d’émission lumineuse de l’étoile : a augmente b diminue c est inchangée

Dans une étoile, les réactions qui libèrent de l’énergie permettent : a d’augmenter la température de son cœur b de maintenir constante la température de son cœur c de diminuer la température de son cœur

Application

ÉTAPE 1  Déterminer le point de la courbe pour lequel l’intensité lumineuse émise est maximale. Tracer la droite verticale passant par ce point. Le croisement de cette droite et de l’axe des abscisses permet de déterminer λm.

Dans le cœur des étoiles, les réactions qui libèrent de l’énergie sont des : a réactions de fission nucléaire b réactions de fusion nucléaire c réactions chimiques

1. Déterminer graphiquement la longueur d’onde λm correspondant au maximum d’intensité lumineuse émise. 2. À l’aide de la loi de Wien, calculer la température de surface du Soleil. 3. En déduire la température de la surface du Soleil en degrés Celsius.

λ (en nm) 400

Au cours de leur évolution, les étoiles : a libèrent de l’énergie par rayonnement b gagnent de l’énergie par rayonnement c ont une énergie qui ne varie pas

DONNÉES

T (K) = θ (°C) + 273,15

200

Parmi les affirmations suivantes, choisissez la réponse exacte.

2

1

x

2 2

x

1

x

Rayonnement des étoiles

La surface d’une l’étoile a une température qui peut varier entre 3 000 °C pour les plus froides et 50 000 °C pour les plus chaudes. Le spectre du rayonnement d’une étoile est assimilable à celui d’un corps noir. 1. De quoi dépend le spectre du rayonnement émis par la photosphère d’une étoile ? 2. Comparer les longueurs d’onde du maximum d’émission lumineuse pour une étoile dont la surface a une température de 3 000 °C et une étoile dont la surface a une température de 50 000 °C. 3. Expliquer pourquoi la température du cœur d’une étoile peut rester constante alors qu’elle cède continuellement de l’énergie par rayonnement. CHAPITRE 4   Le rayonnement solaire 107

107

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26/06/2019 10:53

1

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE Équivalence masse-énergie

Rayonnement

Diminution de la masse

Loi de Wien Énergie dégagée par le Soleil

Indicateurs de réussite Liens visibles entre « Énergie dégagée par le Soleil », « Équivalence masse-énergie » et « Rayonnement ». Lien visible entre « Rayonnement » et « Loi de Wien ».

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Rayonnement des étoiles

1. Le spectre du rayonnement émis par la photosphère d’une étoile dépend de la température de surface de cette étoile. a 2. La loi de Wien est donnée par la relation T = λm ainsi, plus la température de surface de l’étoile est grande et plus la longueur d’onde de son maximum d’intensité lumineuse est petite. Les étoiles très chaudes émettent donc avec une intensité lumineuse vers le violet voire l’ultra-violet alors que les étoiles plus froides émettent avec une intensité lumineuse vers le rouge voire l’infrarouge. 3. Une étoile libère constamment de l’énergie sous forme de rayonnements. Si la température en son cœur reste constante c’est grâce aux réactions de fusion nucléaires qui libèrent de l’énergie compensant ainsi l’énergie perdue par l’étoile.

THÈME 2 ● CHAPITRE 4 ● Le rayonnement solaire

71

CHAPITRE 4 Livre de l’élève EXERCICES Extraire des informations 2

Analyser des informations et raisonner EXERCICES 4 Durée de vie du Soleil

Puissance solaire reçue sur Terre

OBJECTIF Identifier des configurations pour lesquelles la puissance solaire reçue par une surface est minimale ou maximale.

OBJECTIF Déterminer la masse solaire transformée chaque seconde en énergie.

Le Soleil, principalement constitué d’hydrogène, a une masse de 2 × 1030 kg. On estime qu’une fraction de 10 % de cette masse, située au cœur du Soleil, peut subir la fusion nucléaire qui transforme l’hydrogène en hélium. Ainsi, chaque seconde, 596 millions de tonnes de noyaux d’hélium sont formés dans le cœur du Soleil.

L’angle que font les rayons du Soleil avec la normale à une surface recevant la lumière sur Terre détermine la puissance solaire reçue par cette surface. Puisque le rayonnement solaire arrive sur la Terre sous forme d’un faisceau parallèle, une surface plane S à la surface de la Terre qui est normale à ces rayons, intercepte la puissance solaire maximale. Si l’on incline la surface interceptant les rayons lumineux à partir de cette position, la puissance solaire reçue diminue. En un endroit donné de la Terre, la puissance solaire reçue par une surface est donc moins grande au lever du Soleil qu’à midi mais elle est aussi moins grande à midi le 21 décembre qu’à midi le 21 juin. La sphéricité de la Terre induit également une inégale répartition de la puissance solaire reçue qui est plus grande à l’équateur qu’aux pôles.  Illustrer par une série de schémas les informations précédentes indiquant que la puissance solaire reçue sur Terre dépend de l’heure de la journée, de la saison et de la latitude.

1. a. La puissance rayonnée par le Soleil est 3 = 3,84 × 1026 W. Rappeler la relation qui lie la puissance 3 à l’énergie % rayonnée par le Soleil pendant la durée Δt. b. En déduire la valeur de l’énergie rayonnée par le Soleil en une seconde. 2. a. Rappeler la relation d’Einstein liant l’énergie rayonnée % par le Soleil à la variation de masse Δm du Soleil. b. Calculer la variation de masse du Soleil en une seconde. 3. Calculer la masse d’hydrogène transformée chaque seconde en hélium dans le Soleil. 4. En supposant que le Soleil « s’éteindra » lorsque tout l’hydrogène situé en son cœur aura été consommé dans les réactions de fusion nucléaires, donner une estimation de la durée de vie du Soleil.

doc. Le Soleil

5 doc. Seule une petite partie du rayonnement électromagnétique émis

Températures dans la vallée de la Mort et sur l’île de Tenerife

OBJECTIF Analyser, interpréter et représenter des données de températures.

par le Soleil parvient sur la Terre située à 150 millions de kilomètres

3

Spectres d’étoiles

OBJECTIF À partir d’une représentation graphique du spectre d’émission du corps noir à une température donnée, déterminer la longueur d’onde d’émission maximale. Appliquer la loi de Wien pour déterminer la température de surface d’une étoile.

Tenerife est une île d’Espagne faisant partie de l’archipel des îles Canaries, situées dans l’océan Atlantique. Sa latitude moyenne est de 28° Nord.

 Rédiger un paragraphe, sans faire de calculs, permettant de classer les températures de surface des trois étoiles (1, 2 et 3) de la plus petite à la plus grande.

DONNÉES Loi de Wien : la température d’un corps noir est inversement proportionnelle à la longueur d’onde d’émission maximale de ce corps noir. Le coefficient de proportionnalité est positif.

mois

θ (°C)

mois

θ (°C)

janvier

11,3

janvier

20,0

février

14,5

février

19,5

mars

20,3

mars

20,5

avril

24,2

avril

mai

30,8

mai

21,5

juin

36

juin

23,5

juillet

39,7

juillet

26,5

août

38,4

août

27,0

33,7

septembre

26,5

octobre

24,9

octobre

25

novembre

17,1

novembre

23

décembre

10,5

décembre

21

États-Unis d’Amérique

de la longueur d’onde pour trois étoiles différentes

108

CHAPITRE 4   Le rayonnement solaire 109

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Puissance solaire reçue sur Terre

fuseau horaire 18 h

Plus l’angle entre la normale à la surface qui reçoit les rayons solaires et la direction des rayons solaires est grand, plus la puissance solaire reçue par la surface est petite. α

D

α=0

fuseau horaire 12 h

La puissance solaire dépend donc de l’heure de la journée et est la plus grande à midi.

Nord D

α=0

Spectres d’étoiles

L’analyse des courbes d’intensité lumineuse du rayonnement émis en fonction des longueurs d’onde montre que l’on peut classer les longueurs d’émission maximale ainsi : λmax1 < λmax2 < λmax3. La loi de Wien indique que la température d’un corps noir est inversement proportionnelle à la longueur d’onde maximale d’émission. On peut donc dire que plus la longueur d’onde d’émission maximale est grande, plus la température de surface de l’étoile est petite. Les températures peuvent donc être classées ainsi : T3 < T2 < T1.

1. a. La relation est :  =  × t. b. L’énergie libérée par le Soleil en une seconde est donc :  = 3,84 × 1026 × 1 = 3,84 × 1026 J.  2. a. m = 2. c b. Soit : m = 0,426 × 1026–16 = 426 × 107 kg = 426 × 104 tonnes = 4,26 × 106 tonnes. 3. La masse d’hydrogène transformée en une seconde correspond à la masse d’hélium formé plus la variation de masse calculée précédemment, soit une masse totale d’environ 600 millions de tonnes.

D

La puissance solaire dépend aussi de la latitude et est la plus grande à l’équateur.

La puissance solaire dépend aussi de la saison, elle est plus grande en été qu’en hiver. Voir doc. f p. 103 du manuel élève comme exemple de schéma.

72

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4 Durée de vie du Soleil

D

Faisceau de lumière solaire

α

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3

CORRIGÉS DES EXERCICES

Sud

1. Calculer et comparer les moyennes annuelles de températures dans la vallée de la Mort et sur l’île de Tenerife. 2. La donnée de la moyenne annuelle de température renseigne-t-elle sur les variations de température au cours de l’année ? 3. Tracer sur un même graphique les températures moyennes en fonction des mois de l’année pour la vallée de la Mort et l’île de Tenerife. Comparer les variations annuelles de température en ces deux lieux.

b. Île de Tenerife, Canaries

108

2

21,0

septembre

a. Vallée de la Mort, Californie,

doc. Courbes d’intensité lumineuse du rayonnement émis en fonction

Le parc national de la vallée de la Mort, en anglais Death Valley National Park, est situé en Californie (États-Unis d’Amérique). La latitude moyenne est de 36° Nord.

4. La masse totale de noyaux d’hydrogène qui peut subir la fusion au 10 cœur du Soleil est 10 % de la masse totale soit × 2 × 1030 100 29 26 = 2 × 10  kg = 2 × 10  tonnes. 2 × 1026 La durée de vie du Soleil est de l’ordre de t = 600 × 106 = 0,0033 × 1020 s = 10 milliards d’années. Le Soleil brillant depuis environ 5 milliards d’années, il continuera à briller encore environ 5 milliards d’années.

Livre de l’élève EXERCICES

EXERCICES

Vers le BAC exercice guidé

exercice non guidé Vers le BAC

6 Le Soleil, une étoile banale

7 Évolution du Soleil

OBJECTIFS Exploiter des documents – Effectuer un calcul.

Notre Soleil est bien entendu l’objet le plus grand et le plus massif de notre Système solaire : à lui seul, il représente plus de 99,8 % de sa masse globale. Le Soleil brille car en son sein a lieu une fusion nucléaire, qui s’est amorcée lors de sa création, lorsque sa masse, sa densité et sa température l’ont permis. En effet le Soleil se sert de son carburant, l’hydrogène, pour libérer sa formidable énergie, en le transformant en hélium. Actuellement, il est constitué de ¾ d’hydrogène et de ¼ d’hélium, le reste de ses composants sont divers métaux qui représentent à peine 0,1 % de la masse totale.

a. Une étoile parmi d’autres

Le Soleil est une étoile jaune de taille moyenne, comme beaucoup d’autres parmi les 200 milliards d’étoiles qui peuplent notre galaxie, la Voie lactée. Sa température de surface est de 6 000 °C.

GUIDE D’EXPLOITATION 1. Expliquer pourquoi le doc. a est soit un trucage photographique, soit un dessin. 2. a. Calculer λm, la longueur d’onde maximale d’émission lumineuse par le Soleil. b. Alpha Centauri A est une étoile située à 4,36 années-lumière de la Terre. Son émission lumineuse est très ressemblante à celle du Soleil. Que dire de la température de la surface d’Alpha Centauri A ? 3. a. Rappeler la relation d’Einstein liant l’énergie rayonnée % par une étoile à la variation de masse Δm de cette étoile. b. Sachant que la puissance rayonnée par le Soleil est 3 = 3,84 × 1026 W, calculer la diminution de la masse solaire à chaque seconde.

OBJECTIFS Exploiter des documents – Rédiger une argumentation scientifique.

b. Constitution du Soleil

 À l’aide des documents et de vos connaissances, rédiger un paragraphe d’une dizaine de lignes expliquant comment le Soleil peut émettre par rayonnement une puissance moyenne constante, pourquoi la durée de vie du Soleil est limitée et comment évoluera sa température de surface lors de sa phase de géante rouge.

a. Le Dieu Soleil, Hélios Pour les grecs de l’Antiquité, Hélios, le dieu Soleil, parcourait le ciel dans son char brûlant, prodiguant lumière et énergie aux mortels. Au xixe siècle, les physiciens pensaient que le Soleil était une sphère de matière chaude qui se refroidissait. Ils en déduisaient que le Soleil n’avait pas plus que quelques dizaines de millions d’années, en contradiction flagrante avec les données géologiques de l’époque. Cette « crise de l’âge » n’a été résolue qu’au début du xxe siècle avec les outils de la physique nucléaire. D’après Roland Lehoucq, « Pourquoi le Soleil brille-t-il ? », Pour la science, 2001.

D’après www.astropolis.fr.

Représentation par le peintre Bernardini Galliardi d’Apollon, souvent assimilé à Hélios, menant le char du Soleil.

c. Loi de Wien La température de surface T d’une étoile, assimilée à un corps noir, et la longueur d’onde λm du maximum d’émission lumineuse sont liées par la relation : a T= λm

b. Longueurs d’onde des rayonnements électromagnétiques visibles

T est en kelvin (K), λm en mètre (m) et a = 2,90 × 10–3 m·K dans le Système international.

c. Le devenir du Soleil Relation entre la température en kelvin

Il est estimé que le Soleil, actuellement naine jaune en milieu de vie, deviendra une géante rouge d’ici environ 5,4 milliards d’années puis évoluera, comme 90 % des étoiles, en un anneau de lumière entouré d’un nuage de gaz et de poussières, appelé nébuleuse planétaire.

d. et la température en degrés Celsius

La température T en kelvin et la température θ en degré Celsius sont liées par :

4. Une partie de la puissance solaire rayonnée parvient sur la Terre et les rayons solaires y arrivent avec une inclinaison différente en fonction de l’heure de la journée.

T (K)= θ (°C) + 273,15

d. Loi de Wien       10 h 12 h 17 h Indiquer, en justifiant, à quelle heure la puissance reçue par la surface est la plus petite.

La température de surface T d’une étoile, assimilée à un corps noir, et la longueur d’onde λm du maximum d’émission lumineuse sont liées par la relation : a T= λm T est en kelvin (K), λm en mètre (m) et a = 2,90 × 10–3 m·K dans le Système international.

110

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5

e. La nébuleuse planétaire Helix CHAPITRE 4   Le rayonnement solaire 111

111

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Températures dans la vallée de la Mort et sur l’île de Tenerife

1. T empérature moyenne dans la vallée de la Mort : θmoy(Vallée de la Mort) = 25,1 °C. Température moyenne sur l’île de Tenerife : θmoy(Île de Tenerife) = 22,9 °C. 2. L es valeurs moyennes des deux températures précédentes sont du même ordre de grandeur et pourtant les variations de températures sur l’année sont bien plus importantes dans la vallée de la Mort que sur l’île de Tenerife. On ne peut donc pas se fier uniquement à la valeur moyenne temporelle d’une température pour connaître les variations de températures au cours de l’année. 3. D  ans la vallée de la Mort, la variation de température maximale (entre le mois de décembre et le mois de juillet) est de 29,2 °C. Sur l’île de Tenerife, la variation de température maximale (entre le mois de février et le mois d’août) est de 7,3 °C. Le graphique montre la température (en ordonnée) en fonction des mois de l’année (en abscisse). Deux couleurs différentes permettent de bien distinguer les deux courbes tracées.

6 Le Soleil, une étoile banale 1. L ’échelle des distances sur ce dessin n’est pas correctement respectée. Le Soleil est beaucoup trop grand par rapport à la distance au Système solaire par exemple. Ce n’est donc pas une réelle photo. a 2. a  . On utilise l’expression λm =  . Attention, pour faire l’application T numérique, la température doit être exprimée en kelvin. –3 2,9 × 10 K·m AN : λm = = 462 × 10–9 m = 462 nm. (6 000 + 273,15) m

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b. Si l’émission lumineuse d’Alpha Centauri A est semblable à celle du Soleil, avec une λm du même ordre de grandeur, c’est que la température de surface d’Alpha Centauri A est proche de la température de surface du Soleil.  3. a. On a : m = 2. c b. La puissance libérée par le Soleil est donnée par:  = 3,843 × 1026 W. La relation entre l’énergie libérée et la puissance est :  =  × t. L’énergie libérée en une seconde est donc  = 3,843 × 1026 J.  AN : m = 2 soit : m = 0,426 × 1026–16 = 426 × 107 kg c = 426 × 104 tonnes = 4,26 × 106 tonnes. 4. La puissance par unité de surface reçue par une surface est d’autant plus grande que l’angle entre la direction des rayons solaires et la normale à la surface qui reçoit les rayons est petit. C’est à midi que cet angle est nul et que la puissance par unité de surface reçue est la plus grande.

7 Évolution du Soleil Le Soleil émet par rayonnements, dont une grande partie se trouve dans le domaine du visible, une puissance moyenne constante car à chaque seconde l’énergie perdue par rayonnement à la surface du Soleil est compensée par l’énergie libérée par les réactions de fusion qui, au cœur du Soleil, transforment les noyaux d’hydrogène en noyaux d’hélium. Lorsque la quantité de noyaux d’hydrogène sera devenue insuffisante pour que l’énergie libérée par les réactions de fusion compense l’énergie perdue par rayonnement à la surface du Soleil, alors le Soleil tel que nous le connaissons « mourra » en passant par le stade d’une géante rouge dont la température de surface diminuera.

THÈME 2 ● CHAPITRE 4 ● Le rayonnement solaire

73

CHAPITRE 5 Livre de l’élève

CHAPITRE

5

Le bilan radiatif terrestre

Le sol, les océans et l’atmosphère de la Terre absorbent et émettent de l’énergie sous diverses formes. Ces échanges énergétiques permettent une température moyenne temporelle constante à la surface de la Terre à l’échelle du siècle.

b. Les nuages, le sol et l’eau diffusent une partie de la lumière reçue du Soleil. Ce phénomène a-t-il une influence sur la température à la surface de la Terre ? ➞ activité 1

TEASER

Vidéo

c. Ce satellite est capable, grâce au radiomètre qu’il contient, de mesurer les flux d’énergie entrant et sortant au sommet de l’atmosphère.

Comment les échanges énergétiques au niveau de la Terre engendrent-ils une température annuelle moyenne constante à sa surface ? ➞ activité 4

d. Les serres, à atmosphère humide pour les plantes tropicales, sont des équipements qui corrigent les facteurs climatiques locaux pour récréer un autre climat. Comment l’effet de serre naturel favorise-t-il la présence de la vie sur Terre ? ➞ activité 3

a. Puissance par unité de surface du rayonnement infrarouge émis par la Terre en octobre 2016 (en watt par mètre carré). Les différentes zones du globe n’émettent pas toutes les rayonnements infrarouges avec la même puissance par unité de surface.

Existe-t-il un lien entre la température de la surface terrestre et la puissance par unité de surface des rayonnements émis ? ➞ activité 2 112

CHAPITRE 5   Le bilan radiatif terrestre 113

112

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Les grandes idées à construire L a Terre reçoit le rayonnement solaire et émet elle-même un rayonnement. Le bilan conditionne le milieu de vie. L ’objectif de ce chapitre est de comprendre qualitativement comment le bilan énergétique de la Terre conditionne sa température. L a puissance du rayonnement solaire se répartit de façon isotrope autour du Soleil. La puissance de ce rayonnement solaire reçu à la surface de la Terre dépend de la distance entre la Terre et le Soleil, du rayon de la Terre mais aussi de l’albédo terrestre. L a Terre, comme tous les corps, émet des rayonnements électromagnétiques dont la puissance augmente avec la température de surface. Ces rayonnements ont une longueur d’onde d’émission maximale dans l’infrarouge.  ne partie du rayonnement infrarouge émis par la Terre est absorbé U par les gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère terrestre. Ces gaz émettent à leur tour un rayonnement dans l’infrarouge dont une partie est envoyée hors de l’atmosphère tandis que l’autre partie est envoyée vers la surface terrestre : c’est l’effet de serre naturel. F aire le bilan des différentes puissances par unité de surface reçues et émises par la surface terrestre permet de comprendre comment peut s’établir une température moyenne constante à la surface de la Terre.

74

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Ce que disent les documents a Ce document montre différentes zones de la Terre n’émettant pas la même puissance surfacique de rayonnement et peut donner une première piste d’interrogation entre cette puissance par unité de surface émise et la température au niveau du sol ou des océans.

b Cette photographie montre un paysage au bord de la mer. Le sable, les nuages et l’eau sont des surfaces qui réfléchissent et diffusent une partie du rayonnement solaire reçu. Ce document permet de se faire à l’idée que toute la puissance solaire reçue en haut de l’atmosphère n’est pas absorbée par les sols et les océans. c Teaser : cette vidéo donne quelques pistes sur la puissance reçue et la puissance émise par la Terre et montre un appareil (radiomètre embarqué dans un satellite) capable de mesurer le flux solaire entrant en haut de l’atmosphère et le flux dégagé par la Terre qui retraverse l’atmosphère. d Cette photographie montre une serre tropicale. Elle peut être l’occasion d’interroger les élèves sur ce qu’ils savent de l’effet de serre et d’indiquer qu’il existe un effet de serre naturel sans lequel la vie sur Terre ne serait pas possible.

Progression dans le chapitre AC TIVITÉ

1

Problèmes scientifiques C omment la puissance délivrée par le Soleil se répartit-elle dans l’espace ? La Terre intercepte-t-elle toute la puissance rayonnée par le Soleil ? La puissance rayonnée par le Soleil et interceptée par la Terre dépend-elle de la distance TerreSoleil et du rayon terrestre ?

AC TIVITÉ

2

Problèmes scientifiques  n utilisant le modèle du corps E noir, comment comprendre que la Terre émette des rayonnements électromagnétiques ? Quel est le lien entre puissance par unité de surface du rayonnement émis par la Terre et moyenne temporelle des températures à la surface de la Terre ?

HED

Problèmes scientifiques  uel est l’impact des activités Q humaines sur l’albédo et sur le climat ? Quel est l’impact de la fonte des glaces sur le climat ?

AC TIVITÉ

3

TÂCHE COMPLEXE

HED

Problèmes scientifiques  uels sont les gaz à effet de Q serre prédominants ? Comment l’action des gaz à effet de serre dans l’atmosphère permet-elle une température clémente à la surface de la Terre ?

Problèmes scientifiques C omment identifier un épisode de vague de froid ? Comment argumenter avec ceux qui contestent le réchauffement climatique en utilisant comme argument les épisodes de vague de froid ?

AC TIVITÉ

4

Problèmes scientifiques C omment établir un bilan de puissance ? Comment relier ce bilan de puissance à l’équilibre dynamique de température au niveau du sol terrestre ?

Compétences travaillées  xploiter des documents. E Faire des calculs avec des puissances de 10. Utiliser les bonnes unités.

Compétences travaillées  xploiter des documents. E Manipuler une expression littérale. Faire des calculs.

Compétences travaillées  xtraire et organiser des E informations. Modéliser. Coopérer et collaborer. Communiquer.

Compétences travaillées  xploiter des documents. E Schématiser une situation. Faire une communication scientifique à l’oral.

Compétences travaillées  xtraire et organiser des E informations. Coopérer et collaborer. Communiquer. Distinguer une croyance ou une opinion d’un savoir scientifique. Utiliser des logiciels d’acquisition et de traitement de données.

Compétences travaillées  xploiter des schémas. E Réaliser des calculs simples. Faire une communication scientifique à l’oral.

Idées clés L a puissance solaire reçue sur Terre dépend de la distance Terre-Soleil et du rayon de la terre. Albédo terrestre.

Idées clés  tilisation de la loi de Wien. U Utilisation du spectre d’absorption de l’atmosphère terrestre.

Idées clés C auses des modifications de l’albédo : fonte de la banquise, déforestation, désertification, modification de la couverture nuageuse.

Idées clés  ffet de serre naturel nécessaire E à la vie sur Terre. Problèmes climatologiques liés à l’augmentation de l’effet de serre.

Idées clés  étéorologie : description et M prévision du temps qu’il fait sur de courtes périodes. Climatologie : description des climats et de leurs évolutions sur de longues périodes.

Idées clés  quilibre dynamique de É température moyenne au sol.

THÈME 2 ● CHAPITRE 5 ● Le bilan radiatif terrestre

75

CHAPITRE 5 Livre de l’élève ACTIVITÉ

1

3

Puissance solaire atteignant la Terre Le rayonnement émis par le Soleil se répartit de façon isotrope dans l’espace autour de lui. OBJECTIF Déterminer la proportion de la puissance émise par le Soleil atteignant la Terre et son atmosphère.

1

Comprendre l’albédo terrestre

L’albédo A est le quotient de la puissance solaire diffusée et réfléchie par une surface, par la puissance solaire reçue par cette surface. C’est un nombre sans unité compris entre 0 et 1. L’albédo terrestre moyen est A = 0,3.

Pourcentage de la puissance au sommet de l’atmosphère

Évaluer la répartition du rayonnement solaire dans l’espace a. Répartition isotrope

re imaginaire Sphè

du rayonnement solaire

À une distance donnée du centre du Soleil, la puissance reçue de la part du Soleil se trouve répartie de manière homogène sur une sphère de rayon égal à cette distance. A-Z

émise = 3,8 × 1026 W Soleil

Terre r est terr Orbite

e

Absorption par : vapeur d’eau, ozone, poussières

VOCABULAIRE

Absorption par les nuages

L’isotropie est le fait de présenter les mêmes caractéristiques physiques dans toutes les directions de l’espace. Ainsi, la puissance solaire libérée se répartit de façon isotrope, c’est-àdire de façon identique dans toutes les directions à partir du Soleil.

Diffusion et réflexion par l’air

6% 16 %

3% 20 %

La puissance solaire reçue par un corps se répartit en : • puissance absorbée par le corps ; • puissance diffusée par le corps ; • puissance réfléchie par le corps.

2

100 %

Atmosphère

Absorption par le sol et les océans

Identifier la surface de la Terre recevant le rayonnement solaire

51 %

4%

Diffusion et réflexion par les nuages

Diffusion et réflexion par la surface

Océans et continents

b. Modélisation du rayonnement solaire reçu par la surface de la Terre

c. Pourcentage des puissances solaires absorbées, diffusées

Un globe terrestre est éclairé par des rayons parallèles entre eux modélisant l’éclairement du Soleil. L’ombre portée a la forme d’un disque dont le rayon est celui de la boule.

et réfléchies par la Terre et son atmosphère

POUR ALLER

LOIN

p. 118 : L’albedo terrestre, un paramètre climatique majeur.

PISTE D’EXPLOITATION GÉOMÉTRIE • L’aire S d’une sphère de rayon R se calcule grâce à la relation S = 4πR². • L’aire s d’un disque de rayon r se calcule grâce à la relation s = πr². • L’aire d’une surface s’exprime en m² dans le Système international.

1 a. Calculer l’aire de la sphère ayant pour centre le Soleil et pour rayon la distance Terre-Soleil R = 150 × 109 m. b. Déterminer la puissance par mètre carré reçue de la part du Soleil à 150 millions de kilomètres du Soleil. 2 a. En déduire l’aire du disque non éclairé du doc. b en utilisant le rayon de la Terre r = 6 380 km. b. Calculer la puissance des rayons émis par le Soleil et interceptés par la Terre et son atmosphère.

3 a. Retrouver la valeur moyenne A = 0,3 pour l’albédo terrestre. b. Émettre une hypothèse sur le devenir des rayons lumineux qui ne sont pas renvoyés vers l’espace. 4 Calculer la puissance des rayonnements solaires qui sont effectivement absorbés par le système Terre-atmosphère.

114

CHAPITRE 5   Le bilan radiatif terrestre 115

114

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s problèmescientifiques C omment la puissance délivrée par le Soleil se répartit-elle dans l’espace ? L a Terre intercepte-t-elle toute la puissance rayonnée par le Soleil ? L a puissance rayonnée par le Soleil et interceptée par la Terre dépend-elle de la distance Terre-Soleil et du rayon terrestre ?

Mobilisation des acquis  u en cycle 4 : notions de géométrie avec tracés d’une sphère V imaginaire, aire d’un disque, aire de la surface d’une sphère.

Les grandes idées à construire T oute la puissance rayonnée par le Soleil n’atteint pas la Terre. Cette puissance reçue au-dessus de l’atmosphère dépend de la distance entre la Terre et le Soleil et du rayon de la Terre. Seule une partie de la puissance reçue en haut de l’atmosphère est absorbée par le sol et les océans. Cette puissance absorbée dépend de l’albédo terrestre.

Les compétences travaillées Exploiter des documents. Faire des calculs avec des puissances de 10. Utiliser les bonnes unités.

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Les représentations de l’élève  vant de réaliser l’activité, les élèves peuvent penser que toute A la puissance rayonnée par le Soleil atteint la Terre et que toute la puissance reçue par la Terre est absorbée. L e but de cette activité est de montrer que seule une très petite partie de la puissance rayonnée par le Soleil atteint l’atmosphère terrestre et qu’une plus petite partie encore atteint le sol.

Ce que disent les documents 1 Le schéma du doc. a représente en coupe la surface de la sphère imaginaire passant par la Terre et ayant pour centre le Soleil. Il peut être judicieux d’expliquer aux élèves que les flèches orange représentent les rayonnements émis par le Soleil dans toutes les directions et pas simplement dans un seul plan comme le schéma en deux dimensions pourrait le laisser penser. On peut aider les élèves en donnant des modèles de sphère (deux demi-sphères en polystyrène à assembler par exemple) représentant la sphère imaginaire avec le Soleil en son centre. ? Idée de question : À partir du Soleil, dans quelles directions les rayonnements sont-ils émis ?

2 Le doc. b est une photographie d’une expérience réalisable en classe. Le but est de travailler sur l’ombre portée et de montrer que cette ombre portée correspond à l’aire du disque, dont le rayon est celui de la Terre. Par conséquent, il devient plus simple d’expliquer aux élèves que cela représente aussi l’aire de la surface qui intercepte les rayons lumineux provenant du Soleil. Un protocole pour réaliser cette expérience avec les élèves est donné dans la rubrique suivante. Ils pourront ainsi manipuler les objets pour mieux se rendre compte du phénomène.

? Idée de question : Que représente l’ombre portée visible sur l’écran d’observation ?

3 Le schéma du doc. c peut être décrit progressivement en montrant d’abord qu’une partie de la puissance reçue en haut de l’atmosphère est absorbée à divers endroits alors qu’une autre partie est réfléchie et diffusée. Ensuite, il peut être judicieux de commenter les valeurs en pourcentage de ces différentes puissances pour aborder la notion d’albédo terrestre. ? Idée de question : La totalité du rayonnement solaire reçu en haut de l’atmosphère atteint-elle la surface de la Terre ?

Les

pour préparer votre séance

Il est possible de réaliser au bureau ou en TP la photo du module 2. Simuler sur un banc d’optique une source à l’infini pour représenter les rayons issus du Soleil parallèles entre eux. Pour cela, on peut utiliser une source lumineuse dont les rayons seront condensés au point foyer objet d’une lentille convergente. On éclaire alors grâce à un faisceau de rayons parallèles entre eux une boule représentant la Terre. On observe l’ombre portée sur un écran. Cette ombre portée permet de montrer aux élèves que la partie éclairée de la Terre a pour surface celle du disque de rayon égal au rayon terrestre.  roposer un QCM de remobilisation des acquis de seconde en début P de séance. En voici un exemple. Pour chaque proposition, choisir la réponse exacte : 1. La distance focale d’une lentille convergente est : a. la distance entre les deux points foyers F et F’ ; b. la distance entre le centre optique de la lentille et le point foyer image ; c. le rayon de la lentille. 2. Plus la distance focale d’une lentille est grande : a. plus la lentille est grande ; b. plus la lentille est convergente ; c. moins la lentille est convergente. 3. Dans le vide, la lumière : a. ne se propage pas ; b. se propage en ligne droite ; c. se propage de façon courbe. 4. Dans le vide et dans l’air la lumière se propage à la célérité de : a. 340 m·s–1 ; b. 3 × 108 m·s–1 ; c. 3 × 105 m·s–1.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ 1. a. La Terre est située en bordure d’une sphère imaginaire ayant pour centre le Soleil et pour aire S = 4πR2 = 2,82 × 1023 m2. b. La puissance disponible par mètre carré sur cette surface est : 3,84 × 1026 W surfacique = = 1,36 × 103 W·m–2. 2,82 × 1023 m2 2. a. L’aire du disque non éclairé est l’aire du disque dont le rayon est le rayon de la Terre : s = πr2 = 1,28 × 1014 m2. b. La Terre intercepte des rayons sur une surface d’aire égale à celle calculée à la question 2.a. :  = surfacique × s  = 1,73 × 1017 W. 3. a. Pour retrouver la valeur moyenne de l’albédo terrestre, il faut additionner tous les pourcentages des puissances diffusées et réfléchies. Ici A = 6 + 20 + 4 = 30 %. On retrouve bien un albédo terrestre moyen de 0,3. b. Les rayonnements qui ne sont pas renvoyés vers l’espace peuvent être absorbés par l’atmosphère, les sols et les océans. 4. Les rayonnements absorbés représentent 16 + 3 + 51 = 70 % du rayonnement reçu en haut de l’atmosphère.

 roposition d’une grille d’évaluation possible P de l’activité Critères Compétences calculatoires

A L’élève fait le calcul des aires et des puissances sans faute.

Compétence L’élève relève d’extraction des les différentes informations valeurs des puissances pour retrouver l’albédo terrestre.

B Les relations littérales utilisées sont correctes mais l’application numérique est fausse ou bien il manque les unités. L’élève se trompe dans une valeur de pourcentage relevé.

C Les relations littérales sont incorrectes ou bien le résultat numérique est faux et sans unité.

L’élève se trompe plus d’une fois dans la valeur des pourcentages relevés.

LE SAVIEZ-VOUS ? L a puissance solaire interceptée par la Terre représente moins d’un milliardième de la puissance totale émise par le Soleil.

THÈME 2 ● CHAPITRE 5 ● Le bilan radiatif terrestre

77

CHAPITRE 5

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

2

3

Rayonnement émis par la Terre

1

Décrire le rayonnement émis par la Terre

A-Z

Opacité de l'atmosphère

La Terre reçoit le rayonnement du Soleil et se réchauffe. Comme tous les corps chauffés, elle émet un rayonnement électromagnétique. OBJECTIF Analyser le type de rayonnement électromagnétique émis par la Terre.

VOCABULAIRE

a. Rayonnement électromagnétique émis par la Terre et le Soleil

Le zéro absolu est la température de zéro kelvin, soit – 273,15 °C.

La Terre, comme tout corps dont la température n’est pas égale au zéro absolu, émet un rayonnement électromagnétique qui est fonction de sa température. Le Soleil, dont la température apparente est proche de 5 800 K, émet son maximum de rayonnement dans le domaine des longueurs d’onde proches de 0,5 µm. La Terre, dont la température est proche de 288 K (15 °C, soit 20 fois moins que le Soleil) émet son maximum de rayonnement pour des longueurs d’onde proches de 10 µm (20 fois plus grandes que pour le Soleil).

Le rayonnement électromagnétique désigne un mode de transfert d’énergie qui peut être décrit sous forme d’une onde caractérisée par sa longueur d’onde. La lumière visible est un rayonnement électromagnétique, mais ne constitue qu’une petite partie du large spectre électromagnétique.

D’après www.ressources.fondation-uved.fr.

2

Analyser les rayonnements absorbés et transmis

100 %

50 %

0% Rayons X

UV

10–10

10–8

IR 10–6

Micro-ondes

10–4 λ (en m)

10–2

FM 100

AM 102

Spectre visible

La puissance surfacique reçue est la puissance reçue par unité de surface, c’est-à-dire par mètre carré. L’unité SI est le watt par mètre carré (W·m–2).

Relier puissance du rayonnement infrarouge émis par la Terre et température de surface

400

450

500

550 600 λ (en nm)

650

700

750

d. Absorption des rayonnements électromagnétiques par le système Terre-atmosphère

La plupart du rayonnement infrarouge est absorbé par des gaz atmosphériques. Rayonnement incident

DONNÉES

b. Puissance par unité de surface

du rayonnement émis par la Terre en fonction des régions du globe (océans et continents)

Rayonnement diffusé

Rayonnement absorbé

Rayonnement diffusé

Échantillon de matière

(en W·m–2)

1. Loi de Wien : a T= avec a = 2,90 × 10–3 m·K. λm 2. Relation entre température absolue T (en kelvin) et température « usuelle » θ (en degré celsius) : T (K) = θ (°C) + 273,15

Rayonnement transmis

e. Absorption, transmission, diffusion d’un rayonnement électromagnétique Le rayonnement électromagnétique interagit avec la matière : une partie est absorbée. La partie non absorbée est diffusée ou transmise sans interaction. Tous ces rayonnements ont la même longueur d’onde.

c. Moyennes temporelles

PISTE D’EXPLOITATION

des températures sur les différentes régions du globe (océans et continents)

1 En utilisant la loi de Wien, retrouver la longueur d’onde d’émission maximale du rayonnement émis par la Terre. 2 À quel domaine du spectre appartiennent les rayonnements électromagnétiques émis par la Terre ?

3 Indiquer comment varie la puissance par unité de surface du rayonnement émis par la Terre en fonction de la température du sol en un lieu donné. 4 Expliquer ce qu’il advient des rayonnements infrarouges émis par la Terre.

(en K) 116

CHAPITRE 5   Le bilan radiatif terrestre 117

116

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s problèmescientifiques E n utilisant le modèle du corps noir, comment comprendre que la Terre émette des rayonnements électromagnétiques ?  uel est le lien entre puissance par unité de surface du Q rayonnement émis par la Terre et moyenne temporelle des températures à la surface de la Terre ?

Mobilisation des acquis Vu en seconde : spectre des rayonnements électromagnétiques. Chapitre 4 : loi de Wien.

Les grandes idées à construire C omme tous les corps noirs, la Terre rayonne avec un maximum en longueur d’onde situé dans l’infrarouge. Cette puissance rayonnée est en rapport direct avec la moyenne temporelle des températures à la surface de la Terre.

Les compétences travaillées Exploiter des documents. Manipuler une expression littérale. Faire des calculs.

Les représentations de l’élève  algré les notions acquises dans le chapitre précédent, il est fort M probable qu’un grand nombre d’élèves pense que la Terre n’émet pas de rayonnement, ne la considérant pas comme un corps « chauffé ».

78

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L e but de cette activité est donc de montrer que la Terre, qui n’est pas un « corps vivant » ni une étoile, émet des rayonnements électromagnétiques dont la longueur d’onde d’émission maximale se situe dans le domaine infrarouge.

Ce que disent les documents 1 Le doc. a est un texte introductif qui rappelle ce qui a été vu dans le chapitre précédent. Tout corps ayant une température non nulle en Kelvin émet un rayonnement électromagnétique ayant une longueur d’onde d’émission maximale qui dépend de la température du corps. Article complet : ressources.fondation-uved.fr/modules/moduleChangementsGlobaux/ html/2-systeme-atmo_1-bilan-radiatif_3-ss-partie_1.html. ? Idée de question : Le Soleil, comme toutes les étoiles, émet des rayonnements électromagnétiques. En est-il de même pour la Terre qui est une planète ?

2 Le doc. b représente, avec des couleurs, les différentes zones du globe et leurs puissances par unité de surface émises. Le doc. c représente, également avec des couleurs, les différentes moyennes temporelles de températures à la surface terrestre. Ces deux schémas permettent de se rendre compte facilement qu’un lien qualitatif (dans un premier temps) existe entre la puissance par unité de surface du rayonnement émis par la surface de la Terre et la température moyenne de cette surface. ? Des idées de questions : La puissance surfacique du rayonnement émis par la Terre est-elle la même en tous points du globe ? La moyenne temporelle des températures est-elle la même en tous points du globe ?

3 Le schéma (doc. d) présente la courbe d’opacité de l’atmosphère en fonction de la longueur d’onde des rayonnements. Il est important que les élèves comprennent la notion d’opacité et qu’ils soient capables d’expliquer ce que veut dire « l’opacité est de 50 % pour une longueur d’onde donnée du rayonnement ». Le petit schéma de type carte mentale, que l’élève peut reprendre et adapter à des principes graphiques qu’il préfère (doc. e), permet de récapituler le vocabulaire nécessaire et de ne pas confondre diffusé, transmis et absorbé. ? Des idées de questions : Que représente, pour les rayonnements électromagnétiques, une opacité de l’atmosphère de 100 % ? Que représente, pour les rayonnements électromagnétiques, une opacité nulle ?

Les

pour préparer votre séance

Il peut être demandé aux élèves de remobiliser les compétences acquises sur la loi de Wien en donnant un petit exercice à faire à la maison avant la séance (par exemple l’exercice Pour s’entraîner p. 106 du manuel). En effet, la manipulation mathématique de cette loi, même si elle est nécessaire dans l’activité, n’est pas le but essentiel de cette activité.  roposer un QCM de remobilisation des acquis du chapitre précédent P en début de séance. En voici un exemple. Pour chaque proposition, choisir la réponse exacte : 1. La loi de Wien s’écrit : a a. T = avec a = 2,90 × 10–3 m·K ; λm λ b. a = m avec a = 2,90 × 10–3 m·K ; T c. T = a × λm avec a = 2,90 × 10–3 m·K. 2. Dans l’expression de la loi de Wien, λm est : a. la plus grande longueur d’onde des rayonnements émis par un corps noir ; b. la longueur d’onde du rayonnement émis par un corps noir correspondant au maximum d’intensité ; c. la longueur d’onde moyenne des rayonnements émis par un corps noir. 3. La loi de Wien indique que : a. plus la température d’un corps noir est élevée, plus la longueur d’onde de son maximum d’émission est petite ; b. plus la température d’un corps noir est élevée, plus la longueur d’onde de son maximum d’émission est grande ; c. la longueur d’onde du maximum d’émission d’un corps noir ne dépend pas de sa température.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ 1. Le doc. a permet d’obtenir la température moyenne à la surface de la Terre, température à utiliser en Kelvin dans la loi de Wien pour trouver λm. a λm =  T 2,90 × 10–3 m·K λm = = 1,0·10–5 m soit 10 µm. (15 + 273,15) K 2. À l’aide du spectre des rayonnements électromagnétiques du doc. d, on voit que la longueur d’onde maximale se situe dans le domaine infrarouge. 3. En comparant les docs. b et c, on voit que plus la température du sol est élevée, plus la puissance par unité de surface des rayonnements émis par la Terre est grande. 4. Une partie des rayonnements infrarouges émis par la Terre est renvoyée dans l’espace tandis que l’autre partie est absorbée par l’atmosphère et les gaz qu’elle contient.

 roposition d’une grille d’évaluation possible P de l’activité Critères Compétences calculatoires

A L’élève fait le calcul de la longueur d’onde d’émission maximum et donne la bonne unité. Compétence L’élève extrait d’extraction des les informations informations demandées : – domaine des ondes électromagnétiques émises par la Terre ; – lien entre puissance par unité de surface émise et température du sol ; – analyse de la courbe d’absorption de l’atmosphère.

B C L’application Le résultat numérique est numérique est fausse ou bien faux et sans il manque les unité. unités. Une des trois informations n’est pas extraite des documents.

Plus d’une information n’est pas extraite des documents.

4. Un corps noir émet : a. un seul type de rayonnement électromagnétique avec une longueur d’onde fixée ; b. un ensemble de rayonnements électromagnétiques dépendant de sa température ; c. toujours les mêmes rayonnements électromagnétiques quelle que soit sa température.

THÈME 2 ● CHAPITRE 5 ● Le bilan radiatif terrestre

79

CHAPITRE 5 Livre de l’élève

L’albédo terrestre, un paramètre climatique majeur

e. Évolution de l’anomalie de température

Moyenne mondiale de l’anomalie de température (en °C)

IRE HISTO X ENJEU TS DÉBA

L’albédo représente la capacité qu’a une surface à réfléchir et diffuser la puissance qu’elle reçoit par rayonnement.

Comment l’albédo et ses variations influencent-ils le climat terrestre ?

0,4 0,2 0 − 0,2 − 0,4 − 0,6 − 0,8 −1 1850

Équilibre de température a. à la surface de la Terre Puissance solaire absorbée par la surface de la Terre

b. Albédo de différents types de surfaces

Puissance solaire réfléchie et diffusée par la Terre vers l’espace

Température d’équilibre à la surface de la Terre

La température à la surface de la Terre dépend essentiellement d’un équilibre entre la puissance solaire absorbée par la Terre et la puissance du rayonnement diffusée par la Terre vers l’espace.

L’albédo est un paramètre qui permet de bien représenter l’équilibre de température à la surface de la Terre. Par exemple, plus l’albédo d’une surface est élevé, plus la puissance du rayonnement diffusé par cette surface vers l’espace est grande par rapport à la puissance solaire qu’elle absorbe.

Type de surface

Albédo

Lac

0,02 à 0,04

Forêt

0,05 à 0,20

Mer

0,05 à 0,15

Sol sombre

0,05 à 0,15

Culture

0,15 à 0,25

Sable

0,25 à 0,45

Nuage

0,5 à 0,8

Glace

0,5 à 0,7

Neige fraîche

f. Déforestation et désertification Chaque année, les activités humaines sont responsables de la disparition de 13 millions d’hectares de forêts. Cette déforestation permet principalement l’installation de cultures. La déforestation, l’agriculture et les changements climatiques sont probablement responsables de la désertification (par exemple, depuis 1900, le Sahara a progressé par endroits de 250 kilomètres vers le sud).

1900

1950 Année

2000

L’anomalie de température correspond à la différence par rapport à la température normale de référence (moyenne des températures mondiales entre 1961 et 1990). Le changement de la température mondiale moyenne observé depuis le début du xxe siècle est attribué majoritairement à l’augmentation de la quantité de gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone ou le méthane.

g. Changements climatiques et nuages

Selon les scientifiques, le changement climatique actuel modifierait la couverture nuageuse de la planète. Selon une étude publiée le 25 février 2019, les nuages de basse altitude pourraient disparaître en 2104.

0,80

i. L’hypothèse de la « Terre boule de neige » La Terre n’a pas toujours été une planète bleue. Selon une grande majorité des scientifiques, notre planète a été au moins trois fois entièrement recouverte de glace : on parle de « Terre boule de neige ».

Surface moyenne de la banquise de l’arctique en été (en millions de km²)

Vidéo

c. Surface de la banquise arctique

mesurée par les satellites (septembre 1984 et septembre 2016)

15

10

h. Vue d’artiste de la Terre il y a 750 millions d’années

5

0 1900

1920

1940

1960 Année

1980

2000

En équipes

d. Évolution de la surface de la banquise arctique (en été) entre 1900 et 2010

La banquise arctique est une couche de glace qui flotte à la surface de l’océan Arctique.

Équipe 1 Construisez un schéma fonctionnel [➞ fiche méthode 4] montrant l’effet du changement de température actuel sur la banquise arctique et expliquant comment ce changement pourrait avoir un impact sur la température de surface de la Terre.

Il y a 750 millions d’années, la concentration de gaz à effet de serre diminue considérablement, ce qui aurait provoqué une diminution de la température de surface et amorcé le début d’une glaciation. La glaciation se serait « emballée » en raison d’un phénomène auto-amplificateur et la Terre serait devenue une planète entièrement recouverte de glace.

!

Équipe 2 Construisez deux schémas fonctionnels [➞ fiche méthode 4] montrant les effets probables de la déforestation/désertification et de la modification de la couverture nuageuse sur la température de surface de la Terre.

118

CHAPITRE 5   Le bilan radiatif terrestre 119

118

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s problèmescientifiques  uel est l’impact des activités humaines sur l’albédo et sur le Q climat ? Quel est l’impact de la fonte des glaces sur le climat ?

Mobilisation des acquis

09172919_112-133_C05.indd 119

L e changement climatique modifie la couverture nuageuse et les nuages de basse altitude pourraient disparaître. Or, l’albédo des nuages étant élevé, leur disparition engendrerait une diminution de l’albédo et une augmentation de la température à la surface de la Terre.

Les compétences travaillées

 u en cycle 3 (Sciences et technologie) : phénomènes météorologiques V et climatiques, évènements extrêmes.  u en cycle 4 (SVT) : explications de quelques phénomènes V météorologiques et climatiques, des grandes zones climatiques de la Terre et des changements climatiques passés et actuel.

Modéliser.

Activité 1 : puissance totale émise par le Soleil et atteignant la Terre. Albédo.

Les grandes idées à construire L es causes des modifications de l’albédo sont nombreuses et ont des effets variés sur la température de surface de la Terre. L’albédo est donc un paramètre climatique majeur mais dont l’évolution et les conséquences sur le climat sont complexes. L e réchauffement climatique est à l’origine de la fonte de la banquise. La diminution de la surface de la banquise diminue l’albédo. La puissance solaire réfléchie et diffusée par la Terre est donc plus faible et la température augmente, ce qui amplifie d’autant plus la fonte de la banquise. On parle de rétroaction positive. L a déforestation et la désertification dues aux activités humaines remplacent des forêts par des sols nus. Ce changement de surface au

19/06/2019 09:47

sol augmente l’albédo. Ainsi, la puissance solaire réfléchie et diffusée par la Terre augmente et par conséquent la température diminue.

Extraire et organiser des informations.

 u en seconde (SVT) : incidence des agrosystèmes sur la qualité des V sols et l’état général de l’environnement proche de façon plus ou moins importante selon les modèles agricoles.

80

En commun Construisez un schéma fonctionnel montrant comment la Terre aurait pu devenir une planète entièrement blanche, il y a environ 750 millions d’années.

Concevoir une stratégie de résolution. Coopérer et collaborer. Communiquer.

Ce que disent les documents a et b L’albédo représente la capacité que possède une surface à réfléchir et diffuser la puissance qu’elle reçoit par rayonnement. Plus la puissance solaire réfléchie est grande, plus l’albédo est élevé et plus la température d’équilibre à la surface de la Terre est faible. Les forêts et les mers ont un albédo faible, tandis que le sable, les nuages et la glace ont un albédo élevé. ? Idée de question : Comment l’albédo d’une surface influence-t-il la température à la surface de la Terre ?

c et d Entre 1900 et 2010, la surface de la banquise arctique a diminuée d’environ 4 millions de km2 en passant de 10 × 106 km2 environ à 6 × 106 km2. Cette diminution de la surface de la banquise s’observe sur les images satellites comparant la banquise arctique en septembre 1984 et à la même période de l’année en 2016.

? Des idées de questions : Comment la surface de la banquise a-telle évolué depuis 1900 ? Comment expliquer cette évolution ? Quel peut être l’impact de cette évolution sur l’albédo terrestre et sur la température à la surface de la Terre ?

Exemples de schémas fonctionnels E ffet du changement de température actuel sur la banquise arctique et conséquences sur la température de surface de la Terre : Changement climatique

e Depuis 1850, la température mondiale a augmenté d’environ

1 °C. Ce réchauffement climatique est attribué principalement aux émissions de gaz à effet de serre par les activités humaines. ? Des idées de questions : Comment la température mondiale a-t-elle évolué depuis 1850 ? Quelle serait la cause principale de cette évolution ? Quel pourrait être l’effet de cette évolution sur la banquise arctique ?

f Les activités humaines, comme l’agriculture, sont en grande partie

responsables de la déforestation et de la désertification. Sur Terre, des forêts sont remplacées par des sols nus, comme des déserts. ? Des idées de questions : Comment les activités humaines transforment-elles la surface de la planète ? Quel peut être l’impact de la déforestation et de la désertification sur l’albédo terrestre ? Quel peut être l’impact de la déforestation et de la désertification sur la température à la surface de la Terre ?

Les

LE SAVIEZ-VOUS ?  our établir des projections climatiques pour le futur, les P scientifiques utilisent différents modèles. Ce sont des programmes informatiques qui intègrent des équations physiques simulant les différentes composantes du climat (atmosphère, océan, végétation, glace) et calculant l’évolution future du climat (évolution de la température, des précipitations). Sur certains aspects, les prévisions sont robustes car tous les modèles utilisés dans le monde s’accordent sur les mêmes résultats (par exemple, tous les modèles obtiennent une augmentation de la température lorsque la concentration de gaz à effet de serre augmente). Cependant, en comparant les simulations des différents modèles, on observe que des différences liées à des aspects moins robustes sont responsables d’incertitudes. Par exemple, les modèles ne s’accordent pas sur l’évolution des différents nuages et leur impact sur les températures et les précipitations. Les scientifiques cherchent donc toujours à perfectionner leurs modèles.

Fonte des glaces

Diminution de la surface de la banquise arctique

E ffet de la déforestation/désertification sur la température de surface de la Terre : Déforestation

Désertification

Remplacement de forêts par des cultures

Augmentation de l’albédo

Progression des déserts

Augmentation de la puissance solaire réfléchie et diffusée vers l’espace

Diminution de la température de surface de la Terre

E ffet de la modification de la couverture nuageuse sur la température de surface de la Terre : Changement climatique Augmentation de la température de surface de la Terre

Diminution de la puissance solaire réfléchie et diffusée vers l’espace Diminution de l’albédo

Diminution du nombre de nuages de basse altitude

C omment la Terre aurait pu devenir une planète entièrement blanche, il y a environ 750 millions d’années : Diminution de la concentration de gaz à effet de serre

Diminution de la température de surface de la Terre

Formation de glaces

Diminution de la puissance solaire réfléchie et diffusée vers l’espace

Augmentation de l’albédo

Augmentation de la surface couverte de glace

Les parcours possibles

pour préparer votre séance

L ’objectif principal de cette séance est de montrer que l’albédo est un paramètre climatique majeur car il a une forte influence sur le climat et notamment sur la température moyenne à la surface de la Terre, et complexe car les paramètres qui le contrôlent sont nombreux et ont des influences variées dont les effets sont compliqués à interpréter et à prévoir. Dans cette activité, les élèves seront amenés à construire des schémas fonctionnels permettant de montrer les relations de causalité entre les variations des différents paramètres. Ils pourront mettre en évidence des boucles de rétroactions positives et négatives.

Diminution de la puissance solaire réfléchie et diffusée vers l’espace Diminution de l’albédo

g Le changement climatique pourrait être à l’origine de la disparition en 2104 des nuages de basse altitude. ? Des idées de questions : Quel pourrait être l’impact du réchauffement climatique sur la couverture nuageuse terrestre ? Quel pourrait être l’effet des modifications de la couverture nuageuse sur l’albédo et sur la température à la surface de la Terre ? h et i Il y a 750 millions d’années, la Terre aurait été entièrement recouverte de glace (« Terre boule de neige ») en raison d’une très importante diminution de la concentration de gaz à effet de serre. La glaciation se serait « emballée » suite à un phénomène autoamplificateur. ? Des idées de questions : Qu’appelle-t-on un épisode de « Terre boule de neige » ? Quelle serait la cause initiale de la glaciation s’étant produit il y a 750 millions d’années ? Comment expliquer que la glaciation se soit « emballée » ? Quel a pu être le rôle de l’albédo lors de cette glaciation ?

Augmentation de la température de surface de la Terre

PARCOURS 1 Débutant Décrire l’évolution de la surface de la banquise arctique depuis 1900. Indiquer quel peut être l’effet de l’évolution de la température actuelle sur la surface de la banquise. 3 Indiquer quel peut être l’impact de l’évolution de la surface de la banquise sur l’albédo et la température terrestre. 4 Réaliser un schéma fonctionnel présentant les réponses des questions 2 et 3. 5 Dans un court texte, expliquer l’effet de la déforestation et de la désertification sur l’albédo et la température de la Terre. 6 Dans un court texte, expliquer l’effet du changement climatique sur la couverture nuageuse, sur l’albédo et la température de la Terre. 7 À partir de vos réponses précédentes, montrer que l’albédo est un paramètre climatique majeur et complexe. 8 Réaliser un schéma fonctionnel permettant d’expliquer la glaciation responsable de la « Terre boule de neige » il y 750 millions d’années. 1 2

PARCOURS 2 Classe en puzzle 1 Diviser la classe en deux pour créer des groupes d’« experts », qui réaliseront soit le travail « Équipe 1 », soit « Équipe 2 ». 2 Mélanger ensuite les élèves des groupes « experts » pour constituer des groupes « apprentissage » en leur donnant la consigne « En commun » du manuel ou alors la consigne suivante : à l’aide de vos différents schémas fonctionnels, réalisez, sur une affiche, un grand schéma fonctionnel synthétisant toutes vos informations et permettant de montrer pourquoi l’albédo est un paramètre climatique majeur et complexe.

THÈME 2 ● CHAPITRE 5 ● Le bilan radiatif terrestre

81

CHAPITRE 5

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

3

TÂCHE XE COMPLE

2

Rayonnement infrarouge et effet de serre naturel

Atmosphère

c. L’effet de serre naturel : un bienfait pour la planète

La nuit, alors que la Terre ne bénéficie pas du rayonnement solaire, la température reste clémente.

MISSION Vous animez une rubrique scientifique au journal télévisé régional. Vous devez préparer une présentation expliquant ce qu’est l’effet de serre naturel et en quoi il est favorable à la vie sur Terre. A-Z

1

Argon 0,93 % Dioxygène 20,95 %

Autres gaz dont méthane CH4 1%

N2O et CH4 6% CO2 99 %

Diazote 78,08 %

VOCABULAIRE

Certains gaz qui composent l’atmosphère permettent de capter le transfert thermique d’énergie ainsi que le rayonnement infrarouge émis par la Terre au lieu de les laisser s’échapper vers l’espace : c’est l’effet de serre.

Analyser les proportions des différentes espèces chimiques de l’atmosphère

H2O 60 %

O3 8%

Le tiers de l’énergie en provenance du Soleil est directement diffusé vers l’espace par les nuages, l’atmosphère et la surface terrestre. Les deux tiers restants sont absorbés par l’atmosphère, les sols et l’océan. La surface terrestre émet en retour un rayonnement infrarouge que les nuages et les gaz à effet de serre absorbent en grande partie. Les nuages et les gaz à effet de serre ainsi chauffés, émettent à leur tour des rayonnements infrarouges vers l’espace et vers le sol. Celui-ci se réchauffe et le processus d’émission des rayonnements infrarouges se poursuit. Ce phénomène a été baptisé « effet de serre » par analogie avec la serre du jardinier. On estime que sans cet effet de serre de l’atmosphère, la température moyenne à la surface de la Terre serait au plus de –18 °C au lieu des 15 °C que nous connaissons. D’après www.meteofrance.fr.

Constituants à effets de serre

Contribution à l’effet de serre pour une proportion moyenne d’eau

– 18 °C

+ 15 °C

Sans atmosphère

Avec atmosphère

La puissance rayonnée par le Soleil et reçue par la Terre est « renvoyée » dans l’espace.

La puissance rayonnée par le Soleil et reçue par la Terre est en partie conservée grâce aux nuages et aux gaz à effet de serre.

Puissance rayonnée par le Soleil

Puissance « renvoyée » par la Terre

d. Température moyenne de la Terre avec et sans effet de serre

e. Interaction rayonnement-matière Le rayonnement électromagnétique interagit avec la matière. Ainsi, une espèce chimique peut absorber un rayonnement. Lorsque la longueur d’onde de ce rayonnement est dans le domaine du visible, cette espèce chimique apparaît colorée. De la même manière, le rayonnement IR peut être absorbé par la matière, mais comme notre œil n’est pas sensible au rayonnement IR, la matière nous apparaît incolore. Dans tous les cas, cette absorption de rayonnement s’accompagne d’une absorption d’énergie dont la conséquence est une élévation de la température de la matière absorbante.

CO2 26 %

Gaz à effet de serre 0,04 %

Principaux constituants de l’atmosphère

Comprendre l’effet de serre naturel

3

Schématiser les rayonnements relatifs à la Terre et à son atmosphère

a. Répartition (en quantité de matière) des différents gaz présents dans l’atmosphère sèche

Atmosphère

L’eau est le gaz à effet de serre le plus abondant. Sa proportion dans l’atmosphère n’est pas représentée car elle est très variable (de 1 à 5 %).

Gaz à effet de serre

COUPS DE POUCE

b. Des sources inattendues de méthane Classé dans le top trois des gaz à effet de serre, le méthane est peu présent dans notre atmosphère, mais son effet dans ce processus est 25 fois plus grand que celui du dioxyde de carbone, et sa concentration dans l’air a trois fois plus augmenté que celle du dioxyde de carbone. Actuellement une part importante de ce gaz est produite par les bactéries méthanogènes qui réalisent des fermentations. On retrouve ces microorganismes dans l’estomac des ruminants comme la vache, c’est pourquoi l’élevage mondial est aussi

Nuage

un producteur de gaz à effet de serre, tout comme les rizières où ces microorganismes méthanogènes prolifèrent. Les sols surchargés d’eau sont parmi les lieux de prolifération de ces microorganismes, et donc de production massive de méthane. C’est là un motif d’inquiétude pour de nombreux scientifiques car avec les modifications climatiques actuelles, la fonte des sols gelés du Grand Nord (permafrost) pourrait laisser la place à des marécages, grands producteurs de méthane.

Nuage

Océans et continents Rayonnement absorbé

Rayonnement réfléchi ou diffusé

Rayonnement émis

f. Trame du schéma

Visuel de départ et légendage proposés.

120

CHAPITRE 5   Le bilan radiatif terrestre 121

120

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19/06/2019 09:47

s problèmescientifiques  uels sont les gaz à effet de serre prédominants dans Q l’atmosphère ? C omment l’action des gaz à effet de serre dans l’atmosphère permet-elle une température clémente à la surface de la Terre ?

Mobilisation des acquis Vu en seconde : formules des molécules. Activités 1 et 2 : notions d’absorption, de diffusion de la puissance solaire sur Terre et d’albédo.

Les grandes idées à construire L ’effet de serre naturel est nécessaire à la vie sur Terre et c’est l’augmentation de cet effet de serre qui pose des problèmes climatologiques.

Les compétences travaillées Exploiter des documents. Schématiser une situation. Faire une communication scientifique à l’oral.

Les représentations de l’élève Il est quasi certain que les élèves aient une représentation catastrophiste de la signification de l’effet de serre et qu’ils ne sachent pas que l’effet de serre naturel existe. Ils ont l’habitude de lire dans les médias non scientifiques des textes traitant de l’effet de serre additionnel et non de l’effet de serre naturel.

82

Vous pouvez commencer par chercher quels sont les gaz qui sont responsables de l’effet de serre et leurs proportions dans l’atmosphère. Vous pouvez intégrer à votre présentation un schéma inspiré du doc. f et ceux de l’activité 1, permettant une vision claire des rayonnements absorbés, émis, diffusés ou réfléchis par les gaz à effet de serre de l’atmosphère. [➞ fiche méthode 4]

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L e but de cette activité est de faire comprendre aux élèves l’importance de l’effet de serre naturel et ses différences avec l’effet de serre additionnel dont l’étude sera approfondie en classe de terminale.

Ce que disent les documents 1 Les schémas du doc. a montrent les proportions des différents gaz de l’atmosphère ainsi qu’un zoom sur les gaz à effet de serre. L’objectif est que les élèves comprennent que dans une atmosphère sèche, le dioxyde de carbone est le gaz largement prépondérant alors que dans une atmosphère d’humidité moyenne, l’eau est l’espèce principalement responsable de l’effet de serre. Le doc. b permet d’aborder la notion de gaz à effet de serre additionnel par l’intermédiaire de l’étude d’une autre molécule que le dioxyde de carbone : le méthane, dont la quantité augmente sur Terre. ? Des idées de questions : Dans une région à fort taux d’humidité, quel est le principal gaz à effet de serre ? Dans une région à très faible taux d’humidité, quel est le principal gaz à effet de serre ?

2 Le texte (doc. c) explique le processus de l’effet de serre naturel et en quoi son absence entraînerait une température à la surface de la Terre bien moins élevée que la température moyenne actuelle. Le schéma (doc. d) illustre ce phénomène. Il convient de bien faire comprendre aux élèves que ce n’est pas le rayonnement infrarouge émis par la Terre qui se réfléchit sur l’atmosphère mais bien le rayonnement émis par les gaz à effet de serre qui est envoyé en partie vers la Terre. Le doc. e permet de rappeler le lien déjà vu entre rayonnement absorbé et élévation de température du corps absorbant. ? Des idées de questions : Comment définir l’effet de serre ? Donner une définition de l’effet de serre tel que vous pensez le connaître.

3 Le doc. f est un schéma qui peut servir de support à la présentation demandée. Les élèves doivent placer les flèches aux bons endroits afin de représenter les phénomènes étudiés. Un exemple de schéma complété est donné dans la rubrique « correction de l’activité ». ? Idée de question : Les gaz à effet de serre sont-ils présents dans tout l’atmosphère ou seulement dans sa partie supérieure ?

Les

pour préparer votre séance

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ La lecture du doc. a doit permettre de dégager deux choses essentielles. Les gaz à effet de serre (autres que l’eau) ne représentent qu’une toute petite partie des gaz atmosphériques (0,04 %). Parmi ces gaz à effet de serre pour une atmosphère non sèche, les deux principaux sont l’eau et le dioxyde de carbone. L’effet de serre est donc plus important dans des zones humides comme au-dessus des océans. On peut ensuite réaliser un schéma comme celui ci-dessous à commenter à l’oral :

Il peut être pratique de distribuer aux élèves un schéma grand format tel que celui du doc. f pour les inviter à le compléter ou prévoir un fichier avec le schéma à compléter qu’ils pourront alors projeter à la classe lors de leur présentation.  n peut proposer aux élèves curieux en fin de séance de lire un O extrait d’article du site météo France et leur demander quelle est la distinction qu’il convient de faire entre effet de serre naturel et effet de serre additionnel.

CO2 + H2O

Gaz à effet de serre

Air Atmosphère Nuage

L’effet de serre naturel déséquilibré par les activités humaines Pour que la température du système Terre-atmosphère soit stable, il faut que le bilan énergétique au sommet de l’atmosphère et en surface soit nul. En 2009, Kevin Trenberth et ses collaborateurs ont proposé une estimation de ce bilan, en additionnant et soustrayant l’ensemble des échanges d’énergie estimés à partir d’observations et de modèles : le rayonnement solaire atteignant l’atmosphère, la part absorbée et réfléchie ou diffusée, le transfert thermique depuis la surface, etc. Au final, ils estiment que le bilan d’énergie au sommet de l’atmosphère et en surface est excédentaire de 0,9 (de 0,7 à 1) W·m–2 (énergie par mètre carré). Selon ces auteurs, ce surplus d’énergie, responsable d’un réchauffement du système Terre-atmosphère, proviendrait de l’effet de serre additionnel : celui qui est provoqué par un excédent de gaz à effet de serre libérés dans l’atmosphère par les activités humaines. D’après www.meteofrance.fr.

LE SAVIEZ-VOUS ?  ans l’effet de serre, la température à la surface de la Terre serait S trop faible pour y permettre la vie.

Océans et continents Rayonnement réfléchi ou diffusé

Rayonnement absorbé

Rayonnement émis

Les points sur lesquels l’élève doit insister à l’oral F aire le lien avec l’activité 1 pour rappeler que seule une petite partie de la puissance reçue en haut de l’atmosphère arrive sur la Terre. On peut rappeler à cette occasion la définition de l’albédo en commentant la partie gauche du schéma où sont visibles les différents endroits absorbant ou diffusant des rayonnements. L a partie droite du schéma fait appel à de nouvelles connaissances acquises au cours de la lecture des docs. a à e. L’élève doit insister sur le fait que les émissions de rayonnements par le sol et par les gaz à effet de serre se font simultanément. Il pourra éventuellement dire deux mots à propos de l’effet de serre additionnel en s’appuyant sur le doc. b.

Critères d’évaluation de l’oral de présentation Compétences disciplinaires

générales

A Choix du vocabulaire approprié : noms des espèces chimiques, « absorbé », « diffusé », « émis », « effet de serre naturel »… Explication rigoureuse de l’effet de serre. Présence d’un support visuel à projeter. Parole fluide. Ne lit pas trop ses notes.

B Le choix du vocabulaire est parfois imprécis.

C Le vocabulaire choisi n’est pas adapté.

Ou

L’explication de l’effet de serre est fausse.

L’explication de l’effet de serre manque de rigueur.

Les explications manquent un peu de clarté ou de fluidité.

Ou

La posture, le débit de parole, etc., ne sont pas adaptés à l’auditoire.

Regarde son auditoire.

THÈME 2 ● CHAPITRE 5 ● Le bilan radiatif terrestre

83

CHAPITRE 5 Livre de l’élève

La distinction entre météorologie et climatologie

IRE HISTO X ENJEU TS DÉBA

Vidéo

Les phénomènes qui se produisent dans notre atmosphère (les nuages, le vent, la pluie, la neige…) sont étudiés par la météorologie et la climatologie. Ces deux disciplines scientifiques analysent les mêmes objets et pourtant il ne faut pas les confondre.

Pourquoi est-il essentiel de savoir distinguer la météorologie de la climatologie ?

d. Tweet de Donald Trump le 29 décembre 2017

Traduction : « Dans l’Est [des États-Unis], cela pourrait être la veille du jour de l’an LA PLUS FROIDE jamais enregistrée. Peut-être qu’on pourrait utiliser un peu de ce bon vieux réchauffement climatique pour lequel notre pays, mais aucun autre pays, s’apprêtait à payer DES MILLIARDS DE DOLLARS afin de s’en protéger. Couvrez-vous ! »

a. Météorologie Girouette (mesure de la direction du vent)

Moyennes réalisées entre 1981 et 2010

Mois Température minimale moyenne (°C)

Janv.

Fév.

Mars

Avril

Mai

Juin

Juil.

Août

Sept.

Oct.

Nov.

–2,8

–1,7

1,8

7,1

12,2

17,6

20,5

19,9

16

10

5,3

0

0,5

2

6

11,8

17,1

22,1

24,9

24,2

20,2

14

8,9

3,2

Température moyenne (°C)

Pour prévoir le temps qu’il fera dans les prochains jours, les météorologues utilisent des simulations informatiques, appelées « modèles de prévision numérique du temps ». Ces modèles utilisent comme données les paramètres météorologiques dont ils prévoient l’évolution selon les lois de la physique. Ces prévisions météorologiques ne sont fiables que sur des durées de quelques jours. C’est pour cette raison que les bulletins météo sont journaliers.

Lorsque les climatologues décrivent les variations du climat dans le passé ou prévoient le réchauffement climatique futur, ils parlent de l’évolution de ces normales climatiques au cours du temps.

22

16,7

29,4

28,6

24,2

18,1

225,6

256,6

157,3

268,2

268,2

219,3

211,2

151

139

110,7

114

106,6

112

116,8

112,8

108,7

111,8

102,1

101,6

Nombre de jours avec précipitations

10,4

9,2

10,9

11,5

11,1

11,2

10,4

9,5

8,7

8,9

9,6

10,6

Température (en ° C)

16,7

212,5

78,5

2

Température maximale

0

Température minimale

–4

A-Z

–6 – 10 – 12 – 14

VOCABULAIRE

18 1/ 20 07 18 /0 1/ 20 18

18

18

20

06

/0

1/ /0

05

18

20

20

1/

20

1/

/0

/0 03

04

17

18 20

1/ /0

02

17

20

1/ /0

20

2/

2/

/1 31

01

17

17

17

20

20 30

2/

29 /1

17

20

2/ /1

20

2/

28

/1

27 /1

2/

17

– 16

Date

g. Relevé météorologique à New York

entre le 25 décembre 2017 et le 7 janvier 2018

En équipes Équipe 1 Présentez, à l’aide d’un schéma ou d’une carte mentale, comment le météorologue décrit et prévoit le temps et comment le climatologue caractérise le climat d’une région.

!

Équipe 2 Déterminez si New York a réellement connu un épisode de vague de froid entre décembre 2017 et janvier 2018.

122

En commun Expliquez pourquoi, dans son tweet du 29 décembre 2017, Donald Trump a tort d’ironiser au sujet de la température du Nouvel an.

CHAPITRE 5   Le bilan radiatif terrestre 123

19/06/2019 09:47

s problèmescientifiques Comment identifier un épisode de vague de froid ? C omment argumenter avec ceux qui contestent le réchauffement climatique en utilisant comme argument les épisodes de vague de froid ?

Mobilisation des acquis

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19/06/2019 09:47

Ce que disent les documents a La photographie de la station météorologique montre les différents appareils de mesure des paramètres météorologiques (girouette, anémomètre, pluviomètre, thermomètre, etc.). En météorologie, pour décrire le temps qu’il fait à un instant t, on utilise les stations météorologiques et les satellites qui, à l’aide d’appareils de mesure, enregistrent les différents paramètres météorologiques indispensables pour décrire le temps qu’il fait.

 u en cycle 3 (Sciences et technologie) : phénomènes météorologiques V et climatiques, évènements extrêmes.

? Idée de question : Comment la météorologie décrit-elle le temps qu’il fait à un instant t ?

Vu en cycle 4 (SVT) : explications de quelques phénomènes météorologiques et climatiques, de la différence entre météo et climat, des grandes zones climatiques de la Terre et des changements climatiques.

Ressources numériques : données enregistrées par des stations météorologiques disponibles sur le site : www.meteoalecole.org.

Les grandes idées à construire E n météorologie, on décrit le temps qu’il fait à un instant donné et on prévoit le temps qu’il fera dans les prochains jours. E n climatologie, on définit les climats avec la moyenne des paramètres météorologiques mesurés sur des périodes de 30 ans, on décrit l’évolution des climats dans le passé et on projette l’évolution des climats dans le futur.

Les compétences travaillées E xtraire et organiser des informations. Concevoir une stratégie de résolution. Coopérer et collaborer. Communiquer. Distinguer une croyance ou une opinion d’un savoir scientifique. Utiliser des logiciels d’acquisition et de traitement de données.

84

6,6

En météorologie, on parle de vague de froid lorsque pendant plus de deux jours consécutifs les températures mesurées sont inférieures aux normales saisonnières de la zone géographique concernée.

–8

122

09172919_112-133_C05.indd 122

12,6

–2

20

La climatologie s’intéresse aux moyennes des paramètres météorologiques sur de longues durées. Pour caractériser le climat d’une zone géographique, le climatologue établit des normales climatiques en calculant la moyenne mensuelle des paramètres météorologiques sur des périodes de 30 ans.

10,3

163,1

92,7

2/

Caractériser un climat c. et décrire son évolution.

5,8

162,7

/1

Climatologie

3,9

Ensoleillement (heures)

25

b. Bulletin de prévision météorologique

Déc.

Précipitations (mm)

26

En météorologie, pour décrire le « temps qu’il fait », les stations et les satellites mesurent en continu les paramètres météorologiques (température, pression atmosphérique, précipitations, direction et vitesse du vent, etc.).

Température maximale moyenne (°C)

/1

Pluviomètre (mesure de la quantité de précipitations, de pluie)

Station météo (à gauche) et vue d’artiste d’un satellite météo en orbite autour de la Terre (à droite)

Vidéo du mercredi 27 décembre 2017.

f. Normales climatiques de la ville de New York

Anémomètre (mesure de la vitesse du vent)

Abri météorologique contenant le thermomètre (mesure de la température de l’air)

e. Vague de froid polaire en Amérique du Nord

b En météorologie, en plus de décrire le temps qu’il fait à un instant t, on prévoit le temps qu’il fera dans les prochains jours. Pour cela, des modèles de PNT (prévision numérique du temps) simulent l’évolution des paramètres météorologiques dans un futur proche en utilisant les mesures réalisées par les stations météorologiques et les satellites ainsi que les équations des lois de la physique. ? Idée de question : Comment la météorologie prévoit-elle le temps qu’il fera dans les prochains jours ?

c La climatologie utilise les moyennes des paramètres météorologiques enregistrés par les stations et les satellites sur de longues périodes de temps (30 ans en général). Elle permet ainsi de caractériser les climats des différentes régions sur Terre. En plus de décrire les climats, la climatologie s’intéresse aux variations du climat dans le passé et à l’évolution du climat dans le futur. Les normales saisonnières d’une région correspondent aux moyennes des paramètres météorologiques de cette région sur des périodes

de 30 ans. Les normales saisonnières sont couramment utilisées pour caractériser les climats. ? Des idées de questions : Comment les climatologues caractérisent-ils les climats ? Qu’est-ce qu’une normale saisonnière ? En quoi la climatologie consiste-t-elle ?

 our cette activité on peut envisager un travail mobilisant les outils P numériques comme le logiciel tableur. En fournissant aux élèves les différentes données (normales climatiques, relevé météorologique de la ville de New-York lors de l’hiver 2017-2018), les élèves pourront traiter les données et passer d’un langage à un autre en produisant ce type de graphique :

Ressources numériques : Normales saisonnières des différentes régions en France disponibles sur le site : www.meteofrance.com/climat/france.

Température maximale normale Température minimale normale Température maximale mesurée Température minimale mesurée

10 8 6

? Idée de question : La ville de New-York a-t-elle connu un épisode de vague de froid lors de l’hiver 2017-2018 ?

Ressources numériques : Tableur avec le relevé météorologique de New-York entre le 25 décembre 2017 et le 7 janvier 2018 (disponible sur le site compagnon). Normales saisonnières de New-York : fr.wikipedia.org/wiki/Climat_de_New_York.

