Atelier disciplinaire

AD1Comètes et astéroïdes : la mission Rosetta

Jean-Claude Cassagneau, Education NationaleSylvie Cousinie, Education Nationale

William Gambazza, Education Nationale

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RÉSUMÉ :

La mission Rosetta lancée en Mars 2004 a pour objectif de survoler et d'étudier la comèteChuryumov Gerasimenko avec laquelle la mise en orbite est fixée au 6 Août 2014. Ensuite,courant Novembre, le module Philae sera chargé de se poser sur la comète, une premièremondiale, et de faire des analyses. L'étude de ces corps célestes encore méconnus prometde nouvelles découvertes sur l'origine du système solaire.

Cet atelier sera l'occasion, dans un premier temps au travers d'une courte présentation demieux connaître ces corps célestes et leurs différences avec les astéroïdes, lescaractéristiques de cette mission et l'intérêt scientifique qu'elle représente. Dans un secondtemps, au travers d'un scénario catastrophe d'approche d'un corps inconnu menaçant laTerre, décliné en 5 activités réalisables en classe à divers niveaux, on se proposed'appréhender les différentes étapes permettant de l'étudier, le dévier et d'envisager sonpotentiel destructeur en cas d'impact.

Chacune des 6 activités est construite à partir de quelques documents que les élèvesdoivent analyser pour répondre au problème posé. Ils doivent ensuite proposer un protocoleet le mettre en œuvre pour répondre ; des protocoles plus précis peuvent alors leur êtrefourni si nécessaire afin de maîtriser le temps d'activité et le point d'arrivé souhaité comptetenu du matériel disponible. Ils travaillent ainsi en particulier les compétences ANALYSER,S'APPROPRIER, RÉALISER et pour certaines COMMUNIQUER.

PLAN DE L’ATELIER :Activité 1 : « La Lune : un bouclier ? » .................................... p 2

Activité 2 : Date d'impact de l'objet céleste ............................. p 4

Activité 3 : Entrée dans l'atmosphère de l'objet céleste .......... p 5

Activité 4 : Fabrication d'une comète ...................................... p 6

Activité 5 : Anticiper les dégâts causés par une météorite ..... p 7

Activité 6 : Stratégies de déviations ........................................ p 8

Activité 1 : « La Lune : un bouclier ? »

I. Description

Dans cette activité, il s'agit d'étudier le mouvement du corps céleste qui s'approche et de le comparerau mouvement de la lune autour de la Terre afin de déterminer si celle-ci ne pourrait pas servir debouclier.Dans un premier temps on observe donc les phases que présente la Lune vue de la Terre pour encomprendre le mouvement et sa périodicité dans le calendrier. C'est l'occasion de faire réaliser unpetit film représentant la trajectoire de la lune et les phases.Dans un second temps et compte tenu des données dont on dispose sur la trajectoire de ce corps, ilfaut déterminer la date à laquelle se produira l'impact. Ensuite, à partir de l'étude des phases de lalune, il faudra déterminer si elle sera en position de bouclier ou pas.

II. Pistes d'exploitation par niveaux et prolongements

En classe de 5ème :

Connaissances Capacités

Comment se propage la lumière ?

Phases de la Lune, éclipses.Interpréter le phénomène visible par un observateur terrestre dans une configuration donnée du système simplifié Soleil-Terre-Lune.

Cette activité se prête tout à fait à ce niveau, sans modification, pour faire découvrir les phase de lalune et aborder les éclipses. Les élèves sont alors acteurs de la construction des phases de la lunedans la vidéo et doivent en comprendre le fonctionnement. Cela nécessite peu de matériel mais toutde même un moyen de filmer et diffuser. Pour cela plusieurs moyens autres qu'une tablette sontpossibles allant de la simple caméra en passant par un appareil photo numérique ou une webcamreliée a une ordinateur.

En classe de 2nde :

Connaissances Capacités

Le système solaire

Observation de la Terre et des planètes.

Mettre en œuvre une démarche d’expérimentation utilisant des techniques d’enregistrement pour comprendre la nature des mouvements observés dans le système solaire.

Analyser des documents scientifiques portant sur l’observation du système solaire.

Il est possible de transposer cette activité au système solaire pour l'utiliser en classe de Seconde etétudier les mouvements dans le système solaire. Plusieurs situations sont alors envisageables dont par exemple, l'étude de la rétrogradation de Mars(ou d'autres planètes) en donnant suffisamment d'informations aux élèves pour qu'ils reconstituent lesdéplacements de la Terre et de Mars.

