Enseignement expérimental

Transcription

Le poids de l’air, le choc des molécules : quel rapport ?
(Laurence VIENNOT) ...........................................................................................................................263
Les programmes de sciences physiques au lycée : une approche historique et européenne
(Jean-Christophe KRAEMER).............................................................................................................269
Une petite histoire du rotateur…
(Fabrice DESOMBRE) ........................................................................................................................303
N° 922 - Mars 2010
Le Bup - Sommaire du n° 922
(Mars 2010)
– Mise en œuvre des diodes électroluminescentes de forte puissance
(Loïc POULLAIN)....................................................................................................................313
– Approche expérimentale du rayonnement électromagnétique
émis par un téléphone portable
(Dominique OBERT) ...............................................................................................................323
– Où se trouve l’image formée par un miroir ?
(Thierry NICOLAS)..................................................................................................................339
Le Bup
N° 922
Mars 2010
Publication mensuelle - 104e année
Physique Chimie
Histoire des sciences
– Un chimiste peu connu : Alfred Nobel
(Alfred MATHIS)......................................................................................................................351
– Sigaud de Lafond, maître dans l’enseignement expérimental au siècle des Lumières
(Sébastien BOURDREUX, Jacques CATTELIN et Christelle LANGRAND)...............................357
Olympiades de Physique France
– XVIIe concours national
(Le Jury et le Comité national)................................................................................................367
VIE DE L’ASSOCIATION
Activités de l’UdPPC
– Sur votre agenda… ........................................................................................................392
– L’UdPPC au fil des jours... ..............................................................................................393
– Réforme du lycée : positions du bureau de l’UdPPC réuni le mercredi 3 février 2010 .....394
Informations
– Forum « Les sciences métisses » (Jean ROSMORDUC)..................................................400
– L’Université d’été « Espace éducation » ..........................................................................401
– Expériences partagées : un guide d’initiation à l’animation scientifique
destiné aux chimistes .....................................................................................................402
– L’Actualité Chimique .......................................................................................................403
Parus ou à paraîtres...................................................................................................................406
Les bons de commande ............................................................................................................409
Suite du sommaire en troisième de couverture
ISSN 1770-1368
Le Bup physique chimie
INFORMATIONS - LIVRES ET LOGICIELS
Paru au B.O. (Jean WINTHER) ...................................................................................................399
UNION DES PROFESSEURS DE PHYSIQUE ET DE CHIMIE
42, rue Saint-Jacques - CS 60504 - 75237 PARIS CEDEX 05
http://www.udppc.asso.fr/
L’UNION DES PROFESSEURS DE PHYSIQUE ET DE CHIMIE
Les responsables nationaux......................................................................................................I à III
Le Bup....................................................................................................................................IV à V
Adhésion pour 2010 et abonnement (les tarifs).....................................................................VI à VIII
Les présidents académiques.........................................................................................................IX
Les sites de l’association ...............................................................................................................X
Publicités ......................................................................................................................................XI à XII
Photo de couverture : Synthèse additive trichromique avec DEL de puissance.
(cf. article de Loïc POULLAIN - p. 313-322).
Union des professeurs
de physique et de chimie
Siège social
Uniondesprofesseursdephysiqueetdechimie
42,rueSaint-Jacques-CS60504-75237PariS Cedex 05
Aucune permanence n’est assurée à cette adresse
MEMBRES D’HONNEUR
M.AlainASPECT
Membredel’académiedessciences
Membredel’académiedestechnologies
institutd’optiqued’orsay.
M.Jean-MarieLEHN
ProfesseurauCollègedeFrance
PrixNobel.
M.MichelBOYER
Professeurémériteàl’UniversitéParisvi
ancienprésidentdesolympiadesnationales
delachimie.
M.PierreLÉNA
Professeurémérite-Universitédenis-diderot.
M.GeorgesCHARPAK
PrixNobel.
M.YvesQUÉRÉ
Membredel’académiedessciences.
M.ClaudeCOHEN-TANNOUDJI
ProfesseurauCollègedeFrance
PrixNobel.
PRÉSIDENTS D’HONNEUR
FrançoisBlaiN,andrédUrUPThy,Jean-PierreFoUloN,JacquesGaTeCel,
Jean-CharlesJaCqUeMiN,JosetteMaUrel,Madeleine SoNNeville,JacquelineTiNNèS,
alainToUreN.
POUR COMMUNIQUER AVEC L’ASSOCIATION
Site de l’UdPPC : http://www.udppc.asso.fr/
Forum de l’UdPPC : http://www.udppc.asso.fr/forum/
1. Service des adhésions à l’UdPPC et des abonnements au Bup
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Serveurdesadhésionsetabonnements: http://www.udp-bup.org
Tél. :01 40 46 83 80-Fax :01 46 34 76 61
2. Secrétariat général de l’association
[email protected]
3. Secrétariat de la rédaction du bulletin (relations avec les auteurs et les annonceurs)
[email protected]
Pourlesquestionsrelativesauservicedubulletin,s’adresserausecrétariatnational(voirci-dessus).
-i -
Le conseil
Membres de droit
lesprésidentsd’honneur(voirpagei),lesprésidentsdessectionsacadémiques(voirpagesviiiàxiv)
etlesmembresdubureaunational (voir pages ii et iii) font, de droit, partie du Conseil de l’Union des
professeursdephysiqueetdechimie(UdPPC).
Membres élus (renouvelable par tiers chaque année)
2007 : Martine BiaU, Paul CoUSaNdier, aline CrUSSard, Stéphanie Évrard, dany laUNer, Julien
le Berre,vincentMaS etJacquesviNCe.
2008 : ClaireChalNoT,PhilippeFarGeix,andréGilleS,SandraGrUNeiSeN-viNCeNT,denisKeriGNard,
Jean-MarielaUGier,vincentParBelle etSergeTriCoire (2009*).
2009 : PerrineBaChelay,dominiquedUCoUraNT,FrançoisdUrUPThy,anne-Sophieherrier**,Brigitte
heUzÉ,ChristophelaUlaNeT,MurielleSaBaTier etMoniqueSChwoB.
* Élu(e)s sur postes devenus vacants en cours de mandat.
** Élu(e)s devenu(e)s membre(s) de droit.
Le bureau national
Présidente
MichelineIzBICKI -50,chemindeBuglise-76290MoNTivillierS
Tél. :02 35 30 50 27- [email protected]
Questions générales.
Vice-présidents
BernardCIROUx -2bis,ruePaulClaudel-71530ChaMPForGeUil Tél. :03 85 41 43 30- [email protected]
Voies technologiques - Laboratoires.
JanDUDA -341,ruedesFontaines-60390aUNeUil Tél. :06 79 29 03 71- [email protected]
Lycée.
StéphaneOLIvIER -26,ruedesCordelières-75013PariS Tél. :01 45 35 75 53- [email protected]
Physique - Enseignement supérieur - Action Sciences.
Bulletin de l’Union des professeurs de physique et de chimie
Rédacteur en chef
GérardDUPUIS -53,ruealphonseMercier-59000lille Tél.:06 80 46 51 84- [email protected]
Trésorier
Jean-CharlesJACQUEMIN -2,boulevardMagenta-75010PariS Tél. :06 60 68 47 17- [email protected]
Fonctionnement interne.
Secrétaire générale
RosineFANGUET -13,alléedelaButte-13500MarTiGUeS Tél. :04 42 42 11 74- [email protected]
-ii -
Membres
Jean-MarieBIAU -3,alléevalPrévert-69400liMaS Tél. :04 74 65 37 50- [email protected]
Physique appliquée - Modération du forum.
JérômeGOIDIN -30,ruedesPoissonniers-75018PariS Tél. :06 67 10 62 66- [email protected]
Collège.
Anne-SophieHERRIER -12,ruedesFurtado-heine-75014PariS Tél. :06 63 08 93 96- [email protected]
Relations extérieures chimie.
IsabelleMULLER -leslandots-33550TaBaNaC Tél. :05 56 67 81 19 - [email protected]
Relations internationales.
ChristianeSELLIER -4,rueduPetitSaint-Fiacre-45210FerrièreS-eN-GâTiNaiS Tél. :02 38 96 53 93 - [email protected]
Lycée - Lycée technique.
RaphaëlSPIRA -21,ruelouisGaillet-94250GeNTilly Tél. :01 45 47 84 76- [email protected]
Site Internet - Olympiades de physique - Relations congrès e2phy.
AlainSPRAUER -79,rueBaldung-Grien-67720weyerSheiM Tél. :03 88 51 76 83- [email protected]
Formation des professeurs - Culture scientifique et technique.
Chargé(e)s de mission auprès du bureau
JulienCALAFELL -2bis,rueClémenceisaure-31000ToUloUSe Tél. :06 03 10 87 50- [email protected]
Olympiades de la chimie.
PaulCOUSANDIER -7B,ruePrincipale-67490lUPSTeiN Tél. :06 28 20 91 33- [email protected]
Site Internet - Espace labo.
Marie-FrançoiseKARATCHENTzEFF -30bis,rueelisée-reclus-91120PalaiSeaU Tél. :01 60 10 13 92- [email protected]
Olympiades de Physique France.
OlivierKEMPF -10bis,avenuedeParis-02400ChâTeaU-Thierry Tél. :06 82 06 63 71- [email protected]
Serveur informatique et gestion des rubriques du site -Informatique pour la PAO du Bup -BupDoc.
ThierryMARTIN -3,lotissementleFoulon-31360SaiNT-MarTory
Serveur informatique - Forum.
-iii -
« Le Bup physique-chimie »
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Rédacteur en chef
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Publication des articles
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aprèspublication,ilreçoitdixtirésàpartsurdemandeetunfichierpdfdel’articlesoussaformedéfinitive.
Recommandations aux auteurs
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articlesestdisponiblesurleserveurdel’UdPPCàl’adresse :
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usuel(indiquerlelogicielutiliséetlenumérodeversion).
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® Celles-ciserontinséréesdansletexteouleurpositionrepéréeclairement.
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(éviterlecalque).Fournirdesoriginaux,éviterlesphotocopies ;encasdenécessitéfournirdesphoto-iv -
copieslaserd’excellentequalité.
® Silesfiguresexistentsousformenumérique :
– l’épaisseurdestraits,danslecasdegraphiques,doitêtreauminimumde0,5point ;
– pourdesimagesautrait,ladéfinitiondoitêtreauminimumde1200dpidansladimensionfinale
souhaitée ;
– pourdesimagesencouleur(ouàdéfautenniveaudegris),ladéfinitiondoitêtreauminimumde
300dpidansladimensionfinalesouhaitée ;
– fournirimpérativementlesfichiersséparésdechaqueimageauformattifoueps ;
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-v -
Adhésion pour 2010 et abonnement
votrecorrespondantd’établissement(s’ilexiste)pourravousaiderdanstoutesvosdémarches.
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accessibleégalementparlesitedel’UdPPC : http://www.udppc.asso.fr/ Rubrique « adhésionetabonnement »
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paiement.
les chèques doivent être envoyés par voie postale à l’Union des professeurs de physique et de
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afindevousfairedécouvrirl’association,nousvousproposons,pourl’annéecivile2010,untarif
préférentield’adhésionde5€ ouvrantdroitauxtarifsréduitsd’inscriptionlorsdescongrèsnationauxd’octobre2009et2010etdesjournéesorganiséesparlessectionsacadémiquesdel’UdPPC.
Cetteadhésionnedonnetoutefoispasaccèsauxtarifspréférentielsd’abonnementauBup.
® vousêtesprofesseurenactivité (1) etvoussouhaitezadhéreretvousabonnerauBup
Nousvousproposonsuntarifde64€ comprenantl’adhésionde27€ (enlégèrebaisseparrapport
autarif2009)etl’abonnementàtarifpréférentielde37€ (inchangéparrapportà2009).
® vousêtesprofesseurencollège (1) etvoussouhaitezadhérersansvousabonnerauBup
Pouradhéreretrecevoirlesnumérosdejanvier,avriletseptembreduBup,nousvousproposons
untarifpréférentielde30€.
® vousêtesétudiant (1)
Nousvousproposonsuntarifpréférentielde56€ pourl’adhésion(24€)etl’abonnement(32€).
® vousêtesretraité (1)
Nousvousproposonsdeuxtarifspréférentiels:
–56€ pourl’adhésion(24€)etl’abonnementpapier(32€) ;
–52€ pourl’adhésion(24€)etl’abonnementenligneuniquement(28€).
vouspouvezaussivousabonner (1) sansadhérerautarifde64€.
1. COTISATION D’ADHÉSION POUR L’ANNÉE CIVILE 2010
(voirstatutssurlesitedel’UdPPC : http://www.udppc.asso.fr)
® Tarifpremièreadhésion......................................................................................................................5€
Cettecotisationnedonnepasaccèsauxtarifspréférentielsd’abonnementauBup
® Tarifnormal .......................................................................................................................................27€
® Tarifréduit :étudiantouretraité....................................................................................................24€
Cestarifssontaccordésauxintéresséssurleurdemandeetaprèsenvoid’unepiècejustificativedeleur
qualité.
® Tarifspécial :enseignantdecollège
Unenseignantencollègepeutopterpourl’unedesdeuxpossibilitésci-dessous :
– cotiserselonletarifnormal(27€) ;
– verserunecotisationde(27+3=30€)etrecevoirgracieusementlestroisnumérosplusspécialementconsacrésauxcollèges(janvier,avriletjuillet-août-septembre).