– 10 – 12 – 14 20 27 17 /1 2/ 20 28 17 /1 2/ 20 29 17 /1 2/ 20 30 17 /1 2/ 20 31 17 /1 2/ 20 01 17 /0 1/ 20 02 18 /0 1/ 20 03 18 /0 1/ 20 04 18 /0 1/ 20 05 18 /0 1/ 20 06 18 /0 1/ 20 07 18 /0 1/ 20 18

20 17

– 16 /1 2/

présente l’épisode de vague de froid que connut l’Est américain lors de l’hiver 2017-2018. L’encart de vocabulaire donne la définition météorologique d’une vague de froid. Il s’agit d’une période de plus de deux jours consécutifs lors de laquelle les températures sont inférieures aux normales saisonnières. Le doc. f présente les normales saisonnières de la ville de NewYork. On remarque qu’en décembre la normale pour la température minimale est de 0 °C et de 6,6 °C pour la température maximale ; en janvier la normale pour la température minimale est de –2,8 °C et de 3,9 °C pour la température maximale. Le doc. g présente le relevé de température pour la ville de NewYork entre le 25 décembre 2017 et le 7 janvier 2018. On remarque que du 25 au 31 décembre 2017, les températures minimales et maximales sont toujours inférieures aux normales saisonnières. Du 1er au 7 janvier 2018, les températures minimales et maximales sont également inférieures aux normales saisonnières. On observe donc, entre le 25 décembre 2017 et le 7 janvier 2018, 14 jours consécutifs lors desquels les températures sont inférieures aux normales saisonnières. Il y a bien eu une vague de froid à NewYork lors de l’hiver 2017-2018.

–6 –8

26

e , f et g La vidéo du doc. e est un reportage télévisuel qui

–2 –4

/1 2/

? Des idées de questions : En quoi le tweet de Donald Trump permet-il de comprendre que cet homme politique est un climatosceptique ? Quel argument Donald Trump utilise-t-il pour ironiser sur le réchauffement climatique ? En quoi l’argument de Donald Trump peut-il être considéré comme non scientifique ?

2 0

25

d Dans son tweet, Donald Trump évoque la vague de froid qui a touché l’est des États-Unis lors de l’hiver 2017-2018 pour ironiser sur le réchauffement climatique.

Température (en ° C)

4

Date

LE SAVIEZ-VOUS ?  cause du réchauffement climatique, les glaces de l’Arctique À fondent en très grande quantité et les océans se réchauffent. La différence de température entre le pôle Nord et les tropiques diminue considérablement. La puissance des vents circulaires polaires est affaiblie. Les masses d’air froid ne sont plus retenues au pôle Nord et s’engouffrent vers les régions des moyennes latitudes (Europe, États-Unis) qui subissent alors des vagues de froid.

Les parcours possibles PARCOURS 1 Débutant 1 Indiquer les normales saisonnières de New-York en termes de température minimale et maximale pour les mois de décembre et de janvier. 2 À l’aide de la réponse précédente, de la définition de vague de froid et du relevé météorologique de New-York entre le 25 décembre 2017 et le 7 janvier 2018, indiquer, en justifiant la réponse, si New-York a connu une vague de froid lors de l’hiver 2017-2018. 3 Indiquer l’argument utilisé par Donald Trump pour ironiser sur le réchauffement climatique. 4 Identifier la différence entre météorologie et climatologie. 5 Expliquer pourquoi dans son tweet du 29 décembre 2017, Donald Trump a tort d’ironiser au sujet de température du Nouvel an.

PARCOURS 2 Classe en puzzle

Les

pour préparer votre séance

L e travail sur la distinction scientifique de la météorologie et de la climatologie permet aux élèves de comprendre en quoi le discours de Donald Trump est orienté et peut être considéré comme manipulatoire. Grâce à ce travail, l’élève appréhende l’importance de la connaissance scientifique pour distinguer ce qui est du domaine scientifique de ce qui est du domaine politique et exercer un esprit critique. E xemple de réponse possible pour expliquer pourquoi Donald Trump a tort d’ironiser au sujet de la température du Nouvel an : Donald Trump a tort. Il parle de la température très froide du Nouvel an (température d’une journée) et la compare au réchauffement climatique. Or, le réchauffement climatique concerne le climat, alors que la température d’une journée concerne la météo. Pour parler de climat, on ne peut pas utiliser la température d’une journée, il faut utiliser la moyenne des températures mesurées pendant 30 ans. On ne peut donc pas réfuter le réchauffement climatique avec la météo d’une période courte.

1 Diviser la classe en deux pour créer des groupes d’« experts », qui réaliseront soit le travail « Équipe 1 », soit « Équipe 2 ». 2 Mélanger ensuite les élèves des groupes « experts » pour constituer des groupes « apprentissage » qui utiliseront les informations trouvées de leur côté pour répondre ensemble à la consigne « En commun » du manuel.

PARCOURS 3 Tâche complexe Après avoir démontré si une vague de froid s’est réellement produite à New-York lors de l’hiver 2017-2018, expliquer en quoi Donald Trump a tort d’ironiser au sujet de la température du Nouvel an.

PARCOURS 4 Traitement de données et outils numériques 1 À l’aide des différentes données, construire un graphique permettant de mettre en évidence la vague de froid qui a touché New-York lors de l’hiver 2017-2018. 2 Expliquer pourquoi dans son tweet du 29 décembre 2017, Donald Trump a tort d’ironiser au sujet de la température du Nouvel an.

THÈME 2 ● CHAPITRE 5 ● Le bilan radiatif terrestre

85

CHAPITRE 5

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

4

2

Température moyenne d’équilibre du sol La Terre gagne de l’énergie grâce aux rayonnements solaires qu’elle reçoit et perd de l’énergie en émettant des rayonnements infrarouges. OBJECTIF Expliquer comment la température moyenne à la surface du globe peut rester constante à l’échelle du siècle.

270 Température (en kelvin)

1

Température moyenne terrestre en fonction de l’albédo

Puissances par unité de surface absorbées et émises par la surface de la Terre

c. Résultat de la modélisation

de la température moyenne de la surface terrestre en fonction de l’albédo

250 230

Des modèles physiques permettent de calculer quelle serait la température à la surface de la Terre en l’absence d’effet de serre, si l’albédo terrestre devait être modifié.

210 190 170

Rayonnement solaire en haut de l’atmosphère 342 W•m–2

150

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

Albédo

A-Z

Atmosphère Rayonnement infrarouge émis par l’atmosphère 519 W•m–2

Rayonnement solaire absorbé par l’atmosphère, les continents, les océans 235 W•m–2

3

VOCABULAIRE

Anthropique : se dit d’un phénomène résultant de l’intervention humaine.

Température moyenne et effet de serre additionnel Vidéo

d. Impact des activités humaines Rayonnement absorbé par la surface 168 W•m–2

Rayonnement absorbé par l’atmosphère 67 W•m–2

Rayonnement infrarouge absorbé par la surface 324 W•m–2

MÉTHODE Pour faire un bilan de puissance, il faut déterminer les différentes puissances reçues par un corps et les différentes puissances émises par ce corps. [➞ fiche méthode 13]

Eau

a. Différents phénomènes conduisant à des absorptions par le sol et l’atmosphère terrestre

Les grandeurs présentées sont des puissances par unité de surface.

Les concentrations accrues de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, du fait des activités humaines, renforcent l’effet de serre naturel et entraînent par conséquent une augmentation de la température moyenne de la Terre et donc un changement climatique global. Ce phénomène est appelé « effet de serre additionnel ». D’après www.climatechallenge.be.

e. Amplification de l’effet de serre : une cause anthropique ?

Atmosphère

PARCOURS 1 oral Rayonnement infrarouge émis par la surface 390 W•m–2

Cycle de l’eau (évaporation) 78 W•m–2

1 Faire la somme des puissances par unité de surface reçues par le sol et les océans à la surface de la Terre en montrant que les contributions des différentes sources sont du même ordre de grandeur. 2 En partageant votre réponse précédente avec le groupe qui suit le parcours 2, expliquer pourquoi il s’établit un équilibre dynamique pour lequel la température moyenne temporelle du sol est constante. 3 Préparer une présentation orale pour montrer comment évolue la température moyenne à la surface de la Terre en fonction de l’albédo terrestre. [➞ fiche méthode 5]

Chauffage des masses d’air 24 W•m–2

Eau

b. Différents phénomènes conduisant à des pertes par le sol Les grandeurs présentées sont des puissances par unité de surface.

PARCOURS 2

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s problèmescientifiques C omment, à partir de toutes les puissances reçues et toutes les puissances perdues par la Terre, peut-on établir un bilan de puissance ? C omment relier ce bilan de puissance à l’équilibre dynamique de température au niveau du sol terrestre ?

Mobilisation des acquis  ctivités précédentes : notions d’albédo terrestre moyen et d’effet de A serre.

Les grandes idées à construire L ’équilibre dynamique de la température terrestre peut se comprendre avec un premier modèle simple qui tient compte des puissances émises et reçues par la Terre.

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L e but de cette activité est d’apprendre à faire un bilan de puissance sur un système bien défini, ici le sol et les océans, en identifiant les différentes puissances absorbées et les différentes puissances perdues.

Ce que disent les documents 1 Le schéma du doc. a permet de faire le bilan chiffré des puissances par unité de surface absorbées par la surface terrestre et qui proviennent de deux contributions : le rayonnement solaire et le rayonnement infrarouge émis par les gaz à effet de serre. Le schéma du doc. b permet de faire le bilan chiffré de toutes les puissances surfaciques perdues par la surface terrestre. ? Des idées de questions : Que deviennent les rayonnements solaires reçus au sommet de l’atmosphère ? Quelles sont les causes des puissances perdues au niveau du sol et des océans ?

Exploiter des schémas.

2 La courbe de la température en fonction de l’albédo (doc. c) est une fonction décroissante. Plus l’albédo est élevé et plus la température à la surface de la Terre diminue. Cette courbe permet donc de montrer comment serait modifiée la température à la surface de le Terre si l’albédo terrestre changeait.

Réaliser des calculs simples.

?

Les compétences travaillées

Faire une communication scientifique à l’oral.

Les représentations de l’élève Il n’est pas intuitif pour les élèves de penser que les puissances perdues par le sol et les océans sont identiques aux puissances reçues.

86

oral

1 Faire la somme des puissances par unité de surface perdues par le sol et les océans à la surface de la Terre en montrant que la contribution due au rayonnement est la plus grande. 2 En partageant votre réponse précédente avec le groupe qui suit le parcours 1, expliquer pourquoi il s’établit un équilibre dynamique pour lequel la température moyenne temporelle du sol est constante. 3 Préparer une présentation orale pour montrer comment évolue la température moyenne à la surface de la Terre avec l’augmentation des gaz à effet de serre dans l’atmosphère. [➞ fiche méthode 5]

Idée de question : Comment l’albédo terrestre peut-il se modifier ?

3 Les docs. d et e permettent une ouverture vers ce qui sera fait en terminale et qui consiste en la prise en compte de l’effet de serre additionnel dû aux activités humaines. ? Idée de question : Quelle est la différence entre l’effet de serre naturel et l’effet de serre additionnel ?

Les

pour préparer votre séance

 rganiser à l’avance les groupes faisant les parcours 1 et 2 de façon O à favoriser la communication entre les groupes.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ Parcours 1

Pour chaque proposition, choisir la réponse exacte :

1. D’après le doc. a, la totalité des puissances reçues est reçue = 168 + 324 = 492 W·m–2. Ces deux puissances sont du même ordre de grandeur c’est-à-dire de l’ordre de 102 W·m–2.

1. Pour faire un bilan de puissance sur un système, il faut : a. additionner les puissances reçues et les puissances perdues ; b. soustraire les puissances perdues aux puissances reçues ; c. soustraire les puissances reçues aux puissances perdues.

2. Le groupe ayant fait le parcours 2 trouve une puissance perdue perdue = 492 W·m–2. Les puissances reçue et perdue étant identiques, la température moyenne du sol et des océans ne varie pas, elle reste constante.

2. Si l’albédo terrestre augmentait, la température du sol et des océans : a. resterait la même qu’actuellement ; b. diminuerait ; c. augmenterait.

3. La courbe du doc. c montre que plus l’albédo est faible, plus la température terrestre est élevée. En effet, moins la Terre comportera de zone réfléchissant et diffusant les rayonnements reçus, plus elle absorbera de rayonnements et plus elle se réchauffera.

 roposer un QCM de bonne compréhension de l’activité à la fin de P celle-ci. En voici un exemple.

3. Le bilan de puissance moyen pour la surface de la Terre : a. est nul et la température globale moyenne est constante ; b. est négatif et la température globale moyenne diminue ; c. est positif et la température globale moyenne augmente. 4. L’augmentation des concentrations en gaz à effet de serre dans l’atmosphère : a. augmente l’effet de serre naturel ; b. ne change rien à l’effet de serre naturel ; c. diminue l’effet de serre naturel.

Parcours 2 1. D’après le doc. b, la totalité des puissances perdues est perdue = 390 + 78 + 24 = 492 W·m–2. 2. Le groupe ayant fait le parcours 1 trouve une puissance reçue reçue = 492 W·m–2. Les puissances reçue et perdue étant identiques, la température moyenne du sol et des océans ne varie pas, elle reste constante. 3. Les gaz à effet de serre servent naturellement à émettre des rayonnements infrarouges qui sont envoyés vers le sol et les océans et les réchauffent. Si la concentration des gaz à effet de serre augmente dans l’atmosphère, la quantité de rayonnements infrarouges émis vers le sol et les océans va augmenter et provoquer une augmentation de la température du sol et des eaux.

Indicateurs de réussite On peut choisir les indicateurs de réussite de la présentation orale en axant par exemple l’évaluation (par le professeur ou par les autres élèves) sur : la clarté de l’explication ; la bonne utilisation du vocabulaire scientifique ; l’utilisation d’un support (schéma, image) pour illustrer l’explication.

THÈME 2 ● CHAPITRE 5 ● Le bilan radiatif terrestre

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CHAPITRE 5 Livre de l’élève SYNTHÈSE Le bilan radiatif terrestre

SYNTHÈSE

MÉMO

SCHÉMA

Podcast Texte DYS

Bilan animé

ALBÉDO TERRESTRE Le Soleil émet des rayonnements qui se répartissent autour de lui de façon isotrope. Seule une faible proportion du rayonnement émis par le Soleil atteint la Terre et son atmosphère. La proportion de la puissance totale qui atteint la Terre est déterminée par le rayon de la Terre et par la distance entre le Soleil et la Terre. Une fraction de cette puissance, quantifiée par l’albédo terrestre moyen, est réfléchie et diffusée par la Terre vers l’espace, le reste est absorbé par l’atmosphère, les continents et les océans : Rayonnement incident

Rayonnement réfléchi

α

α Rayonnement diffusé

Rayonnement absorbé

➞ activité 1

EFFET DE SERRE L’effet de serre est un phénomène naturel dû à la présence de différents gaz dans l’atmosphère terrestre. Il est nécessaire à la vie sur Terre telle que nous la connaissons. Remarque. Sans l’effet de serre naturel, la température moyenne à la surface de la Terre serait de – 18 °C au lieu des 15 °C actuels. ➞ activité 3 Le sol émet un rayonnement électromagnétique dans le domaine infrarouge (longueur d’onde voisine de 10 μm) et dont la puissance par unité de surface augmente avec la température. ➞ activité 2 Une partie de cette puissance est absorbée par l’atmosphère, qui ellemême émet un rayonnement infrarouge vers le sol et vers l’espace (effet de serre). ➞ activité 3

ÉQUILIBRE DYNAMIQUE Pour comprendre comment évolue la température à la surface de la Terre, il faut faire un bilan de puissances, c’est-à-dire analyser toutes les puissances reçues et toutes les puissances émises par la surface.

A-Z

MOTS CLÉS

Albédo : pouvoir diffusant et réfléchissant d’une surface. C’est le quotient de la puissance lumineuse diffusée et réfléchie par la puissance lumineuse reçue. L’albédo terrestre moyen est A = 0,3. Réfléchi : un rayonnement électromagnétique est réfléchi lorsqu’il est renvoyé dans une direction privilégiée après une interaction avec la surface qui le reçoit. Diffusé : un rayonnement électromagnétique est diffusé lorsqu’après une interaction avec la surface qui le reçoit, il est émis dans diverses directions. Absorbé : lorsqu’un rayonnement électromagnétique est absorbé, il y a un transfert d’énergie entre le rayonnement et la matière qui reçoit ce rayonnement. Infrarouge : un rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique de longueur d’onde dans le vide comprise entre 700 nm et 1 mm environ. Effet de serre : phénomène selon lequel des gaz présents dans l’atmosphère, et qui reçoivent des rayonnements, émettent à leur tour des rayonnements infrarouges notamment vers le sol permettant ainsi son élévation de température. Équilibre dynamique : la puissance moyenne reçue par le sol et les océans est égale à la puissance moyenne perdue par le sol et les océans.

La puissance reçue par le sol en un lieu donné est égale à la somme de la puissance reçue du Soleil et de celle reçue de l’atmosphère. Ces deux dernières sont du même ordre de grandeur. Un équilibre, qualifié de dynamique, est atteint lorsque le sol reçoit au total une puissance moyenne égale à celle qu’il émet. La température moyenne du sol est alors constante. ➞ activité 4

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SYNTHÈSE  n s’intéresse dans un premier temps à la partie gauche du O schéma bilan où l’on voit la Terre dans sa globalité et la partie du rayonnement solaire qu’elle reçoit par les rayons parallèles entre eux qui proviennent du Soleil. On peut rappeler ce qui a été vu dans l’activité 1 et qui montre que la puissance par unité de surface reçue en haut de l’atmosphère terrestre dépend de la distance entre le Soleil et la Terre mais aussi du rayon de la Terre. L e schéma présente ensuite les échanges sur une petite partie de la surface de la Terre (sol et océans) entre son atmosphère, les gaz qu’elle contient, les nuages et les gaz à effet de serre ainsi que le sol et les océans.  n observe enfin le devenir des rayonnements reçus à l’entrée de O l’atmosphère en termes d’absorption, de réflexion et de diffusion par les gaz de l’atmosphère, les nuages, le sol et les océans, représentés par des faisceaux de rayons parallèles. C’est l’occasion de revenir sur la signification de l’albédo terrestre.  n s’intéresse dans un deuxième temps à la partie droite du schéma. O La Terre, corps chauffé, émet des rayonnements infrarouges dont une partie est absorbée par les gaz à effet de serre tandis que l’autre partie sort de l’atmosphère.  n montre également que les gaz à effet de serre émettent un O rayonnement vers la Terre.  n insiste enfin sur le fait que tout ceci se produit simultanément O et non pas dans un ordre chronologique tel que présenté dans l’explication.

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CORRIGÉS DES EXERCICES

POUR S’ENTRAÎNER La puissance reçue sur la sphère de rayon dM – S est : S, reçue =

rayonnée . 4πd2M – S

La puissance totale reçue par Mars est donc : reçue = S, reçue × S où S est l’aire du disque de rayon RM.    reçue = rayonnée × S = rayonnée × πR2M = rayonnée × R2M. 4πd2M – S 4πd2M – S 4d2M – S AN : reçue =

3,84 × 1026 W × (3,40 × 106 m)2 = 2,13 × 1016 W. 4 × (228 × 109 m)2

RÉPONSES DU QUIZ 1.b / 2.c / 3.a / 4.b / 5.b / 6.a / 7.b / 8.c / 9.a / 10.a

Livre de l’élève MÉTHODE Calculer la puissance solaire reçue par la Terre

Vérifier ses connaissances EXERCICES

QUIZ Énoncé

1

La Terre reçoit une partie des rayonnements émis par le Soleil. La puissance des rayonnements solaires reçus sur Terre dépend de la distance Terre-Soleil et du rayon de la Terre.

2

2. Calculer 3s, reçue. Données : 3rayonnée = 3,84 × 1026 W ; dT – S = 150 × 109 m

3

Application

À l’aide du schéma donné dans l’énoncé, établir que la puissance reçue par la surface de la Terre de la part du Soleil est égale à celle reçue par un disque dont le rayon est celui de la Terre. La puissance reçue 3reçue par une surface d’aire S est égale à la puissance reçue par unité de surface multipliée par l’aire S : 3reçue = 3s, reçue × S avec S = π × RT2 ÉTAPE 2  Pour faire l’application numérique, les deux distances (RT et dT – S) doivent être exprimées dans la même unité. Il est possible de s’aider en mettant les unités dans les calculs. L’unité est obligatoire dans le résultat final.

S

dT–S

T

4

Orbite terrestre

3 × πRT2 3reçue = rayonnée2 4πdT – S

5

3,84 × 1026 W × (6,38 × 106 m)2 4 × (150 × 109 m)2

a totalement renvoyé dans l’espace b en partie absorbé par l’atmosphère c totalement absorbé par l’atmosphère

a vers l’espace seulement b vers la Terre seulement c vers l’espace et vers la Terre

9

La puissance reçue par le sol en un lieu donné est égale à : a la somme de la puissance reçue du Soleil et de celle reçue de l’atmosphère b la différence de la puissance reçue du Soleil et de celle reçue de l’atmosphère c la puissance reçue du Soleil

L’étiquette centrale doit s’intituler

Sol et océans Associer à l’étiquette centrale, par le moyen graphique de votre choix, 5 ou 6 étiquettes de votre initiative avec par exemple :

Albédo Effet de serre Rayonnement solaire

Lorsque le sol reçoit au total une puissance moyenne égale à celle qu’il émet, il s’établit au sol : a une température moyenne constante b une température moyenne qui augmente c une température moyenne qui diminue

Les rayonnements émis par la Terre ont une longueur d’onde de l’ordre de :

sur le thème « bilan radiatif terrestre ».

Exprimer la puissance solaire reçue par Mars en fonction de sa distance au Soleil, de son rayon et de 3rayonnée la puissance rayonnée par le Soleil. Calculer la puissance solaire reçue par Mars.

L’atmosphère émet un rayonnement infrarouge :

10

128

1

Bilan radiatif terrestre

Le bilan radiatif de la Terre quantifie la puissance reçue et perdue au niveau de l’atmosphère, du sol et des océans. Lorsque le bilan est nul, c’est-à-dire lorsque la puissance totale reçue est égale à la puissance totale émise, il s’établit un équilibre dynamique.  Pourquoi la totalité de la puissance solaire disponible au-dessus de l’atmosphère n’est-elle pas disponible au niveau du sol et des océans ?  D’où proviennent les deux principaux apports de puissance au niveau du sol et des océans ?  Sous quelle forme la puissance est-elle principalement perdue au niveau du sol et des océans ?  Quelle est la conséquence pour la température de l’équilibre dynamique qui s’établit ? CHAPITRE 5   Le bilan radiatif terrestre 129

129

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Rayonnement solaire

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1

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE Albédo

Sol et océans

Rayonnement infrarouge

a augmente b reste constante c diminue

Les rayonnements émis par la Terre appartiennent au domaine :

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE

3reçue = 1,74 × 1017 W

Pour s’entraîner Observée depuis l’Antiquité, Mars est souvent désignée sous le nom de « planète rouge » en raison de sa teinte caractéristique, aisément perceptible à l’œil nu. La planète Mars est située à la distance moyenne dM – S = 228 × 109 m du Soleil. Son rayon est RM = 3,40 × 106 m. La puissance moyenne rayonnée par le Soleil est 3rayonnée = 3,84 × 1026 W.

Le rayonnement émis par la Terre est :

a 10 mm  b 10 µm  c 10 nm

3 × RT2 3reçue = rayonnée 4dT2 – S 3reçue =

7

L’albédo d’une surface est :

a du visible b des infrarouges c des ultraviolets

3 3s, reçue = rayonnée 4πdT2 – S

Lorsque la température du sol augmente, la puissance du rayonnement infrarouge émis :

8

a le quotient de la puissance diffusée et réfléchie par la puissance reçue par la surface b le quotient de la puissance absorbée par la puissance reçue par la surface c le quotient de la puissance diffusée et réfléchie par la puissance absorbée par la surface

ÉTAPE 1  Faire un schéma à la règle et au compas de la sphère de rayon dT – S et y faire figurer le Soleil et l’orbite de la Terre.

6

Si la Terre avait un rayon plus grand, elle recevrait une puissance solaire : a plus petite b identique c plus grande

RT = 6,38 × 106 m Aire d’un disque de rayon R : S = π × R² Aire d’une sphère de rayon d : S’ = 4π × d²

La puissance reçue par unité de surface 3s, reçue sur la sphère de rayon dT – S est la puissance rayonnée par la totalité du Soleil, divisée par la surface S’ de la sphère. 3 3s, reçue = rayonnée S’

La puissance solaire reçue par la Terre : a est la totalité de la puissance rayonnée par le Soleil b dépend de la distance Terre-Soleil c est indépendante de la distance Terre-Soleil

1. En s’aidant d’un schéma à réaliser et du schéma ci-contre, exprimer la puissance solaire par unité de surface 3s, reçue que reçoit la Terre en fonction de la distance Terre-Soleil dT – S, du rayon de la Terre RT et de la puissance rayonnée par le Soleil 3rayonnée.

Méthode

Parmi les affirmations suivantes, choisissez la réponse exacte.

Gaz à effet de serre

Indicateurs de réussite L es différentes étiquettes sont pertinentes et correctement positionnées : « sol et océans », « albédo », « rayonnement solaire », « rayonnement infrarouge » et « gaz à effet de serre ».

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Bilan radiatif terrestre

L a totalité de la puissance solaire reçue au-dessus de l’atmosphère n’est pas disponible au niveau du sol et des océans car une partie de cette puissance est réfléchie, diffusée et absorbée par l’atmosphère et les nuages. L es deux principaux apports de puissance au niveau du sol et des océans viennent des rayons envoyés par le Soleil et des rayonnements infrarouges émis par les gaz à effet de serre présents dans l’atmosphère. L a puissance perdue au niveau du sol et des océans est principalement perdue sous forme de rayonnements infrarouges émis. L ’équilibre dynamique vient du fait que la puissance émise par le sol et les océans est égale à la puissance qu’ils reçoivent. La température moyenne est donc constante.

Des liens sont visibles entre « sol et océans » et toutes les autres étiquettes. L’élève a placé un lien visible entre « rayonnement solaire » et « albédo ». L’élève a placé un lien visible entre « rayonnement infrarouge » et « gaz à effet de serre ».

THÈME 2 ● CHAPITRE 5 ● Le bilan radiatif terrestre

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CHAPITRE 5 Livre de l’élève EXERCICES Extraire des informations 2

Analyser des informations et raisonner EXERCICES 4 Puissance solaire absorbée par le sol terrestre

Rayonnements reçus et émis par la Terre

OBJECTIF Représenter sur un schéma les différents rayonnements reçus et émis par le sol.

Puissance par unité de surface 342 W•m–2

OBJECTIF L’albédo terrestre étant donné, déterminer la puissance totale reçue par le sol de la part du Soleil.

doc. Une explication de l’effet de serre L’atmosphère, les océans et la surface des continents absorbent des rayonnements solaires (courtes longueurs d’onde : 0,2 à 4 micromètres). Cela a pour effet d’augmenter la température terrestre. Or, tout corps porté à une certaine température émet à son tour des rayonnements. La longueur d’onde de ces rayonnements dépend de la température de la surface émettrice. Ainsi, la Terre (surface et atmosphère) émet un rayonnement de longueurs d’onde entre 5 et 100 micromètres. Les gaz à effet de serre, présents naturellement dans l’atmosphère, absorbent une partie de ce rayonnement émis par la Terre. Ainsi chauffés, ces gaz émettent à leur tour des rayonnements, dont les longueurs d’onde sont proches de celles des rayonnements émis par la Terre, dans toutes les directions, y compris vers la surface de la Terre qui voit sa température augmenter.

 1. À l’aide du spectre en longueurs d’onde des rayonnements électromagnétiques, indiquer à quel domaine appartiennent les rayonnements cités dans le texte.  2. Réaliser un schéma représentant la surface de la Terre et son atmosphère et y faire figurer les différents rayonnements reçus et émis par la surface terrestre.

6 % 20 %

4%

100 % Air

Atmosphère

1. À l’aide du schéma ci-contre, indiquer les différents endroits qui diffusent et réfléchissent vers l’espace une partie du rayonnement solaire reçu à l’entrée de l’atmosphère. 2. Montrer que l’albédo terrestre est A = 0,3. 3. Calculer la puissance totale absorbée par l’atmosphère, les nuages et le sol.

Nuages

Terre

Océans et continents

doc. Devenir du rayonnement solaire

D’après www.eduscol.education.fr.

DONNÉES

5

Longueurs d’onde des rayonnements électromagnétiques :

Rayons X

1 pm

UV

IR

1 nm

1 µm Lumière visible

3

Micro-ondes 1 mm Longueur d’onde λ

Ondes radio 1m

1 km

Température moyenne de la surface terrestre

OBJECTIF Expliquer qualitativement l’influence des différents facteurs

(albédo, effet de serre) sur la température terrestre moyenne.

La valeur de la température moyenne à la surface de la Terre est obtenue en faisant la moyenne de la température sur toute la surface de la Terre (océans et continents, la surface de ces derniers étant ramenée au niveau de la mer), et ce, sur toute l’année.

15,40 Température (en °C)

15,30

1. Donner une estimation de la température moyenne à la surface de la Terre sur la période 1961-1990. 2. À l’aide de vos connaissances et du schéma ci-dessous, rédiger un paragraphe d’une dizaine de lignes permettant d’expliquer en quoi l’albédo terrestre et l’effet de serre naturel ont une influence sur la valeur moyenne de la température terrestre.

15,20

Opacité de l’atmosphère

Rayons γ

Opacité de l’atmosphère et longueur d’onde

OBJECTIF Commenter la courbe d’absorption de l’atmosphère terrestre en fonction de la longueur d’onde.

100 % 75 % 50 % 25 % 0%

0,1 nm 1 nm

10 nm 100 nm 1 µm

10 µm 100 µm 1 mm

1 cm

– 18 °C

DONNÉES

14,90

Longueurs d’onde des rayonnements électromagnétiques :

14,80

Puissance rayonnée par le Soleil

Puissance « renvoyée » par la Terre

Rayons γ

1965

1970

1975 Année

1980

1985

1990

Rayons X

1 pm

1 nm

UV

IR 1 µm

Lumière visible

chaque année de 1961 à 1990

130

Micro-ondes 1 mm Longueur d’onde λ

Ondes radio 1m

1 km

En s’aidant du spectre des ondes électromagnétiques, rédiger un paragraphe permettant de commenter la courbe d’opacité de l’atmosphère terrestre. Les mots suivants devront être utilisés : « longueur d’onde », « absorbé », « transmis », « opaque », « transparent ». CHAPITRE 5   Le bilan radiatif terrestre 131

130

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4 Puissance solaire absorbée par le sol terrestre

CORRIGÉS DES EXERCICES

Rayonnements reçus et émis par la Terre

1. L es rayonnements cités appartiennent au domaine infrarouge.

IR

Ra yo

t en em nn u z yo reç ga Ra IR les re ar ser is p de ém effet à

t en em nn u yo reç Ra re lai so

nn em en t ém is

Atmosphère

Océans et continents

Température moyenne de la surface terrestre

1. O  n peut estimer la valeur moyenne de température entre 1961 et 1990 à 15 °C. 2. L a température moyenne de la Terre (sol et océans) dépend de deux choses : la puissance totale reçue et la puissance totale émise par la Terre. La puissance totale reçue provient : – des rayons solaires qui traversent l’atmosphère et qui arrivent jusqu’au sol. Plus l’albédo est important, moins la puissance absorbée par le sol sera importante car les rayons en provenance du Soleil seront d’autant plus réfléchis et diffusés par l’atmosphère et les nuages ; – des rayonnements infrarouges émis par les gaz à effet de serre et qui sont absorbés par le sol. Si la puissance totale reçue est égale à la puissance totale émise, la température se stabilise.

90

1 km

doc. Opacité de l’atmosphère terrestre en fonction de la longueur d’onde

doc. Température moyenne à la surface de la Terre

3

10 m 100 m

du rayonnement qui cherche à traverser l’atmosphère

15,00

14,60 1960

2.

1m

Atmosphère

15,10

14,70

2

10 cm

Longueur d’onde λ

1. L’air de l’atmosphère, les nuages, le sol et les océans réfléchissent et diffusent vers l’espace une partie du rayonnement reçu à l’entrée de l’atmosphère. 2. L’albédo est le quotient de la puissance diffusée et réfléchie par la puissance reçue. Sur 100 % reçus, 6 % sont diffusés et réfléchis par les nuages, 20 % par l’air et 4 % par le sol soit un total de 30 %, c’est-à-dire un albédo de 0,3. 3. La puissance par unité de surface totale absorbée par le sol, les nuages et l’atmosphère est donc de 70 % de la puissance par unité de surface 70 reçue à l’entrée de l’atmosphère soit :  × 342 = 239,4 W·m–2. 100

5

Opacité de l’atmosphère et longueur d’onde

100 % d’opacité de l’atmosphère indique que le rayonnement ne peut pas traverser du tout l’atmosphère, qui est alors totalement opaque pour ce rayonnement. 0 % d’opacité indique que l’atmosphère est totalement transparente au rayonnement qui peut alors atteindre le sol. Les rayonnements de longueur d’onde inférieur à 400 nm sont totalement absorbés par l’atmosphère alors que les rayonnements visibles (de 400 nm à 750 nm) sont transmis presque en totalité. Les rayonnements infrarouges sont transmis ou absorbés différemment en fonction de leur longueur d’onde. Les micro-ondes et une partie des ondes radio sont totalement transmises par l’atmosphère.

6 Puissance solaire reçue sur Terre en fonction de la saison 1. a. La puissance reçue sur la sphère de rayon dmax, T – S est :  . S, reçue = rayonnée 4πd2max, T – S La puissance totale reçue par la Terre lorsqu’elle est à l’aphélie est donc : a = S, reçue × S où S est l’aire du disque de rayon RT.

Livre de l’élève EXERCICES

EXERCICES

Vers le BAC exercice guidé

exercice non guidé Vers le BAC

6 Puissance solaire reçue sur Terre en fonction de la saison

7 Puissances reçues – Puissances émises

OBJECTIFS Exploiter des documents – Effectuer des calculs.

OBJECTIFS Exploiter des documents – Effectuer des calculs.

La trajectoire de la Terre autour du Soleil est une ellipse.

a. Le bilan radiatif de la Terre

L’aphélie est le point pour lequel la Terre est la plus éloignée du Soleil. C’est alors le solstice d’été dans l’hémisphère nord et la distance Terre-Soleil vaut dmax, T – S = 152 102 000 km. Le périhélie est le point pour lequel la Terre est la plus proche du Soleil. C’est alors le solstice d’hiver dans l’hémisphère nord et la distance Terre-Soleil vaut dmin, T – S = 147 100 000 km. N

Le bilan radiatif de la Terre dresse la quantité d’énergie reçue par le système Terre-atmosphère et la quantité d’énergie réémise vers l’espace. Lorsque le bilan est nul, la température moyenne de la planète est stable. L’apport d’énergie provient principalement du Soleil. Le rayonnement solaire reçu par les couches les plus élevées de l’atmosphère est d’environ 342 W·m–2 en moyenne annuelle. L’albédo moyen du système Terre-atmosphère est de 30 %. C’est-à-dire que pour 100 W reçus au sommet de l’atmosphère, 70 W sont effectivement absorbés par la Terre ou l’atmosphère. Les 30 W diffusés par l’atmosphère, les nuages ou la surface de la Terre (océans, neige, etc.) le sont sans changement de longueur d’onde. Sur les 70 W absorbés : • 50 W sont absorbés par la Terre, dont les océans ; • 20 W sont absorbés directement dans l’atmosphère par les molécules contenues dans l’air et les nuages.

DONNÉES Le rayon de la Terre est RT = 6,38 × 106 m. La puissance moyenne rayonnée par le Soleil est 3rayonnée = 3,84 × 1026 W.

Équinoxe de printemps

s temp Prin

H iv

er

S N

N

Le Sol et les océans, chauffés, émettent un rayonnement dans le proche infrarouge, dont une grande partie est absorbée par les gaz à effet de serre. Cette énergie absorbée par les gaz à effet de serre est ensuite réémise aux longueurs d’ondes d’émission des molécules contenues dans l’air ou de l’eau, principalement aux alentours de 15 micromètres (infrarouge lointain). Or cette énergie est réémise dans toutes les directions, dans l’espace mais aussi vers la surface de la Terre. Ce phénomène de forçage est responsable de l’effet de serre. Le sol et les océans reçoivent en moyenne une puissance de 324 W·m–2 due à l’effet de serre. Sur une année, le bilan radiatif de la Terre est globalement nul, c’est-à-dire que la quantité d’énergie absorbée est égale à la quantité d’énergie réémise, si bien que la température moyenne est sensiblement constante. D’après www.techno-science.net.

Soleil

b. Le rayonnement S

S

Solstice d’été

N

o Aut

Été Équinoxe d’automne

e mn

Solstice d’hiver

S

doc. Trajectoire de la Terre autour du Soleil

Un rayonnement transporte une énergie. Plus la durée du rayonnement est longue, plus l’énergie transportée est grande. L’unité d’énergie du Système international est le joule (J).

1. a. Relever quelques contradictions dans le doc. a concernant l’utilisation des mots énergie et puissance. b. Réécrire en conséquence le deuxième paragraphe de ce texte en utilisant le vocabulaire scientifique approprié.

Afin de s’affranchir de la notion de durée, il est préférable d’utiliser la notion de puissance du rayonnement, définie comme l’énergie transportée par unité de temps.

2. À l’aide des données, calculer en W·m–2, la puissance par unité de surface du rayonnement effectivement absorbé par le sol et les océans. 3. Recopier et compléter le schéma suivant en faisant figurer par des flèches les différents rayonnements absorbés et diffusés dont il est question dans le doc. a. On indiquera sur chaque flèche la puissance par unité de surface moyenne en W·m–2 :

Ainsi, pour une énergie % constante transportée pendant une durée Δt, la puissance du rayonnement est % 3= Δt L’unité de puissance du Système international est le watt (W).

GUIDE D’EXPLOITATION 1. a. Exprimer la puissance solaire 3a reçue par la Terre lorsqu’elle se trouve à l’aphélie en fonction de la puissance moyenne rayonnée par le Soleil, de la distance Terre-Soleil et du rayon de la Terre. b. Calculer la puissance solaire alors reçue par la Terre.

Atmosphère

Le rayonnement électromagnétique du Soleil se répartit sur une grande surface. Afin de discuter de l’importance de ce rayonnement, la puissance par unité de surface 3s est une grandeur plus adaptée. Un rayonnement de puissance 3 arrivant sur une surface d’aire S et perpendiculaire à sa direction de propagation a une puissance par unité de surface 3 3s = S L’unité de puissance par unité de surface du Système international est le watt par mètre carré (W·m–2).

2. Répondre aux questions 1.a et 1.b lorsque la Terre est au périhélie pour exprimer la puissance 3p. 3. Déterminer en quel point la puissance reçue par la Terre est la plus grande. 4. Réaliser un schéma afin d’expliquer pourquoi la puissance solaire reçue en haut de l’atmosphère n’est pas absorbée en totalité par le sol et les océans. 5. D’après vos connaissances, déterminer si les rayonnements en provenance du Soleil sont les seuls à être absorbés par le sol et les océans. 6. D’après vos connaissances, expliquer pourquoi la température moyenne à la surface de la Terre est constante.

Nuages

Terre

132

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CHAPITRE 5   Le bilan radiatif terrestre 133

133

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rayonnée   × S = rayonnée × πR2T = rayonnée × R2T 4πd2max, T – S 4πd2max, T – S 4d2max, T – S 3,84 × 1026 W b. AN : a = × (6,3 × 106 m)2 4 × (152 102 000 × 103 m)2 17 = 1,69 × 10  W. a =

rayonnée . 4πd2min, T – S La puissance totale reçue par la Terre lorsqu’elle est au périhélie est donc : p = S, reçue × S où S est l’aire du disque de rayon RT.    p = rayonnée × S = rayonnée × πR2T = rayonnée × R2T 4πd2min, T – S 4πd2min, T – S 4d2min, T – S 3,84 × 1026 W b. AN : p = × (6,38 × 106 m)2 4 × (147 100 000 × 103 m)2 17 = 1,81 × 10  W.

2. a. Puissance reçue sur la sphère de rayon dmin, T – S : S, reçue =

3. Conformément à la logique, la puissance reçue est la plus grande lorsque la Terre est la plus proche du Soleil c’est-à-dire au périhélie. 4. Seule une partie de la puissance des rayonnements reçus en haut de l’atmosphère atteint le sol et les océans car une partie de ces rayonnements est absorbée, diffusée ou réfléchie. Ces informations peuvent être présentées sur un schéma comme celui p. 115 du manuel élève. Ici, les pourcentages ne sont pas attendus. 5. Le sol et les océans reçoivent une partie de la puissance solaire mais aussi des rayonnements infrarouges émis par les gaz à effet de serre. 6. La température moyenne à la surface de la Terre est constante car la Terre reçoit globalement la même puissance que celle qu’elle émet. Il s’établit donc un équilibre dynamique de température.

7 Puissances reçues – Puissances émises 1. a  . « L’apport d’énergie provient principalement du Soleil. Le rayonnement solaire reçu par les couches les plus élevées de

Océans et continents

4. Déterminer la puissance par unité de surface totale moyenne en W·m–2 émise par le sol et les océans ayant pour conséquence une température moyenne constante à la surface de la Terre.

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l’atmosphère est d’environ 342 W·m–2 en moyenne annuelle. » La phrase parle d’énergie alors que la valeur chiffrée donnée est une puissance par unité de surface. « Le sol et les océans reçoivent en moyenne une puissance de 324 W·m–2 due à l’effet de serre. » Le texte parle ici de puissance alors que la valeur chiffrée donnée est une puissance par unité de surface. b. L’apport de puissance provient principalement du Soleil. Le rayonnement solaire reçu par les couches les plus élevées de l’atmosphère a une puissance par unité de surface d’environ 342 W·m–2 en moyenne annuelle. 2. Dans le texte, il est dit que pour 100 W reçus en haut de l’atmosphère, 50 W sont effectivement absorbés par le sol et les océans. Pour une puissance par unité de surface de 342 W·m–2 reçue à l’entrée de l’atmosphère, 171 W·m–2 sont effectivement absorbés par le sol et les océans. 3.  342 W·m–2

Atmosphère 68,4 W·m–2

Rayonnement diffusé 102,6 W·m–2 en tout

Rayonnement absorbé

Nuage 171 W·m–2

Terre

Océans et continents

4. Pour que la température temporelle moyenne soit constante, il faut que la puissance par unité de surface libérée par le sol et les océans corresponde à la puissance par unité de surface absorbée par le sol et les océans soit 171 W·m–2. THÈME 2 ● CHAPITRE 5 ● Le bilan radiatif terrestre

91

CHAPITRE 6 Livre de l’élève Vidéo

TEASER

CHAPITRE

6

Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse

b. Un sapin de Noël à Londres illuminé par une batterie à choux de Bruxelles.

Quel avenir pour les biopiles alimentées par la photosynthèse ?

Par l’intermédiaire de la photosynthèse, l’énergie solaire reçue par la planète fournit l’énergie nécessaire à l’ensemble des êtres vivants. À l’échelle des temps géologiques, les combustibles fossiles sont les témoins de la photosynthèse passée.

➞ exercices

c. Les forêts couvrent environ 30 % de la surface continentale. En prélevant le dioxyde de carbone (C02) atmosphérique par photosynthèse, elles constituent, derrière les océans, le deuxième plus grand puits de carbone de la planète.

Comment les végétaux fixent-ils le dioxyde de carbone lors de la photosynthèse ? ➞ activité 2

d. Ce terril (colline artificielle composée des déchets issus de l’exploitation minière) situé dans les Hauts-de-France, témoigne de l’époque où l’Homme exploitait massivement le charbon, un combustible fossile, pour satisfaire ses besoins en énergie.

Pourquoi peut-on dire que « brûler un combustible fossile, c’est utiliser une énergie solaire du passé » ?

a. Le phytoplancton, constitué d’organismes microscopiques ou de très petites tailles, vit en suspension dans les eaux de surface. Il est la base des chaînes alimentaires dans les océans.

Que devient la matière organique fabriquée par le phytoplancton lors de la photosynthèse ? ➞ activités 1 et 3

➞ activité 4

134

CHAPITRE 6   Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse 135

134

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Les grandes idées à construire L ’utilisation de l’énergie solaire lors de la photosynthèse est essentielle pour le fonctionnement de l’ensemble du monde vivant. L ’énergie solaire absorbée par les organismes chlorophylliens permet instantanément la production de matière organique végétale. La photosynthèse permet de réaliser une conversion de l’énergie lumineuse en énergie chimique.  ur des temps courts, la photosynthèse alimente la circulation de S la matière organique dans les écosystèmes. La matière organique élaborée par les organismes chlorophylliens, producteurs primaires, est transférée aux consommateurs de divers ordres et aux décomposeurs.  ur des temps longs, la photosynthèse permet la genèse de S combustibles fossiles. Des roches carbonées comme le charbon, le pétrole et le gaz renferment des molécules transformées en profondeur, riches en énergie qui ont pour origine initiale l’activité photosynthétique d’organismes chlorophylliens.

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Ce que disent les documents a Les organismes du phytoplancton sont les acteurs de la photosynthèse océanique. Ils sont le point de départ incontournable de toutes les chaînes alimentaires de l’océan. Ils constituent le premier puits de carbone de la planète, car le phytoplancton consomme du dioxyde de carbone pour fabriquer sa propre matière. La matière est ensuite transférée au zooplancton (plancton animal) puis aux autres consommateurs présents dans les océans.

b Teaser : se servir de la photosynthèse pour créer de l’électricité est un défi tout à fait relevable. Dans cette vidéo, il est expliqué comment les produits de la photosynthèse du chou de Bruxelles sont impliqués pour libérer des électrons utilisés par une biopile afin de produire du courant. c Ce document illustre l’importance de nos forêts. Presque un tiers du domaine continental est recouvert par des forêts, ce qui en fait le deuxième puits de carbone de la planète. À l’instar des organismes du phytoplancton, les forêts prélèvent le CO2 et l’incorporent à la matière organique végétale. La matière est ensuite transférée aux consommateurs et aux décomposeurs présents dans la forêt. d Les terrils, la plupart du temps issus de l’extraction du charbon, façonnent certains paysages et témoignent des efforts humains pour exploiter une ressource du sous-sol dont on démontrera qu’elle a pour origine la photosynthèse. En France, l’état des réserves de charbon du sous-sol et les préoccupations environnementales font que l’exploitation du charbon n’est plus d’actualité.

92

Progression dans le chapitre AC TIVITÉ

1

Problèmes scientifiques  uelles sont les modalités de Q l’utilisation du rayonnement solaire par les végétaux chlorophylliens ?

Compétences travaillées  ettre en œuvre une démarche M scientifique. Interpréter des résultats.

 uelles sont les conditions Q nécessaires à la photosynthèse ?

AC TIVITÉ

2

Problèmes scientifiques C omment mesure-t-on la photosynthèse ?

Utiliser des outils numériques. C onduire une recherche d’information.

 xiste-t-il un lien évident E entre l’insolation et la photosynthèse ?

AC TIVITÉ

3

TÂCHE COMPLEXE

Compétences travaillées

Garder trace de ses recherches.

Problèmes scientifiques  uels sont les devenirs, dans Q la biosphère, de la matière et de l’énergie initialement prélevées par les organismes chlorophylliens lors de la photosynthèse ?

Compétences travaillées

4

CLASSE INVERSÉE

Problèmes scientifiques  uelles preuves a-t-on Q de l’origine biologique des combustibles fossiles ?

F abrication de matière organique à partir d’eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone en utilisant le rayonnement solaire absorbé.

Idées clés  esure de la productivité M primaire pour quantifier la photosynthèse. C orrélation entre productivité primaire et puissance solaire reçue.

Idées clés

 xtraire et organiser E des informations.

C irculation de matière dans la biosphère.

Interpréter des résultats.

 erte de matière d’un niveau P trophique au suivant.

Garder trace de ses recherches. Communiquer.

C omment sont utilisées, à l’échelle cellulaire, les molécules organiques issues de la photosynthèse ?

AC TIVITÉ

Idées clés

Compétences travaillées Observer le réel.  xtraire et organiser E des informations. C onduire une recherche d’information.

 ransformation des molécules T lors du métabolisme.

Idées clés  nfouissement de la matière E issue de la photosynthèse.  ransformation en roche T carbonée riche en molécules organiques.

Communiquer. Coopérer et collaborer.

THÈME 2 ● CHAPITRE 6 ● Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse

93

CHAPITRE 6 Livre de l’élève ACTIVITÉ

1

Le devenir du rayonnement solaire absorbé

EXPÉR

La surface de la Terre reçoit une puissance solaire pouvant atteindre 500 W·m–2·jour–1 à certaines latitudes. Une heure de rayonnement solaire reçu par la Terre représente la consommation annuelle mondiale d’électricité ! OBJECTIF Expliquer comment et dans quelle mesure le rayonnement solaire est absorbé et utilisé par les végétaux chlorophylliens.

IENCE

S

OBJECTIF Mener des expérimentations pour comprendre l’influence du rayonnement solaire et de certaines molécules dans le processus de photosynthèse d’un végétal chlorophyllien. Avant traitement

Après traitement

Position du cache

Résultat du traitement après avoir enlevé le cache

Comparer le spectre d’absorption des pigments chlorophylliens et le spectre d’action photosynthétique

1

➋

➌ ➊

e. Protocole 1 • Une feuille d’un plant de Pélargonium est éclairée

➋

f. Protocole 2 • Une feuille d’un plant de Pélargonium est équipée

et placée dans une enceinte privée de CO2.

• On traite ensuite la feuille à l’eau iodée. On rappelle

b. Spectres lumineux

que l’eau iodée est le réactif caractéristique de l’amidon (molécule organique appartenant aux glucides).

➊ Dispersion des rayonnements de la lumière blanche par un prisme ➋ Effet des pigments chlorophylliens sur ces rayonnements

d’un cache, éclairée et approvisionnée en CO2.

• On traite ensuite la feuille à l’eau iodée.

à échelle graduée

Un spectroscope contient un prisme ➋ qui décompose la lumière blanche en un spectre de rayonnements colorés que l’on observe par l’oculaire de cet appareil ➊. En plaçant une solution de pigments chlorophylliens ➌ en amont du prisme, on peut observer l’effet de cette solution sur la lumière.

A-Z

VOCABULAIRE

100

75

50

25

0 400

Spectre d’absorption : pourcentage de lumière absorbée par les pigments du végétal pour chaque longueur d’onde.

450

500

550

600

650

700

750

La feuille : un milieu diffusant, transmissif et absorbant

Autres devenirs du rayonnement solaire reçu Transmission : le rayonnement solaire traverse la feuille.

Absorption non photosynthétique : échauffement, évapo-transpiration.

136

➏

sans N, ni K, ni P

PARCOURS 2

oral

À l’aide des informations extraites des documents, construire un grand schéma de la feuille d’un végétal chlorophyllien en indiquant par des mots clés les échanges de matière et d’énergie qui s’y déroulent. Argumenter à l’oral votre schéma.

CHAPITRE 6   Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse 137

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s problèmescientifiques  uelles sont les modalités de l’utilisation du rayonnement Q solaire par les végétaux chlorophylliens ? Quelles sont les conditions nécessaires à la photosynthèse ?

Mobilisation des acquis Vu en cycle 4 : la nutrition des organismes. Les élèves ont mis en relation les besoins des cellules d’une plante chlorophyllienne, les lieux de production ou de prélèvement de matière et de stockage et les systèmes de transport au sein de la plante.

Les grandes idées à construire L e rayonnement solaire absorbé par les organismes chlorophylliens est utilisé pour la photosynthèse.  ne petite fraction seulement de la puissance radiative reçue est U effectivement utilisée par la photosynthèse. L a photosynthèse permet la fabrication de matière organique à partir d’eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone.

Les compétences travaillées Mettre en œuvre une démarche scientifique. Interpréter des résultats.

Les représentations de l’élève L a photosynthèse est souvent décrite par les élèves comme une transformation du dioxygène en dioxyde de carbone. Le programme

94

➎

sans N

soit de l’eau contenant à la fois l’élément potassium (K) l’élément phosphore (P) et l’élément azote (N), soit de l’eau ne contenant pas l’élément potassium (K), ou ne contenant pas l’élément phosphore (P) ou ne contenant pas l’élément azote (N).

PARCOURS 1

136

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➍

sans P

1 Argumenter en faveur d’une utilisation effective du rayonnement solaire absorbé pour réaliser la photosynthèse. 2 Schématiser les échanges d’énergie au niveau d’une feuille. 3 Proposer, à l’aide des expérimentations (docs. e, f et g), une liste argumentée des espèces chimiques indispensables à la photosynthèse. 4 La photosynthèse n’utilise qu’une infime partie de la puissance solaire reçue par la Terre. Rechercher quelques possibilités d’utilisation par l’Homme du reste de la puissance solaire disponible.

d. Ce tableau indique les devenirs de la puissance radiative reçue par la feuille. Diffusion : le rayonnement solaire réceptionné par la feuille est renvoyé dans toutes les directions.

➌

sans K

g. Protocole 3 (photographie prise après deux semaines de culture) • Remplir 6 pots avec de la vermiculite qui n’apporte • Arroser les autres pots avec soit de l’eau déminéralisée,

du spectre d’absorption et du spectre d’action

Graphique à deux ordonnées permettant la comparaison du spectre d’absorption des pigments chlorophylliens et du spectre d’action photosynthétique.

Absorption pour la photosynthèse

➋

milieu complet (K+N+P)

• Déposer 20 graines de radis par pot. • Ne pas arroser le premier pot.

c. Comparaison des représentations graphiques

Identifier les échanges d’énergie au niveau d’une feuille

Environ 0,1 % de la puissance solaire totale disponible est absorbé à des fins photosynthétiques.

➊

sans eau

aucun élément nutritif à la plante.

λ (en nm)

Spectre d’action : intensité photosynthétique (généralement établie par la mesure du dégagement de dioxygène) pour différentes longueurs d’onde.

2

Intensité de la photosynthèse (en U.A.)

a. Spectroscope d’observation

Absorption (en % de l’absorption totale)

➊

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n’évoque pas le dioxygène dans le bilan de la photosynthèse. Cette activité est par conséquent l’occasion de montrer concrètement le devenir du dioxyde de carbone, en l’occurrence son incorporation à la matière organique élaborée.

Ce que disent les documents 1 Les rayonnements absorbés par les pigments chlorophylliens se situent dans les longueurs d’onde correspondant au bleu et au rouge (doc. b). Il s’agit des mêmes rayonnements que ceux pour lesquels la photosynthèse est importante (doc. c). La superposition du spectre d’absorption des pigments chlorophylliens et du spectre d’action photosynthétique prouve que l’énergie lumineuse absorbée par les pigments est utilisée pour réaliser la photosynthèse. ? Des idées de questions : Qu’observe-t-on en comparant le spectre d’action et le spectre d’absorption des pigments chlorophylliens ? Comment l’utilisation effective du rayonnement absorbé pour réaliser la photosynthèse peut-elle être démontrée ?

2 En lien ou non avec la photosynthèse, la feuille, de par sa structure, est le siège de nombreux échanges d’énergie (doc. d). Une petite fraction seulement de la puissance radiative reçue par la feuille est effectivement utilisée par la photosynthèse. Le reste du rayonnement solaire reçu peut être diffusé, transmis ou absorbé à d’autres fins que la photosynthèse (échauffement et évapotranspiration). ? Idée de question : Qu’observe-t-on en comparant les multiples comportements de la feuille vis-à-vis de la puissance radiative qu’elle reçoit ?

Expérience : la production d’amidon dans la feuille a lieu à condition qu’elle soit éclairée (doc. f, protocole 2) et approvisionnée en CO2 (doc. e, protocole 1). La croissance d’un végétal chlorophyllien est optimale sous réserve de lui fournir de l’eau ainsi qu’une source d’azote, de phosphore et de potassium (doc. g, protocole 3). À l’aide de tous ces résultats, on peut formuler un bilan chimique de la photosynthèse, par exemple : Réactifs de la photosynthèse Dioxyde de carbone Eau

Produits de la photosynthèse Amidon (molécule organique appartenant aux glucides)

 els minéraux (source S d’azote, de phosphore et de potassium)

Exploitation de documents PARCOURS 1 Rédaction d’une argumentation scientifique Consignes élèves Retrouver les étapes d’une démarche expérimentale pour prouver l’implication des pigments chlorophylliens dans la photosynthèse. 2 Retrouver les étapes d’une démarche expérimentale pour déterminer l’une (au choix) des conditions de la photosynthèse. 3 Discuter l’affirmation : « la feuille absorbe le rayonnement solaire ». 1

PARCOURS 2 Exploitation de documents Consignes élèves À partir d’informations tirées des différents documents de l’activité 1, réaliser par équipes une production numérique (par exemple, une présentation en ligne Genially) autour d’une notion au choix parmi les deux suivantes : – le bilan chimique de la photosynthèse ; – les devenirs de l’énergie reçue par la feuille d’un organisme chlorophyllien. 2 Présenter à l’oral, par équipe, la production réalisée. 1

Énergie lumineuse ? Idée de question : Quel bilan chimique de la photosynthèse peut-on établir ?

Les

Les parcours possibles

pour préparer votre séance

 roposer un QCM complémentaire de remobilisation des acquis P du cycle 4 (nutrition des organismes chlorophylliens) en début de séance. En voici un exemple. Parmi les propositions suivantes, choisir la réponse exacte : 1. Les cellules végétales : a. ont les mêmes besoins que les cellules animales ; b. se nourrissent exclusivement de matière minérale ; c. ne produisent pas de matière organique, à la différence des cellules animales. 2. Pour obtenir de beaux plants de tomates en les cultivant sous une serre, il est conseillé : a. d’éteindre la lumière ; b. d’enlever quelques feuilles de chaque plant ; c. d’ajouter des engrais, pour apporter des sels minéraux aux plantes. 3. Pour produire leur propre matière organique, les animaux ont besoin : a. de matières minérales et de lumière, comme les plantes vertes ; b. à la différence des plantes vertes, de consommer de la matière organique ; c. comme les plantes vertes, de prélever de la matière organique dans le sol.

Documents complémentaires « Qu’est-ce qu’un Genially ? », rubrique Le saviez-vous ?

Indicateurs de réussite L ’utilisation effective du rayonnement solaire absorbé à des fins de photosynthèse est prouvée. Les autres devenirs de l’énergie solaire sont exprimés ou représentés. Les conditions de la photosynthèse sont toutes établies.

4. La matière organique fabriquée par les plantes : a. circule des feuilles aux autres organes dans la sève élaborée ; b. est stockée au niveau des feuilles seulement ; c. circule des racines vers les feuilles dans la sève brute.

LE SAVIEZ-VOUS ?  u’est-ce qu’un Genially ? Q Genial.ly est une application en ligne gratuite qui permet de créer des diaporamas ou des posters interactifs : www.genial.ly/fr Il s’agit d’une plateforme interactive très simple à utiliser. Après s’être créé un compte, choisir parmi différentes options de création : présentations, cartes postales, posters, infographies, documents. Il est aussi possible d’importer des images, des vidéos. Genial.ly enregistre automatiquement toutes les opérations effectuées lors de la création. Une fois terminée, il est possible de partager la production sur les réseaux sociaux ou par mail, ou de l’intégrer via un code sur un site web ou sur l’ENT de l’établissement.

THÈME 2 ● CHAPITRE 6 ● Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse

95

CHAPITRE 6

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

2

De la puissance solaire à la photosynthèse planétaire

MÉTHODE Pour mener des requêtes sur le site NEO :

Les scientifiques observent la Terre depuis l’espace et mettent à la disposition du public les données récoltées. C’est le cas du site NEO (Nasa Earth Observations), qui permet d’enquêter sur la puissance solaire reçue et sur l’importance de la photosynthèse planétaire. OBJECTIF Montrer que les mesures cartographiées par les scientifiques confirment une utilisation par la photosynthèse de l’énergie solaire reçue.

1

neo.sci.gsfc.nasa.gov

• choisir ENERGY puis Solar Insolation pour la puissance solaire reçue ; • choisir OCEAN puis Chlorophyll Concentration pour la photosynthèse océanique ; • choisir LAND puis Vegetation Index pour la photosynthèse continentale.

Décrire la puissance solaire reçue par la surface de la Terre

c. Carte de la concentration en masse

W/m2

de chlorophylle des océans au mois .01 .03 de février 2019

.1

.3

1

3

1

30 60

DONNÉES

DONNÉES

1 W/m2 est l’équivalent de la notation scientifique 1 W·m–2.

Le site NEO indique, à propos de l’indice de végétation :

1 mg/m3 est l’équivalent de la notation scientifique 1 mg·m–3.

a. Carte de l’insolation (puissance

solaire reçue par unité de surface) de la Terre au mois de février 2019

2

What do the colors mean? Dark green areas show where there was a lot of green leaf growth; light greens show where there was some green leaf growth; and tan areas show little or no growth. Black means “no data.”

W/m2 0

275

550

Expliquer des méthodes de mesure de la photosynthèse

On appelle productivité primaire la vitesse de production de la matière végétale par les végétaux chlorophylliens. On exprime généralement la productivité primaire en masse de carbone (intégré à la matière organique végétale) par unité de surface et de temps.

d. Carte de l’indice de végétation sur

les continents au mois de février 2019 –0.1 L’indice de végétation est un nombre qui sert à exprimer un rapport de données expérimentales. Il s’écrit par conséquent sans unité.

Dans les océans, on quantifie la productivité primaire nette en mesurant, à l’aide de capteurs embarqués dans des satellites, les variations de la concentration en chlorophylle, un indicateur de la biomasse du phytoplancton. Sur les continents, on quantifie la productivité primaire nette en mesurant à l’aide de capteurs embarqués dans des satellites une réflectance qui révèle un indice de végétation.

ÉVITER LES ERREURS On distingue la productivité primaire nette de la productivité primaire brute, car les végétaux utilisent une partie de la matière produite pour leur propre fonctionnement.

0.9

PISTE D’EXPLOITATION

b. Un champ de betteraves

Sa productivité primaire nette est d’environ 650 g·m–2·an–1. En comparaison, la productivité d’une forêt tropicale est de 1 800 g·m–2·an–1.

1 Mener des requêtes sur le serveur d’images satellitaires de la NASA (site NEO) pour obtenir les mêmes types de données à d’autres dates.

138

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2 À l’aide de la comparaison des différentes cartes, argumenter en faveur de l’utilisation de la puissance solaire par les végétaux chlorophylliens.

3 La corrélation entre la puissance solaire reçue et l’importance de la photosynthèse est, par endroits, imparfaite. Repérer ces endroits à l’échelle du globe et proposer une(des) explication(s).

CHAPITRE 6   Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse 139

138

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s problèmescientifiques Comment mesure-t-on la photosynthèse ? E xiste-t-il un lien évident entre l’insolation et la photosynthèse ?

Mobilisation des acquis  ctivité 1 : le rayonnement solaire absorbé par les organismes A chlorophylliens est utilisé pour la photosynthèse. Celle-ci permet la fabrication de matière organique à partir d’eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone. Les organismes chlorophylliens ont une organisation cellulaire spécifique, adaptée à la fonction photosynthétique. Le cytoplasme de leurs cellules contient des chloroplastes hébergeant les pigments chlorophylliens.

Les grandes idées à construire La photosynthèse se chiffre par la mesure de la productivité primaire. E xcepté aux endroits où la ressource (eau, sels minéraux) est peu abondante, la productivité primaire est corrélée à la puissance solaire reçue.

Les compétences travaillées Utiliser des outils numériques. Conduire une recherche d’information. Garder trace de ses recherches.

Les représentations de l’élève L ’élève pourrait penser que l’unité de mesure de la photosynthèse est toujours la même, quels que soient l’endroit et l’échelle d’observation.

96

0.4

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Il s’agit donc d’être vigilant sur les unités de mesure et de veiller à bien distinguer les différences selon les échelles : à l’échelle de l’écosystème, on s’exprime en masse de matière produite par unité de surface et de temps. À l’échelle globale, on utilise d’autres indicateurs : la concentration en chlorophylle (reflet de la photosynthèse océanique) et l’indice de végétation (reflet de la photosynthèse continentale).

Ce que disent les documents 1 La puissance solaire reçue par la surface du globe montre des variations, dont certaines sont latitudinales (doc. a). Par exemple, en février 2019, l’insolation est plus importante dans l’hémisphère nord (où c’est l’hiver boréal) que dans l’hémisphère sud (où c’est l’été austral). C’est à l’équateur que la puissance solaire reçue est la plus importante. ? Idée de question : Quelles sont les variations observables de la puissance solaire reçue par la Terre ?

2 Pour mesurer la photosynthèse, on utilise différents indicateurs dont la productivité primaire qui traduit la quantité de matière végétale fabriquée par unité de temps. En domaine océanique, la mesure directe de la biomasse végétale est impossible. On se base alors sur la mesure de la concentration en chlorophylle, car s’il y a davantage de chlorophylle c’est que le phytoplancton est davantage présent (doc. c). En domaine continental, on mesure un indice de végétation car il donne une bonne idée du couvert végétal (doc. d). ? Idée de question : Comment justifier les différentes méthodes de mesure de la photosynthèse ?

Les

pour préparer votre séance

Les parcours possibles

 emander aux élèves de se familiariser, avant la séance, avec la D navigation dans le site NEO (neo.sci.gsfc.nasa.gov) : recherche d’un type de donnée cartographiée à une date souhaitée, téléchargement d’une carte au format adapté à son utilisation par exemple.

Exploitation de documents PARCOURS 1 Rédaction d’une argumentation scientifique Consignes élèves En appuyant l’argumentation sur des zones géographiques précises, montrer à l’aide des cartes proposées le lien entre la puissance solaire reçue et la photosynthèse réalisée. 2 Toujours à partir d’exemples géographiques précis, montrer que ce lien est mis en défaut à certains endroits. 3 Expliquer les observations précédentes à l’aide des connaissances sur les conditions de la photosynthèse. 1

LE SAVIEZ-VOUS ? Le module « Energy » du site NEO fournit des cartes de l’albédo qu’il peut être intéressant d’utiliser dans le chapitre 5 « Le bilan radiatif terrestre ». L a photosynthèse planétaire océanique est essentiellement réalisée par le phytoplancton, ensemble de microorganismes photosynthétiques regroupant des organismes de plusieurs groupes. Parmi les eucaryotes : – les archaeplastidae (regroupement comportant les algues vertes et rouges) ; – les chromalveolates (parmi lesquels on trouve les algues brunes, les diatomées, les cryptomonas, les dinoflagélés ; – les rhizaria (avec les chlorarachniophytes) ; – les excavates (avec les euglénophytes). Auxquels il faut rajouter de nombreux procaryotes comme les cyanobactéries. Dans cet ensemble, les diatomées semblent être le groupe majeur de la fixation du carbone, puisqu’on estime qu’elles sont responsables de la fixation de 23,5 % du carbone total par la photosynthèse mondiale. Même si la biomasse totale du phytoplancton marin est faible (seulement 1 à 2 % de la biomasse terrestre) sa productivité est très importante puisqu’elle fixe à elle seule de 30 à 60 % du carbone total annuel fixé par la photosynthèse. Le phytoplancton, du fait de sa capacité fixatrice du carbone, est donc un acteur incontournable dans la problématique actuelle du réchauffement climatique. À la fois acteur et possible victime, de nombreuses études sont en cours à la fois sur son rôle et sur son devenir. C’est une des thématiques de l’expédition Tara, à propos de laquelle plus d’informations sont disponibles ici : oceans. taraexpeditions.org/m/education/thematiques-phares/plancton/.

Exploitation de documents PARCOURS 2 Rédaction d’une argumentation scientifique Consignes élèves Rechercher en autonomie des cartes utiles auprès du site NEO. 2 Réaliser une présentation en ligne montrant, à l’échelle planétaire : – le lien entre la puissance solaire reçue et la photosynthèse réalisée ; – un(des) endroit(s) où cette relation n’est pas évidente.

Documents complémentaires

1

« Qu’est-ce qu’un Genially ? », rubrique Le saviez-vous ? p. 123 (www.genial.ly/fr).

Indicateurs de réussite C orrélation positive entre la puissance solaire reçue et l’importance de la photosynthèse établie. Identification des zones montrant une absence de corrélation. Proposition d’une explication.

L a couleur des océans est un paramètre dépendant de plusieurs facteurs, dont celui du phytoplancton présent, par le biais de la chlorophylle qu’il contient. Ainsi, une eau riche en phytoplancton prendra des couleurs bleu-vert, alors que des eaux sans phytoplancton seront d’un bleu profond. Ainsi, à cause du réchauffement climatique et des changements dans la biodiversité planctonique, il est fort probable que la couleur des océans change, les océans subtropicaux dans lesquels le phytoplancton serait fragilisé deviendraient plus bleus, alors que dans la mer du Nord, et les eaux actuellement froides, l’océan devrait devenir plus vert-gris. Même si ces changements seront peu perceptibles à l’œil nu, ils le seront depuis les satellites.

THÈME 2 ● CHAPITRE 6 ● Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse

97

CHAPITRE 6

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

3

TÂCHE XE COMPLE

Photosynthèse et entrée d’énergie chimique dans la biosphère

3

EXPÉR

La matière organique fabriquée lors de la photosynthèse des végétaux chlorophylliens, organismes autotrophes, circule dans la biosphère. Elle alimente directement ou indirectement les autres êtres vivants, hétérotrophes.

PROTOCOLE

Imaginons que vous êtes un atome de carbone contenu dans une molécule de dioxyde de carbone. Reconstituez votre devenir et votre circulation depuis votre entrée dans la biosphère. Production attendue : les résultats de la recherche à mener seront communiqués sous une forme non textuelle (schéma fonctionnel, carte des idées, tableau, affiche, etc.).

1. Une suspension de levures est placée dans un

bioréacteur en ménageant un volume d’air disponible.

2. Trois capteurs sont installés : une sonde oxymétrique,

une sonde à dioxyde de carbone CO2 et une sonde à éthanol.

3. Après la première minute, on injecte dans

le bioréacteur une solution de glucose dont la concentration en masse est 10 g·L–1.

Décrire le devenir de la matière A-Z

Productivité (en g•m–2•an–1) Carnivores de 2e ordre

3

Carnivores de 1er ordre

30

200

Herbivores

Végétaux

Productivité primaire nette

IENCE

OBJECTIF Distinguer deux exemples de métabolismes : respiration cellulaire versus fermentation.

MISSION

1

Comparer deux transformations possibles des molécules organiques dans les cellules

c. Dispositif ExAO

VOCABULAIRE

L’autotrophie caractérise les organismes capables d’élaborer leur propre substance organique. Les végétaux chlorophylliens sont des organismes autotrophes.

O2 dissous CO2 dissous Éthanol dissous (en unités arbitraires)

L’hétérotrophie caractérise les êtres vivants qui se nourrissent des substances organiques car ils ne peuvent les élaborer eux-mêmes.

d. Résultats de l’évolution

Un niveau trophique est le rang qu’occupe un être vivant dans un réseau trophique.

des concentrations en dioxygène, en dioxyde de carbone et en éthanol au cours de l’expérience.

Une sonde oxymétrique mesure la concentration en dioxygène dans un mélange gazeux ou dans un liquide.

1 000

a. Exemple de pyramide écologique

Une pyramide écologique est un diagramme où chaque niveau trophique est représenté par une barre dont la longueur est proportionnelle à sa productivité nette.

2

Décrire la circulation de la matière et de l’énergie dans la biosphère

Énergie lumineuse reçue 5 248 617

Énergie non utilisée par les végétaux 5 205 088

Énergie utilisée par la respiration des plantes 23 941

43 529 (Productivité primaire brute) Productivité primaire brute

6 877 (Productivité primaire nette)

CO2 12 711 Sol Eau + sels minéraux

LE SAVIEZ-VOUS ?

Énergie utilisée par la respiration des animaux et des décomposeurs 14 871

Les façons de définir une molécule organique sont multiples : • historiquement, on définit les molécules organiques comme étant fabriquées par les êtres vivants ;

b. L’exemple du devenir Chaîne alimentaire animale

Énergie dans la matière en voie de décomposition (cadavres, feuilles mortes...)

de la matière et de l’énergie dans une forêt

Les valeurs de l’énergie reçue par unité de surface pendant une durée sont exprimées en kilojoule par mètre carré et par an.

Chaîne des décomposeurs

• sur le plan de leur composition, les molécules organiques sont le plus souvent constituées d’une chaîne d’atomes de carbone reliés à d’autres atomes ; • plus précisément, les chimistes considèrent comme organique toute molécule contenant au minium une liaison C-H. Ainsi, le glucose C6H12O6 est une molécule organique.

140

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s problèmescientifiques  uels sont les devenirs, dans la biosphère, de la matière Q et de l’énergie initialement prélevées par les organismes chlorophylliens lors de la photosynthèse ? C omment sont utilisées, à l’échelle cellulaire, les molécules organiques issues de la photosynthèse ?

Mobilisation des acquis Vu en seconde : le métabolisme d’une cellule (SVT). Pour assurer les besoins fonctionnels d’une cellule, de nombreuses transformations biochimiques s’y déroulent.  ctivité 1 : la photosynthèse permet, avec un apport d’énergie A solaire, la production de molécules organiques à partir de dioxyde de carbone.

Les grandes idées à construire L a matière organique issue de la photosynthèse circule le long des chaînes alimentaires. Dans chaque maillon, seule une fraction de la matière est réinvestie dans la productivité nette. L es molécules organiques circulent dans la biosphère. Elles représentent de l’énergie chimique et peuvent être transformées lors du métabolisme cellulaire, par respiration ou fermentation.

Les compétences travaillées Extraire et organiser des informations. Interpréter des résultats. Garder trace de ses recherches. Communiquer.

98

e. Modèle moléculaire

du glucose C6H12O6 (forme glucopyranose)

(oxygène : rouge ; hydrogène : blanc ; carbone : gris)

CHAPITRE 6   Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse 141

140

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COUPS DE POUCE Utilisez la définition d’une molécule organique pour identifier la nature, minérale ou organique, des molécules carbonées dans chaque niveau trophique ou compartiment. Exploitez scientifiquement la forme de la pyramide dans votre explication.

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Les représentations de l’élève L es documents mêlent différentes échelles d’observation qui pourraient échapper à l’élève.  eiller à bien distinguer les différentes échelles décelables dans les V documents : les niveaux trophiques, les organismes d’un écosystème, les cellules, les molécules.

Ce que disent les documents 1 Dans un écosystème, la productivité d’un niveau trophique est toujours inférieure à la productivité du niveau trophique précédent (doc. a). La forme de la pyramide écologique rend compte de cela. ? Idée de question : Quel est le devenir de la matière carbonée depuis l’entrée du CO2 dans la biosphère ?

2 Dans un écosystème, seule une petite fraction de l’énergie solaire reçue est utilisée pour la photosynthèse. Dans l’exemple proposé 43 529 × 100 soit 0,82 % de (doc. b), on peut calculer que 5 248 617 l’énergie lumineuse reçue est utilisée pour la productivité primaire brute. La matière produite par les organismes chlorophylliens est pour une part utilisée pour leur fonctionnement propre. L’autre part est investie dans la biomasse. Dans l’exemple proposé (doc. b), on 6 877 peut calculer que × 100 soit 15,8 % de la matière produite 43 529 par les organismes chlorophylliens est réinvestie dans la biomasse pour être transférée à la chaîne alimentaire des consommateurs et des décomposeurs. ? Idée de question : Comment expliquer, à l’aide du doc. b, la forme de la pyramide des productivités ?

3 Expérience : dans une suspension de levures alimentées en glucose (doc. d), on note à la suite de l’injection du glucose une diminution de la concentration en dioxygène et une augmentation de la concentration en dioxyde de carbone. Dans un second temps, à partir du moment où le dioxygène n’est plus présent, on assiste à l’apparition d’éthanol dont la concentration augmente. Ces évolutions différentes correspondent à des métabolismes différents. Le glucose est utilisé lors d’un métabolisme consommateur de dioxygène et producteur de CO2 (respiration cellulaire). En conditions anaérobies, un métabolisme non consommateur de dioxygène et producteur de dioxyde de carbone et d’éthanol (fermentation alcoolique) a lieu. ? Idée de question : Quels sont les métabolismes cellulaires possibles chez les levures ? En identifier deux.

