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AcadĠmie d'OrlĠans-TourV ConWinuiWé collège-lycée en ScienceV PUyViqueV 2017I2018 1

Interaction

gravitationnelle Superman et la gravitation

DESCRIPTIF DE SUJET DESTINE AU PROFESSEUR

Objectif

Assurer une continuité et une progressivité collège-lycée sur une notion commune aux programmes de cycle 4 et de seconde. Notion du programme : Interaction gravitationnelle

Extraits de

Cycle 4 Seconde

Mouvement et interactions

- Edžploiter l'edžpression littĠrale scalaire de la loi de gravitation universelle, la loi étant fournie. - Force de pesanteur et son expression

P = mg

L'Uniǀers

- La gravitation universelle - L'interaction graǀitationnelle entre deudž corps. - La pesanteur terrestre

Type d'actiǀitĠ Etude de document

Description succincte

Activité 1 : (fin de cycle 4)

RĠsolution d'un problğme en

utilisant la relation masse- poids.

Activité 2 :

(approfondissement fin de cycle 4 et/ou remédiation seconde)

Faire le lien entre une

situation de proportionnalité et une expression littérale.

Activité 3 : (Seconde)

Faire le lien mathématique

entre la relation masse- poids et la force de gravitation.

Compétences

travaillées

D1.3 : Pratiquer des langages

- Passer d'une forme de langage à une autre - Utiliser le calcul littéral : citer et utiliser une expression littérale

D4 : résoudre un problème

D1.3 : Pratiquer des langages

- Passer d'une forme de langage à une autre - S'approprier (APP) - Réaliser (REA) - Valider (VAL)

Compétence transversale :

Analyser et traiter une

question

S'approprier (APP) Analyser (ANA)

Remarques

Collège : Thème Mouvement et Interactions ; prérequis : masse et poids, interaction

gravitationnelle

2nde : Thème Univers, arrive après les séances sur le mouvement et référentiels, et celui

sur les interactions et les forces. - 2nde : séance de TP - Collège : Evaluation individuelle Auteurs Pierre CARRE - Lycée Grandmont - 37200 TOURS Jérôme HEURTEBIZE - Collège Choiseul - 37400 AMBOISE

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ACTIVITE CYCLE 4

SUPPORT(S) D'ACTIVITÉ

Doc. 1 : Superman et la gravitation

MèV Va naiVVanceH en juin 1938H Ve poVa le problğme de l'origine des TécrivenW le peuple Te OrypWon comme TeV UumainV pluWôW orTinaireV eW SeV capaciWéV VurUumaineV évoluèrenW au fil Te VeV avenWureV eW leV premiers pouǀoirs dont il fut dotĠ semblent aujourd'hui bien modestes. Pour commencerH inWéreVVonV-nouV aux origineV Te SupermanH eW pluV particuliğrement ă sa planğte de naissance, Krypton. Il s'agit d'un problğme d'importance car, d'aprğs les tedžtes, c'est dans la diffĠrence Te graviWé enWre OrypWon eW la Terre que réViTe la Vource TeV pouvoirV Te Au XVIIIème ViècleH IVaac NewWon a TécouverW que Teux corpV maVVifV

s'attirent aǀec une force proporWionnelle au proTuiW Te leur maVVe eW inverVemenW proporWionnelle au carré Te

leur TiVWance. CeWWe loi univerVelle Te la graviWaWion régiW le mouvemenW TeV planèWeV eW explique pourquoi la

Terre nouV reWienW à Va Vurface. Nn effeWH noWre VenVaWion Te peVanWeur eVW la conVéquence Te la force

graviWaWionnelle que la Terre exerce Vur noWre corpV. Si la Terre éWaiW pluV maVViveH ceWWe VenVaWion VeraiW pluV

Terre. SeV capaciWéV pUyViqueV lui permeWWaienW Tonc Te francUir 7 mèWreV en longueur eW 2 mèWreV en UauWeur.

Ses performances terrestres seront nettement plus impressionnantes d'un facteur Ġgal au rapport entre la

peVer comme un rUinocéroV Vur Terre.

CONSIGNES DONNÉES L'ÉLÈVN

1. L'intensitĠ de pesanteur sur Terre est g(Terre) с 9,81 Nͬkg. A l'aide d'un calcul et des informations du tedžte,

2. Justifier (ă l'aide de calculs) la derniğre phrase du tedžte ͗ ͨ Un ġtre humain transportĠ sur Krypton aurait

[MonnéeV J maVVe (humain moyen) = 77H1 kg ; maVVe (rhinocéros blanc) = 2300 kg]

Terre.

