L'eau et la Lune

Ces activités peuvent être réalisés dans le Thème 1 du programme de seconde en S.V.T  "La Terre dans l’Univers, la vie et l’évolution du vivant : une planète habitée" comme dans le thème "L'Univers" du programme de seconde de physique-chimie.

• Objectifs de connaissances en S.V.T :

Rappels du programme 2010 : "Les conditions de la vie : une particularité de la Terre ? La Terre est une planète rocheuse du système solaire. Les conditions physico-chimiques qui y règnent permettent l’existence d’eau liquide et d’une atmosphère compatible avec la vie. Ces particularités sont liées à la taille de la Terre et à sa position dans le système solaire. Ces conditions peuvent exister sur d’autres planètes qui possèderaient des caractéristiques voisines sans pour autant que la présence de vie y soit certaine."

• Objectifs de connaissances en physique-chimie :

Rappels du programme 2010 : "L'UNIVERS". L’Homme a de tout temps observé les astres afin de se situer dans l’Univers. L’analyse de la lumière émise par les étoiles lui a permis d’en connaître la composition ainsi que celle de leur atmosphère et de la matière interstellaire.

Cette activité constitue une application plus large de la spectroscopie étudiée en classe (détermination de la composition chimique de l'atmosphère d'une étoile) et permet d'utiliser des documents scientifiques pour étudier le système solaire. (La compétence Analyser des documents scientifiques portant sur l’observation du système solaire est attendue dans le programme).
 

• Pré-requis en physique-chimie :

Connaître les spectres d’émission et d’absorption. Savoir caractériser une radiation par sa longueur d’onde. Connaître les états de la matière. Il faudra donc que le thème de physique "L'Univers" ait été traité pour réaliser l'activité 2.

• Objectifs des activités :

- Analyser des documents scientifiques portant sur l'observation du système solaire (programme de physique-chimie de seconde 2010)

- Évaluer l'aptitude des élèves à mobiliser leurs compétences (savoirs, savoirs-faire et attitudes) face à une situation nouvelle et complexe.
- Évaluer la capacité des élèves à rendre-compte de leur travail en employant un vocabulaire scientifique adapté et en rédigeant une réponse argumentée.

- Travailler la compétence "Extraire et exploiter des informations" (compétence récurrentes du programme de physique-chimie de terminale S) et préparer ainsi les élèves, dès la seconde, à l'exercice de synthèse de documents scientifiques proposé lors de l'épreuve de physique-chimie du bac S.

• Scénario :

- Télécharger le scénario, la fiche TP à distribuer aux élèves ainsi que la grille d'évaluation par compétences. Pour obtenir le document au format .doc, cliquer ici.

 Cette activité comporte 3 missions.

Dans un premier temps (mission 1), l'élève est placé dans une situation inédite : une illustration inspirée d'une célèbre bande dessinée ("On a marché sur la Lune" de Hergé) est présentée. On y voit un spationaute en scaphandre glissant sur une pente verglacée. L'élève doit prouver la possibilité de présence de glace sur la surface de la Lune en répondant à 3 questions. Une courte synthèse argumentée est demandée.

Dans un deuxième temps (mission 2), on imagine que notre spationaute est maintenant dans un cratère lunaire qui n'est jamais exposé à la lumière du soleil. L'élève doit prouver la possibilité de présence de glace dans ce cratère en répondant à 3 questions (volontairement détaillées pour faciliter l'analyse et le raisonnement). Une courte synthèse argumentée est demandée.

Le dernier temps (mission 3) aborde la mission LCROSS. L'élève doit valider les éléments scientifiques d'un article du journal "Le Monde". Là encore, il dispose de documents et doit mobiliser ses compétences pour répondre au problème posé.

L'élève est placé en situation où il doit mobiliser ses compétences pour répondre aux questions posées. A cette fin, il dispose de documents et, si nécessaire, d'aides ciblées (fiche "coup de pouces" ou aide fournie par le professeur à l'oral) pour l'interprétation de ces documents. Ces aides sont à distribuer en fonction des points de blocage rencontrés par les élèves dans la réalisation de la mission. Il ne s'agit pas d'apporter des réponses « toutes faites » à l'élève mais de le guider ponctuellement à l'aide de questions élucidentes, d'informations … L'objectif est de prendre en compte la diversité des élèves pour leur permettre de travailler à leur rythme et de répondre au problème posé sans que le défaut de connaissances soit un obstacle. Cette démarche participe de fait d'une pédagogie différenciée qui permet de s'assurer que tous puissent mener à terme l'activité tout en donnant du sens aux apprentissages. En cas de blocage complet, la réponse est fournie pour permettre à l'élève de continuer.