Les

pour préparer votre séance

 roposer un QCM documentaire de remobilisation des acquis de P seconde (métabolisme cellulaire, autotrophie versus hétérotrophie) en début de séance. En voici un exemple. Pour chaque proposition, choisir la réponse exacte : 1. Les cellules qui réalisent la photosynthèse : a. sont dites autotrophes ; b. sont dites hétérotrophes ; c. ne produisent pas de matière organique, à la différence des autres cellules. 2. Les levures sont des cellules : a. qui utilisent des matières minérales pour se procurer de l’énergie ; b. dont le métabolisme est hétérotrophe ; c. dépourvues de métabolisme. 3. Les deux voies possibles d’utilisation des molécules organiques dans une cellule pour se procurer de l’énergie sont : a. la photosynthèse et la respiration ; b. la fermentation et la respiration ; c. la photosynthèse et la fermentation.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ Le travail préparatoire au brouillon Liste des molécules contenant du carbone : CO2, éthanol, glucose. Nature minérale ou organique de ces molécules : CO2 : molécule minérale ; éthanol : molécule organique ; glucose : molécule organique. Liens entre les différents documents L ien entre les docs. a et b pour expliquer la forme de la pyramide des productivités. Le doc. b indique que le transfert de la matière d’un niveau trophique au suivant s’accompagne de pertes de matière, puisqu’une partie importante de la matière prélevée est utilisée pour le fonctionnement propre (respiration) de l’organisme consommateur. Ainsi, seule une fraction de la matière prélevée est utilisée pour l’augmentation de la biomasse. On aura donc toujours une productivité plus faible pour un maillon donné que pour le maillon précédent, d’où la forme de la pyramide des productivités du doc. a. L ien entre les docs. b et c : d’après le doc. c, les organismes hétérotrophes (il s’agit ici de levures) exploitent le glucose de deux manières possibles. D’une part, l’ajout de glucose dans une suspension de levures provoque une diminution de la concentration de dioxygène et une augmentation de la concentration de dioxyde de carbone, ce qui révèle la respiration réalisée par les levures à partir du glucose. Lors de ce métabolisme respiratoire, les levures utilisent le glucose (molécule organique) pour se procurer de l’énergie. D’autre part, on constate qu’une fois le dioxygène épuisé dans le milieu, la concentration de CO2 continue à augmenter et de l’éthanol est libéré dans le milieu. Cela révèle un autre métabolisme : il s’agit de la fermentation, au cours de laquelle le glucose est incomplètement dégradé et dont les produits sont le CO2 et l’éthanol. Ces deux métabolismes détectables sur le doc. c, dont le métabolisme respiratoire, correspondent sur le doc. b à l’« énergie utilisée par la respiration » et expliquent les pertes de matière d’un maillon au suivant. Exemple de production à réaliser :

4. Dans un écosystème, la matière et l’énergie sont transférées : a. des organismes hétérotrophes vers les organismes autotrophes ; b. des organismes autotrophes vers les organismes hétérotrophes ; c. des organismes autotrophes vers le Soleil.

CO2 PHOTOSYNTHÈSE : entrée de la matière minérale dans la biosphère

LE SAVIEZ-VOUS ?  ans les écosystèmes, seule une fraction (estimée à 10 %) D de l’énergie se trouvant dans un niveau trophique donné est transmise aux organismes du niveau trophique suivant. Cette loi approximative des 10 % (la fourchette est en fait de 5 à 20 % selon les écosystèmes) a été proposée par Raymond Lindeman dans les années 1940. L’écologiste Raymond Lindeman (19151942) a en effet consacré ses recherches à l’écologie des écosystèmes. Ses travaux et conclusions, dont la fameuse loi des 10 %, sont une référence mondiale dans l’enseignement supérieur.

Molécule organique carbonée (par exemple, glucose C6H12O6) des organismes chlorophylliens autotrophes

RESPIRATION : extraction de l’énergie des molécules organiques

CO2

CIRCULATION de la matière le long des chaînes alimentaires

Molécule organique carbonée (par exemple, glucose C6H12O6) des organismes consommateurs MÉTABOLISME des êtres vivants

RESPIRATION : extraction de l’énergie des molécules organiques

CO2

FERMENTATION : extraction de l’énergie des molécules organiques

CO2 Éthanol C2H6O

Schéma fonctionnel exprimant le devenir d’un atome de carbone contenu dans une molécule de dioxyde de carbone depuis son entrée dans la biosphère

Indicateurs de réussite Identification des différentes formes sous lesquelles l’atome de carbone est présent. Identification des conversions énergétiques, depuis l’entrée du CO2 dans la biosphère jusqu’au maillon des décomposeurs.

THÈME 2 ● CHAPITRE 6 ● Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse

99

CHAPITRE 6

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

4

CLASSE INVERSÉE

Les combustibles fossiles : des témoins d’une photosynthèse passée On entend dire qu’au rythme actuel d’utilisation des combustibles fossiles, l’humanité aura épuisé en moins de 200 ans ses réserves, alors qu’il a fallu à la nature des millions d’années pour les constituer. OBJECTIF Expliquer les conditions particulières de formation des combustibles fossiles.

MISSION Avant la classe : étudier les informations scientifiques sur les modalités de formation des combustibles fossiles. Préparer d’éventuelles questions (compréhension, approfondissement) à poser au professeur. Pendant la classe : participer par équipes à un ou plusieurs ateliers. Chaque équipe communiquera sous la forme de son choix le résultat de la recherche à mener (travail collaboratif par groupe sur chaque atelier). Dans un second temps, un membre de chaque atelier formera un groupe avec un membre des autres ateliers dans le cadre d’un travail coopératif pour construire les attendus de la séance.

Fossiles datant du Carbonifère (-300 Ma).

Découvrir les modalités de formation des combustibles fossiles Vidéo

Les combustibles fossiles sont des roches contenant une fraction importante de carbone sous forme organique. Ces roches carbonées dérivent de sédiments riches en matière organique d’origine végétale ou animale. Elles peuvent être solides (charbon), liquides (pétrole) ou à l’état gazeux (gaz naturel).

Matière organique CHON

0 Enfouissement (en m)

AVANT LA CLASSE

b. Empreintes de fougères dans du charbon

Dégradation biochimique 1 000

ON

Kérogène CH

c. Fougères arborescentes actuelles

Pyrolyse

2 000 Pétrole 3 000 Gaz

0

20

40

LE SAVIEZ-VOUS ?

Résidu de carbone C

4 000 60

80

Alors que le charbon provient de l’accumulation de la biomasse végétale issue de forêts denses, le pétrole résulte de l’accumulation d’organismes marins (principalement de plancton) dans des bassins sédimentaires, au fond des océans et des lacs.

100

Constitution (en %)

d. Transformation de la matière organique à différentes profondeurs

La formation d’un combustible fossile nécessite qu’une grande quantité de matière organique soit conservée et enfouie. Ce processus se fait sur des temps longs (plusieurs millions d’années).

Énergie solaire

Reçue par les océans : 15×1020 kJ.an–1

La matière doit être ensevelie sous de fortes quantités de sédiments et se retrouver en profondeur dans des conditions géologiques particulières. À cette profondeur, le milieu est anoxi e. La matière est réchauffée, sa cuisson entraîne une simplification moléculaire permettant d’obtenir, selon la profondeur et la température atteintes, du pétrole, du charbon ou du gaz.

Reçue par les continents : 6×1020 kJ.an–1

Énergie transformée par les écosystèmes terrestres : 240×1016 kJ.an–1

Énergie transformée par les écosystèmes océaniques : 96×1016 kJ.an–1 Zone photosynthétique

A-Z

VOCABULAIRE

Combustible : toute matière capable de brûler et libérer ainsi de l’énergie. Milieu anoxique : milieu privé de dioxygène, empêchant l’action des décomposeurs.

a. Exploitation de différents combustibles fossiles Pose du gazoduc de Marib-Balhaf au Yémen (en haut), mine de charbon à ciel ouvert (au milieu) et champ pétrolifère (en bas).

Pétrole et gaz : 2×1020 kJ Kérogène

CHAPITRE 6   Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse 143

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s problèmescientifiques  uelles preuves a-t-on de l’origine biologique des Q combustibles fossiles ?

Mobilisation des acquis  ctivité 3 : le rayonnement solaire absorbé par les organismes A chlorophylliens permet, lors de la photosynthèse, la synthèse de matière organique qui circule ensuite dans la biosphère.

Les grandes idées à construire  ans des conditions particulières et rares, nécessitant un temps D long (échelle des temps géologiques), la matière organique d’origine photosynthétique est produite en abondance, enfouie, soustraite à l’action des décomposeurs et transformée. Elle devient une roche carbonée riche en matière organique et potentiellement utilisable en tant que combustible fossile.

Les compétences travaillées Observer le réel. Extraire et organiser des informations. Conduire une recherche d’information. Communiquer, coopérer et collaborer.

Les représentations de l’élève La genèse d’un combustible fossile obéit à un mécanisme rapide. L a prise en compte des échelles de temps est essentielle lorsqu’il s’agit d’évoquer les combustibles fossiles et leur exploitation par l’homme. Ne pas hésiter à donner des temps réels de formation et d’utilisation des combustibles fossiles.

100

Matière organique dispersée : 700×1020 kJ

e. L’origine de l’énergie contenue dans les combustibles fossiles

142

142

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Charbon : 11×1020 kJ

Énergie totale récupérable : 13×1020 kJ

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Ce que disent les documents Les photographies du doc. a illustrent le prélèvement par l’homme des trois grands types de combustibles fossiles : gaz, charbon et pétrole. Le doc. b suggère l’origine végétale du charbon. Le doc. c montre le développement important, de nos jours, de fougères dites arborescentes, suggérant ainsi que ce groupe de végétaux ait pu être à l’origine d’une importante biomasse : ce cas pourra être envisagé en atelier lors de l’étude de la forêt houillère du Carbonifère. Le graphique du doc. d illustre les transformations subies par la matière organique lors de son enfouissement, conduisant à sa simplification moléculaire (perte des atomes d’oxygène et d’azote). Le kérogène obtenu est un matériau encore solide, correspondant à l’état intermédiaire entre la matière organique initiale et les combustibles fossiles. L’enfouissement du kérogène à des profondeurs encore plus importantes permet de poursuivre la cuisson et d’obtenir, selon les températures de l’endroit atteint, du pétrole, du gaz ou du charbon.

Atelier 1 Chaque hydrocarbure, qu’il soit présent dans le gaz ou le pétrole, comporte au moins un atome de carbone relié à un atome d’hydrogène : il s’agit donc bien de molécules organiques. Le porphyrine de vanadium et le phytane, deux hydrocarbures du pétrole, ressemblent chacun à une partie d’une molécule de chlorophylle, c’est-à-dire une molécule d’origine végétale. Atelier 2 On sait que les gisements de houille se sont formés au Carbonifère, entre -360 Ma et -295 Ma. Le graphe du RCO2 (doc. g) montre qu’au début du Carbonifère, le taux de CO2 atmosphérique était sept fois supérieur au taux actuel. De plus, les endroits où se situait la forêt houillère étaient, à l’époque, localisés dans la zone équatoriale ou tropicale, là où l’ensoleillement est important. Ces deux conditions (CO2 abondant et ensoleillement important) ont favorisé la photosynthèse et donc le développement de la forêt houillère au Carbonifère.

Livre de l’élève ACTIVITÉ 4 Les combustibles fossiles : des témoins d’une photosynthèse passée

ATELIER 3 Des indices à l’origine végétale de la tourbe

ATELIER 1 Des preuves de l’origine biologique des hydrocarbures Logiciel

RECHERCHE À MENER À partir de l’exploitation des ressources, prouver la nature organique des hydrocarbures et leur origine biologique. Ressources : – logiciel LibMol en ligne (libre d’accès) :

EXPÉR

IENCE

OBJECTIF À partir de l’observation microscopique de l’échantillon de tourbe proposé, confirmer l’origine végétale de la tourbe.

www.libmol.org  [➞ fiche méthode 10] ;

– modèles moléculaires numériques des hydrocarbures présents dans le gaz (propane, méthane, butane) ou dans le pétrole (phytane, porphyrine de vanadium) ; – modèle moléculaire numérique de chorophylle A ; – application pour afficher sur un même écran deux molécules avec LibMol afin de les comparer :

pour ⎫ Résultats la requête pdb ⎬ (fichiers à ouvrir en ligne) ⎭

PROTOCOLE

1. Monter un fragment de tourbe blonde

dans une goutte d’eau entre lame et lamelle.

2. Observer au microscope et rechercher ce qui évoque des débris végétaux (feuilles, tiges).

f. Capture d’écran du logiciel LibMol

En renseignant le nom de la molécule recherchée, on accède à la possibilité de charger son modèle moléculaire numérique et, le cas échéant, celui des molécules voisines.

http://philippe.cosentino.free.fr/dual_libmol/

ATELIER 2 À l’époque de la forêt houillère La houille est un charbon grossier contenant entre 75 % et 90 % de carbone en masse, issu de la lente transformation au cours des temps géologiques de la matière organique végétale.

La tourbe est un « jeune » combustible fossile (sa formation ne demande que quelques milliers d’années) de la très grande famille des charbons, encore largement utilisé comme source d’énergie dans certains pays.

3. Pour confirmer l’origine végétale (présence

de cellulose dans la paroi) de ces débris, les observer au microscope polarisant en lumière polarisée analysée : dans ces conditions, la cellulose laisse passer la lumière et prend un aspect brillant.

i. Un « champ » de tourbe en Irlande

25

RCO2

20

Les scientifiques considèrent que les gisements de houille se sont formés à l’époque du Carbonifère, une période des temps géologiques comprise entre – 360 Ma et – 295 Ma, où des conditions particulières favorisaient la croissance des plantes dans des forêts luxuriantes.

15 10

Marge d’erreur

5 0 – 600

– 500

– 400 – 300 – 200 Temps (en millions d’années)

– 100

0

g. Reconstitution de RCO2 au cours des temps géologiques

Ce paramètre est défini comme le rapport entre la masse de dioxyde de carbone CO2 atmosphérique à un temps donné du passé sur la masse actuelle.

RECHERCHE À MENER Après avoir recherché sur Internet des images de la forêt houillère, identifier à l’aide des documents proposés les conditions qui furent propices à son développement au Carbonifère.

k. Cellules de feuille d’élodée (MO) j. Fragment de tourbe (MO)

60 °N 30 °N Équateur

LE SAVIEZ-VOUS ? Un microscope polarisant comporte deux filtres :

h.

Situation géographique de la forêt houillère au Carbonifère

• un polariseur placé entre la source lumineuse et la platine ;

30 °S

• un analyseur placé entre la platine et l’œil. Le polariseur et l’analyseur sont constitués l’un et l’autre d’une feuille de polaroïd (= un filtre) qui ne laisse passer la lumière que dans un seul sens.

60 °S

144

CHAPITRE 6   Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse 145

145

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Atelier 3 Expérience : les débris présents dans la tourbe, observés au microscope polarisant en lumière polarisée analysée, prennent un aspect brillant. La paroi cellulosique de cellules de feuille d’élodée, observée dans les mêmes conditions, a aussi cet aspect brillant. C’est un argument en faveur de l’origine végétale de la tourbe.

Les

pour préparer votre séance

C omme il s’agit d’une classe inversée, il peut être utile de prévoir un QCM de vérification de la bonne compréhension de ce qui est à lire avant la classe. En voici un exemple. Pour chaque proposition, choisir la réponse exacte : 1. Comme exemples de combustibles fossiles, on peut citer : a. le calcaire, le granite et le charbon ; b. le gaz, le pétrole et le charbon ; c. le bois, le pétrole et le charbon. 2. Pour que la biomasse se transforme en combustible fossile, il faut : a. que les décomposeurs la dégradent et la minéralisent ; b. qu’elle soit portée en profondeur, à une très basse température ; c. qu’elle échappe à l’action des décomposeurs. 3. Le charbon se forme : a. en domaine marin, par transformation de la biomasse du plancton ; b. en domaine continental, par transformation de la biomasse du plancton ; c. en domaine continental, par transformation de la biomasse végétale issue de forêts denses. 4. Le pétrole se forme : a. en domaine marin, par transformation de la biomasse du plancton ; b. en domaine continental, par transformation de la biomasse du plancton ; c. en domaine continental, par transformation de la biomasse végétale issue de forêts denses.

 our l’atelier 3, il est intéressant de proposer d’observer l’échantillon P de tourbe au microscope polarisant. En lumière analysée polarisée, la cellulose laisse passer la lumière et prend un aspect brillant.

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LE SAVIEZ-VOUS ? L a plateforme ACCES de l’Institut français de l’Éducation propose une activité de modélisation avec le logiciel BYOE (Build Your Own Earth) pour mettre en relation les biomes (dont la forêt houillère), la dynamique des masses continentales et la teneur en CO2 atmosphérique : eduterre.ens-lyon.fr/thematiques/climat/byoe/ climats-aux-grandes-echelles-de-temps.

Les coups de pouce possibles lors des ateliers  telier 1 : A Remobiliser les connaissances sur la définition d’une molécule organique. Par comparaison avec des molécules d’êtres vivants actuels, trouver une origine possible des hydrocarbures du pétrole. Atelier 2 : Lire le graphique du RCO2 pendant la période du Carbonifère. Observer où étaient situés, au Carbonifère, les continents contenant les gisements de charbon formés à l’époque de la forêt houillère. Remobiliser les connaissances sur la photosynthèse. Atelier 3 : Commencer par observer l’élodée (un végétal actuel) pour repérer l’aspect que prend la paroi cellulosique au microscope polarisant en LPA. Passer ensuite à l’échantillon de tourbe afin de prouver qu’elle contient de la cellulose.

Indicateurs de réussite  reuve de la nature organique des hydrocarbures et de l’origine P végétale de certains d’entre eux. Identification des deux conditions favorables au développement de la forêt houillère. Argumentation sur la présence de cellulose dans la tourbe.

THÈME 2 ● CHAPITRE 6 ● Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse

101

CHAPITRE 6 Livre de l’élève SYNTHÈSE Une conversion biologique de l’énergie solaire MÉMO

SYNTHÈSE SCHÉMA

Podcast Texte DYS

ORGANISMES CHLOROPHYLLIENS ET ABSORPTION DU RAYONNEMENT SOLAIRE

A-Z

La puissance solaire reçue par la surface de la planète permet la photosynthèse des organismes chlorophylliens, au niveau des océans (photosynthèse océanique) comme des continents (photosynthèse continentale).

Bilan animé

MOTS CLÉS

Photosynthèse : production de matière organique par les organismes chlorophylliens en utilisant la puissance lumineuse et des substances exclusivement minérales.

Le rayonnement solaire absorbé par les organismes chlorophylliens lors de la photosynthèse permet la synthèse de matière organique à partir d’eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone. Une petite fraction seulement (environ 0,1 %) de la puissance radiative reçue est effectivement utilisée par la photosynthèse. À l’échelle de la feuille, le rayonnement solaire peut être diffusé, transmis, ou absorbé à d’autres fins que la photosynthèse (échauffement et évapo-transpiration).

Énergie chimique : énergie que des espèces chimiques peuvent libérer ou recevoir lors de leur transformation chimique. Métabolisme : transformation chimique se déroulant à l’intérieur d’une cellule et témoignant de son activité.

➞ activité 1

DE L’ÉNERGIE SOLAIRE À L’ÉNERGIE CHIMIQUE DES MOLÉCULES DU VIVANT

Combustible fossile : ressource naturelle riche en carbone organique, formée à l’échelle des temps géologiques par accumulation et transformation de matière d’origine biologique.

Lorsque les organismes chlorophylliens effectuent la photosynthèse, la matière minérale qu’ils prélèvent entre dans la biosphère. Les espèces chimiques organiques produites lors de la photosynthèse représentent un stockage de l’énergie sous forme chimique. Ces espèces chimiques circulent dans la biosphère et peuvent être transformées lors du métabolisme cellulaire. Parmi les métabolismes possibles, la respiration et la fermentation libèrent l’énergie nécessaire au fonctionnement des êtres vivants. ➞ activités 2 et 3

UNE PHOTOSYNTHÈSE PASSÉE À L’ORIGINE DE LA FORMATION DES COMBUSTIBLES FOSSILES

1 Mort et dépôt du plancton

Riches en matière organique, les combustibles fossiles sont les témoins d’une photosynthèse passée. À l’échelle des temps géologiques et sous réserve de conditions exceptionnelles de productivité des êtres vivants, il arrive qu’une partie de la matière organique directement ou indirectement produite lors de la photosynthèse s’accumule dans les sédiments sans être décomposée. Cette matière organique se transforme en donnant des combustibles fossiles : gaz, charbon, pétrole.

2

Compaction des sédiments et enfouissement

➞ activité 4 1 Mort et dépôt du plancton

2 2

3

Mort et dépôt du plancton

1

Compaction des sédiments et enfouissement

Roches sédimentaires Combustible fossile

Compaction des sédiments et enfouissement

172285_158_bilan1 3 3 146

146

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SYNTHÈSE

172285_158_bilan1

Transformation de la matière organique

172285_158_bilan1

70 x 90

Transformation de la matière organique

CHAPITRE 6   Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse 147

Roches sédimentaires Combustible fossile

Roches sédimentaires Combustible fossile

Transformation de la matière organique

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70 x 90

70 x 90

L e rayonnement solaire absorbé par les organismes chlorophylliens permet, dans les feuilles, la synthèse de matière organique à partir d’eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone lors de la photosynthèse. C’est ce que montre la partie gauche du schéma qui présente ce qui se passe à l’échelle de la feuille, sans le transfert vers l’écosystème. L es molécules organiques produites lors de la photosynthèse représentent un stockage de l’énergie sous forme chimique. Ces molécules circulent dans la biosphère et peuvent être transformées lors du métabolisme cellulaire. C’est ce que montre la partie médiane du schéma qui fait apparaître le transfert vers l’écosystème, la chenille, la matière organique stockée et l’énergie transférée et restituée.  l’échelle des temps géologiques et sous réserve de conditions À exceptionnelles de productivité des êtres vivants, il arrive qu’une partie de la matière organique directement ou indirectement produite lors de la photosynthèse s’accumule dans les sédiments sans être décomposée puis se transforme en donnant des combustibles fossiles : gaz, charbon, pétrole. C’est ce qu’indique la flèche « Temps moyen » sur le schéma et « Temps longs » qui pointe vers les combustibles fossiles en bas à droite du schéma.

102

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CORRIGÉS DES EXERCICES

POUR S’ENTRAÎNER Pour la construction du schéma expliquant la participation de l’énergie solaire à la formation d’un charbon : – le vocabulaire à placer est le suivant : énergie solaire, photosynthèse, CO2, matière organique, biomasse, organismes chlorophylliens, consommateurs, décomposeurs ; – les transferts de matière, à représenter par des flèches, sont les suivants : photosynthèse (du compartiment « CO2 » vers le compartiment « molécules organiques »), circulation de la matière, fossilisation de la biomasse, transformation de la biomasse.

RÉPONSES DU QUIZ 1.b / 2.b / 3.a / 4.b / 5.b / 6.b / 7.c / 8.a

Livre de l’élève MÉTHODE Représenter un phénomène à l’aide d’un schéma fonctionnel

Vérifier ses connaissances EXERCICES

QUIZ Énoncé

1

Construire un grand schéma de la feuille d’un végétal chlorophyllien en indiquant par des mots clés les échanges de matière et d’énergie qui s’y déroulent.

Méthode ÉTAPE 1  Rédiger un brouillon.

• Recenser toutes les informations utiles • Circulation de matière : en distinguant : – entrée de H2O et de sels minéraux par les racines – ce qui relève d’une circulation de – entrée de CO2 par les feuilles matière et ce qui relève d’un flux • Flux d’énergie : d’énergie ; – ce qui rentre et ce qui sort de la feuille, – entrée d’énergie lumineuse pour bien traiter l’idée d’échanges. par le rayonnement solaire

2

• Phénomènes : – absorption – transmission – diffusion – photosynthèse

3

a

ÉTAPE 2  Reporter sur le schéma.

• Prendre un code couleur différent pour la circulation de la matière et celle de l’énergie. (b)

Le rayonnement solaire absorbé par les végétaux chlorophylliens permet :

b

4

Rayonnement solaire

Lors de la photosynthèse, le dioxyde de carbone :

L’utilisation pour la photosynthèse du rayonnement solaire absorbé par un organisme chlorophyllien est prouvée par : a le décollement entre le spectre d’absorption des pigments et le spectre d’action photosynthétique b le parallélisme entre le spectre d’absorption des pigments et le spectre d’action photosynthétique c l’absence d’absorption du rayonnement solaire par les pigments

7

Les combustibles fossiles représentent :

Diffusion

Diffusion

a une sédimentation importante sur des temps très courts de la matière organique fabriquée lors de la photosynthèse b une ressource énergétique fabriquée par l’Homme c une sédimentation importante sur des temps très longs de la matière organique fabriquée lors de la photosynthèse

L’énergie chimique est contenue : a dans le rayonnement solaire b dans les espèces chimiques organiques produites lors de la photosynthèse c dans les mouvements d’eau dans la plante

Transmission Absorption CO2

8

La fermentation et la respiration cellulaire : a libèrent l’énergie des espèces organiques b consomment l’énergie des espèces organiques c détruisent l’énergie des espèces organiques

H2O et sels minéraux Flux d’énergie

Flux d’énergie

c

• Écrire de manière lisible les légendes, sans utiliser d’abréviations, en utilisant les noms des phénomènes et les mots clés. (c)

Circulation de matière

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE

Rayonnement solaire

sur le thème « la photosynthèse ».

Transmission Absorption CO2

L’étiquette centrale doit s’intituler

Photosynthèse Molécules organiques

Conversion de l’énergie solaire en énergie chimique

Diffusion

Utiliser un graphisme qui met en valeur vos goûts artistiques pour y associer d’autres étiquettes de votre initiative, ou par exemple :

H2O et sels minéraux Circulation de matière

Flux d’énergie

Rayonnement absorbé

Pour s’entraîner

Production de moléc ules organiques

Construire un schéma expliquant la participation de l’énergie solaire à la formation d’un charbon.

148

Matières minérales Métabolisme

1

Un événement volcanique majeur du Moyen Âge

L’une des plus grandes éruptions volcaniques des 10 000 dernières années a eu lieu en Indonésie au niveau du volcan Samalas. Des millions de tonnes de cendres ont été projetées dans l’atmosphère.  Discuter des conséquences qu’aurait pu avoir cette éruption à l’aide de vos connaissances sur l’importance du rayonnement solaire pour le fonctionnement du monde vivant. La démarche pourra être la suivante :  1. Présenter, en s’appuyant sur un schéma, les connaissances sur l’utilisation directe ou indirecte de l’énergie solaire par les êtres vivants.  2. Prévoir les conséquences d’un affaiblissement de l’énergie solaire reçue par la Terre pour aborder la discussion demandée.

CHAPITRE 6   Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse 149

149

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Rayonnement solaire Organismes chlorophylliens Radiations absorbées Radiations efficaces pour la photosynthèse

CO2, eau et sels minéraux

Conversion de l’énergie solaire en énergie chimique Production de molécules organiques Métabolisme de tous les êtres vivants Respiration

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1

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE

Combustibles fossiles (temps long)

6

a participe à la formation de molécules organiques b est minéralisé c est libéré dans l’air

Rayonnement solaire

Transmission Absorption

• Dessiner des flèches représentant les échanges identifiés. Attention au sens des flèches ! (a)

Dans sa dimension planétaire, la photosynthèse permet : a la nutrition des organismes chlorophylliens et uniquement eux b la nutrition de tous les êtres vivants c la production en routine de combustibles fossiles indispensables à l’Homme

a la synthèse de matière minérale à partir d’eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone b la synthèse de matière organique à partir d’eau, de sels minéraux et de dioxyde de carbone c la synthèse de matière organique et de dioxyde de carbone à partir de sels minéraux et d’eau

• Mots clés : – rayonnement solaire – CO2 – H2O – molécules organiques

• Faire la liste des mots clés.

5

La photosynthèse : a utilise toute la puissance solaire b utilise une petite fraction de la puissance solaire c convertit l’énergie solaire en énergie mécanique

Application

• Faire la liste de tous les phénomènes impliqués dans les échanges.

Parmi les affirmations suivantes, choisissez la réponse exacte.

Fermentation

Libération d’énergie Fonctionnement de tous les êtres vivants

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Un événement volcanique majeur du Moyen Âge

1. On sait que l’énergie solaire est indispensable au fonctionnement du monde vivant : – de manière directe dans le cas des organismes chlorophylliens, puisque le rayonnement solaire qu’ils absorbent permet la synthèse de matière organique ; – de manière indirecte pour les autres organismes, car ils consomment et utilisent les molécules organiques qui sont produites lors de la photosynthèse et qui circulent dans la biosphère. 2. Lors de l’éruption du volcan Samalas, des millions de tonnes de cendres ont été projetées dans l’atmosphère. Cette éruption a dû opacifier l’atmosphère et perturber la transmission du rayonnement solaire. Si le rayonnement solaire parvenant au sol est moins important, la photosynthèse est atténuée. Une moindre photosynthèse entraînant une moindre circulation de matière dans la biosphère, l’affaiblissement de l’énergie solaire reçue par la Terre peut avoir des conséquences pour tout le monde vivant. Néanmoins, cela dépend de la durée de persistance dans l’atmosphère des composants issus de l’activité volcanique.

Indicateurs de réussite L ’étiquette centrale est connectée au plus grand nombre d’étiquettes et les liens logiques sont respectés. L ’étiquette centrale est reliée d’une part aux conditions nécessaires à la conversion de l’énergie solaire en énergie chimique, d’autre part aux produits issus de cette conversion.  es étiquettes nouvelles sont proposées, par exemple pour montrer D les devenirs possibles des produits de la photosynthèse. L ’importance du rayonnement solaire pour l’ensemble du monde vivant est bien perceptible. THÈME 2 ● CHAPITRE 6 ● Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse

103

CHAPITRE 6 Livre de l’élève EXERCICES Extraire des informations

4 Vers la cessation de l’utilisation des combustibles fossiles OBJECTIF À partir de l’étude d’un combustible fossile ou d’une roche de son environnement, discuter son origine biologique.

La quasi-totalité du charbon présent dans le sous-sol continental s’est formé entre –360 Ma et –295 Ma au Carbonifère, par accumulation de la biomasse végétale issue de forêts denses.

Il a l’idée de cultiver des pommes de terre au sein de son habitacle, et non à l’extérieur, en utilisant comme engrais naturel les excréments de l’équipage.

Le démarrage de l’exploitation des gisements de charbon s’est fait avec la révolution industrielle à la fin du xviiie siècle. En France, la dernière mine de charbon – située à La Houve (Moselle) – a fermé en 2004.

 1. Faire une recherche documentaire sur les caractéristiques du sol et de l’atmosphère de Mars par rapport à celles de la Terre.  2. Justifier alors les conditions de culture choisies par Mark Watney.

En mettant en parallèle deux échelles de temps différentes, montrer en vous appuyant sur l’exemple du charbon, que l’arrêt de l’utilisation des combustibles fossiles est inéluctable.

doc. Mark Watney (joué par l’acteur Matt Damon)

Des algues étonnantes

Depuis une dizaine d’années, les chercheurs explorent les ressources du monde vivant pour alimenter des biopiles. Les biopiles fonctionnent comme des piles classiques (dites à combustibles) en transformant l’énergie chimique en énergie électrique. Alors que la pile chimique utilise généralement des métaux, les composants de la biopile sont renouvelables. Dans le cas de la biopile végétale, c’est la photosynthèse qui est utilisée pour la création d’électricité.

Gaz naturel

Charbon

Consommation 1830-1998

doc. Les combustibles fossiles :

100

100

50

50

0 400

450 Bleu

500

Algues vertes

550 600 650 700 Vert Rouge λ (en nm)

0

Algues rouges

Des chercheurs du centre de recherche Paul-Pascal (CNRS) à Pessac (en Gironde) ont mis au point en 2010 une biopile qui fonctionne à partir des produits de la photosynthèse (glucose, dioxygène). La biopile est composée de deux électrodes modifiées avec des enzymes servant de catalyseurs. La réaction entre le glucose et le dioxygène libère des électrons qui sont utilisés par la pile pour produire du courant. Cette pile est insérée dans un cactus. Elle peut générer une puissance de 9 μW par cm2. C’est insuffisant pour allumer une ampoule ! Mais on espère qu’à l’avenir ce type de dispositif pourra transformer de manière quantitativement intéressante l’énergie solaire en énergie électrique.

et spectres d’absorption des algues vertes et des algues rouges

400 0

a. Des algues rouges du littoral  1. Décrire le devenir des différentes radiations lumineuses dans l’eau selon la profondeur.  2. Comparer les radiations efficaces (longueurs d’onde) pour la photosynthèse chez les algues rouges et chez les algues vertes.  3. En déduire l’intérêt de la pigmentation étonnante des algues rouges.

150

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CORRIGÉS DES EXERCICES

Cultiver des pommes de terre sur Mars

1. L ’atmosphère de Mars est en majorité composée de dioxyde de carbone (96 %), d’argon (1,93 %) et de diazote (1,89 %). Elle se distingue donc de l’atmosphère terrestre par sa richesse en dioxyde de carbone et l’absence de dioxygène. Alors que les sols sur Terre contiennent des matières minérales, des matières organiques, de l’air et de l’eau, le sol de Mars est un sol rocailleux, auquel des oxydes de fer donnent une couleur rouge-orangé caractéristique. 2. P  our pouvoir se nourrir Mark Watney décide de cultiver des pommes de terre au sein de son habitacle, et non à l’extérieur, car la composition du sol de Mars est peu favorable aux cultures. Pour reproduire la richesse en matières minérales et organiques d’un sol, Mark préfère utiliser comme engrais naturel les excréments de l’équipage qui fourniront, entre autres, l’équivalent des sels minéraux habituellement présents dans un sol et non disponibles dans le sol rocailleux de Mars. Il pourra par ailleurs, dans l’habitacle, contrôler l’apport en eau indispensable à la photosynthèse.

Des biopiles qui utilisent la photosynthèse

1. L e cactus absorbe l’énergie lumineuse pour synthétiser de la matière organique à partir d’eau, de sels minéraux et de CO2. Le dioxygène est un déchet de cette photosynthèse. La réaction entre le glucose et le dioxygène libère des électrons utilisés par la pile, composée de deux électrodes insérées dans le cactus, pour produire un courant. 2. La biopile fonctionne à partir des produits de la photosynthèse (glucose, dioxygène), elle-même naturellement alimentée par une source d’énergie inépuisable (l’énergie solaire). On peut donc considérer la biopile comme une ressource renouvelable.

Bleu 450

500

λ (en nm) Vert 550 600

Rouge 650

700

10 20 30 40

c. Profondeur de disparition des différents rayonnements lumineux dans l’eau

CHAPITRE 6   Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse 151

150

104

Pétrole

Réserves prouvées

b. Représentation graphique des spectres d’action

D’après www.crpp-bordeaux.cnrs.fr.

3

100

1 Gtep = 1 milliard de tonnes équivalent pétrole.

OBJECTIF Comparer les spectres d’absorption et d’action photosynthétique d’un végétal.

pour prendre conscience de l’importance planétaire de la photosynthèse.

2

300 200

réserves prouvées versus consommation

5

doc. Une biopile dans un cactus

OBJECTIF Recenser, extraire et organiser des informations

 1. Expliquer, à l’aide des connaissances et des informations extraites des documents, comment un cactus contenant une biopile peut produire de l’électricité en réalisant la photosynthèse.  2. Justifier le fait que la biopile utilisant la photosynthèse soit considérée comme une ressource renouvelable.

400

Spectre d’absorption (en % de l’absorption totale)

Des biopiles qui utilisent la photosynthèse

500

0

en train de cultiver des pommes de terre dans son habitacle sur Mars

3

700 600

Gtep

Dans le film Seul sur Mars (Ridley Scott, 2015), l’astronaute et biologiste Mark Watney est laissé pour mort sur Mars à la suite d’une tempête qui a contraint son équipage à quitter la planète rouge. Pour survivre, il doit produire lui-même sa nourriture.

Spectre d’action (en % de l’absorption totale)

Cultiver des pommes de terre sur Mars

OBJECTIF Recenser, extraire et organiser des informations pour prendre conscience de l’importance planétaire de la photosynthèse.

Profondeur (en m)

2

Analyser des informations et raisonner EXERCICES

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4 Vers la cessation de l’utilisation des combustibles fossiles Il a fallu des dizaines de millions d’années pour que des forêts denses produisent la matière végétale qui s’est lentement accumulée et transformée pour aboutir au charbon présent dans le sous-sol continental. À partir de la révolution industrielle, l’homme a exploité les gisements de charbon. Il ne lui a fallu que 140 ans pour consommer un sixième du charbon que la nature a mis 65 Ma à fabriquer. Le rythme d’utilisation des combustibles fossiles est donc largement supérieur à leur rythme de formation, ce qui montre que l’arrêt de l’utilisation des combustibles fossiles est inéluctable.

5

Des algues étonnantes

1. Les radiations lumineuses ont tendance à disparaître dans l’eau au fur et à mesure de leur pénétration en profondeur. À 10, 15 et 30 mètres de profondeur, les radiations respectivement rouges, bleues et vertes ont totalement disparu. Les radiations vertes sont donc les seules à persister entre 15 et 30 mètres de profondeur. 2. Chez les algues vertes, les radiations les plus absorbées par les pigments sont les radiations situées dans le bleu et dans le rouge. Le spectre d’absorption se superpose au spectre d’action : les radiations les plus absorbées sont donc aussi celles qui sont les plus efficaces pour la photosynthèse. Chez les algues rouges, les radiations les plus absorbées par les pigments sont les radiations situées dans le bleu et dans le rouge mais aussi dans le vert. On n’observe pas de parfaite superposition du spectre d’absorption et du spectre d’action. 3. Les algues rouges, pour être rouges, doivent posséder des pigments que ne possèdent pas les algues vertes. Cela leur permet d’absorber les radiations vertes là où aucune autre radiation n’est présente, c’est-à-dire entre 15 et 30 mètres de profondeur. Ces radiations étant efficaces pour la photosynthèse, les algues rouges peuvent occuper la tranche d’eau comprise entre 15 et 30 mètres de profondeur.

Livre de l’élève EXERCICES

EXERCICES

Vers le BAC exercice guidé

exercice non guidé Vers le BAC

7 Un jardinier étourdi OBJECTIFS Exploiter des documents – Rédiger une argumentation scientifique.

Sur un pied de maïs éclairé, une feuille est enfermée durant cinq minutes dans une boîte transparente contenant du 14 CO2. On retire ensuite la boîte et on estime la radioactivité 24 heures plus tard dans les grains de l’épi. Les résultats sont les suivants : Radioactivité (– nulle, +++ importante)

 À partir des informations tirées des documents et de vos connaissances, démontrer que la culture des plantes vertes permettrait effectivement de fournir de la nourriture à l’équipage dans le vaisseau spatial et identifier le dispositif d’éclairage approprié.

1

400

500

600 λ (en nm)

700

800

Avant l’expérience

24 heures après l’expérience

74 % d’amidon (glucide)

–

+++

2 % de cellulose (glucide)

–

+++

10 % de protéines

–

+++

4 % de matières grasses

–

+++

1,5 % de sels minéraux

–

–

–

–

8,5 % d’eau

Après avoir répandu l’herbicide dans son jardin, le jardinier est déçu du résultat : au bout de plusieurs semaines, il y a certes moins de mauvaises herbes, mais ses plantations se développent moins bien et ont perdu leur couleur verte !

 À partir des informations tirées des documents et de vos connaissances, expliquer le mode d’action de l’amitrole responsable de l’état actuel du jardin.

D’après Physiologie du maïs, INRA Versailles, 1982. 1

a. Radioactivité dans les grains d’un plant de maïs après avoir fourni du 14CO2 à une de ses feuilles

400

500

600 λ (en nm)

700

800

1

0

400

500

600 λ (en nm)

700

800

Lampe incandescente Lampe fluorescente Lampe fluorescente incandescente

b. Représentations graphiques des spectres d’émission de diverses lampes candidates pour l’éclairage artificiel

100

4

75

3

50

2

25

1

0 400

500

600 λ (en nm)

700

800

Activité photosynthétique (CO2 fixé, en U.A.)

0

Absorption de la lumière (en % de l’absorption totale)

Puissance radiative (en W.m–2)

0

Composition en masse du grain de maïs

Pour se débarrasser des mauvaises herbes de son jardin, un jardinier achète un herbicide, l’amitrole. Son achat a été motivé par l’étiquette du produit qui indique : « très peu persistant dans le sol où il est rapidement décomposé par voie microbienne ». Il n’a toutefois pas vu l’annotation : « herbicide peu sélectif ».

c. Spectre d’absorption de la chlorophylle et activité photosynthétique

GUIDE D’EXPLOITATION 1. Prouver que la photosynthèse fournit effectivement des espèces chimiques utiles pour l’alimentation humaine. 2. Repérer les longueurs d’ondes des rayonnements efficaces pour la photosynthèse.

100 80 60 40 20 0 5

Activité photosynthétique (CO2 fixé, en U.A.)

Les scientifiques souhaitent mettre au point des voyages habités entre la Terre et Mars. Pour assurer l’alimentation de l’équipage pendant plusieurs années, il est envisagé d’emporter des semences pour cultiver des plantes vertes. Pour permettre la photosynthèse, un éclairage artificiel sera indispensable dans le vaisseau spatial.

Absorption (en % de l’absorption totale)

6 La photosynthèse au service des spationautes ? OBJECTIFS Exploiter des documents – Rédiger une argumentation scientifique.

4 3 2 1 0 400

Bleu

500

Chlorophylle a

Vert 600 λ (en nm)

Rouge

Chlorophylle b

700

Caroténoïdes

b. Représentations graphiques des spectres a. Des plantes du jardin après l’utilisation de l’amitrole Concentration en masse en amitrole (en mg·L–1)

Taille des jeunes plants (en mm)

d’absorption de différents pigments et de l’activité photosynthétique

Masse de chlorophylle par plant (en μg)

Masse de caroténoïdes par plant (en μg)

0 (témoin)

105,5

56,6

12,7

0,80

98,9

46,8

11,0

1,6

93,8

26,8

3,2

77,5

7,3

1,3

8,0

72,1

2,0

0,5

16

38,3

1,7

0,3

6,7

c. Culture de grains de blé germés sur du papier filtre imprégné d’amitrole à différentes concentrations en masse

La taille des jeunes plants ainsi que la concentration en masse de deux pigments foliaires (chlorophylle et caroténoïdes) sont mesurées douze jours après la mise en culture.

3. Rechercher parmi les trois lampes candidates celle qui émet de manière significative les rayonnements utiles. 152

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CHAPITRE 6   Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse 153

153

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7 Un jardinier étourdi

CORRIGÉS DES EXERCICES

6 La photosynthèse au service des spationautes ? Dans un premier temps, on veut démontrer que la culture des plantes vertes permettrait de fournir de la nourriture à l’équipage dans le vaisseau spatial. Le doc. a présente une expérience dans laquelle du CO2, dont l’atome de carbone est radioactif, est délivré à des feuilles de végétaux chlorophylliens éclairés. Au bout de 24 heures, une forte radioactivité est observée dans l’amidon des grains de blé, dans la cellulose, dans les protéines et dans les lipides. Cela prouve qu’à la lumière les végétaux ont incorporé le CO2 dans différents types de molécules organiques. Ils sont donc capables d’absorber le CO2 pour synthétiser, lors de la photosynthèse, une grande variété de molécules organiques pouvant servir de nourriture à un équipage. On veut ensuite identifier le dispositif d’éclairage approprié. D’après le spectre d’absorption de la chlorophylle et le spectre d’action photosynthétique donnés par le doc. c, la chlorophylle absorbe environ 70 % des radiations émettant dans le rouge (vers 700 nm) et le bleu (vers 400 nm), et moins de 30 % de celles émettant dans le vert (entre 500 et 600 nm). Ce spectre se superpose au spectre d’action photosynthétique, ce qui montre que les radiations les plus absorbées (les radiations bleues et rouges) sont les plus efficaces pour la photosynthèse. Pour éclairer les cultures lors du voyage spatial, trois lampes candidates sont présentées (doc. b). Comme les lampes fluorescentes émettent des radiations de forte puissance radiative de mêmes longueurs d’ondes que celles qui sont efficaces pour la photosynthèse, ces lampes seront les plus appropriées pour la photosynthèse des végétaux placés sous un éclairage artificiel.

Le doc. b présente les spectres d’absorption de différents pigments ainsi que le spectre d’action photosynthétique. L’analyse du spectre d’absorption propre à chacun des pigments montre que les chlorophylles a et b absorbent de manière importante les radiations situées dans le bleu-violet et dans le rouge, tandis que les caroténoïdes absorbent de manière importante les radiations situées dans le bleu, le vert mais aussi dans le orange. L’analyse du spectre d’action photosynthétique montre que les radiations pour lesquelles la photosynthèse est la plus efficace sont les radiations bleues, violettes et rouges. La comparaison des deux spectres indique donc que les radiations les plus absorbées par l’ensemble (caroténoïdes + chlorophylle a + chlorophylle b) sont justement les plus efficaces pour la photosynthèse. Ceci prouve le rôle important joué par ces pigments lors de la photosynthèse. Le doc. c présente sous la forme d’un tableau les résultats de mesures effectuées sur des grains de blé germés, cultivés sur du papier filtre imprégné d’amitrole à différentes concentrations. On mesure la taille et la teneur en pigments (caroténoïdes et chlorophylle) des jeunes plants issus de la germination de ces grains. On observe que les plants traités à l’amitrole ont une taille et une quantité de pigments moins importantes que celles du témoin non traité. Par ailleurs, la diminution de la taille des plants et de leur teneur en pigments est d’autant plus marquée que la concentration en amitrole est importante. Ces mesures prouvent que l’amitrole a une action inhibitrice sur la production des pigments (caroténoïdes et chlorophylle) des végétaux et sur leur croissance. Or, d’après le doc. b, les caroténoïdes et la chlorophylle jouent un rôle important dans la photosynthèse. Finalement, le jardinier a répandu dans son jardin un herbicide non sélectif qui a fait disparaître chez ses plantes des pigments indispensables à la photosynthèse et donc à la croissance des plants.

THÈME 2 ● CHAPITRE 6 ● Une conversion biologique de l’énergie solaire : la photosynthèse

105

CHAPITRE 7 Livre de l’élève

CHAPITRE

7

Le bilan thermique du corps humain

La température du corps humain est stable, aux alentours de 37 °C. En fonction de la température de l’environnement, différents mécanismes physiques et chimiques, permettent au corps de libérer ou d’absorber de l’énergie.

b. Lors d’un effort physique important, la température de la peau augmente et des gouttelettes de sueur peuvent être observées à sa surface.

Quels mécanismes permettent de maintenir stable la température corporelle ? ➞ activité 1

c. Le corps humain convertit l’énergie contenue dans les aliments pour réaliser son métabolisme. Les conversions énergétiques réalisées libèrent de l’énergie par transfert thermique. Quelles conversions d’énergie se déroulent dans le corps ? ➞ activité 2

TEASER

Vidéo

d. Des comportements simples permettent de limiter les risques liés à l’exposition à des températures importantes.

Comment se protéger en cas de canicule ?

a. Sur cette image, appelée  thermogramme , les zones représentées avec des couleurs « chaudes » émettent des quantités élevées de chaleur tandis que celles en couleurs « froides » émettent moins de chaleur.

Comment se réalisent les transferts d’énergie entre le corps humain et son environnement ? ➞ activité 1 154

CHAPITRE 7   Le bilan thermique du corps humain 155

154

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Les grandes idées à construire L es chapitres précédents ont permis de montrer que l’essentiel de l’énergie disponible à la surface de la Terre est d’origine solaire. Cette énergie lumineuse est convertie en énergie chimique par la photosynthèse. Les êtres vivants hétérotrophes, comme l’être humain, récupèrent cette énergie en consommant d’autres êtres vivants. Si une partie de cette énergie permet de faire fonctionner les cellules, une autre est directement perdue sous forme d’énergie thermique et est libérée dans l’environnement. L ’objectif de ce chapitre est d’identifier les transferts thermiques entrant et sortant et de montrer comment leur importance varie en fonction des conditions environnementales. On comprend ainsi que la température du corps humain reste stable, aux alentours de 37 °C, car l’énergie qu’il libère est compensée par l’énergie dégagée par la respiration cellulaire ou les fermentations.  lobalement, la puissance thermique libérée par un corps humain G dans les conditions de vie courante, au repos, est de l’ordre de 100 W.

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Ce que disent les documents a Les transferts de chaleur entre le corps humain et son environnement ne se font pas partout avec la même intensité. Par exemple, ils sont moindres au niveau du cuir chevelu car le cheveu constitue un isolant thermique.

b L’évaporation de la sueur au niveau de la peau est un moyen efficace de transférer de l’énergie thermique vers le milieu extérieur. Des pertes d’eau au niveau de la peau ont lieu en permanence mais elles sont plus importantes lors d’un effort physique ou lorsque la température extérieure est élevée. Le phénomène de transpiration joue un rôle important pour le contrôle de la température du corps. c L’énergie permettant la réalisation des travaux cellulaires est apportée par la nourriture. Toute l’énergie chimique potentielle des aliments n’est pas convertie en énergie chimique utilisable par les cellules : une partie est perdue sous forme d’énergie thermique. d Teaser : cette vidéo permet d’illustrer les réponses des populations humaines à des températures extérieures importantes. Certaines de ces réponses sont directement liées à la thermorégulation : l’utilisation de brumisateurs, de climatiseurs ou le fait de boire constituent différents moyens permettant de maintenir une température corporelle stable. D’autres éléments présentés dans cette vidéo sont liés à la chaleur et à l’insolation, mais pas directement au problème de la thermorégulation : utilisation de crème solaire, kinésithérapie…

106

Progression dans le chapitre AC TIVITÉ

1

TÂCHE COMPLEXE

Problèmes scientifiques  uels sont les différents Q modes de transfert thermique entre l’organisme et le milieu extérieur ? C omment varie l’intensité de ces transferts en fonction de la température extérieure ?

Compétences travaillées Expérimenter. Interpréter des résultats. C ommuniquer dans un langage graphique scientifiquement approprié.

Idées clés L es transferts thermiques entre l’organisme et le milieu extérieur peuvent se faire par conduction, convection, rayonnement et évaporation. L ’intensité des différents transferts thermiques change en fonction des conditions environnementales. C es variations mettent en jeu des mécanismes physiologiques et comportementaux.

AC TIVITÉ

2

Problèmes scientifiques

Compétences travaillées

 uelles conversions d’énergie Q se déroulent au sein du corps humain ?

 xtraire et organiser E des informations.

 uelle est la puissance Q thermique moyenne libérée par un individu ?

 tiliser des logiciels U d’acquisition et de traitement de données.

Calculer.

Expérimenter.

Idées clés L ’énergie des nutriments est transformée en énergie utilisable par les cellules par la respiration et la fermentation. Une partie de l’énergie des nutriments est alors dissipée sous forme d’énergie thermique. L a puissance thermique libérée par un corps humain dans les conditions de vie courante, au repos, est de l’ordre de 100 W.

THÈME 2 ● CHAPITRE 7 ● Le bilan thermique du corps humain

107

CHAPITRE 7 Livre de l’élève ACTIVITÉ

1

TÂCHE XE COMPLE

2

La stabilité de la température corporelle

Identifier des mécanismes permettant de réguler la température du corps humain

La température du corps humain est le plus souvent différente de celle de son environnement. Si les transferts thermiques entrant sont supérieurs aux transferts thermiques sortant, alors la température du corps humain augmente. Sinon, elle diminue.

MISSION Vous êtes illustrateur scientifique pour un grand quotidien. Votre rédacteur en chef vous demande de réaliser un schéma montrant les différents types de transfert thermique entre le corps humain et son environnement. Accompagnez votre illustration d’un texte présentant quelques mécanismes permettant de faire varier l’intensité de ces transferts en fonction de la température de l’environnement.

Identifier les modes de transfert thermique entre le corps humain et son environnement IENC EXPÉR

E

b. La transpiration

Quand la température extérieure est élevée ou que le corps réalise un effort physique important, de la sueur, majoritairement constituée d’eau est libérée au niveau de la peau.

Transfert thermique par… conduction : le transfert d’énergie nécessite un contact entre les deux systèmes

OBJECTIF Déterminer l’effet de différents paramètres sur la température de la peau.

convection : le transfert d’énergie est lié à un déplacement de matière

PROTOCOLE À l’aide d’un thermomètre infrarouge, relever la température de votre peau au niveau du front ou de la tempe dans différentes conditions :

rayonnement : l’énergie est transférée par l’intermédiaire d’une onde électromagnétique

• en condition témoin ; • immédiatement après un contact de 5 à 10 secondes entre la peau et un bécher rempli d’eau à 4 °C ;

• immédiatement après un contact de 5 à 10 secondes

avec la peau placée à proximité d’une lampe à incandescence ;

• immédiatement après avoir mouillé la peau avec de l’eau à 37 °C.

15

10

5

0 Hiver

adipeux brun de 8 sujets différents, en été et en hiver

Les barres verticales représentent les écarts types.

changement d’état : la transformation de l’état solide à liquide (fusion), ou de l’état liquide à gazeux (vaporisation) nécessite de l’énergie.

d. Localisation du tissu adipeux brun

Une partie de la population humaine possède du tissu adipeux brun, dont les cellules convertissent l’énergie chimique des nutriments en énergie thermique.

DONNÉES

a. Les transferts thermiques

Le transfert thermique est un mode de transfert d’énergie entre deux systèmes. Ce transfert thermique peut se faire de plusieurs manières.

En moyenne, un humain produit entre 0,5 et 1 litre de sueur par jour. En cas de forte chaleur ou d’activité physique importante, la production de sueur peut atteindre 3 litres par jour.

156

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COUPS DE POUCE Pour chacune des conditions expérimentales testées [➞ expérience], identifiez le mode de transfert thermique mis en jeu entre le corps et l’environnement (doc. a). Identifiez les types de transfert thermique dont l’intensité peut varier lorsqu’il fait chaud (doc. b) et lorsqu’il fait froid (docs. c, d et e). [➞ méthode p. 162] CHAPITRE 7   Le bilan thermique du corps humain 157

156

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s problèmescientifiques  uels sont les différents modes de transfert thermique entre Q l’organisme et le milieu extérieur ? C omment varie l’intensité de ces transferts en fonction de la température extérieure ?

Mobilisation des acquis  u en cycle 3 (Sciences et technologie) : l’énergie existe sous V différentes formes (énergie associée à un objet en mouvement, énergie thermique, électrique…). Vu en cycle 4 (Physique-Chimie) : identifier les sources, les transferts, les conversions et les formes d’énergie.

Les grandes idées à construire L es transferts thermiques entre l’organisme et le milieu extérieur peuvent se faire par conduction, convection, rayonnement et évaporation. L ’intensité des différents transferts thermiques change en fonction des conditions environnementales. C es variations mettent en jeu des mécanismes physiologiques (transpiration, vasodilatation…) et comportementaux (tenue vestimentaire, déplacements vers des endroits à température plus faible, plus élevée…).

Les compétences travaillées Expérimenter. Interpréter des résultats. Communiquer dans un langage graphique scientifiquement approprié.

108

20

Été

DONNÉES Un thermomètre infrarouge ne mesure pas directement la température d’un corps. Il mesure le rayonnement infrarouge émis par ce corps et le convertit en température.

à température faible

e. Consommation moyenne de glucose par le tissu

entre la peau et un bécher rempli d’eau à 50 °C ;

• avec un ventilateur soufflant de l’air sur votre peau ; • immédiatement après quelques secondes passées

c. Les réponses à un environnement

Consommation de glucose par le tissu adipeux brun (en U.A.)

1

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Les représentations de l’élève  ans le langage courant, le terme « chaleur » est souvent utilisé D comme synonyme de « température élevée ». En sciences, la température d’un corps est liée à l’agitation des particules (atomes, ions, molécules) qui le composent : plus l’agitation des particules est importante, plus la température est élevée. La chaleur désigne quant à elle un mode d’échange d’énergie entre deux systèmes. La quantité de chaleur échangée est souvent notée Q et s’exprime en joules (J).

Ce que disent les documents 1 L’expérience sert à mettre en évidence quelques modes de

transfert thermique dont des exemples sont donnés dans le doc. a. Les élèves doivent faire le rapprochement entre les différentes conditions expérimentales testées et le document présentant les types de transfert. ? Idée de question : Quelles autres conditions expérimentales auraient pu être testées ?

Il aurait également été possible de tester l’effet d’un souffle d’air chaud (radiateur soufflant), d’un souffle d’air froid (ventilateur placé à proximité d’un bac de glace), du contact de la peau avec de l’eau chaude ou de l’eau froide. ?

Idée de question : Quelles sont les limites de cette expérience ?

Les mesures faites par les thermomètres infrarouges disponibles dans le commerce sont généralement sensibles à la distance entre ceux-ci et la peau : de petites variations de distance peuvent donner des valeurs de températures différentes de quelques dixièmes de degré. C’est pour cela qu’il est important, pour une condition expérimentale donnée, de faire plusieurs fois la mesure de température afin de calculer une valeur moyenne.

Idée de question : Dans quelles situations de la vie courante il y a-t-il des transferts thermiques par conduction, par convection, par rayonnement ou par évaporation ? ?

Dans la vie courante, des transferts thermiques par conduction sont mis en jeu lorsque l’on touche des objets ayant une température supérieure ou inférieure à celle du corps. Les transferts thermiques par convection s’effectuent lorsqu’il y a un mouvement relatif entre le corps et l’air (soit le corps se déplace, soit il y a du vent, soit les deux effets se conjuguent) et que la température de l’air est différente de celle du corps. Le transfert thermique par rayonnement le plus perceptible est celui dû au Soleil. Enfin, le transfert thermique par évaporation peut être perçu par l’action d’un brumisateur. Les gouttelettes d’eau, en s’évaporant, permettent de refroidir le corps.

2 Lorsque la température du corps s’élève, la transpiration et l’évaporation qui s’ensuit permettent de transférer de l’énergie thermique du corps vers l’atmosphère (doc. b). Lorsque l’on a froid, le fait de se vêtir permet de limiter les transferts thermiques entre le corps et son environnement. La position recroquevillée permet de limiter la surface de contact entre le corps et l’atmosphère, ce qui réduit l’intensité des transferts thermiques (doc. c). La température corporelle peut être ajustée grâce au fonctionnement du tissu adipeux brun, dont les cellules convertissent l’énergie chimique des nutriments en énergie thermique (docs. d et e). ? Idée de question : Quelles autres modifications physiologiques et/ou comportementales peuvent se produire lorsque l’on éprouve une sensation de froid ou de chaleur ? (Voir Le saviez-vous ? ci-contre.)

Vidéo : Quelle est la température du corps humain ?, Les essentiels de Jamy, 2018, www.youtube.com/watch?v=mnrIsSdtDZw.

Les

pour préparer votre séance

 révoir des thermomètres infrarouges en nombre suffisant (un P pour chaque groupe d’élèves). L’avantage de tels thermomètres est que la lecture de la température est instantanée. Par contre, la valeur affichée varie souvent de quelques dixièmes de degrés lors de mesures consécutives à un même endroit. Il est donc important de réaliser plusieurs mesures pour chaque condition afin de calculer une température moyenne.  lacer un nombre suffisant (un pour chaque groupe d’élèves) de P béchers dans un réfrigérateur d’une part, et dans une étuve à 50 °C, d’autre part. Ces béchers devront être remplis d’eau : l’inertie thermique de celle-ci permettra que les béchers retournent moins vite à la température de la salle de cours que s’ils étaient vides.  ettre en garde les élèves pour qu’ils ne se brûlent pas avec les M lampes à incandescence. Manipulation complémentaire : placer des objets non vivants (des roches par exemple) au réfrigérateur et à l’étuve. Les sortir afin de les exposer à la température de la salle de cours. Mesurer la température de ces objets à intervalles de temps réguliers. Représenter sur un graphique l’évolution de la température des objets en fonction du temps. Figurer la température de la salle de cours sur le graphique obtenu. L’intérêt de cette manipulation est de montrer que la température d’un objet non vivant s’équilibre avec la température de l’espace dans lequel il est placé. Comme ce n’est pas le cas pour l’espèce humaine, c’est qu’il existe chez celle-ci des mécanismes permettant de maintenir la température du corps constante malgré des températures environnementales variées.  u lieu d’être dessiné sur une feuille, le schéma demandé dans A l’activité peut être réalisé à l’aide d’un logiciel de dessin, par exemple Inkscape (logiciel libre de dessin vectoriel). Prévoir de mettre à disposition la fiche technique du logiciel.

Fiches techniques Inkscape : disciplines.ac-toulouse.fr/svt/files/inkscapeft-ece-niv1-pdf et disciplines.ac-toulouse.fr/svt/files/inkscapeft-ece-niv2-pdf. Fiches techniques pour les SVT : disciplines.ac-toulouse.fr/svt/fiches-techniques.

LE SAVIEZ-VOUS ? L es notions de température et de chaleur sont distinctes mais liées. Lors d’un transfert de chaleur d’un objet A à un objet B, la température de l’objet A va le plus souvent diminuer alors que celle de l’objet B va le plus souvent augmenter. Il existe cependant des exceptions comme lors des changements d’état. Durant la fonte d’un glaçon par exemple, c’est la chaleur apportée au système (celle de l’air environnant par exemple) qui permet la fusion (passage de l’état solide à l’état liquide). Il y a un transfert d’énergie de l’atmosphère au glaçon. Pourtant la température du mélange glaçon-eau reste constante, à 0 °C, durant tout le changement d’état.  ifférents phénomènes biologiques et mécanismes D comportementaux permettent de maintenir stable la température du corps quand celle de l’environnement est basse : – la vasoconstriction des vaisseaux sanguins cutanés : diminution du diamètre des vaisseaux sanguins ; – les frissons : tremblement involontaire, plus ou moins généralisé. La contraction des muscles convertit l’énergie chimique des nutriments en énergie thermique ; – l’ajout de vêtements.  l’inverse, quand la température extérieure est élevée, différents À phénomènes biologiques et mécanismes comportementaux permettent de transférer de l’énergie thermique vers l’environnement : – la vasodilatation des vaisseaux sanguins cutanés : augmentation du diamètre des vaisseaux sanguins ; – la transpiration : libération de sueur au niveau de la peau ; – le retrait de vêtements. C e n’est pas la transpiration en elle-même qui permet au corps de perdre de la chaleur, c’est l’évaporation de la sueur produite. Pour refroidir efficacement le corps, il est donc important de ne pas éponger la sueur.  uand la température extérieure devient supérieure à la Q température corporelle, l’évaporation est alors le seul moyen de perdre de la chaleur. L’évaporation ne peut se faire que si l’air n’est pas saturé en vapeur d’eau. F ace à la chaleur, nous ne sommes pas tous égaux suivant notre âge. Les bébés et les jeunes transpirent beaucoup naturellement, et régulent ainsi leur température corporelle. Le risque associé à cela est une déshydratation importante. Pour les personnes âgées, la problématique est différente car chez elles, la transpiration est moins efficace, et malgré l’hydratation, le risque est une augmentation importante de la température corporelle. Il faut donc faire baisser la température, grâce à la brumisation ou à des pièces climatisées.

Indicateurs de réussite L es différents types de transferts thermiques sont représentés : conduction, convection, rayonnement, évaporation. L es règles de réalisation d’un schéma sont respectées : il est suffisamment grand, propre et lisible ; une légende complète et un titre approprié sont présents. L es mécanismes permettant de faire varier l’intensité des transferts thermiques sont identifiés : transpiration, vêtements, tissu adipeux brun…

THÈME 2 ● CHAPITRE 7 ● Le bilan thermique du corps humain

109

CHAPITRE 7

2

2

Conversion d’énergie dans le corps humain Le fonctionnement du corps humain nécessite de la matière et de l’énergie, apportées par l’alimentation. L’utilisation de l’énergie libérée par la nourriture lors de sa transformation permet le fonctionnement des cellules. OBJECTIF Décrire les conversions d’énergie qui se déroulent dans le corps humain.

1

A-Z

Agitateur

a. Un calorimètre

Dépenses énergétiques pour quelques activités physiques, pour un individu de 65 kg. La valeur de la dépense énergétique dépend notamment de la masse

L’énergie libérée par un aliment lors de sa transformation peut être mesurée en réalisant la combustion de celui-ci dans un calorimètre de Berthelot.

O2 Échantillon

H2O

VOCABULAIRE

Une conversion d’énergie est la transformation d’une forme d’énergie en une autre. Par exemple, l’énergie chimique de la matière organique est convertie en énergie thermique lors d’une combustion. À l’inverse, lors d’un transfert d’énergie, l’énergie reste sous la même forme. Par exemple de l’énergie thermique peut être transférée entre le corps humain et son environnement.

Tableau complet

Valeur énergétique (en kJ/100 g)

Aliment Tomate, crue

77

Riz blanc, cuit, non salé

b. Valeurs énergétiques

1 110

Saumon, élevage, rôti/cuit au four

874

Bœuf, steak haché 15 % MG, cuit

996

Yaourt, lait fermenté ou spécialité laitière, nature

239

Mousse au chocolat (base laitière), rayon frais

756

Tarte aux fraises

1 320

Jus d’orange, maison

191

Eau

0

En présence d’O2 Énergie des nutriments

Cellule RESPIRATION

Énergie utilisée par la cellule

DÉCHETS (CO2 + H2O) En l’absence d’O2 Énergie des nutriments

Transfert thermique

Cellule FERMENTATION Énergie utilisée par la cellule

DÉCHETS (Lactate)

Dans le corps humain, les molécules de grande taille composant les aliments (glucides, lipides et protéines) sont d’abord converties en plus petites molécules, les nutriments (glucose notamment), assimilables par les cellules. À l’intérieur de celles-ci, l’énergie contenue dans les nutriments est convertie en d’autres formes d’énergies, soit par respiration (cas le plus fréquent), soit par fermentation (dans les cellules musculaires, en cas d’effort soudain et intense).

Tableau complet

Dépense énergétique (en kcal/30 min)

Activités physiques Rester assis (devant la télévision ou au bureau)

34

Marche (5 km/h), ménage, volley-ball récréatif et yoga

102

Badminton

154

Natation récréative et tennis en double

205

Bicyclette effort moyen, jogging léger

239

Escalade

375

de quelques aliments

A-Z

D’après « Comprendre le tableau des dépenses et apports énergétiques », Université de Sherbrooke (Québec, Canada), www.usherbrooke.ca.

LE SAVIEZ-VOUS ? Les besoins alimentaires varient suivant le sexe, la taille, le poids, l’âge de l’individu et son activité physique. En moyenne, les apports recommandés sont de 2 100 kcal/jour pour une femme et de 2 600 kcal/jour pour un homme. Ces apports se répartissent généralement sur trois repas.

Extrait de la table Ciqual, base de données de référence sur la composition nutritionnelle des aliments, www.ciqual.anses.fr.

Transfert thermique

en fonction du temps et de l’intensité de l’effort

2,5

L’énergie utilisée par le fonctionnement du corps humain au repos, allongé (pour minimiser les dépenses liées aux contractions musculaires), est appelée métabolisme de base.

2,0 1,5 1,0 0,5 0

c. Respiration

et fermentation

Effort intense

0,5

1 1,5 Temps (en min) Effort modéré

2 Repos

PARCOURS 1

DONNÉES

PARCOURS 2

1 Calculer l’apport énergétique d’un repas constitué de 100 g de tomates, 200 g de riz, 150 g de saumon, 125 g de yaourt nature, 125 g de tarte aux fraises et 330 g d’eau. 2 Calculer l’apport énergétique d’un repas constitué de 300 g de frites, 150 g de steak haché, 125 g de mousse au chocolat, 125 g de tarte aux fraises et 330 g de jus d’orange. 3 Calculer la dépense énergétique journalière d’un individu dont l’activité physique est la suivante : 1 heure d’effort intense, 2 heures d’effort modéré, 21 heures de repos. 4 Déduire du résultat précédent la puissance thermique moyenne libérée par cet individu.

158

1 À l’aide de la base de données Ciqual, calculer l’apport énergétique constitué par votre déjeuner de ce midi ou d’hier midi. 2 À l’aide des mesures de VO2 relevées au cours de l’expérience, calculer votre dépense énergétique sur une journée complète. 3 Déduire de vos mesures de VO2 la puissance thermique libérée par votre corps au repos et en activité.

CHAPITRE 7   Le bilan thermique du corps humain 159

158

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VOCABULAIRE

La puissance thermique du corps humain (en W) correspond au transfert thermique libéré vers l’extérieur (en J) chaque seconde. Si l’on considère que les apports externes sont nuls, on peut calculer cette valeur en ne tenant compte que de la libération d’énergie par la transformation des aliments. [➞ fiche méthode 13]

e. Consommation de dioxygène

3,0

0,0

L’unité du Système international pour l’énergie est le Joule (J). D’autres unités sont utilisées, notamment dans le domaine de la nutrition, comme la calorie (cal). 1,0 cal = 4,2 J.

IENCE

La conversion de l’énergie contenue dans les nutriments en énergie utilisable par les cellules nécessite du dioxygène. La dépense énergétique du corps humain peut donc être estimée indirectement grâce au volume de dioxygène consommé. En effet, la consommation d’un litre de dioxygène libère en moyenne une énergie de 4,8 kcal.

612

Frites de pommes de terre, surgelées, cuites en friteuse

EXPÉR

OBJECTIF Déterminer sa consommation en dioxygène (notée VO2) au repos et lors d’une activité physique à l’aide d’un dispositif d’ExAO. [➞ fiche méthode 12]

L’équivalent calorique de l’oxygène

d. de l’individu et de son entraînement.

Identifier les conversions d’énergie dans le corps humain Thermomètre Allumage

Calculer les dépenses énergétiques du corps humain

Les dépenses énergétiques du corps humain peuvent être évaluées indirectement, par l’intermédiaire de la mesure de la consommation de dioxygène.

Consommation de dioxygène O2 (en L)

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

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s problèmescientifiques  uelles conversions d’énergie se déroulent au sein du corps Q humain ?  uelle est la puissance thermique moyenne libérée par un Q individu ?

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Les compétences travaillées Parcours 1 Extraire et organiser des informations. Calculer. Parcours 2 Utiliser des logiciels d’acquisition et de traitement de données.

Mobilisation des acquis  u en cycle 4 (Physique-Chimie) : identification des sources, V transferts, conversions et formes d’énergie, établissement d’un bilan énergétique pour un système simple, et notion de puissance. Vu en seconde (SVT) : – relation entre l’énergie nécessaire au fonctionnement des cellules animale et végétale et l’utilisation de dioxygène et de glucose ; – métabolisme d’une cellule : pour assurer les besoins fonctionnels d’une cellule, de nombreuses transformations biochimiques s’y déroulent ; elles constituent son métabolisme. Une voie métabolique est une succession de réactions biochimiques transformant une molécule en une autre. Le métabolisme dépend de l’équipement spécialisé de chaque cellule (organites, macromolécules dont les enzymes).

Les grandes idées à construire L ’énergie des nutriments est transformée en énergie utilisable par les cellules par la respiration et la fermentation. Une partie de l’énergie des nutriments est alors dissipée sous forme d’énergie thermique. L a puissance thermique libérée par un corps humain dans les conditions de vie courante, au repos, est de l’ordre de 100 W.

110

Expérimenter.

Les représentations de l’élève L a communication de l’industrie agro-alimentaire utilise les termes « calorique » et « énergétique » dans des contextes différents. Les aliments affichés comme adaptés à la perte de poids sont qualifiés de « peu caloriques » alors que certaines boissons sont qualifiées d’« énergétiques ». En revanche, les industriels ne décrivent pas leurs aliments comme « très caloriques » ou « peu énergétiques » alors que, dans le sens où ils sont employés, ces deux adjectifs sont en fait synonymes. En effet, la calorie est une unité de mesure de l’énergie. L e terme « respiration » est souvent confondu avec celui de « ventilation ». Il peut être important de rappeler que l’acception du terme « respiration » dans la vie courante n’est pas la même qu’en biologie. La respiration est un ensemble de réactions chimiques permettant de transférer l’énergie des nutriments en énergie chimique utilisable par la cellule. La ventilation est le renouvellement de l’air dans les poumons, permis par l’alternance inspirationexpiration.

Ce que disent les documents

LE SAVIEZ-VOUS ? L ’espèce humaine est également homéotherme (du grec ancien homoios, qui signifie « semblable », et de thermos, qui signifie « chaud ») : elle est capable de maintenir à peu près constante sa température corporelle, à travers les différents mécanismes vus dans l’activité 1. Chez d’autres espèces, la température interne varie avec celle de l’environnement : elles sont qualifiées de « poïkilothermes », le préfixe poïkilo- signifiant « irrégulier ».

1 La valeur énergétique d’un aliment peut être déterminée en procédant à sa combustion dans un calorimètre (doc. a). Les valeurs énergétiques varient grandement en fonction des aliments (doc. b). L’énergie contenue dans les aliments est convertie en énergie utilisable par les cellules par deux processus : la respiration et la fermentation (doc. c). ? Idée de question : Quelles hypothèses peut-on formuler pour expliquer les différences de valeurs énergétiques des aliments ?

La différence de composition chimique des aliments, et notamment les proportions relatives d’eau, de lipides, de glucides et de protéines, pourrait expliquer qu’ils n’aient pas tous la même valeur énergétique.

CORRIGÉ DU PARCOURS 1 1.

Ressources numériques : Table de composition nutritionnelle des aliments : – consultation en ligne : ciqual.anses.fr ; – à télécharger, pour une consultation hors ligne : ciqual.anses.fr/#/cms/download/node/20.

2 Le fonctionnement du corps humain au repos, tout comme lors d’un exercice physique, nécessite du dioxygène (doc. d). Le volume de dioxygène consommé par le corps humain en une minute est noté VO2. Il peut être déterminé à l’aide d’un dispositif ExAO adapté (voir expérience) ou à partir du doc. e. On constate alors que plus l’effort est important et plus la valeur de VO2 est élevée. En effet pour fournir un effort important, les cellules ont besoin de respirer davantage, elles consomment donc plus de dioxygène. ? Idée de question : Pourquoi mesurer la consommation d’O pour 2 évaluer l’intensité de la respiration ?

La respiration est ensemble de réactions chimiques permettant de convertir une partie de l’énergie contenue dans les nutriments en énergie utilisable par les cellules. Si l’on dresse l’équation bilan de cette réaction, on constate que le dioxygène est un réactif. Ainsi, la mesure de la consommation d’O2 renseigne sur l’intensité de cette réaction chimique (doc. e).

Les

pour préparer votre séance

Parcours 1 Les élèves doivent avoir accès à une calculatrice ou à un tableur. Prévoir, le cas échéant, la fiche technique du tableur. Fiche technique LibreOffice Calc : disciplines.ac-toulouse.fr/svt/files/ft-tableur-libreoffice-d-pdf. Fiche technique Microsoft Office Excel : disciplines.ac-toulouse.fr/svt/files/ft-tableur-excel-pdf-0.  emander aux élèves de réfléchir aux limites des calculs effectués : D on calcule les apports énergétiques d’un seul repas (alors qu’une journée en comprend généralement trois ou quatre). De plus, la dépense énergétique calculée n’est pas forcément représentative de la dépense énergétique moyenne de cet élève. Parcours 2 L e parcours 2 nécessite que les élèves aient accès à Internet et au matériel ExAO permettant la mesure du volume de dioxygène consommé par minute (VO2). Fiche technique du matériel d’ExAO : disciplines.ac-toulouse.fr/svt/fiches-techniques.  enser à bien indiquer aux élèves qu’ils doivent ventiler par la bouche P et non par le nez. Sinon, les mesures obtenues sont faussées car une partie de l’air ventilé n’est pas prise en compte par le matériel d’ExAO. F aire réfléchir les élèves aux limites des calculs réalisés : le repas choisi par l’élève n’est pas forcément représentatif de la moyenne de ses repas, l’élève peut avoir des difficultés à évaluer correctement la masse des aliments qu’il a consommés et la dépense énergétique calculée n’est pas forcément représentative de la dépense énergétique moyenne de cet élève.

Aliment Quantité (g) Énergie (kJ) Tomates 100 E = 100 × 77,2 / 100 = 77,2 Riz 200 E = 200 × 612 / 100 = 1 124 Saumon 150 E = 150 × 874 / 100 = 1 311 Yaourt nature 125 E = 125 × 239 / 100 = 298,75 Tarte aux fraises 125 E = 125 × 1 320 / 100 = 1 650 Eau 330 E = 300 × 0 / 100 = 0 Total 1 030 4 560,95 L’apport énergétique du repas présenté dans le tableau ci-dessus est de 4 560,95 kJ.

2.

Aliment Quantité (g) Énergie (kJ) Frites 300 E = 300 × 1 110 / 100 = 3 330 Steak haché 150 E = 150 × 996 / 100 = 1 494 Mousse au chocolat 125 E = 125 × 756 / 100 = 945 Tarte aux fraises 125 E = 125 × 1 320 / 100 = 1 650 Jus d’orange 330 E = 330 × 191 / 100 = 630,3 Total 1 030 8 049,3 L’apport énergétique du repas présenté dans le tableau ci-dessus est de 8 049,3 kJ. 3. D’après le doc. e, un effort intense consomme 2,9 L d’O2 en deux minutes, soit 1,45 L d’O2/min. En une heure, cela correspond à une consommation de 87 L d’O2. Or, d’après le doc. d, la consommation d’un litre de dioxygène libère en moyenne une énergie de 4,8 kcal. Donc, une heure d’effort intense correspond à une dépense énergétique de 417,6 kcal. Enfin, l’exergue Données permet de faire la conversion en kJ (1,0 cal = 4,2 J). Ainsi, la dépense énergétique associée à une heure d’effort intense est de 1 753,92 kJ. En procédant de même pour un effort modéré et au repos, on obtient des valeurs de dépense énergétique de 1 209,6 kJ/h et de 362,88 kJ/h respectivement.

Type d’effort Durée Dépense énergétique (kJ) Effort intense 1 1 × 1 753,92 = 1 753,92 Effort modéré 2 2 × 1 209,6 = 2 419,2 Repos 21 21 × 362,88 = 7 620,48 Total 24 11 793,6 La dépense énergétique journalière d’un individu dont l’activité physique est celle du tableau ci-dessus est de 11 793,6 kJ, soit 2 808 kcal. 4. Si l’on considère que les apports externes d’énergie thermique sont nuls (on néglige par exemple l’énergie thermique apportée par le rayonnement solaire), alors la puissance énergétique peut être calculée à partir de la valeur de dépense énergétique calculée à la question 3. En effet, P = E / t (avec P en W, E en J et t en s). Soit P = 11 793,6 × 103 / (24 × 60 × 60) = 136,5 W. (La multiplication entre parenthèses correspond au calcul du nombre de secondes dans une journée.) La puissance thermique libérée par l’individu considéré dans cet exercice est de 136,5 W.

