dossier peda planet lycée

8/8/2019 dossier peda planet lycée

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Le planétariumitinérant en lycée

NGC 2074 - Crédit: NASA, ESA



Vers. 2.0.0

Le planétarium itinérant en lycée

Ce livret est un dossier d'accompagnement d'une séance de planétariumproposée à des lycéens.Il est en constitué de notions vues durant la séance, de compléments et

de questions.Des questions numérotées sont posées soit dans le texte, soit dans lesencarts.

Sommaire

Des objets de natures différentes P 3

Le ciel et les constellations P 4

Des étoiles différentes ? P 11

Les planètes du Système solaire P 14

Crédits photos :Tous les schémas : Espace Mendès FrancePages 5, 7 : Uranographia Johannes HeveliusPage 8 : NOAOPage 11 : Stellarium

Vie des étoiles P 13

Des angles pour repérer les astres P 10

Les unités de distances P 15



Des objets de natures différentes

Qu'est-ce qu'un astre ?Ce nom est très pratique car il désigne tout objet céleste :le Soleil, une planète, une comète, un astéroïde, une galaxie,

etc.

Qu'est-ce qu'une étoile ?Pour l'observateur, une étoile est un point de lumière fixedans le ciel (à l'échelle de vie d'un individu) qui appartient àune constellation.Pour le physicien, une étoile est un objet qui émet de lalumière grâce à des réactions nucléaires qui se produisent enleur centre.

Qu'est-ce qu'une planète ?Pour l'observateur, une planète est un astre qui se déplace aucours du temps devant les étoiles et constellations. Cedéplacement se fait généralement d'Ouest en Est.Une planète peut-être rocheuse ou gazeuse, elle tourneautour de son étoile.

Les petits corpsLes petits corps appartiennent à la dernière famille d'objets du

Système solaire, dans laquelle sont identifiés les astéroïdes,les comètes et les objets trans-neptuniens.

Cinq planètes sont visibles àl'œil nu : Mercure, Vénus,Mars, Jupiter et Saturne.

Notre Soleil, qui est une étoile,a un diamètre de 1,4 million de

kilomètres, et pèse 2 milliardsde milliards de milliardsde tonnes. En son centre(où les réactions nucléaires seproduisent) la température etde l'ordre de 15 millions dedegrés, en surface elle n'estplus que de 5500°C.

Une planète est un corpscéleste qui :(a) est en orbite autour duSoleil,(b) a une masse suffisantepour que sa gravité dépasseles forces du corps solide etqu'il se maintienne par équilibrehydrostatique sous une formequasi-sphérique,

(c) a éliminé tout voisinageautour de son orbite.

Un peu de vocabulaire

Des objets brillants ?Les étoilesLa brillance d'une étoile – mesurée en magnitude apparente –dépend de deux facteurs : la quantité de lumière produite parl'étoile et la distance de cette étoile à la Terre. Deux étoiles debrillance identique peuvent être très différentes : l'une petiteet proche, l'autre lointaine et gigantesque.

Les planètesUne planète ne produit pas de lumière, elle reflète celle duSoleil.La brillance d'une planète dépend de quatre facteurs :

- sa distance au Soleil ;- sa distance à la Terre ;- la nature de sa surface (peu ou très réfléchissante) ;- de sa surface éclairée.

Page 3



Le ciel et les constellations

Repérage des principales constellations

La Grande OurseUrsa Major est la troisième plus grande constellation du ciel.Elle contient le « grand chariot » ou « grande casserole », l'undes astérismes* les plus connus de l'hémisphère Nord. Elleest très facilement reconnaissable par la forme de casseroleque composent ses sept plus brillantes étoiles. La Grandecasserole est circumpolaire pour les observateurs situés au-dessus de 41° de latitude Nord et elle ne semble jamais secoucher.

Circumpolaire : autour dupôle. Ensemble des étoiles ouconstellations qui tournentautour du pôle Nord sans

jamais passer sous l'horizon.

Comment savoir si l'étoileest circumpolaire ?Une étoile est circumpolaire sisa déclinaison est supérieureou égale à 90-φ. (φ est lalatitude du lieu).La latitude de Poitiers est46,5°, toutes les étoiles dedéclinaison supérieure à 43,5°sont circumpolaires.

À partir des pages 5 à 9,faites un tableau en listantles étoiles circumpolaires etcelles qui ne le sont pas.