• Compétences travaillées (il s'agit de 3 capacités et d'une attitude) :

- S'APPROPRIER : saisir les informations utiles.
- ANALYSER : formuler une hypothèse, élaborer un modèle explicatif.
- REALISER : appliquer une consigne donnée.

- VALIDER : exploiter les informations extraites, les données pour répondre

- COMMUNIQUER : rendre compte de ses résultats à l'écrit (de manière synthétique et structurée, en utilisant un vocabulaire adapté et une langue correcte et en rédigeant une réponse argumentée).
- SAVOIR-ETRE : être autonome, soigner sa production.

LES DOCUMENTS DU TP (on vous propose de télécharger des documents pdf pour une qualité optimale)

Les documents fournis aux élèves pour les missions  (à télécharger ici)
Carte d'identité de la Lune.
Carte d'identité de la molécule d'eau.
Carte des températures de l'hémisphère sud de la Lune.
Fiche "atmosphère ou pas ?"
Les données de la Mission LCROSS (A télécharger ici)

Les fiches coup de pouce à distribuer si besoin
Les fiches à télécharger ici

• Correction missions 1 et 2 et remarques :

Le spationaute est à la surface de la Lune et reçoit la lumière du Soleil (on voit le Soleil sur l'image !). D'après le diagramme de phase, il ne peut exister que de l'eau sous forme de vapeur à la surface de la Lune qui reçoit la lumière solaire (T_moy à T_max).

Coups de pouce éventuel pour les élèves : "Je ne sais pas lire le diagramme des phases"

La Lune possède une atmosphère très ténue constituée de gaz rares monoatomiques. D'après le document fourni ("atmosphère ou pas"), à T_moy et plus, elle ne peut retenir la vapeur d'eau, sa gravité étant trop faible. Il n'y a donc pas de glace sur les surfaces éclairées de la Lune. Pour confirmer cette analyse, on peut noter que les roches rapportées par les missions Apollo ne contiennent pas d’eau, pas même de minéral hydroxylé (comme les micas ou les amphiboles).

Par contre, il peut y avoir de la glace dans un endroit qui n'est jamais exposé à la lumière solaire (T avoisinant les -233 °C). C'est le cas pour le fond des cratères situés près des pôles. En effet, du fait de la très faible obliquité de l'axe de rotation propre de la Lune (1,5 °), le fond de ces cratères n'est pas exposé à la lumière du Soleil. (Certains cratères ont une profondeur de l'ordre du km !) Cette glace proviendrait de la vapeur d'eau dégagée par les impacts de météorites (chondrites carbonées) ou de comètes ; cette vapeur se serait condensée en glace au fond des cratères. Il semblerait que la Terre ait acquis ses réserves d'eau de cette manière : l'eau terrestre viendrait de l'espace ! (voir l'étude de Francis Albarède du laboratoire de Sciences de la Terre de l'ENS Lyon parue fin octobre 2009 dans la revue Nature).

Pour faire le point sur les données scientifiques disponibles en septembre 2009  : site planet Terre

 Coups de pouce éventuel pour les élèves : "Je ne comprends pas l'échelle des températures en K"

• Correction de la mission 3 :

Les élèves doivent d'abord vérifier que le cratère Cabeus est bien situé près du pôle. Ils disposent du logiciel Google Earth. La version 5 doit être installée pour utiliser Google Moon. En utilisant l'option Google Moon et en recherchant le cratère Cabeus, on obtient les coordonnées du point d'impact :84°40' S et 49°50' environ. C'est bien une zone située près du pôle sud.

Coup de pouce éventuel pour les élèves : le mode d'emploi de Google Moon 

D'après la carte des températures de surface de l'hémisphère sud de la Lune, on voit qu'il s'agit d'une zone où la température est très basse. Il s'agit bel et bien d'une zone idéale pour retrouver de la glace.

On analyse maintenant les données obtenues lors de la mission. Sur le spectre d'absorption enregistré, on retrouve bien les bandes d'absorption de la glace qui se situent à des longueurs d'onde autour de 1,5 μm et 2,0 μm. Conclusion : il y avait bien de la glace dans le cratère.

Coup de pouce éventuel pour les élèves : comment interpréter le spectre obtenu (un rappel du cours de physique de seconde avec des compléments sur la spectro IR)

Pour faire le point sur la mission LCROSS : site de la mission LCROSS-NASA