Indicateurs de réussite L es calculs sont présentés et les résultats corrects. Les différentes conversions d’énergie se déroulant dans le corps humain sont identifiées. THÈME 2 ● CHAPITRE 7 ● Le bilan thermique du corps humain

111

CHAPITRE 7 Livre de l’élève SYNTHÈSE Le bilan thermique du corps humain MÉMO

SYNTHÈSE SCHÉMA

Podcast Texte DYS

Bilan animé

LA STABILITÉ DE LA TEMPÉRATURE CORPORELLE

Température rectale (en ° C)

La température du corps humain est en permanence aux alentours de 37 °C alors que la température de l’environnement en diffère généralement. 37,5 37 36,5 36 35,5 08 h 30

12 h 30

16 h 30

20 h 30

00 h 30

04 h 30

08 h 30

Heure de la journée

a. Évolution de la température rectale au cours d’une journée Si l’on réalise le bilan thermique du corps humain, on montre que les pertes par transfert thermique sont compensées par des gains par transfert thermique d’énergie. La température du corps humain reste donc stable. Gains > Pertes

Tcorps &

Gains = Pertes

Tcorps 1

Gains < Pertes

Tcorps (

b. Équilibre thermique du corps humain Des gains et des pertes s’effectuent par conduction, convection et rayonnement, en fonction de la température de l’environnement. L’évaporation d’eau constitue un mode de perte d’énergie par transfert thermique. Le métabolisme, ensemble des réactions chimiques se déroulant dans le corps humain, libère une quantité importante d’énergie thermique. ➞ activité 1

LA LIBÉRATION D’ÉNERGIE PAR L’ALIMENTATION La température du corps reste stable parce que l’énergie qu’il libère est compensée par l’énergie dégagée par la respiration cellulaire ou les fermentations. La respiration et la fermentation sont deux processus permettant de convertir l’énergie des nutriments en énergie utilisable par les cellules pour synthétiser des molécules, se déplacer, maintenir stables leurs concentrations en ions… Ces conversions d’énergie libèrent à chaque étape de l’énergie thermique.

A-Z

MOTS CLÉS

Température : la température d’un corps est une manifestation de l’état d’agitation moléculaire de ce corps. L’unité du Système international est le kelvin (K) mais on peut aussi la mesurer en degrés Celsius (°C). Transfert thermique : lors d’un transfert d’énergie entre deux systèmes, l’énergie reste sous la même forme. Par exemple de l’énergie thermique peut être transférée entre le corps humain et son environnement. Respiration : ensemble de réactions chimiques permettant, en présence de dioxygène, de convertir une partie de l’énergie contenue dans les nutriments en énergie utilisable par les cellules. La respiration se déroule dans la quasi-totalité des cellules du corps humain. Fermentation : ensemble de réactions chimiques permettant, en l’absence de dioxygène, de convertir une partie de l’énergie contenue dans les nutriments en énergie utilisable par les cellules. La fermentation se déroule dans les cellules musculaires en cas d’effort soudain et intense, lorsque l’apport en O2 est insuffisant. Conversion d’énergie : transformation d’une forme d’énergie en une autre. Par exemple, l’énergie chimique de la matière organique est convertie en énergie thermique lors d’une combustion. Puissance thermique : la puissance thermique du corps humain (en W) correspond au transfert thermique d’énergie vers l’extérieur (en J) chaque seconde.

Globalement, la puissance thermique libérée par un corps humain dans les conditions de vie courante, au repos, est de l’ordre de 100 W. Cette valeur de 100 W est un ordre de grandeur. La puissance thermique libérée sera d’autant plus élevée que le corps réalise un exercice physique important ou que la température extérieure est basse. ➞ activité 2 160

CHAPITRE 7   Le bilan thermique du corps humain 161

160

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SYNTHÈSE L e schéma permet de bien distinguer la température des corps considérés (représentée avec différentes couleurs) et les transferts thermiques (représentés par des flèches jaunes).  n code couleur est associé aux différents mots du schéma. U Les transferts thermiques sont notés en jaune (conduction, convection, rayonnement, évaporation), les processus biologiques en vert (transpiration et fonctionnement cellulaire) et les corps matériels en noir (Soleil, aliments, sol). L es gains de chaleur sont représentés sur la moitié gauche du schéma, les pertes sur la moitié droite. On montre ainsi que le rayonnement, la convection et la conduction peuvent être responsables aussi bien de gains que de pertes. L’évaporation permet uniquement de perdre de la chaleur.  n considère sur le schéma, comme dans tout le chapitre, que O la température du corps humain est de 37 °C. Or, d’une part, la température change au cours de la journée (elle est minimale le matin et maximale en début de soirée), et d’autre part, elle varie en fonction des endroits du corps humain. Cela explique notamment que des mesures de température au niveau de la bouche, des tempes, des aisselles ou du rectum ne donneront pas les mêmes résultats. L’être humain est ici représenté nu : le rôle des vêtements n’est pas pris en compte. L a largeur des flèches est identique pour tous les transferts de chaleur. En réalité, leur importance relative varie en fonction de la température extérieure [→ « pour s’entraîner » p. 162 du manuel].

112

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CORRIGÉS DES EXERCICES

POUR S’ENTRAÎNER La puissance thermique totale du corps humain diminue de 160 à 100 W lorsque la température de l’air ambiant passe de 10 à 36 °C. On observe toutefois une large gamme de température (entre 16 et 30 °C) pour laquelle la puissance thermique totale est à peu près constante. Dans le détail, on constate cependant que les différents modes de transfert thermique mis en jeu varient en fonction de la température. Les transferts de chaleur de l’être humain à l’environnement dépendent de la température de l’air ambiant pour la conduction, la convection et le rayonnement : plus la température de l’air est proche de celle du corps, et moins ces processus sont efficaces pour évacuer la chaleur. Ainsi, alors que la puissance thermique associée à ces trois transferts est de 140 W à 10 °C, elle est quasiment nulle à 36 °C. À l’inverse, la part de l’énergie thermique transférée du corps vers l’extérieur par évaporation augmente quand la température augmente : elle passe de 20 W à 10 °C à 100 W à 36 °C. Quand la température du corps humain est proche de celle de l’air ambiant, l’évaporation est donc le seul mécanisme efficace pour évacuer l’énergie thermique.

RÉPONSES DU QUIZ 1.b / 2.c / 3.b / 4.a / 5.c / 6.a / 7.c / 8.a

Livre de l’élève MÉTHODE Lire un diagramme en aires

Vérifier ses connaissances EXERCICES

QUIZ Huit cyclistes ont été soumis à un effort d’intensité croissante. La puissance initiale (100 W) correspond à la situation de repos. Les sources de nutriments (glucides ou lipides) permettant de fournir de l’énergie dans ces différentes conditions ont été déterminées. Décrire l’évolution de la dépense énergétique en fonction de la puissance de l’effort.

Dépense énergétique (en kJ•min–1)

Énoncé

1

90

La température du corps humain :

70 60 Glucides

50

2

40 30 20 0 100

165

227

309

Puissance de l’effort (en W)

3

Un diagramme en aires permet de représenter la contribution de différents facteurs à un même paramètre global. L’aire occupée par les différents facteurs est proportionnelle à leur contribution au paramètre mesuré. ÉTAPE 1  Identifier l’évolution globale du paramètre Ici, on voit que la dépense énergétique est faible au repos : elle est d’environ 10 kJ/min. Plus la puissance mesuré. de l’effort augmente, et plus la dépense énergétique augmente. Ainsi, pour un effort de 310 W, la dépense énergétique est de 85 kJ/min.

4

Le corps humain émet un rayonnement dans le domaine :

Jusqu’à une puissance de l’effort de 227 W, la dépense énergétique permise par les glucides et les lipides augmente. Par contre, pour un effort très intense de 310 W, on remarque que ce sont essentiellement les glucides qui fournissent l’énergie. En effet, ils apportent alors 65 kJ/min (85 – 20) alors que la contribution des lipides est faible, seulement 20 kJ/min.

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE sur le thème « Bilan thermique du corps humain ». L’étiquette centrale doit s’intituler

En présence de dioxygène, les cellules convertissent l’énergie contenue dans les nutriments en énergie qu’elles peuvent utiliser par : a respiration b fermentation c évaporation

7

La puissance thermique libérée par le corps humain au repos est de l’ordre de : a 1J b 100 J c 100 W

8

a de l’infrarouge b de la lumière visible c des UV

Pour s’entraîner Puissance thermique (en W)

6

Si l’on tient dans ses mains un stylo à 20 °C : a un transfert thermique a lieu du corps humain à l’objet par convection b un transfert thermique a lieu du corps humain à l’objet par conduction c un transfert thermique a lieu de l’objet au corps humain par conduction

Application

ÉTAPE 2  Identifier la contribution de chaque facteur à l’évolution du paramètre global.

Si les gains par transfert thermique d’énergie sont supérieurs aux pertes par transfert thermique d’énergie, la température du corps humain :

Si la température de l’air est de 40 °C alors la température du corps humain peut diminuer par : a conduction entre le corps humain et l’air b convection de l’air autour du corps humain c évaporation

a diminue b reste stable c augmente

Lipides

10

Lequel de ces constituants a une valeur énergétique nulle : a l’eau b le jus d’orange c le sucre

1

Les échanges de chaleur

Présenter les différents types de transferts thermiques se déroulant entre le corps humain et le milieu extérieur. Illustrer votre réponse à l’aide d’un schéma.

Gains/Pertes

180 160

Associer à l’étiquette centrale, par le moyen graphique de votre choix, des étiquettes de votre initiative comprenant par exemple les notions suivantes : Convection Rayonnement Évaporation

Puissance totale

140 120

Évaporation

100 80

Convection

60

Conduction

40

Conduction

Rayonnement

20 0 10

5

a est strictement égale à 37 °C b est proche de 37 °C c est égale à celle de l’environnement

80

Méthode

Décrire et interpréter la contribution des différents modes de transferts thermiques à la puissance thermique totale en fonction de la température de l’air ambiant.

Parmi les affirmations suivantes, choisissez la réponse exacte.

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

32

34

Température corporelle stable

36

Température de l’air ambiant (en °C)

Thermogramme d’une main sur l’eau fraîche d’un ruisseau

162

CHAPITRE 7   Le bilan thermique du corps humain 163

163

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1

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE Évaporation Rayonnement

Rayonnement

Convection

Convection

Conduction

Conduction

Permettant de gagner de l’énergie thermique

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Permettant de perdre de l’énergie thermique

Différents mécanismes

Gains/Pertes

Différentes conséquences

Gains > Pertes

Gains = Pertes

Gains < Pertes

Température corporelle augmente

Température corporelle stable

Température corporelle diminue

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Les échanges de chaleur

Quatre types de transferts thermiques sont mis en jeu entre le corps humain et son environnement. – La conduction correspond à un transfert d’énergie thermique sans déplacement de matière. L’énergie est transférée du corps ayant la température la plus élevée à celui ayant la température la plus faible. Par exemple, si l’on touche une tasse de café à 50 °C, de l’énergie est transférée de la tasse au corps. – La convection est un transfert d’énergie lié à un déplacement de matière. Par l’exemple, si de l’air à 20 °C souffle sur la peau, la température de l’air va augmenter tandis que celle de la peau va diminuer. – Dans le cas du rayonnement, l’énergie thermique est transférée par une onde électromagnétique. Ainsi, l’énergie thermique apportée par le Soleil contribue à réchauffer le corps humain. – Enfin, de l’énergie thermique peut être transférée du corps à l’environnement grâce à la transpiration. L’évaporation de la sueur utilise l’énergie thermique apportée par le corps humain. Elle permet donc de diminuer la température du corps. Pour un exemple de schéma pouvant illustrer cette réponse, se reporter au schéma bilan du chapitre.

Indicateurs de réussite L es processus à l’origine d’un gain d’énergie thermique et ceux à l’origine d’une perte d’énergie thermique sont bien distingués. L es liens entre l’importance relative des gains et des pertes d’énergie thermique et l’évolution de la température corporelle sont indiqués.

THÈME 2 ● CHAPITRE 7 ● Le bilan thermique du corps humain

113

CHAPITRE 7 Livre de l’élève EXERCICES Extraire des informations

4 Confort thermique

Température réelle et température ressentie

OBJECTIF Expliquer la réalité par des causes matérielles.

OBJECTIF Comprendre l’influence des différents échanges d’énergie entre l’organisme et le milieu extérieur sur la sensation de confort thermique.

Température ressentie en fonction de la vitesse

doc. du vent et de la température de l’air

La température de confort thermique est la température pour laquelle on ne ressent ni sensation de chaud, ni sensation de froid.

Température de l’air (en °C)

10

Vitesse du vent (en km/h)

0

–5

– 10

– 15

– 20

– 25

– 30

– 35

– 40

– 45

–3

–9

– 15

– 21

– 27

– 33

– 39

– 45

– 51

– 57

20

–5

– 12

– 18

– 24

– 30

– 37

– 43

– 49

– 56

– 62

30

–6

– 13

– 20

– 26

– 33

– 39

– 45

– 52

– 59

– 65

40

–7

– 14

– 21

– 27

– 34

– 41

– 48

– 54

– 61

– 68

50

–8

– 15

– 22

– 29

– 35

– 42

– 49

– 56

– 63

– 69

60

–9

– 16

– 23

– 30

– 36

– 43

– 50

– 57

– 64

– 71

1. Déterminer la température de confort thermique d’un individu portant la tenue ➌ et marchant à 4 km/h. 2. À l’aide de vos connaissances, expliquer l’influence du niveau d’activité et du niveau d’habillement sur la température de confort thermique.

2

12 °C 14 °C

28 °C

0

Nomogramme complet

Pour un niveau d’habillement et un niveau d’activité donnés, la température de confort thermique est située entre les deux isothermes (courbes rouges) les plus proches.

15

20

30

100

25

50

20

0

24/06/2019 10:55

Température réelle et température ressentie

1. P  our une vitesse de vent constante, plus la température de l’air est basse et plus la température ressentie est faible. Par exemple, pour un vent de 10 km/h, la température ressentie est de –9 °C quand la température de l’air est de –5 °C, alors qu’elle est de –51 °C quand il fait –40 °C. De même, à température de l’air constante, plus la vitesse de vent est importante et plus la température ressentie est faible. 2. Le déplacement sur la peau d’un air ayant une température plus faible que celle-ci est responsable d’un transfert thermique par convection entre l’être humain et l’atmosphère. Plus la vitesse du vent est importante et plus la perte de chaleur est élevée, d’où une température ressentie plus faible.

Datation de la mort d’une victime

1. L ’utilisation du nomogramme de Henssge montre que la victime est morte depuis environ 6 heures. 2. L e nomogramme de Henssge ne prend pas en compte le degré d’habillement du corps. Or les vêtements limitent les transferts thermiques entre le corps et l’air. Il ne prend pas non plus en considération la vitesse du vent, qui influence les transferts thermiques par convection, ni le fait que le corps soit sec ou mouillé, ce qui modifie les transferts liés à l’évaporation.

114

Température maximale Température minimale

de décès quotidiens à Paris durant la canicule de 2003 CHAPITRE 7   Le bilan thermique du corps humain 165

CORRIGÉS DES EXERCICES

3

Date

doc. Évolution des températures et du nombre

164

09172919_154-167_C07.indd 164

15

Hôpitaux parisiens Sapeurs-pompiers

Décrire et interpréter l’évolution du nombre de décès en fonction du temps.

Température (en °C)

35

150

8

Le document ci-contre donne les températures minimales et maximales mesurées durant cette période à Paris, ainsi que les nombres de décès enregistrés par les hôpitaux parisiens (toutes causes confondues) et par la brigade des sapeurs-pompiers de la ville de Paris (décès dus à la canicule uniquement).

10

40

8

Considérons par exemple, le corps d’un homme de 80 kg dont la température rectale au moment de la découverte est de 20 °C, et une température de l’air ambiant de 10 °C. La méthode pour dater la mort de cet individu à l’aide du nomogramme de Henssge est la suivante : • relier par une droite (bleue) la température rectale de 20 °C et la température ambiante de 10 °C. Ce trait recoupe la droite orange en un point (en vert) ; • relier par une droite (rouge) le point situé dans la cible en bas à gauche du document, avec le point d’intersection précédent (vert) ; • lire le temps écoulé depuis la mort au niveau de l’intersection entre la droite rouge et l’arc de cercle correspondant à une masse de 80 kg (point marron). Ici, on lit que l’individu est mort il y a 23 heures.

En 2003, une période caniculaire d’une intensité exceptionnelle est survenue durant la première quinzaine du mois d’août.

5

250 200

8

Masse (en kg)

MÉTHODE

La canicule de 2003 à Paris

OBJECTIF Mettre en œuvre une pratique scientifique : « décrire ».

0

/0

10 20 40 60 80 100 120

5

–5

/0

70

16

50 60

14

50

8

35 40

40

– 10

8

30

50

/0

25 30

40

12

40 35

30

8

15

25

/0

30 26

14

10

2

0

22 18

10

43

34

22

6

5

7,6

Course 25 km/h

26

14

8

2,2

Course 10 km/h

8

12

4

Marche à 4 km/h

/0

16

2

/0

1

6

30

26 20

10

3

10

10

18

14

5

épais, pull, manteau, chaussettes épaisses, grosses chaussures, bonnet, gant, écharpe

28

08

2

4

➎ Chemise à manches longues, pantalon

26 22

1 1,2

8

20

1

3

24 20

16

12

8

1

0,7

Debout, au repos

/0

15

2

18 14

10

pantalon, chaussettes, chaussures

Niveau d’activité

Assis, au repos

06

2

➍ Chemise à manches longues, pull,

22

6

4

40

16

12

8

6

4

2

20

Activité Sommeil

/0 7

2 4

60

10

pantalon léger, socquettes, chaussures

18

14

0,5

/0

80

8

6

100

20

12

La station assise, au repos, sert de référence (niveau d’activité = 1).

31

6

2

10

16

Nombre de décès

120 4

10 8

➌ Chemise à manches courtes,

14

0,3

/0 7 27 /0 7 29 /0 7

8

6

2

12

Niveau d’activité en fonction de l’activité

c.

0

25

30

25

Niveau d’habillement

➊ Corps nu

164

2

2

du niveau d’activité et du niveau d’habillement

➋ T-shirt, short, sandales

35

Température ambiante (en °C)

Criminologue, on vous appelle sur une scène de crime pour déterminer depuis quand est morte une femme de 60 kg. Sa température rectale au moment de la découverte du corps était de 30 °C, pour une température de l’air ambiant de 0 °C. 1. À l’aide du nomogramme de Henssge, déterminer depuis quand est morte la victime. 2. D’après vos connaissances, expliquer quels autres paramètres, non pris en compte dans le nomogramme de Henssge, pourraient influencer la vitesse de refroidissement d’un corps.

22 °C

1,5

a. Température de confort thermique en fonction

Tenue

doc. Nomogramme de Henssge

Température rectale (en °C)

Le temps que met le corps à refroidir dépend notamment de la température extérieure et de la masse de l’individu.

24 °C

1 Niveau d’habillement

Niveau d’habillement en fonction de la tenue

Parmi les méthodes pouvant être utilisées par la police scientifique pour estimer le moment de la mort d’une personne, il est possible de se servir de la température du cadavre.

26 °C

0,5

b. La tenue 4 sert de référence (niveau d’habillement = 1).

Datation de la mort d’une victime

OBJECTIF Saisir la complexité du réel.

16 °C 18 °C 20 °C

1

D’après Météo-France, www.meteofrance.fr.

3

10 °C

02

1. Décrire l’influence de la température de l’air et de la vitesse du vent sur la température ressentie. 2. Expliquer, à l’aide de vos connaissances, l’effet du vent sur la température ressentie.

3

04

En présence de vent, la température ressentie par le corps humain est différente de la température réelle, mesurée avec un thermomètre.

Niveau d’activité

2

Analyser des informations et raisonner EXERCICES

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4 Confort thermique 1. La température de confort thermique d’un individu vêtu de la tenue 3 et marchant à 4 km/h est d’à peu près 20 °C. 2. L’exercice physique nécessite une forte activité respiratoire ou fermentaire des muscles, activité qui libère de l’énergie thermique. Plus l’exercice physique est important et plus la production interne de chaleur est importante. Ceci explique que, pour un niveau d’habillement donné, plus le niveau d’activité est important, plus la température de confort thermique est basse. Les vêtements permettent de diminuer l’intensité des transferts thermiques entre le corps et l’atmosphère. Par conséquent, pour un niveau d’activité physique donné, plus le niveau d’habillement est faible, plus la température de l’air doit être élevée pour ressentir une sensation de confort thermique.

5

La canicule de 2003 à Paris

Avant la canicule, c’est-à-dire avant le 1er août, il y a entre 30 et 50 décès par jour dans les hôpitaux parisiens. À partir du 1er août, le nombre de décès augmente et atteint son maximum le 12 août : environ 450 décès sont enregistrés ce jour-là. On observe donc que le nombre de décès est lié aux températures journalières. Les températures élevées entraînent un gain de chaleur chez les êtres humains, que tous ne semblent pas capables de compenser par des pertes de chaleur équivalentes. La température corporelle augmente alors, entraînant la mort.

Livre de l’élève EXERCICES

EXERCICES

Vers le BAC exercice guidé

exercice non guidé Vers le BAC

6 La canicule de 2018

7 Thermographie et cancer du sein

OBJECTIFS Exploiter des documents – Rédiger une argumentation scientifique.

OBJECTIFS Exploiter des documents – Rédiger une argumentation scientifique.

Le dépistage du cancer du sein est traditionnellement réalisé par mammographie, une technique qui permet d’obtenir une image de l’intérieur du sein grâce à des rayons X. L’équipement coûte plus cher que les caméras infrarouges utilisées pour les thermographies. De plus, l’exposition aux rayons X peut entraîner des mutations.

La canicule de 2018 s’est déroulée entre le 24 juillet et le 8 août et a touché un nombre élevé de départements. Dès le 24 juillet, des documents à destination du grand public ont fait l’objet d’une campagne d’affichage dans les transports en commun et de nombreuses publicités TV et radios ont été diffusées du 31 juillet au 9 août.

a. Une des

affiches diffusées lors de la canicule de 2018

À l’aide des documents et de vos connaissances, justifier les recommandations faites dans le doc. a ainsi que l’intérêt de la sensibilisation des populations aux conséquences d’une canicule.

À l’aide des documents et de vos connaissances, expliquer pourquoi la thermographie permet de détecter certaines tumeurs, et comparer les avantages et inconvénients de la thermographie sur la mammographie.

Cependant, la société européenne de l’imagerie du sein a indiqué en 2017 que la mammographie devait rester la méthode privilégiée pour le dépistage du cancer du sein.

a. Tissu normal (à gauche) et tissu dans lequel se développe une tumeur (à droite)

Un cancer est une maladie due à la prolifération incontrôlée de certaines cellules, formant des masses appelées tumeurs. La multiplication des cellules cancéreuses est permise par une activité respiratoire importante. Certains facteurs produits par les cellules tumorales permettent la vascularisation de la tumeur, ce qui augmente l’apport en nutriments et en dioxygène.

Épithélium

Mésenchyme Vaisseau sanguin

Intensité de la chaleur Surmortalité moyenne (en %)

Intensité

Tissu normal

Très peu élevée

[ 3070 av. J.-C. Adam et Ève 3870 > 2958 av. J.-C. Seth

L’histoire de l’âge de la Terre

3765 > 2860 av. J.-C. Énosch 3675 > 2765 av. J.-C. Kénan 2944 > 1994 av. J.-C. Noé 2052 > 1877 av. J.-C. Abraham

Chronologie biblique par James Ussher

L’âge de la Terre est aujourd’hui évalué à 4,57 milliards d’années. La détermination de cet âge, d’un ordre de grandeur sans rapport avec la vie humaine, est une aventure scientifique exemplaire, s’appuyant sur le progrès technologique et sollicitant diverses méthodes d’accès à la connaissance.

1952 > 1772 av. J.-C. Isaac 1834 > 1687 av. J.-C. Jacob 1742 > 1632 av. J.-C. Joseph 1580 > 1460 av. J.-C. Moïse Le Déluge

L’Exode

b. À partir de son analyse de la Bible, l’archevêque et théologien irlandais James Ussher (1581-1656) calcule que la Terre a été créée le 23 octobre 4004 avant J.-C.

Comment ont évolué les estimations de l’âge de la Terre entre le xvie siècle et aujourd’hui ? ➞ activité 1

TEASER

Vidéo

c. « Comment se sont formées les météorites ? », interview de l’astrochimiste français Hervé Cottin pour le CNES (Centre national d’études spatiales).

Comment les météorites nous aident-elles à mieux connaître l’âge de la Terre ? ➞ activité 2

d. Les spectromètres de masse sont des appareils de mesure aujourd’hui indispensables pour dater des roches. Quels développements des connaissances et des techniques ont permis une amélioration des estimations de l’âge de la Terre ? ➞ activité 2

a. Vue d’artiste illustrant la Terre originellement constituée de matière en fusion. Comment peut-on dater la formation de la Terre ? ➞ activités 1 et 2 198

CHAPITRE 9   L’histoire de l’âge de la Terre 199

198

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Les grandes idées à construire L a science perfectionne peu à peu sa compréhension de la nature. Les savoirs scientifiques se distinguent des croyances et des opinions. Leur construction résulte : – d’un raisonnement rationnel ; – d’une longue construction collective ; – d’échanges d’arguments et de controverses parfois vives ; – d’un perfectionnement par l’apport des techniques et des faits nouvellement connus.  our aboutir au consensus scientifique actuel sur l’âge de la Terre, P plusieurs arguments ont été utilisés : temps de refroidissement de notre planète depuis sa formation, empilements sédimentaires, évolution biologique, radioactivité. L ’utilisation des méthodes de datation fondées sur la radioactivité permettent de déterminer précisément l’âge de la Terre à 4,57 milliards d’années. Attention : il n’est pas indispensable que les élèves maîtrisent ou apprennent ici les méthodes utilisées. Connaître les calculs permettant d’obtenir l’âge de la Terre à partir du temps de refroidissement, de la vitesse de sédimentation ou de la radioactivité des roches n’est absolument pas l’objectif de ce chapitre.

Ce que disent les documents a Lors de la naissance de notre Système solaire, la Terre se construit par la collision de plusieurs protoplanètes. En raison de la chaleur générée par ces collisions, la température de la Terre primitive est alors d’environ 4 700 °C. À sa formation, la Terre était donc constituée de matière en fusion. Ce document permet d’introduire la démarche expérimentale mise en place par Buffon au xviiie siècle pour estimer l’âge de notre planète, suite à son

138

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hypothèse que la Terre était initialement une énorme boule en fusion se refroidissant par l’extérieur. Cette démarche est présentée dans l’activité 1. ? Des idées de questions : Quel est l’âge de la Terre et du Système solaire ? Comment peut-on dater la formation de la Terre ? Comment utiliser le refroidissement de la Terre pour estimer son âge ?

b Au Moyen Âge, alors que la démarche scientifique (basée notamment sur les observations, les expériences, les modélisations) n’a pas encore été mise au point et que ni l’observation ni les expériences ne sont considérées comme des méthodes fiables d’accès à la connaissance, l’âge de la Terre ne pouvait être estimé que par l’analyse des textes anciens, le plus souvent religieux. ? Des idées de questions : Comment ont évolué les estimations de l’âge de la Terre entre le xvie siècle et aujourd’hui ? Quels méthodes et arguments les scientifiques ont-ils utilisés pour calculer l’âge de la Terre ? Comment s’est construit le savoir scientifique sur l’âge de la Terre ? Comment un savoir scientifique se distingue-t-il d’une croyance ?

c Teaser : les météorites, comme les différentes planètes du Système solaire, se sont formées par accrétion (agglomération) de particules de poussières. Tous ces objets se sont donc formés en même temps et ont par conséquent le même âge. On peut ainsi obtenir l’âge de la Terre en datant les météorites. C’est de cette façon que Clair Patterson, en utilisant la radioactivité, a obtenu l’âge de la Terre qui fait consensus aujourd’hui. ? Des idées de questions : Comment les météorites nous aidentelles à mieux connaître l’âge de la Terre ? Comment expliquer que les météorites aient le même âge que la Terre ? Quelles sont les méthodes utilisées aujourd’hui pour dater les météorites ?

d Le spectromètre de masse est une technique de mesure initialement conçue par Joseph John Thomson en 1912. L’invention de cet outil couplée à la découverte de la radioactivité par Becquerel en 1896 a permis aux physiciens comme Rutherford et Patterson d’élaborer de nouvelles méthodes pour calculer l’âge de la Terre.

? Des idées de questions : Quels développements des connaissances et des techniques ont permis une amélioration des estimations de l’âge de la Terre ? Comment le spectromètre de masse est-il utilisé pour calculer l’âge de la Terre ?

Progression dans le chapitre AC TIVITÉ

1

TÂCHE COMPLEXE

Problèmes scientifiques C omment les estimations de l’âge de la Terre ont-elles évolué ?  uels arguments les Q scientifiques ont-ils utilisés pour estimer l’âge de la Terre ? C omment expliquer la controverse scientifique sur l’âge de la Terre ?

Compétences travaillées Justifier une théorie. Interpréter des résultats.  xtraire et organiser des E informations.  ettre en relation des M informations pour répondre à un problème. C oopérer et collaborer (si travail de groupe). Communiquer.

AC TIVITÉ

2

Problèmes scientifiques C omment la découverte de la radioactivité a-t-elle permis le consensus scientifique sur l’âge de la Terre ? C omment les nouveaux faits et nouvelles techniques permettent-ils de faire progresser la connaissance ? C omment l’étude de la radioactivité des roches permet-elle d’obtenir un âge ?

Compétences travaillées Interpréter des résultats  xtraire et organiser des E informations.  ettre en relation des M informations pour répondre à un problème. C omprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique. Utiliser des outils numériques.

Idées clés C alcul de l’âge de la Terre d’après son temps de refroidissement.  stimation d’un âge de la Terre E beaucoup plus élevé d’après les arguments d’empilements sédimentaires et d’évolution biologique.  otion de controverse N scientifique.

Idées clés  boutissement à un consensus A scientifique sur l’âge de la Terre en 1953, après deux siècles de controverses, grâce à des méthodes de datation fondées sur la radioactivité.  stimation précise actuelle de E l’âge de la Terre à 4,57 milliards d’années en utilisant les lois de décroissance radioactive.

 tiliser des logiciels U d’acquisition et de traitement de données.

THÈME 3 ● CHAPITRE 9 ● L’histoire de l’âge de la Terre

139

CHAPITRE 9 Livre de l’élève

TÂCHE XE COMPLE

L’âge de la Terre, un sujet de controverses scientifiques

Expliquer la méthode expérimentale d’un précurseur : Buffon

La théorie analytique de

f. la chaleur de Joseph Fourier En 1822, le mathématicien français Joseph Fourier (17681830) établit la théorie décrivant le transport thermique d’énergie dans les solides. Ce transport s’effectue par conduction, c’està-dire de proche en proche, sans déplacement de matière. L’évolution de la température est alors fixée par la diffusivité du matériau et sa surface :

Vide Terre

Transfert thermique

comte de Buffon

b. Le postulat de Buffon

c. Une méthode empirique

Naturaliste et mathématicien français (1707-1788).

Reconstitution de l’expérience de Buffon : dix boules en métal de tailles différentes sont d’abord chauffées au rouge, puis on mesure la durée de leur refroidissement.

d. Le protocole expérimental de Buffon Propriétaire de mines, Buffon s’inspire de l’observation de mineurs : plus ils creusent profondément, plus la température augmente. Il émet ainsi le postulat que la Terre est une sphère pleine qui se refroidit par l’extérieur. D’après lui, la Terre était donc une énorme boule en fusion lors de sa création.

A-Z

VOCABULAIRE

Le pouce est une unité de longueur utilisée avant l’introduction du mètre et du système décimal en 1790. 1 pouce = 2,707 0 cm

Le calcul de l’âge

Buffon modélise les résultats de ses expériences par une évolution linéaire de la durée de refroidissement avec le diamètre des sphères. En appliquant son modèle à une sphère de 12 800 km de diamètre [➞ chapitre 8], Buffon déduit en 1774 que la Terre s’est refroidie en 96 670 ans et 132 jours.

MISSION

a. Georges-Louis Leclerc,

Identifier les hypothèses des physiciens

e. de la Terre par Buffon

Au xixe siècle, la question de l’âge de la Terre agite la communauté scientifique. Une controverse oppose alors les physiciens, menés par le très renommé lord Kelvin, aux géologues et aux biologistes, comme Lyell et Darwin.

Vous incarnez un géologue ou un biologiste du xixe siècle et vous devez convaincre un physicien de votre époque que son estimation de l’âge de la Terre semble erronée.

1

2

D=

λ ρc

D’après son œuvre encyclopédique Histoire naturelle, générale et particulière en 36 volumes publiés de 1749 à 1804 (les 8 derniers sont posthumes).

20 800

0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

600

400

200

0

0

1

Mesures de Buffon

2

3 4 5 6 7 Diamètre des boulets (en pouces) Modèle de Buffon

8

9

Modèle de Kelvin (reconstitué)

g. Comparaison des modèles utilisés par Buffon et par Kelvin pour évaluer l’âge de la Terre

i. Le calcul de l’âge de la Terre par Kelvin En 1863, lord Kelvin applique la théorie de Fourier au calcul de l’âge de la Terre : il fait l’hypothèse que la Terre se refroidit depuis sa formation sans nouvelle source d’énergie intérieure et que la conduction est le seul mode de transfert thermique d’énergie à l’intérieur de la Terre. Il trouve ainsi un âge compris entre 20 et 400 millions d’années.

j. La convection, un mode de transfert de chaleur efficace

h. William Thomson, lord Kelvin Physicien britannique d’origine irlandaise (1824-1907).

DONNÉES

λ est la capacité du matériau à conduire l’énergie par transfert thermique, ρ est sa masse volumique, c est sa capacité massique à emmagasiner de l’énergie par voie thermique. Dfer = 22,8·10–6 m²·s–1 Droche = 1,2·10–6 m²·s–1 CHAPITRE 9   L’histoire de l’âge de la Terre 201

200

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Dans le cas des fluides et des matériaux ductiles, le transport thermique d’énergie s’accompagne d’un mouvement de matière. Ce mode de transfert thermique beaucoup plus efficace que la conduction, se nomme convection. Dès 1895, John Perry (1850-1920), ingénieur britannique et disciple de Kelvin, fait l’hypothèse que l’énergie intérieure de la Terre est transportée par convection à l’intérieur des couches terrestres profondes.

Paramètres de la diffusivité des matériaux :

200

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s problèmescientifiques C omment les estimations de l’âge de la Terre ont-elles évolué ?  uels arguments les scientifiques ont-ils utilisés pour estimer Q l’âge de la Terre ? C omment expliquer la controverse scientifique sur l’âge de la Terre ?

Mobilisation des acquis  u en cycle 4 : transferts d’énergie (Physique-Chimie) ; V représentation graphique des fonctions affines (Mathématiques) ; ères géologiques, étude des relations de parenté entre les êtres vivants et l’évolution (SVT). Vu en seconde (SVT) : principe d’actualisme, érosion et sédimentation, évolution de la biodiversité au cours du temps.

Les grandes idées à construire L a démarche expérimentale et la modélisation permettent aux physiciens comme Buffon et Kelvin de calculer un âge de la Terre en utilisant son temps de refroidissement. L ’utilisation du principe d’actualisme et l’analyse d’arguments géologiques (comme les empilements sédimentaires) ou biologiques (comme l’évolution du vivant) conduisent les scientifiques tels que Lyell et Darwin à estimer un âge de la Terre beaucoup plus élevé que l’âge proposé préalablement par les physiciens.

140

40 1 000

Lire le texte original

J’ai fait faire dix boulets de fer forgé [chauffés jusqu’à incandescence] : le premier d’un demi-pouce de diamètre ; le second d’un pouce ; le troisième d’un pouce et demi [et ainsi de suite procédant par augmentation d’un demi-pouce jusqu’au dixième boulet de 5 pouces]. Avant de rapporter les expériences, j’observerai : 1. Qu’on a laissé refroidir les boulets dans une cave où le thermomètre était à peu près à dix degrés au-dessus de la congélation ; et c’est ce degré que je prends ici pour celui de la température actuelle de la Terre. 2. J’ai cherché à saisir deux instants dans le refroidissement : le premier où les boulets ont cessé de brûler, c’est-à-dire le moment où on pouvait les toucher et les tenir avec la main pendant une seconde sans se brûler ; le second temps de ce refroidissement est celui où les boulets se sont trouvés refroidis jusqu’au point de la température actuelle, c’est-à-dire à dix degrés au-dessus de la congélation. Et pour connaître le moment de ce refroidissement jusqu’à la température actuelle, on s’est servi d’autres boulets de comparaison de même matière et de même diamètre qui n’avaient pas été chauffés et que l’on touchait en même temps que ceux qui avaient été chauffés.

On parle de controverse scientifique sur l’âge de la Terre.

1 200 Durée de refroidissement (en minutes)

ACTIVITÉ

1

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Les limites L ’objet de cette activité n’est pas de rentrer dans le détail des notions scientifiques utilisées par les scientifiques des xviii et xixe siècles. Il ne s’agit ni d’un cours sur les transferts thermiques, ni d’un cours sur l’évolution du vivant ou la formation des paysages. C oncernant les arguments utilisés par les physiciens, il semble important que tous les élèves prennent conscience des trois aspects suivants : – Contrairement aux calculs d’âge issus de la chronologie biblique, le calcul de l’âge de la Terre par Buffon est le premier qui utilise la démarche expérimentale. – Le calcul de l’âge de la Terre par Kelvin montre bien que les « nouveaux faits » (pris dans le sens de l’établissement de nouvelles connaissances : ici, la théorie de la conduction thermique par Fourier) permettent le perfectionnement progressif de la science (ici la détermination de l’âge de la Terre). – L’âge obtenu par Kelvin est faux car les hypothèses utilisées pour obtenir ces résultats sont incorrectes : les transferts de chaleur au sein de la Terre se font en grande partie par convection (et non par conduction) et il existe encore aujourd’hui des sources de chaleur à l’intérieur du globe (la radioactivité notamment). Cependant, la structure, les échanges thermiques de l’intérieur de la Terre et la radioactivité n’étant pas connus à l’époque, il est tout à fait normal que Kelvin ait fait ces « erreurs ». Cet exemple montre encore que la science perfectionne peu à peu sa compréhension de la nature.  our les élèves en spécialités scientifiques : il semble important qu’ils P prennent conscience que l’interprétation des résultats d’expérience doit s’appuyer sur une base théorique solide et qu’un modèle ne peut se résumer à tracer la courbe qui passe le mieux par les points expérimentaux (best fit). Ce point est illustré par la différence entre l’âge de la Terre obtenu par Buffon en effectuant une régression linéaire de ses données sans justification théorique et l’âge obtenu par Kelvin à partir de la théorie de la conduction thermique.

Les compétences travaillées Justifier une théorie. Interpréter des résultats. Extraire et organiser des informations. Mettre en relation des informations pour répondre à un problème. Coopérer et collaborer (si travail de groupe). Communiquer.

Les représentations de l’élève Il pourrait être intéressant en début de séquence de réaliser, avec la classe, un court sondage anonyme, dans lequel la question « quel âge a la Terre ? » serait posée. Faire émerger ces conceptions initiales pourra éventuellement faire apparaître des obstacles possibles : difficulté de représentation du temps long, créationnisme… C ependant, il faut noter que même pour les élèves qui connaissent approximativement l’âge de la Terre, il semble peu probable qu’ils aient conscience de ce que représente cet âge d’une grandeur sans rapport avec la vie humaine. Une représentation graphique (à l’aide d’une frise), une animation comparant les échelles de temps (zoom arrière à l’instar de la vidéo Cosmic Eye pour les échelles spatiales), un calcul du nombre de générations nécessaire pour atteindre l’âge de la Terre, peuvent permettre à l’élève de mieux appréhender cette valeur. On peut aussi « condenser » l’histoire de l’Univers sur une année (selon l’idée de Carl Sagan) : Vidéos

 38 ans chaque seconde. Le calendrier cosmique de Carl Sagan, 4 Balade Mentale, 2017, www.youtube.com/watch?v=316cw8QzFJo&t.

Ce que disent les documents 1 Buffon chauffe, au rouge, des boulets de fer de différents diamètres. Il mesure la durée nécessaire à chaque boulet pour se refroidir à la température de la pièce. ?

Idée de question : Quelle est l’expérience réalisée par Buffon ?

2 doc. e. En effectuant une modélisation linéaire du temps de refroidissement en fonction du diamètre des boulets et en l’extrapolant au diamètre de la Terre, Buffon estime que la Terre a mis 96 670 ans pour se refroidir à sa température actuelle. ? Idée de question : Comment Buffon détermine-t-il l’âge de la Terre à partir de son expérience ?

doc. g. Selon le modèle de Buffon, on remarque que, pour un très petit diamètre, la durée de refroidissement est négative : c’est impossible ! Pour obtenir une modélisation physiquement réaliste, Buffon aurait dû tenir compte du fait que la durée de refroidissement est une grandeur positive et fixer à zéro la durée de refroidissement pour un boulet de diamètre nul. Par ailleurs, et c’est l’erreur la plus surprenante, Buffon considère que seule la taille du boulet influe sur le temps de refroidissement. Or, d’après les données, le matériau a une influence cruciale. On s’aperçoit qu’à taille égale, un boulet de fer refroidit environ 20 fois plus rapidement qu’une roche sphérique. Buffon aurait tout à fait pu tester son hypothèse en faisant construire des boulets de même taille mais constitués de matériaux différents. Une idée judicieuse aurait été de faire tailler des boulets en granite. Il aurait ainsi trouvé 2 Ma environ et non pas 0,1 Ma. En comparant les modèles de Buffon et de Kelvin, on observe que plus le diamètre des boulets est grand, plus le modèle de Buffon sous-estime le temps de refroidissement. Points de vigilance : Kelvin n’a jamais réalisé un tel graphique, c’est une reconstitution pour visualiser les différences des

résultats obtenus par les deux modèles. En effet, afin de résoudre analytiquement l’équation de la chaleur, Kelvin fait l’hypothèse simplificatrice que le rayon de la Terre est infini. Il ne peut donc pas prévoir les résultats affichés. Pour réaliser le graphique, les points ont été calculés numériquement à partir de l’équation de la chaleur en géométrie sphérique en prenant la diffusivité du fer. Kelvin n’avait vraiment aucun intérêt à effectuer ces calculs ! Remarque : l’hypothèse simplificatrice de Kelvin sur la géométrie n’occasionne pas d’erreur significative pour l’âge de la Terre. ? Des idées de questions : Quelles sont les différences entre les modèles de Buffon et de Kelvin ? Quel est le modèle le plus crédible entre celui de Buffon et celui de Kelvin ?

docs. f et i. Kelvin, en utilisant la théorie de la conduction thermique (apport d’une nouvelle théorie par Fourier) et en faisant l’hypothèse qu’il n’y a pas de source de chaleur à l’intérieur de la Terre, trouve un âge largement supérieur à celui de Buffon (entre 20 et 400 millions d’années). ? Des idées de questions : Comment la construction de la théorie de la conduction thermique fait-elle évoluer les estimations de l’âge de la Terre ? Quelles sont les limites des hypothèses faites par Kelvin pour estimer l’âge de la Terre ?

doc. j. John Perry émet l’hypothèse que la chaleur à l’intérieur de la Terre s’évacue en grande partie par convection. Or, ce mode de transfert thermique est beaucoup plus efficace que la conduction. Si l’hypothèse de Perry est vraie, cela signifie que la température à l’intérieur de la Terre s’homogénéise beaucoup plus vite que l’extérieur qui ne se refroidit que par conduction. Ainsi, même au bout de longues durées de refroidissement, la température, à proximité de la surface, continue à varier de façon importante avec la profondeur. Comme le temps de refroidissement de la Terre est calculé à partir de cette variation, l’âge de la Terre estimé par Perry est beaucoup plus élevé que les estimations des modèles de Buffon et Kelvin. ? Idée de question : Comment l’hypothèse de Perry pourrait-elle modifier l’estimation de l’âge de la Terre ?

3 docs. k et l. En appliquant le principe de l’actualisme, Lyell estime que l’âge de la Terre est largement supérieur à celui estimé par les physiciens comme Buffon. En effet, la formation des côtes, des vallées ou encore des montagnes a pour origine des « causes lentes et tranquilles ». ? Idée de question : Comment l’utilisation du principe d’actualisme a-t-elle permis à Lyell d’estimer l’âge de la Terre ?

doc. m. Les falaises de 1 600 mètres de hauteur du Grand Canyon se sont formées par des dépôts successifs de sédiments. Si on considère que la vitesse de sédimentation est comprise entre 1 mm et 1 cm par an, ces falaises ont mis entre 160 000 ans et 1,6 millions d’années pour s’élever. En utilisant la vitesse de sédimentation, les géologues de la fin du xixe siècle ont estimé que la Terre était âgée d’environ 3 milliards d’années. ? Idée de question : Comment l’utilisation de la vitesse de sédimentation a-t-elle permis aux géologues de la fin du xixe siècle d’estimer l’âge de la Terre ?

4 Darwin, en se basant sur sa théorie de la sélection naturelle, estime que la Terre doit avoir un âge de l’ordre du milliard d’années. En effet, la sélection naturelle « n’agit que par la conservation et l’accumulation de petites modifications héréditaires » donc les transformations dues à cette sélection sont « lentes et progressives ». Comme toutes les espèces vivantes actuelles descendent d’une espèce ancestrale, un temps très long est nécessaire pour que la sélection naturelle explique leur très grande diversité. ? Idées de question : Comment Darwin utilise-t-il l’évolution des espèces pour estimer l’âge de la Terre ?

THÈME 3 ● CHAPITRE 9 ● L’histoire de l’âge de la Terre

141

CHAPITRE 9 Livre de l’élève ACTIVITÉ 1 L’âge de la Terre, un sujet de controverses scientifiques

3

4

Justifier les arguments d’un biologiste, Charles Darwin La sélection naturelle,

Identifier les arguments des géologues

o. lent moteur de l’évolution du vivant

Les processus à l’origine de la formation l. des paysages

La forme d’une côte, la configuration intérieure d’un pays, l’existence et l’étendue des lacs, des vallées et des montagnes peuvent souvent, dans des régions depuis longtemps tranquilles, être attribuées à quelque action ancienne de tremblements de terre et de volcans. […] D’un autre côté, on peut encore rapporter un grand nombre de traits caractéristiques de la surface du globe soit à l’action produite jadis par certaines causes lentes et tranquilles, telles que les dépôts sédimentaires qui se sont formés dans les lacs ou dans l’océan, soit à l’accroissement des […] coraux.

k. Sir Charles Lyell

Géologue britannique (1797-1875).

Partisan de la théorie dite de l’uniformitarisme (aussi appelée « actualisme »), Lyell considère que « le présent est la clé du passé » (Principles of Geology [Principes de géologie], 1830-1833) : selon ce principe, l’explication du passé de la Terre réside dans l’étude des phénomènes géologiques actuels. Lyell estime ainsi que l’âge de la Terre est largement plus ancien que les âges avancés par les défenseurs de la chronologie biblique ou par Buffon. À la fin du xixe siècle, des géologues utilisent la vitesse de sédimentation pour évaluer l’âge de la Terre. En considérant que les sédiments se déposent à un rythme compris entre 1 mm et 1 cm par an, ces scientifiques estiment un âge de la Terre d’environ 3 milliards d’années.

D’après Charles Lyell, Principles of Geology [Principes de géologie], publié en trois volumes entre 1830 et 1833.

n. Charles Darwin

Biologiste (naturaliste et paléontologue) anglais (1809-1882).

Charles Darwin développe au cours de ses expéditions une théorie selon laquelle les espèces vivantes ne sont pas immuables : elles peuvent disparaître, se diversifier, etc. C’est la théorie de l’évolution. Afin d’expliquer la diversité du vivant, cette théorie nécessite des temps très longs, de l’ordre du milliard d’années.

Lire le texte original

La sélection naturelle peut soulever les objections qu’on avait d’abord opposées aux magnifiques hypothèses de sir Charles Lyell, lorsqu’il a voulu expliquer les transformations géologiques par l’action des causes actuelles. La sélection naturelle n’agit que par la conservation et l’accumulation de petites modifications héréditaires, dont chacune est profitable à l’individu conservé.

Lire le texte original

Ces lentes et progressives transformations nous échappent jusqu’à ce que, dans le cours des âges, la main du temps les ait marquées de son empreinte, et alors nous nous rendons si peu compte des longues périodes géologiques écoulées, que nous nous contentons de dire que les formes vivantes sont aujourd’hui différentes de ce qu’elles étaient autrefois. D’après Charles Darwin, The Origin of Species [L’Origine des espèces], 1859.

Strate … Strate 3 Strate 2 Espèces actuelles

p. Dessin extrait du carnet de notes de Darwin

Strate 1

Cet « arbre » représente des relations de parentés entre des êtres vivants nommés A, B, C et D.  représente l’ancêtre commun.

Espèce ancestrale

q. Représentation actuelle de la parenté de tous les êtres vivants

Une très longue durée s’est écoulée entre la première espèce ancestrale et toutes les espèces vivantes actuelles qui en descendent.

COUPS DE POUCE

m. Paysage du Grand Canyon, Arizona, États-Unis

Ces falaises pouvant atteindre 1 600 mètres de hauteur sont constituées d’empilements de roches sédimentaires, nommées « strates ». Ces structures ont été formées par des dépôts successifs de sédiments (la strate 1 s’est déposée avant la strate 2, etc.).

1. Comparez les âges estimés par les physiciens, comme Buffon et Kelvin, aux âges estimés par les géologues et les biologistes. 2. Expliquez pourquoi les âges obtenus par les physiciens sont en contradiction avec

202

CHAPITRE 9   L’histoire de l’âge de la Terre 203

134 202

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Les

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pour préparer votre séance

C ette activité se prête très bien au développement des compétences langagières orales à travers notamment la pratique de l’argumentation. Que ce soit dans les parcours 2 (classe en puzzle) ou 3 (débat), les élèves devront, suite à l’analyse des documents, préciser leur pensée et expliciter leur raisonnement de manière à convaincre (au sein du groupe « apprentissage » pour le parcours 2 et lors du débat pour le parcours 3). C ontrairement à ce que l’on peut parfois lire dans les ouvrages de vulgarisation et même dans l’excellent article de Picciotto sur l’âge de la Terre (lien ci-contre), la radioactivité n’est pas la cause principale du désaccord entre l’estimation de Kelvin et l’âge réel de la Terre. En effet, reprenons les valeurs utilisées par Kelvin (cf. l’article de Krivine, également ci-après) et calculons le temps de refroidissement à partir de l’expression issue des méthodes classiques de résolution de l’équation de la chaleur unidimensionnelle en milieu semi-infini, en l’absence de source : T –T ∂T = 0 s où T0 est la température initiale et TS la température ∂z z=0 √πDt de surface actuelle (on prend TS = 15 °C). Alors t = 98 Ma. En tenant compte des termes sources dus à la radioactivité, il faut T –T q ajouter un terme dans l’expression précédente : ∂T  = 0 s – 0 ∂z z=0 √πDt λ où q0 est le flux thermique à la surface dû aux sources radioactives (on l’évalue actuellement à 80 m.W.m–2) et λ est la conductivité thermique de la roche (λroche = 4 W.m–1.K–1). Dans ce cas t ≈ 500 Ma.

( )

( )

142

l’interprétation des phénomènes géologiques et biologiques présentée dans les documents. 3. Expliquez, par des arguments de physique, pourquoi l’âge calculé par Buffon n’est pas défendable. 4. Mettez en évidence les limites de la méthode utilisée par Kelvin pour obtenir l’âge de la Terre.

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On se rend ainsi compte qu’il manque encore un ordre de grandeur pour avoir l’âge correct. En revanche, en combinant l’effet de la radioactivité et l’effet de convection dans le manteau, même avec un modèle très sommaire tel que celui utilisé par Perry (cf. Encadré 3 « Objection de Perry » dans l’article de Krivine), on obtient le bon ordre de grandeur pour l’âge de la Terre (2 Ga sans radioactivité, 6 Ga en la prenant en compte). En prenant en compte la solidification progressive de la graine, on aboutirait évidemment au résultat correct de 4,5 Ga. Vidéos

 uel est l’Âge de la Terre ? – #02 Science, J’m’énerve pas, j’explique, Q 2018, youtu.be/M_gShd4tKQU. [ Conférence] H. KRIVINE – Est-on sûr de l’âge de la Terre ?, Académie des sciences, 2017, youtu.be/dPZLtFIP3X4. [ Conférence] JP. POIRIER – Buffon, l’âge de la Terre par le refroidissement, Académie des sciences, 2017, youtu.be/1XNXsNWYVW0. [ Conférence] Cédric Villani – Quand la terre était trop jeune pour Darwin, Académie des sciences, 2016, youtu.be/exN35XEjyO8. Audio

  Sur les épaules de Darwin », Darwin et le problème de l’âge de la « Terre, France Inter, 2016, www.franceinter.fr/emissions/sur-lesepaules-de-darwin/sur-les-epaules-de-darwin-27-fevrier-2016.

Articles

 ubert Krivine, « Histoire de l’âge de la Terre », Images de la Physique, H CNRS, 2011, www.cnrs.fr/publications/imagesdelaphysique/couvPDF/IdP2011/03_Krivine.pdf.  incent Deparis, « Quel âge a la Terre ? », Planet Terre, ENS de Lyon, V 2008, planet-terre.ens-lyon.fr/article/histoire-age-Terre.xml. T imothée Bonnet, « L’évolution en action », Planet Vie, ENS, planet-vie.ens.fr/article/2536/evolution-action#l-evolutiondarwinienne-est-nee-lente. M. E. Picciotto, « Données actuelles sur l’âge de la Terre et du système solaire », Ciel et Terre Vol. 73, p. 413-435, 1957, articles.adsabs. harvard.edu//full/1957C%26T....73..413P/0000413.000.html. Pierre Thomas, « L’évolution est un phénomène lent », Planet Terre, ENS Lyon, 2009, planet-terre.ens-lyon.fr/image-de-la-semaine/ Img268-2009-03-30.xml. Pierre Thomas, « La chaleur de la Terre et la géothermie », Planet Terre, ENS Lyon, 2014, planet-terre.ens-lyon.fr/article/chaleur-Terregeothermie.xml.

LE SAVIEZ-VOUS ?  ans l’Antiquité grecque, la Terre (Gaïa) est une figure D mythologique tout comme le Temps (Chronos). Dans ce cadre, la création de la Terre est un évènement semblable à la création du Temps qui échappe donc à la réalité tangible. L’humanité ne peut y avoir accès. De plus, l’idée de cycle, de recommencement perpétuel, prééminente dans la philosophie grecque, est également associée au temps. Cette association est également au cœur de la philosophie hindoue. Dans ce cadre, la notion d’âge de la Terre n’a donc pas de sens ni de raison d’être. Pour les tenants de cette philosophie, la Terre aurait donc toujours existé.

Les parcours possibles PARCOURS 1 Construction d’un tableau Consignes élèves Documents complémentaires 1 Construire un tableau Fiche méthode (disponible sur indiquant pour chaque le site compagnon) : scientifique si l’âge estimé de réaliser un tableau à double la Terre est un âge inférieur entrée. à 400 millions d’années ou supérieur à 400 millions d’années. 2 Indiquer dans le tableau si les arguments utilisés par les scientifiques sont des arguments de physique, de biologie ou de géologie. 3 Exploiter le tableau pour expliquer la controverse sur l’âge de la Terre.

PARCOURS 2 Classe en puzzle (ou jigsaw classroom) Consignes élèves Constituer les groupes « experts » : Équipe « Physique » : identifier les âges de la Terre estimés par les physiciens ainsi que les arguments utilisés. Équipe « SVT » : identifier les âges de la Terre estimés par les géologues et les biologistes ainsi que les arguments utilisés. 2 Mélanger les élèves des groupes « experts » pour constituer les groupes « apprentissage » : construire une affiche expliquant la controverse sur l’âge de la Terre. 1

Documents complémentaires Fiche méthode (disponible sur le site compagnon) : travailler en classe puzzle.

Fiche méthode (disponible sur le site compagnon) : réaliser un poster scientifique.

PARCOURS 3 Débat Consignes élèves Équipe « Physique »

Documents complémentaires

1 Identifier les âges de la Terre estimés par les géologues et les biologistes ainsi que les arguments utilisés. 2 Identifier les âges de la Terre estimés par les physiciens ainsi que les arguments utilisés. 3 Identifier les limites des arguments utilisés par les géologues et les biologistes pour estimer l’âge de la Terre. Équipe « SVT » 1 Identifier les âges de la Terre estimés par les géologues et les biologistes ainsi que les arguments utilisés. 2 Identifier les âges de la Terre estimés par les physiciens ainsi que les arguments utilisés. 3 Identifier les limites des méthodes utilisées par les physiciens pour estimer l’âge de la Terre. Fiche méthode (disponible sur Débat : à l’oral, participer à le site compagnon) : l’échange entre les équipes « Physique » et les équipes « SVT » prendre part à un débat. pour débattre de l’âge de la Terre.

THÈME 3 ● CHAPITRE 9 ● L’histoire de l’âge de la Terre

143

CHAPITRE 9

2

La radiochronologie, un nouvel âge pour la Terre La découverte de la radioactivité en 1896 par Henri Becquerel [➞ HED p. 32] puis la formulation en 1903 par Ernest Rutherford de la loi de décroissance radioactive permettent à la communauté scientifique, et notamment au géochimiste américain Clair Patterson, d’accéder à de nouvelles méthodes de datation. OBJECTIF Déterminer l’âge de la Terre en utilisant la radioactivité.

1

b. Un âge de la Terre qui fait consensus

En 1953, le géochimiste américain Clair Patterson (1922-1995) utilise la méthode de datation « plombplomb » sur des météorites pour dater l’âge de la Terre. Le résultat qu’il obtient est considéré aujourd’hui comme la première estimation correcte de l’âge de la Terre.

Pb/

U

Date 4

Pb

207

206

Pb

Pb

204

Âge des roches : 5 Ga

45

Météorite de Henbury

Météorite de Forest City

Météorite de Modoc

40

Les isotopes 235 et 238 de l’uranium sont radioactifs. Ils se désintègrent spontanément pour former de nouveaux éléments, eux aussi radioactifs, qui se désintègrent à leur tour jusqu’à former des isotopes stables du plomb. Le bilan de ces désintégrations peut se résumer de la façon suivante :

35

Pb

50,25

9,46

9,55

19,27

19,48

19,00

34,86

10,34

10,38

15,95

15,76

15,80

25 Âge des roches : 3 Ga

15 10

U ➞ 206Pb + produits de fission (demi-vie = 4,47 Ga)

238

Sédiments marins

Âge des roches : 4 Ga

30

20

235 U ➞ 207Pb + produits de fission (demi-vie = 0,70 Ga)

Pb/204Pb

207

238

d’une roche initialement riche en Uranium

55

Chaîne de désintégration

Résultats des mesures réalisées par Patterson

204

Date 3

U

235

f. Évolution au cours du temps de la composition

e. de l’uranium

c. Le tableau ci-dessous présente les rapports isotopiques du plomb contenu dans différentes météorites.

206

Date 2

700 Ma

50

Il utilise cette méthode sur différentes roches terrestres pour calculer l’âge de la Terre. Il obtient d’abord 40 millions d’années, puis date sur d’autres roches 140 millions d’années et enfin 500 millions d’années en 1906. Cette méthode de datation fut rapidement critiquée pour son manque de fiabilité.

Météorite de Canyon Diable

Date 1

Les résultats des mesures sont placés dans un graphique (doc. g). Les roches qui ont le même âge s’alignent sur une droite. Le coefficient directeur de cette droite augmente avec le temps. Le calcul du coefficient directeur de cette droite permet d’obtenir un âge.

En 1904, le physicien et chimiste néo-zélandobritannique Ernest Rutherford (1871-1937) propose de dater les roches grâce à la radioactivité et met au point la méthode « à l’hélium ».

Météorite de Nuevo Laredo

Roche

À l’aide d’un spectromètre de masse, on mesure les rapports en quantité 207Pb/204Pb et de 206 Pb/204Pb, donnant ainsi son nom à la méthode « plomb-plomb ».

Comparer les datations réalisées par Rutherford et Patterson

a. La méthode de datation « à l’hélium »

Identifier les principes de datation de la méthode « plomb-plomb »

Le 204Pb, 206Pb et 207Pb sont des isotopes stables du plomb. La comparaison de leur abondance permet de dater les roches par la méthode « plomb-plomb » (doc. f).

Pb/204Pb

2

207

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

5 0

g.

Illustration de la méthode « plomb-plomb » pour trois exemples de roches

5

10

15

20

25 206

Coef. dir. de Temps la droite (Ga) 0,057 0,5 0,720 1,0 0,094 1,5 0,123 2,0

Coef. dir. de Temps la droite (Ga) 0,164 2,5 0,223 3,0 0,306 3,5 0,425 4,0

40

Coef. dir. de Temps la droite (Ga) 0,597 4,5 0,845 5,0 1,207 5,5 1,734 6,0

45

50

55

Coef. dir. de Temps la droite (Ga) 2,507 6,5 3,642 7,0 5,315 7,5 7,785 8,0

Coef. dir. : Coefficient directeur.

d. Vue d’artiste représentant

la formation du Système solaire

D’après le modèle de la formation du Système solaire, les différents objets présents dans le Système solaire se sont formés en même temps. Ainsi, les météorites qui arrivent sur Terre ont le même âge que notre planète.

PISTE D’EXPLOITATION 1 Expliquer comment évoluent les rapports 206Pb/204Pb et 207Pb/204Pb dans une roche au cours du temps. 2 À l’aide des docs. e, f et g, expliquer pourquoi le coefficient directeur des droites sur lesquelles s’alignent les données augmente avec le temps. 3 Expliquer pourquoi l’âge des météorites peut être utilisé pour connaître l’âge de la Terre.

4 Déterminer l’âge de la Terre en utilisant les mesures et la méthode de Patterson. 5 Comparer les méthodes de datation et les âges obtenus par Rutherford et Patterson et expliquer en quoi Rutherford a profondément fait évoluer la controverse scientifique sur l’âge de la Terre.

204

CHAPITRE 9   L’histoire de l’âge de la Terre 205

204

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30 35 Pb/204Pb

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s problèmescientifiques C omment la découverte de la radioactivité a-t-elle permis le consensus scientifique sur l’âge de la Terre ? C omment les nouveaux faits et nouvelles techniques permettent-ils de faire progresser la connaissance ? C omment l’étude de la radioactivité des roches permet-elle d’obtenir un âge ?

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Les compétences travaillées Interpréter des résultats. Extraire et organiser des informations. Mettre en relation des informations pour répondre à un problème. C omprendre le lien entre les phénomènes naturels et le langage mathématique. En cas de traitement des données sur tableur : Utiliser des outils numériques.

Mobilisation des acquis  ue en cycle 4 : la formation du Système solaire (Physique-Chimie) ; V la Terre dans le Système solaire (SVT) ; représenter graphiquement des données, lire et interpréter graphiquement les coefficients d’une fonction affine représentée par une droite (Mathématiques). C hapitre 1 : certains noyaux sont instables et se désintègrent (radioactivité). L’instant de désintégration d’un noyau radioactif individuel est aléatoire. La demi-vie t1/2 d’un noyau radioactif est la durée nécessaire pour que la moitié des noyaux initialement présents dans un échantillon macroscopique se soit désintégrée. Cette demivie est caractéristique du noyau radioactif.

Les grandes idées à construire L ’utilisation des méthodes de datation fondées sur la radioactivité permet d’aboutir à un consensus scientifique sur l’âge de la Terre, en 1953, après deux siècles de controverses. E n utilisant les lois de décroissance radioactive, l’âge de la Terre est aujourd’hui estimé à 4,57 milliards d’années.

144

Utiliser des logiciels d’acquisition et de traitement de données.

Ce que disent les documents 1 doc. a. Rutherford est le premier scientifique qui utilise la radioactivité pour dater l’âge de la Terre. Sa méthode à l’hélium, qui manque de fiabilité, permet d’obtenir des âges de la Terre de 40 millions d’années à 500 millions d’années. ? Idée de question : En quoi la datation de Rutherford, malgré son manque de fiabilité, est-elle une étape importante dans l’histoire de l’estimation de l’âge de la Terre ?

doc. b. Comme Rutherford, Patterson utilise la radioactivité pour dater la Terre, mais à travers une autre méthode nommée « plombplomb ». En datant les météorites, il obtient le premier âge de la Terre qui fait consensus dans la communauté scientifique. ? Des idées de questions : En quoi la datation de Patterson est-elle une étape importante dans l’histoire de l’estimation de l’âge de la Terre ? Comment Patterson a-t-il obtenu l’âge de la Terre ?

doc. c. Les mesures par Patterson des rapports 206Pb/204Pb et 207 Pb/204Pb sur des météorites et des sédiments marins permettent de placer les points dans le graphique du doc. g et d’observer l’alignement de ces points sur une droite (il s’agit d’une isochrone, le terme n’est cependant pas exigible en Enseignement scientifique). En calculant le coefficient directeur de la droite obtenue et en mettant en relation cette pente avec le doc. g, on obtient un âge. ? Idée de question : Comment utiliser ces données pour obtenir l’âge de la Terre ?

Ressource numérique (disponible sur le site compagnon) : Tableur avec les données : rapports 206Pb/204Pb et 207Pb/204Pb. doc. d. Comme tous les objets du Système solaire se sont formés en même temps, les météorites qui arrivent sur Terre ont le même âge que notre planète. ? Idée de question : Pourquoi la datation des météorites permetelle de dater l’âge de la Terre ?

2 Comme le 235U se désintègre en 207Pb et le 238U se désintègre en 206Pb, le nombre de 235U et de 238U dans une roche diminue au cours du temps et le nombre de 207Pb et de 206Pb augmente au cours du temps. Comme le 204Pb est un isotope stable et n’est produit par aucune désintégration, le nombre de 204Pb dans une roche reste constant au cours du temps (doc. f). Par conséquent, les rapports 206 Pb/204Pb et 207Pb/204Pb augmentent au cours du temps. On mesure ces rapports à l’aide d’un spectromètre de masse. Lorsqu’on place les résultats des mesures dans un graphique 207 Pb/204Pb en fonction de 206Pb/204Pb, les roches du même âge s’alignent sur une droite. Comme la désintégration du 235U en 207Pb est plus rapide que celle du 238U en 206Pb, la pente de cette droite augmente avec le temps. Il existe donc une relation entre la pente et l’âge des roches. En plaçant les points des mesures réalisées par Patterson (doc. c) dans le graphique (doc. g), on observe une droite située entre la droite des roches datées de 4 Ga et celle des roches de 5 Ga, par conséquent, l’âge des météorites et donc de la Terre est compris entre 4 et 5 Ga. En calculant le coefficient directeur et en le mettant en relation avec le tableau de correspondance des pentes avec l’âge (doc. g), on obtient un âge pour les météorites, donc pour la Terre, légèrement supérieur à 4,5 Ga. Des idées de questions : Comment évoluent les quantités de U, U, 207Pb, 208Pb et 204Pb au cours du temps ? Comment expliquer que la pente de la droite donne une indication sur l’âge d’une roche ? Quel âge obtient-on pour la Terre en utilisant les mesures réalisées par Patterson ? ?

235

238

Ressource numérique (disponible sur le site compagnon) : Tableur avec le 207Pb/204Pb en fonction de 206Pb/204Pb.

Les

pour préparer votre séance

LE SAVIEZ-VOUS ?  ater l’âge de la Terre par radiochronologie en utilisant les roches D présentes à la surface de la Terre est très difficile. En effet, les roches de la lithosphère océanique sont presque intégralement recyclées lors de la subduction et les roches de la lithosphère continentale sont en partie recyclées par les processus liés à l’érosion. Cependant, comme l’érosion conduit à un recyclage partiel de la lithosphère continentale, certaines roches à la surface de la Terre sont très âgées. Ces structures continentales très anciennes appelées « cratons » peuvent avoir des âges dépassant 3 milliards d’années.

Les parcours possibles PARCOURS 1 Initiation 1 En plaçant les différents rapports isotopiques mesurés par Patterson dans le graphique 207Pb/204Pb en fonction de 206Pb/204Pb, les points s’alignent sur une droite de pente : 0,6027. En utilisant ce coefficient directeur, indiquer l’âge des échantillons calculé par Patterson. 2 Expliquer pourquoi l’âge des échantillons utilisés par Patterson permet de déterminer l’âge de la Terre. 3 Expliquer comment les nouvelles découvertes ont permis de faire évoluer la controverse scientifique sur l’âge de la Terre.

PARCOURS 2 Confirmé 1 Placer les résultats des mesures effectuées par Patterson dans le graphique 207Pb/204Pb en fonction de 206Pb/204Pb. 2 Tracer une droite passant par les différents points placés sur le graphique et indiquer l’encadrement de l’âge des échantillons utilisés par Patterson. 3 Expliquer pourquoi l’âge des échantillons utilisés par Patterson permet d’accéder à l’âge de la Terre. 4 Expliquer comment les découvertes nouvelles ont permis de faire évoluer la controverse scientifique sur l’âge de la Terre.

PARCOURS 3 Expert 1 Placer les résultats des mesures effectuées par Patterson dans le graphique 207Pb/204Pb en fonction de 206Pb/204Pb. 2 Tracer une droite passant par les différents points placés sur le graphique et calculer le coefficient directeur de cette droite. 3 En utilisant ce coefficient directeur, indiquer l’âge des échantillons calculé par Patterson. 4 Expliquer pourquoi l’âge des échantillons utilisés par Patterson permet d’accéder à l’âge de la Terre. 5 Expliquer comment les découvertes nouvelles ont permis de faire évoluer la controverse scientifique sur l’âge de la Terre.

Vidéos

Comment déterminer l’âge d’une roche ?, Geotop QC, 2018, youtu.be/Yisjd_AULqU. Articles

« La méthode plomb-plomb », IFÉ (Institut français de l’éducation), acces.ens-lyon.fr/acces/thematiques/limites/Temps/ datation-isotopique/comprendre/la-methode-plomb-plomb.   Datation de la Terre par la méthode Pb-Pb », IFÉ (Institut français « de l’éducation), acces.ens-lyon.fr/acces/thematiques/limites/Temps/ datation-isotopique/enseigner/datation-de-la-terre-par-la-methodepb-pb.

THÈME 3 ● CHAPITRE 9 ● L’histoire de l’âge de la Terre

145

CHAPITRE 9 Livre de l’élève SYNTHÈSE L’histoire de l’âge de la Terre

SYNTHÈSE

MÉMO

SCHÉMA

Podcast Texte DYS

Bilan animé

L’ÂGE DE LA TERRE, UN SUJET DE CONTROVERSES SCIENTIFIQUES Dès le xviiie siècle, les scientifiques utilisent des arguments issus de disciplines différentes pour déterminer l’âge de la Terre : des arguments physiques : Buffon ou Kelvin calculent la durée qui a été nécessaire pour que la Terre, initialement en fusion, se refroidisse ; des arguments géologiques : les géologues comme Lyell estiment le temps qui a été nécessaire pour que les structures géologiques, comme les empilements sédimentaires, se forment ; des arguments biologiques : Darwin réfléchit à la durée qui a été nécessaire pour que les transformations lentes de l’évolution biologique aboutissent à la diversité actuelle des êtres vivants. Au xixe siècle, les calculs fondés sur les arguments physiques n’aboutissement pas au même âge de la Terre que les estimations obtenues en utilisant les arguments géologiques ou biologiques. On parle de controverse scientifique sur l’âge de la Terre. ➞ activité 1

Remarque. Les différents arguments utilisés au xixe siècle mobilisent différentes théories (ou modèles) : la théorie de la conduction thermique pour Kelvin, la théorie de l’actualisme pour les géologues, la théorie de l’évolution pour Darwin. Comme les âges obtenus par les scientifiques sont contradictoires, on peut penser que ces différentes théories sont incompatibles.

A-Z

MOTS CLÉS

Controverse : échange d’arguments scientifiques en apparence valides conduisant à des résultats contradictoires. Théorie et modèle : représentation simplifiée de la réalité complexe utilisant un ensemble cohérent de notions et d’explications et s’appuyant sur des hypothèses définissant son domaine de validité. Pour être validée, elle doit prédire des résultats en accord avec l’expérience ou l’observation. Consensus : en sciences, un consensus est atteint lorsqu’une affirmation est compatible avec tous les arguments qui lui sont confrontés.

LA DÉCOUVERTE DE LA RADIOACTIVITÉ À L’ORIGINE D’UN CONSENSUS SCIENTIFIQUE SUR L’ÂGE DE LA TERRE La découverte de la radioactivité en 1896 (nouveau fait) et l’invention des spectromètres de masse (nouvelle technique), permettent à des scientifiques comme Rutherford et Patterson d’utiliser de nouvelles méthodes de datation pour calculer l’âge de la Terre. L’utilisation des méthodes de datation fondées sur la radioactivité permet d’aboutir à un consensus scientifique sur l’âge de la Terre, en 1953, après deux siècles de controverses. En utilisant les lois de décroissance radioactive, l’âge de la Terre est aujourd’hui estimé à 4,57 milliards d’années. ➞ activité 2

LA CONSTRUCTION DU SAVOIR SCIENTIFIQUE ET LE PERFECTIONNEMENT DE LA COMPRÉHENSION DE LA NATURE L’histoire de l’âge de la Terre illustre que le savoir scientifique résulte d’une longue construction collective faisant intervenir des échanges d’arguments parfois vifs. Les faits nouveaux, les techniques et les théories nouvelles permettent d’affiner ou de rejeter les précédentes conclusions et installent lentement la certitude. ➞ activités 1 et 2

206

CHAPITRE 9   L’histoire de l’âge de la Terre 207

206

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24/06/2019 11:54

SYNTHÈSE Ce chapitre sur l’histoire de l’âge de la Terre permet à l’élève d’appréhender le mode de construction des savoirs scientifiques (qui se distinguent des croyances et des opinions). Les savoirs résultent :  ’un raisonnement rationnel : l’élève comprend que les âges d estimés par les différents scientifiques sont toujours le résultat d’un raisonnement rationnel recherchant des causes matérielles aux phénomènes. En effet, c’est en analysant les faits issus de la réalité complexe (observation des paysages par Lyell ou de la diversité du vivant par Darwin) ou produits au cours d’expériences (refroidissement des boulets par Buffon) que les scientifiques ont pu donner des estimations pour l’âge de notre planète. Ces différents raisonnements sont mis en exergue dans le schéma par les « méthodes utilisées » et leur(s) protagoniste(s).

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découvertes sont toujours confrontées au savoir existant, ce qui permet d’en améliorer la précision ou de résoudre des controverses. Ces éléments sont situés grâce au schéma par les « publications » et les « découvertes et technologies nouvelles ». Hypothèses Terre initialement en fusion, refroidissement par l’extérieur, pas de source de chaleur interne

Faits Résultats d’expériences (temps de refroidissement)

d’une longue construction collective : entre les premières expériences de Buffon et l’utilisation de la radioactivité par Patterson, l’élève découvre que deux siècles auront été nécessaires pour que la science aboutisse à un consensus sur l’âge de la Terre. C’est ce qui est mis en évidence par la frise chronologique du schéma.  ’échanges d’arguments et des controverses parfois vives : à partir d de l’exemple de la controverse sur l’âge de la Terre au xixe siècle, l’élève comprend que l’existence de résultats incompatibles à une même question n’est pas acceptable. Ceci provoque des débats argumentés, illustrés dans le schéma par des éclairs rouges, dans le but de comprendre quel est le résultat correct et pourquoi.  ’un perfectionnement par l’apport des faits et de techniques d nouvellement connues : avec l’élaboration de la théorie de la conduction par Fourier, la découverte de la radioactivité par Becquerel puis Rutherford, et la conception de nouvelles techniques comme le spectromètre de masse, l’élève prend conscience que les

146

24/06/2019 11:54

Hypothèses Les changements à la surface de la Terre sont lents et progressifs

Faits Observation des paysages

Modèle Théorie de la conduction

Modèle Théorie de l’évolution

Modèle Théorie de l’actualisme Paramètre Conductivité des roches

Calculs

Faits Observation de la diversité du monde vivant

Paramètre Vitesses de sédimentation et d’érosion

Estimations et calculs

Calculs

Paramètre Vitesse de l’évolution

Estimations

Controverse scientifique

Âge de la Terre inférieur à 400 millions d’années

Âge de la Terre supérieur à 400 millions d’années

Construction des estimations de l’âge de la Terre par les physiciens, les géologues et les biologistes, à l’origine de la controverse sur l’âge de la Terre au xixe siècle

Livre de l’élève MÉTHODE Identifier la construction d’un savoir scientifique

Vérifier ses connaissances EXERCICES

QUIZ Énoncé

1

2

Affirmation

3

Les hypothèses sont-elles cohérentes avec le savoir existant ?

Les hypothèses et le modèle sont-ils argumentés ? (observation, démonstration)

5 L’affirmation est-elle en accord avec tous les résultats scientifiques ?

Savoir scientifique

OUI

OUI

OUI

OUI

OUI = CONSENSUS

NON

NON

NON

NON

NON = CONTROVERSE

modification

modification

modification

modification

Méthode

3

modification

Joly affirme que la Terre a 93 Ma. Cette affirmation est réfutable.

ÉTAPE 2  Identifier les hypothèses impliquées et indiquer si elles sont cohérentes avec le savoir de l’époque.