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REPRES POUR L'VALUATION

CorrecWion poVVible J

1. L'intensitĠ de pesanteur sur Krypton est 30 fois supérieure à celle de la Terre.

g(Krypton) = 30 x g(Terre) = 30 x 9H81 = 294H3 NIkg

2. Poids du rhinocéros sur Terre J P(rhinocéros sur Terre) = m(rhinocéros) x g(Terre) = 2300 x 9H81 = 22563 N

Poids d'un homme moyen sur Krypton J P(homme sur KrypWon) = m(homme moyen) x g(Krypton) = 77H1 x 294H3 = 22691 N

3. Les performances de Superman dĠpendent de la force de graǀitation. S'il peut sauter sur Krypton a une

hauteur de 2 mètres, sur Terre, l'intensitĠ de pesanteur Ġtant 30 fois plus faible, il pourrait sauter 30 fois

plus haut, soit une hauteur de 60 mètres.

CriWèreV Te réuVViWe J

CompéWenceV WravailléeV CriWère Te réuVViWe correVponTanW au niveau 3 (objecWif aWWeinW) demander explicitement. D13 : - Utiliser le calcul littéral - L'Ġlğǀe calcule correctement les deudž poids demandĠs.

- Utiliser les unités adaptées - L'Ġlğǀe a converti la masse du rhinocéros en kilogramme et a donné ses valeurs de poids

en Newton. - Passer d'une forme de langage

à une autre

- L'Ġlğǀe est capable de transcrire l'information du tedžte ͨ Ses performances terrestres

seront nettement plus impressionnantes d'un facteur Ġgal au rapport entre la graǀitĠ kryptonienne et la gravité terrestre" en une multiplication par 30 pour déterminer la hauteur du saut.

RETOUR D'EyPERIENCES

poiTV. Le cUoix Te Superman venaiW VurWouW Tu calcul Tu poiTV Vur un auWre aVWre que la Terre ; à parW la

Lune, les Ġlğǀes ont beaucoup de mal ă se projeter et ă comprendre l'utilitĠ du calcul du poids sur Mars

qui a pu être mis en relation avec les " bonTV » TeV aVWronauWeV Vur la Lune.

Nn général ceWWe acWiviWé eVW pluWôW bien reçue par leV élèveVH le conWexWe Te " Vuper UéroV » joue un rôle

d'Ġcran de fumĠe et certains Ġlğǀes rĠcalcitrants Ve VonW priV au jeu. Il a éWé WouWefoiV parfoiV néceVVaire

Te reformuler la VeconTe queVWion en TemanTanW expliciWemenW Te calculer eW comparer leV poiTV.

Le WempV Tonné aux élèves Ġtait d'enǀiron 25 min, l'actiǀitĠ d'approfondissement est proposĠe aux

élèveV ayanW valiTé leV compéWenceV Vur le calcul liWWéral ou leV pluV rapiTeV.

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ACTIVITE APPROFONDISSEMENT CYCLE 4 ET/OU RNÓNMIATION 2NDE

SUPPORT(S) D'ACTIVITÉ

Doc. 1 : Superman et la gravitation

Dğs sa naissance, en juin 1938, se posa le problğme de l'origine des TécrivenW le peuple Te OrypWon comme TeV UumainV pluWôW orTinaireV eW capaciWéV VurUumaineV évoluèrenW au fil Te VeV avenWureV eW leV premierV Pour commencerH inWéreVVonV-nouV aux origineV Te SupermanH eW pluV particuliğrement ă sa planğte de naissance, Krypton. Il s'agit d'un problğme d'importance car, d'aprğs les tedžtes, c'est dans la diffĠrence de graǀitĠ Au XVIIIème ViècleH IVaac NewWon a TécouverW que Teux corpV maVVifV

s'attirent aǀec une force proportionnelle au produit de leur masse et inǀersement proportionnelle au carrĠ de

leur TiVWance. CeWWe loi univerVelle Te la graviWaWion régiW le mouvemenW TeV planèWeV eW explique pourquoi la

Terre nouV reWienW à Va Vurface. Nn effeWH noWre VenVaWion Te peVanWeur eVW la conVéquence Te la force

graviWaWionnelle que la Terre exerce Vur noWre corpV. Si la Terre éWaiW pluV maVViveH ceWWe VenVaWion VeraiW pluV

Terre. SeV capaciWéV pUyViqueV lui permeWWaienW Tonc Te francUir 7 mèWreV en longueur eW 2 mèWreV en UauWeur.

SeV performanceV WerreVWreV VeronW neWWemenW plus impressionnantes d'un facteur Ġgal au rapport entre la

peVer comme un rUinocéroV Vur Terre.