® TarifTOMetÉtranger.....................................................................................................................26€
Le paiement de la cotisation seule ne donne pas droit au service du bulletin.
(1)
enFrancemétropolitaineouenCorse.
-vi -
2. ABONNEMENT AU BULLETIN Le Bup
l’abonnementestannueletcomprend:
– pour les individuels : les numéros du Bup de l’année civile 2010, sans le numéro des corrigés des
concoursagrégationsetCaPeS.
– pour les collectivités : lesnumérosduBup publiésdemai2010àavril2011etlenumérodescorrigés
desconcoursagrégationsetCaPeSpubliélorsdel’annéed’abonnement.
N’oubliezpasderenouvelervotreabonnementcarfautederèglement,l’expéditiondesbulletins cessera automatiquement et ne reprendra qu’après règlement, avec envoi des bulletins déjà
parusdanslalimitedesstocksdisponibles.
3. TARIFS D’ABONNEMENT AU BULLETIN
voirtableaupagesuivante.
4. TARIFS DES EXPÉDITIONS DU BULLETIN
danslesdoM,ToMetdanslespaysétrangers,lestarifspostauxnenepermettentpasd’inclureles
fraisd’expéditiondubulletindansl’abonnement.lorsdevotreabonnement,n’oubliezpasd’ajouterles
fraissuivants :
• Envois vers les DOM-TOM
DOM : Guadeloupe,Guyane,laréunion,Martinique,Mayotte,Saint-Barthélemy,Saint-Martin,
Saint-Pierre-et-Miquelon..............................................................................................................15€
TOM : NouvelleCalédonie,PolynésieFrançaise,TerresaustralesetantarctiquesFrançaises,
wallisetFutuna ...........................................................................................................................30€
• Envois vers les pays étrangers
Zone 1 : UnioneuropéenneetSuisse(allemagne,autriche,Belgique,Bulgarie,Chypre,danemark,
espagne,estonie,Finlande,Grèce,hongrie,irlande,italie,lettonie,lituanie,luxembourg,
Malte,Pays-Bas,Pologne,Portugal,républiqueTchèque,roumanie,royaume-Uni,
Slovaquie,Slovénie,Suède,Suisse) .........................................................................................15€
Zone 2 : restedumonde :autrespaysd’europe(horsUnioneuropéenneetSuisse),afrique,
amérique,asie,océanie ...........................................................................................................30€
VÉRIFIEZ QUE VOS COORDONNÉES SONT À JOUR !
vouspouvezeffectuerdirectementsurlesitedel’UdPPC :
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tout changement d’adresse postale ou électronique ou toute modification des autres informations
vousconcernant.
vouspouvezégalementvousadresserausecrétariat :
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Tél. :01 40 46 83 80-Fax :01 46 34 76 61
Courrier : UdPPC-42,rueSaint-Jacques-CS60504-75237PariS Cedex 05
-vii -
abonnementauBup
MétropoleetCorse(dontTva2,1%)
doM(dontTva2,1%)
2010
2010
a - Membre adhérent
a1-Premièreadhésion
a2-Normal (1)
Normal
doM:abonnementenligneseulement
a3-Réduit
37€
37€ +15€ deport
–
33€
(2)
retraitésetétudiants
retraités:abonnementenligneseulement
32€
32€ +15€ deport
28€
28€
64€
64€ +15€ deport
b - Individuel non-membre de l’association
Prixpublic
c - Collectivités (collège, lycée, autre établissement, personne morale, bibliothèque, laboratoire…)
2009 / 2010
2010 / 2011
Collège
92€
95€
Toutautreétablissementquecollège
125€
130€
2009 / 2010
92€ +
15€ deport
125€ +
15€ deport
2010 / 2011
95€ +
15€ deport
130€ +
15€ deport
ToM(exonérédelaTva)
Étranger(exonérédelaTva)
2010
2010
a - Membre adhérent
a1-Premièreadhésion
a2-Normal (1)
Normal
ToM/Paysétrangers:
abonnementenligneseulement
a3-Réduit (2)
36€ +30€ deport
36€ +port (3)
32€
32€
retraitésetétudiants
retraités:abonnementenligneseulement
31€ +30€ deport
–
27€
–
62€ +30€ deport
62€ +port (3)
b - Individuel non-membre de l’association
Prixpublic
c - Collectivités (collège, lycée, autre établissement, personne morale, bibliothèque, laboratoire…)
Collège
Toutautreétablissementquecollège
2009 / 2010
90,11€ +
30€ deport
122,43€ +
30€ deport
2010 / 2011
93,05€ +
30€ deport
127,33€ +
30€ deport
2009 / 2010
2010 / 2011
–
–
122,43€
+port (3)
127,33€
+port (3)
(1) Unenseignantdecollègepeutopterpourl’unedesdeuxpossibilités :cotiserets’abonnernormalementetrecevoirtouslesnumérosdu
Bup ou verser une cotisation de 30 € et recevoir les trois numéros plus spécialement consacrés au collège (janvier, avril et
juillet / août / septembre).
(2) letarifréduitestaccordéauxintéressésaprèsenvoid’unepiècejustificative.
(3) Portpourlespaysétrangers:zone1(Unioneuropéenne+Suisse)15€ -zone2(restedumonde)30€.
-viii -
Les présidents académiques
ou les correspondants courrier (c)
Aix-Marseille : Frédéricallard -19,impassedelarose -lotissement« lePetitPrince »-84450SaintSaturnin-lès-avignonTél.:04 90 22 19 57- [email protected]
Amiens (c) : JandUda -341,ruedesFontaines-60390auneuil-Tél.:06 79 29 03 71- [email protected]
Besançon : rachelBoreS -lycéeGeorgesCuvier-1,placeJeanMonnet -25207MonbéliardCedex-Tél.:06 22 50 13 [email protected]
Bordeaux : GuyBoUyrie -lycéevictorlouis-33400Talence -Tél.:05 56 84 96 27- [email protected]
Caen : JacquesMarie -14,chemindeTouques-14910Benerville-sur-Mer-Tél.:02 31 87 22 85- [email protected]
Clermont-Ferrand : StéphanieMorTier -5,alléeduCapitainediederich -63170aubière -Tél. :04 73 27 56 [email protected]
Corse : MoniqueFerraTo -leMaroni-BâtimentB5-Saint-Joseph-20600Bastia-Tél. :04 95 32 56 26- [email protected]
Créteil (c) : MadeleineMaSle -33,avenuedelaSibelle-75014Paris-Tél.:01 45 89 26 09 - [email protected]
Dijon : BernardCiroUx -2bis,ruePaulClaudel-71530Champforgeuil -Tél. :03 85 41 43 30 - [email protected]
Grenoble : StéphanielarBaUd -1,chemindesCerisiers-38190Brignoud-Tél. :04 76 71 34 03- [email protected]
Guadeloupe : CathiaderNaUlT -36,lotissement« domainedePapin »-97170PetitBourg-Tél. :05 90 99 92 06-Mobile :06 90 54 36 37 [email protected]
La Réunion : SylvieaCCard-MareGiaNo -12,rueandréMalraux-ledassy-97430leTampon-Tél. :02 62 43 00 [email protected]
Lille : Jean-ChristopheNazÉ -73,avenuedeMossley-59510hem-Tél.:03 20 81 01 44 - [email protected]
Limoges : SaverioCallea -14,rueanatoleFrance-87350Panazol-Tél.:05 55 31 83 87- [email protected]
Lyon : danièleoehler -37,ruedesPives-69800Saint-Priest -Tél. :04 78 21 46 85- [email protected]
Martinique : louisriCher -villaMarie-routeduBrind’amour-97220laTrinité-Tél.:05 96 58 28 93- [email protected]
Montpellier : Christopherey -2,chemindesFaïsses-34490Corneilhan-Tél. :09 75 43 94 92- [email protected]
Nancy - Metz (c) : ChantalFrièS -57,ruedelaPépinière -57970yutz -Tél. :03 82 56 30 87- [email protected]
Nantes : Jean-BaptistePiveTeaU -6,cheminduPuits-44340Bouguenais -Tél. :02 40 65 07 70- [email protected]
Nice - Toulon : GhislainBerNard -561,chemindesGrangues-83690Salernes-Tél. :04 94 85 73 66- [email protected]
Orléans - Tours : ChristianeSellier -4,rueduPetitSaint-Fiacre-45210Ferrières-en-Gâtinais-Tél. :02 38 96 53 [email protected]
Paris : raphaëlSPira -21,ruelouisGaillet-94250Gentilly -Tél. :01 45 47 84 76- [email protected]
Poitiers : ThomasMarSh -8,ruedesamandiers-17138Puilboreau-Tél. :05 46 68 02 34- [email protected]
Reims : davidroUvel -12C,ruePassedemoiselles-51100reims-Tél. :03 26 03 51 80- [email protected]
Rennes : Marie-annickMarÉChal -4,rueSurcouf-35740Pace-Tél. :02 99 60 19 87- [email protected]
Rouen : JeanCaNoNville -29,avenuedu18Juin1940-27180Saint-SébastiendeMorsent -Tél. :02 32 39 14 [email protected]
Strasbourg : wulfranForTiN -11,rueNiffer-68100Mulhouse -Tél. :03 89 66 50 58- [email protected]
Toulouse : ChristophelaGoUTe -101,avenuedelespinet-Bâtimenth -31400Toulouse -Tél. :05 61 25 62 [email protected]
Versailles (c) : Jean-ClaudeFaBre -3,ruedelaFlèche-92330Sceaux-Tél. :01 46 60 16 97- [email protected]
Touteslescoordonnéesdesbureauxacadémiques
etleslistesdescorrespondantscollège,olympiadesdephysiqueFranceetolympiadesdelachimie
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-ix -
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263
Le poids de l’air, le choc des molécules :
quel rapport ?
par Laurence Viennot
Laboratoire de didactique André Revuz
Université Paris-Diderot (Paris 7) - 75005 Paris
[email protected]
RÉSUMÉ
Cette note propose et discute des éléments de réponse à cette question commune :
comment se fait-il que la pression due aux chocs des molécules sur le sol corresponde
exactement à ce que dicte un bilan newtonien, c’est-à-dire la valeur obtenue en divisant
le poids d’une colonne d’air par l’aire de sa base.
Une question récurrente, notamment en formation de stagiaires PLC2, traduit le
malaise que génère le thème du poids de l’atmosphère : comment les molécules qui frappent la surface du sol « savent-elles » que leurs chocs doivent répercuter le poids de la
colonne d’air au-dessus d’elles ?
Abusivement associé au thème de « l’air qui nous entoure », le programme de seconde
actuel pourrait plus justement, de ce point de vue, être considéré comme traitant de l’air
dans une éprouvette : la question de l’atmosphère, de son poids et de son inhomogénéité,
n’y est pas directement traitée. La masse même des molécules n’apparaît pas, et donc pas
non plus la dépendance de la cinétique à cette grandeur (ainsi pour une température
donnée, les molécules vont en moyenne plus vite dans l’hélium que dans l’air). On va
même très souvent jusqu’à souligner fortement, sans les précautions nécessaires, que tous
les gaz parfaits se comportent de la même manière, ce qui ne s’applique pas non plus à
leur comportement dans un champ gravitationnel.
Faute d’expérimentation préalable avec des élèves ou des étudiants – ou presque –
les éléments de réponse proposés ici pour la question introductive ne visent pour l’instant qu’à alimenter une discussion sur ce qui peut être dit à ce sujet. S’ils pouvaient
contribuer à dissiper l’impression de mystère ou permettre de mieux la localiser, ils
auraient atteint leur but.
Après une brève évocation du traitement classique de l’atmosphère isotherme, une
formulation plus intrigante du résultat associé à cette banale question de cours est proposée,
suivie d’éléments de raisonnement qui n’ont d’inédit que le rapprochement d’une vision
particulaire et de la considération de la gravité. Cette présentation vise, autant que faire
se peut, la simplicité.
Vol. 104 - Mars 2010
Laurence VIENNOT
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1. ANALYSE CLASSIQUE D’UNE COLONNE D’AIR ISOTHERME
Il est classique d’analyser une colonne d’air isotherme, de surface de base dS, de la
façon résumée ci-dessous. Il s’agit ici de la pratique physicienne commune, sachant
qu’une présentation beaucoup plus compatible avec un traitement mathématique des différentielles est tout à fait possible [1-2].
Une tranche comprise entre les altitudes z et z + dz (cf. figure 1) est soumise, de
la part de l’air extérieur, à deux forces inégales de directions opposées, agissant sur les
faces horizontales situées à ces altitudes. La résultante des autres forces exercées par l’air
extérieur sur la tranche considérée (forces qui sont horizontales) est nulle.
Figure 1 : Schéma pour une colonne d’atmosphère.
La force résultante d f exercée par l’air extérieur à la tranche sur celle-ci vaut donc :
d f = 7p (z) – p (z + dz)A dS u
où u est un vecteur unitaire vertical ascendant.
On peut écrire cette égalité :
d f = – dp dS u
Par ailleurs, le poids de la tranche dP vaut :
dP = – g t (z) dz dS u
où t (z) est la masse volumique de l’air à cette altitude.