Hypothèses : • âge de la Terre = âge des océans • au départ : océans d’eau douce • le sel a été apporté par les rivières Ces hypothèses semblent cohérentes avec le savoir de l’époque.

ÉTAPE 3  Indiquer si les hypothèses et le modèle sont argumentés.

Joly réalise des mesures et des calculs pour obtenir l’âge qu’il propose.

ÉTAPE 4  Indiquer si les hypothèses et le modèle ne sont pas réfutés par des expériences.

Aucune expérience ne semble réfuter sa démarche.

ÉTAPE 5  Indiquer si l’affirmation est en accord avec tous les résultats scientifiques.

L’âge de 93 millions d’années est proche de l’âge proposé par Kelvin mais en désaccord avec l’âge proposé par Darwin, il y a controverse.

4

Au xvii siècle, Edmond Halley suggère à partir d’observations que la Lune s’éloigne de la Terre. À la fin du xixe siècle, George Darwin – fils de Charles Darwin – démontre mathématiquement cet éloignement en utilisant la théorie de la gravitation de Newton. George Darwin pense que la Lune est un morceau qui s’est séparé de la Terre au début de son histoire (idée encore admise aujourd’hui). Il estime donc que ces deux objets du Système solaire ont le même âge. À partir de la vitesse d’éloignement de la Lune estimé, il calcule que la Lune et la Terre se sont séparées il y a 56 millions d’années.

(en années)

Kelvin

Joly

1 × 107 1 × 106 1 × 105

Buffon

1 × 104

Ussher

Temps (en années)

la radioactivité le temps de refroidissement de la Terre le temps d’érosion des vallées le temps d’empilement des sédiments

6

Sur ce même graphique, on voit que les scientifiques qui estiment que l’âge de la Terre est supérieur à 100 millions d’années sont : a b c d

96 670 ans 20 millions d’années 400 millions d’années 4,57 milliards d’années

sur le thème « Les théories impliquées dans la controverse scientifique de l’âge de la Terre ».

1

Ussher et Buffon Buffon et Kelvin Kelvin et Rutherford Rutherford et Patterson

De la controverse au consensus

L’étiquette centrale doit s’intituler

de la Controverse scientifique sur l’âge

Terre

Mettre graphiquement en évidence les différents arguments scientifiques qui ont été à l’origine d’une controverse sur l’âge de la Terre. Associer d’autres étiquettes de votre initiative, ou par exemple :

Montrer comment la démarche de George Darwin pour obtenir l’âge de la Terre s’inscrit dans la construction d’un savoir scientifique.

Évolution biologique Empilements sédimentaires

Kelvin

Darwin ent

Temps de refroidissem de la Terre

Après avoir expliqué l’origine de la querelle entre biologistes/géologues et physiciens, montrer comment la découverte de la radioactivité a permis d’aboutir à un consensus sur l’âge de la Terre.  Présenter votre réponse sous la forme d’un exposé structuré, avec une introduction et une conclusion.

208

09172919_198-213_C09.indd 208

Rutherford

a l’âge estimé de la Terre a augmenté au cours du temps b l’âge estimé de la Terre a diminué au cours du temps c le temps a augmenté au cours de l’âge de la Terre d le temps a diminué au cours de l’âge de la Terre

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE

Pour s’entraîner e

les géologues et les biologistes les physiciens et les chimistes les physiciens et les géologues les physiciens et les mathématiciens

Aujourd’hui, l’âge de la Terre est estimé à : a b c d

Patterson

1 × 109 1 × 108

1 × 103 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000

Aujourd’hui, l’âge de la Terre est obtenu par une méthode utilisant : a b c d

Application

ÉTAPE 1  Identifier l’affirmation et indiquer si elle est réfutable.

Au xixe siècle, l’âge de la Terre a été l’objet d’une controverse entre : a b c d

Sur le graphique ci-dessous, on observe que : 1 × 1010

a le temps d’empilement des sédiments b la radioactivité c le rayonnement solaire absorbé par les végétaux d le temps de refroidissement de la Terre

2

4 Les hypothèses et le modèle ne sont-ils pas réfutés par de nouveaux faits, expériences, techniques ?

5

La méthode n’ayant pas été utilisée pour calculer l’âge de la Terre est :

Âge estimé de la Terre

Il évalue la masse des océans, mesure la concentration de sel dans l’eau de mer et dans les rivières, estime la quantité de sel apportée par les rivières chaque année et calcule qu’il a fallu 93 millions d’années pour que les océans obtiennent leur salinité actuelle. Est-ce une affirmation réfutable ?

1

Montrer comment la démarche de John Joly pour obtenir l’âge de la Terre s’inscrit dans la construction d’un savoir scientifique.

En 1899, John Joly propose une nouvelle méthode de datation de l’âge de la Terre. Il veut dater l’âge des océans, qui devrait être proche de celui de la Terre. Selon lui, les océans étaient au départ composés d’eau douce et le sel de l’eau de mer a été apporté par les rivières.

Parmi les affirmations suivantes, choisissez la réponse exacte.

CHAPITRE 9   L’histoire de l’âge de la Terre 209

209

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CORRIGÉS DES EXERCICES

POUR S’ENTRAÎNER Étape 1 : George Darwin affirme que la Terre a 56 millions d’années. Cette affirmation est réfutable. Étape 2 : Hypothèses : – la Lune est un morceau de la Terre qui s’en est séparé ; – cette séparation s’est produite lorsque la Terre était jeune ; – la théorie de la gravitation de Newton est correcte. Ces hypothèses sont cohérentes avec le savoir de l’époque. Étape 3 : Pour calculer la vitesse d’éloignement de la Lune, George Darwin utilise une théorie incontestée à l’époque : la théorie de la gravitation. Pour en déduire l’âge de la séparation Terre-Lune, il utilise les mesures, fiables, de la distance Terre-Lune. Étape 4 : Aucune expérience ne semble réfuter sa démarche. Étape 5 : L’âge de la Terre estimé par George Darwin est en contradiction avec les théories de l’évolution et de l’uniformitarisme. Il y a controverse.

RÉPONSES DU QUIZ 1.c / 2.c / 3.a / 4.d / 5.a / 6.d

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1

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De la controverse au consensus

Aux xviiie et xixe siècles, les physiciens comme Buffon et Kelvin estiment l’âge de la Terre en calculant le temps de refroidissement d’une sphère de même diamètre que la Terre. Kelvin trouve un âge compris entre 20 et 400 millions d’années. À la même époque, les géologues (Lyell) et les biologistes (Darwin) pensent que les processus géologiques à l’origine des paysages et les processus biologiques comme l’évolution, à l’origine de la diversité du vivant, sont des processus très lents. Ils estiment que l’âge de la Terre est beaucoup plus élevé, de l’ordre du milliard d’années. Les géologues et les biologistes d’une part et les physiciens d’autre part utilisent donc des méthodes différentes et obtiennent des estimations de l’âge de la Terre très différentes. Cette incompatibilité est à l’origine du débat sur l’âge de la Terre ; on parle de controverse scientifique. La découverte de la radioactivité à la fin du xixe siècle permet aux scientifiques, comme Rutherford, d’accéder à de nouvelles méthodes pour dater l’âge de la Terre. Au xxe siècle, Patterson calcule un âge de la Terre d’environ 4,5 milliards d’années en utilisant la radioactivité des météorites. Cet âge, obtenu par des méthodes de physique, est compatible avec les théories des géologues et des biologistes. Ceci a permis de rejeter le résultat de Kelvin et d’aboutir à un consensus scientifique une fois l’erreur de Kelvin identifiée.

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE Indicateurs de réussite L es scientifiques sont correctement identifiés et reliés aux arguments qu’ils ont utilisés pour estimer l’âge de la Terre. Les âges estimés sont ajoutés et reliés aux arguments utilisés. L ’origine de la controverse apparaît clairement par la confrontation des âges estimés. THÈME 3 ● CHAPITRE 9 ● L’histoire de l’âge de la Terre

147

CHAPITRE 9 Livre de l’élève EXERCICES Extraire des informations 2

Analyser des informations et raisonner EXERCICES 4 Datation radiochronologique par la méthode « hélium-uranium »

Catastrophisme et uniformitarisme, deux courants de pensée

OBJECTIF Identifier diverses théories impliquées dans la controverse scientifique de l’âge de la Terre.

Au xixe siècle, deux courants de pensée s’opposent : le catastrophisme et l’uniformitarisme. Selon les partisans du catastrophisme, les caractéristiques de notre planète (ses paysages, ses êtres vivants, etc.) sont apparues brutalement, suite à des cataclysmes de très courtes durées (éruptions, chute de comète, déluges, etc.). Selon les partisans de l’uniformitarisme, les processus qui existaient dans le passé ont encore lieu aujourd’hui ; ces processus, comme l’érosion, la sédimentation, l’évolution de la vie, sont des processus très lents.

3

OBJECTIF Déterminer l’âge d’une roche, utiliser un tableur-grapheur.

En 1997, les géologues Peter Reiners et Kenneth Farley perfectionnent la méthode hélium-uranium imaginée en 1897 par Ernest Rutherford. Ceci leur permet notamment de dater des cristaux de titanite australiens.

 À partir des informations fournies et de recherches sur Internet, indiquer, en justifiant votre réponse :  1. quel courant de pensée, catastrophiste ou uniformitariste, semble le plus en accord avec l’estimation de James Ussher,  2. à quel courant de pensée appartiennent les scientifiques suivants : Georges Cuvier, James Hutton et Charles Lyell.

b. Compositions d’échantillons de cristal de titanite Nom de l’échantillon

Chronologie biblique et âge de la Terre

4,2035

MD-1B MD-1G MDGR1

À l’issue du Moyen Âge, l’idée d’une création de la Terre par un Dieu externe est établie par les trois grandes religions monothéistes. Les savants de la Renaissance cherchent donc dans les grands récits un moyen d’estimer l’âge de la Terre.

2,9412

13,1858

51,6807

4,000

6,6372

24,2437

5,2632

1,0531

5,9664

2,3256

a. Exemple de cristal de titanite

L’uranium et le thorium sont des éléments instables. Ils se stabilisent dans des chaînes de désintégrations successives émettant respectivement 8 et 6 noyaux d’hélium. Ainsi, dans un matériau ne contenant pas d’hélium initialement, la quantité d’hélium est donnée par la relation :

b. Extrait de chronologie biblique

n(He) = (8 λUn(U) + 6λThn(Th)) × t

Dans la Bible, la chronologie des premières générations humaines est très précise : créé par Dieu, Adam a vécu 930 ans. Son fils, Seth, naît lorsqu’il a 130 ans. Celui-ci engendre Enoch à 105 ans et ainsi de suite jusqu’au Déluge, dont la date peut être précisément établie à 1 656 ans après la Création. Ensuite, la généalogie est plus floue. – 4000

Hg

206

λ≈

4000 > 3070 av. J.-C. Adam et Ève

0,693 t1/2

Po

214

Ti

206

Pb

210

Bi

214

Pb

206

Po

218

Bi

210

Po

214

Po

At

218

210

Rn

222

He

4

La constante de désintégration radioactive d’un élément est reliée à la demi-vie de cet élément par la relation :

– 2000

Ti

210

où t est le temps en années, λU et λTh sont respectivement les constantes de désintégration de l’uranium et du thorium.

– 3000

1. Expliquer comment James Ussher détermine l’âge de la Terre. 2. Comparer cet âge aux âges proposés par les scientifiques du xixe et xxe siècle. 3. Montrer que la démarche de James Ussher ne s’inscrit pas dans la construction d’un savoir scientifique.

n(U)

20,5462

c. L’uranium et le thorium

James Ussher parvient, en utilisant la chronologie biblique, à estimer à 4004 ans avant J.-C. la date de création de la Terre.

a. L’existence de Dieu, une affirmation irréfutable ?

n(Th)

n(U) [en nmol]

D’après (U–Th)/He dating of titanite, Reiners et al, 1997.

OBJECTIF Interpréter des arguments utilisés pour comprendre l’âge de la Terre.

Un Dieu est, possiblement, une entité immatérielle et hors de l’Univers. Le cas échéant, il ne peut faire l’objet de recherches scientifiques, car ces recherches ne peuvent étudier que l’Univers et ce qu’il contient. La question de l’existence d’un Dieu ne peut donc pas être résolue par la science.

n(He) [en nmol]

MD-1A

Rn

218

He

4

He

4

Ra

226

He

4

Th

230

He

Pa

234

U

238

4

λU = 1,551 × 10–10 an–1 et λTh = 4,933 × 10–11 an–1.

3870 > 2958 av. J.-C. Seth

Th

234

He

4

– 1000

U

234

He

4

He

4

3765 > 2860 av. J.-C. Énosch 3675 > 2765 av. J.-C. Kénan 2944 > 1994 av. J.-C. Noé

1. Reporter les valeurs ci-dessus dans un tableur-grapheur et représenter la quantité d’hélium en fonction de celle d’uranium. droite passant par l’origine le nuage de points obtenu et afficher 1834 > 1687 av.l’équation J.-C. Jacob de la courbe. 3. Montrer que coefficient directeur de la droite obtenue à la question 1742 > 1632 av. le J.-C. Joseph précédente est : 1580 > 1460 av. J.-C. Moïse n(Th)⎞ ⎛  ×t a = 8 λU + 6 λTh Le Déluge L’Exode ⎝ n(U)⎠ 2052 > 1877graphiquement av. J.-C. Abraham

D’après Hubert Krivine, « Histoire de l’âge de la Terre », Images de la physique, CNRS, 2011. Chronologie biblique par James Ussher

1952 > 1772 av. J.-C. Isaac 2. Modéliser par une

4. À l’aide du tableur, calculer l’âge de chaque échantillon. 5. Pour estimer l’âge du cristal de titanite, effectuer une moyenne sur les valeurs calculées à la question précédente. 210

CHAPITRE 9   L’histoire de l’âge de la Terre 211

210

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CORRIGÉS DES EXERCICES

2

Catastrophisme et uniformitarisme, deux courants de pensée

1. L e catastrophisme semble davantage en accord avec la Bible que l’uniformitarisme. En effet, dans la Bible, de nombreuses caractéristiques de notre planète apparaissent suite à des événements rapides, voire brutaux (ex. : création du monde, déluge). 2. D  ’après l’article Wikipédia « Catastrophisme », Georges Cuvier était catastrophiste : « le partisan scientifique le plus notable du catastrophisme au début du xixe siècle était Georges Cuvier. » D’après l’article Wikipédia « Uniformitarisme », James Hutton et Charles Lyell étaient uniformitaristes : « l’uniformitarisme a d’abord été formulé au xviiie siècle par James Hutton, puis plus largement répandu par John Playfair et Charles Lyell, actualistes qui proposent de ne considérer que l’action lente et graduelle (uniformitarisme) des phénomènes géologiques connus de nos jours (actualisme). »

3

Chronologie biblique et âge de la Terre

1. James Ussher détermine l’âge de la Terre en utilisant des indications contenues dans la Bible, comme la durée de vie et l’âge des protagonistes lors de la naissance de leurs enfants. 2. Ussher obtient un âge de la Terre de 4 004 ans avant J.-C. Cet âge est très largement inférieur aux âges proposés par les scientifiques. En effectuant le rapport de cet âge avec les résultats scientifiques des xixe et xxe siècles, on trouve qu’il est 100 000 fois plus faible que l’âge donné par Kelvin, 250 000 fois inférieur à l’estimation de Darwin et un million de fois inférieur à l’âge faisant consensus aujourd’hui.

148

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24/06/2019 11:54

3. Ussher affirme que la Terre a été créée par Dieu 4 004 ans avant J.-C. Cette affirmation implique l’existence d’un Dieu. Or, comme la question de l’existence de Dieu ne peut pas être résolue par la science, l’affirmation d’Ussher n’est donc pas réfutable. Une affirmation non réfutable ne peut pas s’inscrire dans la construction d’un savoir scientifique.

chronologique par la méthode 4 Datation « hélium-uranium » 1. 

14 12 n(He) (en nmol)

09172919_198-213_C09.indd 210

y = 0,2516x

10 8 6 4 2 0

0

10

20

30 40 n(U) (en nmol)

50

60

S’aider si besoin de la fiche méthode no 19 (p. 342 du manuel). 2. Pour obtenir la courbe de tendance ci-dessus : effectuer un clic droit sur un point et sélectionner « Ajouter une courbe de tendance » ; choisir l’option « linéaire » ; cocher les cases « définir l’interception » et « afficher l’équation sur le graphique ». 3. D’après les données, n(He)=(8λUn(U) + 6λThn(Th)).t donc n(He)=[(8λU + 6λThn(Th)/n(U)).t]n(U). L’expression entre crochets correspond donc au coefficient directeur de la droite représentée sur le graphique. C’est exactement celle du coefficient a de l’énoncé.

Livre de l’élève EXERCICES

EXERCICES

Vers le BAC exercice non guidé

6 Un exemple de controverse récente : l’âge des peintures de la grotte Chauvet

Formation des canyons et estimation d’âge

OBJECTIFS Exploiter des documents – Rédiger une argumentation scientifique.

OBJECTIFS Exploiter des documents – Rédiger une argumentation scientifique.

Les calculs de l’âge de la Terre exploitant la chronologie de la Bible aboutissent à un âge de la Terre d’environ 6 000 ans.  À partir de l’exploitation des documents, estimer le temps de formation du Blyde River Canyon (en précisant l’incertitude des résultats obtenus) puis confronter vos calculs aux estimations bibliques de l’âge de la Terre. Par souci de simplification, on considérera que l’érosion des roches sédimentaires a débuté après le dépôt des sédiments.

De sa découverte en 1994 jusqu’en 2016, la grotte Chauvet a été l’objet d’une controverse scientifique : les peintures qu’elle contient datent-elles réellement d’il y a environ 30 000 ans ?

a. La notion de taux de sédimentation 4

On appelle taux de sédimentation l’épaisseur de sédiments qui se déposent sur une certaine période de temps. En général, on peut considérer que le taux de sédimentation varie entre 1 mm et 1 cm par an.

Radioactivité (en coups par minute et par gramme)

5

exercice guidé Vers le BAC

b. La notion de taux d’érosion On appelle taux d’érosion, l’épaisseur de roche « enlevée » à un massif sur une certaine période de temps. Le taux d’érosion varie de 2 à 20 cm par millénaire.

Exemple de peinture de la grotte Chauvet. Pour les spécialistes de l’art mural préhistorique, ces peintures requièrent la maîtrise des mêmes techniques (perspective, représentation du mouvement) que celles de Lascaux, datées à 18 000 ans. Les peintures seraient donc contemporaines, appartenant à la culture magdalénienne.

L’âge des éboulis, une étape cruciale

c. pour la résolution de la controverse

L’accès préhistorique à la grotte Chauvet a été condamné par des éboulements. En 2012, l’étude d’une nouvelle méthode de datation utilisant la radioactivité a permis de dater l’âge de ces éboulis. Il est établi que la grotte a été définitivement fermée il y a 21 500 ans.

Œ

1

0 10 000

a. Lions des cavernes à la chasse

Blyde River AFRIQUE Canyon DU SUD

3

2

15 000 20 000 25 000 30 000 35 000 40 000 Temps (en années)

b. Évolution de la radioactivité d’un échantillon en fonction de son âge

La datation au carbone-14 permet, en mesurant la radioactivité d’un échantillon organique, de déterminer l’âge de sa mort. La radioactivité des échantillons de charbon utilisés pour les peintures de la grotte Chauvet a été mesurée à 0,40 coups par minute et par gramme.

Une nouvelle méthode d’investigation :

d. la méta analyse

En 2016, une étude statistique reprenant l’intégralité des différentes datations a permis d’établir que l’activité humaine a cessé dans la grotte il y a 28 000 ans.

GUIDE D’EXPLOITATION 1. Déterminer graphiquement l’âge donné par la datation des échantillons au carbone-14.



2. Identifier l’origine de la controverse sur l’âge des peintures. 3. Préciser en quoi la datation réalisée en 2012 est cruciale pour la résolution de la controverse.

c. Blyde River Canyon (Afrique du Sud)

 Les reliefs de ce canyon sont essentiellement constitués de grès (roches sédimentaires). Ces structures se sont formées

4. Expliquer en quoi l’exemple de la grotte Chauvet illustre l’affirmation : « Les faits nouveaux, les techniques et les théories nouvelles permettent d’affiner ou de rejeter les précédentes conclusions et installent lentement la certitude. »

par dépôts successifs de sédiments. ‚ Le paysage a été creusé par l’érosion due à l’écoulement de la rivière Blyde. La profondeur de ce canyon peut atteindre 800 mètres.

212

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CHAPITRE 9   L’histoire de l’âge de la Terre 213

213

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4. P  our obtenir l’âge de chaque échantillon dans le tableur, on utilise la formule suivante : « =n(He)/(n(U)*(8λU + 6λThn(Th)/n(U))) ». On obtient les résultats suivants : – l’échantillon MD-1A est âgé de 96,901 Ma ; – l’échantillon MD-1B est âgé de 105,22 Ma ; – l’échantillon MD-1G est âgé de 97,824 Ma ; – l’échantillon MDGR1 est âgé de 91,495 Ma. 5. En effectuant la moyenne sur les quatre valeurs obtenues à la question précédente (fonction « moyenne » du tableur), on trouve 97,861 Ma.

CORRIGÉS DES EXERCICES

5

LE SAVIEZ-VOUS ? En physique nucléaire, le coup par minute (cpm) est une unité d’activité correspondant à 1/60 de becquerel (Bq). Son nom fait référence au bruit produit par les détecteurs lorsqu’ils captent le rayonnement d’une désintégration radioactive.

Formation des canyons et estimation d’âge

Le paysage du Blyde River Canyon a été formé par deux processus géologiques : – dépôts successifs de sédiments (processus à l’origine des grès qui constituent la falaise) ; – érosion des grès par la rivière (processus à l’origine du canyon). Le doc. c indique que les dépôts sédimentaires sont épais d’au moins 800 mètres. Si l’on considère un taux de sédimentation de 1 mm par an, il a fallu 800 000 ans pour déposer 800 mètres de grès. En revanche, si l’on considère un taux de sédimentation de 1 cm par an, il a fallu 80 000 ans pour déposer ces 800 mètres. Par conséquent, on estime que le dépôt des sédiments a duré entre 80 000 et 800 000 ans. Le doc. c indique que la profondeur du canyon peut atteindre 800 mètres. Si l’on considère un taux d’érosion de 2 cm par millénaire (soit 0,002 cm par an), il a fallu 40 000 000 d’années pour éroder 800 mètres de grès. En revanche, si l’on considère un taux d’érosion de 20 cm par millénaire (soit 0,02 cm par an), il a fallu 4 000 000 d’années pour éroder ces 800 mètres. Par conséquent, on estime que le

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creusement du canyon a duré entre 4 000 000 et 40 000 000 d’années. On considère par souci de simplification que l’érosion des roches sédimentaires a débuté après le dépôt des sédiments, donc que les deux processus se sont succédés. Le temps de formation du Blyde River Canyon serait au minimum de 4 080 000 années (80 000 + 4 000 000) et au maximum de 40 800 000 années (800 000 + 40 000 000). L’incertitude est donc très grande, mais la datation par chronologie biblique d’Ussher à 4 004 ans avant J.-C. n’est en aucune façon compatible avec le temps de formation du Blyde River Canyon qui est au minimum de 4 080 000 années.

exemple de controverse récente : 6 Un l’âge des peintures de la grotte Chauvet 1. Par lecture graphique, on obtient un âge de 29 000 ans. 2. La controverse sur l’âge des peintures provient du fait que leur style très avancé ressemble à celui des grottes de Lascaux, de culture magdalénienne et datées à 18 000 ans alors que la datation par carbone-14 donne un âge de 29 000 ans. 3. La datation réalisée en 2012 est une nouvelle mesure indépendante de datation absolue. Elle révèle que les peintures ne peuvent avoir été réalisées il y a moins de 21 500 ans car la grotte est inaccessible depuis cette date. 4. En 2012, une nouvelle technique remet en question l’appartenance des peintures de la grotte Chauvet à la culture magdalénienne et permet de rejeter certaines affirmations précédentes. La méta-analyse conduite en 2016 permet de retracer l’histoire de l’occupation de la grotte Chauvet. En multipliant les méthodes indépendantes de datation il est possible d’affiner les conclusions précédentes en aboutissant à la certitude, grâce au faisceau de preuves apporté par les statistiques, que l’âge des peintures de la grotte Chauvet est compris entre 28 000 et 29 000 ans. THÈME 3 ● CHAPITRE 9 ● L’histoire de l’âge de la Terre

149

CHAPITRE 10 Livre de l’élève

CHAPITRE

TEASER

10

La Terre dans l’Univers

Vidéo

b. Le procès de Galilée en 1633 montre la difficulté de la construction du savoir scientifique.

En quoi l’héliocentrisme constitue-t-il un savoir scientifique et non une croyance ?

L’observation des étoiles, des planètes et de la Lune a toujours passionné les Hommes, amenant différentes croyances à se succéder au cours des siècles. La construction du savoir scientifique s’est progressivement heurtée à de célèbres et violentes controverses qui ne sont pas sans rappeler celles liées à la détermination de l’âge de la Terre.

➞ HED p. 218

c. Quelques phases de la Lune au cours d’un mois lunaire : croissant, quartier, pleine lune, nouvelle lune. Comment expliquer que l’aspect de la Lune observée depuis la Terre change au cours du temps ? ➞ activité 2

d. Vue d’artiste dévoilant la face cachée de la Lune avec la Terre au second plan.

Comment expliquer que la Lune présente toujours la même face à la Terre ? ➞ activité 2

a. Chronophotographie du Soleil au cours d’une journée à Athènes. Le Soleil tourne-t-il autour de la Terre ? ➞ activité 1 214

CHAPITRE 10   La Terre dans l’Univers 215

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Les grandes idées à construire L e passage d’une conception géocentrique à une conception héliocentrique constitue une des controverses majeures de l’histoire des sciences. L ’aspect de la Lune dans le ciel varie en fonction de sa position par rapport à la Terre et au Soleil, mais la Lune présente toujours la même face.

Ce que disent les documents a En observant la course du Soleil dans le ciel au cours d’une journée, on a l’impression que le Soleil tourne autour de la Terre. La conception géocentrique semble fondée, mais elle correspond à la compréhension du monde lors d’une époque où la science ne disposait pas d’un matériel perfectionné pouvant contredire les croyances.

b Teaser : ce document raconte le choc entre les croyances et le savoir scientifique qui a conduit au procès de Galilée au xviie siècle. On comprend mieux la violence de l’époque et les raisons de l’abjuration de Galilée. L’extrait (5 min 40 à 8 min 54) débute par la présentation de la découverte majeure qui a conduit Galilée à réfuter la conception géocentrique : des satellites tournent autour de Jupiter, tout ne tourne donc pas autour de la Terre.

150

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Des références à Ptolémée et Copernic permettent de se situer dans le contexte historique. L’ouvrage polémique de Galilée est ensuite présenté. Un historien, auteur d’une biographie sur Galilée, explique que le savant déstabilise les croyances de l’époque car l’Homme, qui se croyait le centre de l’Univers, devrait admettre que la Terre est en mouvement autour du Soleil. Il décrit précisément le procès de Galilée par le tribunal de l’Inquisition. Des extraits du téléfilm historique français « Galilée ou l’amour de Dieu » (2005) de JeanDaniel Verhaeghe (www.youtube.com/watch?v=19cUtss1ga8) permettent d’illustrer ses propos. On comprend alors la gravité de la situation de l’époque. L’extrait s’achève par la phrase que Galilée aurait énoncée : « Et pourtant elle tourne ».

c Ce montage photographique illustre les phases de la Lune. On peut facilement reconnaître les croissants, les quartiers et la pleine lune. En observant les cratères présents à la surface de notre satellite, on remarque que la Lune montre toujours la même face. d Puisque la Lune présente toujours la même face, les Terriens ne peuvent pas observer sa face cachée, ce qui l’a rendue mystérieuse. Il a fallu attendre le xxe siècle pour découvrir ce qui se passait de l’autre côté de notre satellite.

Progression dans le chapitre AC TIVITÉ

1

Problèmes scientifiques L a Terre tourne-t-elle autour du Soleil ou le Soleil tourne-t-il autour de la Terre ? Comment définir le mouvement ? Pourquoi les savants du xviie siècle ont-ils commencé à remettre en question la conception géocentrique ?

Compétences travaillées  xtraire et organiser des E informations. Structurer un raisonnement.  édiger un texte en utilisant R des arguments scientifiques.

 uels arguments en faveur de Q la conception héliocentrique ont été apportés par les observations astronomiques ?

HED

Problèmes scientifiques  uels arguments théoriques et Q expérimentaux ont été utilisés pour défendre les modèles géocentrique et héliocentrique ? C omment établir une loi à partir de résultats d’observations ou à partir d’une théorie plus générale ?

AC TIVITÉ

2

TÂCHE COMPLEXE

Problèmes scientifiques

Compétences travaillées Exploiter des documents.  édiger une argumentation R scientifique. C ommuniquer une information sous forme d’un schéma. J ustifier dans quelle mesure une proposition est vraie ou fausse.

Compétences travaillées

C omment expliquer l’aspect changeant de la Lune ?

 xtraire et organiser des E informations.

 ourquoi la Lune présente-t-elle P toujours la même face ?

Structurer un raisonnement.

L a face cachée de la Lune estelle éclairée par le Soleil ?

 édiger un texte en utilisant R des arguments scientifiques.

 ourquoi n’observe-t-on pas P d’éclipse de Soleil à chaque nouvelle lune et d’éclipse de Lune à chaque pleine lune ?

Suivre un protocole.

Idées clés L e passage d’une conception géocentrique à une conception héliocentrique s’est fait avec rigueur en apportant des arguments solides basés sur les observations astronomiques. Galilée a d’abord réfuté la conception géocentrique : tout ne tourne pas autour de la Terre comme le montrent les satellites de Jupiter, puis il a validé la conception héliocentrique grâce aux phases de Vénus inexplicables par la conception géocentrique.

Idées clés  assage progressif du P géocentrisme à l’héliocentrisme, avec les résistances que ce changement de conception peut provoquer. L a différence entre les modes de raisonnement inductif et déductif.

Idées clés L a Lune tourne sur elle-même (rotation) et autour de la Terre (révolution).  iffusion de la lumière solaire D par la Lune vers la Terre.  hases de la Lune : présentation P d’aspects changeants selon la position de la Lune sur son orbite autour de la Terre. L a Lune présente toujours la même face.

THÈME 3 ● CHAPITRE 10 ● La Terre dans l’Univers

151

CHAPITRE 10 Livre de l’élève ACTIVITÉ

1

2

Conception héliocentrique « Et pourtant elle tourne… » Cette célèbre phrase de Galilée qui aurait été prononcée à l’issue de son procès en 1633 montre l’amertume de ce savant qui passa sa vie à démontrer la conception héliocentrique de l’Univers. OBJECTIF Expliquer dans une perspective historique le passage d’une conception géocentrique à une conception héliocentrique.

1

Comprendre la relativité du mouvement

Copernic a le premier l’idée d’étudier le mouvement des astres par rapport au Soleil : c’est la naissance de l’héliocentrisme.

a. Galilée présente la relativité du mouvement

3

b. Galileo Galilei, dit Galilée

Physicien et astronome italien (1564-1642).

6

5

4

4

3

2

1

6

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3

4

3

5

VOCABULAIRE

Le référentiel géocentrique est un solide de référence formé par le centre de la Terre et des étoiles lointaines considérées comme fixes, auquel sont associés des repères d’espace et de temps. Le référentiel héliocentrique, nommé d’après Hélios, dieu grec du Soleil, est un solide de référence formé par le centre du Soleil et des étoiles lointaines considérées comme fixes, auquel sont associés des repères d’espace et de temps.

2

1

2

c. Représentation des référentiels utilisés dans les conceptions

3 Soleil

5

2

e. Dessins de Galilée représentant 6

1

6

Terre Conception géocentrique de Ptolémée

1 Terre

Conception héliocentrique de Copernic

Dans la conception géocentrique de Ptolémée, Vénus tourne autour de la Terre en décrivant des petits cercles : les épicycles ; on ne devrait observer qu’une petite partie de sa face éclairée. Les phases de Vénus observées par Galilée s’expliquent parfaitement grâce à la conception héliocentrique.

PISTE D’EXPLOITATION

géocentrique et héliocentrique

3 Expliquer pourquoi Galilée a pu valider la conception héliocentrique grâce à son observation des phases de Vénus. 4 Imaginer un dialogue entre Galilée et Ptolémée dans lequel le défenseur de l’héliocentrisme apporterait des arguments pour convaincre Ptolémée que sa conception géocentrique n’est pas valide.

216

CHAPITRE 10   La Terre dans l’Univers 217

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s problèmescientifiques L a Terre tourne-t-elle autour du Soleil ou le Soleil tourne-t-il autour de la Terre ? Comment définir le mouvement ?  ourquoi les savants du xviie siècle ont-ils commencé à P remettre en question la conception géocentrique ?  uels arguments en faveur de la conception héliocentrique Q ont été apportés par les observations astronomiques ?

Mobilisation des acquis  u en cycle 4 : la structure de l’Univers et du Système solaire avec le V vocabulaire associé : galaxie (Voie lactée), planète, étoile… Vu en seconde : définition d’un référentiel d’étude, caractérisation du mouvement, relativité du mouvement.

Les grandes idées à construire L e passage d’une conception géocentrique à une conception héliocentrique s’est fait avec rigueur en apportant des arguments solides basés sur des observations astronomiques. Galilée a d’abord réfuté la conception géocentrique : tout ne tourne pas autour de la Terre comme le montrent les satellites de Jupiter ; puis il a validé la conception héliocentrique grâce à l’observation des phases de Vénus, inexplicables par la conception géocentrique.

Les compétences travaillées Extraire et organiser des informations. Structurer un raisonnement. Rédiger un texte en utilisant des arguments scientifiques.

les phases de Vénus

L’observation détaillée des phases de Vénus grâce à une lunette astronomique a permis à Galilée de réfuter définitivement la conception géocentrique.

f. Les phases de Vénus dans les conceptions géocentrique et héliocentrique

1 Illustrer les propos de Galilée sur la relativité du mouvement avec une situation contemporaine. 2 Représenter, sans les identifier, les trajectoires des satellites vus par Galilée dans le référentiel jupiterocentrique. Exposer alors l’argument qui a permis de réfuter le géocentrisme.

Référentiel géocentrique

152

LOIN

p. 218 : Controverse sur l’organisation du Système solaire.

Épicycle de Vénus A-Z

Soleil

POUR ALLER

Soleil

Le référentiel est un solide de référence choisi pour étudier le mouvement, lié à des repères d’espace et de temps.

Référentiel héliocentrique

Jupiter est représentée par une grande étoile et ses satellites par des astérisques.

Valider la conception héliocentrique

D’après Galilée, Dialogue sur les deux grands systèmes du monde, 1632.

Terre

Occ. signifie occident, l’Ouest.

d. Extrait d’une page du Sidereus Nuncius (1610) où Galilée expose la découverte des satellites de Jupiter

Galilée explique alors que la Terre peut être en mouvement dans le référentiel héliocentrique et que l’on ne ressente aucun effet. Il écrit un texte sur la relativité du mouvement.

Étoile

DONNÉES Ori. signifie orient, l’Est.

Galilée conclut que les astres les moins lourds tournent autour du plus lourd et donc la Terre tourne autour du Soleil.

La première conception retenue pour expliquer le mouvement des astres est celle de Ptolémée basée sur le géocentrisme : le mouvement des astres est décrit dans le référentiel géocentrique.

Enfermez-vous avec un ami dans la plus grande cabine sous le pont d’un grand navire et prenez avec vous un grand récipient rempli d’eau avec de petits poissons. Quand le navire est immobile, observez soigneusement comme on voit les poissons nager indifféremment de tous les côtés. Quand vous aurez soigneusement observé cela, faites aller le navire à la vitesse que vous voulez ; pourvu que le mouvement soit uniforme, sans balancement dans un sens ou dans l’autre, vous ne remarquerez pas le moindre changement ; aucun ne vous permettra de vous rendre compte si le navire est en marche ou immobile.

Réfuter la conception géocentrique

En découvrant les satellites de Jupiter, Galilée apporte un argument irréfutable aux défenseurs du géocentrisme qui avaient fait remarquer une incohérence dans la conception héliocentrique : si tous les astres tournent autour du Soleil, pourquoi la Lune tourne-t-elle autour de la Terre ?

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Les représentations de l’élève L a conception héliocentrique n’a pas toujours été celle enseignée : pendant presque 2 000 ans, la conception géocentrique prévalait. L e but de cette activité est de faire découvrir les arguments apportés par Galilée pour faire adopter la conception héliocentrique. On insiste ici sur les preuves expérimentales et l’interprétation rigoureuse que Galilée en a faite.

Ce que disent les documents 1 Ce module permet de démontrer que la Terre est en mouvement autour du Soleil, mais que nous n’en ressentons aucun effet. Le doc. a décrit une expérience dans laquelle des expérimentateurs et des poissons ne peuvent savoir si leur bateau est immobile ou en mouvement rectiligne et uniforme. Il démontre expérimentalement que les lois de la physique sont invariantes dans un référentiel fixe ou en mouvement rectiligne uniforme par rapport au référentiel terrestre. Le doc. b présente le savant qui va jouer un rôle majeur dans la représentation de la Terre dans l’Univers : Galileo Galilei, dit Galilée. Ses dates de naissance et de mort indiquent que ce changement de conception s’est déroulé au xviie siècle. Le doc. c permet de faire le point sur les référentiels géocentrique et héliocentrique qui vont servir de référence dans les conceptions étudiées. ? Des idées de questions : À quelle époque le passage d’une conception géocentrique à une conception héliocentrique a-t-il eu lieu ? Donner des exemples de mouvements pour lesquels le référentiel géocentrique est le plus adapté. Faites de même pour le référentiel héliocentrique.

2 Le doc. d est un extrait du livre écrit par Galilée dans lequel il annonce la découverte de la présence des satellites de Jupiter. Le génie de Galilée a été de comprendre que ce mouvement rectiligne dans le référentiel de la lunette astronomique correspondait à un mouvement circulaire autour de Jupiter. ? Des idées de questions : Comment nommer le référentiel défini par un solide de référence formé par le centre de Jupiter et des étoiles lointaines considérées comme fixes ? Caractériser la trajectoire des satellites dans le référentiel de la lunette astronomique, puis dans le référentiel jupiterocentrique.

3 Le doc. e montre les dessins des phases de Vénus dont l’observation a permis de valider la conception héliocentrique. On remarque que la taille de Vénus diminue lorsqu’elle devient pleine, ce qui est cohérent avec le doc. f. dans lequel cette phase est observée lorsque Vénus est la plus éloignée de la Terre. Le doc. f présente les phases de Vénus observables en suivant les conceptions géocentrique et héliocentrique. L’information la plus importante à relever est que Vénus n’apparaît jamais pleine dans la conception géocentrique alors que Galilée l’a observée.

L es quatre satellites découverts par Galilée sont qualifiés de satellites galiléens en hommage à leur découvreur. Mais leurs noms individuels ont été proposés par un astronome allemand contemporain de Galilée, Simon Marius : Io, Callisto, Ganymède et Europe, en références aux noms des maîtresses du dieu Zeus, l’équivalent grec de Jupiter. Le mouvement des satellites de Jupiter est simulé dans un article web : www.stelvision.com/jupiter/.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ 1. Lorsque l’on est assis dans un train stationné à côté d’un autre train et que celui-ci démarre, on a la sensation d’être en mouvement alors que c’est le second véhicule qui s’éloigne. Pendant un court instant, nous nous sommes placés dans le référentiel lié à l’autre train et nous étions en effet en mouvement dans ce référentiel. Mais rapidement notre regard a cherché un élément du référentiel terrestre (pendule, quai) dans lequel notre train est fixe. Le mouvement dépend du référentiel d’étude. 2. Trajectoire des quatre satellites dans le référentiel jupiterocentrique :

? Des idées de questions : Quel autre astre présente des phases ? Pourquoi Vénus n’a pas toujours la même taille sur les dessins de Galilée ? Galilée a-t-il dessiné toutes les phases de Vénus ?

Les

pour préparer votre séance

 réparer un logiciel de visualisation du ciel nocturne du 7 au P 13 janvier 1610 à Padoue en Italie (Stellarium par exemple) pour vérifier avec les élèves les observations réalisées par Galilée.  révoir la projection de quelques extraits du téléfilm historique P français « Galilée ou l’amour de Dieu » (2005) de Jean-Daniel Verhaeghe (www.youtube.com/watch?v=19cUtss1ga8).  révoir un montage avec une source de lumière pour modéliser le P Soleil, une sphère blanche pour Vénus et une sphère peinte en bleue (ou globe terrestre) pour la Terre et montrer les phases de Vénus dans les deux conceptions. Attention, il faut l’obscurité dans la salle de classe.  our vérifier la compréhension de cette activité, on peut proposer P un QCM. En voici un exemple. Parmi les propositions suivantes, choisir la réponse exacte : 1. La Terre tourne autour du Soleil dans le référentiel : a. géocentrique ; b. solaire ; c. héliocentrique. 2. Dans le référentiel jupiterocentrique, la trajectoire des satellites de Jupiter est : a. un cercle ; b. une ligne droite ; c. un point. 3. Dans le référentiel héliocentrique : a. Vénus est toujours pleine ; b. Vénus n’apparaît jamais pleine ; c. Vénus présente des phases : croissant, quartier, pleine. 4. La conception de l’Univers qui s’imposera grâce aux découvertes de Galilée est la conception : a. géocentrique ; b. héliocentrique ; c. jupiterocentrique.

LE SAVIEZ-VOUS ?  ujourd’hui, 79 satellites naturels ont été observés autour de A Jupiter.

3. Dans la conception géocentrique, tous les astres doivent tourner autour de la Terre. Galilée apporte ici un argument pour prouver le contraire : les satellites observés par Galilée tournent autour de Jupiter. 4. Galilée a découvert des phases en observant Vénus. Il a pu remarquer que Vénus apparaissait sous forme de quartier et de croissant, mais surtout qu’elle pouvait être pleine. La conception géocentrique ne peut pas expliquer cette observation, qui est parfaitement justifiée dans la conception héliocentrique. 5. Dialogue entre Galilée et Ptolémée : Ptolémée : Nous sommes au centre de l’Univers : tous les astres tournent autour de la Terre. Galilée : Êtes-vous sûr de ce que vous dites ? J’ai observé récemment des astres tournant autour de Jupiter, sûrement des satellites. Ptolémée : Il doit y avoir d’autres épicycles ou des mouvements plus complexes encore, il faut que j’y réfléchisse. Galilée : Vénus présente des phases. Ptolémée : Comme la Lune ? Galilée : Oui, comme la Lune, j’ai pu la dessiner en croissant, en quartier et pleine. Ptolémée : Pleine ? Galilée : Eh oui, cette observation est bien la preuve que la conception géocentrique est fausse. Le Soleil est au centre de l’Univers. Ptolémée : Montrez-moi cette lunette qui vous a permis de faire ces magnifiques découvertes. Ce que vous dites va modifier profondément la place de la Terre dans l’Univers. Remarque : on rappellera aux élèves que ce dialogue est fictif puisque les deux savants ont vécu à 1 500 ans d’écart et que l’un est Grec et l’autre Italien.

Indicateurs de réussite C omprendre que la définition du mouvement est liée à un référentiel : on est fixe dans le référentiel terrestre, mais en mouvement dans les référentiels géocentrique et héliocentrique. L ’observation de satellites de Jupiter a permis de réfuter la conception géocentrique : tout ne tourne pas autour de la Terre. L ’observation des phases de Vénus, en particulier lorsqu’elle est pleine, a permis de valider la conception héliocentrique.

THÈME 3 ● CHAPITRE 10 ● La Terre dans l’Univers

153

CHAPITRE 10 Livre de l’élève IRE HISTO X ENJEU TS DÉBA

Controverse sur l’organisation du Système solaire

c. Une « réfutation » de Copernic par Brahé

Le mouvement des planètes dans le ciel a été décrit depuis l’Antiquité par divers modèles, qui ont été peu à peu modifiés de Ptolémée à Newton, passant du géocentrisme à l’héliocentrisme et du descriptif à l’explicatif.

Comment et pourquoi les modèles de l’organisation du Système solaire ont-ils évolué ?

BIOGRAPHIES Ptolémée Astronome et astrologue grec (90-168) Il présente vers 150, dans L’Almageste, un modèle géocentrique où tous les mouvements des planètes sont décrits par des cercles (déférent et épicycle).

Johannes Kepler Astronome allemand (1571-1630) D’après les observations de Brahé, Kepler publie en 1609 Astronomia Nova. Il présente deux lois mathématiques sur le mouvement des planètes autour du Soleil : la première stipule que leurs trajectoires sont des ellipses et des cercles. La troisième loi, reliant la distance à la période de révolution, sera énoncée en 1618.

a. Les épicycles de Ptolémée

Lancer la simulation

Pour les Grecs depuis Aristote (385-322 av. J.-C.) la Terre était le centre du monde. Seul Aristarque de Samos (310-230 av. J.-C.) avait envisagé un système héliocentrique. « La Terre est le centre du Monde » et « seuls sont possibles les mouvements rectilignes et circulaires uniformes » étaient deux dogmes. Mais ces dogmes posaient aux observateurs du ciel un problème majeur : comment expliquer les boucles dans les trajectoires des planètes ? Ptolémée a eu l’idée des épicycles. Les planètes se déplacent à vitesse constante sur un cercle (l’épicycle) dont le centre se déplace à vitesse uniforme sur un cercle coplanaire (le déférent) centré sur la Terre. Un choix judicieux des rayons des cercles et des vitesses de rotation permet de rendre compte correctement des « boucles ». D’après www.subaru.univ-lemans.fr.

Isaac Newton Scientifique anglais (1642-1727) Dans les Principia, Newton propose en 1687 l’interprétation des mouvements des planètes et de la pesanteur terrestre par la théorie de la gravitation universelle, qui rejoint les lois empiriques de Kepler.

« Si la Terre tourne en orbite autour du Soleil, disait Brahé, alors la direction dans laquelle on observe une étoile fixe à partir de la Terre doit varier au cours de l’année pendant que la Terre se déplace d’une face du Soleil à l’autre ». Mais les tentatives de Brahé pour détecter cette parallaxe prévue au moyen de ses instruments, les plus sensibles et les plus précis qui existaient à son époque, se soldèrent par un échec. Brahé fut ainsi amené à conclure que la conception copernicienne était fausse. Avec le recul, on s’aperçoit que la prédiction erronée ne provient pas de la conception de Copernic, mais de l’une des hypothèses auxiliaires de Brahé : son estimation de l’ordre de grandeur de la distance des étoiles fixes était bien trop sous-évaluée. Lorsqu’on lui substitua une valeur plus réaliste, on se rendit compte que la parallaxe prévue était beaucoup trop faible pour avoir pu être détectée par les instruments de Brahé. D’après Alan F. Chalmers, Qu’est-ce que la science ? Popper, Kuhn, Lakatos, Feyerabend. Éditions La Découverte, 1987.

Orient

et le retour au géocentrisme

Soutenu financièrement par Frédéric II, roi du Danemark, Tycho Brahé construit son observatoire d’Uraniborg en 1576. Pendant vingt ans, il y fait des observations d’une très grande précision sur la position des planètes dans le ciel. Son modèle est un compromis : la Terre est au centre du monde, le Soleil tourne autour de la Terre et les autres planètes tournent autour du Soleil.

Occident

7 janvier 1610 8 janvier 1610 10 janvier 1610 11 janvier 1610 12 janvier 1610 13 janvier 1610 15 janvier 1610 15 janvier 1610 16 janvier 1610

Vidéo

e. Galilée et les satellites de Jupiter

Grâce à l’utilisation de la lunette astronomique, Galilée observe en janvier 1610 quatre satellites de Jupiter et publie Siderius Nuncius : selon lui, la Terre tourne réellement autour du Soleil, elle n’est donc pas le centre du monde. L’accueil par l’Église est défavorable et débouche sur le « procès de Galilée ».

RÉFÉRENCES Hubert Krivine, La Terre, des mythes au savoir, Éditions Cassini, Paris,2011. Dossier sur l’histoire de l’Astronomie, www.media4.obspm.fr. « Une brève histoire chronologique de l’astronomie du Système solaire », www.promenade.imcce.fr.

d. Les observations de Tycho Brahé

f. Newton et la gravitation universelle

En équipes b. La conception héliocentrique de Copernic

En 1543, dans De revolutionibus orbium cœlestium, l’astronome polonais Nicolas Copernic (1473-1543) postule la rotation de la Terre sur elle-même et sa révolution autour du Soleil. La cohérence et la rationalité de la conception héliocentrique semblent être à l’origine des motivations de Copernic, qui présente cette innovation comme un simple moyen commode pour décrire le mouvement des astres mais pas comme la réalité, d’où son accueil favorable par l’Église.

Première époque Analysez les raisons de l’aller-retour entre géocentrisme et héliocentrisme, de Ptolémée à Copernic puis de Copernic à Brahé. En particulier, expliquez par un dessin pourquoi la « réfutation » de Copernic par Brahé est inexacte.

!

Seconde époque Expliquez en quoi l’observation des satellites de Jupiter par Galilée soutient l’hypothèse héliocentrique. Justifiez pourquoi l’établissement de ses lois par Kepler relève d’une démarche « inductive », alors que le raisonnement de Newton pour les retrouver est dit « hypothético-déductif ».

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CHAPITRE 10   La Terre dans l’Univers 219

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s problèmescientifiques  uels arguments théoriques et expérimentaux ont été utilisés Q pour défendre les modèles géocentrique et héliocentrique ? C omment établir une loi à partir de résultats d’observations ou à partir d’une théorie plus générale ?

Mobilisation des acquis

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Ce que disent les documents a Le texte décrit « l’astuce » des épicycles de Ptolémée pour conserver la description circulaire uniforme du mouvement des astres tout en expliquant les boucles observées. La simulation numérique montre l’équivalence entre la description héliocentrique (à gauche) et la description géocentrique (à droite) avec épicycles, qui fait apparaître les « boucles apparentes » dans le mouvement des planètes vues de la Terre.

 u en cycle 4 et approfondi en seconde : les mouvements rectiligne et V circulaire.

? Idée de question : Pourquoi Ptolémée a-t-il été contraint d’introduire les épicycles ?

Vu en seconde (et abordé au collège) : interaction gravitationnelle et son expression vectorielle.

b Le dessin montre la description héliocentrique du système solaire par Copernic : la Lune tourne autour de la Terre mais toutes les planètes (y compris la Terre) tournent autour du Soleil.

Activité 1 : conceptions héliocentrique et géocentrique et satellites galiléens de Jupiter.

Les grandes idées à construire  assage progressif du géocentrisme à l’héliocentrisme, avec les P résistances que ce changement de conception peut provoquer. La différence entre les modes de raisonnement inductif et déductif.

Les compétences travaillées Exploiter des documents. Rédiger une argumentation scientifique. Communiquer une information sous forme d’un schéma. Justifier dans quelle mesure une proposition est vraie ou fausse.

Les représentations de l’élèves Depuis le cycle 2, l’élève sait situer la Terre dans le Système solaire.

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? Idée de question : En quoi la description héliocentrique est-elle plus cohérente et plus simple que la description géocentrique ?

c Le texte explique comment Tycho Brahé a cru réfuter le modèle héliocentrique de Copernic à partir d’observations expérimentales. Cette réfutation était en fait inexacte car les étoiles sont trop éloignées de la Terre pour que leur « déplacement apparent » dû à la révolution de la Terre autour du Soleil fût détectable à l’aide de ses instruments. Il a cru montrer que la Terre était immobile alors qu’en fait elle ne l’était pas mais que ce mouvement était trop petit pour être détectable. d En conséquence, ce deuxième dessin montre le retour au géocentrisme avec Tycho Brahé : le Soleil tourne autour de la Terre. Toutefois, à part la Terre, toutes les planètes tournent autour du Soleil.

Des idées de questions : En quoi la description de Brahé est-elle un compromis entre géocentrisme et héliocentrisme ? Pourquoi Brahé est-il amené à adopter cette description « intermédiaire » ? ?

e Le dessin montre les observations des satellites de Jupiter par Galilée : les petites étoiles (les satellites) passent alternativement de gauche à droite de la sphère centrale (Jupiter), ce que Galilée interprète comme leur mouvement de rotation autour de la planète : tout ne tourne donc pas autour de la Terre. ? Des idées de questions : Pourquoi le nombre de satellites de Jupiter varie-t-il de 2 à 4 dans les dessins de Galilée ? En quoi cette découverte de la révolution de satellites autour de Jupiter est-elle très défavorable à la description géocentrique ? f La vidéo montre la conception de Newton de la trajectoire d’un

boulet de canon projeté à vitesse suffisamment élevée : l’objet suit un mouvement rectiligne et il chute en même temps sous l’action de l’attraction de la Terre, ce qui se traduit par une mise en orbite autour de la Terre, exactement comme pour la Lune. Traduction de la vidéo : « Pour montrer comment la gravité fonctionne sur Terre et dans les cieux, Newton conçut une expérience de pensée. Il imagina le tir d’un boulet de canon depuis le sommet d’une montagne extrêmement haute. De sa première loi du mouvement, il savait que le boulet de canon se déplacerait en ligne droite à vitesse constante pour toujours. Mais la gravité entraîne le boulet vers le bas. Si sa vitesse est faible, le boulet touche le sol près de la montagne. Plus sa vitesse est élevée, plus il touche le sol loin de la montagne. S’il est lancé plus vite, il va plus loin ; encore plus vite, encore plus loin ; encore plus vite, il irait à plusieurs milliers de miles ; encore plus vite, il ferait en fait pratiquement un demi-tour de la Terre et alors il toucherait la Terre. Newton imagina que si sa vitesse était assez élevée, le boulet ferait tout le trajet autour de la Terre et serait placé en orbite. L’orbite du boulet autour de la Terre était un compromis entre sa tendance à voler en ligne droite et sa tendance à être attiré par le centre de la Terre à cause de la gravité. Ainsi dans la description du monde par Newton, il y avait deux choses : la tendance naturelle d’un objet à se déplacer en ligne droite, ce qui était vrai sur Terre, ou dans l’espace, ou n’importe où ; et il y avait l’attraction gravitationnelle qui était vraie à la surface de la Terre et partout dans l’espace. La découverte capitale de Newton était de voir que l’orbite de la Lune autour de la Terre et le mouvement du boulet sur Terre étaient gouvernés par la même loi de la gravitation. »

Les

pour préparer votre séance

L e dossier d’histoire de l’astronomie de l’observatoire de Paris (media4.obspm.fr/public/ressources_lu/pages_ha/introduction -ha.html) donne de nombreuses informations précises et utiles, qui se prolongent abondamment aux xviiie et xixe siècles. L es six premiers chapitres de l’ouvrage Qu’est-ce que la science ? d’Alan Chalmers (1987) sont utiles pour comprendre les raisonnements inductif et hypothético-déductif en physique. C’est un petit ouvrage très riche et facile à lire qui enseigne beaucoup de choses sur le fonctionnement de la science.  près l’étude des documents, on peut proposer un QCM de vérification A des connaissances. En voici un exemple. Parmi les propositions suivantes, choisir la réponse exacte : 1. Les épicycles proposés par Ptolémée : a. traduisent le mouvement réel des planètes ; b. sont dus à des erreurs d’observation ; c. permettent de compenser le mouvement relatif de la Terre par rapport au Soleil. 2. Brahé n’a pas détecté la parallaxe liée à la position des étoiles dans le modèle héliocentrique car : a. la Terre ne tournait pas autour du Soleil ; b. les instruments de Brahé n’étaient pas assez précis ; c. les trajectoires des étoiles comportaient des épicycles.

3. Pour un observateur qui serait sur Jupiter, les trajectoires de quel(s) astre(s) comporteraient des boucles ? a. Saturne ; b. les quatre satellites « galiléens » de Jupiter ; c. le Soleil. 4. Selon Newton, le mouvement d’un boulet de canon lancé depuis une haute montagne et le mouvement de la Lune : a. n’obéissent jamais aux mêmes lois, car l’un est rectiligne, l’autre circulaire ; b. obéissent toujours aux mêmes lois ; c. n’obéissent pas toujours aux mêmes lois, selon la vitesse initiale du boulet de canon.

LE SAVIEZ-VOUS ? À la fin du xve siècle, au moment du développement de l’imprimerie, ce sont les ouvrages classiques de Ptolémée qui sont imprimés, donc dominants dans le domaine de la description du système solaire, et pas du tout les nouvelles conceptions de Copernic. L’imprimerie a donc plutôt, dans un premier temps du moins, freiné la diffusion des idées coperniciennes.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ Première époque Le passage à l’héliocentrisme de Copernic a le mérite d’une plus grande simplicité du modèle par rapport au géocentrisme, en particulier parce qu’il supprime les épicycles. En revanche, il est en opposition avec les dogmes aristotéliciens. La « fausse réfutation » de Copernic par Brahé est considérée comme rassurante en ce qu’elle remet au goût du jour les conceptions géocentriques, issues du savoir grec antique. Illustration pour cette réfutation de Copernic par Brahé : la direction d’observation d’une étoile fixe E n’est pas exactement la même aux deux positions T1 et T2 de la Terre dans sa révolution autour du Soleil. Si l’étoile est assez proche de la Terre (par rapport à la taille de la trajectoire de la Terre autour du Soleil), ces deux directions sont significativement différentes et un observateur peut détecter cette différence à l’aide de ses instruments. En revanche, si l’étoile E est très éloignée de la Terre (et c’est toujours le cas en fait), les deux directions sont quasiment parallèles et leur différence n’est pas détectable. T1

T1 E

T2

E T2

Seconde époque L’interprétation de la rotation des satellites autour de Jupiter est un atout pour le modèle héliocentrique car cette observation montre que des objets peuvent tourner autour d’un autre astre que la Terre. Kepler construit ses lois à partir des observations de Brahé, qui sont toutes compatibles avec les trajectoires circulaires ou elliptiques des planètes. Il part donc des observations de Brahé et en induit une généralisation sous forme de lois. Newton pose sa loi de gravitation : dans l’hypothèse où cette dernière est vraie, il en déduit les trajectoires prévues des planètes, et il constate que les observations sont en accord avec ses déductions, ce qui valide son hypothèse. Il s’agit donc d’un raisonnement par « hypothèsedéduction ».

Indicateurs de réussite  roposer des arguments sensés (simplicité, contexte historique) pour P les allers-retours entre géocentrisme et héliocentrisme.  essiner un schéma mettant en évidence des différences de direction D d’observation d’un point fixe, et où l’hypothèse critique est la distance de ce point à la Terre par rapport à la taille de la révolution terrestre autour du Soleil. Identifier « l’induction » d’une loi à partir de faits d’observation. Identifier la « déduction » d’une loi à partir d’une théorie plus générale, qui contient en quelque sorte la loi. THÈME 3 ● CHAPITRE 10 ● La Terre dans l’Univers

155

CHAPITRE 10

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

2

TÂCHE XE COMPLE

3

La Lune

EXPÉR

La Lune est le seul satellite naturel de la Terre. Son aspect changeant a intrigué de nombreuses civilisations qui ont utilisé la périodicité de ses phases pour se repérer dans le temps.

PROTOCOLE

MISSION

papier calque, dessiner la Lune et les deux axes orthogonaux du repère d’espace associé au référentiel lunocentrique. Le centre de ces axes, noté L (comme Lune), repère la position du centre de la Lune.

Observer la Lune

2. Placer L en L0, orienter la

t3 = 10 j 6 h

3. Placer L en L1, orienter la

feuille de papier calque afin de superposer les axes des repères, puis tracer la position du point A1 à la date t1.

t2 = 6 j 20 h

L3

L1

A1

A3

t4 = 13 j 16 h

L4

A0

A4

t0 = 0 j t8 = 27 j 8 h

L8

Lune

Terre A5

A7 A6

t5 = 17 j 2 h

L5

L7 L6

t7 = 23 j 22 h

t6 = 20 j 12 h

4. Recommencer ces étapes afin

de tracer les autres positions du point A à la surface de la Lune.

d. Schéma représentant le mouvement de la Lune autour de la Terre Les proportions des astres et les distances ne sont pas à l’échelle.

a. Une apparence qui change chaque jour

Comprendre les phases de la Lune

Le référentiel lunocentrique est un solide de référence formé par le centre de la Lune et des étoiles lointaines considérées comme fixes auquel sont associés des repères d’espace et de temps.

6

7

8

5

Terre

COUPS DE POUCE

4 1

c. Observation de la Lune 2

VOCABULAIRE

La période de rotation est la durée mise par un astre pour faire un tour sur luimême.

Rayons du Soleil

au télescope

3

Lune

Face visible depuis la Terre

b. La révolution de la Lune autour de la Terre

A-Z

e. Premier alunissage sur la face cachée de la Lune

VOCABULAIRE

La révolution est le mouvement circulaire ou elliptique d’un astre autour d’un autre astre. La période de révolution est la durée mise par un astre pour faire un tour complet autour d’un autre astre.

La sonde spatiale chinoise Chang’e 4, alunie sur la face cachée de la Lune, a déposé le rover Yutu 2 le 3 janvier 2019 avec pour objectif l’étude du sol et de la structure interne de la Lune.

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s problèmescientifiques Comment expliquer l’aspect changeant de la Lune ? Pourquoi la Lune présente-t-elle toujours la même face ? La face cachée de la Lune est-elle éclairée par le Soleil ?  ourquoi n’observe-t-on pas d’éclipse de Soleil à chaque P nouvelle lune et d’éclipse de Lune à chaque pleine lune ?

Mobilisation des acquis Vu en cycle 4 : la structure de l’Univers et du Système solaire avec l’étude des phases de la Lune. Vu en seconde : caractérisation du mouvement et changement de référentiel.

Les grandes idées à construire L a Lune tourne sur elle-même (rotation) et autour de la Terre (révolution). É clairée par le Soleil, la Lune diffuse la lumière solaire vers la Terre et présente un aspect changeant selon sa position sur son orbite autour de la Terre : ce sont les phases de la Lune. La Lune présente toujours la même face.

Les compétences travaillées Extraire et organiser des informations. Structurer un raisonnement. Suivre un protocole. Rédiger un texte en utilisant des arguments scientifiques.

Dessinez les phases de la Lune pour les positions numérotées de 1 à 8 dans le doc. b. Indiquez ce qu’il se passerait si l’orbite de la Lune autour de la Terre était dans le plan de l’orbite de la Terre autour du Soleil, appelé écliptique. Caractérisez le mouvement d’un point à la surface de la Lune dans le référentiel lunocentrique. CHAPITRE 10   La Terre dans l’Univers 221

220

156

L0

A8

T

A-Z

2

t1 = 3 j 10 h

A2

feuille de papier calque afin de superposer les axes des repères, puis tracer la position du point A0 à la date t0 = 0 j.

VOCABULAIRE

Gibbeux est un adjectif qui signifie bossu. Entre la pleine lune bien ronde et les quartiers avec leur côté bien droit, la Lune apparaît avec un renflement qui fait penser à une bosse d’où son nom lune gibbeuse.

L2

1. Au centre d’une feuille de

On peut arbitrairement distinguer huit phases dans le cycle de la Lune : la nouvelle lune (que nous ne voyons pas), le premier croissant, le premier quartier, la lune gibbeuse croissante, la pleine lune, la lune gibbeuse décroissante, le dernier quartier et le dernier croissant. A-Z

IENCE

OBJECTIF Concevoir la rotation de la Lune.

Préparez une animation scientifique pour expliquer pourquoi la Lune change d’aspect depuis la Terre chaque jour, mais présente toujours la même face.

1

Expliquer la face cachée de la Lune

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Les représentations de l’élève L es élèves utilisent souvent un vocabulaire inapproprié puisque pour eux la Lune « réfléchit » la lumière du Soleil, alors qu’elle la diffuse. La Lune renvoie la lumière solaire dans toutes les directions (diffusion), il n’y a pas de direction privilégiée comme dans les miroirs (réflexion). L es élèves peuvent penser que la Lune ne possède pas de rotation propre puisque depuis la Terre, nous observons toujours la même face. Cette activité va permettre de montrer que la Lune tourne sur elle-même avec la même période que celle de sa révolution autour de la Terre.

Ce que disent les documents 1 Le doc. a présente les différentes phases de la Lune. C’est un montage photographique qui permet de voir l’évolution de l’aspect de la Lune au cours d’un cycle. Le nom de chacune des phases associées est précisé dans le texte qui l’introduit. ? Des idées de questions : Associer chacun des noms à la photo correspondante. Quelle phase de la Lune est absente du montage photographique ?

2 Le doc. b est un schéma permettant de justifier les phases de la Lune. Il montre la position de la Lune sur son orbite autour de la Terre lors d’une révolution. Cette révolution de la Lune se fait dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Les rayons du Soleil parallèles éclairent la moitié de la Lune et de la Terre. La face visible de la Lune observée depuis la Terre est précisée en pointillés. Le doc. c présente un système optique permettant d’observer en détails la surface de la Lune, il s’agit d’un télescope.

? Des idées de questions : Quel est le sens de rotation de la Terre ? Quel est le sens de révolution de la Lune ? À quel moment de la journée correspond la face éclairée de la Terre ? Existe-t-il des jours et des nuits sur la Lune ? Pourquoi n’y-a-t-il pas d’éclipse de Lune et de Soleil à chaque cycle lunaire ? Connaissez-vous un moyen mnémotechnique pour identifier le premier et le dernier quartier ?

3 Le doc. d est un schéma simplifié présentant le mouvement d’un point situé à la surface de la Lune dans le référentiel géocentrique. On remarque que ce point est toujours orienté vers la Terre. En réalisant le protocole proposé, on démontre que le point présente un mouvement circulaire dans le référentiel lunocentrique et que la période de rotation de ce point est égale à celle de révolution de la Lune autour de la Terre. De ce fait, la Lune présente toujours la même face. Le doc. e présente une photo de la face cachée de la Lune prise lors du premier alunissage sur cette face en janvier 2019. Des idées de questions : Quelle est la période de révolution de la Lune autour de la Terre ? Quel est la trajectoire du point A dans le référentiel lunocentrique ? Quelle est la période de rotation de la Lune ? ?

Les

Les phases de la Lune sont les suivantes : Dernier quartier Rayons du Soleil

Lune gibbeuse décroissante

Dernier croissant

Terre Pleine lune

Nouvelle lune

Premier croissant

Lune gibbeuse croissante Premier quartier

 i l’orbite de la Lune autour de la Terre était dans le plan de l’orbite S de la Terre autour du Soleil alors la Lune cacherait le Soleil à la nouvelle lune, on observerait une éclipse de Soleil et à la pleine lune, notre satellite se situerait dans le cône d’ombre formé par la Terre, on observerait une éclipse de Lune.  ans le référentiel lunocentrique, un point de la surface de la Lune D possède un mouvement circulaire.

pour préparer votre séance

 réparer un logiciel de visualisation du système Soleil, Terre et Lune P (Stellarium par exemple) pour illustrer les phases de la Lune au cours d’un cycle ou utiliser la vidéo suivante : youtu.be/gir3H-ek7vA dans laquelle l’auteur fait le lien entre la position de la Lune sur son orbite autour de la Terre et la phase observée.  révoir un montage avec une source de lumière pour modéliser le P Soleil, une sphère blanche pour la Lune et une sphère peinte en bleue (ou un globe terrestre) pour la Terre. Déplacer la sphère blanche autour de la Terre pour illustrer chacune des phases de la Lune. Attention, il faut l’obscurité dans la salle de classe.  révoir la projection d’un extrait de l’émission C’est pas sorcier : P youtu.be/GwBhbC9tBko ou d’une vidéo d’Hubert Reeves expliquant pourquoi la Lune présente toujours la même face : youtu.be/RODh1gte1lU.

LE SAVIEZ-VOUS ?  our différencier le premier et le dernier P quartier de lune, il existe une petite astuce : en ajoutant une barre à la Lune observée dans le ciel, on reconnaît la lettre p pour le premier quartier et la lettre d pour le dernier quartier. Cette astuce n’est valable que dans l’hémisphère nord, puisque dans l’hémisphère sud les Terriens observent la Lune la « tête en bas », la Lune paraît donc inversée.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ Réponses aux coups de pouce :

premier quartier

dernier quartier

 ifférentes croyances sont associées aux phases de la Lune : la D repousse des cheveux est plus lente s’ils ont été coupés en lune décroissante. Certains jardiniers suivent également le calendrier lunaire pour programmer les travaux dans leur potager : ainsi en lune montante, la sève circule et monte plus vite dans les tiges, les feuilles, les fleurs et les fruits des végétaux, c’est le bon moment pour effectuer des semis et des récoltes de fruits. En lune descendante, la sève, moins mobile, a tendance à descendre dans les parties inférieures des plantes. C’est le bon moment pour planter, repiquer, tailler haies et arbres fruitiers et pour effectuer les apports d’engrais (d’après Noémie Violard, « Lune montante et descendante : de quoi s’agit-il ? », Rustica.fr).

Une proposition de travail à réaliser : L ’exposé s’appuie sur une maquette comprenant : le dessin d’un Soleil placé très loin, une sphère blanche à moitié peinte en noir montée sur une tige (la Lune) et un globe terrestre : les visiteurs doivent pouvoir se déplacer entre la Lune et la Terre. On commence par expliquer que le Soleil, situé à une grande distance du système Terre-Lune, éclaire ces deux astres avec des rayons parallèles : la partie éclairée de l’astre correspond au jour et la partie dans l’obscurité correspond à la nuit.  n commence alors le cycle lunaire en intercalant la Lune entre le O Soleil et la Terre : c’est la nouvelle lune. On invite les visiteurs à se déplacer pour observer la phase sombre de la nouvelle lune. Puis la Lune se déplace dans le sens inverse des aiguilles d’une montre et on se place au premier croissant. On invite à nouveau les visiteurs à venir observer cette phase en se déplaçant légèrement autour du globe terrestre. On continue ainsi pour chacune des phases de la Lune.  ne fois que chacune des phases de la Lune a été visualisée, on peut U reprendre des informations de la rubrique Le saviez-vous ? pour captiver l’auditoire.  n fait une petite transition en O montrant quelques photographies et en repérant sur celles-ci les plus gros cratères de la Lune afin d’expliquer que la Lune présente toujours la même face. Pour donner une explication, on réalise alors le protocole proposé dans le module 3 : sur du papier calque on repère dans le référentiel lunocentrique les positions d’un point A observable depuis la Terre.

L

 n conclut alors que le mouvement de ce point est circulaire et que sa O période de rotation vaut 29,8 jours, c’est-à-dire la même durée que la période de révolution de la Lune autour de la Terre.

Indicateurs de réussite  avoir représenter le système Soleil-Terre-Lune au cours d’un cycle S lunaire : face éclairée par le Soleil, mouvement circulaire de la Lune autour de la Terre dans le sens inverse des aiguilles d’une montre (dans l’hémisphère Nord).  essiner les phases de la Lune suivant sa position sur son orbite D autour de la Terre. Suivre un protocole pour faire un changement de référentiel. Savoir expliquer pourquoi la Lune présente toujours la même face. THÈME 3 ● CHAPITRE 10 ● La Terre dans l’Univers

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CHAPITRE 10 Livre de l’élève SYNTHÈSE La Terre dans l’Univers

SYNTHÈSE

MÉMO

SCHÉMA

Podcast Texte DYS

Bilan animé

LA PLACE DE LA TERRE DANS L’UNIVERS La Terre est la troisième planète du Système solaire : elle gravite avec sept autres planètes autour du Soleil. Le Soleil est une étoile parmi plus de 100 milliards d’étoiles de notre galaxie, la Voie lactée ou Galaxie, en forme de spirale. Nous nous situons exactement dans le bras d’Orion à la périphérie de la Galaxie. La Voie lactée fait partie du Groupe local constitué d’une soixantaine de galaxies, qui lui-même fait partie du Superamas de la Vierge regroupant plusieurs amas de galaxies. L’Univers est organisé mais présente une structure lacunaire.

ARGUMENTS HISTORIQUES DE LA CONCEPTION HÉLIOCENTRIQUE L’invention de la lunette astronomique a permis à Galilée de réfuter au xviie siècle la conception géocentrique de Ptolémée et de confirmer l’héliocentrisme de Copernic. La découverte des satellites de Jupiter et l’observation des phases de Vénus sont des arguments déterminants pour démontrer la conception héliocentrique : la Terre parcourt une trajectoire quasi circulaire autour du Soleil dans un référentiel fixe par rapport aux étoiles. Galilée est obligé de renoncer solennellement à ses avancées scientifiques lors de son procès en 1633 : le passage d’une conception géocentrique à une conception héliocentrique constitue l’une des controverses majeures de l’histoire des sciences. ➞ activité 1

À la fin du xviie siècle, la théorie de Newton sur la gravitation validera définitivement la conception héliocentrique.

ASPECT DE LA LUNE Observée dans le référentiel géocentrique, la Lune tourne autour de la Terre sur une trajectoire quasi circulaire. Éclairée par le Soleil, la Lune diffuse la lumière solaire vers la Terre et présente un aspect qui varie lors de ce mouvement, ce sont les phases de la Lune. La Lune tourne également sur elle-même en 27,3 j. Sa période de rotation est égale à sa période de révolution autour de la Terre, ce qui fait que la Lune présente toujours la même face à la Terre. ➞ activité 2

A-Z

MOTS CLÉS

Conception géocentrique : modèle physique ancien dans lequel la Terre est au centre de l’Univers et tous les astres tournent autour d’elle. Conception héliocentrique : modèle physique s’opposant au géocentrisme dans lequel le Soleil est au centre de l’Univers et les planètes tournent autour de lui. Les découvertes scientifiques postérieures modifient ce modèle en plaçant le Soleil au centre du Système solaire et non plus de l’Univers. Trajectoire : ensemble des positions successives occupées par un système au cours de son mouvement. Référentiel : solide de référence choisi pour étudier le mouvement, lié à des repères d’espace et de temps. Phase de la Lune : portion de la Lune éclairée par le Soleil et visible depuis la Terre. On peut distinguer huit phases de la Lune : la nouvelle lune, le premier croissant, le premier quartier, la lune gibbeuse croissante, la pleine lune, la lune gibbeuse décroissante, le dernier quartier et le dernier croissant. Période de rotation : durée mise par un astre pour faire un tour sur lui-même. Période de révolution : durée mise par un astre pour faire un tour complet autour d’un autre astre.

Voie lactée

Amas de la Vierge Groupe local

Système solaire

222

CHAPITRE 10   La Terre dans l’Univers 223

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SYNTHÈSE C e mémo débute par un rappel de la place de la Terre dans l’Univers. Ces notions ont déjà été abordées dans la scolarité des élèves et sont rapidement reprécisées. L ’évolution de la conception de la place de la Terre dans l’Univers a été simplifiée en associant le nom de Ptolémée à la conception géocentrique et ceux de Copernic et Galilée à la conception héliocentrique, afin de donner des repères clairs aux élèves. L es deux arguments historiques majeurs qui ont permis de réfuter la conception géocentrique puis d’affirmer la conception héliocentrique sont cités dans le mémo. Ils ne font pas partie des capacités exigibles, mais les élèves seront amenés à les étudier dans les documents du chapitre. Les élèves doivent uniquement retenir que le passage d’une conception géocentrique à une conception héliocentrique a été la source d’une controverse majeure dans l’Histoire des sciences. E nfin nous avons fait le choix de préciser que la période de rotation de la Lune est égale à sa période de révolution autour de la Terre, mais là encore cette explication n’est pas exigible. Elle est cependant utile aux élèves pour comprendre les raisons qui font que la Lune montre toujours la même face.

L ’axe chronologique en bas du schéma présente le fait que la place de la Terre dans l’Univers a intrigué les savants depuis l’Antiquité. Dès le iie siècle, la conception géocentrique héritée de Ptolémée a dominé : la Terre est au centre de l’Univers. Il faudra attendre le xvie siècle et les progrès techniques pour voir évoluer cette conception.

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L es schémas associés à l’axe illustrent les deux conceptions différentes. Copernic a initié l’idée que le Soleil et non la Terre pouvait être au centre de l’Univers : la conception héliocentrique était née. Grâce à sa lunette astronomique, Galilée a apporté des arguments scientifiques : la découverte des satellites de Jupiter pour réfuter le géocentrisme, puis l’observation des phases de Vénus pour confirmer l’héliocentrisme : le Soleil est au centre de l’Univers.  gauche en haut du schéma, on observe que cette conception À héliocentrique permet d’expliquer l’aspect changeant de la Lune au fil des jours ; le Soleil très éloigné de la Terre envoie des rayons lumineux parallèles vers ces 2 astres. L e schéma Soleil-Terre-Lune en haut montre que la lumière solaire reçue par la Lune est diffusée vers la Terre. Ainsi au cours de sa révolution autour de la Terre, l’aspect de la Lune change. On observe les phases de la Lune : nouvelle lune, premier croissant, premier quartier, lune gibbeuse croissante, pleine lune, lune gibbeuse décroissante, dernier quartier, dernier croissant.

CORRIGÉS DES EXERCICES

POUR S’ENTRAÎNER La planète Mars tourne autour du Soleil, comme la Terre. Elle possède deux satellites naturels dont les mouvements sont similaires à ceux de la Lune. Les deux lunes martiennes vont donc présenter des phases comme la Lune. On utilise un schéma comparable à celui du système Soleil-Terre-Lune pour justifier l’apparence de ces satellites. On représente sur le même schéma les positions du Soleil, de Mars et de chacun des satellites pour justifier le premier croissant de Phobos et la pleine lune de Deimos :

Livre de l’élève MÉTHODE Identifier les phases de la Lune

Vérifier ses connaissances EXERCICES

QUIZ Énoncé

Orbite de la Terre

La Lune, seul satellite naturel de la Terre, présente chaque jour un aspect changeant dans le ciel. Ce sont les phases de la Lune. On peut identifier huit phases : la nouvelle lune, le premier croissant, le premier quartier, la lune gibbeuse croissante, la pleine lune, la lune gibbeuse décroissante, le dernier quartier et le dernier croissant.