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Le point de vue doit être placé de telle sorte qu'on puisse observer dans la vidéo les orbites de laTerre du Soleil et de Mars. Dans un premier temps, il faut préparer la « maquette » et il est possible de tracer les orbites sur unefeuille A4. Les données nécessaires sont alors :

Terre Mars

Rayon de l'orbite :

RT = 149,6x106 KmRayon de l'orbite :

RM= 227,9x106 Km

Période de révolution :

PT = 365,25 jPériode de révolution :

PT= 687,0 j

Vitesse sur sonorbite :

VT = 29,78 km/sVitesse sur sonorbite :

VT = 24,08 km/s

Les instructions pour les élèves sont :

1°) - En vous servant des informations ci-dessus, schématisez la situation de telle sorte que :✔ Le Soleil soit placé au centre d'une feuille A4✔ La trajectoire de Mars ait un diamètre de 20 cm et celle de la Terre soit également à l'échelle

2°) - Le 27 Janvier 2010, le Soleil, Mars et la Terre sont alignés : placer sur le schéma précédent lespoints M9 et T9 sur les positions respectives de Mars et la Terre ce jour là.Nous allons maintenant représenter le déplacement de Mars et de la Terre entre le 30/09/2009 et le5/05/2010. Pour ce faire nous représenterons la position de ces deux planètes tous les 15 jours.3°) - Calculer de quel angle se sont déplacées ces planètes au bout de 15 jours.4°) - Connaissant ces angles, placer les positions successives de Mars, M10 à M16, et la Terre, T10 àT16, situées après M9 et T9 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.5°) - Faire de même avec les positions M1 à M8 et T1 à T8 dans l'autre sens.

Voici le résultat obtenu →

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Activité 2 : Date d'impact de l'objet céleste

I. Description

Les mesures de magnitude d'objets célestes permettent d'évaluer divers paramètres tels que vitesse,forme, ou encore période de rotation propre.Cet atelier se propose dans une première partie, par simulation, d'établir

• les corrélations existant entre éclairement et :◦ distance de l'objet.◦ forme/couleur de l'objet.

• d'estimer la période de rotation de l'objet à partir de mesures de l'éclairement.Dans une deuxième partie, pour répondre au scénario proposé, de déterminer la date d'impact d'unobjet céleste en utilisant des données réelles ainsi que la détermination de la période d'un astéroïdenommé Ulula.

II. Pistes d'exploitation par niveaux et prolongements

En classe de 3 ème :

Connaissances Capacités

de la gravitation à l'énergie mécanique

Action attractive à distance exercée par une planète sur un objet proche d'elle

la gravitation gouverne tout l'Univers

• utilisation de la relation vitesse, durée, distance.• Prolongement possible sur une détermination de l'énergie cinétique.• Tracé de graphe (non linéaire E proportionnel à 1/d²)• possibilité de démarche investigation• Prolongement : validation de capacités du socle commun (compétence 3 : principaux

éléments de culture scientifique)

En classe de 2 nde GT :

Connaissances Capacités

Système solaire

Observation de la Terre et des planètes.

Mettre en œuvre une démarche d’expérimentation utilisant des techniques d’enregistrement pour comprendre la nature des mouvements observés dans le système solaire.Analyser des documents scientifiques portant sur l’observation du système solaire

• Relier deux notions à priori distinctes : éclairement et distance• Retour sur la relation vitesse, durée, distance vue en 3ème et seconde dans le thème sport• Tracé de graphe (non linéaire E proportionnel à 1/d²) notamment en AP au lycée tous niveaux.

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En classe de 1 ère STI :

Connaissances Capacités

L'éclairage

Sources lumineusesUtiliser un capteur pour mesurer un flux lumineuxAnalyser des documents scientifiques portant sur l’observation du système solaire

Mise en mouvement

Référentiel, trajectoire, vitesseMesurer des vitesses,Ecrire et appliquer la relation entre distance parcourue et vitesse dans un mouvement de translation à vitesse constante,

• En TP, utiliser l'intérêt attractif des astéroïdes pour étudier ces deux notions du programme.

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Activité 3 : Entrée dans l'atmosphère de l'objet céleste

I. Description

L'objectif de cet atelier est de simuler le comportement d'un objet céleste dans l'atmosphère.Une série de documents permet de proposer des protocoles de combustion vérifiant :

• la présence de carbone dans l'objet• la présence de fer dans l'objet

On peut ainsi déduire la nature carbonée ou ferreuse de l'objet céleste.Une observation au microscope de micrométéorites permettra une comparaison avec les produits decombustion du fer.

II. Pistes d'exploitation par niveaux et prolongements

En classe de 4 ème :

Connaissances Capacités

Les combustions

La combustion du carbone nécessite du dioxygène et produit du dioxyde de carbone.Test du dioxyde de carbone : le dioxyde de carbone réagit avec de l'eau de chaux pour donner un précipité de carbonate de calcium

Réaliser,décrire et schématiser la combustion du carbone.Réaliser le test de reconnaissance du dioxyde de carbone.

