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Les puissances de dix 10 -16 1 10 25. Échelle: 10 0 mètre = 1 mètre Échelle humaine Un étudiant se repose en attendant son cours dastronomie dobservation.

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1 Les puissances de dix

2 Échelle: 10 0 mètre = 1 mètre Échelle humaine Un étudiant se repose en attendant son cours dastronomie dobservation sur le terrain du collège. Cest le début dune après- midi paresseuse, un premier octobre. Commençons par une scène dun mètre de large que nous voyons dun mètre de haut.

3 Échelle: 10 1 mètres = 10 mètres = 1 décamètre Et il sendort en pensant… On observe maintenant la scène dune distance 10 fois supérieure et notre champ de vision est 10 fois plus large. Ce carré à dix mètres de côté.

4 Échelle: 10 2 mètres = 100 mètres = 1 hectomètre Le terrain du Cégep Sainte-Foy Cette image est centrée sur létudiant même sil est invisible. 100 mètres, la distance quun homme peut parcourir en 10 secondes.

5 Échelle: 10 3 mètres = mètres = 1kilomètre Le chemin Sainte-Foy ainsi que lautoroute Du Vallon. Ce carré a 1 km de côté, la distance quune voiture de course peut couvrir en 10 secondes.

6 Échelle: 10 4 mètres = 10 kilomètres = 10 km La ville de QUÉBEC Dix kilomètres, la distance quun supersonique peut couvrir en 10 secondes. Nous voyons le fleuve Saint- Laurent.

7 Échelle: 10 5 mètres = 100 kilomètres = 100 km Le Québec métropolitain La distance quun satellite sur orbite couvre en dix secondes. Bien quaucune structure ne soit visible à cette altitude, cest à cette distance que nous pouvons commencer à réaliser limportance des réalisations humaines.

8 Échelle: 10 6 mètres = 1 mégamètre = 1Mm La province de Québec Sur cette image, quatre provinces sont visibles: outre le Québec, on remarque lOntario (Lac Ontario), la Nouvelle-Écosse ainsi que le Nouveau-Brunswick. Des dizaines de millions des gens saffairent, mais aucuns signes visibles d'intelligence à cette altitude - au moins durant le jour. La nuit, il est possible de voir les lumières des principaux centres urbains.

9 Échelle: 10 7 mètres = 10 mégamètres = 10 Mm LAmérique du Nord Nous pouvons maintenant voir toute la Terre. Dans cette photo, on peut reconnaître la baie dHudson et l'Amérique Centrale.

10 Échelle: 10 8 mètres = 100 mégamètres = 100 Mm La Terre La fenêtre mesure maintenant 10 8 m de largeur. On y aperçoit notre planète, la Terre, dans sa totalité. Létudiant, bien quinvisible à cette échelle, se trouve toujours en plein centre de limage.

11 Échelle: 10 9 mètres = 1 millions de km = 1 gigamètre Le système Terre-Lune Avec un saut dun facteur dix par rapport à la fenêtre précédente, la Terre nest plus quun point et on aperçoit lorbite de la Lune. Le système Terre-Lune met moins de dix heures pour traverser cette fenêtre. Une façon pratique de représenter les distances en astronomie consiste à calculer le temps que prendrait le voyage entre la Terre et on objet à la vitesse de la lumière, soit km/s. De la Terre à la Lune il faudrait 1,3 seconde-lumière. Cette fenêtre correspond aux limites qui ont été explorées directement par des êtres humains à bord de vaisseaux spatiaux.

12 Échelle: mètres = 10 millions de km = 10 Gm Quatre jours en octobre La bande verte représente l'orbite de la Terre. À lintérieur de cette bande, on peut apercevoir l orbite de la Lune (la bande blanche). À cette échelle, la Terre est plus petite qu'un simple pixel au centre de l'orbite de la Lune. La trajectoire choisie pour ce voyage fait paraître l'orbite lunaire plus elliptique.

13 Échelle: mètres = 100 millions de km = 100 Gm Vénus, la Terre et Mars Jusquà présent, les vaisseaux spatiaux lancés de la Terre nont réussi à se poser que sur trois planètes (et une lune). Mars a reçu la visite des deux Viking Landers ainsi que le Mars Pathfinder. Six missions Apollo ont réussis à se poser sur la surface lunaire. La ligne verte, qui représente lorbite terrestre, est à peine assez large pour inclure l'orbite entière de la Lune. Notre Terre prend environ six semaines pour traverser la partie visible de son orbite.

