Résumé L’objectif de cet ensemble d’activités est de permettre aux élèves de travailler en équipe pour mener une démarche scientifique et débattre sur la nécessité de dépenser de l’argent pour envoyer des missions scientifiques sur Mars. «Pourquoi ?»





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Developer: Claire Petitfrère – Valérie Masserot

Date : 13/05/2013

Institute: PROFILES MICE Association

Country: France

7th framework programme statement : Project funded within the EC FP7 Programme

Pourquoi dépenser autant d’argent pour aller sur Mars ?
Ce module de physique est conçu pour être utilisé pour des groupes d’élèves dans la tranche d’âge 15 - 17.


Table des matières
Résumé p. 2

Objectifs du module p. 2

Objectifs d’apprentissage p. 2

Références aux contenus du programme p. 2

Pré-requis / Type d’activités / Temps prévu p. 2

Activités des élèves

Scénario p. 3

Tâches des élèves p. 3

Guide du professeur p. 4

Assessment (grille d'évaluation) p. 6
Séance 1 - À quel moment lancer la sonde ? p. 8

Séance 2 - Loi d'attraction universelle p. 10

Séance 3 - Lançons des satellites p. 12

Séance 4 - Atterrissage sur Mars p. 13

Séance 5 - Que peut-on trouver sur Mars ? p. 15
Sources p. 21

Résumé
L’objectif de cet ensemble d’activités est de permettre aux élèves de travailler en équipe pour mener une démarche scientifique et débattre sur la nécessité de dépenser de l’argent pour envoyer des missions scientifiques sur Mars. « Pourquoi ? » implique en fait deux questions : « pourquoi cela coûte-t-il si cher ? » et « en quoi est-il utile d’aller explorer Mars ? ».
Les parties du module sont :

  1. Activités des élèves

  2. Guide du professeur et notes

  3. Évaluation



Objectifs du module
Permettre aux élèves d’acquérir des compétences sur la gravitation et la relativité du mouvement en prenant l’exemple du lancement de sondes sur Mars.

Objectifs d’apprentissage
Les étudiants devront à terme être capables :

  • d'expliquer que la nature d’un mouvement dépend du référentiel choisi,

  • de calculer la force gravitationnelle qui s’exerce entre deux corps,

  • d'analyser des documents scientifiques portant sur l’observation du système solaire,

  • de mettre en œuvre une démarche expérimentale utilisant des techniques d’enregistrement pour comprendre la nature des mouvements observés dans le système solaire.



Référence aux contenus du programme
Relativité du mouvement – Notion de poids – Gravitation universelle

(d’après programme de physique-chimie 2010 : Le système solaire : l’attraction universelle (la gravitation universelle) assure la cohésion du système solaire. Les satellites et les sondes permettent l’observation de la Terre et des planètes).

Pré-requis
Notion de référentiel – Relativité du mouvement – Poids d’un objet

Type d’activités
Extraire des informations, communiquer, faire preuve d’efficacité personnelle et d’initiative, travailler en équipe, utiliser la simulation informatique.

Temps prévu
Ce module est conçu pour 6 séances de 80 minutes. Chaque tâche est prévue pour une séance de 80 minutes.

Pourquoi dépenser autant d’argent pour aller sur Mars ?
Activités des élèves :
Scénario
Pour introduire la question, il est possible de présenter aux élèves les documents suivants :

  • Tableau des missions vers Mars (réussites ou échec) en annexe 1

  • Why should we spend money on space exploration when we have so many problems here on earth ? http://www.fragileoasis.org/blog/2012/8/two-way-technology-transfer/

  • Page d’accueil du site : http://www.nirgal.net/

  • Extrait audio de la Tête au Carré avec Albert Jacquard sur France Inter du 17/06/2013 (de 22’30 à 27’)

  • Extraits du hors-série Science et Vie de septembre 2013 – Aller sur Mars : où, quand, comment, pourquoi ?


Pourquoi ça coûte si cher ? Pourquoi est-il utile de le faire quand même ?

Pouvez-vous donner des arguments scientifiques pour répondre à cette question ?
Dans les activités suivantes, vous allez former une équipe de scientifiques pour examiner pourquoi, quand, comment, … il est possible d’aller sur Mars.