CONSIGNES DONNÉES L'ÉLÈVN

1. Dans le paragraphe sur Newton, il est écrit " la Terre nous retient ă sa surface ͩ ͗ prĠcise l'acteur et le

receveur de cette force ?

2. Pourquoi peut-on parler d'interaction dans le cas TeV forceV graviWaWionnelleV ?

3. Est-ce une acWion (force) à TiVWance ou Te conWacW ?

4. Dans la situation ci-TeVVouVH repréVenWe la force exercée par la Terre Vur Superman.

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5. La valeur de la force de gravitation est-elle proporWionnelle à TH T² ou 1IT² ? Quelle pUraVe TanV le WexWe

permeW Te réponTre à ceWWe queVWion ?

6. Comment la valeur de cette force varie-W-elle lorVque la TiVWance enWre leV corpV augmenWe ? LorVquGelle

Timinue ?

TépenT-elle ?

8. Parmi les trois relations littérales suivantes, quelle est celle qui correspond aux donnéeV Tu WexWeH VacUanW

que la valeur Te la force graviWaWionnelle Ń eVW auVVi proporWionnelle à la conVWanWe graviWaWionnelle G

T eVW la TiVWance (en mèWre) qui Vépare leV cenWreV TeV Teux corpV G = 6H67.10-11 N.m2.kg-2 la conVWanWe graviWaWionnelle

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REPRES POUR L'VALUATION

CorrecWion poVVible J

1. L'acteur est la Terre et le receveur la personne qui est attirée.

2. C'est une interaction car la personne agit sur la Terre avec la même inWenViWé.

3. C'est une action à distance, car elle agit même lorsque nous ne touchons pas le sol.

4. RAS

5. 1/d², "inverVemenW proporWionnelle au carré Te leur TiVWance"

6. Si la distance augmente, la valeur Te la force TiminueH eW inverVemenW.

7. La force TépenT auVVi TeV maVVeV TeV corpV en inWeracWion.

8. RAS

CriWèreV Te réuVViWe J

Cycle 4

Compétences travaillées Critère de réussite correspondant au niveau 4 (objectif dépassé)

Passer d'une forme de

langage à une autre

L'Ġlğǀe est capable d'utiliser les edžpressions ͨ proportionnelle » et " inversement

proportionnelle » pour retrouver une expression littérale. L'Ġlğǀe choisit l'edžpression correcte de la force graǀitationnelle

Seconde

Domaine de

Compétences évaluées Critère de réussite correspondant au niveau A

S'approprier (APP)

Trouver des informations

dans un texte

L'élève trouve la phrase sur la distance

L'élève trouve la bonne expression littérale

Analyser (ANA)

S'appuyer sur ses

connaissances

Déduire des relations

littérales L'élève utilise correctement ses connaissances sur les interactions L'élève interprète correctement l'influence de la distance entre les corps L'élève sait représenter une interaction par un vecteur force Niveau A J leV inTicaWeurV cUoiViV apparaiVVenW TanV leur (quaVi)WoWaliWé Niveau B J leV inTicaWeurV cUoiViV apparaiVVenW parWiellemenW Niveau C J leV inTicaWeurV cUoiViV apparaiVVenW Te manière inVuffiVanWe Niveau D J leV inTicaWeurV cUoiViV ne VonW paV préVenWV

RETOUR D'EyPERIENCES

Cette activité a été imaginée suite aux problèmeV eW beVoinV renconWréV lorV Te noV acWiviWéV reVpecWiveV.

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ACTIVITE CLASSE DE SECONDE

SUPPORT(S) D'ACTIVITÉ

Doc. 1 : Superman et la gravitation

Dğs sa naissance, en juin 1938, se posa le problğme de l'origine des TécrivenW le peuple Te OrypWon comme TeV UumainV pluWôW orTinaireV eW capaciWéV VurUumaineV évoluèrenW au fil Te VeV avenWureV eW leV premierV Pour commencerH inWéreVVonV-nouV aux origineV Te SupermanH eW pluV particuliğrement ă sa planğte de naissance, Krypton. Il s'agit d'un problğme d'importance car, d'aprğs les tedžtes, c'est TanV la Tifférence Te graviWé Au XVIIIème ViècleH IVaac NewWon a TécouverW que Teux corpV maVVifV

s'attirent aǀec une force proportionnelle au produit de leur masse et inǀerVemenW proporWionnelle au carré Te

leur TiVWance. CeWWe loi univerVelle Te la graviWaWion régiW le mouvemenW TeV planèWeV eW explique pourquoi la

Terre nouV reWienW à Va Vurface. Nn effeWH noWre VenVaWion Te peVanWeur eVW la conVéquence Te la force

graviWaWionnelle que la Terre exerce Vur noWre corpV. Si la Terre éWaiW pluV maVViveH ceWWe VenVaWion VeraiW pluV

Terre. SeV capaciWéV pUyViqueV lui permeWWaienW Tonc Te francUir 7 mèWreV en longueur eW 2 mèWreV en UauWeur.