À l’équilibre, la résultante de toutes les forces exercées sur la tranche est nulle :
dP + d f = 0
et donc :
soit :
g t (z) dz dS u + dp dS u = 0
(1)
dp/dz = – g t (z)
(2)
Enfin, la relation des gaz parfaits ( pV = nRT , en notations habituelles), que l’on
o
Le Bup n 922
265
considère comme applicable ici, permet d’écrire t = Mp/RT .
dp/p = – ^Mg/RTh dz
Donc :
(3)
Et, en atmosphère isotherme,
p (z) = p 0 exp ^– Mgz/RTh
z = 0.
où p 0 est la pression à l’altitude
(4)
La force exercée par la colonne sur le sol vaut – p 0 dS u . Un bilan global de forces
sur la colonne permet, compte tenu de la troisième loi de Newton, de dire que le poids
P de la colonne vaut également :
P = – p 0 dS u
On trouve aussi le poids P de la colonne par un calcul intégral :
P=–
P=–
soit :
Et, puisque
#03 g t dzdS u
#03 g Mp/RT dzdS u = – g MdS/RT #03 pdz u
(5)
#03 pdz = p 0 RT/Mg
(6),
P = – p 0 dS u
(7)
Autrement dit, le produit de la pression de la colonne d’air à l’équilibre au niveau
du sol par la surface de contact entre sol et colonne est égal au poids de la colonne.
2. UNE AUTRE FAÇON DE VOIR LES CHOSES
L’affaire pourrait en rester là, sans autre questionnement. Un bilan newtonien global
est un argument sans appel, et l’intégrale confirme la relation entre poids et pression au
sol. Pourtant, comme souvent [3], un argument formel du type « il faut bien que » ne
satisfait pas pleinement. Ceux qui ne s’en contentent pas, souvent loin d’être des débutants, passent parfois par une reformulation du résultat équivalente à celle-ci :
Les chocs des molécules au sol se traduisent par une force égale au poids de toutes celles
qui sont au dessus, comme si celles-ci se touchaient en situation statique.
Alors, ce résultat – certes sans appel – apparaît comme plus intrigant. On peut en chercher une autre approche dans un raisonnement plus local. C’est l’objet de la proposition
suivante.
Vol. 104 - Mars 2010
Laurence VIENNOT
266
3. MOLÉCULES, LEURS CHOCS ET LEUR POIDS :
PROPOSITION D’ANALYSE
Dans une boîte cylindrique à faces horizontales d’altitudes z, z + Dz , une particule
de masse m (la seule à occuper l’intérieur vide par ailleurs) fait l’aller et retour entre ces
deux faces. Sa vitesse, verticale, a pour module v à l’altitude inférieure et v + Dv à l’altitude supérieure, du fait de la gravité. Le temps de chute, comme celui de la remontée,
vaut Dt . Sur chaque face, le choc a pour effet de « retourner » la quantité de mouvement.
Figure 2 : Mouvement et chocs d’une particule dans une boîte.
Peut-on montrer que l’action de cette particule sur la boîte est en moyenne égale au
poids de la particule ?
Signalons déjà que ce résultat paraît tout de suite beaucoup plus problématique que
son équivalent global, concernant le poids de l’atmosphère. Lors d’un sondage auprès
d’étudiants de licence, douze étudiants sur treize pensaient ce résultat inexact, pour une
molécule, alors que la relation entre poids de l’atmosphère et pression au sol leur avait
semblé a priori sans mystère. Voyons donc un moyen de s’en convaincre.
À un instant donné, la force exercée par la boîte sur la particule obéit à la deuxième
loi de Newton : f = m a = dp/dt où p est la quantité de mouvement de la particule.
Pendant une période de temps de durée T, la valeur moyenne de cette force est :
Fmoy. (boîte sur part.) = (1/T)
#0
T
f dt = (1/T)
#0
T
dp = D p / T
(8)
D p est l’accroissement de quantité de mouvement dû à la boîte sur la période de durée
T.
Considérons une durée T = 2 Dt , soit un aller et retour de la particule. Deux chocs
ont eu lieu, à des vitesses de valeurs respectives v et v + Dv .
® Variation de la quantité de mouvement p pour un choc en haut de la boîte :
– 2 m ^v + Dvh u .
® Variation de la quantité de mouvement pour un choc en bas de la boîte :
2 m (v) u .
® Variation de la quantité de mouvement due à la boîte pour un aller et retour :
D p = – 2m^Dvh u .
Or l’accroissement de vitesse entre le bas et le haut est déterminé par la pesanteur,
il s’agit d’une chute libre : Dv = – g Dt .
o
Le Bup n 922
267
Donc D p = 2m g Dt u et d’après (8) :
Fmoy (boîte sur particule) = 2mg Dt /2Dt u
Soit :
Fmoy (boîte sur particule) = mg u
(9)
La force exercée par la particule sur la boîte vaut donc, en moyenne, – mg u , c’està-dire le poids de ladite particule. La particule, via les chocs sur les parois de la boîte,
exerce sur celle-ci, en moyenne, une force égale à son poids.
Ce raisonnement est valable quelle que soit la valeur de v. Il s’applique aussi bien
à la composante verticale de toute vitesse particulaire non verticale.
Les chocs intervenant entre particules conservent la quantité de mouvement. Le fait
qu’ils puissent intervenir au cours de la période considérée ne change pas la moyenne
dans le temps des forces exercées par les molécules sur les parois ou le sol.
Enfin, en l’absence de parois horizontales, le transfert de quantité de mouvement à
la couche considérée de la part des voisines est le même que celui dû aux parois fictives
considérées ici. C’est d’ailleurs ainsi que, classiquement, l’on ne distingue pas la pression sur une paroi de celle existant au sein d’un fluide à l’équilibre.
Donc ce raisonnement rejoint ce résultat bien justifié par ailleurs : l’action des molécules au sol, via les chocs, est la même que si toutes les molécules de l’atmosphère étaient
empilées, immobiles sur le sol.
4. REMARQUES FINALES
En admettant qu’on puisse trouver dans l’approche ci-dessus une source d’éclaircissements, il reste à savoir comment en faire profiter nos élèves et à quel niveau. Ceci
justifie un travail de recherche didactique, en cours. Sans anticiper par trop sur les résultats, on peut dégager plusieurs aspects a priori favorables ou au contraire obstacles potentiels à la compréhension.
D’une part, on l’a souligné plus haut, on sort, avec cette hypothèse, de l’argument
global « il faut bien que le théorème du centre d’inertie soit satisfait » pour se demander
comment il peut l’être, au niveau local d’une molécule. D’autres travaux ont montré les
bénéfices de tels changements d’échelle dans l’analyse. Outre un meilleur accès à la
compréhension, on atteint là le type de démarche de mise en lien qui souligne toute la
puissance et l’élégance d’une théorie physique [4], en l’occurrence la mécanique newtonienne ici appuyée par la théorie cinétique des gaz. En fait de lien, d’ailleurs, ce ne sont
pas seulement le local et le global qui sont ici réconciliés, mais aussi une vision statique
et la dynamique des chocs.
Pour autant, il ne faut pas sous-estimer la difficulté, notamment celle qui résulte de
l’usage de moyennes. Il y a là une source potentielle de brouillage puisque, justement, l’asVol. 104 - Mars 2010
Laurence VIENNOT
268
pect individuel – l’analyse de la dynamique d’une molécule – s’y dilue quelque peu.
Il est à noter que la thermodynamique n’entre en scène que très discrètement. Comme
on peut s’y attendre, elle est absente lorsqu’il s’agit d’une molécule. Il est moins évident
a priori que la distribution des vitesses n’affecte pas la conclusion établie avec une molécule au niveau d’une tranche, un fait qui tient à ce que, justement, cette conclusion ne
dépend en rien de la vitesse. Dans la même ligne d’analyse purement newtonienne, on
montre aussi bien qu’un sablier retourné en régime permanent (il y a encore du sable en
haut et il y en a déjà en bas) exerce sur la balance la même force qu’en situation statique,
sans écoulement. Cet exemple peut d’ailleurs servir à démystifier la question du poids de
l’atmosphère.
La relation des gaz parfaits n’entre en scène que lorsqu’il faut relier masse volumique et pression et faire un calcul intégral. Discrète… mais recélant ce qu’il reste de
mystère, la thermodynamique nous dicte qu’en situation isotherme c’est le nombre de
particules qui rend compte de la variation – exponentielle décroissante – de la valeur des
forces mutuelles entre tranches : des particules, il y en a plus au sol qu’en altitude. Il faut
avouer que les tentatives de raisonnement mécaniste – au-delà des habituels « il faut bien » –
butent quelque peu à ce niveau, pour imaginer comment les molécules « savent », cette
fois, où et dans quelle proportion s’accumuler. Il fallait bien que BOLTZMANN s’en mêle.
BIBLIOGRAPHIE
[1] ARTIGUE M., MENIGAUX J. et VIENNOT L. Questionnaires de travail - Les différentielles. IREM-LDPES, Université Paris 7, 1988.
[2] ARTIGUE M., MENIGAUX J. et VIENNOT L. « Some aspects of students’ conceptions
and difficulties about differentials ». European Journal of Physics, 1990, 11, p. 262267.
[3] BESSON U. et VIENNOT L. « Using models at mesoscopic scale in teaching physics:
two experimental interventions on solid friction and fluid statics ». International
Journal of Science Education, 2004, 26 (9), p. 1083-1110.
[4] VIENNOT L. avec la collaboration de U. BESSON, F. CHAUVET, P. COLIN, C. HIRNCHAINE, W. KAMINSKI et S. RAINSON. Enseigner la physique. Bruxelles : De Boeck,
2002.
Laurence VIENNOT
Professeur
Université Paris-Diderot (Paris 7)
Laboratoire de didactique André Revuz
Paris Ve
o
Le Bup n 922
269
Les programmes de sciences physiques au lycée
Une approche historique et européenne
par Jean-Christophe KRAEMER
Lycée Pierre d’Aragon - 31600 Muret
[email protected]
RÉSUMÉ
L’article compare les contenus des programmes français actuels en physique et
chimie avec, d’une part, ceux des anciens programmes (1941, 1966, 1978-79 et 1992-95)
et, d’autre part, ceux des programmes britanniques et allemands. Des tableaux détaillés en
annexe permettent les comparaisons. Sur ces bases, l’auteur formule ensuite des propositions de nouveaux programmes.
INTRODUCTION
On assiste depuis une quinzaine d’années à un déclin des vocations scientifiques, en
particulier dans le domaine des sciences physiques. La réforme annoncée du lycée réduit
les horaires de sciences dites expérimentales et les exclut du tronc commun de première.
Des choix ont été faits et les arguments des scientifiques visiblement ignorés. Ceci doit
nous conduire à un débat de fond sur l’enseignement des sciences physiques, à
commencer au sein de l’UdPPC.
®
®
®
®
L’enseignement des sciences physiques repose sur quatre piliers :
les programmes ;
la pédagogie ;
l’évaluation ;
le recrutement et la formation des professeurs.
Cet article se limite à la question des programmes. Il traite des objectifs, des contenus
et dans une moindre mesure des horaires. De plus, il est restreint au lycée et à la filière
générale, ignorant donc l’école primaire, le collège et les séries technologiques.
La question des programmes est abordée sous trois angles :
® les programmes actuellement en vigueur ;
® les anciens programmes en remontant à 1942 ;
® les programmes britanniques et allemands, en s’appuyant sur l’expérience de l’auteur en
tant que professeur en section européenne.
Vol. 104 - Mars 2010
Jean-Christophe KRAEMER
270
Pour chaque cas, on trouvera en annexe des tableaux de synthèse des programmes,
découpés par grands domaines et distinguant physique et chimie. Ce découpage est
parfois arbitraire, voire délicat lorsque les programmes sont thématiques. Les commentaires et modalités d’application ne figurent pas par souci de clarté. Ces tableaux permettent avant tout de faire des comparaisons. Les programmes sont resitués dans leur
contexte, commentés et suivis de propositions qui n’engagent que l’auteur.
Cet article a été écrit sur la base de convictions qui sont les suivantes :
® La science n’est pas une affaire de spécialistes, elle a en tant que telle une vertu éducative et culturelle. L’« analphabétisme scientifique » est un danger pour nos sociétés.
L’enseignement des sciences n’a pas pour unique but de former des techniciens, ingénieurs, chercheurs ou professeurs, mais aussi des citoyens. Mais attention, l’enseignement n’est pas la vulgarisation, qui simplifie et n’est qu’une illusion de savoir.
® Le savoir doit être placé dans son contexte historique, culturel et économique, faute
de quoi il n’est qu’un fruit sec, indigeste pour la majorité des élèves.
® Il faudrait enseigner les sciences physiques dans toutes leurs composantes : les concepts
fondamentaux, l’expérience, les modèles et les simulations, les applications importantes.
® Il n’est pas nécessaire d’attendre que les élèves maîtrisent tous les outils, en particulier mathématiques, pour introduire un nouveau concept. Le professeur de sciences
physiques peut, en prenant les précautions nécessaires, « introduire » un peu de mathématiques. Le qualificatif science expérimentale est ainsi restrictif.