Les sept étoiles les plus brillantes de la constellation sont lesétoiles de la Casserole.En ascension droite descendante, nous trouvons :Alkaïd ; Mizar ; Alioth ; Mégrez ; Phecda ; Merak et Dubhé.

Alkaïd ou Êta Ursae Majoris / η Uma

Magnitude apparente

Distance

Ascension droite

Déclinaison

Type spectral

1,85

101 a.l.

13h 47min

+49° 18'

B3V

Mizar ou Zeta Ursae Majoris / ζ Uma

Magnitude apparente

Distance

Ascension droite

Déclinaison

Type spectral

2,23

78 a.l.

13h 23min

+54° 55'

A2V

Alioth ou Epsilon Ursae Majoris / ε Uma

Magnitude apparente

Distance

Ascension droite

Déclinaison

Type spectral

1,76

81 a.l.

12h 54min

+55° 57'

A0p

Page 4

Megrez ou Delta Ursae Majoris / δ Uma

Magnitude apparente

Distance

Ascension droite

Déclinaison

Type spectral

3,32

81 a.l.

12h 15min

+57° 01'

A3Vvar

Astérisme : voir définition p.9



Phecda ou Gamma Ursae Majoris / γ Uma

Magnitude apparente

Distance

Ascension droite

Déclinaison

Type spectral

2,41

84 a.l.

11h 53min

+53° 41'

A0V SB

Merak ou Bêta Ursae Majoris / β Uma

Magnitude apparente

Distance

Ascension droite

Déclinaison

Type spectral

2,34

79 a.l.

11h 01min

+56° 22'

A1V

Dubhe ou Alpha Ursae Majoris / α Uma

Magnitude apparente

Distance

Ascension droite

Déclinaison

Type spectral

1,81

124 a.l.

11h 03min

+61° 45'

F7V

Quel nom pour une étoile ?Une étoile peut avoir plusieursnoms ou références :Un nom commun (souventd'origine arabe) le nom désignesouvent son emplacementdans la constellation ;un nom Bayer (lettre grecque

suivie du nom de laconstellation ex : γ Uma) l'ordreest souvent de la plus brillanteà la moins brillante ;un nom Flamsteed (numérosuivi du nom de la constellationex : 64 Uma) l'ordre est celuide l'ascension droite.D'autres références :HIP, pour Hipparcos ; HD pourHenri Dapper ; SAO pourSmithsonian AstrophysicalObservatory.

Page 5

Classez ces sept étoiles dela plus proche à la pluséloignée. Puis classez-les dela plus brillante à la moinsbrillante. Quelles conclusionspouvez-vous tirer de ces deuxclassements ?

Nuit étoilée sur le Rhône, Vincent Van Gogh



La Petite OurseUrsa Minor est une constellation assez petite, formée d'étoilespeu lumineuses. La seule particularité de cette constellationest de posséder l'étoile polaire.Les sept étoiles de la Petite Ourse forment l'astérisme nomméPetite Casserole ou Petit Chariot.

Polaris ou Alpha Ursae Minor / α Umi

Magnitude apparente

Distance

Ascension droiteDéclinaison

Type spectral

1,97

430 a.l.

02h 31min+89° 15'

F7 Ib

Astuce : en plus d'indiquer ladirection du Nord, la hauteur del'étoile Polaire donne la latitudedu lieu.Exemple à Poitiers, l'étoilePolaire est à 46,5° au dessusde l'horizon Nord.Donnez la hauteur de l'étoile

polaire au pôle nord, àl'équateur, sur le tropique ducancer et sur le tropique ducapricorne.

CassiopéeCassiopeia fait partie des plus connues des constellations.

Elle ressemble à un « W » (plus ou moins à l'envers suivant ladate ou l'horaire). Visible toute l'année. Elle se situe devant laVoie lactée.

Schedar ou Alpha Cassiopeiae / α Cas

Magnitude apparente

Distance

Ascension droite

Déclinaison

Type spectral

2,24

229 a.l.

00h 40min

+56° 32'

K0 III

Page 6

Kochab ou Bêta Ursae Minor / β Umi

Magnitude apparente

Distance


Type spectral

2,05

126 a.l.

14h 50min+74° 09'

K4 III v

Pherkad ou Gamma Ursae Minor / γ Umi

Magnitude apparente

Distance

Ascension droite

Déclinaison

Type spectral

3,03

480 a.l.