• Démarche d'investigation réalisable.• Réinvestissement en TP évalué.• Écriture des équations de réaction.• Retour sur la notion de mélange dans le cas d'un solide.• Prolongement : validation de capacités du socle commun (compétence 3 : principaux

éléments de culture scientifique)

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Atelier 4 : Fabrication d'une comète

I. Description

Cet atelier a pour objectif de découvrir la composition d'une comète. Une première partie est consacrée à l'analyse de documents afin d'extraire la liste des composantsnécessaire à la réalisation d'une comète simuléeUne deuxième partie permet, par le biais de l'élaboration d'un protocole et sa mise en œuvre, deréaliser cette comète simulée.

II. Pistes d'exploitation par niveaux et prolongements

• Programme de 4ème : « A - De l'air qui nous entoure à la molécule »

Connaissances Capacités

Les atomes sont représentés par des symboles,les molécules par des formules

Communiquer à l'aide du langage scientifique.Utiliser une représentation adaptée : coder,décoder pour écrire les formules chimiques

◦ Prolongement : validation de capacités du socle commun (compétence 3 : Rechercher,extraire et organiser l'information utile)

• Programme de Seconde : thème l'Univers :◦ Description de l’Univers : l’atome, la Terre, le système solaire, la Galaxie, les autres

galaxies, exoplanètes et systèmes planétaires extrasolaires. • Prolongement possible sur la spectroscopie : en seconde (raies d’émission ou d’absorption

d’un atome ou d’un ion) en terminale S (analyse spectrale)

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Activité 5 : Anticiper les dégâts causés par unemétéorite

I. Description

Dans l'hypothèse où un astéroïde entrerait en contact avec la Terre, cet atelier a pour objectifd'évaluer les dégâts qu'il pourrait causer afin de les anticiper. Une première partie permet d'évaluer l'impact de différents paramètres (masse, altitude…) sur lesdimensions d'un cratère formé lors de la chute libre d'une bille.Une deuxième partie permet d'évaluer la vitesse de propagation d'une onde lors d'un tsunami.

II. Pistes d'exploitation par niveaux et prolongements

Pour la première partie de l'atelier : le cratère

• Programme de 3ème : C – De la gravitation … à l'énergie mécanique

Connaissances Capacités

Conversion d’énergie au cours d’une chute Raisonner, argumenter pour interpréterl’énergie de mouvement acquise par l’eau danssa chute par une diminution de son énergie deposition.

• Programme de seconde : thème l'Univers ◦ Actions mécaniques, modélisation par une force. Effets d’une force sur le mouvement

d’un corps : modification de la vitesse, modification de la trajectoire. Rôle de la massedu corps. Principe d’inertie.

◦ Observation de la Terre et des planètes.

• Programme de 1ère S : thème Comprendre : ◦ Énergie d’un point matériel en mouvement dans le champ de pesanteur uniforme :

énergie cinétique, énergie potentielle de pesanteur, conservation ou non conservationde l’énergie mécanique. Frottements ; transferts thermiques ; dissipation d’énergie.

Pour la deuxième partie de l'atelier : le tsunami

• Programme de terminale S : thème Observer : ◦ Les ondes dans la matière : Houle, ondes sismiques, ondes sonores. Magnitude d’un

séisme sur l’échelle de Richter. ◦ Prolongement possible : détecteur d'onde (sismographe)◦ Caractéristiques des ondes: connaître et exploiter la relation entre retard, distance et

vitesse de propagation (célérité). Pratiquer une démarche expérimentale visant à étudierqualitativement et quantitativement un phénomène de propagation d’une onde.

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Activité 6 : stratégies de déviationsI. Description

Cette activité propose d'explorer différentes techniques, non exhaustives, envisageables afin dedévier la trajectoire de l'objet en approche et ainsi éviter l'impact. Les techniques de déviation proposées sont les suivantes :

➢ par impact de projectile➢ par attraction gravitationnelle (tracteur gravitationnel)➢ par le souffle d'une explosion

II. Pistes d'exploitation par niveaux et prolongements

1. Impact de projectile Cette activité permet, selon le matériel disponible (table à coussin d'air notamment), d'étudier lesdifférents paramètres influençant la déviation résultante : masse et taille de l'objet « impacteur »,vitesse de l'objet « impacteur » et même pourquoi pas l'angle d'impact.

En classe de 2nde :

Connaissances Capacités

Le système solaire

Actions mécaniques, modélisation par une force.Effets d’une force sur le mouvement d’un corps : modification de la vitesse, modificationde la trajectoire. Rôle de la masse du corps.Principe d’inertie.

Savoir qu’une force s’exerçant sur un corps modifie la valeur de sa vitesse et/ou la direction de son mouvement et que cette modification dépend de la masse du corps.Utiliser le principe d’inertie pour interpréter des mouvements simples en termes de forces.Mettre en œuvre une démarche d’expérimentation utilisant des techniques d’enregistrement pour comprendre la nature des mouvements observés dans le système solaire

➢ TP : Dans le cadre de ce niveau, cette activité permettra d'étudier les différents paramètresdécrivant une action dans le cas particulier d'un impact et leurs influences.

