TP Physique N° 01

Pour décrire l'Univers :

Un outil, la puissance de 10.

Correction. 

 

   

Programme 2010 :

Programme 2010 : Physique et Chimie

Objectif : Savoir positionner des objets les uns par rapport aux autres sur une échelle des distances.

 Matériel : film ou CD-ROM les puissances de dix, ordinateur.  

Pour aller plus loin : Les puissances de dix : Le film : http://cds.cern.ch/record/1002701?ln=fr 

I - Les puissances de dix.
1)- Rappels.
2)- L'écriture scientifique.

3)- Multiples et sous-multiples.

II - Analyse d'un document vidéo.

1)- Visualisationdu document vidéo.

2)- Exploitation du document 3.

III - Taille comparée de différents systèmes.

1)- Conctruction d'une échelle particulière.

2)- Application.

I- Les puissances de 10.

1)- Rappels.

RédactionCompléter le tableau des opérations avec les puissances de 10 (document 1).

 

Opérations

Exemples

10 m x 10 n = 10 m + n 

10 3 x 10 2 = 10 5

10 - n   

 1

  10  n

10 - 4 =  

1

  10  4

10m

  10 n   

 = 10m−n

         10 2

             = 10 − 1

         10  3

(10 m) n = 10m.n

(10 3) 210 6

2)- L’écriture scientifique.

-    En Sciences Physiques, un nombre est souvent écrit sous la forme :

 a x 10 n ou  a . 10 n

-    appelée notation scientifique ou écriture scientifique.

-    Complément  : a est un nombre décimal  tel que : 

-    1   a    10 

-   n est un nombre entier relatif  : n  Z.

RédactionSans calculatrice et en s’aidant du document 1, donner l’écriture scientifique du nombre A, sachant que :


  Résultat : A = 6,4 x 10 - 11

RédactionVérifier le résultat avec la calculatrice.

 3)- Multiples et sous-multiples.

RédactionCompléter le tableau (document 2).

Document 2

Préfixe

Symbole

Valeur

 

Téra

T

10 12

Multiples

Giga

G

10 9

Méga

M

10 6

kilo

k

10 3

 

 

1=10 0

 

milli

m

10 - 3

Sous-multiples

micro

µ

10 - 6

nano

n

10 - 9

pico

p

10 - 12

II- Analyse d’un document vidéo.

1)- Visualisation du document vidéo.

RédactionLe film les puissances de 10 permet de voyager de l’infiniment petit vers l’infiniment grand.

-    Lors de sa projection, compléter le tableau (document 3).

Document 3

Objet

Limites de 

l'observation

 de  l'Univers

Notre 

Galaxie

Le Système 

Solaire

La 

Terre

L'Homme

Cellule 

de la rétine

Molécule 

A.D.N

Atome

Noyau

Ordre 

de

 grandeur

15 milliards a.l : 10 26

10 21

10 12 à 10 13

10 7

1 = 10 0

10 - 6

10 - 7

10 - 10

10 - 15

2)- Exploitation du document 3.

-    Il s’agit de compléter à nouveau le tableau avec d’autres objets dont les dimensions sont les suivantes :

-    Distance de l’étoile la plus proche du Soleil : 4,2 a.l :           

-    Distance Terre – Soleil : 150 millions de kilomètres :              

-    Diamètre d’un pamplemousse : 10 cm :                                

RédactionConvertir ces trois distances en mètre sachant que : 1a.l. = 9,5 x 10 15 m et donner chaque résultat sous forme d’une puissance de dix.

RédactionDonner un ordre de grandeur pour ces trois distances :

-    Écrire la valeur considérée en écriture scientifique,

-    Chercher la puissance de 10 la plus proche de la valeur ainsi écrite,

-    On utilisera la règle suivante :

-    Si le nombre est inférieur à 5, l’ordre de grandeur est égal à la puissance de dix

-    Si le nombre est supérieur ou égal à 5, l’ordre de grandeur est égal à 10 multiplié par la puissance de dix.

-    Présenter les résultats sous forme de tableau :

 

Proxima

du Centaure

Distance

Terre - Soleil

Diamètre

d'un pamplemousse

Notation

scientifique

4,0 x 10 16 m

1,5 x 10 11 m

1,0 x 10 −1 m

Ordre

de grandeur

10 16 m

10 11 m

10 −1 m

 

-    Exemples :

-    2,72 x 10 4 a pour ordre de grandeur :  10 4

-    8,7 x 10 4 a pour ordre de grandeur :  10 5  

 

RédactionInsérer à leur place, dans le tableau (document 3) ces nouvelles valeurs.