® Il vaut mieux bien maîtriser un sujet plutôt que posséder un savoir superficiel sur un
peu tout. Des enseignements de synthèse sont souhaitables, mais doivent s’accompagner d’enseignements spécialisés.
1. LES PROGRAMMES FRANÇAIS ACTUELS AU LYCÉE
1.1. Objectifs
Les objectifs affichés des programmes actuels (filière générale) sont les suivants :
® En seconde (BOEN hors série du 12 août 1999) :
– fournir une culture scientifique de base ;
– faire pratiquer la démarche scientifique aux élèves ;
– faire le lien entre activité scientifique et développement technologique ;
– préparer aux études scientifiques jusqu’au baccalauréat et au-delà.
® En première et terminale S (BOEN hors série du 31 août 2000 et du 30 août 2001) :
– apporter une culture scientifique ;
– construire la discipline pour l’avenir d’élèves qui ont fait le choix de s’intéresser
aux sciences.
Le même programme en classe de seconde concerne donc deux publics différents.
Les programmes de sciences physiques au lycée…
o
Le Bup n 922
271
Dans les classes de première et terminale S, les aspects culturels sont en pratique très
marginaux.
On trouvera en annexe 1 et 3 un tableau de synthèse des contenus des programmes
actuels. Une partie du contenu de l’option MPI (Mesures physiques et informatique) en
seconde et la spécialité en terminale S figurent en italique. Les filières STI (Sciences et
technologies industrielles) et PCL (Physique et chimie de laboratoire) sont absentes.
Les domaines en physique sont la mécanique, la thermodynamique et les fluides,
l’électromagnétisme au sens large, l’optique et enfin la physique de l’atome et du noyau.
En chimie, ce sont la structure de la matière, la réaction chimique, les solutions aqueuses,
la chimie organique, la chimie analytique ainsi que la chimie inorganique.
1.2. Commentaires
Nous reprenons en grande partie les résultats d’enquêtes auprès des professeurs et
publiés dans Le Bup [1] à [3]. Ces commentaires sont de divers types : des remarques
générales, des points positifs et importants du programme, des domaines absents ou non
repris dans les classes Supérieures
Seconde
® On observe d’importants contrastes entre les différentes parties, soit purement qualitatives, soit formelles.
® Le programme résulte d’un compromis : pour les futurs élèves de la série S, le contenu
apparaît décousu et trop superficiel, pour les autres il y a très peu d’aspects culturels,
historiques et applicatifs.
® Les parties applicatives ne sont pas de la physique, mais de la vulgarisation (mesure
du temps, échelles de longueurs).
® La partie thématique du programme n’est en pratique pas abordée ou que très ponctuellement.
® Les parties « constitution de la matière » et « transformation de la matière » en chimie
sont jugées positives par les professeurs ayant répondu au questionnaire.
® Il n’y a pas d’électricité, sauf dans l’option MPI, en rupture avec le collège et gênant
pour les futurs STI. L’électricité reste de plus un bon moyen d’aborder toutes les
facettes de la physique : démarche scientifique, modélisation, structure de la résolution d’un problème, expérimentation, avec la rigueur nécessaire, sans besoins mathématiques excessifs.
Première S
® Beaucoup de sujets abordés ne sont pas réinvestis en terminale et sont donc parfois
survolés, voire pas abordés du tout par certains professeurs. Citons en particulier l’électromagnétisme, l’optique, la stéréochimie, l’énergie en chimie, certaines fonctions en
chimie organique, etc.
Vol. 104 - Mars 2010
272
® D’autres sujets sont abordés trop partiellement : l’énergie interne sans le premier principe ou la notion de capacité thermique, la chimie organique où aucun lien n’est
suggéré entre la structure et la réactivité des molécules.
® Les parties les mieux perçues du programme sont la mécanique (même si la façon
dont elle est présentée est parfois discutable, par exemple l’évocation du moment
d’une force), l’étude des solutions aqueuses et partiellement la chimie organique.
Terminale S
® Certains professeurs se sentent parfois obligés de choisir entre préparer le baccalauréat et préparer à l’enseignement supérieur. Un révélateur à ce sujet est la floraison
d’ouvrages post-terminale du type « pour aborder la prépa » ou « pour aborder le
supérieur en physique ou en chimie ». Préparer à l’enseignement supérieur signifie
d’une part exploiter les contenus « dans leurs derniers retranchements » et d’autre part
insister sur la méthode (maitrise des outils mathématiques, appréhension d’un
problème dans sa globalité, rigueur de la rédaction…)
® La deuxième grande critique porte sur l’écart des contenus en physique et en chimie.
Quel professeur de terminale n’a jamais entendu ses élèves lui dire quelque chose du
genre : « j’aime bien la chimie, mais la physique c’est trop dur ». Combien d’élèves
s’orientent vers des études de chimie et déchantent ? Combien d’élèves de CPGE
(Classes préparatoires aux grandes écoles), « bons » lors d’une colle de physique
semblent dépassés lors de la colle suivante en chimie ? On le verra dans la suite, les
comparaisons européennes révèlent le manque d’ambition des programmes de chimie
actuels.
® Le programme de spécialité est plutôt un programme de compléments. Il n’apporte
aucune ouverture, en particulier sur la physique du xxe siècle. Il permet toutefois d’approfondir la notion de titrage en chimie et de traiter assez sérieusement l’optique
géométrique.
® Les points positifs sont la partie radioactivité et énergie nucléaire et la cinétique chimique
(même si on pourrait aller plus loin).
® La chimie organique et les ondes sont abordées trop superficiellement et avec des
manques (interférences, introduction à la biochimie).
Globalement
En physique, la thermodynamique est le grand absent de ce programme. La mécanique est traitée de manière assez cohérente (avec une approche parfois trop numérique
et pas suffisamment globale) contrairement à l’électromagnétisme et l’électrocinétique.
La physique moderne est très minoritaire est se résume à quelques formules du genre
2
E = mc ou E = ho . Même le neutrino a été évincé ! Et pourtant quel bel exemple de
démarche scientifique !
En chimie, l’ensemble est plus cohérent, mais peu ambitieux, ne serait-ce, en chimie
o
Le Bup n 922
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organique, pour appuyer les cours de biologie.
Les programmes actuels résultent d’évolutions passées. Abordons donc maintenant
les contenus des anciens programmes.
2. HISTORIQUE DES PROGRAMMES FRANÇAIS
2.1. Le contexte général des sciences au lycée [4] à [8]
1802 : fondation du lycée.
1809 : création de la classe de mathématique spéciale post-baccalauréat.
1852 : création d’un baccalauréat ès sciences, supprimé en 1864.
1902 : création de quatre filières à partir de la seconde (A latin-grec, B latin-langues,
C latin-sciences, D langues-sciences) avec mise en place de travaux pratiques et renouvellement des pratiques pédagogiques.
Le secondaire est découpé en deux cycles (sixième-troisième et seconde-terminale).
1905 : création de la classe de mathématiques spéciales préparatoire (qui deviendra mathématiques supérieures en 1941) et réforme conséquente des programmes des concours
(avec d’avantage de sciences physiques).
1923-25 : retour en arrière avec un tronc commun scientifique jusqu’en première (section
A classique et section B moderne) puis deux baccalauréats : philosophie et mathématiques élémentaires. Les horaires de sciences physiques sont réduits.
1941-42 : création des sections A (classique), M (moderne) et C (sciences) en seconde et
première et de trois baccalauréats : philosophie, maths élem. et philo-sciences (dit
sciences exp.). En classe préparatoire scientifique, création des voies A (maths) et B
(physique). Une voie C (biologie) s’ajoutera en 1969. La voie A deviendra M et la voie
B deviendra P en 1964.
1954 : création de la section A’ (grec-latin + sciences) qui sera la voie privilégiée pour
l’entrée dans les grandes écoles scientifiques et de la section M’ (lettres + sciences).
1965 : création au baccalauréat des filières A (lettres), B (économie), C (maths et sciences
physiques), D (sciences expérimentales) et E (technologie). En seconde les filières sont
AB, C et E.
1981 : seconde indifférenciée.
1982 : première C et D regroupées dans la première S.
1994 : création des séries L, ES et S en première et terminale.
1996 : réforme des CPGE scientifiques avec la création des filières PCSI et MPSI en
première année, MP, PC et PSI en deuxième année
2.2. Historique des programmes
Depuis 1902, les programmes sont modifiés en moyenne tous les dix ans, parfois à
Vol. 104 - Mars 2010
274
la marge parfois en profondeur. Nous avons retenu les quatre dernières évolutions majeures
(avant les programmes actuels) soit les programmes de 1942, 1966, 1979 et 1992-94.
Nous nous restreignons à la série générale ayant le programme le plus dense, c’est-à-dire
la série C puis la série S. Les détails figurent en annexe 1 et 3.
2.3. Les programmes de 1942
(arrêté du 7 janvier 1942)
Les programmes de 1902 incluaient les rayons x découverts quelques années auparavant. En 1942, il n’y a plus que de la physique classique, c’est-à-dire des xVIIIe et xIxe
siècles.
La thermodynamique occupe une place importante en physique, contrairement à
l’optique. La chimie est surtout descriptive (inorganique en seconde et première, organique en terminale).
Ces programmes ont été mis en place en 1947 et révisés en 1957.
(arrêté du 13 juin 1966)
Ils ont été appliqués au cours des rentrées 1966, 1967 et 1968, dans le contexte de
création des filières C et D en première et terminale.
Les points forts à nos yeux sont un meilleur équilibre de la seconde à la terminale
en physique et en chimie et l’introduction d’éléments de physique de l’atome et du
noyau.
(arrêtés du 20 mars 1978 et du 30 janvier 1979)
Ces programmes sont le fruit des réflexions de la fameuse commission Lagarrigue
(commission interministérielle d’étude pour l’enseignement de physique, de chimie et de
technologie, dont la mission est de réformer en profondeur l’enseignement des sciences
physiques en France). Les programmes proposés sont accompagnés de commentaires
approfondis.
Ils sont mis en place dans certains lycées à titre expérimental (classe de seconde) et
entrent en vigueur aux rentrées 1978, 1979, 1980.
Ces programmes seront révisés à la rentrée 1981 (création de la seconde indifférenciée, une heure de cours en moins) et 1982 (mise en place de la première S), puis
retouchés en 1987.
On note en particulier une part importante de physique de l’atome et du noyau avec
en particulier de l’analyse des clichés de chambre à bulles, sur des particules relativistes.
o
Le Bup n 922
275
En chimie, la partie purement descriptive disparaît, au profit de la cinétique et des équilibres chimiques.
(arrêtés des 24 septembre 1992 et 16 février 1995)
Ils font suite aux réflexions des commissions Bourdieu et Bergé. Les filières C et
D disparaissent en terminale au profit de la filière S. Des options apparaissent en première
et une spécialité physique-chimie voit le jour en terminale. La place des mathématiques
dans l’enseignement des sciences est critiquée.
Les programmes ont été mis en place lors des rentrées 1993, 1994 et 1995. Ils ont
fait l’objet d’allègements en 1997.
Les contenus ne sont plus structurés par domaines, mais par thèmes, certains conceptuels, d’autres plus culturels et, en ce sens, constituent une rupture par rapport à ce qui
précède. Ces thèmes sont :
® En physique :
– lumière et sons en seconde ;
– bilan énergétique en première.
® En chimie :
– pétroles et gaz naturels, chimie dans les champs et les jardins en seconde ;
– chimie et énergie en première ;
– parfums et savons, médicaments en terminale.
Des aspects historiques figurent explicitement dans les contenus (de COPERNIC à
GALILÉE en terminale, machine à vapeur en première, modèles de la lumière en seconde…).
En seconde, les programmes sont conçus en priorité pour les élèves qui ne poursuivront pas d’études scientifiques. Ainsi, la mécanique disparaît ! Les choses sont dites
clairement pour la chimie : les deux thèmes (pétroles et gaz naturels, chimie dans les
champs et les jardins) ont pour but « d’éclairer les élèves sur le rôle de l’industrie chimique
et la contribution de la chimie à la résolution de problèmes cruciaux pour la société ».
Le troisième thème (éléments du globe et de l’univers) est qualifié de « conceptuel ».
Les programmes actuels ont repris une bonne partie de l’ossature de ceux de 199295, en particulier en première et terminale.
2.7. Les horaires hebdomadaires depuis 1902
Voici un tableau (cf. page suivante) de synthèse livré sans commentaires particuliers, si ce n’est celui-ci : de 1966 à aujourd’hui, l’horaire hebdomadaire (à plus ou moins
0,5 h) est resté stable. Pour la série D ou hors spécialité physique-chimie en série S, cet
horaire est de 13 heures. Pour la série C ou avec spécialité en série S, il est de 15 heures,
sauf entre 1981 et 1992.
Vol. 104 - Mars 2010
276
3. LES PROGRAMMES BRITANNIQUES ET ALLEMANDS
Nous allons maintenant chercher des éléments de comparaison, non plus dans le
passé français, mais en Grande-Bretagne et en Allemagne. Ces deux pays ont sur le plan
scientifique beaucoup de points communs avec la France, ne serait-ce que leur domination sur les sciences physiques jusqu’en 1939. De plus, leur contexte culturel et économique est très proche de celui de la France.