Ses performances terrestres seront nettement plus impressionnantes d'un facteur Ġgal au rapport entre la

peVer comme un rUinocéroV Vur Terre. Physique ordinaire d'un super hĠrosH NMP ScienceVH 2003

CONSIGNES DONNÉES L'ÉLÈVN

ActiǀitĠ 1 ͗ l'interaction graǀitationnelle elle ?

2. CommenW la valeur Te ceWWe force varie-W-elle lorVque la TiVWance enWre leV corpV augmenWe ? LorVquGelle

Timinue ?

3. TraTuiV la pUraVe Tu WexWe par une expreVVion liWWérale Te la force " ŃG » Te graviWaWionH en préciVanW la

VignificaWion Te cUaque Werme uWiliVé eW Von uniWé. AWWenWionH ceWWe force eVW égalemenW proporWionnelle à la

conVWanWe Te graviWaWion univerVelle noWée " G ».

4. CeWWe expreVVion liWWérale confirme-W-elle la Ternière pUraVe Tu paragrapUe 3 ?

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Activité 2 : Pourquoi superman peuW-il voler ?

Objectif J Vérifier leV informaWionV TeV Teux TernièreV pUraVeV Tu WexWeH eW expliquer Vi Superman peuW réellemenW

voler...

ConVigneV J

- Rappeler leV relaWionV liWWéraleV TeV valeurV Tu poiTV Te Superman Vur OrypWon eW Vur Terre.

- Ńaire un croquiV monWranW Superman poVé Vur OrypWon eW inTiquanW la TiVWance enWre le cenWre Te

OrypWon eW Vuperman.

- RéTiger la relaWion qui WraTuiW le lien enWre la valeur Tu poiTV Te Superman Vur OrypWonH eW la force Te

graviWaWion exercée par OrypWon sur Superman, en utilisant l'edžpression de l'actiǀitĠ 1. - Ńaire Te même pour Superman Vur Terre.

- DĠduire les relations littĠrales de l'intensitĠ de pesanteur sur Krypton (gK), puis de celle de la Terre (gT).

- rĠpondre ă l'objectif.

MonnéeV J

- rayon Te la Terre J RT = 6371 km - maVVe Te la Terre J mT= 5,97.1024 kg - rayon Te OrypWon J RL= 191130 km - maVVe Te OrypWon J mK= 1,66.1029 kg - maVVe rUinocéroV blanc J mr = 2H30 W - maVVe moyenne Uomme en Ńrance J mh=77,1 kg

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REPRES POUR L'ÉVALUATION

CorrecWion poVVible J

Activité 1 J

1. Nlle TépenT TeV maVVeV TeV Teux corpV en inWeracWion eW Te la TiVWance enWre leV corpV.

2. Si la TiVWance augmenWeH la valeur Timinue. Si la TiVWance TiminueH elle augmenWe.

3. NxpreVVion liWWérale Te la force.

4. D'aprğs la relation, la ǀaleur de la force est proportionnelle au produit des masses ͗ si la masse

de la Terre était plus élevée, la valeur serait par conséquent plus élevée.

AcWiviWé 2 J

- Sur OrypWon J Psuperman K = msuperman x gK Sur Terre J Psuperman T = msuperman x gT - Le croquiV ToiW monWrer que la TiVWance eVW RK

- La ǀaleur du poids est Ġgale ă la ǀaleur de la force d'interaction entre Krypton et Superman donc

Psuperman K = ŃGK ainVi msuperman x gK = G x ( msuperman x mK)/RK² - On a Tonc msuperman x gT = G x ( msuperman x mT)/RT² - gK = (G x mK)/RK² et gT = (G x mT)/RT² - On ToiW alorV vérifier que J

ї L'intensitĠ de la pesanteur ă la surface de Krypton est ă peu prğs 30 fois supĠrieure ă celle de

la Terre.

On peuW valiTer ceWWe affirmaWion

ї Un ġtre humain transportĠ sur Krypton aurait l'impression de peser comme un rhinocéros sur

Terre.

Phumain = mh x gK = 77H1 X 30H7 = 2H37 W (avec 3 cUiffreV VignificaWifV)

On peut ǀalider l'affirmation

ї Superman peut-il voler ?

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