Enseignement scientifique 1re

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Thème 1 : Une longue histoire de la matière
Ch. 1
Les éléments chimiques
Ch. 2
Des édifices ordonnés : les cristaux
Ch. 3
Une structure complexe : la cellule
Thème 2 : Le Soleil, notre source d'énergie
Ch. 4
Le rayonnement solaire
Ch. 5
Le bilan radiatif terrestre
Ch. 6
Énergie solaire et photosynthèse
Ch. 7
Le bilan thermique du corps humain
Thème 3 : La Terre, un astre singulier
Ch. 8
La forme de la Terre
Ch. 9
L'histoire de l’âge de la Terre
Thème 4 : Son et musique, porteurs d'information
Ch. 11
Le son, phénomène vibratoire
Ch. 12
Musique et nombres
Ch. 13
Le son, une information à coder
Ch. 14
Entendre la musique
Projet Experimental et Numérique
Livret Maths
Annexes
Chapitre 10
Activité 1 - en groupe

La Terre au centre ?

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Introduction
Cela ne fait que quelques siècles que le modèle héliocentrique est accepté par la communauté scientifique. Si le modèle géocentrique a perduré si longtemps, c'est qu'il représentait la meilleure explication aux mouvements des astres.
Le modèle héliocentrique était-il cohérent avec les connaissances et les observations de l'Antiquité ?
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Groupe 1
La Terre au centre de l'Univers, un modèle qui fonctionne

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Doc. 1
Des objets immobiles et d'autres en mouvement

En observant le ciel, nous pouvons identifier deux types d'objets célestes :
  • ceux qui nous paraissent immobiles ;
  • ceux dont nous distinguons le mouvement.

Dans l'Antiquité, les premiers furent appelés « étoiles », les seconds « planètes », du grec planetes asteres « astres errants ». Les Grecs comptaient sept planètes : la Lune, le Soleil, Vénus, Mercure, Mars, Jupiter et Saturne.

Le Soleil se lève à l'Est et se couche à l'Ouest. Nous observons le mouvement circulaire du Soleil autour de la Terre au fur et à mesure de l'avancement de la journée. Dans le référentiel géocentrique, le Soleil tourne autour de la Terre.
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Doc. 2
La voûte céleste selon Platon et Aristote

Placeholder pour photo portrait de Platonphoto portrait de Platon
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Selon Platon (428-348 av. J.-C.), le monde est construit par le dieu Démiurge et est divisé en deux parties :
  • la sphère des étoiles qui tourne immuablement autour de l'axe du monde ;
  • sept cercles inégaux correspondent aux sept planètes, en mouvement autour de la Terre située au centre.
Placeholder pour photo portrait d'Aristotephoto portrait d'Aristote
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Dans son Traité du ciel, Aristote (384-322 av. J.-C.) souhaite décrire le cosmos tel qu'il est réellement. D'après sa théorie des quatre éléments, la Terre doit être au centre car ce qui est lourd va naturellement vers le bas. Ce modèle sera adopté par la majorité des savants de l'Antiquité et du Moyen-Âge.

Selon lui :
  • en dehors de la sphère ultime, il n'y a rien ;
  • la sphère ultime fait tourner la sphère des étoiles autour de l'axe du monde, elle est animée par le premier moteur ;
  • le cosmos est divisé en deux régions :
    • le monde sublunaire, celui du mouvement et des quatre éléments : de la Terre jusqu'à la Lune,
    • le monde supralunaire, parfait et immuable : au-delà de la Lune.
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Doc. 3
L'harmonie des sphères selon Pythagore

Placeholder pour photo portrait de Pythagorephoto portrait de Pythagore
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Selon Pythagore (VIe siècle av. J.-C.), la Terre est placée au centre du cosmos, et autour d'elle se trouvent les sept planètes, chacune portée par une sphère en rotation. Les planètes ne sont donc pas elles-mêmes en mouvement, mais portées par une sphère en mouvement.

Modèle de l'harmonie des sphères selon Pythagore
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Modèle de l'harmonie des sphères selon Pythagore.
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Supplément numérique

pour retrouver une frise des constellations créées au cours du temps.
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Indicateurs de réussite
1. Avoir identifié les observations qui ont conduit les philosophes de la Grèce antique à placer la Terre au centre de l'univers.
2. Avoir identifié les idées et théories.
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Groupe 2
La Terre au centre : un modèle compliqué ?

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Doc. 4
Les limites du modèle géocentrique

Platon observe des irrégularités lorsqu'il essaye de déterminer la trajectoire des astres. Les prédictions du modèle géocentrique « simple » ne correspondent pas à la réalité observée.
  • Mars et Saturne : pour un observateur terrestre, en prenant comme référence les étoiles très éloignées, Mars semble par moment reculer, pour reprendre ensuite sa trajectoire circulaire. On parle de « rétrogradation ». De même, Saturne semble ralentir, puis accélérer : on parle de « station ».

  • Précession des équinoxes : l'orientation de l'axe des pôles par rapport aux étoiles change au fil du temps.

  • Variation de l'éclat des planètes : les planètes semblent plus ou moins lumineuses selon le moment d'observation, ce qui indiquerait que leur distance à la Terre varie.

  • Variation de l'axe de rotation du monde : les planètes semblent monter ou descendre par rapport à leur plan de rotation.
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Doc. 5
Eudoxe de Cnide

Pour prendre en compte les irrégularités des trajectoires observées, Eudoxe imagine un système dans lequel les mouvements des planètes résultent de l'ensemble des mouvements de sphères emboîtées :
  • la sphère extérieure explique l'alternance jour/nuit ;

  • la deuxième sphère explique les mouvements des planètes ;

  • les sphères intérieures expliquent les stations et rétrogradations.

Au total, le système inventé par Eudoxe comporte 27 sphères, mais ce système fonctionne mal dans certains cas, notamment pour la trajectoire de Mars. Aristote améliorera ce système en proposant une version finale composée de 56 sphères.
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Doc. 6
Un modèle antique non géocentrique

Philolaos, un disciple de Pythagore, imagine la Terre comme une sphère en rotation autour d'un feu central qu'il nomme Hestia. Dans ce modèle, l'alternance jour-nuit et le mouvement de la voûte céleste s'expliquent par la rotation de la Terre sur elle-même.
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Doc. 7
La théorie de l'épicycle

Ptolémée, dans l'Almageste au cours du IIe siècle après J.-C., s'éloigne des principes philosophiques d'Aristote, notamment des sphères solides portant les planètes, et traite l'astronomie de façon géométrique. Il formalise la théorie de l'épicycle initiée par Eudoxe en lui ajoutant la notion d'équant.
Épicycle
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Épicycle : un astre décrit un cercle dont le centre décrit lui-même un cercle appelé déférent, et dont le centre est situé sur la Terre.
Équant
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Équant : la vitesse angulaire de l'astre n'est plus constante par rapport au centre du cercle, mais par rapport à un point distinct appelé équant.
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Travaux pratiques

Rétrogradation de Mars

Placeholder pour MarsMars
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Ouvrir le . Se placer sur Athènes, faire apparaître les constellations. Positionner la caméra sur Mars et faire défiler le temps jour par jour du 1er décembre 2009 23 h au 15 octobre 2010. Observer le mouvement de Mars par rapport aux constellations situées derrière.
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Supplément numérique

pour retrouver une animation permettant de comprendre ces observations.

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