➢ Exo / TP : Elle peut aussi permettre d'aborder le principe d'inertie. ➢ TP : Si un dispositif d'acquisition (vidéo ou table traçante) est disponible des mesures peuvent

être faites selon l'objectif visé.

En classe de Terminale S :

Temps, mouvement et évolution

Notions et contenus Compétences exigibles

Conservation de la quantité de mouvement d’un systèmeisolé.

Définir la quantité de mouvement p⃗

d’un point matérielMettre en œuvre une démarche expérimentale pour étudier un mouvement.

➢ TP : Moyennant un dispositif d'acquisition des positions avant et après, il est possible devérifier le principe de conservation de la quantité de mouvement d'un système isolé.

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2. « Tracteur » gravitationnel Cette activité présente la méthode utilisant la gravitation. En effet, l'une des possibilités pour dévier lecorps est de placer en orbite autour de lui un vaisseau spatial de masse conséquente. L'arrivée de cesatellite artificiel autour du corps va alors perturber son orbite et, si cette manœuvre est faitesuffisamment tôt, permettre de le placer sur une orbite sans risque pour la Terre. Cette méthode est la plus fiable car elle ne risque pas de fragmenter le corps mais elle nécessite deconnaître précisément sa masse et son orbite et cela des décennies avant l'impact. De plus, il fautêtre capable de construire un vaisseau d'une grande fiabilité capable de maîtriser précisément satrajectoire sur des décennies.

En classe de 2nde :

Connaissances Capacités

Le système solaire

Actions mécaniques, modélisation par une force.Effets d’une force sur le mouvement d’un corps : modification de la vitesse, modification de la trajectoire. Rôle de la masse du corps.Principe d’inertie.

Savoir qu’une force s’exerçant sur un corps modifie la valeur de sa vitesse et/ou la direction de son mouvement et que cette modification dépend de la masse du corps.Utiliser le principe d’inertie pour interpréter des mouvements simples en termes de forces.Mettre en œuvre une démarche d’expérimentation utilisant des techniques d’enregistrement pour comprendre la nature des mouvements observés dans le système solaire

Cette activité peut-être l'occasion en Seconde d'aborder la gravitation et dans ce cas plusieursscénarios sont possibles :

➢ simples exercices de calculs de force d'attraction gravitationnelle, ➢ TP : étude de l'influence de l'attraction gravitationnelle sur la trajectoire et la vitesse, ➢ TP : application du principe d'inertie pour influencer/modifier la trajectoire,➢ etc …

En classe de Terminale S :

Connaissances Capacités

Temps, mouvement et évolution

Référentiel galiléen.

Lois de Newton : principe d’inertie, ∑ F⃗= d P⃗

dt

et principe des actions réciproques

Définir la quantité de mouvement p⃗

d’un point matériel.Connaître et exploiter les trois lois de Newton ; les mettreen œuvre pour étudier des mouvements dans des champs de pesanteur et électrostatique uniformes.Mettre en œuvre une démarche expérimentale pour étudier un mouvement

➢ TP : étude de la variation de quantité de mouvement avant et après mise en orbite àpartir des trajectoires traçées

3. Souffle d'explosion Cette technique consiste à produire une explosion à proximité du corps de sorte que le souffle decette explosion le dévie de sa trajectoire.

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En classe de 2nde :

Connaissances Capacités

Le système solaire

Actions mécaniques, modélisation par une force.Effets d’une force sur le mouvement d’un corps : modification de la vitesse, modification de la trajectoire. Rôle de la masse du corps.Principe d’inertie.

Savoir qu’une force s’exerçant sur un corps modifie la valeur de sa vitesse et/ou la direction de son mouvement et que cette modification dépend de la masse du corps.Utiliser le principe d’inertie pour interpréter des mouvements simples en termes de forces.Mettre en œuvre une démarche d’expérimentation utilisant des techniques d’enregistrement pour comprendre la nature des mouvements observés dans le système solaire

Cette activité peut-être l'occasion en Seconde d'aborder le principe d'inertie et l'action d'une force surle mouvement :

➢ TP : Principe d'inertie → application d'une force : où réaliser cette explosion pour ledévier au mieux ?

Activités par niveaux - Récapitulatif

Activité 1 Activité 2 Activité 3 Activité 4 Activité 5 Activité 6

5ème X

4ème X X

3ème X X

2nde X X X X X

1ère S X

1ère STL

1ère STI2D X

Tle S X X

... X

ANNEXES

• Lien pour observer la simulation du vol de la sonde Rosetta : Où est Rosetta ? • Fiches d'activité

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