Objet

Limites de

 l'observation

 de l'Univers

Notre 

Galaxie

 

Le Système

 Solaire

 

La Terre

L'Homme

 

Cellule 

de la 

rétine

Molécule

 A.D.N

Atome

Noyau

Ordre

de grandeur

15 milliards

  a.l :

 1026

1021

1016

1012

à

1013

1011

107

1 = 10 0

10 −1

10 −6

10 7

10 10

10 15

 

 

 

Proxima 

du

 centaure

 

Distance

 Terre 

Soleil

 

 

Diamètre 

d'un

pamplemousse

 

 

 

 

III- Taille comparée des différents systèmes.

1)- Construction d’une échelle particulière.

-    On compare les tailles des différents systèmes qui constituent l’Univers grâce à une échelle particulière.

RédactionPréparation de la graduation.

-    Prendre une feuille de papier (21 cm x 29,7 cm) à petits carreaux.

-    Tracer au centre de la feuille un axe orienté de gauche à droite. À l’extrême droite, placer la graduation 10 25.

-    Placer les autres graduations régulièrement espacées de 0,5 cm (jusqu’à 10 18 ).

-    Une puissance de dix est représentée par une graduation.

-    Numéroter, en bleu, les graduations 10 1, 10 2 10 3, 10 4, …

-    Pour plus de lisibilité, on peut mettre les graduations paires au-dessus de l'axe et les graduations impaires au-dessous.

-    Indiquer,  en rouge, la position des multiples et des sous-multiples du mètre.

-    Remarque : un tel axe ne comporte pas de zéro, ni de grandeurs négatives.

-    Sur un tel axe se côtoient, à quelques distances d’écart des nombres infiniment petits (10 15 ) et des nombres infiniment grands (10 15 ).

-    Données : Sur l’axe ainsi gradué, placer les ordres de grandeur des données rencontrées au cours du TP. Montrer que cette échelle n’est pas linéaire.

2)- Application.

-    Le texte, du document 4, est paru dans le quotidien Ouest-France le 25 septembre 1999.

Document  4

Les limites de la miniaturisation encore repoussées

Informatique: vers l'infiniment petit

Avant d'être un appareil servant à écouter France Inter ou RTL, le transistor est un composant électronique, très largement utilisé en informatique.

Une équipe française vient d'en fabriquer le plus petit modèle au monde.

Réalisé par des chercheurs du Commissariat à l'énergie atomique de Lyon, il ne mesure que 20 nanomètres, soit 20 millionièmes de millimètre.

Posé sur une puce de circuit intégré, il ne serait pas plus gros qu'un cheveu sur un terrain de football.

A titre de comparaison, le transistor le plus petit en 1984 était cinquante fois plus gros!

Il sera bientôt possible de stocker sur une seule puce l'équivalent de plusieurs millions de livres.

 

a)- Quel était le diamètre du plus petit transistor en 1984 ?

-     diamètre du plus petit transistor : 20 nm (transistor mis au point par le C.E.A).

D1984 = 50 D C.E.A

D1984 = 50 x 20 nm

D1984 = 1,0  μm

b)- Calculer le rapport entre le diamètre d’un transistor, en 1947, et celui d’un transistor actuel.

-     Rapport entre le diamètre d’un transistor, en 1947, et celui d’un transistor actuel.

c)-  Connaissant l’épaisseur d’un cheveu et la taille d’un terrain de football, peut-on calculer, en s’aidant des données du texte, l’ordre de grandeur d’une puce de circuit intégré ? Cela paraît-il correct ?

-    Données :

-    épaisseur d’un cheveu : dch  = 100 mm ;

-    Taille d’un terrai de football : dfoot  = 100 m 

-     Grandeur d’une puce de circuit intégré 

Dcheveu = 100 mm 

Dtransistor = 20 nm

Dfootball = 100 m 

 Dpuce = ?

Le transistor, mis au point par le CEA, posé sur une puce de circuit intégré,

il ne serait pas plus gros qu'un cheveu sur un terrain de football.

C'est la dimension de la boîte normalisée qui contient la puce.

En réalité, la puce a une taille de l'ordre du millimètre.