Vos tâches

Chaque élève devra écrire un compte-rendu de ses activités et recherches durant chaque tâche.

Tâche 1 : Quel est le meilleur jour pour lancer la sonde ?
Avec le logiciel Stellarium, vous allez observer le mouvement de Mars dans le système solaire.

Quelles étaient les positions de Mars et de la Terre quand le robot Curiosity a été lancé ?

Tâche 2 : Force de gravitation

Tâche 3 : Comment peut-on lancer la fusée ?

Tâche 4 : Atterissage sur Mars

Tâche 5 : Qu’est-ce qui rend la planète Mars si intéressante ? Que peut-on y trouver ?
Étude de documents par groupes de 4

Tâche 6 : Présentations – Conclusion
Chaque groupe présentera le résultat de ses recherches à la classe à l’aide d’un diaporama.

Puis vous débattrez sur la question de départ.

Guide du professeur

Introduction

Ce module a pour objectif d’ouvrir autant que possible la démarche personnelle des élèves. Cependant, cette partie offre des suggestions au professeur pour fournir plus d’éléments structurés aux cours.

Séance 1 – Scénario, et quand doit-on lancer la sonde ? (80 minutes)
Scénario : pour répondre au sujet, il faut se poser deux questions :

  • Pourquoi ça coûte si cher ?
    Parce que c’est difficile, parce que c’est loin, parce qu’il faut beaucoup de calcul (investissement de toutes les notions physiques des tâches 1, 2, 3, 4)

  • Pourquoi est-il utile de le faire quand même ?
    (investissement tâche 5 – recherche documentaire)


Activité par binôme

Exemples de support d’activité : deux versions possibles pour aborder la question - Documents élèves : voir annexe 2

Séance 2 – Gravitation universelle (80 minutes)
Attraction Mars/Soleil – Terre/Soleil

Le but de cette séance est que l’élève comprenne ce qui explique le mouvement des planètes dans le système solaire (la gravitation universelle).

Pourquoi la Terre tourne-t-elle plus vite que Mars autour du Soleil ? Il faut compenser une force de gravitation plus grande.

Les élèves doivent donc calculer la force de gravitation s’exerçant entre la Terre et le Soleil et entre Mars et le Soleil.

Voir document élève proposé en annexe 3.

Séance 3 : Comment lancer la sonde ? (80 minutes)
Voir annexe 4.

Activité satellite avec le logiciel libre Satellites (téléchargeable sur http://ar.soulas.pagesperso-orange.fr/LogicielsPC.htm) et recherche sur le lancement d’une sonde spatiale sur le site : http://www.cnes.fr/web/CNES-fr/497-comment-a-marche-un-voyage-interplanetaire-.php

Séance 4 : Atterissage sur Mars (80 minutes)
Voir annexe 5.

Séance 5 : Que peut-on trouver sur Mars (80 minutes)
Par groupe de 4.
Différents sujets montrant ce qu’on trouve sur Mars avec différentes méthodes physico-chimiques :

  1. L’eau liquide a-t-elle existé et existe-t-elle encore sur Mars ? (voir annexe 8)

  2. Analyse des roches par la spectrométrie CHEMCAM (video « Coulisses de la mission MSL CNES » et journal des Savanturiers n°2, site http://www.msl-chemcam.com/)

  3. Météorites martiennes et isotopie (voir annexe 6)

  4. Les éléments chimiques nécessaires à la vie terrestre sont-ils présents sur Mars ? (voir annexe 7)

  5. Les contraintes d’une mission habitée vers Mars

  6. Ressemblances/différences entre la Terre et Mars

Pour ces sujets et d’autres possibles, de nombreuses informations sont disponibles dans le hors série de Science et Vie de Septembre 2013.

Voir aussi le site http://www.nirgal.net/homme2.html très complet sur Mars et différentes problématiques.
La recherche peut être commencée dès la première séance et les élèves peuvent ainsi avoir plusieurs semaines de recherche pendant le déroulement des autres séances.

Éventuellement, des sujets impliquant la SVT peuvent être donnés (conditions de vie sur Mars, quel site le plus intéressant géologiquement peut être choisi ?).