15h 20min

+71° 50'

A3 II

Combien existe-t-Il de constel-lations ? Une constellation est unensemble d'étoiles avec lequel

on peut imaginer un dessin.La constellation la plus étendueest la constellation de l'Hydre,la plus petite est la Croix duSud.Une constellation porte un nomvernaculaire, provenant dunom officiel en latin.



OrionOrion est peut être la constellation la plus symbolique du cield'hiver. Repérable par les trois étoiles remarquables formantla ceinture du chasseur (ou baudrier). L'une d'elles, Mintaka / δ Orise situe sur l'équateur céleste.

Bételgeuse ou Alpha Orionis / α Ori

Magnitude apparente

Distance

Ascension droite

Déclinaison

Type spectral

+0,42

427 a.l.

05h 55min

+07° 24'

M2 Iab

ScorpionLe Scorpion est une constellation de l’hémisphère sudcéleste. Elle est en majeure partie sous l'écliptique. Scorpionétait l’une des 48 constellations référencées par Ptolémée. Àl'origine, la constellation comprenait également la Balance.Cette dernière a été séparée du Scorpion pour compléter àdouze le nombre des constellations zodiacales.

Antarès ou Alpha Scorpii / α Sco

Magnitude apparente

Distance

Ascension droite

Déclinaison

Type spectral

1,06

604 a.l.

16h 29min

-26° 25'

M1 Iab

En regardant les caracté-ristiques d'Antarès, Rigel etAcrab, est-ce qui vous permetd'affirmer que ces étoilesappartiennent à l'hémisphèresud ?

Rigel ou Beta Orionis / β Ori

Magnitude apparente

Distance

Ascension droite

Déclinaison

Type spectral

+0,18

780 a.l.

05h 14min

-08° 12'

B8 Ia

Page 7

Acrab ou Beta Scorpii / β Sco

Magnitude apparente

Distance

Ascension droite

Déclinaison

Type spectral

2,56

530 a.l.

16h 05min

-19° 48'

B0 V



La magnitude des étoiles

La magnitude apparente caractérise intensité lumineused'un astre. Cette échelle à pour origine les grandeurs quiétaient utilisée par les grecs. C'est une échelle inversée : lesétoiles de première grandeur étaient les plus brillantes ; lesétoiles de 6e grandeur étaient à la limite de notre perception.Une étoile d'une magnitude supérieure à une autre est 2,5fois moins brillante que cette dernière.

La magnitude absolue est la magnitude apparente qu'auraitl'étoile à une distance de 32,6 a.l. (10 parsec).

- 26,7 Soleil

- 12,6 Lune

- 4,4 Vénus

- 1,4 Sirius

0 Véga

2 Étoile polaire

5,5 ~ 6 Uranus

15 Pluton

30 Objets les plus faibles Page 8

Le triangle détéLe triangle d'été est un astérisme formé par trois étoilesbrillantes qui, dans l'hémisphère nord, sont visibles toute lanuit en été. Ces trois étoiles sont : Véga de la constellation dela Lyre, Altaïr de la constellation de l'Aigle et Deneb de laconstellation du Cygne.

Vega ou Alpha Lyrae / α Lyr

Magnitude apparente

Distance


Type spectral

0,03

25,4a.l.

18h 36min+38° 47'

A0 V

Altaïr ou Alpha Aquilae / α Aqui

Magnitude apparente

Distance


Type spectral

0,76

16,7 a.l.

19h 50min+08° 52'

A7 V

Deneb ou Alpha Cygni / α Cyn

Magnitude apparente

Distance

Ascension droite

Déclinaison

Type spectral

1,25

2600 a.l.

20h 41min

+45° 17'

A2 Ia



Les alignements

Autour de la grande casserole

Page 9

De la grande casserole, l'étoile polaire est identifiée en

suivant la direction de Mérak et de Dubhé.

Plusieurs alignements d'étoiles sont utiles afin de retrouver soitdes étoiles, soit des constellations.

Capella

Le Cocher

Dubhé

Mérak

Alioth

Petite Ourse

Cassiopée

grandecasserole

L'étoile polaire

Le Bouvier

Arcturus

La ligne prolongée du manche de

la grande casserole passe parArcturus

Pour trouver Cassiopée, il fauttracer une ligne joignant Alioth etl'étoile polaire, et la prolonger d'unelongueur égale.

Capella , étoile principale de la constellation du Cocher estsituée dans le prolongement du manche de la petitecasserole.

Les astérismesAutrefois, astérisme était synonyme de constellation.

Aujourd'hui, c'est une figure remarquable dessinée par desétoiles particulièrement brillantes sans être dans la liste desconstellations.



