ENSEIGNER
mardi 12 décembre 2017
icar Vesion anglaise

THEME: 2nde- Exploration de l'espace, de l'atome aux galaxies
  -  _ (Anciens programmes)  -  Physique

Activité 5: L'année de lumière : une unité de distance

 

Une année de lumière est la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant une année.
Le symbole de cette unité de distance est a.l..

ATTENTION, l’année de lumière est bien une unité de distance  et non de temps…

1. La lumière émise par Proxima du Centaure (étoile la plus proche de notre système solaire) met 4,3 années pour atteindre la Terre.
Quelle est la distance, en années de lumière, entre cette étoile et la Terre ?

2. Antarès est une étoile située à 170 années de lumière de la Terre.
a. Combien de temps la lumière émise par Antarès met-elle pour nous parvenir ?
b. Comment est-il possible que certains scientifiques pensent que cette étoile s'est déjà éteinte alors qu'elle est encore visible dans le ciel ?

3. Calculer la distance en mètre parcoure par la lumière en une année.

4. En déduire la valeur d'une année de lumière en mètre. 1 a.l. = . . . . . . . . .m.

5. Quel est, en mètre, l'ordre de grandeur de l'année de lumière.

6. a. Calculer la distance, en kilomètre, entre Proxima du Centaure et la Terre.
b. A partir de cet exemple indiquer l’intérêt qu’il y a à exprimer les distances des astres en année de lumière.

7. Combien de temps (en minutes) la lumière met-elle pour nous parvenir du Soleil ? Est-ce que l'année de lumière est une unité adaptée pour la distance Soleil-Terre ? Proposer une autre unité plus adaptée (ni l'année de lumière, ni le mètre).


But: L'année de lumière : une unité de distance

 Réinvestir les notions vues lors des activités précédentes (ordres de grandeurs, puissances de dix, etc) pour construire une unité adaptée aux distances astronomiques : l’année de lumière.
 Faire le lien entre la valeur d’une distance en années de lumières et le temps de parcours de la lumière sur cette distance.
 Comprendre que plus un astre observé est lointain, plus les images qui nous parviennent sont vieilles : « voir loin, c’est voir dans le passé » (formulation retenue dans le BO).

Préparation: L'année de lumière : une unité de distance

Durée:30 min environ, correction comprise.
Les activités 1, 2 et 4 doivent avoir été traitées et corrigées (tandis que l’activité 3 n’est pas indispensable) pour traiter cette dernière activité, qui réinvestit les outils abordés : puissances de dix, ordres de grandeurs.
Le professeur pourra conclure l’activité en donnant des repères sur les distances astronomiques dans l’univers : l’année de lumière est l’unité adaptée pour exprimer les distances entre étoiles dans notre galaxie. Mais la galaxie (Andromède) la plus proche de la nôtre est à 2,2 millions d’années de lumière… L’a.l. ne dispense donc pas le physicien d’utiliser des puissances de dix !

Savoir: L'année de lumière : une unité de distance

On cherche dans cette activité à illustrer comment la vitesse de la lumière peut être utile pour quantifier les distances en jeu dans l'univers. On essaie ainsi de justifier l'usage de cette nouvelle unité de distance adaptée à l’astronomie : l’année de lumière (communément appelée année – lumière et récemment rebaptisée dans le programme de seconde).
L'ordre des questions posées a été pensé de façon à d'abord donner du sens à l'unité avant de faire la conversion numérique avec les mètres.
Ce travail permet aux élèves de réinvestir ce qu’ils ont appris sur les puissances de dix, les ordres de grandeurs, etc. Mais cela permet aussi de donner du sens aux notions de grandeur physique et de valeur. . Ici, on réfléchit sur les grandeurs temps et distance.
En effet la distance entre deux points exprimée en a.l. et la durée du parcours de la lumière entre ces deux points ont des valeurs qui s’écrivent avec le même nombre mais avec deux unités différentes. Il faut donc s’interdire de dire qu’il s’agit de deux valeurs égales ! Cela peut donc être l’occasion de mettre le doigt sur une difficulté sans doute non résolue par les élèves à ce stade, concernant la définition que le physicien donne au mot valeur d’une grandeur physique : un nombre accompagné d’une unité.