Avant d’évoquer les programmes proprement dits, nous rappelons quelques éléments
contextuels, relatifs à l’enseignement et en particulier à l’enseignement des sciences. Les
tableaux en annexe 2 et 4 ont été construits à partir de manuels de cours très récents.
3.1. Le contexte éducatif britannique
L’adjectif britannique est en partie incorrect, puisque nous allons essentiellement
évoquer le cas de l’Angleterre (et du pays de Galles) ; l’Irlande du Nord, l’Écosse sont
autonomes sur le plan de l’éducation même si les différences sont assez marginales.
Les années de lycée correspondent aux années 11, 12 et 13 (Year 11, 12, 13).
o
Le Bup n 922
277
L’année 11 est la dernière année de « Secondary school », et elle est sanctionnée par un
examen national, le « General Certificate of Secondary Education » (GCSE). Les sciences
sont une matière obligatoire et sont divisées entre physique, chimie et biologie (la géologie
est intégrée aux cours de physique ou chimie). Le programme de l’examen porte sur l’enseignement du « Key Stage 4 » (cycle 4), soit les « Year » 10 et 11 (troisième et seconde
pour nous).
Les années 12 et 13 sont les années de « College » (qu’il faut traduire par lycée) et
correspondent à notre première et notre terminale. L’examen final est le A-Level qui
diffère du baccalauréat puisque seules quatre matières sont évaluées en fin de « Year 12 »
(c’est le Advanced-Subsidiary (AS) Level) et trois matières en fin de « Year 13 » (c’est
le A2 (AA) Level). En pratique, les étudiants choisissent cinq matières et passent ainsi
plusieurs A-Level. Le principal n’est pas de réussir l’examen, c’est surtout la note
(« grade ») qui est importante et qui conditionne l’entrée à l’Université.
Notons bien que physique et chimie sont considérées comme des matières différentes. Il est très difficile de comparer les horaires avec la France pour plusieurs raisons :
– les horaires sont variables selon les établissements ;
– il y a trente-huit semaines de cours (contre trente-deux en France) dans l’année ;
– le fonctionnement des « College » est du type universitaire. Il n’y a pas de classes.
Dans les « Secondary schools », il y a environ vingt-cinq heures de cours par
semaine (de 9h à 15h) et un cours dure cinquante minutes.
Les examens ne sont pas nationaux, mais sous la responsabilité des « Examination
Boards » (comités d’examen ou d’évaluation). Même si le programme du GCSE est
national (« National Curriculum »), les modalités et les contenus de l’examen peuvent
varier. Pour le A-Level, il n’y a pas de programme officiel. Le plus exigeant est souvent
en physique et en chimie celui de l’OCR (Oxford, Cambridge and the Royal Society of
Arts) et c’est celui que nous avons retenu.
3.2. Les programmes
Ils se présentent en pratique sous une forme thématique, en particulier pour le GCSE.
Nous les avons redécoupés par grands domaines pour permettre les comparaisons. Le
résultat figure en annexe 2 et 4.
La première chose qui frappe, c’est qu’ils sont très exhaustifs. Tous les domaines
sont abordés. Il y a également beaucoup d’applications concrètes. Mais attention, si les
connaissances sont étendues, les savoir-faire sont très limités. L’usage de l’outil mathématique est souvent réduit aux quatre opérations. On attend des élèves une compréhension des concepts, mais pas leur exploitation.
Sur le contenu, on peut remarquer la place importante occupée par la physique
« moderne » : relativité, cosmologie, relation de de Broglie. La quantité de mouvement
et le moment cinétique sont abordés dès la seconde. En chimie, beaucoup de sujets du
Vol. 104 - Mars 2010
278
A2 ne sont abordés en France qu’en CPGE (orbitale atomique, mécanismes réactionnels,
cycle de Born-Haber, enthalpie libre, spectroscopie RMN, stéréochimie, couleur des
complexes des éléments de transition…).
Depuis 2007, une partie de l’évaluation aux trois examens porte sur « How science
works ? » (Comment la science fonctionne-t-elle ?). Voici les principaux thèmes abordés :
– Les théories scientifiques, la preuve scientifique, les limites de la science ;
– La fiabilité des observations et des données ;
– Le rôle de la science dans la société ;
– L’impact des sciences et techniques sur nos vies ;
– La démarche scientifique, cause et corrélation ;
– La communication scientifique ;
– La communauté scientifique.
3.3. Le contexte éducatif allemand
En Allemagne, ce sont les états fédéraux (« Länder ») qui ont la charge de la politique éducative et qui en définissent les programmes. Il existe trois types d’établissement
secondaires : « Hauptschule » (enseignement général de base), « Realschule » (enseignement plus étendu) et « Gymnasium » (enseignement général approfondi), le plus proche
de notre lycée général. Dans la suite, on s’intéressera uniquement au « Gymnasium ».
L’équivalent du baccalauréat est l’« Abitur ». Traditionnellement, il se passait en
treize ans, c’est-à-dire une année plus tard par rapport au baccalauréat français. Ceci correspondait à neuf années de lycée (l’année 1 correspond à notre CM2) et on parle de système
G9.
Suite aux résultats moyens de l’Allemagne aux évaluations PISA, une remise en
cause profonde de l’enseignement des sciences est en train de s’opérer. À l’initiative des
états les plus puissants et en particulier la Bavière, un système G8 est en train de se
mettre en place et ainsi aligner l’Abitur allemand sur les autres systèmes européens. Les
programmes présentés dans la suite sont relatifs à ce nouveau système. Les contenus et
les horaires ont été revus à la hausse.
L’équivalent du lycée français correspond dans le système G8 aux classes K10, K11
et K12 (K = « Klasse »). La classe de seconde correspond en fait à la fin du « Mittelstufe » (cycle moyen). Les années de première et terminale correspondent à l’« Oberstufe » (cycle supérieur).
Pour le Mittelstufe, les sciences sont obligatoires. Il y a en moyenne deux heures
de physique et deux heures de chimie par semaine.
Pour l’Oberstufe, les élèves choisissent deux matières principales (en général six
heures par semaine chacune) et deux matières secondaires (trois heures par semaine chacune).
La physique et la chimie sont deux matières distinctes. Le programme de l’Abitur porte
o
Le Bup n 922
279
sur l’enseignement des K11 et K12.
En Allemagne, l’heure de cours dure quarante-cinq minutes. D’autre part, il y a en
moyenne trente-huit semaines de cours par an (on travaille jusqu’à fin juillet en Bavière).
3.4. Les programmes
Ils varient comme dit ci-dessus selon les Länder. Nous nous basons essentiellement
sur celui de la Bavière.
Là encore, on peut remarquer que le champ abordé est vaste. Il ne s’agit pas seulement de connaissances, mais il y a aussi des savoir-faire, applicatifs ou expérimentaux,
sensiblement équivalents de ceux qu’on attend d’un élève français. L’élève allemand se
spécialise plus en amont, mais sa culture et ses capacités en physique ou en chimie sont
au moins équivalents à celle de son homologue français.
La physique du xxe siècle est très présente : il est vrai que la relativité et la mécanique quantique sont nées en Allemagne. Quantité de mouvement et moment cinétique
sont également présents, alors qu’ils ont disparu des programmes français depuis 1992.
En chimie, la différence avec les programmes français porte surtout sur la thermodynamique et la chimie organique.
Comme en Grande-Bretagne, les programmes comportent une réflexion sur les
disciplines :
– aspects historiques ;
– méthodes de pensée et de travail ;
– les métiers de la physique ;
– lois-modèles-théories.
4. PROPOSITIONS
Sur la base de ce qui précède, nous formulons quelques propositions générales puis
quelques pistes de contenus afin de provoquer le débat.
4.1. Propositions générales
® Faire porter le contenu du baccalauréat sur les programmes de terminale et de première (c’est au passage le cas pour le concours général des lycées) et rendre ainsi les
deux programmes plus cohérents.
® Rédiger deux programmes pour la seconde : l’un en tronc commun, fournissant des
éléments de culture scientifique, d’histoire des sciences et de réflexion autour des
sciences physiques et l’autre, optionnel, portant sur les outils et la démarche scientifique.
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280
® Défendre la présence des sciences physiques dans le tronc commun de première autour
d’un contenu prolongeant le tronc commun de seconde (histoire des sciences, épistémologie, place de la science dans la société, dimension économique et culturelle de
la science, démarche scientifique, thèmes de culture scientifique, grands concepts de
la physique).
® Aller plus loin en chimie : une partie du programme de chimie de MPSI pourrait être
enseignée dès la terminale, ce qui permettra d’éviter d’introduire simultanément les
concepts et les savoir-faire par la suite.
® Développer un véritable programme de spécialité, avec en particulier une ouverture
vers la physique et la chimie du xxe siècle d’une part, la mesure en physique et l’analyse en chimie d’autre part.
® S’il faut des outils mathématiques hors programme (par exemple les vecteurs, le produit
scalaire voire le produit vectoriel), le professeur de sciences physiques les introduira,
en développant les applications plutôt que les aspects formels.
4.2. Tronc commun
o
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281
4.3. Physique en première et terminale S
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282
4.4. Chimie en première et terminale S
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283
CONCLUSION
Le lycée français dispose d’une série scientifique depuis 1902. Malgré quelques
remises en cause entre 1923 et 1931, celle-ci est restée plutôt stable jusqu’à la fin des
années 1970. La seconde devient indifférenciée à partir de la rentrée 1981. Un des objectifs est de permettre à tous les élèves d’avoir une formation scientifique. Cependant, le
même programme est dispensé uniformément à ceux qui poursuivront des études scientifiques et aux autres, générant beaucoup d’insatisfactions. Il en est de même en première
et en terminale. La mise en place d’une filière S a conduit à des programmes parfois trop
superficiels. La spécialité n’en a que le nom.
En physique, les contenus se sont allégés au fil du temps, mais ils ont gagné en
cohérence entre les trois années, même s’il subsiste des sujets abordés en première et pas
en terminale. En chimie, on est passé progressivement d’une chimie descriptive à une
chimie plus conceptuelle (structure de la matière, réaction chimique), mais les objectifs
restent peu ambitieux.
La comparaison avec d’autres pays européens est un exercice délicat. Néanmoins,
elle révèle la quasi-absence de physique contemporaine, de même que le décalage entre
physique et chimie dans les programmes français. On étudie plus de concepts à l’étranger,
mais avec un bagage mathématique plus faible.
®
®
®
®
®
®
Les propositions formulées sont les suivantes :
Faire porter le contenu du baccalauréat sur les programmes de terminale et de première
(c’est au passage le cas pour le concours général des lycées) et rendre ainsi les deux
programmes plus cohérents.
Rédiger deux programmes pour la seconde : l’un en tronc commun, fournissant des éléments de culture scientifique, d’histoire des sciences et de réflexion autour des sciences
physiques et l’autre, optionnel, portant sur les outils et la démarche scientifique.
Défendre la présence des sciences physiques dans le tronc commun de première autour
d’un contenu prolongeant le tronc commun de seconde (histoire des sciences, épistémologie, place de la science dans la société, dimension économique et culturelle de
la science, démarche scientifique, thèmes de culture scientifique, grands concepts de
la physique).
Aller plus loin en chimie : une partie du programme de chimie de MPSI pourrait être
enseignée dès la terminale, ce qui permettra d’éviter d’introduire simultanément les
concepts et les savoir-faire par la suite.
Développer un véritable programme de spécialité, avec en particulier une ouverture
vers la physique et la chimie du xxe siècle d’une part, la mesure en physique et l’analyse en chimie d’autre part.
S’il faut des outils mathématiques hors programme (par exemple les vecteurs, le produit
scalaire voire le produit vectoriel), le professeur de sciences physiques les introduira,
en développant les applications plutôt que les aspects formels.
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284
La désaffection pour les sciences dans certains pays occidentaux a des causes
multiples. Le manque de considération sociale, au-delà de la simple rémunération, du
scientifique en est une. La rigueur, le travail et la nécessité de penser sur le long terme
sont les ingrédients de base de la science et ne semblent plus faire partie des valeurs de
nos sociétés, dominées par le court terme, le gain facile, le « zapping » permanent.
Cependant, en offrant aux élèves des programmes « light », en faisant l’impasse sur
les outils qui permettent d’approfondir, en laissant croire que la science c’est joli et facile,
on risque de rebuter ceux qui choisissent les sciences. Ils le font justement parce que c’est
difficile, qu’on prend du plaisir à déchiffrer la nature et à faire preuve de rigueur.
Qu’on mette en place des pratiques innovantes à l’école primaire et au collège oui !
Mais ce qu’il faut avant tout au lycée, ce sont avant tout des contenus conséquents et
adaptés à leur public.
REMERCIEMENTS
L’auteur remercie Myriam BENSMAÏNE pour lui avoir permis de consulter sa collection d’anciens manuels, Frédérique ELFASSI pour ses précieux commentaires ainsi que la
rédaction du Bup pour sa relecture attentive.
BIBLIOGRAPHIE
[1] « Activités de l’UdP : enquête de seconde ». Bull. Un. Phys., juillet-août-septembre
2001, vol. 95, n° 836, p. 1310.
[2] FANGUET R., JACQUEMIN J.-C., KARATCHENTZEFF M.-F. et PIGANEAU E. « Résultats
de l’enquête sur le nouveau programme de terminale S ». Bull. Un. Prof. Phys.