Des angles pour repérer les astresLa voûte céleste

La sphère céleste est une sphère non réelle entourant laTerre (ou parfois l'observateur). Cette représentation estrenforcée par le mouvement apparent du ciel, par l'horizoncirculaire qui nous entoure, ainsi que par aspect courbé du

ciel.De cette représentation plusieurs systèmes de coordonnéespeuvent être réalisées :

Les coordonnées azimutales ;Les coordonnées équatoriales ;Les coordonnées écliptiques...

Tous ses systèmes, composés de cercles, utilisent des anglespour repérer un point sur la sphère céleste.

Estimez des angles avec votremain.Une main tendue est vue sousun angle de 10°, le pouce 5°,les doigts écartés 20°.

Estimer les distances angulaires

Page 10

Pendant une observation duciel, estimez, avec cettetechnique, la hauteur del'étoile Capella.

Les distances angulaires

Degré, minute, secondeLe ciel est toujours perçu sous la forme d'une voûte et lesdistances apparentes sont toujours perçues sous un angle.Les angles sont mesurés en degrés et/ou en minutes d'arc(1°/60) noté ' et/ou en seconde d'arc (1°/3600) noté ".

Le "mas"Certaines mesures donnentdes angles si petits qu'ellessont notées en mas pourmilli-arc seconde (10-3 ").



Page 11

Les trois étoiles du triangle d'été ont quasiment la mêmemagnitude apparente et température de surface, cela nesignifie pas qu'elles sont identiques !Pour le montrer, comparez la distance de Deneb à la distance de Véga. Puis estimez la luminosité de Denebsachant que Véga est 40 fois plus lumineuse que notreSoleil.

La luminosité apparentediminue quand la distanceaugmente : elle est 4 fois plusfaible quand la distance estdouble ; 9 fois si la distance esttriple...Lapp = Lréelle/D²

Des étoiles identiques ?

Des étoiles différentes ?

À partir des étoiles présentées de la page 5 à 9 classez-les :de la plus proche à la plus lointaine ; de la plus brillante àla moins brillante ; de la plus chaude à la plus froide.

Ainsi, à partir du type spectral et du tableau ci-dessous,estimez la couleur et la température des étoiles : Véga,Altaïr, Deneb, Antarès et Proxima du Centaure.

O B A F G K M

Type spectral :

>25 000 K 10 000 Kà 25 000 K

7500 à10 000 K

6000à 7500 K

5000à 6000 K

3500à 5000 K

> 3500 K

0 9 0 9 0 9 0 9 0 9 0 9 0 9

Exemple : une étoile de classe F0 est plus chaude qu'une étoile F9respectivement 7500 K contre 6000 K.

Classer les étoilesLes astronomes du début du XXe siècle ont classé les étoilespar l'intensité des raies de hydrogène. Les raies les plusintenses étant la catégorie A, puis B, etc.Ils se sont rendu compte que ce classement était une

impasse, et ont procédé (tout en gardant les mêmes lettres) àun classement par température que l'on connaît aujourd'hui.



Page 12

Comparaison de spectresRetrouvez à qui appartient ces deux spectresci-dessous ; l'un est à une étoile chaude, l'autre est à uneétoile froide, justifiez votre réponse.

1

2

Deneb à un diamètre (estimé) de 110 fois celui du Soleil.Dans une représentation où la Terre aurait la taille d'uneballe de ping-pong, qu'elle serait la taille de Deneb ? Àcette échelle, qu'elle serait la taille du Système solaire etde la Galaxie (distance Neptune ~ Soleil : 5 milliards de km ;diamètre de la Galaxie 100 000 al) ?

Taille des étoiles

L'âge de l'univers est estimé à 13,7 milliards d'années. LeSoleil est apparu il y a environ 4,5 milliards d'années. Uneétoile comme Deneb par exemple a un d'âge d'environ1 million d'années.

Sur une frise de 10 mètres représentant l'âge de l'univers,placez les événements suivants : l'origine du Systèmesolaire, la naissance de Deneb, la fin des dinosaures,l'invention de l'écriture, etc.

Âge des étoiles et âge de l'univers

Le Soleil a un diamètre de1 390 000 km, ce qui repré-sente 109 fois le diamètre de laTerre.



Vie des étoiles

Le cycle des étoiles

Complétez les cases par le nom correspondant auxétapes de la vie d'étoiles comparables au Soleil etcomparables à l'étoile Rigel.