14 Échelle: mètres = 1 milliard de km = 1 téramètre Lorbite de Jupiter La ceinture dastéroïdes (quon ne peut détecter à cette échelle), sépare les planètes intérieures (Mercure, Vénus, la Terre et Mars) des planètes extérieures. Lorbite éloignée que lon distingue dans la fenêtre est celle de Jupiter.

15 Échelle: mètres = 10 téramètres Le système solaire Ce saut nous fait découvrir plusieurs astres en orbite autour du Soleil, qui constituent le système solaire. À cette échelle, la Terre et le Soleil sont si proches quils se confondent en un point au centre de limage. La première orbite que lon distingue dans la fenêtre est celle de Jupiter, suivie par ordre croissant de taille, des orbites de Saturne, dUranus, de Neptune et de Pluton. À ce jour, quatre sondes ont réussi à quitter le système solaire. Lexploration physique de lUnivers sarrête donc à cette fenêtre.

16 Le système solaire (suite) Nous pouvons voir les orbites, de Saturne, Uranus, Neptune et Pluton. Pluton se trouve à 6,7 heures-lumière de la Terre. Depuis sa découverte en 1930, Pluton a parcouru seulement un quart de son orbite solaire. Pluton est récemment redevenu la planète la plus éloignée du Soleil. Durant les dernières années, l'orbite excentrique de Pluton l'avait placé devant Neptune. Échelle: mètres = 100 téramètres

17 Échelle: mètres = 1 pétamètre Système solaire (suite) Bien quinvisible à cette échelle, nous savons maintenant quenviron 0,05 % de la masse du système solaire (environ le tiers de la masse totale des planètes) se trouve au-delà de lorbite de Pluton, sous la forme dun nuage sphérique de petits astéroïdes, le nuage de Oort.

18 Échelle: mètres = 10 pétamètres = 10 Pm La limite du système solaire Dans cette fenêtre la taille du Soleil nest quune indication de sa luminosité. À cette échelle, le système entier solaire est plus petit qu'un simple pixel. Nous avons atteint les bords de l'influence gravitationnelle du soleil, le Nuage Oort. On le croit que le Soleil possède un halo de particules de roches et de glace.

19 Échelle: mètres = 100 pétamètres Le Soleil et alpha du Centaure Dans cette fenêtre, le Soleil (ainsi que tout le système solaire) est au centre. La douzaine dobjets brillant sont des étoiles naines ou des systèmes d'étoile multiples et sont visibles uniquement parce que nous en sommes près. L'étoile brillante la plus proche au Soleil, Alpha du Centaure, se retrouve au coin supérieur gauche. Il sagit dun système d'étoile triple situé à 4,2 a.l. du Soleil.

20 Échelle: mètres = 1 examètre Les étoiles voisines Nous sommes maintenant à une distance de 200 a.l. du Soleil. Nous apercevons maintenant Arcturus (coin inférieur droit) ainsi que quelques étoiles de la Grande Ourse. Létoile Arcturus est intrinsèquement plus brillante que notre Soleil.

21 Échelle: mètres = 10 examètres Les étoiles situées dans le bras Nous avons maintenant atteint le bord du disque aplani de la Voie lactée, denviron a-l dépaisseur.

22 Échelle: mètres = 100 examètres Notre bras spirale Notre Soleil est situé près du bord intérieur d'un des bras spirale de la Voie lactée - le bras Orion - situé entre le bras du Sagittaire (à l'intérieur) et le bras de Persée (à l'extérieur). À cette échelle, le soleil est beaucoup trop faible pour être visible.

23 Échelle: mètres =1 zettamètre = 1 Zm La Voie Lactée Nous pouvons maintenant voir plus en détail la structure de la Voie Lactée. Cent milliard d'étoiles reliés par la force gravitationnelle, en rotation dans le sens des aiguilles d'une montre (vue du pôle nord galactique). Le rayon de la Voie lactée est d environ 50,000 années-lumière. Le système solaire se situe à environ a.l. du centre de la Galaxie. Le soleil effectue une rotation autour du centre de la Galaxie en 250 millions d'années.