La recherche peut être menée en collaboration avec le CDI.

Voir annexe 6

Séance 6 : Présentation – Conclusion (80 minutes)
Présentation des diaporamas par les groupes d’élèves (pouvant être évaluée).

Débat sur la question de départ.

Assessment
It is suggested that assessment be both formative and summative. In the case of formative assessment ‘comment only’ or ‘allocation of marks/grade’ may be made at the discretion of the teacher. The following tables 1 and 2 may be used by the teacher to evaluate each students’ performance in terms of performing the activity and working within the group.
Student Group work Evaluation based on Teacher’s Observation


Performing the activity

Teacher Comment / Mark / Grade

Performs the activity according to the instructions/plan created




Maintains an orderly and clean work table




Understands the objectives of the activity and knows which tests and measurements to perform




Uses lab tools and the measurement equipment in a safe and appropriate manner










Functioning as group member

Contributes to the group discussion (raises questions and hypotheses, designs the experiment, draws conclusions, makes justified decisions)




Shows tolerance with the group members.




Cooperates with others in a group and fully participates in the work of the group.




Illustrates leadership skills –guiding the group by thinking creatively and helping those needing assistance , summarising outcomes.










Presenting orally to the rest of the group

Presents the activity in a clear and practical manner with justified decisions.




Presents by illustrating knowledge and understanding of the subject.




Uses precise and appropriate scientific terms and language.




Ref: Jack Holbrook, ICASE, PARSEL

Annexe 1

D’après : http://fr.wikipedia.org/wiki/Exploration_de_Mars



Mise à jour : en juillet 2012

Type de mission

Taux de
réussite


Nombre de sondes
lancées


Succès

Succès partiels

Échec au lancement

Échec durant le
transit vers Mars


Échec à l'insertion
en orbite ou à l'atterrissage


Survols

45 %

11

5




4

2




Orbiteurs

50 %

22

9

2

5

3

3

Atterrisseurs

30 %

10

3







3

4

Rovers

80 %

5

3

1







1

Retours d'échantillon

0 %

1










1 (Phobos)




Total

47 %

49

20

3

9

9

8

Parmi les causes d’échecs :

  • Ne parvient pas à quitter l'orbite terrestre

  • Contact perdu, cesse d’émettre

  • S'écrase à la surface de Mars

  • Ne parvient pas à se mettre en orbite martienne

  • Se place en orbite héliocentrique


Annexe 2
VERSION 1 :

  1. M
    Configuration de Stellarium

        1. Arrêter le défilement automatique du temps (bouton lecture).

        2. Se placer au pôle Nord (pour éviter un trop fort balancement du ciel quand on fera défiler le temps)(fenêtre positionnement : entrer la latitude N 90)°

        3. Éliminer l’atmosphère, le sol et les points cardinaux.

        4. Activer les noms des planètes, des constellations ainsi que le dessin de ces dernières.

        5. Se placer à la date du 21/7/2009, demander Mars dans la fenêtre de recherche et le fixer à l’écran (centrer sur objet sélectionné).

        6. Dans la fenêtre de configuration, cocher « montrer les orbites des planètes ».



    ouvement de Mars par rapport à la Terre



Le Soleil doit être à gauche de Mars. Si ce n’est pas le cas «dézoomer» jusqu’à le faire apparaître.
Comme les Anciens de l’Antiquité, en utilisant les constellations pour se repérer, décrire le mouvement de la planète Mars dans le ciel, vue de la Terre, entre le 21/7/2009 et le 5/03/2010.

Que remarque-t-on de particulier ? Ce mouvement de Mars est-il étonnant ? Pourquoi ?

Dans quel référentiel se positionne-t-on ici ?


  1. M
    Configuration de Stellarium

    1. Observer les trajectoires à partir du Soleil en choisissant le lieu d’observation « Soleil» dans la zone « Planètes » de la fenêtre de positionnement (puis taper sur la touche Entrée).

    2. Centrer l’observation sur Mars

    3. Se placer au 21/07/2009 et faire défiler le temps en accéléré pour observer les trajectoires de Mars et de la Terre vues du Soleil sur la même période que précédemment (jusque mi-avril 2010)
    ouvement de Mars par rapport au Soleil



Vérifier alors que la Terre tourne plus vite que Mars autour du Soleil.