RigelSoleil

_________________

__________________

_____________________

__________________

_________________

__________________

Duréedevie

enmilliardsd'années

Duréedevie

enmillionsd'a

nnées

__________________

Findevie

del'étoile

Findev

ie

del'étoile

"reste"

del'étoile

"reste"

del'étoile

"reste"

del'exp

losion

M

atièreenric

hie

Page 13

nébuleuse – naine blanche – nébuleuse planétaire –supernova – super géante rouge – géante rouge –étoile à neutron



Les planètes du Système solaire

Quelles sont-elles ?On compte 8 planètes dans le Système solaire :Mercure, Vénus, La Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus etNeptune. Elle tournent autour du Soleil dans le sens inverse

des aiguilles d'une montre. Plus une planète est proche duSoleil, plus elle se déplace vite et met moins de temps pourréaliser une révolution. Ainsi, Mercure la planète la plusproche du Soleil, parcours son orbite (de 380 millions dekilomètres) en 88 jours ; la Terre parcours le milliard dekilomètres en 365 jours ; enfin Neptune, quant à elle, a besoinde 165 années pour boucler les 30 milliards de kilomètres deson orbite.

Quelques données

Les distances dans le Systèmesolaire sont exprimées en unitéastronomique,1 u.a. = 149 597 870 km

Calculez, en kilomètres le périmètre de chaque planète(p=2πr)Donnez la vitesse moyenne (en km/h ou km/s) de chaqueplanète.Quelle relation peut-on donner entre les deux résultatsprécédents ?

Page 14

Distance

Tps de rév

Tps de rot

Mercure

0,38

88 j

58 j

Vénus

0,7

221 j

-243 j

La Terre

1

365 j

23h56

Mars

1,52

687 j

24h37

Jupiter

5,2

12 ans

9h55

Saturne

9,5

30 ans

10h47

Uranus

19

84 ans

-17h14

Neptune

30

165 ans

16h06

diamètre

masse

densité

Mercure

0,38

0,05

5,4

Vénus

0,95

0,81

5,2

La Terre

1

1

5,5

Mars

0,53

0,11

3,9

Jupiter

11,2

317,8

1,2

Saturne

9,45

95

0,7

Uranus

4,01

14,5

1,6

Neptune

3,88

17,14

1,7

Voici une zone du ciel danslaquelle se situe Jupiter.Notez la position de cetteplanète chaque mois.Conclure sur la vitesse dedéplacement. Comparezavec le résultat trouvé dansles questions précédentes.



Les unités de distance

Le mètreLe mètre est l'unité de base de longueur du Systèmeinternational (SI). Historiquement, il fut défini en 1791 par

l'Académie des sciences comme étant la dix-millionièmepartie d'un quart de méridien terrestre. Aujourd'hui, 1 mètreest la distance parcourue par la lumière dans le vide en1 ⁄ 299 792 458 seconde.

L'unité astronomiqueL’unité astronomique (ua) est une unité utilisée pour mesurerles distances surtout dans les systèmes planétaires. Elle estbasée sur la distance entre la Terre et le Soleil et 1 ua estégale à 149 597 871 km.

L'année de lumièreL'année de lumière (al) est une unité de distance courammentutilisée en astronomie pour donner la distance des étoiles ougalaxies. Elle est l'équivalent de la distance parcourue par lalumière en un an, soit 9500 milliards de kilomètres. Elle traduitle temps de regard en arrière : un objet à 100 al est vu tel qu'ilétait il y a 100 ans !

Le parsecLe parsec (pc) vient de la contraction de «parallaxe-

seconde». C'est l'unité la plus utilisée par les astronomes cartout résultat de calculs est en parsec. Un parsec est égal à 3,26 al.

1 m

1 ua

1 al1 pc

m

1

1,50x1011

9,46x1015

3,08x1016

ua

6,68x10-12

1

62,24206,26

al

1,06x10-16

1,58x10-6

13.26

pc

3,24x10-17

4,85x10-6

0,301

Tableau de conversion

Quelques exemples :

La planète Jupiter est ce soir à 4,04 ua de la Terre.Quelle est sa distance en kilomètres ?

L'étoile Capella est à 42 al,

Quelle est sa distance en kilomètres ?

La distance Terre ~ Lune estparfois donnée en rayonsterrestres Rt (Rt =6378 km).

Page 15

La planète Mars est à 300 millions de kilomètres.Convertissez cette distance en unité astronomique.



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