Comportement des élèves: L'année de lumière : une unité de distance

Qu’on utilise année-lumière ou année de lumière, le risque reste grand pour les élèves de considérer que cet « étalon » est une durée (et dans ce cas une année). Il faut donc s’attendre à devoir fortement insister sur le fait que l’année de lumière est une unité de distance. L’expression année de lumière est sensée diminuer ce risque mais elle nécessite toujours d’être suffisamment expliquée et utilisée pour que les élèves puissent lui donner du sens. Si on voulait être plus explicite encore il faudrait dire « parcours annuel de lumière ». Année de lumière pourrait désigner du point de vue de certains élèves la durée pendant laquelle on reçoit de la lumière à un endroit donné (une plante bien exposée, reçoit de l’ordre d’une année de lumière durant deux ans…) ; cela peut laisser penser qu'on quantifie la lumière "par année". Une année de lumière pourrait être vue comme la quantité d'énergie qu'on reçoit pendant un an en étant "au soleil"… Ou dans une version plus caricaturale et saugrenue, comme on a pu le relever dans un "bêtisier", l'année de lumière est "une année durant laquelle il fait toujours beau" !
Ces exemples qui donnent à sourire illustrent la difficulté d'appréhension de cette unité, et les quiproquos que l'expression "année de lumière" elle-même peut engendrer.
Les élèves ont donc beaucoup de mal à se représenter l'année-lumière comme une distance. Même si certains font preuve d'une certaine vigilance ponctuellement, il ne faut pas s'étonner que les mêmes "chutent" dans de nouvelles situations plus déstabilisantes.
Commencer par utiliser des unités construites sur le même principe comme la seconde-son (ou la seconde de son) par exemple (environ 340 m donc) ou même la minute-son peut aider à la compréhension parce que les distances-étalons ainsi engendrées sont appréhendables par les élèves, ils peuvent se les représenter. Mais les raisonnement menés avec la seconde-son peuvent ne plus avoir lieu une fois transposés à l'année de lumière car les élèves ne perçoivent pas la distance représentée par cette unité, elle dépasse largement les distances en jeu dans la vie courante et empêche ainsi de se faire une représentation des distances qui vont être quantifiés en années de lumière.
L'activité est assez calculatoire : il faut veiller à ce que les difficultés liées aux calculs n’occultent pas le sens des concepts.
On peut s’attendre à ce que les élèves butent encore sur les conversions d’unités (secondes en années, m en km ; pire : m.s-1 en cm.h-1).

Corrigé: L'année de lumière : une unité de distance

1. Proxima du Centaure est situé à 4,3 années de lumière de la Terre.
2. a
) La lumière d’Antarès met 170 années pour nous parvenir.
b) Cela signifie que les images d’Antarès qui nous parviennent ont 170 ans. Or Antarès est une étoile en fin de vie. À l’heure actuelle il est donc envisageable qu’elle soit éteinte, mais nous n’observerons son extinction que 170 ans après qu’elle ait effectivement lieu.
3. En une année la lumière parcourt 365 × 24 × 60 × 60 × 3,00 . 108 m soit 9,46 . 1015 m
4. On a donc 1a.l. = 9,46 . 1015 m
5. L’ordre de grandeur de l’année de lumière est 1016 m.

6. a
) La distance entre Proxima du Centaure et la Terre est 4,3 années de lumière. En faisant la conversion en mètres on trouve : 4,3 x 9,46 . 1015 m = 4,1.1016 m soit 4,1.1013 km.
b) L’a.l. est une unité adaptée aux distances astronomiques. De plus la distance en a.l. entre deux astres correspond à la durée du parcours de la lumière entre ces deux astres exprimée en années.
7. D’après les distances extraites de l’activité 1 on trouve la durée du parcours de la lumière entre le Soleil et la terre :
Dt = 8,33 min
Une unité de distance plus adaptée pour exprimer la distance Terre Soleil serait la minute de lumière, définie par analogie avec l'année de lumière. Ainsi, le soleil est situé à une distance de 8,33 minutes de lumière de la Terre. On peut s'entraîner en faisant la conversion en mètre : 1 min.l. = 60 × 3,00 . 108 = 1,80 . 1010 m.