La tête dans les étoiles….

 

Objectifs : - utiliser nos connaissances sur la lumière pour en déduire des informations sur le cosmos

-          trier des informations à partir de plusieurs documents

-          produire un raisonnement scientifique argumenté

 

I-                   la structure du soleil

 

·         Le soleil est une étoile de diamètre 1,4.106 km. Combien de fois est il plus gros que la terre ?

·         Depuis la terre , il nous apparaît comme une petite « boule de feu » mais il possède une structure interne beaucoup plus compliquée que son aspect ne nous le laisse supposer .Le schéma suivant nous donne un aperçu de cette structure :

 

 

 

               

                                                                                                  

             - Au niveau du cœur , il ne subsiste que les noyaux d’atomes d’helium et d’hydrogène qui fusionnent entre eux dégageant une énergie équivalente à plusieurs milliers de bombes atomiques par seconde.

 

              - La partie qui nous éclaire est la photosphère, mince pellicule de gaz (une centaine de kilomètres) chauffée par le cœur thermonucléaire . le spectre de lumière émis par cette couche est un spectre thermique donc continu (comme une lampe à incandescence).                                     

                                                              

 

 

II-                Température de surface du soleil

 

1-       émission de lumière par un corps chauffé

réaliser le montage suivant :

 

 

 

 

 

 

 

 

 


        Prisme                               écran

 

Ø       en faisant varier la résistance de Rmax à 0 W , le courant varie de 0 à Imax et le filament s’échauffe donc de plus en plus. Faire l’expérience et noter les observations.

Ø       Conclure :

Un corps chauffé émet une lumière dont le spectre est ……………

La lumière s’enrichit en radiations de ………… longueur d’onde quand la température de la source augmente.

 

2-       loi de Wien

Cette loi rend compte de la conclusion précédente. Elle donne le lien entre la longueur d’onde émise correspondant au maximum d’intensité et la température du corps qui a émis cette lumière :

 

   lm.T = 2760 mm.°C

 

Ø       Sachant que la photosphère solaire émet de façon plus intense les longueurs d’onde autour de                             500 nm = ……..mm., déterminer la température de la photosphère c’est à dire de la surface du soleil.

 

III-             Eléments chimiques présents dans la couche externe du soleil

 

1-       spectre d’absorption

 

·         si l’on interpose sur le trajet de la lumière des substances  (ex : fer , hydrogène à l’état gazeux) , certaines longueurs d’onde de cette lumière sont absorbées par ces substances. Les substances réemettent des radiations de la même longueur d’onde mais dans une autre direction que la lumière principale . Nous ne voyons donc pas ces longueurs d’onde depuis les satellites d’observation du soleil.

 

 

 

·         La lumière provenant du soleil est une lumière polychromatique dont les longueurs d’onde vont de 300 nm jusqu’à 900 nm. Tout le spectre visible est donc présent . Cependant cette lumière , émise par la photosphère traverse la chromosphère qui est constitué de gaz de substances plus ou moins complexes. Ces substances absorbent certaines longueurs d’onde . Par conséquent le spectre de la lumière solaire (voir ci dessous) présente des raies sombres (longueurs d’ondes absorbées) qui permettent d’identifier les substances présentes dans la chromosphère.   


 


Ø       Trouver l’échelle du document    …… cm  «  …. nm

 

Ø       Identifier les longueurs d’onde des raies présentes dans le spectre solaire. Ecrire les calculs faits puis compléter le tableau ci dessous

 

 

2-       données  astrophysiques

 

On vous fournit dans l’annexe , les raies d’émission caractéristiques des différents éléments avec les longueurs d’onde associées .

               

Raie n°

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Position p/r à la graduation 400 nm ( en cm)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l (nm)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Atome ou ion

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ø       compléter la 4ème ligne du tableau en s’aidant du document 1

Ø       résumer en énumérant les éléments chimiques présents dans la chromosphère solaire.

 

IV-             Le soleil : une étoile parmi d’autres

 

1-       classement des étoiles

Quand on lève la tête au ciel un beau soir d’automne , on peut voir des milliards et des milliards d’étoiles : des rouges, des bleus , des blanches et toutes les autres…

Les astronomes cherchent à classer toutes ces étoiles différentes.

 

a- diagramme d’Hertzsprung-Russel

Les astronomes  classent ces étoiles  en fonction par exemple de leur luminosité (le soleil est pris comme référence avec une luminosité de 1) et de leur température de surface.

 

  ·  Définition : la luminosité d’une étoile est definit comme l’énergie lumineuse totale quittant l’étoile par seconde

  · D’autre part on admet que toute parcelle de 1 m2 d’une étoile émet la même énergie en une seconde quelque soit le type d’étoile .

Ø       utiliser ces 2 informations pour faire un lien entre luminosité  et taille d’une étoile. Justifier la réponse.

Plus la luminosité d’une étoile est ………... et plus sa taille est …………..

 

Ø      

Placer ensuite  le soleil sur le document  suivant , présentant quelques étoiles selon ces critères de classement :

 


                b- classement en « type spectral »

Le document  ci dessous fournit une définition des différents types spectraux des étoiles :

 

Type de l’étoile

Caractéristiques du spectre de l’étoile

O

Raies caractéristiques de l’hélium (neutre et ionisé) et de l’hydrogène

B

Les raies de l’hydrogène sont plus intenses que dans le type O. De nouvelles raies de l’hélium apparaissent et une raie de l’ion Mg+

A

Spectres dominés par les raies de l’hydrogène. Il n’y a plus de raie de l’hélium.Celles du calcium ionisé apparaissent

F

Les raies de l’hydrogène sont encore intenses mais moins que dans le type A. certaines raies fines de métaux apparaissent.

G

Les raies du calcium dominent dans l’ultra violet. On perçoit quelques raies de l’hydrogène. Celles du fer sont sont assez intenses. Il y a de très nombreuses raies fines de métaux.

K

Les raies de l’hydrogène ont disparues.Les raies métalliques sont plus nombreuses et plus intenses.

M

Raies du calcium intenses et présence de raies caractéristiques de la présence de groupements moléculaires TiO.

 

Ø       déterminer à quel type spectral appartient le soleil.

 

2-       la vieillesse du soleil

 

Le soleil est une étoile jeune : pas plus de 5 milliard d’années ! Trois fois rien  à l’échelle de l’âge de l’univers (15 milliards d’années .). de la même façon que chacun d’entre nous vieillira , prendra des cheveux blancs , se courbera lentement sous le poids des ans au point d’avoir un jour besoin d’une canne, le soleil , lui aussi vieillira et finira par mourir. La différence c’est que dans 60 ans , chacun d’entre nous sera déjà bien vieux , alors que le soleil , c’est dans 4 ou 5 milliards d’années qu’il deviendra assez vieux pour changer d’aspect physique .

Le soleil ne restera pas éternellement jaune et avec la même taille : il va devenir beaucoup plus gros , au point de “dévorer la terre”. Mais en grossissement il se refroidira et deviendra donc rouge . Plus tard encore il se tassera sur lui même devenant alors beaucoup plus chaud (donc tendant vers le bleu) puis il finira par mourir .

 

Ø       vous allez schématiser l’avenir du soleil sur le document 4 en vous aidant d’un manuel de sciences physiques de seconde présent au CDI. Remarque : il ne s’agit pas du manuel des éditions HATIER !