Soleil

Lune

5° Orbite de la Lune

2 Plan de l’écliptique

Face visible depuis la Terre

ÉTAPE 1  Réaliser un schéma représentant les positions du Soleil, de la Terre et de la Lune permettant de justifier la nouvelle lune. Ne pas chercher à respecter les échelles.

ÉTAPE 2  Dessiner l’aspect de la Lune observée depuis la Terre.

Rayons du Soleil

6

Lune

L’aspect changeant de la Lune au cours du temps est appelé : a face cachée de la Lune b phases de la Lune c croissant de lune

C’est la face non éclairée de la Lune qui est visible depuis la Terre pour la nouvelle lune :

4 Face visible depuis la Terre

ÉTAPE 3  Représenter sur le schéma précédent les positions de la Lune permettant de justifier le premier croissant et la pleine lune.

Rayons du Soleil

La nouvelle lune n’est pas visible, car : a elle est cachée par le Soleil b elle est dans l’ombre de la Terre c sa face visible depuis la Terre n’est pas éclairée par le Soleil

7

La Lune présente un aspect changeant au cours du temps, car : a la Lune change de forme au cours du temps b la Lune tourne autour de la Terre c le Soleil n’éclaire pas toujours la Lune

Terre

3

Le premier croissant de lune : a ressemble à un C b ressemble à un C retourné c est modifié suivant les saisons

Le procès de Galilée montre les difficultés à passer : a d’une conception géocentrique à une conception héliocentrique b d’une conception héliocentrique à une conception géocentrique c à une conception où la Terre est immobile autour du Soleil

Application

5

Dans un référentiel fixe par rapport aux étoiles, la Terre parcourt une orbite quasi circulaire autour : a du Soleil b de la Galaxie c du Système solaire

Terre

1. Réaliser un schéma du système Soleil-Terre-Lune permettant d’expliquer pourquoi on ne voit pas la nouvelle lune dans le ciel. 2. Adapter le schéma précédent afin d’illustrer l’observation du premier croissant, puis de la pleine lune.

Méthode

1 Plan de l’orbite de la Lune

Parmi les affirmations suivantes, choisissez la réponse exacte.

8

La Lune présente toujours la même face à la Terre, car : a elle ne tourne pas sur elle-même b sa période de rotation est égale à la période de rotation de la Terre c sa période de rotation est égale à sa période de révolution autour de la Terre

La durée entre deux nouvelles lunes s’appelle la lunaison et dure 29 jours. Il y a un peu plus de sept jours entre : a la nouvelle lune et la pleine lune b le premier et le dernier quartier c le dernier quartier et la nouvelle lune

Terre Pleine lune

Premier croissant de lune

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE sur le thème « La Terre dans l’Univers ».

Pour s’entraîner

L’étiquette centrale doit s’intituler

Conception héliocentrique

Mars est la quatrième planète du Système solaire, elle possède deux petits satellites naturels, Phobos et Déimos. Le rayon de l’orbite de Phobos est plus petit que celui de Déimos. Pour mieux comprendre la formation et la composition de Mars, plusieurs robots ont été envoyés à sa surface.

Mettre graphiquement en évidence les différents arguments scientifiques qui ont été à l’origine d’une controverse sur la place de la Terre dans l’Univers. Associer des étiquettes de votre initiative comme par exemple :

e

Conception géocentriqu

Peut-on observer à la fois le premier croissant de Phobos et la pleine lune de Déimos sur une des photographies prises par un de ces robots ? Justifier votre réponse à l’aide d’un schéma.

Phases de la Lune

1

Face cachée de la Lune Orbite quasi

La face cachée de la Lune

Le 3 janvier 2019, le robot chinois Yutu-2 a aluni sur le sol lunaire et a envoyé les premières photographies d’excellente qualité de la face cachée de la Lune. Pourtant depuis la Terre, malgré un ciel dégagé, la Lune était absente du ciel.

circulaire

1. Réaliser un schéma permettant d’expliquer les phases de la Lune et indiquer la position de la Lune sur son orbite lors de l’alunissage du robot chinois. 2. Préciser si la face cachée de la Lune était éclairée par le Soleil lors de l’alunissage du robot.

doc. Vue d’artiste de Mars et de ses satellites 224

CHAPITRE 10   La Terre dans l’Univers 225

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Opposer la conception héliocentrique à la conception géocentrique.

Face visible depuis Mars Rayons du Soleil

 écrire le géocentrisme, citer Ptolémée et la période durant laquelle D cette conception a dominé. C onnaître les arguments historiques de Galilée en faveur de la conception héliocentrique : satellites de Jupiter pour réfuter le géocentrisme et phases de Vénus pour confirmer l’héliocentrisme.

Mars Pleine lune de Deimos

 onner une application de la conception héliocentrique en D présentant le système Soleil-Terre-Lune permettant d’illustrer les phases de la Lune.

Premier croissant de lune de Phobos

Les proportions ne sont pas conservées sur le schéma précédent : les satellites de Mars ont un diamètre plus petit. On se rend compte que la disposition des astres rend difficile une observation simultanée de ces deux phases. Indicateurs de réussite L ’élève fait le lien entre le système Soleil-Terre-Lune et le système Soleil-Mars-Phobos et Deimos. L a représentation de la position de Phobos sur son orbite autour de Mars permet de justifier le premier croissant.

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1

La face cachée de la Lune

1. Schéma permettant d’expliquer les phases de la Lune : Dernier quartier Rayons du Soleil

Lune gibbeuse décroissante

Dernier croissant

Terre Pleine lune

Nouvelle lune

L a représentation de la position de Deimos sur son orbite autour de Mars permet de justifier la pleine lune.

RÉPONSES DU QUIZ 1.a / 2.a / 3.b / 4.c / 5.b / 6.c / 7.b / 8.c

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE Indicateurs de réussite  écrire l’héliocentrisme, citer Copernic et Galilée et la période à D laquelle cette conception s’est imposée.

Premier croissant

Lune gibbeuse croissante Premier quartier

Lors de l’alunissage du robot chinois, la Lune n’est pas visible depuis la Terre malgré un ciel dégagé, c’est donc la nouvelle lune. 2. La face cachée de la Lune est la face qui n’est pas visible depuis la Terre. À la nouvelle lune, elle est éclairée par le Soleil. THÈME 3 ● CHAPITRE 10 ● La Terre dans l’Univers

159

CHAPITRE 10 Livre de l’élève EXERCICES Extraire des informations 2

Analyser des informations et raisonner EXERCICES 4 Les informations du calendrier

Anagramme de Galilée

OBJECTIF Interpréter des documents présentant des

OBJECTIF Interpréter l’aspect de la Lune dans le ciel en

arguments historiques pour discuter de la conception héliocentrique.

fonction de sa position par rapport à la Terre et au Soleil. 1. En utilisant vos connaissances, associer chaque symbole de la Lune du calendrier à la phase correspondante. 2. Réaliser un schéma permettant d’expliquer les quatre phases de la Lune représentées sur le calendrier. 3. Déterminer la durée d’une lunaison, c’est-à-dire la durée entre deux phases identiques de la Lune. 4. Une éclipse est observable le 14 décembre 2020 au Chili. Indiquer s’il s’agit d’une éclipse de Lune ou de Soleil. 5. Une éclipse de Lune est observable sur le continent américain le 5 juillet 2020. Justifier l’aspect de la Lune.

a. Dessin des phases de Vénus réalisé par Galilée en 1610

Soleil

DONNÉES

29 30

Galilée réalise de nombreuses découvertes en observant le ciel avec sa lunette astronomique. Pour garder secrètes ses découvertes, il fait part de ses observations sous forme d’anagrammes à ses confrères Johannes Kepler et Julien de Médicis. Suite à ses observations des phases de Vénus, il composa l’anagramme « Haec immatura a me iam frustra leguntur o y » (En vain j’ai cueilli ces fruits verts o.y.) qui, une fois résolue, donne : « Cynthiae figuras aemulatur mater amorum » (La mère des amours imite les figures de Diane).

Juillet

Août

Lu Ma Me Je Ve Sa Di 27 28

31

1 6 7 8 13 14 15 21 22 28 29

2 9 16 23 30

3 10 17 24 31

4 11 18 19 25 26

33 34 35 36

4 5 10 12 17 18 26 24 31

Octobre

41 42 43 44

5 12 19 26

6 7 13 14 20 21 27 28

2 3 4 8 9 11 17 18 15 24 25 22 29 30

6 7 13 14 20 21 27 28

1 2 8 9 15 16 22 23 29 30

Lu Ma Me Je Ve Sa Di 36 37 38 39 40

7 14 21 28

Novembre

Lu Ma Me Je Ve Sa Di 40

Septembre

Lu Ma Me Je Ve Sa Di 31 32

45 46 47 48

2 9 16 23

3 10 17 24

4 11 18 25

5 12 19 26

1 6 7 13 14 20 21 27 28 29

9 16 23 30

3 4 11 18 25

5 6 12 13 19 20 26 27

Décembre

Lu Ma Me Je Ve Sa Di 44

1 8 15 22 29

Lu Ma Me Je Ve Sa Di 49 50 51 52 53

1 2 9 15 16 22 23 28 29 7

3 10 17 24 31

4 11 18 25

5 6 12 13 19 20 26 27

49

a. Calendrier du second semestre de l’année 2020 Un calendrier précise les dates des jours de l’année, mais indique également les dates des phases de la Lune.

Vénus

• Une anagramme est un jeu littéraire dans lequel les lettres d’un mot sont mélangées afin d’écrire un mot nouveau ayant un sens. • Vénus est la déesse de l’amour et Diane est la déesse de la Lune. Terre

1. Vérifier que les deux phrases sont des anagrammes. 2. Déterminer ce que signifie la deuxième phrase d’un point de vue scientifique. 3. Retrouver sur le doc. b les positions occupées par Vénus pour justifier les phases dessinées par Galilée. 4. Expliquer pourquoi le diamètre de Vénus dessinée par Galilée varie.

b. Justification des phases de Vénus depuis la Terre

b. Éclipse de Soleil

Observé depuis la Terre, le Soleil est caché par la Lune.

5 3

Jupiter et ses satellites

c. Éclipse de Lune

La Lune se retrouve dans le cône d’ombre de la Terre ; elle n’est plus éclairée par le Soleil.

Est

Ouest

a. Résultats des observations

OBJECTIF Interpréter des documents présentant

de Jupiter par Galilée entre le 7 janvier et le 13 janvier 1610

des arguments historiques pour discuter la conception héliocentrique.

Les phases de la Lune

OBJECTIF Interpréter l’aspect de la Lune dans le ciel

En 1610, Galilée observe à la lunette astronomique trois astres alignés avec Jupiter, deux à l’est et un à l’ouest. La nuit suivante, ces trois astres sont tous à l’ouest de la planète. Intrigué, il continue à scruter le ciel les jours suivants ; il voit alors apparaître un quatrième astre.

en fonction de sa position par rapport à la Terre et au Soleil. En étudiant la zone entre l’ombre et la lumière, Galilée montre que la surface de la Lune n’est pas lisse comme le pensait Aristote, mais présente un relief escarpé avec des chaînes de montagnes.

1. Caractériser la trajectoire des satellites de Jupiter dans le référentiel lié à la lunette astronomique de Galilée. 2. Classer les satellites en fonction de leur distance d’éloignement du centre de Jupiter. 3. Représenter les trajectoires des satellites de Jupiter dans le référentiel jupiterocentrique. Caractériser ces trajectoires. 4. Comme Galilée, écrire un texte permettant de réfuter la conception géocentrique grâce aux observations concernant les satellites de Jupiter.

1. Déterminer si ces dessins sont dans l’ordre chronologique. Justifier en donnant le nom de chacune des phases de la Lune représentées. 2. Réaliser un schéma permettant d’expliquer les phases de la Lune et indiquer sur celui-ci les positions de la Lune correspondant aux dessins de Galilée. 3. Déterminer les phases qui n’ont pas été dessinées par Galilée. 4. Expliquer pourquoi Galilée dessine toujours la même face de la Lune.

doc. Dessin de l’aspect de la Lune

Callisto Ganymède Europe Io

b. Positions des satellites de Jupiter entre le 7 janvier et le 13 janvier 1610 déterminées avec un logiciel de simulation

réalisé par Galilée en 1616

226

CHAPITRE 10   La Terre dans l’Univers 227

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CORRIGÉS DES EXERCICES

2

Anagramme de Galilée

1. L es deux phrases sont bien des anagrammes. 2. La deuxième phrase « la mère des amours imite les figures de Diane » signifie que Vénus (la planète associée à la déesse de l’amour) présente des phases comme la Lune (Diane est la déesse de la Lune). 3. Il suffit de comparer l’aspect de Vénus dessinée par Galilée à l’aspect de Vénus sur son orbite autour du Soleil. 4. Vénus apparaît avec un diamètre différent car la distance entre Vénus et la Terre varie : lorsque Vénus présente les croissants de grosse dimension, la planète est proche de la Terre. Quand on observe la pleine Vénus, la planète est alors éloignée au maximum de la Terre et elle apparaît plus petite.

3

Les phases de la Lune

1. P  hases de le Lune reconnaissables sur les dessins : 1. premier croissant, 2. phase entre le premier croissant et le premier quartier, 3. premier croissant, 4. dernier quartier, 5. dernier quartier, 6. phase entre le premier croissant et le premier quartier. Les phases ne sont pas dans l’ordre chronologique, puisque les dessins 2 et 3 ne s’enchaînent pas : le croissant du dessin 3 est moins large que celui du 2. 2. Schéma permettant d’expliquer les phases de la Lune : voir doc. b p. 220 du manuel élève. La position 2 correspond au premier croissant (dessins 1 et 3). Le dernier quartier (dessins 4 et 5) se situe à la position 7. La phase observée sur les dessins 2 et 6 se situe entre les positions 2 et 3. 3. Les phases non dessinées par Galilée sont la nouvelle lune, le premier quartier, la lune gibbeuse croissante, la pleine lune, la lune gibbeuse décroissante et le dernier croissant.

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4. Galilée dessine toujours la même face de la Lune, car la Lune présente toujours la même face à la Terre.

4 Les informations du calendrier 1. Les phases de la Lune du calendrier :

Nouvelle Lune

Premier quartier

Pleine Lune

Dernier quartier

2. Schéma permettant de justifier les phases : voir doc. b p. 220 du manuel élève. 3. On compte la durée séparant deux nouvelles lunes : on trouve 29 jours. 4. Le 14 décembre 2020, on observe la nouvelle Lune : notre satellite naturel se situe donc entre le Soleil et la Terre. L’éclipse sera une éclipse de Soleil. 5. Lors de l’éclipse de Lune le 5 juillet 2020, c’est la pleine lune : on observe l’alignement Soleil-Terre-Lune.

5

Jupiter et ses satellites

1. La trajectoire des satellites de Jupiter dans le référentiel lié à la lunette astronomique est une droite. 2. Le satellite le plus éloigné de Jupiter est Callisto, puis on trouve Ganymède, Europe et enfin Io. 3. Les trajectoires des satellites sont des cercles dans le référentiel jupiterocentrique. Jupiter est au centre des orbites des satellites dont les rayons r sont tels que r(Io)  64 . La note est située hors 32 de la gamme. 243 243 Pour avoir > 2, il faut x < soit x < 121,5. x 2 243 1 1 243 1 1 243 243 × × = × × ×f = ×f = × 532. f= 32 2 2 32 2 2 Do 128 Do 128 f = 1 009,97 Hz.

()

Livre de l’élève MÉTHODE Calculer des puissances et des quotients

Vérifier ses connaissances EXERCICES

QUIZ Énoncé Dans la perspective de la fête de la musique à Athènes, un musicien souhaite fabriquer une lyre dont chaque corde, pincée librement, produit une note d’une même gamme de Pythagore. La première note de la gamme choisie est un Do de fréquence 128 Hz. La troisième corde produit un Ré de fréquence 144 Hz. En pinçant la septième corde, le son produit correspond à la note située trois quintes plus haut que la note Ré.

1

Calculer la fréquence fondamentale f7 du son émis par la septième corde ainsi pincée.

DONNÉES 1

2

Puissance de 2 : 2n

2

4

8

16

32

64

Puissance de 3 : 3n

3

9

27

81

243

729

Méthode

3

4

5

6

2

de quintes descendantes, en respectant les propriétés des puissances suivantes :

La gamme de Pythagore est basée sur le cycle des quintes. Pour la note située trois quintes plus haut que le Ré, 3 3 3 33 ⎛3⎞ × × × f =   × fRé = 3 × fRé 2 2 2 Ré ⎝2⎠ 2 27 × fRé 8

⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩

4

n n ⎛ a⎞ an   = ⎝ b⎠ bn

et l’inverse de

a b est b a

ÉTAPE 2  Les notes devant rester dans l’intervalle d’une octave, diviser ou multiplier si besoin la fréquence obtenue par 2 autant de fois que nécessaire pour obtenir une valeur finale comprise entre fDo = 128 Hz et 2 × fDo = 256 Hz. On dit que l’on normalise la fréquence.

27 > 2 puisque 27 > 2 × 8. 8 La note est située hors de la gamme.

f7 =

27 8 2

× fRé =

soit f7 =

6

Une gamme est :

L’étiquette centrale doit s’intituler

Associer à l’étiquette centrale, par le moyen graphique de votre choix, des étiquettes de votre initiative comprenant par exemple les notions suivantes :

Dans une gamme de Pythagore, calculer la fréquence fondamentale de la note Si obtenue par cinq quintes montantes à partir de la note Do dont la fréquence est égale à 532 Hz.

Intervalle

La lyre est l’instrument le plus populaire dans l’Antiquité grecque, utilisée notamment pour accompagner les louanges des dieux et des héros.

Rapport

Gamme 2 1

Quinte

Octave

Rapport 3 2

274

Les intervalles égaux dans une gamme : a entravent la transposition b ont été créés grâce à la connaissance des nombres irrationnels au xviie siècle c ont permis de réaliser des cycles des quintes qui rebouclent

1

Harmonie d’un accord

Un accord est un ensemble d’au moins trois notes émises simultanément par le même instrument.

DONNÉES 5 L’intervalle entre deux notes séparées d’une tierce est de . 4

1. Définir ce qu’est en musique un intervalle puis caractériser l’intervalle de quinte. 2. Vérifier que la note Mi et la note Sol sont respectivement la tierce et la quinte du Do. 3. Expliquer la consonance des sons correspondant à cet accord. CHAPITRE 12   La musique ou l’art de faire entendre les nombres 275

275

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Indicateurs de réussite de la méthode

Fréquence normalisée : la division par un nombre suffisant de 2 est appliquée pour rester dans l’intervalle d’une octave et la fréquence calculée est supérieure à fDo = 532 Hz de départ.

RÉPONSES DU QUIZ CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE Rapport des fréquences fondamentales

Intervalle

Suite finie de notes réparties sur une octave

Gammes à intervalles égaux

La musique ou l’art de faire entendre les nombres

Gamme

L es étiquettes sont reliées logiquement. Exemple « intervalle » est lié à « octave » et « quinte », elles-mêmes associées respectivement à 2 3 « rapport  » et « rapport  ». 1 2 La transposition est mentionnée. La carte mentionne que la transposition est entravée pour les gammes de Pythagore.

1

1.c / 2.a / 3.b / 4.a / 5.b / 6.b / 7.a / 8.b

Octave

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 es étiquettes complémentaires à celles fournies sont ajoutées, D notamment « cycle des quintes », « gammes de Pythagore » et « gammes à intervalles égaux » ou équivalent.

()

2 1

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Indicateurs de réussite de la carte mentale

Intervalle interprété comme un rapport et non une différence de fréquences fondamentales. 35 3 3 3 3 3 Facteur ou son équivalent × × × × appliqué à la 2 2 2 2 2 2 fréquence du Do pour traduire la prise en considération de cinq intervalles de quintes.

Rapport

8

Dans la gamme de Pythagore, les fréquences des vibrations sonores correspondant aux notes d’un accord sont par exemple : fDo = 528 Hz, fMi = 660 Hz et fSol = 792 Hz.

Musique = art de faire entendre les nombres

Pour s’entraîner

Une octave entre deux sons correspond à un rapport des fréquences fondamentales de ces sons qui est égal à : 2 3 4 a   b   c  1 2 3

En musique, 2 deux sons séparés d’un intervalle égal à : 1 a correspondent à une même note b ont des hauteurs identiques c sont dissonants

sur le thème « La musique ou l’art de faire entendre les nombres ».

27 × 144 Hz = 243 Hz. 16

7

Les gammes de Pythagore :

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE

27 1 × ×f 8 2 Ré

Une quinte est un intervalle entre deux sons dont le rapport des fréquences fondamentales est égal à : 2 3 4 a   b   c  1 2 3

a comportent des intervalles égaux entre deux notes consécutives b sont basées sur le cycle des quintes c facilitent la transposition

3

f=

soit f =

a × a × a × … × a = an ;

3

Dans l’Antiquité : a la construction des gammes était basée sur des nombres rationnels et irrationnels b deux sons dont les rapports de fréquences étaient des fractions simples étaient considérés comme les seuls à être consonants c seule la quinte était tolérée en musique

a une suite finie de notes réparties sur une octave b une suite infinie de notes séparées entre elles par des intervalles égaux c une suite infinie de notes séparées entre elles par des fractions simples

Application

ÉTAPE 1  Comme il s’agit d’une gamme de Pythagore, appliquer à la note initiale le nombre de quintes nécessaires. 3 Il faut multiplier la fréquence par dans le cas 2 3 de quintes montantes ou diviser par dans le cas 2

5

En musique, un intervalle entre deux sons est défini par : a la différence des fréquences fondamentales de ces sons b la somme des fréquences fondamentales de ces sons c le rapport des fréquences fondamentales de ces sons

Puissances de 2 et de 3 : Exposant n

Parmi les affirmations suivantes, choisissez la réponse exacte.

Quinte

Rapport

3 2

Cycle des quintes 5, 7 ou 12 notes

Gammes dites de Pythagore

Transposition entravée

Harmonie d’un accord

1. Un intervalle est défini en musique par le rapport (et non la différence) des fréquences fondamentales entre deux sons. Le rapport 3/2 caractérise une quinte. f 660 11 × 60 6 × 5 × 2 5 = = = 2.  Mi = fDo 528 11 × 48 6 × 2 × 4 4 f 792 11 × 72 6 × 4 × 3 3 = = = et Sol = fDo 528 11 × 48 6 × 2 × 4 2 Mi est la tierce du Do et le Sol en est la quinte. 3. La consonance des sons de cet accord s’explique, comme dans l’Antiquité, par le fait que les rapports de fréquences correspondants sont des fractions simples. Remarque : l’intervalle entre un La2 de fréquence fondamentale 220 Hz et un Mi3 de fréquence fondamentale 330 Hz n’est donc pas 110 Hz (330 Hz-220 Hz) comme le laisse à penser l’expression « intervalle entre ». Cet intervalle correspond en fait à une quinte puisque le 330 3  = 1,5 = . rapport des fréquences est égal à 220 2 THÈME 4 ● CHAPITRE 12 ● La musique ou l’art de faire entendre les nombres

197

CHAPITRE 12 Livre de l’élève EXERCICES Extraire des informations 2

Analyser des informations et raisonner EXERCICES 4 Gamme à tempérament égal et accord d’un violon

Quinte du loup

OBJECTIF Savoir que, pour une gamme associée à un cycle de quintes à 12 notes, l’identification de la dernière note avec la première impose que l’une des quintes du cycle ne corresponde pas exactement à l’intervalle 3/2.

En musique, la quinte du loup est l’intervalle dissonant d’une gamme de Pythagore. Au Moyen Âge, il est appelé le Diabolus in Musica (litt. « le diable dans la musique ») et il est interdit par l’église dans la musique religieuse. 12 quintes Fa Fa

Do

Sol Fa

Ré La Fa

Mi Fa

Si

Fa♯ Do♯ Sol♯ Ré♯ La♯ Mi♯ Fa Fa Fa Fa

7 octaves

a. Douze quintes correspondent à sept octaves 1. À l’aide des documents, expliquer ce que signifie « boucler le cycle ». 2. a. Si la quinte du loup est entre La# et Fa, qu’est-ce qui différencie cet intervalle de ceux entre deux notes consécutives dans la « gamme de base » ? b. En déduire pourquoi deux notes espacées de la quinte du loup ne sont pas consonantes.

Présentation

b. de la quinte du loup

Lire l’article en ligne

Si nous ne voulons pas une infinité de notes différentes, il faut boucler le cycle des quintes. En partant de la gamme de base obtenue par la suite des quintes Fa – Do – Sol – Ré – La – Mi – Si et en poursuivant dans les dièses, la première note à poser un problème est le Mi# qui est proche du Fa. On va donc assimiler ces deux notes, le Mi# qui devient identique à Fa. C’est ainsi qu’on a réussi à limiter l’ensemble des notes. Dans l’ensemble des quintes cependant, une d’entre elles sera fausse et on évitera de la jouer ; c’est la quinte du loup. Présenté autrement, on peut remarquer que pour retomber sur une note initiale par une succession de quintes, il faudrait qu’un certain nombre de quintes soit égal à un autre nombre d’octaves. 12 quintes valent 7 octaves à un comma pythagoricien près. Nous tricherons sur une des douze quintes pour que 12 quintes = 7 octaves.

OBJECTIF Utiliser la racine douzième de 2 pour partager l’octave en douze intervalles égaux.

DONNÉES Deux notes séparées par deux intervalles d’un ton chacun forment une tierce majeure.

En 1955, l’Organisation internationale de normalisation (ISO) fixe la fréquence fondamentale du La au-dessus du Do central à 440 Hz. Cette norme sert maintenant de fréquence de référence dans l’accordage des pianos, des violons et d’autres instruments qui utilisent la gamme. Dans la gamme dite tempérée, les douze intervalles divisant l’octave sont égaux et appelés demi-tons.

Deux notes séparées par un intervalle d’un ton et demi forment une tierce mineure.

1. À partir de la fréquence du La de référence, calculer les fréquences des Do3 et Do4 délimitant l’octave de la gamme tempérée dans laquelle ce La se situe. 2. Un violoniste règle la tension de la corde La de son violon pour l’accorder, non à la fréquence de 440 Hz habituelle pour le La, mais à la fréquence de 415 Hz plus adaptée à la musique baroque qu’il souhaite jouer. Calculer les fréquences des notes des tierces majeure et mineure du La (note la plus grave de chaque tierce) construites avec le violon ainsi accordé.

doc. Violoniste accordant son violon

D’après Jean-Luc Juveneton, « La quinte du loup », www.archive.is.

5

Cycle ou spirale des quintes ?

OBJECTIF Mettre en place un raisonnement mathématique pour prouver que le cycle des quintes est infini.

3

doc. Le principe de « passage à la quinte »

Spirale des quintes et 12 notes dans la gamme de Pythagore

Les fréquences correspondant aux notes d’une gamme de Pythagore, regroupées dans le document ci-contre, sont obtenues en suivant un cycle de quintes montantes : – en multipliant la fréquence d’une note 3 N1 de départ par ; 2

OBJECTIF Calculer des puissances et des quotients en lien avec le cycle des quintes.

Le cycle des quintes sur lequel repose la construction de la gamme de Pythagore est infini. Il s’agit davantage d’une spirale que d’un cycle. Pourtant, la gamme de Pythagore n’utilise pas une infinité de notes. E♯

a. Le cycle des quintes Le principe de construction de la gamme de Pythagore consiste à partir d’une note de référence et à appliquer successivement l’intervalle de quinte à la note précédente. Comme le montre la spirale des quintes ci-contre, en partant du Fa, c’est-à-dire F en notation anglo-saxonne, avec six quintes montantes et sans souci de changer d’octave, on obtient 6 notes supplémentaires soit au total 7 notes : F, C, G, D, A, E et B. Remises dans l’ordre croissant des fréquences et en notation latine en partant du Do, on obtient la gamme diatonique majeure de Do : Do, Ré, Mi, Fa, Sol, La, Si, c’est-à-dire C, D, E, F, G, A, B en notation anglosaxonne. En montant le Si (B) d’une quinte, on obtient une note plus aiguë qu’un Fa, mais moins qu’un Sol (G) que l’on nomme Fa dièse (F#). En continuant, on obtient les notes C#, G#, D#, A#, E#, B#. En descendant le Fa (F) d’une quinte, on obtient une note entre La (A) et Si (B), nommée Si bémol (Bb), puis Eb, Ab, Db, etc. Aucune note ne retombe apparemment sur la note de départ : la spirale ne se referme jamais. Cependant, sa représentation fait apparaître une propriété remarquable de la gamme de Pythagore : quand on applique 12 fois l’intervalle de quinte à la note Do, on obtient un Si#, qui est presque égal à un… Do (7 octaves plus haut que le Do de départ). Voilà donc pourquoi il y a 12 notes dans une octave !

B♯

3 C F ×2

A♯

×

3 2

3 × 2

G

D♯

G♯

E♭

A F♭

A♭ D♭ C♯

– en multipliant la fréquence précédem3 ment obtenue par mais en divisant 2

D

B♭

G♭

C♭

F♯

E

Quinte Quinte Quinte Quinte Quinte Quinte Quinte Quinte Quinte Quinte Quinte Quinte

N1

N2

N3

N4

N5

N6

N7

N8

N9

N10

N11

N12

55

83

62

46

70

52

78

59

44

66

49

37

N13 56

110

165

124

93

139

104

157

117

88

132

99

74

112

220

330

248

186

278

209

313

235

176

264

198

149

223

440

660

495

371

557

418

626

470

352

529

396

297

446

705 1 057 793

595

892

880 1 320 990

743 1 114 835 1 253 940

1 720 2 640 1 980 1 485 2 228 1 671 2 506 1 879 1 410 2 114 1 586 1 189 1 784 3 520 5 280 3 960 2 970 4 455 3 341 5 012 3 759 2 819 4 229 3 172 2 379 3 568

par 2 si nécessaire pour obtenir un intervalle avec la note de départ plus petit que l’octave ; – et ainsi de suite…

D’après « Les mathématiques de la musique (avec Vled Tapas) », Science étonnante no 41, 2017.

B

b. Spirale des quintes 1. Expliquer, sans calcul, pourquoi le cycle des quintes est dit infini. 2. Calculer l’intervalle de 12 quintes successives et le comparer à celui de 7 octaves. Quelle conséquence en est tirée par l’auteur du document ?

1. Montrer que, pour des raisons mathématiques, le « cycle » des quintes est infini c’est-à-dire qu’aucune fréquence des notes obtenues par quintes montantes ne peut être égale en toute rigueur à la fréquence de la note de départ. 2. Le cycle des quintes « reboucle » presque à la 13e note. a. Justifier cette affirmation à partir du document. b. Pour la gamme associée, l’identification de la dernière note avec la première impose une modification dans la méthode de construction de la gamme. Indiquer laquelle.

276

CHAPITRE 12   La musique ou l’art de faire entendre les nombres 277

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4 Gamme à tempérament égal et accord d’un violon

CORRIGÉS DES EXERCICES

12

2

Quinte du loup

4

1. Boucler le cycle consiste à identifier une note avec une autre note lorsque celle-ci correspond à des sons de fréquences fondamentales voisines. Au bout de douze quintes en partant du Fa (doc. a), le Mi♯ est proche de Fa obtenu après 7 octaves. On peut donc « assimiler » ce Mi♯ à ce Fa (doc. b). 2. a  . L’identification du Mi♯ au Fa impose que la quinte La♯ – Fa ne corresponde pas exactement à l’intervalle 3/2. b. Les deux notes espacées de la quinte du loup (La♯ – Fa dans cet exemple) ne sont pas consonantes puisque l’intervalle entre les sons correspondants n’est pas égal à une fraction simple.

3

4

2. L’intervalle de 12 quintes successives correspond à : 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 12 312 531 411 × × × × × × × × × × × = , = 12 = 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 096 2 soit une valeur décimale de 129,739. 2 2 2 2 2 2 2 27 = 128. 7 octaves correspondent à : × × × × × × = 1 1 1 1 1 1 1 1 La différence est faible (1,739…), moins de 1,4 % de l’intervalle de 7 octaves. L’auteur en conclut que c’est pour cela qu’il y a 12 notes dans une octave. Exemple tiré du doc. b : C, G, D, A, E, B, F♯, C♯, G♯, D♯, A♯, E♯.

()

()

4

Remarque : cette donnée n’est pas fournie. On pourra renvoyer au schéma bilan p. 273 du manuel. f fDo = Do = 261,625 Hz. 2 2. La tierce majeure du La a pour fréquence : f1 = r × r × r × r × fRef. A.N. f1 = 554,36 Hz. La tierce mineure du La a pour fréquence : f2 = r × r × r × fRef. A.N. f2 = 523,25 Hz. 4

3

5

Spirale des quintes et 12 notes dans la gamme de Pythagore

1. Le cycle des quintes est infini car il ne reboucle jamais sur la note de départ ou sur l’une de ses octaves.

198

1. Le demi-ton correspond au rapport r tel que r12 = 2 soit r = √2. f On note fRef = 440 Hz. Trois ½ tons séparent Laref et Do4 : Do = r × r × r. fRef 12 12 12 fDo = r × r × r × fRef. A.N. fDo = √2 × √2 × √2 × 440 = 523,25 Hz.

Cycle ou spirale des quintes ?

1. Si le cycle « reboucle », alors il existe n et p entiers non nuls tels que : monter de n quintes à partir de N1 et descendre de p octaves pour 3n 1p 3n 1p normaliser donne N1 ⇔ f1 × × = f1 ⇔ × =1 2 2 2 2 3n 1 ⇔ n × p = 1 ⇔ 3n = 2n+p. 2 2 Mais un nombre impair ne peut être égal à un pair. Le cycle des quintes est donc infini : il ne « reboucle » jamais sur la note de départ.

() ()

() ()

2. a. La 13e colonne contient des valeurs voisines de celles de la première : on peut donc justifier l’affirmation : le cycle des quintes « reboucle presque à la 13e note ». b. Pour construire la gamme, il faut que l’une des quintes ne corresponde pas à 3/2.

Livre de l’élève EXERCICES

EXERCICES

Vers le BAC exercice guidé

exercice non guidé Vers le BAC

6 Gamme de Zarlino

7 Instruments à sons fixes

OBJECTIFS Exploiter des documents – Effectuer des calculs – Rédiger une argumentation scientifique.

OBJECTIFS Exploiter des documents – Contrôler des calculs – Rédiger une argumentation scientifique.

Après le Concile de Trente (1545-1563), l’Église permet l’utilisation dans les compositions musicales de deux 5 intervalles supplémentaires, la tierce pure (rapport ) 4 6 et la sixte (rapport ), interdits jusqu’alors. 5 Dans une période de renaissance musicale, l’occasion est donnée de construire de nouvelles gammes.

b. Gamme de Zarlino Le théoricien italien Gioseffo Zarlino (1517-1590) crée au xvie siècle une gamme avec trois accords parfaits superposés : Do-Mi-Sol, Sol-Si-Ré et Fa-La-Do. Le premier accord part du Do, le second accord part de la quinte du Do et le troisième part de la note dont le Do est la quinte. Il obtient ainsi sept notes, comme dans la gamme de Pythagore, mais les intervalles entre les notes consécutives sont quelque peu différents. En utilisant la tierce pure, Zarlino modifie la méthode de construction des gammes de l’époque, celles de Pythagore, et rend plus juste la tierce. La gamme de Zarlino restera surtout théorique car difficile à mettre en pratique.

DONNÉES Un accord est un ensemble de trois notes jouées simultanément. Il est dit parfait, car très agréable à l’oreille, s’il est composé d’une note dite fondamentale (c’est-à-dire la plus grave de l’accord), de la tierce de cette note et de sa quinte.

GUIDE D’EXPLOITATION 1. On s’intéresse au second accord Sol-Si-Ré de la gamme de Zarlino. Justifier que cet accord « part de la quinte du Do » et que c’est un accord parfait. 2. En utilisant les connaissances acquises sur les gammes de Pythagore, décrire ce qui différencie principalement la méthode de construction de la gamme de Zarlino de celles de Pythagore. 3. En utilisant les données, calculer l’intervalle entre le Do et le Mi plus haut dans une gamme de Pythagore et expliquer en quoi la tierce Do-Mi de la gamme de Zarlino est « plus juste » que celle d’une gamme de Pythagore. 4. Les gammes de Pythagore ou celle de Zarlino permettent-elles de répondre positivement à la question posée dans le doc. c ? Justifier à partir des connaissances acquises sur les gammes de Pythagore et donner un exemple en exploitant les informations issues des documents.

Un chanteur, un violoniste, peuvent émettre une infinité de sons de hauteurs différentes à l’intérieur d’une octave. Mais tous les instrumentistes ne peuvent en dire autant. Il est difficile pour des instruments à sons fixes, qui ne peuvent fournir qu’un nombre limité de sons par octave, d’être accordés correctement et de sonner juste en toutes circonstances.

a. Gerrit van Honthorst, Le Concert, 1624 c. Transposition Le problème de la transposition peut se rencontrer dans la situation suivante : nous commençons à chanter une mélodie jusqu’à ce qu’on réalise qu’on ne va pas pouvoir aller au bout, car les notes à chanter vont devenir trop aiguës pour nous ; nous reprenons donc le chant à partir d’une note de départ plus grave, décalant d’autant les autres notes de manière instinctive avec une justesse plus ou moins heureuse. Mais sur un instrument fabriqué avec une échelle de notes fixées, ne peut-on pas décaler toutes les notes en espérant conserver l’impression de reconnaître la mélodie ? D’après www.easyzic.com.

Intervalles entre le Do de la gamme de Zarlino d. et les autres notes de cette gamme Do

Ré

Intervalles

Do

Mi

Fa

Quinte de Tierce la quinte pure du Do du Do

Notes

Ré 9 8

La

Si

1

9

5

4

3

5

15

1

8

4

3

2

3

8

Mi 10 9

Sol

Fa 16 15

Sol 9 8

Do

Quinte Tierce Tierce pure pure pure du Do du Fa du Sol

La 10 9

2 1

Si 9 8

À l’aide des documents et en utilisant des connaissances sur les gammes de Pythagore : – vérifier que le comma pythagoricien est petit (inférieur à 2 % par exemple) par rapport à l’intervalle de 7 octaves ; – rédiger un texte expliquant en quoi le tempérament égal actuel présente des inconvénients mais permet de rendre la gamme pythagoricienne praticable par des instruments à sons fixes.

Ré

Mi 9 8

Fa

256 243

La 9 8

Si 9 8

Do 256 243

f. Intervalles entre deux notes consécutives

Lire l’article en ligne

D’après www.papiermusique.fr.

D’après www.polyphonies.eu.

Fa

Do

Sol

Fa

Ré

La

Fa

12 quintes justes Mi Si Fa♯

Fa Fa 7 octaves justes

A-Z

Do♯

Sol♯

Ré♯

Fa

La♯

Fa

1 comma pythagoricien

d. Comma pythagoricien

de la gamme de Pythagore à 7 notes

Un intervalle très faible mais d’une importance considérable.

278

Mi♯

Fa

VOCABULAIRE

Un comma (du grec, κο′μμα, qui signifie virgule, d’où son sens figuré de « quantité faible ») est, en musicologie, un intervalle très faible entre deux notes pratiquement de la même hauteur. Un tempérament est un procédé utilisé pour partager l’octave. Le tempérament égal actuel consiste à diviser mathématiquement l’octave en douze intervalles parfaitement égaux.

CHAPITRE 12   La musique ou l’art de faire entendre les nombres 279

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7 Instruments à sons fixes

CORRIGÉS DES EXERCICES

6 Gamme de Zarlino 1. Le doc. d indique que l’intervalle entre Sol et Do est de

Lire l’article en ligne

La différence de ces minuscules commas produit sur l’oreille des effets indubitables : ils peuvent transformer n’importe quelle musique, aussi parfaite soit-elle, en une véritable cacophonie. Pour éliminer autant que possible l’effet sensible des commas, il a fallu « tempérer ». Les tempéraments sont devenus nécessaires au fur et à mesure du développement de la musique parce qu’aucune gamme théorique n’est utilisable en pratique : elles incluent toutes au moins un intervalle désagréable, sonnant faux. Seul le tempérament, qui ne le rend pas pour autant juste, peut le rendre praticable. Un compromis devient nécessaire entre justesse de certains intervalles, fausseté pas trop marquée des autres, possibilité de transposition.

16 15

Fa

Sol 9 8

Le tempérament,

c. un compromis de justesse

On ne peut pas avoir en même temps, sur un clavier, toutes les octaves justes et toutes les quintes justes. Par exemple, si l’on monte de 12 quintes justes et parallèlement de 7 octaves justes, le Mi# qui doit normalement partager la même touche que le Fa sur le clavier, est alors trop haut d’un comma pythagoricien. Pour accorder un instrument à clavier, on doit donc tempérer certains intervalles, c’est-à-dire les raccourcir ou les agrandir.

Do

de la gamme de Zarlino

9 8

à sons fixes

Le tempérament,

b. un compromis de justesse

e. Intervalles entre deux notes consécutives

Do

a. Instruments à clavier et à trous, des instruments

3 dans la 2

gamme de Zarlino. L’accord Sol-Si-Ré de cette gamme part de la quinte du Do. D’après le doc. e, l’intervalle entre Si et Sol, note la plus grave de l’accord, est 10 9 5 égal à × = . Le Si est donc bien la tierce du Sol. 9 8 4 Le Ré est la quinte de la quinte du Do donc la quinte du Sol. Le doc. e le confirme puisque l’intervalle entre Ré (à l’octave supérieur pour 9 16 9 10 3 être plus aigu que le Sol) et Sol est : × × × = . 8 15 8 9 2 Le Si est la tierce du Sol et le Ré sa quinte : l’accord Sol-Si-Ré est parfait. 2. Les gammes de Pythagore sont basées sur le cycle des quintes ce qui n’est pas le cas de celles de Zarlino. 3. L’intervalle entre Mi et Do dans une gamme de Pythagore est 9 9 81 5 × = . Dans la gamme de Zarlino, il est égal à . Cette fraction 8 8 64 4 est plus simple ce qui rend la tierce « plus juste ». 4. Les intervalles entre deux notes consécutives des gammes de Pythagore ne sont pas égaux, ce qui entrave la transposition. Il en est de même pour celle de Zarlino. Ces gammes ne permettent pas de répondre positivement à la question du doc. c.

Éléments attendus pour rédiger cette argumentation scientifique : 3 12 2 7 Calculer le comma pythagoricien : ε = – = 1,746. 2 1 Analyser de manière critique le résultat. Exemple : « ε est faible puisqu’il représente à peine 1,4 % de 7 octaves (27 = 128) ».

() ()

 rganiser les connaissances mobilisées et les informations extraites O pour expliquer : – les inconvénients du tempérament égal actuel. Exemple : la connaissance des nombres irrationnels a permis de construire des gammes à intervalles égaux. Dans ces gammes, l’octave est le seul intervalle égal à une fraction (2/1) donc le seul « juste » ; – ce que le tempérament égal autorise avec des instruments à sons fixes alors que les gammes de Pythagore ne le permettent pas. Exemple : les intervalles entre deux notes consécutives non égaux des gammes de Pythagore entravent la transposition ; – ce qui fait du tempérament égal un bon compromis. Exemple : fausseté pas trop marquée des intervalles contrairement aux gammes de Pythagore qui, pour éliminer le comma en identifiant la dernière note Mi♯ avec la première, un Fa, impose que l’une des quintes ne corresponde pas exactement à l’intervalle 3/2, ce qui rend cet intervalle désagréable en le faisant sonner faux. Utiliser un vocabulaire adéquat.

Remarque : questionnées et remodelées à de nombreuses reprises, les gammes constituent un exemple pour comprendre la nature du savoir scientifique et ses modes d’élaboration.

THÈME 4 ● CHAPITRE 12 ● La musique ou l’art de faire entendre les nombres

199

CHAPITRE 13

CHAPITRE

Livre de l’élève

13

b. Des algorithmes d’aide à la prise de vue permettent de numériser les images d’un selfie. Pour ajouter une bande-son de bonne qualité, il faut plus qu’un bras en métal relié à un microphone.

Le son, une information à coder

Quelles sont les étapes à suivre pour numériser un son ? ➞ activité 1

Les techniques numériques ont mis en évidence un nouveau type de relations entre les sciences et les sons. Ces vibrations de l’air peuvent être enregistrées sur un support informatique par un processus de numérisation issu de théories mathématiques et informatiques.

c. Le développement de l’informatique a révolutionné le domaine de la photographie tout autant que celui de l’enregistrement audio.

Comment numériser un son le plus fidèlement possible ? ➞ activité 1

TEASER

Vidéo

d. La transformation de la voix est un exemple de sujet de recherches scientifiques actuelles rendues possibles par la numérisation des sons.

Quels sont les enjeux culturels et économiques de la numérisation des sons ?

a. Dans les dessins animés, des acteurs prêtent leur voix aux personnages. Les sons qu’ils produisent sont enregistrés et stockés pour réaliser la bande-son du film.

➞ HED p. 286

Comment des sons sont-ils enregistrés et stockés de nos jours ? ➞ activité 2

280

CHAPITRE 13   Le son, une information à coder 281

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Les grandes idées à construire L e son, vibration de l’air, peut être enregistré sur un support informatique grâce à des techniques numériques (numérisation et compression) issues de théories mathématiques et informatiques.  our numériser un son, on procède à la discrétisation P (échantillonnage et quantification) du signal analogique sonore, avec une fréquence d’échantillonnage au moins double de celle du son pour reproduire fidèlement ce signal.  lus la fréquence d’échantillonnage est élevée et plus la P quantification est fine, plus la numérisation est fidèle, mais plus la taille du fichier audio est grande.  our diminuer la taille d’un fichier afin de faciliter son stockage et P sa transmission, les techniques de compression, dites « avec perte d’information », éliminent les informations sonores auxquelles l’oreille est peu sensible.

Ce que disent les documents a À travers cette photographie de l’acteur américain Edward Helms, dit Ed Helms, en plein doublage du film d’animation « Le Lorax », la numérisation et la compression de données peuvent être introduites en détaillant plus ou moins le passage de l’information sonore au fichier de stockage. On pourra porter attention au doubleur qui délivre une information sonore et faire préciser le rôle du microphone (convertisseur de signal sonore en signal électrique). Relever les conceptions des élèves sur ce qu’il advient du signal électrique jusqu’au dispositif de stockage permet par exemple de poser le problème lié à l’activité 1 (Comment numériser le plus fidèlement possible un son ?).

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b Là encore, le rôle du microphone peut être évoqué mais cette photographie permet de mobiliser les connaissances de l’enseignement « Sciences Numériques et Technologie » (SNT) de seconde, en évoquant la numérisation des images réalisées avec un smartphone. Le doc. c permet de compléter cette première approche. Un parallèle entre les techniques utilisées pour les sons et les images peut être envisagé. c Dans le cas d’une image, le capteur (composé de photo-sites dont le nombre et la sensibilité sont adaptés à la répartition des cônes de la rétine : « deux verts, un bleu et un rouge ») échantillonne, ce qui n’est pas le cas du microphone utilisé pour la numérisation d’un son. C’est une des fonctions du convertisseur analogique-numérique (C.A.N). Résolution en pixels et profondeur de couleur en bits influencent la fidélité de la numérisation des images, tout comme la fréquence d’échantillonnage et le pas de quantification pour les sons. Un autre parallèle peut être fait avec le stockage des fichiers : sous différents formats, compressés ou non, avec ou sans pertes d’informations. d Teaser : vidéo de la série « les instantanés de l’Ircam ». Celle-ci présente les travaux de recherche scientifique de l’équipe Analyse/ Synthèse des sons de l’Institut. Les problématiques et les enjeux sont en lien avec l’activité « Histoire, Enjeux, Débats » dans le domaine artistique, comme le cinéma et la musique, mais également dans le cadre de l’imitation et de la reconnaissance vocale. Les savoirs du chapitre 11 sont mobilisés. L’origine des sons en lien avec la hauteur et le timbre de la voix est décrite. Les modifications du spectre, leurs conséquences ainsi que des applications et des objets de recherche sont présentés.

Progression dans le chapitre AC TIVITÉ

1

Problèmes scientifiques

Compétences travaillées

 n quoi la numérisation d’un E son consiste-t-elle ?

 xploiter des documents E scientifiques.

 uels sont les paramètres Q qui influencent la qualité de la numérisation ? Comment les choisir pour rendre la numérisation la plus fidèle possible ?

J ustifier le choix des paramètres de numérisation d’un son.  stimer la taille d’un fichier E audio.

Idées clés  our numériser un son, on P procède à la discrétisation du signal analogique sonore (échantillonnage et quantification).  lus la fréquence P d’échantillonnage est élevée et la quantification est fine, plus la numérisation est fidèle, mais plus la taille du fichier audio est grande. L a reproduction fidèle du signal analogique nécessite une fréquence d’échantillonnage au moins double de celle du son.

AC TIVITÉ

2

Problèmes scientifiques

Compétences travaillées

 ourquoi compresser des P fichiers audio ?

 xploiter des documents E scientifiques.

 uels points communs et Q quelles différences existe-t-il entre différents formats de compression (comme le MP3 et le FLAC) ?

C alculer un taux de compression. C omparer des caractéristiques et des qualités de fichiers audio compressés.

 n quoi les connaissances E scientifiques concernant l’audition humaine ont-elles pu avoir une influence sur la conception d’algorithmes de compression des sons ?

HED

Problèmes scientifiques

Compétences travaillées

C omment la miniaturisation a entraîné la numérisation et la compression de la musique ?

Exploiter des documents.

C omment les progrès technologiques ont, pendant un temps, dépassé l’industrie du disque et provoqué sa crise économique ?

 rganiser l’information sous O une forme adaptée.

C omment l’industrie du disque a su rebondir face à la crise et s’adapter aux nouvelles pratiques des mélomanes ?

 édiger une argumentation R scientifique.

Idées clés L a compression consiste à diminuer la taille d’un fichier afin de faciliter son stockage et sa transmission. L es techniques de compression spécifiques au son, dites « avec perte d’information », éliminent les informations sonores auxquelles l’oreille est peu sensible.

Idées clés L ’industrie du disque a appuyé de nombreuses avancées technologiques dont la numérisation de l’information.  lle n’aura pas su E immédiatement anticiper la démocratisation des accès à Internet, et a subi une crise liée au partage illégal de fichiers.  arallèlement à l’arrivée des P sanctions contre les infractions aux droits d’auteurs, l’industrie musicale a su se ressaisir et créer un modèle économique viable, adapté aux nouvelles technologies.

THÈME 4 ● CHAPITRE 13 ● Le son, une information à coder

201

CHAPITRE 13 Livre de l’élève ACTIVITÉ

1

2

Numérisation d’un son

Observer l’influence de paramètres de numérisation Animation

u

Numériser un son revient à convertir une tension électrique continue aux bornes d’un microphone en une série de 0 et de 1 (appelés bits) exploitable par un dispositif informatique. OBJECTIF Numériser un son le plus fidèlement possible.

Signal échantillonné avec fE = 250 Hz

t (en ms) 0

10

20

30

40

50

10

20

30

40

50

t (en ms) 0

10

Signal analogique de fréquence 200 Hz

A-Z

Ensemble de valeurs discrètes : ensemble fini de valeurs par opposition à un nombre infini de valeurs.

Au bilan, l’échantillonnage et la quantification permettent de convertir un signal analogique continu en un signal discontinu, dit numérique, variant par « paliers », le nombre de valeurs possibles pour le signal étant fini. Ce procédé s’appelle la discrétisation (doc. a). S’ensuit alors un encodage qui consiste à donner à chaque valeur du signal discrétisé le code numérique correspondant.

Les fréquences des signaux sonores associés à la voix sont situées majoritairement entre 100 Hz et 3 400 Hz.

Bit : contraction de l’expression, en anglais, « binary digit » signifiant chiffre binaire.

1110

+1

–1

–2

Système décimal

1111

15

1110

14

1101

13

1100

1100

12

1010

0

Système binaire

1101 1011 1001 t 0111

1011

11

1010

10

1001

09

1000

08

0110

0111

07

0101

0110

06

0100

0101

05

0011

0100

04

0010

0011

03

0001

0010

02

0000

0001

01

0000

00

a. Discrétisation avec une résolution 4 bits

50

D’après www.ostralo.net.

u (en V) 5

Résolution 3 bits

23 = 8 valeurs possibles en ordonnées pour le signal discrétisé

0 0

10

u (en V) 5

Résolution 4 bits

24 = 16 valeurs possibles en ordonnées pour le signal discrétisé

Quantification plus fine

t (en ms) Signal discrétisé

Signal analogique

Signal discrétisé

0 0

10

t (en ms) Signal discrétisé

10

D’après www.ostralo.net.

d. Influence de la finesse de la quantification

3

Résolution 5 bits

25 = 32 valeurs possibles en ordonnées pour le signal discrétisé

Quantification plus fine

t (en ms)

0 0

Signal analogique

Enregistrer un son EXPÉR

IENCE

PROTOCOLE

1. Ouvrir le logiciel Acquisonic. . 2. Dans la barre de menu, cliquer sur « Paramétrer » pour choisir une acquisition unique déclenchée, puis sélectionner le nombre de bits (digits) et la fréquence d’échantillonnage souhaités. Adapter le nombre de points afin d’obtenir une durée voisine de celle de l’enregistrement souhaité.

Correspondance entre le système binaire

+2

40

OBJECTIF Enregistrer et écouter un son enregistré au format .wav

DONNÉES

b. et le système décimal Valeurs Signal discrétisé binaires 1111

Signal analogique

VOCABULAIRE

La période d’échantillonnage TE est la durée, en seconde (s), entre deux prélèvements consécutifs de la valeur du signal analogique et la fréquence d’échantillonnage fE, en hertz (Hz), correspond au nombre de prélèvements par seconde.

Dans un second temps, la valeur prélevée est comparée à un ensemble de valeurs discrètes. La valeur discrète la plus proche, ou approchée par défaut ou par excès, de la valeur du signal analogique prélevée est alors attribuée à l’échantillon pendant la durée TE. Cette étape s’appelle la quantification. Chaque valeur discrète correspond à un code numérique défini suivant le nombre de bits de la carte d’acquisition du son. Le nombre de valeurs discrètes est d’autant plus grand que le nombre de bits de la carte d’acquisition du son est élevé.

Signal analogique

30

Animation u (en V) 5

Dans un premier temps, le signal analogique continu, délivré par le microphone qui capte ce son, est découpé en échantillons par prélèvement de sa valeur à intervalles de temps réguliers. Cette étape, appelée échantillonnage, est caractérisée par la période d’échantillonnage TE ou son inverse, appelé fréquence d’échantillonnage fE. Pour que le signal numérisé reproduise fidèlement le signal analogique, la fréquence d’échantillonnage doit être au moins égale au double de la fréquence du signal analogique.

u (en V)

20

Signal analogique de fréquence 200 Hz

c. Influence de la fréquence d’échantillonnage

Décrire les étapes de la numérisation d’un son

Pour numériser un son, on procède en plusieurs étapes.

Adapter le niveau de déclenchement et l’échelle verticale si besoin.

4. Écouter le son et l’enregistrer au format .wav. Le fichier obtenu restitue un son mono et non stéréo.

de numériser un son avec une sélection de nombreux paramètres

PISTE D’EXPLOITATION On souhaite enregistrer en mono sur un ordinateur une voix sous forme d’un fichier audio .wav. Trois couples de valeurs de paramètres (fréquence d’échantillonnage ; résolution de la carte d’acquisition) sont envisagés : Couple 1 : (400 Hz ; 16 bits)

  Couple 2 : (8 000 Hz ; 6 bits)   Couple 3 : (22 050 Hz ; 16 bits)

1 À l’aide des documents, identifier les étapes de la numérisation du son qui suivent l’acquisition du signal délivré par le microphone relié à l’ordinateur et qui précèdent l’encodage du signal sur le fichier informatique. 2 Justifier que le couple 1 de paramètres ne peut pas convenir pour que le signal numérisé reproduise fidèlement le signal analogique délivré par le microphone qui a capté le son étudié.

3 Estimer la taille du fichier audio obtenu avec le choix de paramètres de numérisation du couple 3 pour numériser le son étudié pendant une durée voisine de trois secondes. Comparer le résultat à la taille du fichier obtenu avec Acquisonic. 4 Justifier que le couple 3 permet de réaliser la numérisation la plus fidèle et donner un avantage du choix des paramètres de numérisation du couple 2 par rapport à ceux du couple 3.

282

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e. Le logiciel Acquisonic permet

3. Enregistrer le son étudié en lançant l’acquisition.

CHAPITRE 13   Le son, une information à coder 283

282

24/06/2019 12:06

s problèmescientifiques En quoi la numérisation d’un son consiste-t-elle ?  uels sont les paramètres qui influencent la qualité de Q la numérisation ? Comment les choisir pour rendre la numérisation la plus fidèle possible ?

Mobilisation des acquis Vu en seconde (SNT) :

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L ’encodage, dernière étape de la numérisation, est évoqué mais ne constitue pas un savoir exigible.  our contribuer à l’objectif général de formation « Identifier et mettre P en œuvre des pratiques scientifiques », l’activité peut donner lieu à un inventaire de mots clés décrivant les pratiques spécifiques au travail d’un scientifique : imaginer (des solutions techniques), raisonner, calculer, simuler.

Les compétences travaillées Exploiter des documents scientifiques.

E xplicitation des algorithmes associés à la prise de vue et identification des étapes de la construction de l’image finale.

Estimer la taille d’un fichier audio.

 roblèmes liés à la diffusion de photos qui ne disparaîtront jamais P (notion de droit à l’oubli), au trucage difficile à détecter des images, au pistage des individus ou à l’obsolescence des supports et question de l’archivage de photographies historiques, scientifiques ou culturelles.

Les grandes idées à construire L’activité 1 permet de construire les savoirs du programme suivants :  our numériser un son, on procède à la discrétisation du signal P analogique sonore (échantillonnage et quantification).  lus la fréquence d’échantillonnage est élevée et la quantification est P fine, plus la numérisation est fidèle, mais plus la taille du fichier audio est grande.

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L a reproduction fidèle du signal analogique nécessite une fréquence d’échantillonnage au moins double de celle du son.

C onnaissances et capacités en matière de numérisation des images à travers la thématique de la photographie numérique.

 ixellisation des images et des paramètres associés : résolution en P mégapixels et profondeur de couleur codée en général sur huit bits par pixel et par couleur pour l’image finale.

202

Signal échantillonné avec fE = 1 000 Hz

u

t (en ms) 0

Signal analogique de fréquence 200 Hz

1

Signal échantillonné avec fE = 500 Hz

u

Justifier le choix des paramètres de numérisation d’un son.

Les représentations de l’élève L es élèves peuvent s’interroger sur le codage en binaire réalisé en fin de numérisation. Le doc. b détaille quelques correspondances entre numérotation décimale et binaire. Développer le sujet du changement de base décimale-binaire peut se faire si besoin, en proposant par exemple l’exercice suivant : On donne ci-dessous une série de pièces de monnaie à compter.

1. a. Les regrouper par dix et justifier l’écriture du nombre décimal de pièces correspondant. b. Par quel nombre doit-on regrouper les pièces pour compter en binaire ?

c. Effectuer, ci-dessous, ce regroupement et justifier l’écriture du nombre binaire de pièces correspondant.

2. Le premier regroupement donne 3 pièces restantes (unités) et un groupe de 10 (dizaine) soit 13 = 1 × 10 1 + 3 × 10 0 d’où la notation en décimale : 3 précédé de 1. Le regroupement par 2 pour une numération en binaire revient à diviser 13 par une succession de 2. Tant que le quotient est différent de 0, on continue la division, ce qui donne 1 unité, 0 groupe de 2, 1 groupe de 2 × 2 et un groupe de 2 × 2 × 2 que l’on note 1101. 13 2 1 6 2 2 0 3 1 2 1 0 1 13 = 1 × 23 + 1 × 22 + 0 × 21 + 1 × 20 d’où la notation en binaire 1101. Comment écrire le nombre décimal 61 en binaire ? Et le nombre binaire 1001 en décimal ?

Ce que disent les documents 1 Le doc. a illustre et complète le texte qui le précède. Le signal analogique sinusoïdal y apparaît continu au contraire du signal discrétisé qui évolue par palier du fait de l’échantillonnage et de la quantification réalisés. Le doc. b permet de relier rapidement un codage sur quatre bits, comme celui présent sur le doc. a (pour identifier les niveaux de tension) à des nombres plus couramment utilisés par les élèves (pour identifier une quantité). ? Des idées de questions : En quoi consiste l’échantillonnage ? Pourquoi quantifier ?

2 Il s’agit ici d’observer l’influence des paramètres de numérisation telle quelle est décrite dans le module précédent. Les animations disponibles dans les ressources complètent les docs. c et d. ? Des idées de questions : Pour augmenter le nombre d’échantillons prélevés pendant une durée donnée, faut-il augmenter ou diminuer la fréquence d’échantillonnage ? Pour rendre la quantification plus fine, faut-il augmenter ou diminuer la résolution du convertisseur exprimée en bits ?

3 Au-delà d’une comparaison entre résultats expérimentaux et résultats théoriques (question 3), l’expérience permet de tester des paramètres de numérisation et de comparer la qualité audio correspondante. Dans le cas du couple 3, une durée de trois secondes peut être choisie. Ressources numériques : Le logiciel Acquisonic est un exécutable téléchargeable à l’adresse suivante : www.scientillula.net/logiciels/acquisonic/acquisonic.html.

Les

pour préparer votre séance

L es fréquences les plus basses proposées (1 000 Hz ou 2 000 Hz) peuvent être utilisées pour vérifier qu’une valeur de fréquence d’échantillonnage trop faible (comme celle de 400 Hz du couple 1) ne permet pas de réaliser correctement une numérisation. Le nombre de points, limité à 216 (65 536), permet d’obtenir une durée totale d’enregistrement d’environ 8,2 s à 8 000 Hz et 2,9 s à 22 050 Hz. Pour travailler sur des sons d’une durée supérieure, il faut les enregistrer au préalable sous forme de fichier *.wav (avec Audacity par exemple) et les importer. Il est utile de disposer pendant la séance d’un ou plusieurs ordinateurs avec haut-parleurs ou casques audio pour : – réaliser l’expérience avec Acquisonic pour différents couples de valeurs ; – observer la valeur de la taille du fichier audio correspondant au couple 3 afin de la confronter à la valeur théorique (question 3) ;

– comparer la qualité audio des résultats de l’expérience selon les choix de paramètres effectués pour la numérisation. Des fichiers numériques sont disponibles dans les ressources numériques du chapitre avec les réglages suivants : Phrase prononcée Enregistrement Durée (en s) fE (en Hz) Format (en bits)

« Bienvenue en enseignement scientifique » B C D E A Couple 3

Couple 2

3 22 050 16

4 8 000 6

Proche du couple 1

4 8 000 16

3 22 050 6

4 1 000 16

LE SAVIEZ-VOUS ? L e bit est l’unité la plus simple dans un système de représentation des nombres. L e terme « bit » résulte de la contraction de binary digit désignant ainsi une position (→ digit pour un nombre) ne pouvant prendre que deux valeurs (→ binaire). Ces valeurs sont désignées le plus souvent par les chiffres 0 et 1, mais un bit peut représenter aussi une alternative logique exprimée par faux et vrai.  e pas confondre bit avec byte, correspondance anglo-saxonne de N l’octet : 1 byte = 8 bits.  ans la théorie de l’information, le shannon (Sh) est l’unité de D mesure de l’information afin de donner la taille minimale du message en bits qui peut transmettre l’information. Par exemple, un caractère écrit par un télégraphiste transporte une quantité d’information de 5,2 Sh car 25,2 = 37 possibilités correspondant aux 37 valeurs possibles prises par ce caractère : 26 caractères de l’alphabet + dix chiffres + « STOP » pour désigner les signes de ponctuation. Il faut donc 5,2 bits à minima, 6 par exemple, pour coder le message transportant l’information. La quantité d’information effectivement transmise ne peut donc dépasser la taille du message en bits. La compression de données vise à rapprocher le nombre de bits du nombre de shannons.

Indicateurs de réussite Pour la compétence « Exploiter des documents scientifiques » : L ’échantillonnage et la quantification sont les deux étapes de la numérisation qui précèdent l’encodage. La discrétisation du signal analogique résulte de ces deux étapes. Pour la compétence « Justifier le choix des paramètres de numérisation d’un son » :  our que la numérisation soit fidèle, la fréquence d’échantillonnage P doit être au moins double de la fréquence du son. Le choix de 400 Hz ne respecte pas ce critère : cette valeur est inférieure au double de 3 400 Hz qui constitue la valeur approchée de la limite maximale du domaine en fréquence de la voix.  2 050 Hz > 8 000 Hz et 16 bits > 8 bits > 6 bits. Or, plus la fréquence 2 d’échantillonnage est élevée et la quantification est fine (nombre de bits plus élevé), plus la numérisation est fidèle, ce qui justifie que le couple 3 permet d’obtenir la numérisation la plus fidèle. La taille du fichier audio sera en revanche moins grande avec les paramètres du couple 2. Pour la compétence « Estimer la taille d’un fichier audio » : L a fréquence d’échantillonnage de 22 050 Hz correspond à 22 050 échantillons par seconde. La taille du fichier correspondant à la voix enregistrée durant 3 s, échantillonnée à 22 050 Hz et codée sur 16 bits, occupe une place de 3 × 22 050 × 16 bits. Un octet comportant 8 bits, la taille du fichier en octet sera donc 3 × 22 050 × 16 = 132 300 octets = 132 ko environ, proche de 8 des 129 ko du fichier enregistré avec Aquisonic sous le format .wav ou .azk. L’écart s’explique en partie par la précision de la durée (2,972 s au lieu de 3 s) et l’introduction de métadonnées. THÈME 4 ● CHAPITRE 13 ● Le son, une information à coder

203

CHAPITRE 13

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

2

TÂCHE XE COMPLE

2

Compression d’un fichier audio

Comparer des formats de fichiers audio

d. Tableau de comparaison de différents formats de fichiers audio

Développée au début des années 1990, le MP3 est une technique de compression de fichier audio qui a suscité l’engouement des internautes et a eu un impact considérable sur l’industrie musicale.

Format

Compression

WAV ou AIFF

non

FLAC

oui

WMA

Taux de compression indicatif Référence (1/1) (sans perte d’information)

1

Comprendre la compression de données au format MP3

a. Interpréter le son pour différents formats Le MP3 a incontestablement rendu la musique plus portable et « partagée ». Les fichiers au format .mp3 ne prennent pas autant de mémoire que ceux d’un CD pour une qualité audio qui s’en approche : 700 Mo d’un CD audio peuvent être réduits en .mp3 à 63 Mo. Mais comment réduit-on ainsi la taille du fichier ? La compression MP3 s’effectue « avec perte d’informations », ce qui signifie qu’à partir d’un fichier compressé, il n’est plus possible de retrouver le fichier d’origine. Des informations sonores sont simplement enlevées et perdues à jamais. L’algorithme mathématique qui convertit les fichiers .wav (format du CD) en .mp3 repose sur certaines méthodes qui prennent en compte des principes de l’audition humaine appelés « psychoacoustiques ». • L’oreille humaine (ou plutôt le couple oreille-cerveau auditif ) entend certains sons mieux que d’autres de sorte que toutes les fréquences supérieures à 15,5 kHz sont définitivement supprimées des fichiers .mp3 et celles comprises entre 1 et 4 kHz, auxquelles l’oreille humaine est le plus sensible, sont légèrement accentuées. • L’oreille humaine sait mieux de quelle direction provient un son aigu (comme celui d’une sirène d’ambulance), qu’un son grave. Donc, pour tirer parti de ce fait et économiser de la mémoire, l’algorithme MP3 réduit les informations stéréo des sons de basse fréquence en informations mono. • L’oreille humaine a du mal à entendre un son dit « masqué », c’est-à-dire couvert par des sons plus intenses. L’algorithme MP3 réduit les informations correspondantes. • L’oreille humaine peut ne pas percevoir des sons séparés d’un court laps de temps et les confond alors en un seul. Le MP3 supprime donc les informations relatives à un son « voisin » d’un autre à tel point que les sons de réverbération ou de cymbale seront reproduits différemment pour un MP3 et pour un CD. Nous pouvons ainsi réaliser une compression de données numériques par suppression psychoacoustique ici et là sans dégrader beaucoup la fidélité. Mais pensez-vous vraiment que supprimer autant d’informations sonores ne crée pas d’effet sur la musique et par conséquent l’expérience d’écoute ? Le vrai nœud de cette discussion est qu’il est vraiment dommage que les gens ne mangent que des hamburgers sans jamais savoir que le steak existe ! Si vous aimez la musique, découvrez comment vous l’écoutez et vous l’aimerez d’autant plus ! D’après « Vinyl Vs CD/Mp3: Insights Into Music Formats & The Metaphysics Of Our Music », blog.ourvinyl.tv.

LE SAVIEZ-VOUS ? • Les derniers brevets encadrant l’utilisation du MP3 étant arrivés à échéance en mai 2017, ce format peut être librement exploité. • En fin de compression, le MP3 utilise un algorithme, dit de Huffman, pour coder le signal. Celui-ci permet d’économiser 20 % de place.

1/2

Sans perte d’information (format dit « lossless »)

Libre de droit. Distribution de musique de qualité CD. Concurrent du streaming.

oui

1/15

Avec perte d’information (format dit « lossy »)

Baladeur, platine de salon, lecteur de CD portable, téléphone… disposant d’une licence Microsoft. Qualité proche de celle d’un CD avec ce taux de compression.

AAC

oui

1/15

Avec perte d’information (format dit « lossy »)

Choisi par Apple et publié cinq ans après le MP3 avec pour but d’offrir une meilleure qualité que le MP3 à fréquence d’échantillonnage et quantification identiques.

OPUS, anciennement OGG

oui

1/18

Avec perte d’information (format dit « lossy »)

Libre de droit. Qualité proche de celle d’un CD avec ce taux de compression.

3

Compresser un fichier audio

EXPÉR b. Lecteur de CD

Utilisation Distribution de musique de qualité CD. Chaîne Hifi, baladeur, téléphone, PC.

MISSION Vous préparez un article de journal pour le lycée. Expliquez en quoi consiste la compression d’un fichier audio au format MP3 et en quoi il est pertinent ou non d’utiliser ce format aujourd’hui.

Catégorie de compression Référence

IENCE

OBJECTIF Numériser un son et compresser les données recueillies avec une sélection de paramètres.

Compact Disc en anglais.

PROTOCOLE

1. Ouvrir le logiciel Audacity

e. Capture d’écran d’un signal

pour enregistrer un son d’une durée de 3 s et le numériser selon trois cas : Format du fichier

Fréquence d’échantillonnage/ Résolution lors de la numérisation

Fichier de qualité CD audio

WAV

44,1 kHz/16 bits

Fichier audio compressé à 128 kb/s

MP3

44,1 kHz/16 bits

Fichier de qualité radio non compressé

WAV

22,5 kHz/16 bits

Type du fichier

c. Lecteur compatible MP3

en sélectionnant la valeur de la fréquence d’échantillonnage dans l’encadré intitulé Projet à … situé en bas à gauche de la fenêtre.

Taux de compression : taille du fichier après compression taille du fichier avant compression

Exemple : τ =

4 Mo 28 Mo

COUPS DE POUCE

2. Enregistrer le son souhaité et rééchantillonner si besoin le signal

DONNÉES τ=

échantillonné à 44,1 kHz

3. Cliquer sur le signal, puis dans le menu « Pistes », choisir « Pistes stéréo vers mono » pour choisir un seul canal de diffusion du son (son mono par opposition à stéréo qui utilise deux canaux).

4. Dans le menu

Fichiers choisir Exporter l’audio pour enregistrer le son en prenant soin de sélectionner le type de fichier souhaité.

= 0,14

La taille d’un fichier compressé correspond à 14 % de celle du fichier original, soit 1/7 donc 1 Mo de données 28 Mo = 7 Mo compressées pour 4 de données non compressées.

284

CHAPITRE 13   Le son, une information à coder 285

284

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1. a. Précisez en quoi consiste la compression d’un fichier son et l’objectif recherché. b. Indiquez le type d’informations que l’algorithme MP3 supprime. 2. Après avoir calculé une valeur possible de taux de compression en MP3, comparez les caractéristiques et les qualités de fichiers audio compressés dans différents formats. 3. Mettez en relation les informations issues des réponses précédentes pour justifier la pertinence ou non du choix de la compression MP3 dans le cadre de la compression et de la transmission de données audio.

24/06/2019 12:06

s problèmescientifiques Pourquoi compresser des fichiers audio ?  uels points communs et quelles différences existe-t-il entre Q différents formats de compression (comme le MP3 et le FLAC) ? E n quoi les connaissances scientifiques concernant l’audition humaine ont-elles pu avoir une influence sur la conception d’algorithmes de compression des sons ?

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24/06/2019 12:06

L es techniques de compression spécifiques au son, dites « avec perte d’information », éliminent les informations sonores auxquelles l’oreille est peu sensible. Identifier et comprendre les effets de la science sur les sociétés est un objectif général de formation sous-jacent à cette activité à travers l’étude du format MP3 dont l’impact a été considérable dans l’industrie musicale et dont l’usage, le plus répandu aujourd’hui, influence la manière d’écouter la musique voire de la concevoir.

Les compétences travaillées Exploiter des documents scientifiques.

Mobilisation des acquis Vu en seconde (SNT) : C ompression d’images à travers la thématique de la photographie numérique où différents formats des fichiers images, compressés ou non, sont présentés : RAW, BMP, TIFF, JPEG. C ompression de données vue comme une réduction de la place occupée par cet ensemble de données.  e nombreux algorithmes sophistiqués utilisés dans les appareils D de photographie numérique parmi lesquels ceux de compression de fichier – TIFF sans perte, JPEG avec perte – après développement. Pour en savoir plus sur le format JPEG : www-igm.univ-mlv.fr/~dr/ XPOSE2013/La_compression_de_donnees/jpeg.html.

Les grandes idées à construire L’activité 2 permet de construire les savoirs du programme suivants : L a compression consiste à diminuer la taille d’un fichier afin de faciliter son stockage et sa transmission.

204

Calculer un taux de compression. C omparer des caractéristiques et des qualités de fichiers audio compressés.

Les représentations de l’élève C omme les élèves l’auront peut-être vu en SNT, toutes les données ne se compressent pas de la même manière. Par exemple, un algorithme de compression de texte utilise les répétitions du nombre de caractères, alors qu’un algorithme de compression de fichiers images peut jouer sur la différence d’un pixel à un autre. L’objectif reste de pouvoir récupérer les données initiales partiellement voire totalement. Dans le domaine de la photographie numérique, le principe de la compression avec pertes est de supprimer des éléments correspondant à des informations auxquelles le système visuel humain est peu sensible. Les zones de contraste n’étant pas bien perçues, par exemple, des détails dans ces zones peuvent être retirés sans trop impacter la qualité d’une image numérique. Ces représentations sont compatibles avec la compression des données audio puisque le principe est le même, le sens de l’ouïe remplaçant simplement celui de la vue.

Il existe plusieurs relations pour calculer un taux de compression. Au-delà de ce fait, on insistera sur ce que traduit le résultat de calcul obtenu par telle ou telle relation (« faire parler un résultat »). Les activités et exercices permettront de manipuler deux relations caractérisant un taux de compression.

Ce que disent les documents 1 Le doc. a décrit le format de compression MP3. Il permet de comprendre que l’algorithme de compression de données audio supprime les informations auxquelles l’oreille humaine est peu sensible et soulève la question de la qualité d’écoute. Les docs. b et c illustrent deux types de lecteurs permettant d’écouter des sons numérisés. ? Des idées de questions : En quoi consiste la compression de données ? Quelles sont, d’une manière générale, les informations supprimées par l’algorithme ? Compresser un fichier sans que l’oreille puisse entendre la différence fait intervenir un facteur supplémentaire, par rapport à une compression de texte par exemple. Comment qualifier ce facteur ? Comment le document l’illustre-t-il ?

2 Le tableau du doc. d favorise la comparaison de formats de compression de données audio que l’élève doit être capable de réaliser notamment en termes de perte d’informations ou non et de taux de compression. L’élève est ainsi amené à exploiter le doc. a pour en extraire les informations utiles afin de confronter le MP3 aux formats présentés ici. Le calcul du taux de compression se fait alors avec sens. ? Des idées de questions : Dans quelle catégorie peut-on classer la compression au format MP3 ? Est-ce un avantage ou un inconvénient ? Comment est calculé le taux de compression renseigné dans ce tableau ? Quel sens donner à la fraction 1/15 attribuée au format AAC ?

3 L’expérience propose de mettre en œuvre une compression de données audio en passant du format WAV au format MP3 pour en comparer les tailles des fichiers. Des idées de questions : Quelle est la valeur du taux de compression au format MP3 que l’on peut tirer de l’expérience ? La comparer à celle du taux de compression du fichier prévu pour une exploitation en radio. Utiliser les valeurs des fréquences d’échantillonnage et de résolution de la carte d’acquisition pour vérifier l’une des valeurs de taille de fichier WAV en qualité stéréo. Retrouver la taille du fichier MP3 en utilisant l’information 128 kb/s (128 000 bits transmis par seconde). ?

