P11 : Comment peser la Terre, alors que l'on a les pieds dessus ?

Pour répondre à cette question, Newton et Galilée ont trouvé deux possibilités : l’une en utilisant un pendule et l’autre en regardant la Lune.

  1. Avec un pendule (identique à celui qu’utilise le professeur Tournesol)

Comment faire un pendule ? Rien de plus simple, accroché un petit objet à un support fixe par l’intermédiaire d’un fil.

  • Dessiner le pendule utilisé et indiquer les caractéristiques physiques qui le décrive.

Pourquoi faire ? L'histoire raconte que Galilée au XVIIème siècle en observant les lents balancements des lustres de son église s’est s'aperçut que leur longueur influençait la durée d’un aller et retour de leur balancement (appelé période et notée T). Il notait également que la masse des lustres n’intervenait pas (à longueur égale) sur la période des oscillations. Il a alors déterminé la relation qui liait la période T des oscillations d’un pendule à sa longueur.

Mais quel est le rapport avec la masse de la Terre dans tout ça ? C'est en fait la gravité terrestre qui cherche à ramener le pendule dans la position d'équilibre (verticale), et ce d'autant plus rapidement que la Terre tire fort, donc que sa masse est élevée.

Il faut d'abord calculer g, l'intensité de pesanteur terrestre. g dépend du lieu où on se situe et peut-être calculé par la relation suivante : g=

L est la longueur du pendule (en mètre), T sa période (durée d'un aller-retour en secondes), g sera en N/kg

Afin d’obtenir une valeur de g la plus précise possible, plusieurs mesures vont être nécessaire.
  • Montrer, tout d’abord, que la masse de l’objet suspendu n’a pas d’effet sur la période T d’un pendule de longueur L.
  • Réaliser, avec le plus de précision possible, une série de mesures en faisant varier L. Faire un tableau.
  • Montrer (par une méthode graphique) que la longueur L est proportionnelle à T².
  • Déterminer, à partir du graphique, la constante de proportionnalité entre L et T².
  • En déduire la valeur de g

La masse de la Terre M s'obtient alors à l’aide de cette formule :

g est l'intensité de pesanteur calculée précédemment, R est le rayon terrestre R» 6,378.106 m et G une constante universelle : G=6,67.10-11.

  • Calculer M.
  • Tonnerre de Brest ! ! Mille millions de mille sabord, on retrouve presque la valeur théorique M=5,98.1024 kg

2) Avec la Lune

La lune tourne autour de la Terre, jusque là, c’est facile…. (vous êtes vous déjà demander pourquoi ?… nous allons prochainement y répondre), Newton a montré que la période de révolution d’un objet autour de la Terre dépend de la masse de celle-ci. En mesurant le temps que met la Lune à faire un tour autour de la Terre, on peut obtenir la masse terrestre :

r est ici la distance Terre-Lune (3,84.108 m), et T la période orbitale de la Lune (27,3 jours soit 2,36.106 s)

  • Retrouver par cette méthode la masse M de la Terre.

 

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depuis le 1er septembre 2001