24 Échelle: mètres Amas local Ce disque plat circulaire est notre propre galaxie, la Voie lactée, montrant sa structure en spirale. Notre Galaxie se déplace dans l'espace avec plusieurs galaxies satellites - les galaxies irrégulières, en bas à gauche sont les nuages de Magellan, visibles en hémisphère sud. La Voie lactée est une galaxie de taille moyenne, contenant environ 100 milliards, ou 10 11, étoiles.

25 Échelle: mètres Amas de la Vierge Dans cette image nous apercevons une petite partie de lamas de la Vierge, notre Groupe Local. Afin de se concentrer sur le voisinage de la Voie lactée, le premier plan ainsi que les galaxies éloignées ont été omis. Notez la galaxie au bas à gauche du rectangle central. C'est la grande galaxie dAndromède. Cette galaxie est située à 2,2 millions dannées-lumière de la Voie-Lactée. Lorsque nous regardons Andromède dans le ciel, nous ne la voyons pas telle qu elle est maintenant, mais plutôt telle quelle était il y a 2,2 millions dannées.

26 Échelle: mètres = 1 yottamètre = 1 Ym Superamas de galaxies À cette échelle, nous ne voyons que les galaxies les plus brillantes (ou les plus proches de notre point de départ situé à années- lumières. Les galaxies sont gravitationnellement liées dans des amas contenant des centaines ou des milliers de galaxies. Notre galaxie, la Voie Lactée, demeure invisible au centre de lamas de la Vierge (à lintérieur du rectangle).

27 Échelle: mètres Les limites de notre connaissance Ce dernier saut nous dévoile la dernière fenêtre de ce grand tour, qui sétend sur un milliard dannées-lumière. La Voie Lactée est en plein centre, et on aperçoit plusieurs millions de galaxies semblables à la notre. Celles-ci ne sont pas distribuées uniformément dans lespace: elles se concentrent en amas et en filaments, laissant de grands vides presque dépourvus de galaxies. Plus lon regarde loin dans lespace, plus on voit lUnivers jeune, et plus on se rapproche de létat de haute densité initial.

28 Notre voyage retour vers le collège sera accéléré. Nous réduirons la distance qui nous sépare du centre de la Terre dune puissance de dix toutes les deux secondes. Toutes les deux secondes, nous aurons parcourue 90% de la distance qui nous sépare de la Terre. Remarquez lalternance entre grande activité et activité relative. Notre voyage vers notre prochain objectif, un proton dans le noyau dun atome de carbone sous la main de létudiant endormi !

29 10 25 m

30 10 24 m

31 10 23 m

32 10 22 m

33 10 21 m

34 10 20 m

35 10 19 m

36 10 18 m

37 10 17 m

38 10 16 m

39 10 15 m

40 10 14 m

41 10 13 m

42 10 12 m

43 10 11 m

44 10 10 m

45 10 9 m

46 10 8 m

47 10 7 m

48 10 6 m

49 10 5 m

50 10 4 m

51 10 3 m

52 10 2 m

53 10 1 m

54 Nous sommes de retour à notre point de départ.

55 Échelle: mètre = 0,1 mètre = 1 décimètres La main Nous approchons la surface de la main. Bientôt, nous pénètrerons à lintérieur de la peau.

56 Échelle: mètre = 1 cm = 1 centimètre La peau Cette fenêtre nous montre la surface de la peau de cette main telle que vue par une loupe grossissante.

57 Échelle: mètre = 1 mm = 1 millimètre Une pore dans la peau Nous traversons couche après couche jusquà un minuscule vaisseau à lintérieur de cette main.

58 Échelle: mètre = 100 µmètre = 100 micromètres Les micro-organismes Les couches de la peau disparaissent à leurs tours. On peut maintenant apercevoir une couche de cellules superficielles le collagène, le capillaire qui contient les cellules sanguines, ainsi qu un lymphocyte rugueux. Lépaisseur de la peau varie de 0,5 mm sur les paupières à environ 4 mm sur la paume de la main.

59 Échelle: mètre = 10 µm = 10 micromètres Un lymphocyte Nous apercevons un globule blanc, appelée « lymphocyte ». Il sagit dune variété de globules blancs mesurant de 6 à 8 microns.