Ressources numériques : Pour télécharger le logiciel libre de droit Audacity : www.audacityteam.org/.

Les

pour préparer votre séance

L ’expérience avec Audacity, logiciel libre de droits, peut être réalisée avant, pendant ou après l’activité. Le calcul de la taille d’un fichier, mis en œuvre dans l’activité précédente, peut être réinvesti.  es fichiers numériques correspondant aux paramètres inscrits dans D le manuel sont disponibles dans les ressources. Remarque : le débit de 128 kb/s s’obtient lors de l’exportation du fichier au format MP3 en sélectionnant un mode de débit constant.  ide pour interpréter un taux de compression : A τ = 1/15 = 0,06666… Ainsi la taille du fichier compressé est égale à environ 6,7 % de celle de l’original. Le fichier occupe 1/0,0666… = 15/1 = 15 fois moins de place que l’original. Le fichier original a donc subi une réduction de taille de 1 – 0,0666 = 93,3 % lors de cette compression de données audio.

LE SAVIEZ-VOUS ? É liminer les signaux correspondant à des sons masqués est un problème technique dont la solution existait, comme souvent en mathématiques, avant le problème. Il s’agit simplement de réaliser le spectre du signal par une transformée de Fourier pour le décomposer en ses différents harmoniques, d’utiliser des seuils de masquage pour éliminer les informations inutiles puis de reconstituer le signal à partir des données restantes. L ’informaticien américain David Huffman (1925-1999) a découvert le codage qui porte son nom en 1952 alors qu’il étudiait au MIT (Massachusetts Institute of Technology). Son algorithme est utilisé pour la compression de données sans perte d’information. Dans le cas de la transmission de texte au format ZIP ou RAR pour lequel il est appliqué, l’idée est de lire le texte pour déterminer la fréquence d’apparition de chaque signe (caractère, espace, ponctuation, etc.) et d’attribuer aux caractères les plus fréquents un code binaire le plus court possible. Pour en savoir plus sur le codage de Huffman : www.youtube.com/watch?v=UAY-wpHZCs4. L e compositeur français d’origine grecque Iannis Xenakis (19222001) fut le premier à avoir exploité le lien entre mathématiques et musique dans l’art de composer avec un ordinateur. Sa première œuvre instrumentale programmée, « Music From Mathematics », a été réalisée au début des années 1960 à l’aide du modèle 7090 d’IBM. Premier ordinateur à transistors, il disposait de 32 ko de mémoire de stockage, de perforeuses de cartes comme périphérique de sortie à la place d’un écran et de sa propre salle informatique climatisée ainsi que d’une équipe de techniciens pour le faire fonctionner. Pour écouter un extrait de l’album : youtu.be/dylsOt7NwnM.

Indicateurs de réussite Pour la compétence « calculer un taux de compression » : Informations utiles aux calculs du taux de compression extraites. Exemple : le format MP3 permet de passer de 700 Mo à 63 Mo. Fraction posée. Exemple : 63/700. Fraction simplifiée ou convertie. Exemple : 9/100 ou 0,09 soit 9 %. Pour la compétence « comparer des caractéristiques et des qualités de fichiers audio compressés » : T aux de compression associé au format MP3 confronté à ceux des autres. Exemple : taux calculé supérieur à ceux des autres. La compression est donc moindre. C atégorie de compression et utilisation du MP3 comparées à celles des autres formats. Exemple : compression avec pertes contrairement au FLAC, liberté de droits alors que non mentionnée pour d’autres, etc.  n regard critique est porté sur les données. Exemple : qualité U d’écoute à taux de compression identique non précisée. Pour la compétence « Rédiger une argumentation scientifique » : T aux de compression et but recherché définis. Exemple : la compression consiste à diminuer la taille d’un fichier afin de faciliter son stockage ou sa transmission.  aleur de taux de compression interprétée. Exemples pour τ = 0,09 V dans le cas du MP3 : « le fichier compressé a une taille de 9 % de celle de l’original » ou « le fichier occupe 1/0,09 = 11 fois moins de place que l’original » ou « réduction de 91 % de la taille du fichier ».  vantages/inconvénients du MP3 dégagés. Exemple : libre de droit, A taux de compression qui facilite la transmission de données, prise en charge par l’ensemble des applications audio/perte d’informations. C onclusion déduite de la comparaison avec les autres formats. Exemple : un bon compromis. Une augmentation des débits de transmission et la présence d’autres formats qui offrent une meilleure qualité d’écoute qui n’impose plus le MP3 comme le plus pertinent. Vocabulaire adéquat utilisé.

THÈME 4 ● CHAPITRE 13 ● Le son, une information à coder

205

CHAPITRE 13 Livre de l’élève IRE HISTO X ENJEU TS DÉBA

Les enjeux culturels et économiques de la numérisation et de la compression des sons

d. Partage gratuit de fichiers audio

Au départ sous forme écrite, puis gravée sur des supports matériels tels que des disques ou des bandes magnétiques, et désormais largement dématérialisée, la musique voyage, se transmet, se partage et se consomme. Les évolutions technologiques successives continuent à bouleverser les usages au xxie siècle.

Invention du disquemicrosillon ou vinyle

1963

Apparition de la cassette audio

1982

Commercialisation du Compact Disc (CD)

1995

Début de la dématérialisation

1998

Explosion du peer-to-peer

2001

Les baladeurs passent au numérique

2009

Création de la Haute autorité pour la diffusion des œuvres et la protection des droits sur Internet (HADOPI)

De nos jours

a. La musique et l’évolution des supports En 1946, la firme américaine Columbia commercialise le 33 tours gravé sur vinyle, afin de remplacer le 78 tours, ce qui permet de multiplier par 6 le temps d’enregistrement par face. Ce format a largement régné sur l’industrie musicale jusqu’à la fin des années 1980. Dès 1963, Philips commercialise une bande magnétique enroulée dans une cassette en plastique. Très populaire jusqu’au milieu des années 1990, elle a permis aux utilisateurs d’enregistrer et de transporter de la musique. Développé puis commercialisé en 1982 par Sony et Philips, le CD a largement amélioré la qualité d’écoute de la musique. Il s’agit du premier support numérique. Les CD permettent de stocker environ 650 Mo de données, soit environ 74 minutes de musique. À partir de 1988, le CD audio se vend mieux que le vinyle.

Vidéo

RESSOURCES William Audureau, « De Napster à Zone Téléchargement, petite histoire du piratage sur Internet », LeMonde.fr, rubrique « Pixels », 30 novembre 2016. Emmanuel Marolle, « Musique : c’est le début de la fin pour le CD », LeParisien.fr, 13 janvier 2017. « Pourquoi les experts conseillent-ils de commencer à investir dans le vinyle à l’ère du numérique ? », LeFigaro.fr, 3 octobre 2017. « La résurrection du disque vinyle », LeMonde.fr, 3 août 2018.

Un musicien compositeur peut partager et faire connaître facilement son œuvre grâce à son site web par exemple, ou à son activité sur les réseaux sociaux. Mais les artistes peuvent aussi s’émanciper des labels et des maisons de disque en distribuant librement et directement leur musique sur des plateformes de téléchargement ou de streaming. Il est aussi possible de commercialiser ses morceaux en reversant à la plateforme un pourcentage, et de bénéficier d’une potentielle diffusion internationale. Il ne reste plus qu’à trouver les oreilles qui vont écouter les morceaux.

g. Développement des plateformes de streaming légales Les deux tiers de la musique mondiale sont produits par seulement trois majors (Universal, Sony et Warner). Et la distribution est tout aussi concentrée. En 2016, Apple et Spotify combinaient 85 % des abonnements de streaming aux États-Unis. Quand il s’agit de musique, la puissance des gros acteurs joue à plein. Ils établissent les prix et les formats, les artistes n’ont pas vraiment leur mot à dire. À l’ère du téléchargement, ils percevaient au mieux 30 à 40 % des revenus des grosses plateformes commerciales. Avec le streaming, c’est pire. Comme le soulignent élégamment les data-journalists de Information is beautiful, en étant rémunéré entre 0,0038 $ (Spotify) et 0,0056 $ (Deezer) par stream, un artiste doit diffuser 260 à 380 000 fois sa musique avant de dégager l’équivalent d’un SMIC.

LE SAVEZ-VOUS ?

b. Fonctionnement d’une platine CD c. Dématérialisation et lecteur MP3 Le commerce en ligne de la musique est rendu possible par les méthodes de compression numérique. Elles permettent d’obtenir des fichiers audio de qualité acceptable et de taille 10 fois moins importante qu’un fichier audio de CD. Dès lors, la musique n’a plus besoin de support physique pour se partager. On parle de dématérialisation. L’iPod est créé en 2001 et sera un produit phare de la firme Apple. Les lecteurs MP3 se démocratisent rapidement en parallèle des évolutions du stockage numérique.

h.

Fin de crise dans l’industrie du disque

Les abonnements aux plateformes de streaming sont en train de rattraper le CD au point que l’on prédit la fin de ce dernier pour 2025. De son côté, le vinyle fait un retour fracassant ! Il ne séduit pas que les nostalgiques, mais aussi les jeunes générations qui auraient pu ne jamais connaître cet objet.

D’après l’émission « Boomerang » d’Augustin Trapenard du jeudi 7 mars 2019 sur France Inter.

En équipes Équipe 1 Déterminez les impacts de la dématérialisation de la musique sur l’industrie musicale et sur les artistes.

!

Équipe 2 Déterminez d’après les documents ce qui est légal et ce qui est illégal dans le domaine de la musique numérique. Vous pourrez compléter votre réponse par une recherche Internet sur la loi Hadopi.

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C omment la miniaturisation a-t-elle entraîné la numérisation et la compression de la musique ? C omment les progrès technologiques ont-ils, pendant un temps, dépassé l’industrie du disque et provoqué sa crise économique ? C omment l’industrie du disque a-t-elle su rebondir face à la crise et s’adapter aux nouvelles pratiques des mélomanes ?

Mobilisation des acquis  ctivités 1 et 2 : notions de numérisation (informations codées en 0 A et 1) d’informations numériques. Connaissances personnelles : connaissance des nombreux supports qui ont permis de stocker de la musique au cours du siècle écoulé et notions de leur fonctionnement.

Les grandes idées à construire L ’industrie du disque est relativement récente (environ un siècle) et elle a appuyé de nombreuses avancées technologiques dont la numérisation de l’information. E lle n’aura pas su immédiatement anticiper la démocratisation des accès à Internet à haut-débit notamment, et a subi une crise liée au partage illégal de fichiers, dont les œuvres musicales.

206

En commun Formez des équipes de cinq personnes, avec chacun un rôle : utilisateur, artiste, diffuseur, publicitaire et médiateur. Débattez sur le sujet de l’accès, gratuit ou non, aux œuvres des artistes.

CHAPITRE 13   Le son, une information à coder 287

s problèmescientifiques

 arallèlement à l’arrivée des sanctions contre les infractions aux P droits d’auteurs, l’industrie musicale a su se ressaisir et créer un modèle économique viable, adapté aux nouvelles technologies. Modèle dont les artistes doivent également saisir les codes.

LE SAVEZ-VOUS ? De nombreux format de compression existent : AAC, OPUS, AC3, WMA. Parmi tous ces formats, le format MP3 s’impose dans les usages.

La RIAA (Recording Industry Association of America) a révélé son bilan 2018 : la crise est bien finie puisque le secteur de la musique a généré près de 9,8 milliards de dollars, soit une augmentation de plus de 12 % par rapport à l’année précédente. Leur étude révèle que désormais 75 % des revenus de l’industrie proviennent du streaming tandis que le CD continue sa disparition progressive, enregistrant une baisse de ses ventes de 34 %.

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D’après Marc Zaffagni, « Megaupload, le site de téléchargement, fermé par le FBI », Futura sciences, le 20 janvier 2012.

D’après Cyril Fiévet, « Comment les blockchains peuvent sauver la culture », Usbek & Rica, le 16 décembre 2017.

L’information numérique s’écrit en nombres binaires ou bits : des 0 et des 1. Huit nombres binaires forment un octet. Une heure de musique non compressée stéréo en 16 bits d’échantillonnage à 44,1 kHz occupe 635 Mo.

Le streaming et le retour du vinyle

Coup de tonnerre sur la planète Internet avec l’annonce hier soir de la fermeture du site megaupload.com. Le ministère américain de la Justice, aidé du FBI, a fait procéder à l’arrestation de quatre personnes en Nouvelle-Zélande. Megaupload est ce que l’on appelle en anglais un cyberlocker, un service payant qui offre un espace de stockage en ligne sécurisé sur lequel les utilisateurs peuvent placer tout type de contenus et qu’ils peuvent ensuite partager à leur guise. Ce système s’est rapidement imposé comme une alternative aux échanges peer-to-peer, désormais surveillés par les autorités de lutte contre le téléchargement illégal, comme la loi Hadopi en France. Très populaire, Megaupload était le 13e site le plus visité au monde avec quelque 100 millions de visiteurs uniques chaque mois.

f. Conquérir le monde avec sa musique

Quelles adaptations la révolution numérique a-t-elle imposées à l’industrie musicale ainsi qu’aux artistes concernés ?

1946

Fermeture du site de téléchargement illégal

e. Megaupload

Favorisé par l’avènement des connexions à Internet à haut-débit, le partage gratuit de fichiers audio entre internautes (peer-to-peer), via des services en ligne tels que Napster ou Kazza, explose. Ce contournement du droit d’auteur est à l’origine de nombreux procès, et provoque une sérieuse crise dans l’industrie du disque.

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Les compétences travaillées Exploiter des documents. Rédiger une argumentation scientifique. Organiser l’information sous une forme adaptée.

Ce que disent les documents a La musique et l’évolution de ses supports. Les évolutions des supports physiques contenant de la musique ont mené à la numérisation de celle-ci (voir aussi les activités 1 et 2). Ce document revient brièvement sur l’évolution technologique des supports musicaux afin de souligner le virage opéré lors de l’apparition du Compact Disc : la musique est alors numérisée, c’est-à-dire codée avec des 0 et des 1.

b Écrire et lire de la musique sur un CD. La vidéo est une explication de la manière dont sont gravées et lues les informations numériques contenues sur un CD audio. Le lien entre le relief de la surface d’un CD et la lecture de l’information numérique est établi. ? Idée de question : Comment ces informations sont-elles gravées sur la surface en polycarbonate d’un CD ?

c La dématérialisation de la musique. Un bref texte pour comprendre ce qu’est la dématérialisation. Un morceau de musique étant devenu un simple fichier informatique, nul besoin de lui dédier un support physique particulier comme l’étaient les disques vinyles, les bandes magnétiques ou les CD. Les progrès technologiques ont rapidement permis de stocker énormément de morceaux dans de petits objets tels que des lecteurs MP3.

d Partage des fichiers sur la toile, ultime étape de la dématérialisation. Le texte met en parallèle la généralisation des connexions à Internet à haut-débit et l’apparition du « peer-topeer » et de la diffusion illégale des œuvres musicales notamment. e Fin d’un géant du téléchargement illégal. L’extrait d’article revient sur le démantèlement d’un monstre numérique, Megaupload, qui a su à l’époque exploiter la technologie pour déjouer les surveillances du « peer-to-peer », afin de prolonger le partage illégal des œuvres. f Diffuser son œuvre au xxie siècle. Le texte fait une brève revue des moyens dont disposent les artistes pour diffuser leurs œuvres musicales en ligne.

g L’article donne une description du développement des plateformes de streaming légales, et de la manière dont les artistes sont rémunérés. h Fin de la crise de l’industrie musicale, ou industrie « du disque ». L’extrait d’émission fait un état des lieux à la fin de l’année 2018. Après une crise sévère, l’industrie musicale est parvenue à adapter son modèle économique aux évolutions technologiques et se porte bien. La légende souligne également le retour du vinyle.

Les

pour préparer votre séance

 vant de commencer l’activité, on peut proposer un QCM de A vérification des connaissances. En voici un exemple. Parmi les propositions suivantes, choisir la réponse exacte : 1. Parmi ces différents supports, lequel n’est pas basé sur une technologie numérique : a. le disque vinyle ; b. le CD ; c. le lecteur MP3.

CORRECTION DE L’ACTIVITÉ Équipe 1 F aire le lien entre les différentes avancées de la miniaturisation, puis de la compression des fichiers permettant leur partage. L’augmentation du débit des connexions à Internet a encore facilité cette pratique. Commencer à se questionner sur la légalité du partage. Équipe 2  e questionner sur la propriété intellectuelle et les droits d’auteur. Par S exemple : de quoi vit un musicien au xxie siècle ? La diffusion illégale de son œuvre nuit-elle à son activité ou participe-t-elle à sa promotion ? Faire une recherche Internet afin de déterminer comment la loi française a répondu au partage illégal du travail de ces artistes. En commun L a confrontation des points de vue doit amener à discuter de la valeur d’une œuvre artistique, ici musicale. Elle doit permettre aux élèves de se rendre compte que les avancées technologiques remettent en cause régulièrement les modèles économiques préétablis. Ce qui peut paraître avantageux pour les usagers peut être nuisible pour les créateurs.

Indicateurs de réussite  quipe 1 : les élèves ont établi le lien entre les progrès technologiques É et l’industrie musicale et ont fait une synthèse de ces évolutions parallèles.  quipe 2  : les élèves ont relevé les problèmes déclenchés par les É différentes avancées technologiques, surtout la généralisation des connexions Internet à haut-débit.  n commun : les recherches ont donné lieu à une discussion sur la E valeur d’une œuvre et des conditions de son partage sans nuire à son auteur.

2. Afin de numériser fidèlement une œuvre musicale, la fréquence d’échantillonnage doit être : a. inférieure à 20 Hz ; b. environ 8 kHz ; c. supérieure à 40kHz. 3. La période correspondant à une fréquence d’échantillonnage de 44,1 kHz est : a. 22,7 µs ; b. 10 ms ; c. 44,1 s. 4. La taille d’un fichier numérique de 40 Mo, compressé avec un taux de 0,045 est : a. 0,8 Mo ; b. 1,8 Mo ; c. 18 Mo.

LE SAVIEZ-VOUS ? L ’industrie musicale a joué un rôle moteur dans le développement des technologies numériques. Elle a été à l’origine de la numérisation des données via le développement du Compact Disc, créé conjointement par Sony et Philips. L a féroce compétition technologique dans divers domaines du numérique a permis de nombreux développements techniques, ayant échappé à l’industrie musicale pendant quelques temps. Cela a généré une grave crise du secteur. E n mars 1989, Timothy John Berners-Lee, informaticien au CERN, rédige un mémo intitulé « Gestion de l’information : une proposition » dans lequel il décrit un système basé sur des liens hypertextes et des ordinateurs connectés entre eux afin d’aider les chercheurs à mieux partager les informations. Ce mémo est aujourd’hui considéré comme l’origine du World Wide Web.

THÈME 4 ● CHAPITRE 13 ● Le son, une information à coder

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CHAPITRE 13 Livre de l’élève SYNTHÈSE Le son, une information à coder

SYNTHÈSE

MÉMO

SCHÉMA

Podcast Texte DYS

Bilan animé

NUMÉRISATION D’UN SON Un son engendre des variations de pression de l’air qu’un microphone peut transformer en signal électrique continu, autrement dit pouvant prendre une infinité de valeurs. Un appareil numérique comme un smartphone ou un ordinateur ne traite que des données binaires (constituées de 0 et de 1). Il est nécessaire de numériser un son si l’on souhaite l’exploiter avec ce type d’appareils. Pour numériser un son, on procède à la discrétisation du signal analogique sonore (échantillonnage et quantification). Plus la fréquence d’échantillonnage est élevée et la quantification est fine, plus la numérisation est fidèle, mais plus la taille du fichier audio est grande. La reproduction fidèle du signal analogique nécessite une fréquence d’échantillonnage au moins double de celle du son. Remarques. La dernière étape de la numérisation d’un son consiste à attribuer un code numérique binaire à chaque valeur du signal discrétisé. Cette étape s’appelle l’encodage. Pour estimer la taille d’un fichier audio en octet, il faut déterminer le nombre d’échantillons réalisés pendant la durée de l’enregistrement, prendre en compte la taille de chaque échantillon, égale au nombre de bits de la carte, ainsi que le nombre de canaux sur lequel le son doit être diffusé (exemple : 2 en stéréo) et penser à convertir (1 octet = 8 bits ; 1 ko = 103 octets ; 1 Mo = 106 octets ; 1 Go = 109 octets). ➞ activité 1

COMPRESSION DE FICHIERS AUDIO Les données numériques doivent pouvoir être échangées rapidement entre des utilisateurs et être stockées sur des supports dont l’espace disponible est limité. La compression consiste à diminuer la taille d’un fichier afin de faciliter son stockage et sa transmission. Les techniques de compression spécifiques au son, dites « avec perte d’information », éliminent les informations sonores auxquelles l’oreille est peu sensible. La taille d’un fichier correspond à l’espace, exprimé en octet, pris par ce fichier sur un support de stockage. Chaque technique de compression est caractérisée par un taux de compression, qui peut être défini par le rapport : taille du fichier après la compression τ= taille du fichier avant la compression Exemple. Si τ = 0,067 soit 6,7 %, le fichier compressé a une taille de 6,7 % de celle 1 1 de l’original. Il occupe ainsi = = 15 fois de moins de place que l’original. τ 0,067

A-Z

MOTS CLÉS

Numériser : convertir des informations en un nombre fini de signes, 0 et 1 en binaire par exemple. Discrétisation : conversion en signal discontinu, dit numérique, c’est-à-dire variant par « paliers », le nombre de valeurs possibles pour le signal étant fini. Échantillonnage : prélèvement de valeurs, appelées échantillons, à intervalles de temps réguliers. Quantification : procédé qui consiste à arrondir un échantillon pour lui attribuer une valeur, prise dans un ensemble fini, pendant une durée égale à la période d’échantillonnage. Fréquence d’échantillonnage : mesurée en hertz (Hz), elle correspond au nombre de prélèvements par seconde et est égale à l’inverse de la période d’échantillonnage (durée entre deux prélèvements consécutifs) exprimée en seconde (s). Signal analogique : signal qui transmet des informations sous la forme de variations continues d’une grandeur physique comme par exemple la tension électrique aux bornes d’un microphone. Stockage : moyen de recueillir et préserver des données numériques en vue d’une utilisation ultérieure. Transmission : transport d’un endroit à un autre par un moyen physique. Information sonore : message véhiculé par des vibrations pouvant produire une sensation auditive.

Une autre définition du taux de compression peut être : 1 – τ = 1 – 0,067 = 0,933 : le fichier a été « compressé à 93,3 % ». ➞ activité 2

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SYNTHÈSE

des deux étapes. Le signal obtenu au final ne prend que des valeurs déterminées, en nombre fini, variant ainsi par palier.

L e chapitre complète les connaissances acquises dans le cadre de l’enseignement SNT de seconde où la numérisation et la compression des images ont été étudiées. Dans un tel chapitre, identifier et comprendre les effets de la science sur les sociétés et l’environnement trouve naturellement sa place en tant qu’objectif général de formation à travers l’observation de l’impact des théories informatiques et mathématiques sur lesquelles se fondent les techniques de numérisation et de compression de données. Omniprésentes, aussi bien dans la vie quotidienne (DVD, téléphones, tablettes, ordinateurs), que dans le domaine de l’imagerie en médecine et en astronomie, ces techniques rendent encore possibles la transmission de chansons en streaming, l’obtention d’images de la surface de Pluton ou la recherche de nouvelles particules dans le plus grand accélérateur du monde (LHC).

 n cadre englobant les deux étapes précédentes, titré U « échantillonnage + quantification = discrétisation », souligne la nécessité de réaliser ces deux étapes pour discrétiser.

L a lecture du schéma bilan s’effectue de haut en bas, en suivant ainsi l’ordre des étapes de la chaîne de conversion d’une information sonore en fichier compressé. L e premier graphique met évidence la continuité du signal et se distingue alors des autres signaux. Porter attention à cette différence entre les signaux permet de préciser et justifier le caractère analogique du premier signal et la discrétisation réalisée aux termes

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C haque graphique met en évidence l’objectif de l’étape qui lui est associée : – prélèvement du signal analogique à intervalles de temps égaux pour l’échantillonnage, illustré par des traits bleus verticaux pleins régulièrement espacés ; – attribution d’une valeur dans un ensemble fini pour la quantification schématisée par des segments en traits pleins alignés avec les graduations de l’axe des ordonnées, codées sur l’axe de droite selon le nombre de bits de la carte. L ’encodage effectué à l’issue de la discrétisation, étape qui complète la numérisation, est implicite, le programme d’enseignement scientifique n’en faisant pas mention. L a compression fait suite à la numérisation du signal. La présence d’une flèche simple et non double entre les fichiers non compressé et compressé, ainsi que le nombre visiblement inférieur de bits du fichier compressé, vont dans le sens d’une technique de compression avec pertes d’information. Il n’est plus possible de reconstituer le fichier non compressé d’origine à partir les données du fichier compressé.

Livre de l’élève MÉTHODE Estimer la taille d’un fichier audio

Vérifier ses connaissances EXERCICES

QUIZ Énoncé

1

Un fichier audio non compressé est enregistré par défaut sur un PC au format .wav. La taille de ce fichier dépend de la fréquence d’échantillonnage, du type de captation ou de diffusion du son (mono ou stéréo) et du nombre de bits utilisés pour la quantification (8 ou 16 bits). Estimer, en mégaoctet (Mo), la taille d’un fichier audio non compressé (.wav) correspondant à un morceau de musique d’une minute, enregistré pour être diffusé par une radio numérique en stéréo avec une numérisation sur 8 bits et une fréquence d’échantillonnage de 22 kHz.

Méthode

doc. Premier IBM PC apparu en 1981

En informatique, un PC désigne un ordinateur personnel compatible avec ceux de la marque déposée par la société multinationale américaine IBM.

2

3

4

Chaque échantillon est codé sur 2 × 8 bits. Le morceau de musique occupe donc une place de : 60 × 22 × 103 × 60 × 2 × 8 bits.

ÉTAPE 3  Effectuer une conversion d’unités si nécessaire : • 1 octet = 8 bits ; • 1 kilooctet (ko) = 103 octets ; • 1 mégaoctet (Mo) = 106 octets ; • 1 gigaoctet (Go) = 109 octets.

Un octet comportant 8 bits, la taille du fichier en bits est à diviser par 8 pour la convertir en octet. Pour l’obtenir en mégaoctet, il faut encore diviser par 106. La taille du fichier est donc de : 60 × 22 × 103 × 2 × 8 60 × 22 × 2 = = 2,6 Mo. 8 × 106 3 103

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE sur le thème « Le son, une information à coder ».

Pour s’entraîner

L’étiquette centrale doit s’intituler

Numériser un son

Les informaticiens utilisent souvent le kibioctet (1 kio = 210 = 1 024 octets) à la place du kilooctet (1 ko = 103 octets = 1 000 octets) car c’est la puissance de deux la plus proche de 1 000 (1 024 = 210). Ils utilisent également le mébioctet (1 Mio = 210 kio = 1 024 kio) à la place du mégaoctet (1 Mo = 103 ko = 1 000 ko).

Associer à l’étiquette centrale, par les moyens graphiques de votre choix, des étiquettes de votre initiative comprenant par exemple les notions suivantes : onnage Fréquence d’échantill Taille de fichier audio augmentée

Estimer en Mio la taille d’un fichier audio non compressé (.wav) correspondant à une conversation d’une durée de 10 minutes réalisée en téléphonie avec une numérisation sur 8 bits en mono et une fréquence d’échantillonnage de 8 kHz.

a la fréquence d’échantillonnage est faible b la quantification est fine c le nombre de bits de la carte est faible

6

Plus la période d’échantillonnage est élevée, plus : a la taille du fichier audio est faible b la quantification est fine c la numérisation est fidèle

7

La compression de données audio consiste à : a diminuer la taille d’un fichier audio b rendre la quantification plus fine c ajouter des informations sans en perdre

8

Les techniques de compression spécifiques au son, dites « avec perte d’information » : a peuvent servir à reconstruire le signal non compressé b ont un taux de compression supérieur à 1 c éliminent des informations sonores auxquelles l’oreille est peu sensible

La reproduction fidèle d’un signal analogique portant une information sonore nécessite : a d’échantillonner deux fois le signal analogique b une fréquence d’échantillonnage égale au double de celle du son au minimum c une fréquence d’échantillonnage de 44,1 kHz et une résolution de 8 bits au minimum pour la quantification

Le morceau de musique occupe donc une place de : 60 × 22 × 103 × 2 × 8 bits.

Le signal numérisé est d’autant plus fidèle au signal analogique que :

La discrétisation d’un signal analogique se fait : a en deux étapes : échantillonnage puis quantification b en deux étapes : quantification puis encodage c en trois étapes : échantillonnage, quantification puis encodage

La diffusion en stéréo nécessite 2 canaux de diffusion et la numérisation s’effectue sur 8 bits.

5

Discrétiser un signal c’est convertir : a un signal continu en un signal discontinu b un signal discontinu en un signal continu c un signal d’amplitude plus faible

La fréquence d’échantillonnage de 22 kHz indique 22 × 103 échantillons par seconde. Durant une minute (60 secondes), l’échantillonnage permet d’obtenir : 60 × 22 × 103 échantillons.

ÉTAPE 2  Prendre la taille de chaque échantillon, égale au nombre de bits de la carte, ainsi que le nombre de canaux sur lequel le son est capté ou doit être diffusé.

Numériser un son consiste à : a convertir les vibrations sonores en signal analogique b discrétiser un signal analogique puis à l’encoder c télécharger un morceau de musique sur Internet

Application

ÉTAPE 1  Déterminer le nombre d’échantillons réalisés pendant la durée de l’enregistrement.

Parmi les affirmations suivantes, choisissez la réponse exacte.

Élimination d’informati ons auxquelles l’oreille est peu sensible

290

9

Un son numérisé en mono pendant 10 s avec une résolution de 8 bits et une fréquence d’échantillonnage de 10 000 Hz est enregistré dans un fichier audio dont la taille est estimée à : a 800 Ko  b 100 Ko  c 8 Ko

1

Numérisation des sons

Le logiciel Audacity permet de numériser aisément des sons. Ceux-ci sont captés par le microphone de l’ordinateur qui délivre un signal analogique exploité puis encodé au format .wav par le logiciel.  1. Citer le processus utilisé par le logiciel avant l’encodage et nommer les deux étapes réalisées lors de ce processus.  2. Expliquer comment choisir les paramètres de numérisation afin que celle-ci soit la plus fidèle possible.  3. En se remémorant le domaine de fréquence audible par le système auditif humain, expliquer pourquoi les sons sont échantillonnés à 44,1 kHz pour les CD audio.  4. Le logiciel Audacity permet aussi de compresser un fichier .wav au format .mp3. Citer l’objectif principal de cette opération. CHAPITRE 13   Le son, une information à coder 291

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Indicateurs de réussite

CORRIGÉS DES EXERCICES

 es étiquettes complémentaires à celles fournies sont ajoutées, D notamment « Compression », « Avec pertes », « Sans perte », « Échantillonnage » et « Quantification » ou équivalent.

POUR S’ENTRAÎNER La fréquence d’échantillonnage de 8 kHz indique 8 × 103 échantillons par seconde. Durant dix minutes (10 × 60 s = 600 s), l’échantillonnage permet d’obtenir : 600 × 8 × 103 échantillons. Sur 8 bits, la conversation occupe une place de 600 × 8 × 103 × 8 bits. Un octet comporte 8 bits : 1 Mio = 1 024 kio = 1 024 × 1 024 octets = 1 024 × 1 024 × 8 bits. 10 × 60 × 8 × 103 × 8 La taille du fichier en Mio sera de = 4,5776… Mio 1 024 × 1 024 × 8 soit 4,6 Mio environ.

L es étiquettes sont reliées logiquement. Exemple « Taille de fichier augmentée » liée à « Quantification fine » ; « Compression » liée à « Élimination d’informations auxquelles l’oreille est peu sensible », elle-même liée à « Compression » et « Avec pertes ». L a carte fait comprendre que la discrétisation englobe l’échantillonnage et la quantification et qu’une fréquence d’échantillonnage élevée et une finesse de quantification augmentent la fidélité de la numérisation.

1

RÉPONSES DU QUIZ

Numérisation des sons

1.b / 2.a / 3.a / 4.b / 5.b / 6.a / 7.a / 8.c / 9.b

1. La discrétisation est utilisée par le logiciel. Ces deux étapes sont l’échantillonnage et la quantification.

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE

2. Pour que la numérisation soit la plus fidèle possible, la fréquence d’échantillonnage doit être la plus élevée possible et la quantification la plus fine possible.

Échantillonnage Discrétisation Quantification fE > 2 × f(son)

Numériser un son

Quantification fine fE élevée Compression

Avec pertes

Sans perte

Numérisation fidèle

4. L a compression consiste à diminuer la taille d’un fichier afin de faciliter son stockage et sa transmission.

Taille de fichier audio augmentée Réduire la taille d’un fichier

3. Pour que la numérisation soit fidèle, la fréquence d’échantillonnage doit être au moins double de la fréquence du son. Le choix de 44,1 kHz respecte ce critère : cette valeur est supérieure au double de 20 kHz qui constitue la valeur approchée de la limite maximale du domaine audible.

Stockage et transmission de données facilités

Élimination d’informations auxquelles l’oreille est peu sensible

THÈME 4 ● CHAPITRE 13 ● Le son, une information à coder

209

CHAPITRE 13 Livre de l’élève EXERCICES Extraire des informations 2

Analyser des informations et raisonner EXERCICES 4 Histoire du CD

Choix d’une valeur de fréquence d’échantillonnage

OBJECTIF Justifier le choix des paramètres de la numérisation d’un son.

Les paramètres de la numérisation d’un son dépendent de l’utilisation que l’on souhaite faire du signal discrétisé obtenu.

OBJECTIF Estimer la taille d’un fichier audio.

Espagnol Italien

Un échantillonnage

a. convenable

Allemand

Lire l’article en ligne

L’objectif de la numérisation est de transformer le signal analogique qui contient une quantité infinie de valeurs en un signal numérique contenant une quantité finie de valeurs. Le nombre d’échantillons prélevé devra être suffisamment grand pour que le signal discrétisé représente bien le signal analogique de départ mais pas trop grand afin que le signal numérisé n’occupe pas trop de place en termes de stockage. D’après www.culturesciencesphysique.ens-lyon.fr.

3

125

250

500

1 000 1 500 2 000 3 000 4 000 8 000

D’après Clé (Centre Langage Écoute), centre d’apprentissage et de thérapie par le son situé à Montpellier.

 En utilisant les documents et des connaissances concernant la numérisation d’un son, justifier le choix de la valeur de 8 000 Hz pour la fréquence d’échantillonnage utilisée en téléphonie contre 44 100 Hz pour un CD.

5

a. Le débit binaire

AAC

CD stéréo

Vorbis

Opus Radio FM

Carte mémoire

MP3

Les supports de stockage de données numériques sont variés : disque dur, lecteur USB, CD, DVD, carte SD. Le nombre de fichiers que ces supports peuvent stocker dépendent de la capacité de stockage du support et de la taille des fichiers à stocker. Avec une résolution de 16 bits et une fréquence d’échantillonnage égale à 44,1 kHz, la taille d’un fichier audio est de 32 Mo environ pour une diffusion en stéréo d’une chanson de 3 minutes et 30 secondes.

Visioconférence AMR-WB Téléphone

8 Logiciel libre, gratuit

16 32 64 128 Débit (en kilobits par seconde) Logiciel non libre, payant

b. Influence du débit binaire utilisé sur la qualité

audio recherchée selon le format de compression

 1. Estimer le nombre de chansons stockables sur un lecteur MP3 de 16 Go.  2. Expliquer la différence avec le nombre de chansons indiquées dans le document.  3. Calculer la taille moyenne d’un fichier audio compressé et en déduire une estimation du taux de compression.

292

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CORRIGÉS DES EXERCICES

Choix d’une valeur de fréquence d’échantillonnage

Plus la fréquence d’échantillonnage est élevée, plus la numérisation est fidèle, mais plus le nombre de données à traiter est élevé. Il s’agit d’adapter ce paramètre aux signaux exploités sachant qu’une reproduction fidèle du signal analogique nécessite que sa valeur soit au moins double de celle de la fréquence du son. La téléphonie concerne la voix humaine donc des signaux dont l’étendue en fréquence se situe entre 125 Hz et 4000 Hz. Ceci explique le choix de 8 000 Hz comme fréquence d’échantillonnage, qui est le double de la fréquence maximale d’une voix. Dans le cas d’un CD, on recherche une fréquence couvrant l’ensemble du domaine audible par un être humain soit 20 Hz – 20 kHz. Le choix se porte donc sur une fréquence d’échantillonnage double de 20 kHz au minimum.

3

OPUS ou MP3

1. L ’expression « avec perte d’information » concerne l’élimination des informations sonores auxquelles l’oreille est peu sensible. 2. a. Un débit de 128 kbit·s–1 indique que 128 × 103 bits sont transmis en 1 s. Avec ce débit, 1 min (soit 60 s) de musique correspond donc à 128 × 103 × 60 bits. La taille du fichier correspondant est donc de : 128 × 103 × 60  = 0,96 Mo soit bien 1 Mo environ. 8 × 106 b. La compression consiste à diminuer la taille d’un fichier. 3. À  débit identique (ex. : 100 kbit·s–1), la qualité indicative est plus proche d’une qualité CD stéréo avec OPUS qu’avec MP3. Une qualité d’écoute identique (ex. CD stéréo) nécessite un débit binaire plus élevé et donc un fichier plus volumineux en AAC qu’en OPUS.

210

LECTEUR MP3 PORTEZ SUR VOUS JUSQU’À 4 000 CHANSONS Ce lecteur de 16 Go de capacité peut accueillir jusqu’à 4 000 morceaux*, de quoi vous accompagner jusqu’à la ligne d’arrivée ou durant toute la durée de votre séance de fitness. *Basé sur des morceaux de musique de 3 minutes 30 secondes.

Publicité pour un lecteur MP3

DONNÉE Un taux de compression peut être défini par la relation : τ=1–

taille du fichier après la compression taille du fichier avant la compression

CHAPITRE 13   Le son, une information à coder 293

292

2

D’après David van Lochem, « Pourquoi les premiers CD avaient une durée de lecture de 74 minutes ? », guitar.vanlochem.be.

OBJECTIF Calculer un taux de compression.

Le débit binaire (bitrate en anglais) mesure (en bit/s ou bit.s–1) la quantité de données audio (en bit) par unité de temps (en s) : il est donc égal au produit de la fréquence d’échantillonnage (en hertz, Hz) par le nombre de bits utilisés pour la numérisation.

Qualité indicative

 1. Préciser ce que désigne l’expression « avec perte d’information ».  2. Sur un CD, un morceau de musique de 1 min occupe environ 11 Mo. a. Vérifier que la taille du fichier audio correspondant, compressé avec un débit de 128 kbit·s–1, est de 1 Mo. b. En quoi l’objectif de la compression de fichier audio est-il ainsi atteint ?  3. À partir du document et en donnant un exemple précis dans chaque cas, justifier que le format OPUS est meilleur que : • le MP3 si on utilise un débit identique, par exemple 100 kbit·s–1 ; • le AAC si on souhaite une qualité d’écoute identique, par exemple une qualité stéréo.

DONNÉES La numérisation pour un CD destiné à la diffusion stéréo s’effectue avec une quantification de 2 × 16 bits et une fréquence d’échantillonnage de 44,1 kHz.

 1. Exploiter le document et les données pour estimer la capacité d’un CD audio.  2. La comparer à celle d’une carte mémoire de smartphone de 16 Go par exemple.

OPUS ou MP3

Lire l’article en ligne

Une belle histoire parle de l’amour inconditionnel que portait le président de Sony, Norio Ohga à la Neuvième Symphonie de Beethoven. La plus longue version enregistrée de cette symphonie aurait ainsi imposé le format final. La vérité est moins romantique, plus triviale, plus économique et technique, comme souvent… Lors de la création du format CD en 1980, Philips et Sony se partagent les brevets de cette nouvelle technologie. Philips se charge de la conception du CD et du mécanisme de lecture, tandis que Sony se charge de définir un format de numérisation et un procédé de correction des erreurs de lecture. Un disque de 10 cm de diamètre est le format initialement choisi par Sony pour stocker 60 minutes de musique tandis que Philips opte pour des prototypes de 11,5 cm. Au moment de lancer la production industrielle, le compromis d’un disque de 12 cm de diamètre est choisi avec un temps de lecture théorique de 74 minutes et 30 secondes.

f (en Hz)

b. Étendue des fréquences de la voix humaine

OBJECTIF Comparer des caractéristiques et des qualités de fichiers audio compressés.

En audio, il existe de nombreux formats de compression avec pertes, comme le WMA, sous licence Microsoft et breveté en 1999 pour concurrencer le format MP3, ou son équivalent ou presque chez Apple, le AAC développé à partir de 1997. Apparu en 2012, OPUS est quant à lui un format libre de compression audio avec perte d’information. Conçu pour encoder efficacement la voix humaine et plus largement l’audio, il est aussi adapté à la communication en temps réel.

Pourquoi les premiers CD avaient une durée de lecture de 74 minutes ?

Plates-formes de streaming et fichiers compressés sont en concurrence avec les CD audio dont l’obsolescence est annoncée au regard des contraintes des dispositifs de lecture et de leur capacité de stockage limitée.

Français

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4 Histoire du CD 1. La capacité d’un CD audio correspond théoriquement à 74 min et 30 s de musique. Avec une fréquence d’échantillonnage de 44,1 kHz, sur 2 × 16 bits, la place occupée est de : (74 × 60 + 30) × 44,1 × 103 × 2 × 16 bits. La taille du fichier en Mo sera de : (74 × 60 + 30) × 44,1 × 103 × 2 × 16 = 788,5… Mo 8 × 106 soit 0,8 Go environ. 2. La capacité d’un CD est près de 20 fois inférieure à celle d’une carte de 16 Go.

5

Carte mémoire

1. 16 × 103 Mo/32 Mo = 500 chansons, numérisées en 2 × 16 bits à 44,1 kHz, peuvent être stockées sur une carte 16 Go. 2. L’indication 4 000 correspond à des fichiers compressés, donc de taille inférieure à 32 Mo. 3. La taille moyenne est de 16 × 103 Mo/4 000 = 4 Mo soit un taux 4 Mo = 0,875 : la taille des fichiers est de compression de τ = 1 – 32 Mo réduite de 87,5 %.

Livre de l’élève EXERCICES

EXERCICES

Vers le BAC exercice guidé

exercice non guidé Vers le BAC

6 Du son au fichier compressé

7 Web-radio

5

3

11 10 01

0

0

Temps

00

Temps

Temps

1

a. Procédé en deux étapes pour numériser le son

b. Format MP3

Lire l’article en ligne

Un enregistrement audio de quatre minutes en qualité CD occupe facilement 50 Mo au format audio non compressé utilisé sur les PC. Une fois converti en format MP3, il peut ne pas dépasser les 4 Mo ! Pour atteindre un tel taux de compression, les sons masqués, comme un son de flûte à côté d’un marteau-piqueur, sont supprimés. Le format MP3 ne conserve aussi qu’un canal pour les sons très graves n’ayant pas besoin d’être reproduits en stéréo, d’où une économie de données numériques. Et puis, inutile de tenir compte des signaux de fréquences sortant de la fourchette 20 Hz-20 000 Hz. La qualité sonore d’un fichier MP3 est tout de même conditionnée par le débit binaire. Le meilleur des compromis consiste à utiliser un débit binaire de 128 kbit/s pour avoir une qualité proche de celle d’un CD. D’après www.01net.com.

Niveau d’intensité sonore (en dB)

D’après culture sciencesphysique.ens-lyon.fr

2. Pour obtenir un son de la qualité d’un CD, on choisit comme paramètre de numérisation 44,1 kHz et 16 bits sur deux voies pour une distribution d’un son stéréophonique. a. Vérifier que la taille occupée par un enregistrement de quatre minutes de musique de la qualité d’un CD est bien celle indiquée dans le doc. b.

Étant donné que l’on se déplace davantage avec son téléphone portable qu’avec son poste de radio dans la poche, des applications ont pris le relais pour diffuser le contenu des émissions de radio par Internet et la qualité sonore ne cesse de s’améliorer. Afin de diffuser de la musique sur une webradio, différentes décisions sont prises successivement parmi lesquelles : – un échantillonnage à 22 050 Hz du signal analogique ; – une compression du fichier audio obtenu ; – le choix du format de compression AAC pour cette compression.

A-Z

VOCABULAIRE

Codec : logiciel permettant d’encoder et décoder un flux de données numériques.

c. Du FLAC dans la webradio

FLAC : codec libre de droit de compression de données sans perte d’information.

De nos jours, la majorité des stations de radiodiffusion au monde ont une présence Internet de haute qualité ouvrant une richesse presque inimaginable d’informations, de talk-shows et de musique. Aux débuts de la radio sur Internet, les diffusions avaient des formats de fichier avec perte d’information. Le haut débit et la 4G pour mobile étant devenus la norme, les radiodiffuseurs ont pu améliorer leur jeu en proposant des flux MP3 et AAC de 256 kbit/s. En 2017, la British Broadcasting Corporation (BBC) a expérimenté la diffusion sur sa chaîne de musique classique, Radio 3, en FLAC (Free Lossless Audio Codec). Contrairement aux flux MP3 et AAC qui sont presque universellement pris en charge par les applications radio et les navigateurs, il existe certaines restrictions si vous souhaitez écouter la liste encore restreinte mais croissante de stations FLAC sans perte d’information qui ont commencé à émettre.

140 120 100 Courbe de seuil d’audition 80 60 40 Son audible 20

a. Fréquences possibles pour échantillonner

Son inaudible

le signal analogique dans Audacity

0 20

50

100

200

500 1 000 2 000

Fréquence (en Hz)

c. Influence de la hauteur d’un son sur l’audition

b. Préciser en quoi consiste la compression de fichiers et calculer le taux de compression que permet le MP3 compte tenu des informations fournies dans les documents. 3. En utilisant les documents et des connaissances, expliquer en quoi le MP3 fait partie des techniques de compression avec perte d’information.

0,60

0,50

DONNÉE 0,40

Un taux de compression peut être défini par la relation : τ=

0,18

0,20

taille du fichier après la compression taille du fichier avant la compression

0,08 0,00

AAC 128 bit/s

MP3 256 bits/s

FLAC

b. Exemples de taux de compression

Taux de compression pour les trois codecs AAC, MP3 et FLAC pour une qualité d’écoute proche.

294

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Lire l’article en ligne

D’après www.hiresaudio.online.

5 000 10 000 20 000

GUIDE D’EXPLOITATION 1. Nommer le procédé ➀ et les étapes ➁ et ➂ du doc. a.

OBJECTIFS Exploiter des documents – Rédiger une argumentation scientifique.

Taux de compression

2

Valeurs binaires

Signal analogique 5

Enregistrer un son et l’écouter sur son smartphone est en pratique très simple et très rapide. Cependant, dans ce court laps de temps, d’importantes transformations sont appliquées au signal électrique analogique délivré par le microphone jusqu’au code inscrit sur la carte mémoire du téléphone.

Tension (en V)

Tension (en V)

OBJECTIFS Exploiter des documents – Effectuer, contrôler des calculs – Rédiger une argumentation scientifique.

 À l’aide des documents et en utilisant des connaissances concernant la numérisation des sons et la compression de fichiers audio, rédiger un texte pour expliquer les trois décisions prises afin de diffuser de la musique sur une webradio. CHAPITRE 13   Le son, une information à coder 295

295

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CORRIGÉS DES EXERCICES

6 Du son au fichier compressé 1. P  our numériser un son, on procède à la discrétisation 1 du signal analogique sonore en deux étapes : échantillonnage 2 et quantification 3. 2. a  . Durant quatre minutes, avec une fréquence d’échantillonnage de 44,1 kHz, sur 2 voies en 16 bits, le morceau de musique occupe une place de 40 × 60 × 44,1 × 103 × 2 × 16 bits. La taille du fichier en Mo sera de : 40 × 60 × 44,1 × 103 × 2 × 16  = 42 Mo environ. 8 × 106 Cette taille est différente des 50 Mo mentionnés dans le doc. b correspondant davantage à 5 minutes d’enregistrement ou incluant des métadonnées : auteur, compositeur, copyright, visuel de l’album, etc. b. La compression consiste à diminuer la taille d’un fichier afin de faciliter son stockage et sa transmission. 4 Mo Le taux de compression est égal à = 0,08 : un fichier 50 Mo compressé occupe 8 % de la place occupée par l’original soit 12,5 fois 4 Mo moins de place. On peut aussi lui donner la valeur de 1 – = 0,92 50 Mo pour exprimer une réduction de 92 % de la taille du fichier.

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7 Web-radio Éléments attendus pour rédiger cette argumentation scientifique : E xploiter la donnée du taux de compression en lien avec le doc. b. Exemples : « τ = 0,08 dans le cas du AAC : le fichier compressé a une taille de 8 % de celle de l’original » ou « le fichier occupe 1/0,08 = 12,5 fois de moins de place que l’original ».  rganiser les connaissances mobilisées et les informations extraites O des documents. Exemples : – contrairement au FLAC, la compression s’effectue avec pertes d’informations mais le format AAC est pris en charge sans restriction par les applications radio ; – l’échantillonnage peut se faire facilement avec des logiciels libres de droits : Audacity propose une fréquence d’échantillonnage de 22 050 Hz ; – avec une fréquence d’échantillonnage de 22 050 Hz, les signaux analogiques de fréquence inférieure à 10 kHz seront reproduits fidèlement ce qui inclut le domaine dans lequel l’oreille est la plus sensible ; – avec un taux de compression (tel qu’il est défini dans l’énoncé) plus petit, la réduction de la taille du fichier est plus élevée avec le format AAC qu’avec d’autres formats ce qui facilite la transmission des données. Utiliser un vocabulaire adéquat.

3. La compression s’effectue avec perte d’informations sonores en éliminant les signaux correspondant à celles auxquelles l’oreille est peu sensible comme les signaux situés hors d’une fourchette 200 Hz – 10 kHz ou correspondant à des sons masqués ou des sons graves de l’une des voies.

THÈME 4 ● CHAPITRE 13 ● Le son, une information à coder

211

CHAPITRE 14 Livre de l’élève Vidéo

CHAPITRE

TEASER

14

b. L’audition des jeunes en danger.

Entendre la musique

L’écoute excessive de sons forts a-t-elle des conséquences autres que sur l’audition ? ➞ activité 4

L’information contenue dans le signal sonore effectue un parcours à travers l’oreille pour atteindre le cerveau. Elle est alors traitée et génère des réactions, des sentiments. C’est pour cela que l’on dit souvent que la musique est source de joie ou de tristesse.

c. Portait de Ludwig van Beethoven, compositeur du xixe siècle, atteint de surdité.

Quelles sont les causes de la surdité ? ➞ activité 1

d. Cliché de microscopie électronique à transmission de l’intérieur de la cochlée, tapissée de cellules ciliées.

a. La plus célèbre chorégraphie de Maurice Béjart est son interprétation en 1960

Comment les ondes sonores sont-elles traduites en message nerveux ?

du Boléro que Maurice Ravel a composé en 1928.

Quels sont les liens entre musique et danse ? ➞ activité 3

➞ activité 2

296

CHAPITRE 14   Entendre la musique 297

296

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Les grandes idées à construire C ette partie du programme s’inscrit dans une perspective d’éducation à la santé. Les pertes auditives en lien avec un traumatisme sonore constituent un enjeu de santé publique. Il s’agit d’amener les élèves à comprendre le fonctionnement de leur appareil auditif pour qu’ils soient en mesure d’adopter des comportements susceptibles de le préserver. L e système auditif capte les sons et génère un message nerveux auditif. L’oreille externe canalise les sons du milieu extérieur vers le tympan. Cette membrane vibrante transmet ces vibrations jusqu’à l’oreille interne par l’intermédiaire de l’oreille moyenne. Au long de l’oreille, la vibration sonore est convertie en mouvement des cils vibratiles des cellules ciliées de l’oreille interne. Les cellules ciliées traduisent les vibrations reçues en un message nerveux véhiculé vers le cerveau par le nerf auditif. Le message nerveux arrive au niveau de l’aire auditive primaire et permet la perception du son. Des interactions multiples avec d’autres aires cérébrales se mettent en place. Ceci est à l’origine de sentiments plus complexes tels que ceux produits par la musique (joie, nostalgie…). L e système auditif est fragile, il peut subir des dommages à l’origine de surdité. L’endommagement des cils vibratiles par des stimulations trop intenses est irréversible.

Ce que disent les documents a Ce cliché permet d’aborder la complexité de la perception auditive via le lien entre la danse et la musique. En effet, lorsqu’elle est associée à des sons construits comme dans le cas de la musique, la perception auditive peut générer des sentiments complexes.

212

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Dans le cas de la danse, la perception du rythme et la genèse de sentiment doivent s’exprimer par des postures et des mouvements traduisant les sensations induites. L’accroche initiale du chapitre pourra aussi débuter par l’écoute des musiques de l’enfance comme celles des boîtes à musique, ou de dessins animés connus afin de tester les associations d’idées et les sentiments générés par la musique et introduire la notion d’une perception complexe et construite.

b Teaser : cette vidéo tirée du journal télévisé de France 2, pose le problème de l’utilisation excessive des casques audio par les adolescents, et des risques auditifs associés à cette pratique. Basée sur des témoignages d’adolescents, la séquence présente la problématique de santé. L’animation graphique utilisée dans cette séquence est une première structuration du système auditif et de son fonctionnement. Un premier chiffre épidémiologique est donné : 10 % des moins de 25 ans sont victimes de surdité. Une mesure de santé publique : limiter le niveau sonore des casques audio. c Souvent associé au handicap de surdité pour son paradoxe visà-vis de l’activité de compositeur de musique, ce portrait de Ludwig van Beethoven, permet d’introduire les problématiques liées au handicap. d Ce cliché de microscopie électronique à balayage introduit la notion de cellule ciliée (dont les cils vibratiles sont nettement visibles ici), et celle de message nerveux, dont les bases ont été évoquées en cycle 4.

Progression dans le chapitre AC TIVITÉ

1

Problèmes scientifiques

Compétences travaillées

C omment l’oreille capte-t-elle les sons ?

 xtraire et organiser E des informations.

 uelles sont les caractéristiques Q de notre capteur sonore ?

Interpréter des résultats.

Idées clés L e système auditif capte les sons et génère un message nerveux auditif. L ’oreille externe canalise les sons du milieu extérieur vers le tympan.

C omment les sons sont-ils transmis dans l’oreille ?

 ransmission des vibrations T jusqu’à l’oreille interne par l’intermédiaire de l’oreille moyenne.

AC TIVITÉ

2

Problèmes scientifiques C omment le signal sonore est-il converti en un message nerveux par l’oreille ?  uelle est l’origine du message Q sensoriel reçu par le cerveau ?

Compétences travaillées  xtraire et organiser E des informations.

Idées clés L es cils vibratiles des cellules ciliées de l’oreille interne entrent en résonance avec les vibrations reçues et les convertissent en un message nerveux.

I nterpréter des résultats expérimentaux.

C omment se réalise la conversion de la vibration perçue par l’oreille, en message nerveux stimulant le cerveau ?

L ’information nerveuse est véhiculée vers le cerveau via le nerf auditif.

 uel est le rôle des cellules ciliées Q dans la perception auditive ?

AC TIVITÉ

3

Problèmes scientifiques C omment le cerveau traite-t-il l’information nerveuse auditive ?

Compétences travaillées I nterpréter des résultats expérimentaux.

L e cortex auditif reçoit et traite l’information auditive.

C omment la perception de la musique est-elle réalisée au niveau cérébral ?

C ertaines aires cérébrales permettent, après apprentissage, l’interprétation de l’univers sonore, en établissant des connexions avec d’autres aires, comme celles qui activent le circuit de la récompense.

C omment le cerveau traite-t-il les messages sonores musicaux qu’il reçoit ?

AC TIVITÉ

4

TÂCHE COMPLEXE

Problèmes scientifiques

Compétences travaillées

C omment préserver son système auditif ?

 xtraire et organiser E des informations.

 uelles sont les causes et les Q conséquences de la surdité ?

Communiquer.

Problèmes scientifiques C omment sensibiliser la population au risque de surdité, consécutif à un traumatisme sonore ?  n quoi la santé auditive E constitue-t-elle un enjeu de santé publique ?

Compétences travaillées  xtraire et organiser E des informations. Coopérer et collaborer.

Idées clés L es cils vibratiles sont fragiles et facilement endommagés par des sons trop intenses. Les dégâts sont alors irréversibles et peuvent causer une surdité.

Comment pallier la surdité ?

HED

Idées clés

Idées clés L es problèmes d’audition constituent des enjeux forts de santé publique. En évitant de s’exposer à des sons trop intenses de manière répétée, on protège efficacement son ouïe.

THÈME 4 ● CHAPITRE 14 ● Entendre la musique

213

CHAPITRE 14 Livre de l’élève ACTIVITÉ

1

2

Les oreilles, capteurs des sons

Identifier des habitudes quotidiennes qui peuvent abîmer le conduit auditif

b

L’oreille est l’organe permettant de capter les sons et de les transformer en signaux nerveux qui seront transmis au cerveau. OBJECTIF Expliquer le rôle de l’oreille dans la réception et la transmission d’une vibration sonore.

c

d

b. Examen de l’oreille avec un otoscope c. Risque de déchirure du tympan Le coton-tige risque de repousser le cérumen au fond de l’oreille, voire de provoquer une déchirure du tympan.

d. Risques d’infection ou de bouchon de cérumen

1

Les bouchons d’oreille non jetables doivent être nettoyés à l’eau et au savon tous les jours afin de limiter ces risques.

Expliquer le fonctionnement de l’oreille

➊ Le pavillon, partie visible de l’oreille, capte les ondes

➍ Les vibrations de la fenêtre cochléaire engendrent

sonores. Certaines ondes sonores sont amplifiées grâce aux replis du pavillon qui jouent un rôle de filtre. Les sons sont ainsi guidés vers le conduit auditif jusqu’au tympan sous forme d’onde. Le rôle du pavillon de l’oreille dans la captation des sons a longtemps été sous-estimé. Pourtant cette structure joue un rôle essentiel dans la localisation spatiale de l’origine des sons émis autour de nous.

➋ Lorsque les ondes sonores viennent frapper le tympan, celui-ci vibre, actionnant ainsi la chaîne ossiculaire, un ensemble de petits os.

e. Tympan sain (à gauche)

des mouvements à l’intérieur de la cochlée. Ces mouvements provoquent l’émission d’un message nerveux. Certains sons peuvent stimuler la cochlée sans passer par le conduit auditif. C’est le cas de notre propre voix qui est transmise par les os de notre crâne. C’est pour cela que nous ne reconnaissons pas forcément notre voix lorsqu’elle a été enregistrée et qu’on nous la fait écouter.

et tympan perforé (à droite)

A-Z

➎ Le message nerveux est transmis au cerveau par le nerf auditif.

8 mm

➏ Le message nerveux est traité au niveau du cerveau pour

➌ Le mouvement de ces os provoque la vibration

ÉTYMOLOGIE

Otoscope : outil utilisé par le médecin pour examiner l’oreille externe. Mot composé du préfixe oto- et du suffixe -scope, issus du grec ancien ôtós (« oreille ») et skopéô (« observer »).

produire une sensation.

d’une membrane : la fenêtre cochléaire.

3

Mesurer ses capacités auditives

L’être humain peut percevoir des sons de niveaux d’intensité sonore compris entre 0 dB et 120 dB et dont les fréquences sont comprises entre 20 Hz et 20 000 Hz.

➏

Audition normale

dB 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

➎

➍ ➌ ➊

250

500

1K

2K

4K

Déficience auditive

dB

8K Hz

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

➋

250

500

1K

Oreille droite

2K

4K

8K Hz

Oreille gauche

f. Audiogramme

Graphique qui permet de visualiser la capacité auditive d’un sujet. Il résulte d’une audiométrie tonale, examen auditif réalisé au casque ou en cabine insonorisée, dont le principe est de diffuser des sons purs d’intensité et de fréquence variables (de 125 Hz à 8 000 Hz).

PISTE D’EXPLOITATION 1 Identifier les trois grandes parties qui composent l’oreille. Expliquer le rôle joué par le tympan. 2 Déterminer quelle conséquence la perforation du tympan peut avoir sur l’audition. 3 Décrire comment un audiogramme rend compte des capacités auditives d’un patient.

a. Structure de l’oreille et trajet du son 298

CHAPITRE 14   Entendre la musique 299

298

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s problèmescientifiques Comment l’oreille capte-t-elle les sons ? Quelles sont les caractéristiques de notre capteur sonore ? Comment les sons sont-ils transmis dans l’oreille ?

Mobilisation des acquis  u en cycle 4 (SVT) : la notion de récepteur sensoriel spécialisé ainsi V que les supports anatomiques de l’information nerveuse ont été abordés. Le cerveau a été décrit comme un centre intégrateur de messages sensoriels multiples.

Les grandes idées à construire  urant son parcours dans l’oreille, le signal auditif subit des D modifications. La vibration de l’air est convertie en vibration du tympan, provoquant le mouvement des osselets qui font vibrer la membrane de la fenêtre cochléaire, qui fait vibrer le liquide cochléaire provoquant l’émission d’un message nerveux. L’oreille externe et le tympan peuvent subir des dommages.  our évaluer les capacités auditives d’un sujet, on mesure à l’aide P d’un audiogramme, la fréquence et l’intensité des sons perçus.

Les compétences travaillées Extraire et organiser des informations. Interpréter des résultats.

214

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Les représentations de l’élève C ette thématique n’étant pas abordée dans les classes précédentes, les élèves n’ont quasiment pas de connaissances dans ce domaine. Néanmoins, s’ils abordent facilement la perception sonore d’un point de vue intensité, la composante fréquentielle leur est plus étrangère.

Ce que disent les documents 1 Ce schéma anatomique de l’oreille (doc. a) permet de présenter simultanément la structure et le processus fonctionnel de la transmission sonore dans l’oreille. Le pavillon constitue la partie visible de l’oreille externe qui se prolonge par le conduit auditif jusqu’au tympan, début de l’oreille moyenne. L’oreille externe permet de capter, amplifier et focaliser les sons vers l’oreille moyenne. Dans cette dernière, une chaîne de trois osselets permet de relier le tympan à la fenêtre ovale qui ferme l’oreille interne. Celle-ci transmet de manière mécanique les ondes sonores vers les liquides de l’oreille interne dont les mouvements engendrent un message nerveux transmis au cerveau. Remarque : la conduction des sons ne se fait pas uniquement par voie aérienne par l’oreille externe et l’oreille interne. Une partie de la transmission des sons peut se faire par voie osseuse, ce qui peut générer des vibrations dans l’oreille interne, et participe ainsi à la perception auditive. Ceci est particulièrement vrai pour les sons graves. C’est aussi ce qui est souvent la cause d’une perception amplifiée lors d’examens ou de soins dentaires. ? Des idées de questions : Quels sont les différents constituants de l’oreille ? Quelles sont les différentes formes successives du message auditif durant son parcours dans l’oreille ?

2 L’oreille externe est une structure soumise à différentes agressions. Les cotons-tiges (doc. c) en sont une cause. La perforation du tympan peut avoir des conséquences sur l’audition si son diamètre est important (doc. e). Dans la plupart des cas, la membrane tympanique cicatrisera en quelques semaines mais il faut parfois envisager une chirurgie réparatrice voire une greffe. Les otoscopes (doc. b) sont des instruments médicaux qui, s’ils sont mal utilisés, peuvent provoquer des dommages au tympan. Il n’est pas recommandé de les faire utiliser par les élèves. ? Idée de question : Quelles sont les pathologies associées à l’oreille externe ?

3 Un audiogramme (doc. f) se lit de gauche à droite, et de haut en bas. Ce mode de représentation traduit bien la perte auditive, car il indique qu’elle intensité sonore doit être émise pour déclencher un signe du patient. La partie gauche du graphique représente les seuils d’audibilité des basses fréquences (les sons graves). Celle du milieu, les médiums, et celle de droite, les sons aigus (hautes fréquences). L’audiogramme de droite montre une perte auditive dans les hautes fréquences. Le patient est atteint de presbyacousie. Cette représentation des axes des ordonnées n’est pas habituelle, mais elle a un sens physiologique, car elle indique un abaissement des seuils auditifs, d’où cet axe inversé (le zéro en haut). Remarque : 0 db est bien le seuil d’audibilité en audiométrie, il correspond à 0 dB HL (décibel hearing level), c’est-à-dire à une mesure du son qui est pondérée pour les audiogrammes. En conséquence, un son à 0 dB HL est bien audible. ? Idée de question : Pour une fréquence de 1 000 Hz quel est le seuil auditif du patient normal, et celui du patient déficient ?

Les

pour préparer votre séance

 urdités héréditaires : quand oreille et cerveau auditif sont tous deux S touchés, Inserm, 2017 : presse.inserm.fr/surdites-hereditaires-quand-oreille-et-cerveauauditif-sont-tous-deux-touches/28999/. Oreille en 3D (animation) : www.youtube.com/watch?time_continue=8&v=LwJg6wQu3Dk. F ilm sur la physiologie de l’oreille, réalisé par l’université libre de Bruxelles, 2016 : www.youtube.com/watch?v=PNjOKVaIJLw. E xplication de l’audiogramme, eduMedia, 2019 : www.youtube.com/watch?v=0vycWQu3wkE.

Oreille externe

 our certaines fréquences, un audiogramme peut indiquer des P valeurs négatives de décibels HL. Ceci est normal, car les mesures pour les audiogrammes sont relatives. Ceci indique seulement que la personne a un seuil de détection très faible. 0 DB HL n’est donc pas synonyme de zéro son. L es pertes auditives touchent majoritairement la perception des hautes fréquences. La conséquence est une perception où les graves sont accentués, ce qui est particulièrement handicapant pour la compréhension des conversations qui se placent plutôt dans des fréquences aiguës. C’est l’une des raisons pour lesquelles les élèves malentendants ont des difficultés à suivre un cours, en particulier en présence de sons parasites. Cette difficulté à capter les conversations a des conséquences sociales graves, et peut s’accompagner d’effets collatéraux importants comme une désociabilisation, et une accentuation de la dégénérescence cognitive chez les personnes âgées. C omme pour la vision, on a pu mettre en évidence des illusions auditives. Par exemple, si on écoute en continu un son pur, on percevra toute interruption de ce son, même de quelques millisecondes. En revanche si le son pur est interrompu par un bruit très bref (quelques millisecondes), ce bruit ne sera pas perçu. Dans ce cas, c’est le cerveau qui « gomme » les bruits parasites, et donne la sensation de continuité. L es acouphènes sont des bruits qu’on entend mais qui ne proviennent d’aucun signal sonore extérieur. On distingue les acouphènes objectifs (comme le souffle du sang passant dans une artère) et les acouphènes subjectifs qui correspondent à des sifflements ou bourdonnements « inventés » par le cerveau. Les acouphènes trouvent leur origine dans une perte de l’audition conduisant à une diminution de l’information perçue par le cerveau, ce dernier cherchant alors à compenser ce manque d’information. Pour en savoir davantage voir l’interview du Professeur Laurent Cohen, neurologue : www.allodocteurs.fr/maladies/orl/acouphene/acouphenes-ce-quil-se-passe-dans-le-cerveau_16230.html.

Les parcours possibles Parcours 1 Identifier les trois grandes parties qui composent l’oreille. Quel est le rôle joué par le tympan ?

Les trois parties de l’oreille Canaux semi-circulaires

s auropsidés (groupe des oiseaux, des reptiles actuels et d’une partie des reptiles fossiles).

Oreille interne Cochlée Nerf auditif

 éterminer quelle conséquence la perforation du tympan peut avoir D sur l’audition.  écrire comment un audiogramme rend compte des capacités D auditives d’un patient.  édiger un paragraphe argumenté présentant le rôle de l’oreille dans R la transmission du signal sonore jusqu’au nerf auditif.

Pavillon

Parcours 2 Tympan

Identifier les trois grandes parties qui composent l’oreille. Quel est le rôle joué par le tympan ?

Conduit auditif

 éterminer quelle conséquence la perforation du tympan peut avoir D sur l’audition.  écrire comment un audiogramme rend compte des capacités D auditives d’un patient.

Marteau Enclume Étrier

Oreille moyenne

C onstruire une carte mentale dont le sujet principal est : « Les oreilles : des capteurs de sons ».

Indicateurs de réussite LE SAVIEZ-VOUS ? C hez les mammifères, l’enclume et l’étrier, deux des osselets de l’oreille moyenne, sont des homologues d’os de la mâchoire des

L es principaux éléments anatomiques sont identifiés : oreille externe, oreille moyenne, oreille interne, onde sonore, tympan, chaîne ossiculaire, fenêtre cochléaire, cochlée, nerf auditif. Chaque branche explicite la fonction de chaque élément anatomique.

THÈME 4 ● CHAPITRE 14 ● Entendre la musique

215

CHAPITRE 14

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

2

2

Les cellules sensorielles de l’oreille interne

Identifier l’origine du message reçu par le cortex auditif 2 000 Hz

La musique est constituée d’ondes qui font « vibrer l’air », et des impulsions électriques sont ensuite véhiculées au niveau du cerveau. OBJECTIF Expliquer le rôle de l’oreille interne dans la conversion du signal sonore en message nerveux.

1

1 500 Hz 3 000 Hz 400 Hz

Stéréocil

600 Hz

Cellule ciliée

Apex

Décrire les cellules sensorielles de la cochlée

200 Hz

➊

800 Hz 20 000 Hz

1 000 Hz

Nerf cochléraire Fenêtre ovale

4 000 Hz

Canal cochléaire

Membrane basilaire

7 000 Hz

Fenêtre ronde

Message nerveux

b. Le rôle de la membrane basilaire

Canal cochléaire Stéréocils

Membrane tectoriale Organe de Corti

Lorsque la pression acoustique est transmise aux liquides de l’oreille interne par l’intermédiaire de l’étrier, l’onde de pression va déformer la membrane basilaire en un lieu qui dépend de la fréquence. Les sons aigus (grandes fréquences) agissent à la base de la cochlée et les sons graves (petites fréquences) à l’apex. On appelle cette organisation de la perception du son « tonotopie » cochléaire.

Membrane tectoriale

Membrane basilaire

Cellule ciliée interne

Scala tympani

Cellule ciliée externe

5. Cortex auditif

Coupe du mésencéphale

Fibres nerveuses afférentes

mV

Temps

➊ Au repos. ➋ Excitation : quand les cellules ciliées s’inclinent dans un sens on enregistre un message nerveux dans le neurone sensoriel associé.

➌ Inhibition : si les cellules ciliées s’inclinent dans la direction opposée, les signaux du neurone sensoriel diminuent.

c. Effet d’une stimulation mécanique

1 4. Thalamus

Membrane basilaire

Accroissement du message nerveux

Activité du neurone sensoriel

dans la perception des fréquences

VOCABULAIRE

Cellule ciliée : elle est ainsi nommée car son sommet porte une centaine de stéréocils – des expansions cytoplasmiques en forme de cils.

Scala vestibuli

➌

5 000 Hz

Canal cochléaire A-Z

➋

Neurone sensoriel

3. Colliculus inférieur

2

Noyau cochléaire

des cellules ciliées

Afin de comprendre le rôle des cellules ciliées dans le processus d’audition, on implante des électrodes dans leur cytoplasme, ainsi que dans le neurone connecté à celles-ci, puis on enregistre les variations de tension électrique dans ces deux cellules, suite à une stimulation mécanique des cils.

Cochlée

2. Olive supérieure 3 Vidéo

15 μm

Pinceau de cils

Coupe du bulble rachidien

1

3 μm

2

1. Nerf auditif

3

Plan de coupe

d. Trajet du message nerveux auditif Surface de l’organe de Corti (MEB)

Pinceau de stéréocils des cellules ciliées externes (MEB)

depuis la cochlée jusqu’au cortex auditif

Cellule cillée isolée

Le cortex désigne la couche la plus externe du cerveau. Très riche en cellules nerveuses (neurones), le cortex sensoriel est impliqué dans la perception des informations provenant des différents sens.

a. De la cochlée aux cellules sensorielles de l’oreille interne

PISTE D’EXPLOITATION 1 Présenter les caractéristiques des cellules impliquées dans la conversion du message sonore en message nerveux. 2 Décrire les conséquences de la stimulation de ces cellules par une onde sonore. 3 Proposer une explication à la perception des différences de fréquences des sons par le cerveau. 4 Évaluer la longueur du trajet parcouru par le message nerveux entre l’oreille interne et le cerveau.

300

CHAPITRE 14   Entendre la musique 301

300

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s problèmescientifiques C omment le signal sonore est-il converti en un message nerveux par l’oreille ? Quelle est l’origine du message sensoriel reçu par le cerveau ? C omment se réalise la conversion de la vibration perçue par l’oreille, en message nerveux stimulant le cerveau ?  uel est le rôle des cellules ciliées dans la perception Q auditive ?

Mobilisation des acquis  u en cycle 4 (SVT) : messages nerveux, centres nerveux, nerfs, V cellules nerveuses. Vu en seconde (SVT) : chez les organismes pluricellulaires, les organes sont constitués de cellules spécialisées formant des tissus, et assurant des fonctions particulières.

Les grandes idées à construire L es cellules ciliées traduisent les vibrations reçues en un message nerveux véhiculé vers le cerveau par le nerf auditif.

Les compétences travaillées Extraire et organiser des informations. Interpréter des résultats expérimentaux.

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Ce que disent les documents 1 Le doc. a permet de localiser les cellules ciliées dans l’oreille interne, et de caractériser leur structure. Ces cellules sont localisées dans la cochlée et plus particulièrement au niveau de l’organe de Corti. Chaque cellule présente une centaine de stéréocils qui correspondent à des extensions cytoplasmiques. Pour simplifier la compréhension, nous n’avons pas représenté la cochlée dans son entier mais uniquement en coupe. Seules les cellules ciliées internes génèrent les potentiels d’action à l’origine de la sensation auditive, la cochlée en compte entre 3 000 et 3 500. Les cellules ciliées internes réalisent un couplage mécanique avec la membrane tectoriale ; lorsqu’elles sont stimulées, leur longueur varie, ce qui augmente la sensibilité de la cochlée. Ainsi, la destruction des cils vibratiles est tout aussi grave sur les cellules ciliées internes qu’externes. Dans le cas de cet enseignement, ce niveau de détail n’est pas attendu. Sur les trois clichés de MEB, celui de gauche présente en jaune les stéréocils placés en chevron des cellules ciliées externes que l’on voit disposées sur 3 rangées. En dessous, en orange sont visibles les stéréocils des cellules ciliées internes. Au milieu, un détail des stéréocils de cellules ciliées externes (la disposition en chevron est propre aux cellules ciliées externes ; chez les cellules ciliées internes, la disposition est grossièrement rectiligne). On peut par ailleurs remarquer la présence de cils de taille variable pour une même cellule ciliée. ? Idée de question : Quelles sont les caractéristiques structurales propres aux cellules ciliées ?

2 Les trois documents du module 2 apportent une réponse à l’origine de la sensation. Le doc. d permet de localiser la source : la cochlée. On peut remarquer que, comme dans le cas de la vision, les voies nerveuses se croisent, et que l’oreille gauche est en partie reliée au cerveau droit. Le fait de posséder deux oreilles permet une perception stéréophonique ce qui est particulièrement important pour localiser un son dans l’espace. Cette localisation repose entre autres sur l’écart temporel de perception entre les deux hémisphères cérébraux. Le doc. c permet de déterminer la cause du message : c’est la vibration des stéréocils des cellules ciliées internes qui génère l’émission d’un message nerveux. En fonction de la direction d’inclinaison des stérétocils, l’activité des neurones diffère. Dans un cas le neurone est stimulé et un message nerveux est émis, dans l’autre, le neurone est inhibé et on n’enregistre alors pas de message nerveux. Le doc. b montre que suivant la position des cellules dans la cochlée, elles ne réagissent pas toutes aux mêmes fréquences. Or, comme chaque partie de la cochlée émet des fibres nerveuses propres, on peut donc, au niveau d’un nerf, distinguer des fibres stimulées lors de sons de fréquences graves, et d’autres lors de sons de fréquences aiguës. Nous retrouverons cette sectorisation fréquentielle au niveau de l’aire auditive primaire.

Les

pour préparer votre séance

 e la cochlée aux cellules ciliées. Cette animation permet d’observer D les différents niveaux d’organisation de l’oreille interne : www.youtube.com/watch?time_continue=1&v=RWjv-NZJLm8.  oyage au centre de l’audition. Article sur l’ototoxicité : V www.cochlea.eu/pathologie/surdites-neuro-sensorielles/ototoxicite. Inserm images. Des images sur la cochlée : www.images.inserm.fr/fr/asset/fullTextSearch/search/cochlee/page/1.  . Legendre, C. Petit, A. El-Amraoui, « La cellule ciliée externe de la K cochlée des mammifères », Médecine/Sciences, 2009, www.medecinesciences.org/en/articles/medsci/pdf/2009/02/ medsci2009252p117.pdf.  bservation au microscope d’une cellule ciliée soumis à un stimulus O sonore : www.dailymotion.com/video/xn45d. F onctionnement du système nerveux. Cette vidéo de la banque Corpus de Canopé permet de remobiliser les acquis du cycle 4 : www.reseau-canope.fr/corpus/video/le-fonctionnement-dusystemenerveux-118.html.  oyage au centre de l’audition. Quelques pistes et animations autour V des perspectives médicales concernant la régénération des cellules ciliées : www.cochlea.org/futurs-traitements.