Chim., janvier 2004, vol. 98, n° 860, p. 1-14 (pastel).
[3] FRETTÉ P. « Nouveaux programmes de terminale S : un bilan mitigé… ». Bull. Un.
Prof. Phys. Chim., mai 2004, vol. 98 n° 864, p. 755-758
[4] BELHOSTE B., GISPERT H. et HULIN N. (Dir). Les sciences au lycée - un siècle de
réformes des mathématiques et de la physique en France et à l’étranger. Paris :
Vuibert-INRP, 1996.
[5] HULIN N. « Caractère expérimental de l’enseignement de la physique : xIxe et xxe
siècles ». Bull. Un. Phys., novembre 1992, vol. 86, n° 748, p. 1403-1415 et décembre
1992, vol. 86, n° 749 (1), p. 1565-1580.
[6] HULIN N. « Histoire des sciences et enseignement scientifique ». Bull. Un. Phys.,
juillet-août-septembre 1996, vol. 90, n° 786, p. 1201-1243.
[7] Hulin N. « L’enseignement de la physique d’un siècle à l’autre : évolutions, permanences et décalages ». Bull. Un. Phys., novembre 1998, vol. 92, n° 808, p. 15971613.
o
Le Bup n 922
285
[8] HULIN N. « L’enseignement des sciences physiques sous le régime de “l'égalité
scientifique” (1923-1941) ». Bull. Un. Prof. Phys. Chim., janvier 2006, vol. 100,
n° 880, p. 29-36.
Professeur de sciences physiques
Lycée Pierre d’Aragon
Muret (Haute-Garonne)
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286
Annexe 1
Programmes français de physique
1942
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Le Bup n 922
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1966
Vol. 104 - Mars 2010
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1978-79
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Le Bup n 922
289
1992-95
Vol. 104 - Mars 2010
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2000-02
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Le Bup n 922
291
Annexe 2
Programmes britanniques et allemands de physique
GRANDE-BRETAGNE
Vol. 104 - Mars 2010
292
o
Le Bup n 922
293
ALLEMAGNE
Vol. 104 - Mars 2010
294
Annexe 3
Programmes français de chimie
1942
o
Le Bup n 922
295
1966
Vol. 104 - Mars 2010
296
1978-79
o
Le Bup n 922
297
1992-95
Vol. 104 - Mars 2010
298
2000-02
o
Le Bup n 922
299
Annexe 4
Programmes britanniques et allemands de chimie
GRANDE-BRETAGNE
Vol. 104 - Mars 2010
300
o
Le Bup n 922
301
ALLEMAGNE
Vol. 104 - Mars 2010
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Une petite histoire du rotateur…
par Fabrice DESOMBRE
Lycée Sophie Berthelot - 62100 Calais
[email protected]
RÉSUMÉ
Le mouvement de rotation de la molécule diatomique – très simple – fut toujours
l’une des premières applications des théories quantiques. Elles se sont succédé au début
du xxe siècle, de plus en plus performantes dans la compréhension de la matière. Et la
« petite histoire du rotateur » éclaire ainsi, tel un fil conducteur, les progrès de certains
pionniers de la physique moléculaire. Certains sont devenus célèbres, d’autres moins…
INTRODUCTION
La molécule diatomique est modélisée, en ce qui concerne son mouvement de rotation, sous le « doux » nom de rotateur. L’étude de ce mouvement quantifié, comme il se
doit à cette échelle, date maintenant de près d’un siècle. Cet article propose une revue
– certainement non exhaustive – de différentes idées qui ont émergé à son sujet. Nous
aurons ainsi l’occasion d’assister à la naissance de la théorie quantique à travers plusieurs
phases que les historiens des sciences ont depuis longtemps bien identifiées.
1. DÉVELOPPEMENT
1.1. La « théorie des quanta »
La théorie des quanta peut être considérée comme un élargissement des idées originales de Max PLaNCk aux problèmes les plus variés impliquant atomes ou molécules.
Elle s’appuie encore sur la mécanique newtonienne.
1.1.1. En suivant Planck…
En 1912, le Danois Niels BjErruM applique les idées de PLaNCk au rotateur. Max
PLaNCk avait fait naître la théorie quantique en s’intéressant à l’oscillateur pour lequel il
avait écrit le premier l’énergie quantifiée : E = nho (n = 0, 1, 2…).
Vol. 104 - Mars 2010
Fabrice DESOMBrE
304
Pour le rotateur cela donne : E = 1/2 I ^2rvh2 = nho (I représentant le moment
d’inertie).
Comme dans la théorie de PLaNCk, la fréquence n représente non seulement la
fréquence du mouvement périodique, mais aussi la fréquence de la radiation émise par
la molécule (en accord avec les lois de l’électromagnétisme connues à l’époque). Niels
BjErruM obtient ainsi les fréquences quantifiées du rotateur :
2
on = nh /2r I .
Notons que l’on trouve cette relation dans le célèbre petit livre de jean PErrIN Les
Atomes paru en 1913.
1.1.2. En suivant Bohr…
En 1913, le théoricien autrichien Paul EHrENFEST reprend le problème du rotateur
pour l’améliorer en lui appliquant les idées que BOHr était en train de faire triompher
avec l’atome d’hydrogène. Il explique que l’énergie mécanique du rotateur n’est que de
l’énergie cinétique E C qui ne vaut pas nho mais 1/2 nho . On trouve E = nho dans le
cas de l’oscillateur de PLaNCk, car il s’agit alors de la somme de l’énergie cinétique et
de l’énergie potentielle élastique, chacune valant en moyenne sur une période 1/2 nho .
Paul EHrENFEST écrit donc E = 1/2 nho . Comme de plus on a toujours
2
E = 1/2 I ^2roh2 soit o = Ê /2r Ih , on obtient l’énergie quantifiée :
2
2
2
E n = n h /8r I .
Dans tout le raisonnement ci-dessus, n représente encore la fréquence du mouvement de rotation, mais plus la fréquence f de la radiation émise. En accord avec la loi
des fréquences de BOHr, il faut désormais écrire :
DE = hf = E n + 1 – E n .
Les fréquences émises sont donc maintenant données par :
2
fn = ^2n + 1h h /8r I .
La justification du facteur 1/2 pour l’énergie cinétique est donnée en annexe 1.
Notons que l’énergie E n peut être obtenue plus rapidement en utilisant l’une des remarques
par lesquelles BOHr conclut son étude de l’atome d’hydrogène, à savoir que le moment
cinétique semble devoir être quantifié selon : v = nh /2r . Dans le cas du rotateur l’énergie
2
peut s’écrire E = v /2I , ce qui conduit immédiatement à son expression quantifiée.
une petite histoire du rotateur…
o
Le Bup n 922
305
1.2. La « mécanique quantique »
Lors de la Première Guerre mondiale, la théorie des quanta est en plein essor.
L’école de Copenhague, sous la direction de Niels BOHr, et l’école de Munich emmenée
par arnold SOMMErFELD accumulent les succès. Toutefois, après l’année 1920, les
premières difficultés apparaissent. Il devient de plus en plus clair que les relations de
quantification sont étrangères à l’électromagnétisme et à la mécanique classiques. Il s’ensuit une période psychologiquement difficile pour les physiciens qui vont s’efforcer de
mettre sur pied une nouvelle mécanique adaptée au monde microscopique : la mécanique
quantique. Des théoriciens de génie (HEISENBErG, PauLI, BOrN, DIraC…) vont progressivement surmonter les obstacles pour offrir aux générations futures les clés d’une
approche cohérente.
1.2.1. Hésitations…
En 1921, l’allemand FrITZ rEICHE s’intéresse à la rotation de la molécule de dihydrogène dans le but d’expliquer l’évolution de sa chaleur spécifique en fonction de la
température (EHrENFEST s’intéressait aussi à cette question, alors que BjErruM cherchait
à rendre compte des spectres moléculaires). afin d’améliorer la concordance avec les
courbes expérimentales, il propose une quantification par « demi-quanta » du rotateur :
2
2
E n = ^n + 1/2h2 h /8r I (n = 0, 1, 2…). Cette relation, qui n’a pas de justification théorique, semble aussi mieux adaptée aux études spectroscopiques.
Pendant les années de tâtonnement, entre 1920 et 1925, l’une des principales idées
des théoriciens pour élaborer la nouvelle physique est de remplacer les différentielles
dy/dx par des différences finies Δy/Δx. Wolfgang PauLI fit par exemple la remarque
2
suivante : si la différentielle d^– 1/nh /dn vaut 1/n , son équivalent fini D^– 1/nh / Dn
donne, dans le cas où Dn = 1 : – 1/(n + 1) – (– 1/n) soit 1/n (n + 1) . Cela suggère de
2
2
2
remplacer le n de la relation initiale d’Ehrenfest par n (n + 1) : E n = n (n + 1) h /8r I .
Et les fréquences d’émission autorisées sont maintenant :
2
fn = Ê n + 1 – E nh / h = (2n + 2) h /8r I .
Il est important de noter que l’expression de reiche donne des fréquences identiques, car
2
(n + 1/2) = n (n + 1) + 1/4 .
1.2.2. En suivant Heisenberg…
En 1925, la mécanique matricielle (ainsi nommée, car les variables dynamiques y
deviennent des matrices infinies) est la première théorie solide et cohérente pour aborder
sans contradictions le domaine atomique. Les variables conjuguées obéissent à une nouvelle
règle de quantification : PQ – QP = 1 h /2ri (où 1 représente la matrice infinie unité).
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Fabrice DESOMBrE
306
Dans le cas de l’oscillateur de PLaNCk, l’énergie peut s’écrire après transformation
2
2
canonique E = 1/2 (2ro) ^P + Q h puis, en utilisant la nouvelle loi quantique :
E = (n + 1/2) ho .
L’autrichien Otto HaLPErN a l’idée, publiée en 1926, d’appliquer un raisonnement
identique au « rotateur plan » (la molécule qui tourne toujours dans le même plan). Il
effectue une transformation canonique adaptée dans laquelle les variables conjuguées
sont le moment cinétique et l’angle de rotation. au détriment de la rigueur mathématique,
l’argument d’HaLPErN est exposé ici avec simplicité, et complété en annexe 2.
Il affirme que l’énergie de rotation peut s’écrire :
2
2
2
E = 71/2 ^P + Q hA /2I .
après une transposition semblable à celle de l’oscillateur :
2
2
1/2 ^P + Q h " (n + 1/2) h /2r
on obtient finalement :
2
2
2
E n = (n + 1/2) h /8r I .
Voilà, cinq ans après, une justification des idées de rEICHE.
1.2.3. En suivant Dirac…
Toujours en 1926, un « événement » théorique survient : l’anglais Paul DIraC
comprend que l’essence de la nouvelle mécanique quantique réside dans la non-commutation des variables conjuguées. Il épure ainsi les équations en remplaçant les matrices
par de mystérieux « nombres-q » et, suivant une logique implacable, élabore une théorie
d’une grande élégance formelle. Tous les résultats de la mécanique matricielle sont retrouvés
avec plus de clarté. La correspondance avec la mécanique analytique classique devient
aussi plus nette.
L’américain David DENNISON est le premier à soumettre le rotateur à la mécanique
quantique désormais arrivée à maturité. Le maniement des nombres-q lui permet d’aborder
le problème sous son aspect le plus complet, c’est-à-dire la molécule dont l’axe est
susceptible d’explorer l’espace (« rotateur spatial »). Les calculs de DENNISON aboutissent à :
2
2
2
E n = ^n + n + 1h h /8r I
avec toujours n = 0, 1, 2… Il est clair que cette expression donnera encore des fréquences
en accord avec la loi :
2
fn = ^2n + 2h h /8r I .
Précisons ici que c’est bien cette relation qui est confirmée par les spectres de rotation pure obtenus dans l’infrarouge lointain (pour les molécules diatomiques possédant
un moment dipolaire, dans l’approximation où la distorsion centrifuge est négligée). Il
o
Le Bup n 922
307
s’agit dans ce cas de spectres d’absorption, mais les fréquences sont évidemment les mêmes
(loi de Kirchhoff).
1.3. La mécanique ondulatoire
L’autre voie de résolution des problèmes rencontrés par la théorie des quanta a été
ouverte par Louis DE BrOGLIE à Paris. Sa stupéfiante intuition de l’aspect ondulatoire de
la matière réintroduit de fait du continu à l’échelle microscopique. Elle rejoindra pourtant, après quelques développements, les conclusions de la mécanique quantique qui
insistait quant à elle sur le discontinu !
1.3.1. En suivant de Broglie…
En 1923 paraissent les premiers résultats de DE BrOGLIE qui fondent la mécanique
ondulatoire. un an plus tard, ses idées ont déjà atteint une solide maturité quand il les
soutient à l’occasion de sa thèse de doctorat. Toutefois, la mécanique newtonienne est
encore utilisée. L’ouvrage Ondes et mouvement, publié en 1926, permet au physicien
français de faire connaître ses recherches. On y trouve – discrète, en bas de page – la
remarque suivante :
« On a beaucoup parlé ces temps derniers des demi-quanta qui s’introduiraient dans la théorie […]
des spectres de rotation. Il semble que, dans certains cas, la condition de stabilité d’un mouvement
périodique doive s’écrire
# pdq = (n + 1/2) h . Dans notre manière de voir, les demi-quanta pour-
raient s’interpréter si, dans certaines conjonctures, il fallait ajouter à la différence de phase exprimée
par l’intégrale de Maupertuis une différence supplémentaire de p analogue à celle que produit le
passage par un foyer dans la théorie de Gouy. On obtiendrait alors comme condition de résonance
(2r/h) # pdq – r = n2r d’où l’on tire immédiatement la formule des demi-quanta ».