À quelle date Mars est-elle la plus proche de la Terre ?

Dans quel référentiel se positionne-t-on ici ?
3. Tracer la trajectoire de Mars dans le référentiel géocentrique.

a. Tracer sur un carré de papier transparent deux droites perpendiculaires passant par le centre du carré. Noter T l’intersection de ces deux droites.

b. Superposer la feuille de papier calque au document ci-contre en plaçant le point T sur la position T1 de la Terre et en disposant les droites dessinées parallèlement aux bords du document. Quand le centre de la Terre se trouve en T1, le centre de Mars est en M1. Marquer la position M1 de Mars sur la feuille de papier calque.

c. Déplacer la feuille en maintenant les deux droites parallèles aux bords du document pour faire coïncider le point T avec la position T2 du centre de la Terre. Marquer la position M2 du centre de Mars sur la feuille … Faire de même pour toutes les autres positions.

d. La trajectoire de Mars sur les deux schémas est-elle identique ? Pourquoi ?

Différentes positions du centre de la Terre et du centre de Mars autour du centre S du Soleil dans le plan de l’écliptique à des instants identiques.

Conclusion :

Expliquer le mouvement observé en 1, appelé « rétrogradation » de Mars.

Rechercher les dates de lancement de la sonde Curiosity. Observer sur Stellarium les positions de Mars pendant la période de lancement et de voyage de la sonde.

À votre avis, quel est le meilleur moment pour lancer la fusée ?

VERSION 2 :

À quel moment lancer Curiosity ?


  1. Description des mouvements de la Terre et de Mars

    1. Dans la figure 1, quel est le référentiel Terre utilisé ?

    2. Décrire le mouvement de la Terre et de Mars dans ce référentiel.

    3. La vitesse de Mars sur son orbite autour du Soleil est-elle la même que celle de la Terre sur son orbite autour du Soleil ?

    4. Quelle est la distance Terre-Mars pour les deux cas extrêmes ?

    5. Quand vous semble-t-il le plus judicieux de lancer Curiosity ?

    6. Quelle devrait être la durée approximative du trajet ?


Données :
Échelle de la figure 1 : 1 div = 50 millions de km

Vitesse de croisière du lanceur : 25 000 km/h


  1. Dans un référentiel géocentrique, quel serait le mouvement de Mars ?
    2.1 Pour cela, pointer sur une feuille de papier, les différentes positions de Mars prises pendant 1 an, dans un référentiel géocentrique.

2.2 Pourquoi appelle-t-on ce mouvement, la « rétrogradation » de Mars ?


  1. Visualisation par des animations :

    1. Visualiser le mouvement de Mars dans les repères héliocentriques et géocentriques, grâce aux animations suivantes.

    2. Justifier l’expression « la description du mouvement d’un système est relative... »

    3. Quand vous semble-t-il le plus judicieux de lancer Curiosity ?




  1. Fenêtre de lancement
    Mais d’autres paramètres entrent en jeu : < http://fr..wikipédia.org/wiki/exploration_de_Mars
    « … Les 2 planètes se déplacent à des vitesses considérables sur leur orbite (près de 30 km/s pour la Terre et 21 km/s pour Mars). Cette vitesse est communiquée au vaisseau lorsqu’il décolle de la Terre. Ceci rend impossible, avec les capacités des fusées actuelles, d’effectuer une route directe vers Mars …. »

« La trajectoire qui consomme le moins de carburant consiste à lancer le vaisseau sur une orbite elliptique tangente à l’orbite terrestre au départ et à l’orbite martienne à l’arrivée. ». C’est en fait lorsque Mars et la Terre sont en opposition qu’on obtient le meilleur compromis, soit une fenêtre de lancement de 2h par jour pendant 24 jours … tous les 26 mois !


4.1 Visualiser, à l’aide de Stellarium, le mouvement de Mars dans les repères héliocentrique et géocentrique entre le 26 novembre 2011 et le 6 août 2012, dates de lancement et d’arrivée de Curiosity.

4.2 Prolonger la visualisation jusqu’à la prochaine fenêtre de lancement.

Annexe 3
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