LE SAVIEZ-VOUS ?  es études sont menées pour régénérer les cellules ciliées : D www.reflexions.uliege.be/cms/c_390380/fr/regenerer-descellules-de-loreille-interne?part=2.  ans la cochlée des mammifères, les stéréocils des cellules ciliées D sont organisés en trois rangées de taille croissante. Divers liens unissent ces stéréocils permettant leur mise en mouvement synchrone et ainsi la mécano-transduction du signal.  notre naissance, notre capital auditif est constitué d’environ À 15 000 cellules ciliées. Ces cellules ne se régénérant pas spontanément, préserver son capital auditif est donc fondamental pour conserver une bonne audition.

 ne stimulation sur une longue durée, même si elle n’est pas trop U intense peut générer des dommages. Cela est dû à l’effet toxique du glutamate (neurotransmetteur des synapses) sur les cellules ciliées. Le repos des cellules ciliées est nécessaire. Il existe de nombreux types de cellules ciliées chez les métazoaires. On peut notamment les observer au niveau des muqueuses intestinales et du système respiratoire. Les végétaux ainsi que certaines algues présentent des stades mobiles à cellules ciliées. On en trouve aussi dans le groupe de Ciliées, des animaux unicellulaires comme la paramécie par exemple.

Les parcours possibles Parcours 1 Traiter les pistes d’exploitation de l’activité 2.  édiger un texte qui présente le rôle de l’oreille interne dans la R conversion du signal sonore en message nerveux. Parcours 2 E xpliquer en quoi les cellules ciliées sont des cellules spécialisées dans la conversion du signal sonore. Identifier les structures impliquées dans la conduction du message nerveux de l’oreille interne jusqu’au cerveau.  éaliser un schéma fonctionnel montrant le rôle de l’oreille interne R dans la conversion du signal sonore en message nerveux. Parcours 3 Réaliser une observation microscopique optique d’une cochlée.  l’aide du doc. a, repérer l’organe de Corti et en réaliser un dessin À d’observation. Formuler une hypothèse quant au rôle des cellules ciliées.  l’aide des docs. b à d, expliquer comment le signal sonore est perçu À par le cerveau.  éaliser un schéma fonctionnel montrant le rôle de l’oreille interne R dans la conversion du signal sonore en message nerveux.

Indicateurs de réussite pour le schéma fonctionnel L es éléments importants intervenant dans la conversion du signal sonore sont représentés : cochlée, cellule ciliée, stéréocils, nerf auditif. L es principales fonctions intervenant dans la conversion du signal sonore sont identifiées : mouvements des stéréocils, excitation cellulaire, message nerveux.  es flèches mettent en relation ces éléments de structure et de D fonction. L ’organisation de ces éléments permet de répondre au problème posé. L e schéma est mis en forme en respectant les règles de communication : titre, légendes, soin…

Indicateurs de réussite Le dessin représente fidèlement les principales structures observées. L e trait est fin et précis permettant ainsi de bien délimiter chaque structure. L es principales légendes sont mentionnées : membrane basilaire, membrane tectoriale, cellule ciliée, stéréocils.  n titre précise la structure observée ainsi que le moyen U d’observation et le grossissement.

THÈME 4 ● CHAPITRE 14 ● Entendre la musique

217

CHAPITRE 14

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

3

2

Aires auditives et musiques

e. Perception musicale et circuit de la récompense

Principal organe du système nerveux, le cerveau reçoit et traite de nombreuses informations sensorielles. C’est précisément ce traitement de l’information sensorielle auditive qui nous permet d’entendre la musique. OBJECTIF Expliquer le traitement de l’information auditive par le cerveau.

1

Les neuropsychologues Ann Blood et Robert Zatorre, de l’Institut de neurologie de Montréal, venaient tout juste d’achever une expérience dans laquelle les participants avaient écouté des musiques émouvantes à l’intérieur d’un tomographe à émission de positons. La sensation que leur procurait la musique était si forte qu’elle augmentait leur rythme cardiaque, leur respiration et leur sudation. Les chercheurs ont en même temps remarqué que des régions bien spécifiques du cerveau étaient sollicitées, dont l’amygdale et les noyaux accumbens, car ces réactions mettaient en cause le système limbique, associé à la motivation et à la récompense, à l’éveil et aux émotions. Ils ont pu voir sur les images obtenues grâce au tomographe que les régions responsables de ces effets sont reliées à un neurotransmetteur et une neurohormone bien connue : la dopamine. Cette substance génère la sensation de plaisir.

Localiser les aires auditives LE SAVIEZ-VOUS ?

0 Hz 16 00

Hz

8 000 Hz

0 Hz

4 000 Hz

2 000

1 00

500 Hz

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) permet de révéler le fonctionnement du cerveau. On superpose aux images anatomiques des informations témoignant de l’activité cérébrale (variation locale de la consommation de dioxygène).

Cortex auditif primaire

f. L’éducation au plaisir musical

Cortex auditif secondaire

Contrairement à l’image d’Épinal du plaisir musical comme un fait naturel et universel, les recherches en neurosciences de la musique nous forcent donc à reconsidérer les liens entre musique, émotion, jugement esthétique et plaisir. L’expérience du fameux frisson musical n’est pas innée, mais s’est construite durant l’enfance grâce au renforcement de situations que nous avons pu trouver agréables ou satisfaisantes. Le jeune enfant entendant ses premières chansons ou comptines y associe des moments de bonheur qui contribuent probablement à renforcer la connexion entre son cerveau affectif et son cerveau perceptif. Manifestement, certains sujets adultes n’éprouvent pas ou peu d’émotions à l’écoute de musique, et cela sans anomalie neurologique claire qui pourrait l’expliquer.

traitement de l’information auditive par le cortex en fonction de la fréquence du signal sonore

IRM fonctionnelle, série de coupes axiales lors de l’audition d’une musique d’ambiance chez un sujet sain. Les zones colorées correspondent aux zones actives suite à un stimulus.

c. Le « cerveau musical » Le cortex auditif primaire décode chacune des notes de votre morceau de musique favori. La fonction qui identifie la hauteur et la fréquence de chaque note de musique semble plus prédominante du côté droit du cerveau. La mélodie, une suite de plusieurs notes, donc une succession de hauteurs, est perçue dans ce que l’on appelle le cortex auditif secondaire ou associatif, situé juste à côté du cortex auditif primaire. Non seulement cette région décode la mélodie, mais elle détecte aussi les fausses notes dans une mélodie. Cette activité est bien plus complexe que la simple perception de sons, elle nécessite généralement un certain apprentissage. Le rythme est, quant à lui, perçu par le cortex auditif secondaire du côté droit du cerveau.

1

Thalamus Cortex auditif primaire Cortex auditif secondaire

D’après Hervé Platel et Sébastien Bohler, « Quand la musique est bonne », Pour la science hors-série no 100, août-septembre 2018. Nerf auditif

PARCOURS 1

Tronc cérébral

1 Expliquer comment l’imagerie cérébrale fonctionnelle permet d’identifier les aires cérébrales impliquées dans l’audition. Déterminer où sont localisées les aires cérébrales de l’audition. 2 Réaliser un schéma bilan présentant le cheminement du message auditif, de son origine jusqu’à sa perception. 3 Préciser en quoi l’éducation peut avoir un effet sur la perception musicale.

d. Localisation et rôles des cortex auditifs primaire et secondaire

D’après Michel Rochon, Le Cerveau et la Musique : une odyssée fantastique d’art et de science, éditions MultiMondes, Montréal (Québec, Canada), 2018.

Écouter des sons active notamment le noyau cochléaire, le tronc cérébral et le cervelet. Puis l’information se déplace vers le cortex temporal où se Cervelet trouvent les aires auditives primaire et secondaire. Tronc cérébral

3

Battre la mesure avec le pied nécessite une synchronisation temporelle et implique le cervelet et les cortex moteur et frontal.

Cortex frontal

5

26/06/2019 08:52

C omment le cerveau traite-t-il l’information nerveuse auditive ? C omment la perception de la musique est-elle réalisée au niveau cérébral ? C omment le cerveau traite-t-il les messages sonores musicaux qu’il reçoit ?

Mobilisation des acquis Vu en cycle 4 (SVT) : rôle du cerveau dans la réception et l’intégration d’informations multiples.

Les compétences travaillées Interpréter des résultats expérimentaux.

218

4

Inventer une musique, par exemple en chantant, met en jeu certaines régions situées dans les cortex frontal et temporal.

Amygdale cérébrale Cortex orbitofrontal

6

Les émotions ressenties à l’écoute musicale activent les structures participant aux émotions, tels l’amydale cérébrale et le cortex orbitofrontal.

g. Le traitement de la musique par le cerveau [➞ fiche méthode 11]

PARCOURS 2 1 Expliquer quelle distinction existe entre aires auditives primaire et secondaire. 2 Rédiger un texte présentant les aires cérébrales impliquées dans l’interprétation de l’univers sonore, et les structures du système nerveux impliquées dans le trajet de l’information auditive. 3 Préciser en quoi l’éducation peut avoir un effet sur la perception musicale. CHAPITRE 14   Entendre la musique 303

s problèmescientifiques

Les grandes idées à construire

Cervelet

Écouter une musique et Aire traiter ses structures de Wernicke impliquent des régions qui participent aussi au langage, Aire de Broca telles les aires de Broca et Cortex de Wernicke, ainsi que temporal d’autres régions du cortex temporal.

302

L e message nerveux arrive au niveau de l’aire auditive primaire et créé une sensation. Des interactions multiples avec d’autres aires cérébrales se mettent en place. Ceci est à l’origine de sensations plus complexes telles que celles produites par la musique (joie, nostalgie…).

Écouter une musique famillière active entre autres des régions impliquées dans la mémoire. Ce sont par exemple l’hippocampe et des aires du cortex frontal.

Cortex moteur

Cortex temporal

302

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2

Cortex frontal Hippocampe

D’après Michel Rochon, Le Cerveau et la Musique : une odyssée fantastique d’art et de science, éditions MultiMondes, Montréal (Québec, Canada), 2018.

b. Localisation de la zone de réception et de a. Localisation cérébrale de l’audition

Identifier les aires cérébrales impliquées dans l’interprétation de l’univers sonore

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Ce que disent les documents 1 L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle cérébrale (ou IRMf) est une technique d’imagerie permettant de visualiser indirectement l’activité du cerveau. Les zones colorées (doc. a) correspondent au cortex auditif. Les clichés de la première ligne partent du milieu du crâne et remontent vers le haut du crâne, la seconde ligne correspond à la partie supérieure de l’encéphale. Le cortex auditif est zoné (docs. b et d) selon la fréquence du signal auditif. Ceci est à mettre en rapport avec la structure, elle aussi zonée de la cochlée, vis-à-vis des fréquences. Le cortex auditif primaire permet de ressentir les sons mais c’est le cortex auditif secondaire qui permet de percevoir une mélodie (doc. c). Il faut bien distinguer ici ce qui relève d’une perception simple : une sensation au sens premier du terme, d’une perception complexe, qui nécessite un traitement cérébral. Il en est de même avec la vision. La sensation de lumière, et différente de la perception visuelle, qui permet par exemple de reconnaître un visage. ? Des idées de questions : Quelle est la technique utilisée pour déterminer les zones cérébrales impliquées dans la perception d’une mélodie ? Quelle est la zone du cerveau impliquée dans la perception d’une mélodie ? Comment s’organise-t-elle ? Quels rôles joue-t-elle ?

2 Entendre la musique peut provoquer de nombreuses réactions physiologiques mesurables : accélération du rythme cardiaque, sudation… (doc. e). Avec le cortex auditif, ce sont de nombreuses autres zones cérébrales qui sont stimulées lorsqu’on entend de la musique. Ce rôle intégrateur du cerveau explique la genèse d’émotions, de sensation de bien-être en lien en particulier avec les circuits de la récompense.

Le doc. g permet de distinguer différentes activités en lien avec la musique. Ceci permet de comprendre le principe de l’association entre les aires cérébrales, et la complexité des processus impliqués. Ainsi, écouter une musique familière active le cortex mémoriel, et battre la mesure (doc. g 3 ) active les zones motrices. Le doc. g 5 permet de comprendre la complexité de certaines actions comme l’analyse musicale, qui recoupe d’autres champs comme celui du langage. Le doc. f, enfin, permet d’insister sur la plasticité cérébrale et la nécessaire éducation à la musique, aussi bien pour la percevoir, que pour la composer. ? Des idées de questions : Comment peut-on objectivement mesurer des sensations provoquées lors de l’audition d’une mélodie ? Comment expliquer ces réactions physiologiques ?

Les

pour préparer votre séance

Il est possible ici de faire analyser aux élèves des IRMf. Le logiciel RM virtuelle de Philippe Cosentino permet de simuler des IRM. Dans le cadre d’une démarche d’investigation, on peut proposer aux élèves de choisir le protocole approprié pour déterminer quelles sont les aires cérébrales impliquées dans la perception de la musique. Voir la fiche méthode « Exploiter des images issues d’IRMf avec IRM virtuelle », p. 310 du manuel.

Il existe quatre catégories d’émotions musicales : la gaieté, la peur, la tristesse et la sérénité. La musique est donc bien un langage émotionnel capable de transmettre des sentiments. Les dernières théories sur les sensations associées à la musique, supposent que la capacité à entendre la musique pourrait être une adaptation évolutive cérébrale, favorisant la cohésion sociale. Elle serait associée à la mise en place d’une voie nerveuse innée de connexion entre certaines aires du cerveau, comme le cortex temporal et l’amygdale cérébrale.  e nombreuses études ont montré les effets bénéfiques de D l’apprentissage de la musique sur les capacités d’apprentissage global. On dit ainsi de manière générale que : « La musique rend intelligent ». Ceci serait en fait corrélé à l’attention indispensable, et à la concentration nécessaire pour exécuter un morceau de musique. Cette discipline mentale acquise pour la musique serait alors bénéfique pour les autres apprentissages.

Indicateurs de réussite Parcours 1 L es éléments importants intervenant dans la conversion du signal sonore sont représentés : oreille externe, oreille interne, cellules ciliées, nerf auditif, cortex auditif primaire et secondaire, autres aires cérébrales sollicitées.

 tiliser ÉduAnat2 pour mettre en évidence les aires cérébrales U impliquées dans l’audition. Une activité est proposée par l’académie de Nice : www.pedagogie.ac-nice.fr/svt/?p=1266.

L es principales fonctions intervenant dans la conversion du signal sonore sont identifiées : signal sonore, conversion, excitation cellulaire, message nerveux, activité cérébrale.

 esures de l’activité cérébrale, observation du cerveau par imagerie M fonctionnelle, Inria, 2010 : www.youtube.com/watch?v=E9E2b0yiWfs.

 es flèches mettent en relation ces éléments de structure et de D fonction.

Conférence « Comment la musique modifie notre cerveau » par Hervé Platel, 2014 : www.lairedu.fr/media/video/conference/3neurosciences-musique-comment-musique-modifie-notre-cerveau/.

L ’organisation de ces éléments permet de répondre au problème posé.

LE SAVIEZ-VOUS ? L a musique peut être aussi euphorisante que la drogue : un article de la revue scientifique Nature montre que le plaisir musical peut être comparable à celui procuré par une drogue telle que la cocaïne. Entendre de la musique conduit à une augmentation du taux de dopamine dans notre cerveau, un neurotransmetteur impliqué dans la sensation de plaisir. Chez certains patients de l’étude, le taux de libération avoisine celui mesuré lors de la prise d’une drogue psychoactive telle que la cocaïne. www.nature.com/articles/nn.2726.

L e schéma est mis en forme en respectant les règles de communication : titre, légendes, soin… Parcours 2 Des connecteurs logiques permettent d’associer les faits aux idées. L es liens entre structure et fonction des différentes parties de l’oreille et du système nerveux sont établis.

 i l’écoute analytique, et l’exécution d’un morceau de musique, S nécessitent un certain apprentissage, on a pu démontrer sur des bébés, que certaines préférences musicales étaient innées. Ainsi a-t-on pu relever que les préférences innées se portaient sur l’organisation temporelle des notes, c’est-à-dire le rythme, davantage que sur la durée absolue des notes. De même, il semble que nous ayons une préférence innée pour des notes proches en hauteur. Ceci permet d’expliquer certaines valeurs musicales universelles comme par exemple le tempo. Ainsi, les berceuses chantées aux enfants pour s’endormir possèdent des structures similaires quasiment universelles. C omme pour le langage et l’acquisition de sa langue maternelle, il existe un apprentissage par imprégnation de la musique associé à sa propre culture, et ceci indépendamment de toute éducation musicale. Il s’agit là d’une sorte d’acculturation musicale, qui imprègne chacun dès le plus jeune âge. L ’amusie est une caractéristique de certaines personnes qui ne ressentent pas la musique et la perçoivent comme un bruit parfois désagréable. Il leur est impossible de reconnaître une mélodie, et de détecter une fausse note, alors qu’elles comprennent parfaitement la parole. 4 % de la population serait porteur de cette particularité.

THÈME 4 ● CHAPITRE 14 ● Entendre la musique

219

CHAPITRE 14

4

TÂCHE XE COMPLE

2

Pertes d’audition et atteintes du système auditif

Décrire les conséquences de la perte d’audition chez les seniors 125

En France, six à huit millions de personnes, soit entre 12 et 13 % de la population, sont touchées par des problèmes d’audition.

250

500

1K

2K

4K

8K

Les conséquences de la perte d’audition

Hz

f. chez les « seniors »

Niveau normal d'audition 0

faible

ACTIVITÉ

Livre de l’élève

10 20

MISSION

30

50 fort

Zone critique

60

pour comprendre la parole

70 dB grave

20 ans

aigu

30 ans

L' audition normale n'aura pas de perte de compréhension

40 ans

50 ans

60 ans

70 ans

Une perte auditive Une perte auditive légère peut exclure moyenne peut exclure de la parole. 40 à 50 % de la parole.

Une perte auditive sévère peut exclure 100 % de la parole.

en fonction de l’âge

La perte d’audition liée au vieillissement correspond à la presbyacousie. Elle constitue la cause la plus fréquente de surdité chez les personnes de plus de 50 ans.

a. Affiche de la journée nationale de l’audition

A-Z

Le système auditif

Cours en ligne

D’après Christine Petit, professeure au Collège de France dans la chaire de Génétique et physiologie cellulaire et directrice du laboratoire de génétique et physiologie de l’audition à l’Institut Pasteur.

ÉTYMOLOGIE

Presbyacousie : du grec presbys, πρε' σβυς qui signifie « ancien », ¨ κουσις (« ouïe »), elle est définie comme une perte et akousis, α progressive de l’audition liée à l’âge, surtout dans les fréquences élevées. On retrouve le même préfixe dans le terme presbytie, qui concerne l’effet du vieillissement sur la vision.

Formuler une hypothèse sur l’origine d’une surdité

Les cellules du système auditif, qui sont la cible des effets délétères du bruit, ont été identifiées et des éléments de leurs altérations ont été mis en évidence. On sait que l’exposition à des sons très intenses peut affecter la structure même des cellules sensorielles, en particulier celle de leur antenne de réception de la stimulation sonore. Les neurones auditifs sont également touchés ; quand la cellule sensorielle est sur-stimulée, son neurotransmetteur, le glutamate, libéré en quantité excessive, devient toxique pour les neurones auditifs.

Plus de 80 ans

Risque de retrait social

Risque d’isolement. Communication orale réduite.

Maux de tête Problèmes cervicaux

Pertes d’équilibre Chutes

Moins parler entraîne une crispation de la mâchoire, qui peut provoquer des difficultés à mâcher

Confusion, difficultés à se concentrer

Risque de dépression

Le cerveau est moins stimulé Problèmes cognitifs

80 ans

e. Courbes moyennes de la perte d’audition

b. face à ses agresseurs

De 60 à 75 ans

Actifs, ils compensent les difficultés d’audition

40

Dans le cadre d’une campagne nationale sur les risques liés à l’audition, vous devez réaliser une affiche complémentaire présentant l’origine des principaux troubles de l’audition et les solutions médicales envisageables.

1

 À partir de 45 ans

3

g. Perte d’audition et pertes cognitives Des recherches ont montré que la surdité des personnes âgées avait des conséquences délétères sur le cerveau. « En situation d’écoute compétitive, dans un réfectoire bruyant par exemple, le malentendant va mobiliser son lobe préfrontal pour essayer d’isoler certains sons et les analyser », explique Hung Thai-Van. Le fonctionnement normal de cette partie du cerveau, d’ordinaire consacrée à la mémoire de travail, s’en trouve affecté. Le déclin cognitif est ainsi 30 à 40 % plus rapide chez les personnes âgées souffrant de presbyacousie. Et le risque de démence s’en trouve accru. D’après Tristan Vey, « La perte d’audition accélère le déclin cognitif », Le Figaro, 31 janvier 2014.

Expliquer les traitements des troubles de l’audition

i. Les implants cochléaires

Ces dispositifs, implantés dans la cochlée par microchirurgie, stimulent directement les cellules ciliées, même si celles-ci ont subi une altération de leurs cils. Ils permettent après un temps d’adaptation une récupération partielle de l’audition.

c. Cochlée d’une personne entendante (MEB)

h. Les prothèses auditives

L’audioprothèse permet de compenser une perte auditive. Le microphone transforme les ondes sonores en tension électrique. Puis un amplificateur augmente les signaux faibles et réduit les signaux forts. Enfin, un transducteur transforme le signal électrique en signal acoustique.

A-Z

POUR ALLER

LOIN

p. 306 : La santé auditive.

d. Cochlée d’une personne atteinte de surdité

VOCABULAIRE

Transducteur : dispositif assurant la transformation d’une grandeur physique en une autre.

suite à un traumatisme sonore (MEB)

COUPS DE POUCE Remobilisation des connaissances : les cellules ciliées de l’oreille interne sont à l’origine du signal nerveux qui sera ensuite reçu et interprété par le cortex auditif. Comparez les cochlées d’une personne entendante et d’une personne atteinte de surdité.

304

CHAPITRE 14   Entendre la musique 305

304

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s problèmescientifiques Comment préserver son système auditif ? Quelles sont les causes et les conséquences de la surdité ? Comment pallier la surdité ?

Mobilisation des acquis Vu en cycle 4 (SVT) :  elation entre hygiène de vie et conditions d’un bon fonctionnement R du système nerveux. Intérêt des politiques de santé publique pour lutter contre les conduites addictives.

Les grandes idées à construire L e système auditif est fragile, il peut subir des dommages à l’origine de surdité. L’endommagement des cils vibratiles par des stimulations trop intenses est irréversible.

Les compétences travaillées Extraire et organiser des informations. Communiquer.

Les représentations de l’élève Il s’agit ici de sensibiliser les élèves à un enjeu de santé publique. Il est en effet possible que les élèves pensent que les pertes auditives n’apparaissent que tardivement à l’âge adulte. Pourtant plus d’un adolescent sur 10 souffre d’un début de baisse auditive essentiellement liée à une surexposition au bruit entraînant un traumatisme sonore. La perte auditive engendrée est irréversible.

220

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Ce que disent les documents La journée nationale de l’audition (doc. a) a pour objectif d’alerter l’opinion publique sur le lien entre les oreilles et la santé. De nombreuses études attestent qu’un grand nombre de Français souffrent d’acouphènes et de troubles auditifs. Cette journée peut être l’occasion de s’informer, de faire un bilan auditif dans l’un des 2 500 points d’accueil et relais d’information mis à la disposition du public.

1 Le doc. b explique que les cellules ciliées peuvent être soumises à deux effets délétères suite à une exposition excessive aux stimulations sonores : – la rupture des cils suite à une exposition à des intensités excessives ; – l’effet toxique du glutamate à haute dose, libéré au niveau de la synapse entre la cellule ciliée et la fibre neuronique, et qui a un effet sur les neurones auditifs mais aussi sur les cellules ciliées ellesmêmes. Ces effets touchent aussi bien les cellules ciliées internes qu’externes. Les docs. c et d montrent une dégradation des cils vibratiles de la cochlée. ? Des idées de questions : Quelles sont les caractéristiques de la cochlée d’une personne atteinte de surdité suite à un traumatisme sonore ? Quelle(s) hypothèse(s) peut-on formuler ? Comment expliquer cette modification de la cochlée ?

2 L’ensemble du module 2 présente les conséquences primaire et secondaire d’une perte d’audition. La conséquence primaire est une diminution de la perception des aigus. Ceci a pour effet d’impacter la compréhension de la parole, donc des conversations car dans une

conversation, les modulations de fréquences sont importantes pour discriminer les mots d’une phrase. Pour les causes secondaires, il faut relever l’isolement social et le déclin cognitif. ? Idée de question : Quelles sont les conséquences de la modification de la cochlée ?

3 Il existe deux types de traitements des troubles de l’audition. – Les prothèses externes qui correspondent à des amplificateurs sélectifs, permettent de compenser un abaissement des seuils d’audibilité du patient. Ces dispositifs nécessitent que l’oreille interne ait une potentialité fonctionnelle correcte (il reste suffisamment de cellules ciliées fonctionnelles). Le doc. h présente les divers types de prothèses auditives présentes sur le marché, et leur positionnement dans l’oreille externe. – Dans les cas de lésions plus étendues des cellules ciliées, cas où les cellules ciliées sont endommagées (pertes de cils), mais encore partiellement fonctionnelles car pouvant émettre des messages nerveux, on réalise un implant cochléaire qui dispose d’un capteur externe qui analyse les fréquences des sons externes, et produit en retour une stimulation électrique au niveau de l’implant interne placé dans la cochlée (doc. i). La stimulation est délivrée à l’endroit précis correspondant à la fréquence enregistrée [→ doc. b page 301]. ? Idée de question : Comment peut-on pallier au moins partiellement une perte auditive ?

Les

pour préparer votre séance

 oyage au centre de l’audition, la surdité : généralités : V www.cochlea.eu/pathologie. Vidéo sur la notion de capital auditif et de trouble de l’audition : www.youtube.com/watch?v=9nOjBxEhCAA.   Troubles de l’audition : quels sont les progrès ? », entretien avec le « Professeur Jean-Pierre Farriaux, 2015 : www.youtube.com/watch?v=GnR2FnTgUEc.   Vivre avec un trouble de l’audition », RTL, 2015 : « www.youtube.com/watch?v=rHIaG37GoLM.   Implant cochléaire comment ça marche ? », 2015 : « www.youtube.com/watch?v=AYcI7xQH5-c.   Comment fonctionne un implant cochléaire ? », Émission C’est pas « sorcier, 2017 : www.youtube.com/watch?v=S9aHLuA-TVw.   Qu’est-ce qui fait qu’une personne est sourde ? », Émission C’est pas « sorcier, 2017 : www.youtube.com/watch?v=we6f3x31jBU.

LE SAVIEZ-VOUS ?  es recherches ont montré que la surdité des personnes âgées D avait des conséquences délétères sur le cerveau. « En situation d’écoute compétitive, dans un réfectoire bruyant par exemple, le malentendant va mobiliser son lobe préfrontal pour essayer d’isoler certains sons et les analyser », explique Hung Thai-Van. Le fonctionnement normal de cette partie du cerveau, d’ordinaire consacrée à la mémoire de travail (gestion et traitement des informations à court terme), s’en trouve affecté. Le déclin cognitif est ainsi 30 à 40 % plus rapide chez les personnes âgées souffrant de presbyacousie (surdité bilatérale lentement évolutive). Et le risque de démence s’en trouve accru. D’après Tristan Vey, « La perte d’audition accélère le déclin cognitif », Le Figaro.fr Santé, 2014 : sante.lefigaro.fr/actualite/ 2014/01/31/21924-perte-daudition-accelere-declin-cognitif.

C ontrairement à de nombreuses prothèses d’aides auditives qui amplifient les sons (pour les plus simples), ou qui filtrent et amplifient les sons pour les plus perfectionnées, permettant une amélioration quasi immédiate de l’audition, les implants cochléaires sont des dispositifs qui nécessitent une période d’adaptation, car ils ne restaurent pas une audition « normale ». En effet dans le cas des implants cochléaires, on implante une série d’électrodes au long du canal cochléaire, chaque électrode stimulant des fibres associées à une fréquence particulière. En conséquence, pour que ce dispositif fonctionne, il nécessite un système d’analyse des sons, et une transcription de ces sons en algorithme de commande des électrodes. Plus les électrodes sont nombreuses, plus la perception sera fine, mais plus le système d’analyse devra être complexe. Par ailleurs les stimulations nerveuses générées sont différentes de celles d’une audition normale, et nécessitent donc un apprentissage de la part du patient, comme dans le cas des greffes. Si les premiers dispositifs permettaient la compréhension de mots et de conversations, les progrès de l’informatique, de l’analyse spectrale, de la microchirurgie et de la miniaturisation, laissent espérer une perception possible de la musique à moyen terme.

Les parcours possibles Parcours 1 F ormuler une hypothèse sur l’origine d’une surdité liée à un traumatisme sonore.  roposer une stratégie permettant de vérifier l’hypothèse formulée P précédemment.  résenter dans un tableau les causes d’une surdité liée à un P traumatisme sonore, ses conséquences et ses traitements possibles. Parcours 2  ans la perspective d’une présentation orale, préparer un D argumentaire permettant de justifier l’intérêt d’une campagne nationale de préservation de l’audition. Parcours 3  ans le cadre d’une campagne nationale sur les risques liés à D l’audition, vous devez réaliser une affiche complémentaire présentant l’origine des principaux troubles de l’audition et les solutions médicales envisageables.

Indicateurs de réussite Parcours 1 L’hypothèse est vraisemblable et testable. L a stratégie présente ce qu’on va observer, comment on va l’observer et les résultats attendus. L a construction du tableau permet de répondre au problème : comment préserver son système auditif ? Parcours 2 Les enjeux de santé publique sont identifiés. Les risques liés à un traumatisme sonore sont caractérisés. La présentation orale est claire, fluide et se fait sans lecture de notes. Parcours 3 Les enjeux de santé publique sont identifiés. Les risques liés à un traumatisme sonore sont caractérisés. Les solutions médicales sont expliquées.

THÈME 4 ● CHAPITRE 14 ● Entendre la musique

221

CHAPITRE 14 Livre de l’élève IRE HISTO X ENJEU TS DÉBA

La santé auditive

EXPÉR

IENCE

Tester l’âge de vos oreilles

Nombre de personnes (en millions)

Une exposition excessive à des sons trop forts, ou à un environnement trop bruyant sur de longues périodes, peut avoir des effets néfastes, et pas seulement sur l’audition.

Comment sensibiliser la population à ces risques souvent méconnus, en particulier chez les populations de moins de vingt ans ?

OBJECTIF Faire une étude dans son établissement.

900

PROTOCOLE

600

+ de 900

+ de 700

1. Réaliser

CHIFFRES CLÉS

Les décibels au quotidien

3 500

+ de 500 440

un sondage dans votre établissement

300

2. Repérer

les endroits de forte exposition aux bruits

0

1995

2005

2015

2025

Année

Une cartographie du bruit

d. Évolution du nombre de personnes souffrant

d’une perte d’acuité auditive de plus de 25 dB

Consulter les bons gestes

3 500 cellules ciliées qui ne se régénèrent pas

7

millions a. Échelle de tolérance à la douleur en fonction du bruit (en dB) 7 millions de personnes atteintes de presbyacousie en France (15 % seulement sont appareillés)

Télécharger le guide

Datant du 7 août 2017, ce décret est relatif à la prévention des risques liés aux bruits et aux sons amplifiés. Il s’applique aux établissements diffusant de la musique amplifiée. Il vient renforcer les dispositions existantes relatives à la protection du public et du voisinage en abaissant de 105 à 102 décibels le niveau d’intensité sonore légal en boîte et en festival. L’échelle des décibels n’étant pas linéaire, cette mesure revient à diviser par deux l’intensité sonore.

50 % 50 % n’ont jamais consulté un ORL

D’après le Ministère des Solidarités et de la Santé publique.

RESSOURCES Henri-Pierre Penel, « Une question d’oreilles », Sciences et Avenir, rubrique « Test high tech », 2012. www.ecoute-ton-oreille.com www.nosoreilles-onytient.org

c. Décret n° 2017-1244

b. Campagne d’information

f. Temps d’écoute quotidien au casque

ou aux écouteurs selon l’âge (en % de la tranche d’âge interrogée)

e. Recommandations de l’agence nationale de santé publique

En équipes Équipe 1 En exploitant les documents de cette page, et d’autres que vous rechercherez, déterminez les principaux facteurs de risques et les troubles associés à une exposition excessive aux bruits.

et de prévention des risques auditifs chez les jeunes

306

26/06/2019 08:52

s problèmescientifiques C omment sensibiliser la population au risque de surdité, consécutif à un traumatisme sonore ? E n quoi la santé auditive constitue-t-elle un enjeu de santé publique ?

Les grandes idées à construire L es problèmes d’audition constituent des enjeux forts de santé publique. Les populations les plus jeunes sont aussi celles qui sont le plus souvent exposées à un haut niveau de bruit (écouteurs, soirées en discothèque…). En évitant de s’exposer à des sons trop intenses de manière répétée, on protège efficacement son ouïe.

Les compétences travaillées Extraire et organiser des informations. Coopérer et collaborer.

Ce que disent les documents L’infographie avec les chiffres clés permet de lancer le débat sur des faits concrets concernant la santé auditive. Le doc. a replace ensuite l’intensité des bruits du quotidien sur une échelle des seuils pathologiques. Le risque de surdité augmente avec le niveau du bruit. Le seuil de danger est atteint lorsqu’on dépasse les 80 dB. Le décret n° 2017-1244 (doc. c), impose un niveau maximal de bruit autorisé aux établissements diffusant de la musique amplifiée.

222

En commun Réalisez, dans la perspective d’une présentation orale, un poster présentant les principaux facteurs de risque et les troubles associés ainsi que les mesures de prévention.

CHAPITRE 14   Entendre la musique 307

306

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!

Équipe 2 En exploitant les documents de cette page, et d’autres que vous rechercherez, déterminez les principaux moyens de prévention et les comportements permettant de limiter les conséquences d’une exposition excessive au bruit.

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? Des idées de questions : Pour quel niveau de bruit le seuil de danger est-il atteint ? En quoi le décret n° 2017-1244 permet-il de protéger les populations d’une perte auditive ?

Le nombre de personnes souffrant d’une perte d’acuité auditive augmente de manière régulière depuis plusieurs décennies. Ce constat peut être mis en lien avec l’utilisation accrue par les plus jeunes, d’écouteurs sur de longues périodes chaque jour. Il est donc nécessaire de protéger son ouïe en adoptant un comportement responsable (doc. d). La proposition d’étude de terrain permet de contextualiser localement la problématique. Elle peut s’appuyer sur des mesures concrètes des niveaux sonores grâce à des sonomètres. L’objectif peut être, in fine, d’établir la carte du bruit de votre établissement. Parmi les éléments de l’enquête réalisable par les élèves, on retrouve les éléments du graphique (doc. f), mais aussi des possibilités de pistes de prévention soumises aux responsables de l’établissement comme présenté dans le doc. e. Parmi les pistes possibles d’action, on peut aussi signaler l’utilisation du numérique pour faire ressentir aux personnes entendantes ce qu’est le monde pour un malentendant. ? Des idées de questions : Quelle hypothèse peut-on formuler quant à l’augmentation du nombre de personnes souffrant d’une perte d’acuité auditive ? Quelles sont les bonnes pratiques pour préserver son ouïe ?

Ressources numériques : « Monde des sourds », Émission C’est pas sorcier, 2013 : www.youtube.com/watch?v=4IbWf2CsScM.

Les

pour préparer votre séance

 ne autre façon de concevoir une telle séance peut être de collecter U des supports de prévention déjà faits et de demander aux élèves de réaliser une analyse critique, ou alors de leur faire jouer le rôle d’un jury attribuant un prix. E xemples de spot de prévention pour sensibiliser le pubic (jeunes) aux risques de traumatismes auditifs (ARS Martinique) : www.youtube.com/watch?v=lKjf4wdI_dY. Agir pour l’audition – protège ta musique : www.youtube.com/watch?v=m_Vr-agEYfg. Le bruit et les jeunes : www.youtube.com/watch?v=bAWJtcEhWu8. Le capital auditif des jeunes est-il en danger ? Une part importante de jeunes a déjà connu un problème d’audition (douleur, sifflement, bourdonnement, perte brusque d’audition suite à une exposition sonore élevée) % Oui selon les âges 56 %

Oui

58 %

43 %

LE SAVIEZ-VOUS ? 33 %

5% Ne sait pas

 es idées de questions pour amener les élèves à se questionner sur D leur santé auditive : – Combien de temps par jour utilisez-vous des casques pour écouter de la musique ? – Avez-vous déjà ressenti une gêne auditive ? – Avez-vous déjà entendu parler des risques auditifs ? – Citez des moments de la journée où vous vous sentez agressé par le bruit ? – Avez-vous déjà ressenti que le son d’un concert était trop fort ? – Avez-vous déjà ressenti des gênes auditives ou des douleurs dans l’oreille après un concert ou une exposition sonore trop intense ? – Portez-vous des protections auditives lors de concerts ou d’activités bruyantes, si non, pourquoi ? – Avez-vous déjà fait un test auditif ? – Savez-vous que le manque de repos auditif peut aussi endommager l’audition ? – Connaissez-vous la notion de temps de pause auditive ? – Quel est d’après vous l’espace le plus bruyant de l’établissement ? – Connaissez-vous un endroit de l’établissement où réaliser un « repos auditif » ?

Non

21 %

52 %

13-15 ans 16-18 ans 19-21 ans 22-25 ans

L’usage des bouchons d’oreille est loin d’être généralisé : peu de jeunes s’en sont vus proposer en concert/boîte de nuit ou ont l’habitude d’en porter. 4 sur 10 seraient cependant prêts à en utiliser si on le leur proposait. % Oui On vous en a déjà proposé à l’entrée d’une salle de concert ou d’une boîte de nuit Vous avez l’habitude d’en porter dans les discothèques ou lors de concerts Si on vous les distribuait gratuitement à l’entrée d’un concert, d’une boîte de nuit, vous les porteriez systématiquement pendant la soirée

13 %

8%

42 %

 i vous entendez des bruits de manière continue ou intermittente S « dans votre tête » ou « dans votre oreille » sans source sonore dans votre environnement, il s’agit alors d’acouphènes. Dans 95 % des cas, l’origine de ces acouphènes est sans gravité mais ils peuvent notamment être associés à un traumatisme auditif ou à l’âge témoignant d’une certaine usure de l’oreille. L es pertes auditives cachées constituent une pathologie particulière de l’audition, car dans ce cas, les patients se plaignent d’une mauvaise audition, alors que les audiogrammes tonals qu’ils passent ne révèlent aucune anormalité. Pour comprendre cela, il faut revenir au principe de ces audiogrammes où on détecte les seuils d’audition pour chaque fréquence, mais on ne stimule pas l’oreille avec des sons complexes. Dans le cas des pertes auditives cachées, généralement dues à des expositions courtes mais très intenses au bruit, on a pu remarquer que l’origine de la pathologie résidait dans la perte de fibres dans le nerf auditif, généralement causée à une surexposition au glutamate des synapses.

Source : extrait de l’enquête REUNICA-JNA-IPSOS, Février 2012. www.journee-audition.org/pdf/ENQUETE-CAPITAL-AUDITIF-DANGER.pdf.

THÈME 4 ● CHAPITRE 14 ● Entendre la musique

223

CHAPITRE 14 Livre de l’élève SYNTHÈSE Entendre la musique

SYNTHÈSE

MÉMO

SCHÉMA

Podcast Texte DYS

CAPTER LES VIBRATIONS SONORES

Ultrasons

Infrasons

Intensité (en dB)

L’oreille externe canalise les sons du milieu extérieur vers le tympan. Cette membrane vibrante transmet ces vibrations jusqu’à l’oreille interne par l’intermédiaire de l’oreille moyenne. L’être humain peut Limite supérieure de perception percevoir des sons de 120 niveaux d’intensité sonore 100 Champ auditif approximativement compris entre 0 dB et 120 dB. 80 Les sons audibles par 60 Zone les humains ont conversationnelle 40 des fréquences comprises 20 entre 20 Hz et 20  000 Hz. 0

Seuil de perception

20

1K 2K Fréquence (en Hz)

20 K

Un audiogramme permet de déterminer la capacité auditive d’un patient.

A-Z

ENTENDRE LA MUSIQUE

OREILLE

MOTS CLÉS

Cils vibratiles : prolongement cytoplasmique des cellules ciliées qui oscillent avec les vibrations dans le canal cochléaire.

Bilan animé

EXTERNE

MOYENNE

INTERNE

Vibration : mouvement, état d’un corps qui vibre ; effet sonore qui en résulte. Aire cérébrale : partie du cerveau impliquée dans le traitement d’une information nerveuse donnée.

Transmission

Cellule ciliée : cellule de la cochlée responsable de la transformation des vibrations en message nerveux.

Vibrations sonores 0 dB à 120 dB 20 Hz à 20 000 Hz

➞ activité 1

COCHLÉE

CELLULES CILIÉES Traduction des vibrations en message nerveux

CONVERTIR LES VIBRATIONS EN MESSAGE NERVEUX Les cils vibratiles des cellules ciliées de l’oreille interne entrent en résonance avec les vibrations reçues et les convertissent en un message nerveux. L’information nerveuse est véhiculée vers le cerveau via le nerf auditif. Les cils vibratiles sont fragiles et facilement endommagés par des sons trop intenses. Les dégâts sont alors irréversibles et peuvent causer une surdité.

CILS VIBRATILES

➞ activité 2

Conduction du message nerveux

DE LA SENSATION À LA PERCEPTION

NERF AUDITIF

L’IRMf permet de visualiser les zones cérébrales activées suite à un stimulus auditif. Cette technique d’imagerie cérébrale montre que des aires cérébrales spécialisées reçoivent les messages nerveux. Le cortex auditif reçoit et traite l’information auditive. Certaines aires cérébrales permettent, après apprentissage, l’interprétation de l’univers sonore (parole, voix, musique, etc.), en établissant des connexions avec d’autres aires, comme celles qui activent le circuit de la récompense (plaisir).

> 120 dB SURSTIMULATION

CERVEAU

➞ activité 3

Distributions aux autres aires auditives

AIRE AUDITIVE PRIMAIRE · Réception des messages auditifs · Connexion avec les autres aires

SANTÉ AUDITIVE : PRÉVENIR, GUÉRIR Les problèmes d’audition constituent des enjeux forts de santé publique. Le vieillissement « naturel » conduit à une perte progressive de l’audition. Il peut toutefois s’accélérer très fortement en cas d’exposition excessive aux sons trop intenses et traumatiques qui va entraîner une presbyacousie précoce. Les cellules ciliées de l’oreille interne sont alors endommagées de manière irréversible.

AIRES AUDITIVES SECONDAIRES · Perception de la musique

Réception des messages auditifs

➞ activité 4

308

CHAPITRE 14   Entendre la musique 309

308

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SYNTHÈSE Oreille externe

Oreille moyenne

Oreille interne

Vibrations sons 0-120 db 20 à 20 000 Hertz

Oreilles

Transmission

Cellules ciliées

Traduction des vibrations en message nerveux

Nerf auditif

Conduction du message nerveux

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Le schéma bilan représente les différents niveaux de traitement du message nerveux auditif. Une version plus épurée est proposée ci-contre, afin de cerner le double objectif anatomique et fonctionnel de ce schéma. On repère tout d’abord sur le schéma bilan les différentes structures impliquées, représentées ici à des échelles différentes : l’oreille externe, moyenne, interne. Puis on se focalise sur la cochlée, les cellules ciliées et les cils pour comprendre la genèse des messages nerveux (indiqués par des encadrés violets sur le schéma bilan symbolisant le système sensoriel périphérique), puis le nerf auditif et le cerveau (encadrés verts pour le système nerveux central). Dans les encadrés blancs sont décrits les différents processus associés au message auditif : transmission dans l’oreille, traduction des vibrations et codage en message nerveux par les cellules ciliées de la cochlée, conduction du message nerveux par le nerf, réception et traitement du message au niveau des aires auditives primaires, connexions avec d’autres aires cérébrales et construction de la perception musicale.

CORRIGÉS DES EXERCICES Aire auditive primaire

Aire motrice Aires secondaires

Réception des messages auditifs

Connexion avec d’autres aires cérébrales

Perception de la musique

224

POUR S’ENTRAÎNER Étape 1. Pour s’assurer que l’activation de certaines zones du cerveau est bien la conséquence d’une stimulation musicale, il est nécessaire d’établir une comparaison avec un individu qui n’est pas soumis à ce stimulus, c’est l’expérience témoin. Étape 2. Les zones activées par la stimulation musicale ne sont pas directement visibles à la hauteur de coupe proposée par défaut. Il faut donc se déplacer en profondeur dans la masse cérébrale à l’aide des ascenseurs verticaux jusqu’à observer une zone colorée localisant ainsi la partie du cerveau activée par le stimulus. Étape 3. Ici, c’est le cortex cérébral qui a été mis en surbrillance, c’est-àdire la substance grise périphérique des hémisphères cérébraux.

Livre de l’élève MÉTHODE Exploiter des images issues d’IRMf avec IRM virtuelle

Vérifier ses connaissances EXERCICES

QUIZ Énoncé

1

L’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle cérébrale (ou IRMf) est une technique d’imagerie permettant de visualiser indirectement l’activité du cerveau. Des images anatomiques obtenues par IRM sont superposées à des Mettre en place un protocole images montrant des variations locales de consommation de dioxygène permettant de visualiser les des cellules nerveuses traduisant ainsi leur sollicitation par la tâche aires cérébrales activées lors en cours d’exécution par le patient. d’une stimulation musicale. Le logiciel IRM virtuelle de Philippe Cosentino permet de simuler des IRM. Il est accessible soit directement en ligne avec Accéder à l’IRM virtuelle en ligne une version web soit par un exécutable téléchargeable :

Méthode

Application 3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

peuvent générer un message nerveux captent directement les sons extérieurs sont sensibles aux variations lumineuses sont immortelles

L’aire auditive primaire : a est située dans l’oreille interne b est la zone du cortex où arrivent les messages nerveux en provenance de l’oreille interne c est la zone du cerveau qui transforme les ondes sonores en ondes électriques d émet des messages nerveux vers l’oreille interne

4

ÉTAPE 2  Choisir une profondeur de coupe permettant de visualiser les zones cérébrales actives lors du test en utilisant les ascenseurs à gauche de chaque coupe.

6

250

500

1K

2K

4K

Déficience auditive

dB

8K Hz

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

250

500

1K

Oreille droite

Un audiogramme : a se fait sous anesthésie générale b permet d’évaluer les capacités auditives c permet de localiser les aires cérébrales liées à l’audition d mesure la masse de l’oreille externe

des cellules de l’oreille moyenne des nerfs une partie du cerveau des os

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE sur le thème « Entendre la musique ».

ÉTAPE 3  Mettre en surbrillance les structures anatomiques qui peuvent vous aider à vous repérer sur la coupe (ici le cortex cérébral).

Audition normale

a que le patient n’entend aucun son de fréquence de 1 000 Hz b que le nerf auditif ne fonctionne pas c que le patient a une audition normale d que le patient n’aime pas la musique classique

Les osselets sont : a b c d

L’audiogramme ci-dessous montre : dB

est un conduit est une membrane est une cellule nerveuse fait partie de l’oreille externe

Les cellules ciliées : a b c d

ÉTAPE 1  Choisir la situation à tester ainsi qu’une situation témoin qui permettra de comparer l’activité cérébrale.

5

Le tympan : a b c d

2

Parmi les affirmations suivantes, choisissez la réponse exacte.

1

Du bruit à la musique

L’étiquette centrale doit s’intituler

Entendre la musique Associer à l’étiquette centrale, par les moyens graphiques de votre choix, des étiquettes de votre initiative comprenant par exemple les notions suivantes :

Cerveau

Pour s’entraîner

Oreille interne Cochlée

Choisir un protocole permettant de comparer les zones cérébrales activées par l’écoute d’une musique et celles activées par un air de musique chanté par le sujet.

Message nerveux

Cellules ciliées

310

 Sous forme d’un exposé structuré avec introduction et conclusion, et en utilisant le schéma ci-dessus, expliquer comment la perception de la musique est une activité sensorielle complexe qui implique des processus et des structures variées. [➞ fiche méthode 11] CHAPITRE 14   Entendre la musique 311

311

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Bilan. Sur les coupes obtenues par IRMf, on peut observer que les zones activées sont situées dans la partie corticale du lobe temporal ; il s’agit du cortex auditif.

– pour l’oreille externe : tympan et oreille moyenne ; – pour l’oreille interne : cochlée et cellules ciliées ; – pour le cerveau : aire primaire et aire secondaire. L a fonction est précisée : – pour l’oreille externe : transmission du signal sonore jusqu’à l’oreille interne ; – pour l’oreille interne : genèse d’un message nerveux ; – pour le cerveau : entendre la musique et genèse des sentiments.

RÉPONSES DU QUIZ 1.b / 2.a / 3.b / 4.d / 5.c / 6.b

CONSTRUIRE UNE CARTE MENTALE

1

Sentiment Aire secondaire

La musique est une combinaison de sons complexes, associant des sons sur une gamme, des rythmes et des tonalités particulières. Comme tout autre stimulus sonore, ces sons sont captés par l’oreille, et génèrent par l’oreille interne l’émission d’un message nerveux en direction du cerveau.

Cerveau Entendre la musique

Tympan Oreille moyenne

Du bruit à la musique

L’écoute du Boléro de Ravel peut amener à des sentiments de bienêtre et d’exaltation. Comment des combinaisons de sons peuvent-elles générer de tels sentiments ?

Aire primaire

Oreille externe

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Oreille interne

Ces messages nerveux sont tout d’abord traités par les aires auditives primaires et secondaires du cerveau qui réalisent une première sensation.

Cochlée Cellules ciliées Message nerveux

Indicateurs de réussite L es trois grandes structures anatomiques impliquées sont identifiées : oreille externe, oreille interne et cerveau.  our chacune de ces structures, les éléments impliqués dans la P transmission du signal (sonore ou nerveux) sont précisés :

Mais les combinaisons de notes peuvent générer également des messages nerveux secondaires qui vont stimuler des aires supérieures du cerveau, et être à l’origine de sensations comme la tristesse ou la joie. Ces sensations peuvent encore stimuler la mémoire et rappeler de bons ou de mauvais souvenirs. Ainsi la perception de la musique, au-delà d’un simple stimulus nerveux, comme peut l’être la détection de la chaleur par la main, est un processus complexe à la base duquel se trouvent des échanges entre diverses parties du cerveau. THÈME 4 ● CHAPITRE 14 ● Entendre la musique

225

2K

4K

8

Oreille

CHAPITRE 14 Livre de l’élève EXERCICES Extraire des informations 2

Analyser des informations et raisonner EXERCICES 4 Des antibiotiques ototoxiques

Un audiogramme pathologique pour 10 % des moins de 25 ans

OBJECTIF Extraire des informations pour expliquer l’impact de la science sur la société.

Chaque année, une campagne de sensibilisation sur la santé auditive est organisée, elle donne lieu à une campagne média importante. Cet article en est un exemple.

1. Relever dans cet article, les informations relatives à des pathologies auditives. 2. Quelle conséquence la perte d’audition induit-elle ? 3. Quelle mesure préventive est ici recommandée ?

OBJECTIF Extraire des informations pour expliquer l’origine d’une surdité.

doc. Un sens négligé Le constat est alarmant : 10 % des jeunes de moins de 25 ans présentent déjà un audiogramme pathologique, selon une étude réalisée par l’Anses. C’est pourquoi les spécialistes recommandent à tous de se protéger les oreilles lors de concerts ou toute autre exposition à des niveaux sonores élevés. Ce qui arrive trop fréquemment puisque, aujourd’hui, neuf Français sur dix affirment être exposés à un bruit qu’ils jugent excessif, selon les résultats d’un sondage Ifop pour la Journée nationale de l’audition en mars 2016. Paradoxalement, alors que les Français sont conscients des conséquences néfastes du bruit sur leur santé auditive (45 % estiment qu’il fait courir un risque de surdité définitive et 42 % qu’il crée des acouphènes), ils tardent encore à consulter un médecin. « Alors que la presbyacousie débute vers la soixantaine, le premier dépistage est effectué en moyenne vers 67 ans et le premier appareillage vers 72 ans. Pourtant il existe une relation très nette entre perte de l’audition et déclin cognitif. Si votre cerveau passe du temps à essayer de comprendre ceux qui l’entourent, cela lui laisse moins de temps et de moyens pour créer des actions intellectuelles », insiste le Pr. Bruno Frachet, médecin spécialiste en oto-rhino-laryngologie. D’après Anne Prigent, « L’ouïe, un sens précieux trop souvent négligé », Le Figaro, 1er septembre 2009.

Lors de la prise massive de certains antibiotiques, des effets secondaires importants ont pu être observés chez les patients, et plus particulièrement au niveau de l’audition. Ceci pouvant aller jusqu’à une surdité totale. Afin de vérifier cela, des tests sont réalisés sur des cobayes, en pratiquant l’administration de doses croissantes de tobramycine (un antibiotique). Après quelques jours de traitement, des observations de la cochlée sont réalisées. Les résultats sont présentés ci-contre.

15 μm

a. Surface de la cochlée du cobaye non traité

1. Comparer les structures visibles sur les deux clichés. 2. Proposer une explication à l’effet secondaire observé lors de l’emploi de cet antibiotique.

A-Z

ÉTYMOLOGIE

Ototoxique : dérivé de « toxique » associé au préfixe oto- (« oreille »).

b. Surface de la cochlée du cobaye traité

3

Excès de décibels et oreille interne

5

OBJECTIF Pratiquer des étapes de la démarche scientifique.

Afin d’étudier les effets d’un traumatisme sonore aigu, des chinchillas sont soumis à une stimulation de niveau d’intensité sonore de 132 dB pendant 20 minutes. On observe ensuite les cellules ciliées de la cochlée.

1. Relever les différences entre les deux clichés. 2. Proposer une hypothèse quant à l’effet d’un stress sonore extrême sur les cellules ciliées.

Accident cérébral et amusie

OBJECTIF Extraire des informations pour expliquer l’origine de l’amusie.

Un patient ayant été hospitalisé pour un accident vasculaire cérébral se rend quelques semaines après chez son neurologue et lui signale que, bien qu’ayant toujours apprécié la musique, il ne ressent plus aucune émotion à l’écoute de ses morceaux préférés. Un audiogramme révèle une légère perte auditive sur les hautes fréquences (> 2 000 Hz), n’expliquant pas le symptôme du patient.

10 μm

b. Cliché réalisé au cours du test

1. En comparant l’imagerie cérébrale de ce patient avec la carte des aires cérébrales de l’activité 3, proposer une hypothèse quant aux conséquences possibles de cette lésion. 2. Quelles indications semblent apporter les résultats des tests pratiqués sur ce patient ?

de localiser (en indigo) la zone atteinte Portraits 5

9

4,5

8 7 6 5 4 3 2 0

Joie

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Un audiogramme pathologique pour 10 % des moins de 25 ans

1. La presbyacousie et les acouphènes sont des pathologies auditives. 2. La perte d’audition entraîne un déclin cognitif. 3. La recommandation préventive est une protection des oreilles lors des concerts ou lors d’exposition à des niveaux sonores élevés.

Tristesse

Peur

Sérénité

1

Joie

Tristesse

Peur

Sérénité

Patient

b. Histogrammes des résultats des tests

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4 Des antibiotiques ototoxiques 1. À la surface de la cochlée du cobaye non traité par l’antibiotique (doc. a), on observe que les cils vibratiles des cellules ciliées forment une ligne et des chevrons disposés régulièrement. À la surface de la cochlée traitée par l’antibiotique (doc. b), la ligne de cils à disparue, et certains chevrons de cils ont également disparu. 2. Les effets secondaires auditifs, pouvant aller jusqu’à une surdité totale, observés chez les patients prenant ces antibiotiques, pourraient être dus à la destruction des cils vibratiles des cellules ciliées de l’oreille interne, ce qui empêcherait la genèse du message nerveux, et donc la sensation auditive.

Excès de décibels et oreille interne

1. Par rapport au cliché a, on remarque que les cils vibratiles des cellules basales ont été littéralement arrachés de même qu’une partie de la cellule sur le cliché b. 2. Un stress auditif extrême peut aboutir à la mort des cellules, et donc à l’absence de transmission de message nerveux entre l’oreille interne et le cerveau. Cette hypothèse pourrait être testée en enregistrant les messages sur le nerf auditif avant et après un stress.

226

3

2

CHAPITRE 14   Entendre la musique 313

CORRIGÉS DES EXERCICES

3

3,5

2,5

Individu témoin

312

2

4

1,5

1

312

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Musique

10 Intensité de l’émotion

a. Cliché de référence

a. Imagerie cérébrale du patient permettant

Nombre de catégorisations correctes

Différentes expériences sont réalisées, en particulier pour tester l’émotion associée à des portraits présentés au patient. Mais tout est normal. Pour finir, des tests sont réalisés en faisant écouter divers morceaux de musique au patient après lui avoir demandé de les classer en quatre types : joie, tristesse, peur, sérénité. On demande au patient ce qu’il ressent personnellement sur une échelle de 1 à 5. Les résultats sont présentés ci-contre.

5

Accident cérébral et amusie

1. D’après la description des symptômes, et la localisation de la lésion, on peut penser qu’il s’agit d’une atteinte de l’aire auditive secondaire. 2. D’après les résultats de ces tests, même si une perception primaire des sons est réalisée, peu d’associations semblent se faire avec les autres parties du cerveau.

Livre de l’élève EXERCICES

EXERCICES

Vers le BAC exercice guidé

exercice non guidé Vers le BAC a. Transmission d’énergie acoustique

6 Vieillissement et audition

La transmission de l’énergie acoustique se fait habituellement via la conduction aérienne (pavillonconduit auditif-tympan-osselets-cochlée) mais peut se faire aussi par conduction osseuse directement à la cochlée. Une pathologie touchant l’oreille externe et/ou moyenne entraînant une surdité de transmission du son a pour conséquence des niveaux auditifs meilleurs en conduction osseuse qu’en conduction aérienne. Il n’y a pas de différences de niveaux auditifs dans une atteinte de l’oreille interne ou nerf cochléaire entre la conduction aérienne et osseuse : surdité de perception pure.

OBJECTIFS Mettre en relation des informations pour

expliquer l’origine de la presbyacousie – Exploiter des documents – Rédiger une argumentation scientifique. Afin de caractériser la presbyacousie, certains résultats expérimentaux sont présentés ci-dessous. Mettre en relation les résultats expérimentaux de ces documents pour déterminer la cause de la presbyacousie.

Audition normale

Surdité de transmission 0 Perte d’audition (en dB)

Stade sain

Perte d’audition (en dB)

0 – 20 – 40 – 60 – 80 – 100 – 120

– 60 – 80 – 100 – 120

250 500 1 K 2 K 4 K 8 K Fréquence de l’audition (en Hz)

Stade 1 de presbyacousie

– 20 – 40

Surdité de perception

Surdité mixte

surface d’une cochlée humaine

Perte d’audition (en dB)

0

– 20 – 40 – 60 – 80 – 100 – 120

250 500 1 K 2 K 4 K 8 K Fréquence de l’audition (en Hz)

GUIDE D’EXPLOITATION

3 Mettre en relation les résultats du doc. d, avec ceux du doc. b, afin de confirmer votre hypothèse. 314

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– 60 – 80

Oreille droite

0

– 100

– 20

– 120

– 40 – 60

250 500 1 K 2 K 4 K 8 K Fréquence de l’audition (en Hz)

– 80

Conduction osseuse (CO) – 100

Conduction aérienne (CA) 2K 4K Fréquence de l’audition (en Hz)

Oreille droite

Perte d’audition (en dB)

0

– 20 – 40 – 60 – 80 – 100 – 120

8K

Oreille gauche

0 Perte d’audition (en dB)

2 Analyser les graphiques du doc. d, puis les comparer aux graphiques du doc. c pour établir un diagnostic sur l’origine de la surdité.

– 20 – 40

– 120 c. Différents types de surdité en audiométrie tonale 250 500 1K

250

500 1K 2K 4K Fréquence de l’audition (en Hz)

8K

– 20 – 40 – 60 – 80 – 100 – 120

250

500 1K 2K 4K Fréquence de l’audition (en Hz)

Conduction osseuse (CO)

Oreille gauche

8K

Conduction aérienne (CA)

Exploiter des documents – Rédiger une argumentation scientifique.

En vous appuyant sur l’exemple de la pathologie de Maurice Ravel, montrer que la pratique de la musique implique de nombreuses activités cérébrales.

a. « C’est fini, je ne peux plus écrire ma musique » Le premier document faisant état d’une prise de conscience par Ravel d’une incapacité à composer date de novembre 1933. Il s’était alors confié à son amie Valentine Hugo en lui disant : « je ne ferai jamais ma Jeanne d’Arc ; cet opéra est là, dans ma tête, je l’entends mais je ne l’écrirai jamais. C’est fini, je ne peux plus écrire ma musique. » Bien que Ravel ait fréquemment fait part à ses amis de cette incapacité à transposer soit en sons (par le chant), soit en notes (par l’écriture musicale), soit en gestes (en jouant au piano) les airs et harmonies qu’il disait « entendre dans sa tête », son médecin, le Dr Alajouanine ne s’est pas penché directement sur ce déficit central de la maladie de Ravel. Ce qui ressort de l’examen mené par Dr Alajouanine est une dissociation entre les aspects auditif, réceptif et interprétatif de l’expérience musicale, qui sont essentiellement préservés, et les aspects productifs et expressifs, qui ne peuvent plus être réalisés. Ainsi Ravel ne pouvait plus déchiffrer une partition, copier une partition, jouer des morceaux de musique au piano (à l’exception du début de certaines de ses propres compositions), effectuer une dictée musicale (nommer des notes entendues ou les transcrire sur une portée), composer. Il avait toutefois conservé certaines capacités à écrire sur une portée des notes dont le nom lui était donné, et il pouvait écrire et chanter de mémoire quelques-unes de ses compositions, avec fautes et hésitations toutefois. De plus, il parvenait à reconnaître une œuvre de musique à partir de la partition (qu’il ne pouvait toutefois pas jouer) et était également capable de jouer les gammes, majeures et mineures, au piano. Ses capacités perceptives et auditives n’étaient pas affectées, qu’il s’agisse des sons, des mélodies ou des rythmes. La mémoire de ses propres compositions était intacte jusque dans les plus petits détails, de sorte qu’il détectait la moindre erreur, autant au niveau des notes qu’à celui des aspects plus qualitatifs reliés aux nuances d’interprétation de ses œuvres. En fait, jusqu’à la fin de sa vie, il sera capable de conseiller les interprètes de ses compositions avec la perspicacité et la précision qui l’ont toujours caractérisé. Ainsi, il fournira en 1937 au pianiste Jacques Février des conseils utiles à l’exécution du Concerto pour la main gauche et, durant l’été de la même année, il corrigera Francis Poulenc et Madeleine Grey qui s’étaient permis certaines libertés mineures dans l’exécution de mélodies de sa composition. La maladie de Ravel consiste donc en une atteinte sélective de fonctions impliquées dans la transposition d’informations d’une modalité à une autre, c’est-àdire la traduction d’informations auditives et/ou visuelles en activités motrices, ou d’informations auditives en leurs représentations visuelles et vice versa, sans qu’aucune des modalités majeures ne soient affectées en elles-mêmes. D’un point de vue purement moteur, Ravel ne démontre pas de déficit et peut même jouer les gammes au piano ; il ne présente aucun trouble de la sphère auditive. À partir des divers documents portant sur les dernières années de sa vie, il peut aussi être établi que, dans le domaine visuel, il ne souffrait ni de négligence spatiale, ni de difficultés d’orientation ou encore de perte de mémoire topographique, et il n’avait ni agnosie d’objet ni prosopagnosie. D’après Médecine sciences n° 1, janvier 1993.

d. 0Surdité de perception bilatérale symétrique Perte d’audition (en dB)

1. Comparer les courbes du doc. c et déterminer les caractéristiques de l’audiogramme associées à chaque pathologie.

Perte d’audition (en dB)

b. Observations de détail de la

Perte d’audition (en dB)

0

Stade 2

250 500 1 K 2 K 4 K 8 K Fréquence de l’audition (en Hz)

7 La maladie de Ravel OBJECTIFS Extraire des informations pour montrer le rôle du cerveau dans la perception musicale –

dans le cadre d’une presbyacousie avancée

b. Maurice Ravel (1875-1937)

Aire de Wernicke

Lobule pariétal inférieur

c. Représentation schématique du cerveau

La région bleue correspond aux zones corticales dont la lésion provoque les déficits dont Maurice Ravel souffrait.

A-Z

ÉTYMOLOGIE

Agnosie : du grec ancien αγνωσια (agnôsia, signifiant « ignorance »), formé ~σις du préfixe privatif α- (a-) et de γνω (gnôsis, « connaissance »). Ce terme caractérise l’incapacité de reconnaître un objet ou un élément du réel, alors que les qualités sensibles sont perçues par fonctions sensorielles restées intactes. Prosopagnosie : mot formé des éléments prosopo- (« visage ») et agnosie, avec amuïssement du o. Les patients atteints de ce trouble neurologique perdent la capacité d’identifier des individus par la vue de leur visage.

– 20

CHAPITRE 14   Entendre la musique 315

315

– 40 – 60 – 80 – 100 – 120

26/06/2019 08:52 250

500 1K 2K 4K Fréquence de l’audition (en Hz)

Conduction osseuse (CO)

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26/06/2019 08:52

8K

Conduction aérienne (CA)

CORRIGÉS DES EXERCICES

6 Vieillissement et audition 1. D’après les audiogrammes, la surdité de transmission se manifeste par une diminution globale de la conduction aérienne d’environ –40 dB par rapport à la transmission osseuse. La surdité de perception affecte l’audiogramme en transmission aérienne et celui en transmission osseuse, avec une accentuation dans les hautes fréquences. Sur l’audiogramme de surdité mixte, les deux modes de transmission sont affectés mais la transmission aérienne l’est davantage. 2. L’analyse des graphiques du doc. d montre que l’audiogramme en transmission aérienne et celui en transmission osseuse sont affectés au niveau des deux oreilles, avec une accentuation dans les hautes fréquences. Il s’agit donc probablement d’une surdité de perception. L’étude des clichés de surface cochléaire montre une altération des cils vibratiles. Les cellules ciliées vont donc dégénérer et il n’y aura plus genèse de message nerveux. Ceci confirme l’hypothèse d’une surdité de perception.

7 La maladie de Ravel Comme l’explique le texte à propos de la pathologie de Maurice Ravel, la pratique de la musique, interprétation ou composition, implique le recrutement fonctionnel de nombreuses aires cérébrales comme les aires motrices, pour écrire ou chanter, ou encore les aires de la mémoire pour reconnaître un morceau. Ces aires communiquent entre elles grâce à des voies nerveuses préexistantes, qui sont donc en partie innées. Le texte montre par ailleurs que même si les aires impliquées jouent souvent des rôles multiples, la pathologie dont souffre Maurice Ravel ne semble essentiellement affecter que les interrelations musicales. Remarque : l’origine de la pathologie de Maurice Ravel n’est pas précisément connue. L’élément déclencheur semble être un accident de la circulation survenue le 8 octobre 1932. À partir de cette date, il n’a plus composé. Les examens cliniques de l’époque n’ont pas révélé d’atteinte anatomique évidente. Outre l’article présenté dans le doc. a, un article de l’Académie des lettres et sciences de Montpellier amène quelques hypothèses : www.ac-sciences-lettres-montpellier.fr/academie_edition/fichiers_ conf/DANAN2007.pdf.

THÈME 4 ● CHAPITRE 14 ● Entendre la musique

227

THÈME 4 Livre de l’élève EXERCICES

EXERCICES

Vers le BAC

Vers le BAC

Compression dès l’enregistrement c. et le mixage d’une chanson

Exercice interactif

QUIZ

Parmi les affirmations suivantes, choisissez la réponse exacte.

1

Un signal périodique non sinusoïdal : a a forcément une fréquence nulle b peut être associé à un son pur c peut se décomposer en une somme de signaux sinusoïdaux d ne peut pas se décomposer en une somme de signaux sinusoïdaux

3

Des gammes à intervalles égaux ont pu être construites à partir du xviie siècle grâce à la connaissance : a des nombres entiers b des nombres décimaux c des nombres rationnels d des nombres irrationnels

2

La fréquence fondamentale f d’un son émis par une corde vibrante de longueur L et de masse linéique μ, subissant une tension de norme T, est telle que :

4

Plus la numérisation d’un signal analogique sonore est fidèle, plus : a la taille du fichier audio est petite b la taille du fichier audio est grande c le niveau d’intensité sonore du son est petit d le niveau d’intensité sonore du son est grand

1 T f = x . La fréquence fondamentale du son 2L µ

émis par une corde de guitare de longueur L = 65,5 cm, de masse linéique µ = 6,01 g·m-1 et subissant une tension de norme T = 70,0 N, vaut : a f = 8,24 x 10-1 Hz b f = 2,61 Hz c f = 82,4 Hz d f = 164 Hz

OBJECTIF

BAC

5

L’oreille externe : a canalise les sons du milieu extérieur vers le tympan b transmet les vibrations jusqu’à l’oreille interne c traduit les vibrations en un message nerveux qui se dirige vers le cerveau d reçoit les messages nerveux auditifs

Numérisation d’un son et compression OBJECTIFS Exploiter des documents –

Contrôler des calculs – Rédiger une argumentation scientifique.

La compression consiste à diminuer la taille d’un fichier numérique afin de faciliter son stockage et sa transmission, mais on utilise ce même terme dès la phase d’enregistrement et de mixage d’une chanson. En effet, lorsqu’un chanteur chante le début d’une chanson, il commence à chanter doucement. Il faut alors augmenter le niveau d’intensité sonore pour bien l’entendre. Et puis vient le refrain qui est chanté plus fort. Ainsi, lors du mixage de la chanson, il faut atténuer le son au-delà d’un certain niveau d’intensité sonore, ce qui a pour conséquence de réduire l’écart entre les sons les plus faibles et les sons les plus forts.

Tension

L’exposition à un bruit intense, si elle est prolongée ou répétée, peut provoquer des lésions graves du système auditif qui peuvent être irréversibles. Notre capacité à comprendre ce que les autres nous disent est liée à l’état de nos cellules ciliées. Or, ce sont les premiers éléments à être endommagés par une exposition trop importante au bruit. Les cellules ciliées endommagées ne sont pas remplacées ; leur perte est irréversible et responsable de troubles définitifs de l’audition. L’oreille peut être endommagée bien avant que l’on ne ressente une quelconque douleur. Le seuil de danger pour l’oreille se situe à 90 décibels (dB) alors que le seuil de douleur lui se situe à 120 dB. Les atteintes de l’audition dépendent notamment du niveau d’intensité sonore, de la durée et de la fréquence de l’exposition et elles peuvent prendre plusieurs formes : – une surdité ou une perte auditive ; – des acouphènes, c’est-à-dire des sifflements ou bourdonnements d’oreilles, entendus sans cesse, jour et nuit, sans aucun stimulus sonore extérieur ; – une hyperacousie qui désigne une intolérance aux bruits, même les plus banals.

QUESTIONS

Convertisseur numérique analogique Système numérique

CNA

Signal analogique d’entrée

Signal analogique de sortie

Un son engendre des variations de pression de l’air qu’un microphone peut convertir en signal électrique analogique. Pour être utilisé dans un smartphone ou un ordinateur, il est indispensable de numériser ce signal. Un des paramètres à régler lors de la numérisation est la fréquence d’échantillonnage, qui doit être suffisamment grande. En effet, si celle-ci est trop faible, les variations rapides du signal ne pourront pas être retranscrites. D’après www.culturesciencesphysique.ens-lyon.fr.

Temps

1 Tension

2

Temps Tension

Temps

Temps

b. Exemples d’échantillonnage d’un même signal

électrique pour deux fréquences d’échantillonnage différentes

Pour chacune des deux premières questions, indiquer la ou les bonne(s) réponse(s) : 1. Un signal analogique est un signal : a. continu b. discontinu c. constitué de « 0 » et de « 1 » d. pouvant prendre une infinité de valeurs 2. Les techniques de compression spécifiques au son diminuant la taille d’un fichier numérique : a. permettent de convertir un signal analogique en un signal numérique b. permettent de ne perdre aucune information par rapport au fichier original c. éliminent forcément des informations par rapport au fichier original d. éliminent des informations auxquelles l’oreille est très sensible

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RÉPONSES DU QUIZ 1.c / 2.c / 3.d / 4.b / 5.a

CORRIGÉ DE L’EXERCICE 1. Réponses a et d. 2. Réponse c. 3. a. La période d’échantillonnage, c’est-à-dire la durée entre deux mesures, est plus grande dans le deuxième échantillonnage que dans le premier. Comme la fréquence d’échantillonnage fe et la période d’échantillonnage Te sont liées entre elles par la relation fe = 1/Te , la fréquence d’échantillonnage, c’est-à-dire le nombre de mesures par seconde, est plus petite dans le deuxième échantillonnage que dans le premier. Ainsi, l’échantillonnage qui a été effectué avec la plus petite fréquence d’échantillonnage dans le doc. b est le deuxième échantillonnage. b. Dans le doc. b, si on relie horizontalement entre eux les points noirs des signaux numériques, on observe que le signal numérique du premier échantillonnage est assez fidèle au signal analogique alors que celui du deuxième échantillonnage n’est pas fidèle. Or, si on considère le signal analogique comme un signal périodique, on peut estimer que la fréquence d’échantillonnage du premier échantillonnage est environ 4 fois plus grande que celle du son alors que la fréquence d’échantillonnage du deuxième échantillonnage est environ égale à celle du son. Cela confirme donc bien l’affirmation donnée dans l’énoncé de cette question : la reproduction fidèle d’un signal analogique nécessite une fréquence d’échantillonnage élevée, au moins le double de celle du son.

228

140

1

120

10–2

100

avion au décollage

110

10–4

seuil de douleur concert

90 85

klaxon seuil de danger seuil de risque

70

automobile salle de classe

80

10–6

60

10–8

40 30

chambre à coucher

10–10

20

vent léger

50

10

10–12

0 seuil d’audibilité L (en dB)

f. Niveau d’intensité sonore L et intensité sonore I

3. a. Indiquer quel est l’échantillonnage qui a été effectué avec la plus petite fréquence d’échantillonnage dans le doc. b. Justifier la réponse. b. En se basant sur le doc. b, expliquer pourquoi la reproduction fidèle d’un signal analogique nécessite une fréquence d’échantillonnage au moins double de celle du son. 4. a. Indiquer la variation d’intensité sonore d’un son dont le niveau d’intensité sonore a diminué de 10 décibels (dB), puis expliquer pourquoi le niveau d’intensité sonore est exprimé en décibel selon une échelle logarithmique. b. Lors du mixage d’une chanson dans un studio d’enregistrement, le son est atténué au-delà d’un certain niveau d’intensité sonore. En utilisant des connaissances et certains documents, rédiger un texte de quelques lignes indiquant, en les justifiant, les conséquences sur la santé des auditeurs si cette étape d’atténuation du son n’était pas réalisée. THÈME 4

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102

130

D’après l’INPES, inpes.santepubliquefrance.fr. Tension

CAN

I (en W.m–2)

e. Fragilité du système auditif

a. Numérisation d’un son Convertisseur analogique numérique

d. Enregistrement et mixage d’une chanson

D’après www.monter-son-home-studio.fr.

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4. a. D’après le doc. f, si le niveau d’intensité sonore d’un son a diminué de 10 dB, son intensité sonore a été divisée par 10. De même, si le niveau d’intensité sonore d’un son a diminué de : 10 dB + 10 dB = 20 dB, son intensité sonore a été divisée par : 10 × 10 = 100. Le niveau d’intensité sonore est exprimé en décibel selon une échelle logarithmique car les graduations de cette échelle sont telles que le rapport entre deux graduations à distance constante est égal à 10. b. Lors du mixage d’une chanson dans un studio d’enregistrement, le son est atténué au-delà d’un certain niveau d’intensité sonore. En effet, si cette étape d’atténuation du son n’était pas réalisée, le niveau d’intensité sonore de la chanson pourrait dépasser le seuil de danger (c’est-à-dire 90 dB). Cette exposition à un bruit intense, si elle était prolongée ou répétée, pourrait alors endommager les cellules ciliées très fragiles, qui sont indispensables à l’audition. Cela pourrait provoquer des lésions graves du système auditif, comme par exemple une surdité ou une perte auditive, irréversibles ou non, des acouphènes ou une hyperacousie.

ARTICLE EN SUR LES LIENS ENTRE LES AIRES AUDITIVES ET LES AUTRES AIRES CÉRÉBRALES Lorsqu’un animal est engagé dans une tâche impliquant une écoute attentive, certains neurones de son cortex auditif sont inhibés ; un phénomène qui, pour étonnant qu’il puisse sembler, est en réalité très logique et extrêmement utile : c’est ce qui nous rend capable, par exemple, d’« étouffer » le bruit d’une foule pour mieux entendre un interlocuteur précis. Mais on sait par ailleurs que la zone cérébrale qui préside au mouvement peut aussi contrôler certains neurones du cortex auditif.

Livre de l’élève LE C IN DES SCIENCES

SUPPLÉMENT

LE C IN DES SCIENCES Des îlots de silence dans la ville Sciences

Risques d’acouphènes

Sciences

&

SOCIÉTÉ

Fiche métier

Les animaux n’entendent pas les mêmes choses que nous

& URBANISME

UR INGÉNIE SON DU Bac + 2 à Bac