Le grand mérite de la mécanique ondulatoire naissante a été de donner du sens à la
condition de quantification de Bohr. DE BrOGLIE essaye ici de donner du sens aux demiquanta qui apparaissent dans l’énergie quantifiée de rEICHE. On a vu qu’HaLPErN avait
emprunté, la même année, une voie très différente pour atteindre le même but.
1.3.2. En suivant Schrödinger…
Pour prendre son envol, la mécanique ondulatoire devait se délester de l’usage de
la mécanique classique. C’est le grand mérite d’Erwin SCHrÖDINGEr d’avoir permis cela.
En 1926, au cours d’une magistrale série d’articles, il développe les conséquences de sa
fameuse équation. L’atome d’hydrogène est traité dans le premier article. L’oscillateur et
le rotateur sont résolus dans le second. Le physicien autrichien y fait une distinction
très claire entre le rotateur plan pour lequel il obtient le résultat d’EHrENFEST
Ê n = n 2 h 2 /8r2 Ih et le rotateur spatial dont le traitement confirme l’intuition initiale de
2
2
PauLI Ê n = n (n + 1) h / 8r Ih .
Vol. 104 - Mars 2010
Fabrice DESOMBrE
308
Les calculs correspondants sont devenus des classiques : on les trouve dans presque
tous les livres présentant le formalisme de la physique quantique. C’est pourquoi ils ne
seront pas reproduits en annexe. un petit mot sur la question néanmoins.
L’équation de SCHrÖDINGEr s’écrit simplement pour le rotateur rigide (pas d’énergie
2
2
potentielle) : DW + ^8r m / h h E = 0 . Si le mouvement est plan, le laplacien peut s’écrire
en coordonnées polaires ; on a alors affaire à l’un des plus simples problèmes solubles
en mécanique ondulatoire. Si par contre le mouvement s’effectue dans l’espace, il faut
employer les coordonnées sphériques et le laplacien devient plus complexe. Mais le
rayon r restant constant, la résolution ne pose aucun problème particulier pour conduire
au résultat indiqué ci-avant.
ajoutons que le problème de l’atome d’hydrogène est bien plus délicat : SCHrÖlui-même a dû solliciter l’aide du mathématicien allemand Hermann WEYL pour
en venir à bout !
DINGEr
CONCLUSION
Notre petit rotateur nous a permis de traverser les années d’élaboration de la physique
quantique. L’un des objectifs de cet article est de montrer que ce qui peut sembler aujourd’hui très clair (par exemple la correspondance entre les formalismes de SCHrÖDINGEr et
d’HEISENBErG par l’intermédiaire de la notion d’opérateur) ne l’a certainement été pour
les fondateurs ! L’histoire des sciences fournit bien sûr d’autres illustrations nombreuses.
un autre objectif est d’insister sur la notion de modèle. Les théories successives qui
auteur(s)
de la
théorie
proposée
raies
équidistantes
dans le spectre
de rotation pure
(Ir lointain)
Espacement
en fréquence
des raies Ir :
2
Fréquences
des différentes
raies Ir :
Do = 2h /8r I
(permet de
déterminer I)
on = (2n + 2) h/8r I
2
Pas d’énergie
de point zéro
pour le
rotateur
( E n = 0 dans
l’état fondamental)
Bjerrum
COrrECT
INCOrrECT
INCOrrECT
COrrECT
Ehrenfest
COrrECT
COrrECT
INCOrrECT
COrrECT
COrrECT
COrrECT
COrrECT
INCOrrECT
COrrECT
COrrECT
COrrECT
COrrECT
Halpern
Dennison
De Broglie
Schrödinger
Tableau 1
o
Le Bup n 922
309
se sont attaquées au problème du rotateur ont toutes détenu une part de vérité, sans jamais
être « parfaites ». La solution de SCHrÖDINGEr elle-même ne tient pas compte des corrections de la relativité. Et l’amélioration – ou le remplacement – des théories est un jeu sans
fin puisque le monde est ce qu’il est sans jamais pouvoir être intégralement atteint par
un modèle, si sophistiqué soit-il. Concernant la question des molécules en rotation, beaucoup de noms n’ont pas été cités : kraTZEr, FuES, kEMBLE, VaN VLECk, PEkErIS… Cette
injustice sera réparée quand le lecteur aura l’occasion de faire ses propres recherches sur
le sujet.
Le tableau 1 (cf. page ci-contre) résume l’apport des théories sur le rotateur, dans
l’approximation où l’équation de Schrödinger sans énergie potentielle est considérée
comme valable.
BIBLIOGRAPHIE
® DarrIGOL O. From c-Numbers to q-Numbers. Berkeley : university of California
Press, 1992.
® DE BrOGLIE L. Ondes et mouvements. Éditions jacques Gabay, 1988.
® SCHrÖDINGEr E. Mémoires sur la mécanique ondulatoire. Éditions jacques Gabay,
1988.
® ruark a. et urEY H. Atoms, Molecules and Quanta. McGraw-Hill Book Company.
® PErrIN j. Les atomes. - Champs Flammarion, 1991.
® BaSDEVaNT j.-L. et DaLIBarD j. Mécanique quantique. Éditions de l’école Polytechnique, 2004.
® MEHra j. et rECHENBErG H. The Historical Development of Quantum Theory. Springer.
Fabrice DESOMBRE
Professeur de physique-chimie
Lycée Sophie Berthelot
Calais (Pas-de-Calais)
Vol. 104 - Mars 2010
Fabrice DESOMBrE
310
Annexe 1
Paul EHrENFEST a beaucoup réfléchi sur l’invariance adiabatique de l’intégrale
# pdq .
Il écrivit la moyenne de l’énergie cinétique sur une période T : 1/T # E C dt .
Comme E C vaut par définition 1/2 p (dq /dt) on a : moyenne de E C = 1/(2T) # pdq . En
vertu de la condition de quantification de BOHr-NICHOLSON :
# pdq = nh , EHrENFEST a
pu alors écrire E C = nh /(2T) = 1/2 nho (puisque T = 1/o ).
o
Le Bup n 922
311
Annexe 2
L’oscillateur harmonique sert ici de modèle : il est intéressant de l’étudier en détail.
Énergie mécanique de l’oscillateur :
2
2
E = 1/2 p /(2m) + 1/2 m~ q
2
(avec ~ = 2ro ).
Transformation canonique :
P = p/ (m~)
Q = q # (m~) .
;
On a bien comme il se doit :
PQ – QP = pq – qp .
L’énergie devient :
2
2
E = 1/2 ~ ^P + Q h .
Les solutions du mouvement sont :
q = q 0 # cos (~t)
On a alors :
p = m (dq /dt) = – m~ # q 0 sin (~t) .
et
P = – (m~) # q 0 sin (~t)
et
Q = (m~) # q 0 cos (~t) .
L’énergie mécanique peut aussi s’écrire :
2
2
E = 1/2 m~ q 0
soit
2
m~ = 2E / ~q 0 .
D’où finalement :
P = – (2E / ~) # sin (~t)
et
Q = (2E / ~) # cos (~t) .
et
Q = (2f) # cos (x) .
Plus simplement encore :
P = – (2f) # sin (x)
Pour le rotateur, HaLPErN remplace les variables f = E / ~ et x = ~t par s le
moment cinétique et q l’angle de rotation. Cela est convenable, car s et q sont bien des
variables conjuguées du mouvement.
P = – (2v) # sin (i)
ce qui permet d’écrire :
et
Q = (2v) # cos (i) ;
2
2
v = 1/2 ^P + Q h
En conclusion, l’énergie du rotateur est :
2
2
2
2
E = v / 2I = 71/2 ^P + Q hA / 2I .
Vol. 104 - Mars 2010
Fabrice DESOMBrE
313
Mise en œuvre des diodes électroluminescentes
de forte puissance
par Loïc POULLAIN
IUFM de Bretagne - 22000 Saint-Brieuc
[email protected]
RÉSUMÉ
Cet article décrit la mise en œuvre simple de diodes électroluminescentes de forte
puissance lumineuse avec des couleurs variées (blanc, rouge, vert, bleu…). Elles offrent
la possibilité de concevoir des travaux pratiques économiques et adaptés à la démarche
d’investigation en collège sur les thèmes de la synthèse additive des couleurs et de la
propagation rectiligne de la lumière.
Depuis quelques années, les diodes électroluminescentes (DEL) ont fait leur apparition dans l’éclairage domestique. Les produits mis à disposition du public sont maintenant faciles à mettre en œuvre et leurs prix peuvent raisonnablement concurrencer les
lampes halogènes basse tension actuellement largement répandues.
Avec une gamme diversifiée tant par les puissances lumineuses, par l’angle d’émission, le champ spectral et leur prix, il est tout à fait raisonnable d’envisager de renouveler nos manipulations d’optique et nos travaux pratiques.
Ces expérimentations concernent l’équipement d’un laboratoire IUFM (centre de
ressources pour l’enseignement des sciences et de la technologie) dédié à l’école primaire
(maternelle et élémentaire) et à la préparation au concours de professeur des écoles. Une
adaptation est à faire pour le matériel du collège ou du lycée.
1. PRÉSENTATION DES DEL UTILISÉES
Plusieurs revendeurs proposent ces produits (Conrad, Électronique diffusion, Sélectronic…). Voici les références pour Électronique diffusion, composants avec lesquels j’ai
réalisé mes essais (cf. tableau 1, page ci-après).
1.1. Mise en œuvre d’une DEL blanche 1 W
J’ai utilisé, dans des mallettes destinées à faire expérimenter des élèves de cycle 3,
des sources de lumière modélisant le Soleil : une lampe à incandescence classique (3,5 V ;
Vol. 104 - Mars 2010
Loïc POULLAIN
314
E N S E I G N E M E N T E X P É R I M E N TA L
Tableau 1
0,2 A) au sommet d’un support constitué
d’une plaque de base et d’un tube PVC
Ø 40 mm ou 32 mm. Cette lampe est
pédagogiquement idéale pour représenter
le Soleil (on peut aussi la coiffer d’une
balle de tennis de table percée pour
réaliser des sources étendues de lumière
et travailler sur la pénombre).
Cependant, l’éclairement produit
par la lampe à incandescence est souvent
insuffisant pour modéliser correctement
les phénomènes astronomiques clasFigure 1 : Source modélisant le Soleil.
siques : jour / nuit, phases de la Lune,
éclipses dans des salles de classe dont l’occultation n’est pas parfaite. De plus, ces
lampes perturbent les observations des autres groupes de la classe. L’idée est donc d’associer à cette lampe, une DEL fournissant un faisceau lumineux plus intense et directif.
La DEL utilisée pour les élèves est un modèle lumineux à 20 000 mcd (3,6 V / 20 mA).
Une résistance additionnelle de 50 W est ajoutée en série avec la DEL.
Mise en œuvre des diodes électroluminescentes de forte puissance
Le Bup n° 922
315
1.2. Modification avec la nouvelle DEL Luxeon 1W
La lampe à incandescence est alimentée maintenant par une tension de 3,6 V
composée de trois accumulateurs 1,2 V dans un boîtier « pile plate » et la DEL de 1 W
s’alimente aussi directement à partir de cette tension. L’intensité du courant la traversant
est inférieure à l’intensité nominale donnée par le constructeur (350 mA). Un interrupteur à trois positions (on/off/on) permet de sélectionner la source lumineuse. J’ai utilisé,
par exemple, la DEL rouge comme lampe inactinique dans un laboratoire photographique
pendant plusieurs heures et n’ai pas constaté de diminution notable de l’éclairement
produit.
J’émets toutefois des réserves quant à l’utilisation de ces lampes par les élèves de
l’école primaire (cycle 3), car l’éclairement est trop intense. Je réserve donc ce dispositif
lorsque les groupes présentent à la classe leurs résultats pour la phase de synthèse collective.
1.3. Mise en œuvre des DEL de couleur
Les DEL utilisées sont équipées d’un petit dissipateur thermique en aluminium.
Elles sont collées directement à la colle époxy (deux composants) sur le tube PVC de
diamètre 32 mm. L’interrupteur est alors un simple interrupteur à deux positions.
Figure 2 : Montage de la DEL.
Les trois couleurs disponibles rouge, verte et bleue permettent de reconstituer facilement la lumière blanche (cf. annexe 1).
1.4. Précaution d’utilisation
Utilisé de cette façon, l’éclairement produit est intense (45 lumens). Il pourrait
provoquer des lésions graves au niveau des yeux des élèves si le matériel est utilisé sans
précautions.
Vol. 104 - Mars 2010
Loïc POULLAIN
316
Indication portée par le revendeur :
ATTENTION
Ne pas regarder en face ces leds. Risque de brûlure irréversible des yeux !!
Dégagement important de chaleur : risque de brûlure de la peau !!
Prévoir refroidissement.