60 Échelle: mètre = 1 µm = 1 micromètre Le noyau cellulaire Nous sommes tout juste à l'extérieur du noyau cellulaire et nous pouvons apercevoir la membrane nucléaire. Le noyau à lintérieur renferme lhérédité humaine dans les spirales de lADN.

61 Échelle: mètre = 0,1 µm = 100 nm = 100 nanomètres Les liaisons de l ADN Cette fenêtre nous présente la double hélice une molécule qui ressemble à une double échelle torsadée dont les barreaux épèlent deux fois dans un alphabet de quatre lettres les mots du puissant code génétique.

62 Échelle: mètre = 10 nm = 10 nanomètres La structure de l ADN En 1953, James Watson et Francis Crick ont déchiffré la structure de lADN. Chaque barreau de cette double échelle torsadée est constitué de nucléotides ordonnés - une substance constituée d'un phosphate, un sucre et une base azotée. C'est l'ordre particulier des bases qui déterminent la fonction d'un segment de dADN.

63 Échelle: mètre = 1 nm = 1 nanomètre Les molécules dADN Nous nous centrons maintenant sur un groupe commun de trois atomes dhydrogène reliés par des forces électriques à un atome de carbone. La chimie organique, ou « chimie de la vie », est la branche de chimie consacrée aux molécules carboniques-hydrogènes.

64 Échelle: mètre = 0.1 nm = 100 picomètre = 100 pm Les électrons de surface Quatre électrons constituent lenveloppe de latome de carbone lui-même juste au milieu de ces électrons de surface.

65 Échelle: mètre = 10 pm = 10 picomètre Le nuage électronique intérieur Maintenant, nous arrivons sur les deux électrons intérieurs retenus dans un essaim plus dense. Nous nous dirigeons vers le centre atomique. Nous pénétrons dans un vaste espace intérieur. Si limage que nous apercevons est floue, cest que les électrons ne sont pas des particules bien définies, mais plutôt des distributions diffuses appelées « ondes-particules ».

66 Échelle: mètre = 1 pm = 1 picomètre À l intérieur du nuage électronique Le cœur compact de l'atome commence à apparaître. Les électrons chargés négativement, sont attirés par la charge positive des protons dans le noyau, un noyau a tendance à capturer en orbite autour de lui un nombre égal délectrons au nombre de protons quil contient. Lensemble de l atome est alors neutre. Ainsi, notre atome de carbone contient 6 électrons, sil est neutre. Le noyau est environ plus petit que lensemble de latome.

67 Échelle: mètre = 100 fm = 100 femtomètres Le noyau Nous commençons à peine à apercevoir le noyau massif de cet atome particulier de carbone composé de six protons et de six neutrons.

68 Échelle: mètre = 10 fm = 10 femtomètres Le noyau carbonique La stabilité du noyau est due à la force nucléaire. Il sagit dune force attractive qui agit indistinctement entre les protons et les neutrons. Les six neutrons et six protons semblent se toucher. Avec ces douze nucléons, ce noyau de carbone-12 est l'isotope le plus répandu de carbone, il sert également détalon moderne de masse.

69 Échelle: mètre = 1 fm = 1 femtomètre À lintérieur dun proton Au cours des trois dernières décennies, les physiciens des hautes énergies ont réussi à déceler, à lintérieur des nucléons, des structures plus intimes appelées « quarks ».

70 Échelle: mètre = 100 am = 100 attomètres Les quarks Le proton est constitué par la combinaison de 2 quarks de type u (pour « up ») et de 1 quark de type d (pour « down »). Pour le neutron, on parle de 2 d et 1 u. On connaît quatre autre espèce de quarks, nommés respectivement s (pour « strange »), c (pour « charmed »), t (pour « top » ou « truth ») et b (pour « bottom » ou « beauty »). Ces dénominations fantaisistes ne reflètent, bien sûr, que limagination facétieuse des physiciens.

71 Notre voyage nous a conduit à travers quarante puissance de dix. Si cest lunité de mesure, alors lorsque nous regardions plusieurs groupes de galaxies nous étions à 10 puissance 40 de distance, un et quarante zéros ! Létudiant peut se réveiller….!


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