Il est donc préférable de garder cette source à la disposition de l’enseignant pour lui
permettre de montrer expérimentalement des phénomènes peu visibles avec une simple
lampe à incandescence ou une DEL lumineuse classique (20 mA).
Figure 3 : Montage définitif.
Pour les élèves, il est possible de limiter le champ du faisceau lumineux en coiffant
le support d’un tube carton (cf. l’application synthèse additive RVB). Ce système a aussi
l’avantage de pouvoir projeter simplement des « négatifs » réalisés par les élèves sur un
support transparent pour rétroprojecteur.
L’articulation entre le tube carton et le support a été réalisée avec deux aiguilles de
fil de fer enfilées dans le tube support de la lampe et maintenues par un bouchon en liège.
Une réalisation plus soignée exigerait un système à rotule.
2. Quelques applications possibles
2.1. Synthèse additive des couleurs
Avec trois lampes de couleurs rouge, verte et bleue, la synthèse additive des couleurs
est facilement réalisable par les élèves en travaux pratiques.
Les élèves peuvent facilement fabriquer des masques à placer sur le faisceau lumineux afin de réaliser manuellement des compositions tri chromiques de leur choix. L’annexe 1 est un exemple simple à imprimer sur un transparent pour rétroprojecteur.
Les trois lampes sont protégées par les tubes carton qui permettent aussi de limiter
Le Bup n° 922
Figure 4 : Synthèse additive.
317
Figure 5 : Disposition de masque.
les faisceaux colorés et de les projeter sur
un écran placé à 50 cm environ.
L’intersection des trois faisceaux
donne le blanc si les intensités RVB sont
identiques (cf. figure 4). En jouant sur les
distances des lampes à l’écran, on peut
obtenir des teintes intermédiaires.
Un masque est introduit dans une
fente à l’extrémité du tube carton : on
projette ainsi des images colorées RVB
(cf. figure 5).
La superposition des trois images
donne la composition souhaitée (cf. figure
6). L’articulation souple des tubes carton
permet de faire le réglage très facilement,
Figure 6 : Projection de l’image colorée.
ce qui n’est pas le cas lorsqu’on utilise des
projecteurs de diapositives. Les « ombres colorées » sont aussi d’excellente qualité.
2.2. Autres pistes à investir
2.2.1. Le théâtre d’ombres
Avec une DEL blanche placée à environ 50 cm d’un petit objet opaque, l’ombre
portée recueillie sur un écran translucide est d’excellente qualité (source puissante et
ponctuelle).
L’annexe 2 présente la réalisation d’un théâtre d’ombres destiné à être utilisé en
classe de maternelle.
Avec les DEL colorées, on peut facilement produire les ombres du même objet pour
trois sources différentes et obtenir ainsi la composition additive classique.
Vol. 104 - Mars 2010
Loïc POULLAIN
318
2.2.2. La boîte à lumière
La DEL est placée au fond d’une boîte carton de forme parallélépipédique dont les
dimensions sont voisines de 10 cm. Le couvercle peut accueillir des cartes de constellations. Elles sont percées avec une aiguille et représentent des constellations de l’hémisphère nord. Les points lumineux sont projetés au plafond (cf. annexe 3).
CONCLUSION
Ce travail expérimental n’en est qu’à ses débuts, mais il ouvre des perspectives intéressantes pour les collègues qui souhaiteraient revoir leurs TP d’optique qui ne donnaient
pas de très bons résultats à cause des faibles flux lumineux produits par des sources ponctuelles.
La mise en œuvre présentée est très sommaire, car elle est destinée à un public d’enseignants non spécialistes (professeurs des écoles). Les premiers essais et mesures montrent
que les conditions d’utilisation respectent le cahier des charges du constructeur.
Il conviendra d’ajouter en série aux DEL des résistances additionnelles afin de les
adapter aux sources d’alimentation classiques de nos laboratoires (12 V). À nos fers à
souder !
Loïc POULLAIN
Professeur de physique-chimie et technologie
IUFM de Bretagne
École interne de l’Université de Bretagne Occidentale
Site de Saint-Brieuc (Côtes-d’Armor)
Le Bup n° 922
319
Annexe 1
Masques RVB pour synthèse additive
Rouge
Vert
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Bleu
Loïc POULLAIN
320
Annexe 2
Comparaison avec la synthèse soustractive
Le Bup n° 922
321
Annexe 3
Le théâtre d’ombres et les couleurs
(maternelle : moyenne section et grande section)
L’écran est constitué d’un cadre (1,3 # 1,0 m) en carton ondulé posé sur le sol avec
deux rabats permettant facilement son maintien et son rangement. Il est évidé au centre
et remplacé par un papier fin collé (nappe papier ou papier pour patron couture). Sur
l’image, on distingue deux zones : l’une d’elles a été enduite d’huile de table pour
améliorer l’effet de dépoli.
Vue d’ensemble à l’avant.
Vue de l’arrière du « théâtre ».
Dispositif pour les fausses « ombres colorées ».
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Loïc POULLAIN
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Annexe 4
La boîte à lumière pour projection
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Approche expérimentale du rayonnement électromagnétique
émis par un téléphone portable
par Dominique OBERT
Lycée Victor Hugo - 25000 Besançon
[email protected]
RÉSUMÉ
Cet article vise à présenter quelques expériences en lien avec le rayonnement d’une
onde électromagnétique par un téléphone portable. Celles-ci permettent d’illustrer un
cours et peuvent être très facilement mises en œuvre par des élèves dans le cadre de
travaux personnels. Ce travail a été présenté lors d’un stage de formation destiné aux
professeurs de lycée et collège de l’académie de Besançon, intitulé « Physique par les
objets quotidiens ».
INTRODUCTION
La première partie traite de manière simple du protocole d’échange d’informations
en téléphonie mobile. Cette présentation, limitée au réseau GSM 900 (Global System for
Mobile communication), est facilement transférable au réseau DCS 1800 (Digital Cellular
System) actuellement très utilisé en milieu urbain (1).
La seconde partie présente des expériences qui, pour être bien comprises, seront
mises en perspective avec les principes décrits dans la première.
Enfin, une annexe complète l’ensemble en décrivant deux expériences mettant en
jeu un rayonnement d’ondes électromagnétiques.
1. QUELQUES PRINCIPES UTILISÉS EN TÉLÉPHONIE MOBILE
1.1. Un problème de rayonnement
L’échange d’informations entre le téléphone portable et l’antenne relais (2) se fait en
utilisant une onde électromagnétique (porteuse) que l’on module (3). La figure 1 présente
(1)
En général un opérateur utilise les deux bandes : une première autour de 900 MHz et une seconde autour
de 1800 MHz.
(2)
Une antenne relais couvre un certain domaine de l’espace appelé « cellule » ; la taille du territoire couvert
varie de quelques centaines de mètres à plusieurs kilomètres selon la densité de population.
(3)
Il s’agit d’une modulation de fréquence du type « tout ou rien ».
Vol. 104 - Mars 2010
Dominique OBERT
324
une photographie d’une antenne relais d’une station de base ; la hauteur typique d’un
élément étant le mètre.
Figure 1 : Antenne relais sur pylône.
La figure 2 présente les intervalles de fréquences des porteuses utilisées pour les
liaisons « montantes » (du téléphone portable vers l’antenne relais) et « descendantes »
(de l’antenne relais vers le téléphone portable).
Figure 2 : Liaisons mobile - station de base en GSM 900.
Chaque porteuse étant modulée, une largeur de 200 kHz est nécessaire donc deux
canaux sont « distants » de 200 kHz. Enfin pour une conversation donnée, si à un instant
donné le canal de fréquence f1 est utilisé pour la liaison montante, le canal f1 + 45 MHz
est utilisé pour la liaison descendante.
Approche expérimentale du rayonnement électromagnétique…
Le Bup n° 922
325
– Puissances des ondes électromagnétiques émises
La puissance maximale P d’émission d’un téléphone portable est de 2 W en
GSM 900 et de 1 W en DCS 1800 (4). En utilisant l’approximation des champs lointains,
on peut, à l’aide d’un bilan énergétique simple (5), donner l’ordre de grandeur de l’amplitude du champ électrique E en fonction de P :
On remarque que l’amplitude du champ électrique décroît comme l’inverse de la
distance à la source ce qui est une conséquence de la conservation de l’énergie.
La référence [1] présente des mesures expérimentales d’amplitudes de champs électriques rayonnés par des téléphones portables, conduites par un laboratoire de l’INRS
(Institut national de recherche et de sécurité). Pour la réglementation relative aux niveaux
d’exposition, on pourra consulter la référence [2].
1.2. Quelques indications sur le codage du signal
1.2.1. Numérisation
Les informations (voix, SMS…) sont transmises sous forme numérique et une porteuse
modulée occupe ainsi une largeur spectrale de 200 kHz.
1.2.2. Multiplexage temporel
Pour la liaison montante par exemple, un téléphone mobile utilise un canal constitué
d’une porteuse modulée en fréquence occupant ainsi une plage de 200 kHz et ceci
pendant un huitième du temps. Un intervalle de temps, appelé « time-slot », d’une durée
de 577 ms est réservé à la communication avec un téléphone portable donné, la porteuse
peut être partagée entre huit téléphones mobiles. La figure 3 (cf. page ci-après) illustre
(4)
Pour les stations de base, les puissances utilisées varient en fonction de la taille de la cellule que l’on désire
couvrir. Elles vont de quelques watts à une centaine de watts.
(5)
Pour justifier rapidement cette relation, on utilise la moyenne du flux du vecteur de Poynting à travers la
2
2
E
surface d’une sphère de rayon d centrée sur l’antenne : n c 4r d = P . Pour une évaluation plus précise,
o
on peut consulter les ouvrages des références [3] et [4].
Vol. 104 - Mars 2010
Dominique OBERT
326
le principe de ce « multiplexage temporel » (6) : le téléphone portable utilise, dans cet
exemple, le time-slot numéro 1 pour la liaison montante, les autres « time-slots » sont
donc disponibles pour d’autres communications.
Figure 3 : Multiplexage temporel.
L’existence de ce multiplexage temporel permettra de comprendre de nombreux
faits expérimentaux décrits ci-après.
1.3. Quelques problèmes spécifiques
1.3.1. Interférences
Les réflexions sur le sol et sur les bâtiments donnent lieu à des phénomènes d’interférences avec la création d’ondes stationnaires. Au voisinage d’un nœud de vibration,
l’amplitude du champ électrique est faible et la qualité de la réception mauvaise. La position d’un nœud dépendant de la fréquence de la porteuse, on peut, pour lutter contre
l’évanouissement des signaux résultant des interférences destructives, changer périodiquement la fréquence de la porteuse allouée à une communication donnée ; ce procédé
est nommé « saut de fréquence ». Il assure une transmission dont la qualité moyenne est
améliorée. On peut effectuer ainsi un cycle en utilisant successivement plusieurs
fréquences de porteuses (7) pour une même communication.
(6)
Pour davantage d’informations, on pourra consulter le document de la référence [5].
(7)
En zone urbaine très dense, on développe des installations « Dual band » utilisant les bandes du GSM 900
et DCS 1800 et plusieurs dizaines de porteuses.
Le Bup n° 922
327
1.3.2. Contrôle automatique de la puissance
Dans le but, d’une part, de limiter le rayonnement et, d’autre part, d’économiser la
batterie du téléphone portable, un dispositif ajuste toutes les quatre secondes environ le
niveau de la puissance instantanée émise. Ce mécanisme est appelé « contrôle automatique de la puissance » (8).
2. QUELQUES EXPÉRIENCES EN LIEN AVEC LA TÉLÉPHONIE MOBILE
2.1. Détection d’un appel à l’aide d’enceintes amplifiées
Une observation courante consiste à entendre des grésillements dans un haut-parleur
juste avant de recevoir un appel téléphonique. Cela illustre la délicate question de la
compatibilité électromagnétique, les phénomènes observés sont liés au multiplexage
temporel décrit dans le paragraphe 1.2.
Figure 4 : Détection d’un appel.
Expérience 1 : On place un téléphone portable au voisinage de deux enceintes
amplifiées sous tension et le volume au maximum. On appelle le portable et le bruit
diffusé par les enceintes précède le son émis par la sonnerie du téléphone.
2.2. Détection à l’aide d’une antenne et d’un voltmètre
On réalise le montage de la figure 5 (cf. page ci-après), il faut pour cela disposer
d’une antenne de détection qui comporte deux morceaux de fils de cuivre et une diode
HF (9).
(8)
La puissance d’émission peut varier ainsi de quelques dizaines de milliwatts à un ou deux watts.
(9)
L’antenne peut être constituée d’une simple diode HF reliée par deux fils à un voltmètre. La diode HF
permet de disposer d’un signal dont la valeur moyenne est non nulle. Si vous ne disposez pas d’une antenne
réceptrice dédiée aux ondes centimétriques, une diode au germanium (réf. : AA119 à moins de 2 €) permet
une excellente détection.
Vol. 104 - Mars 2010
Dominique OBERT
328
Figure 5 : Détection d’un appel à l’aide d’une antenne.
Expérience 2 : On appelle le portable à l’aide d’un autre téléphone, le pic de tension
observé précède la sonnerie. Par ailleurs, si l’on compose le numéro de sa messagerie,
on peut noter une diminution progressive du niveau de réception : c’est le « contrôle
automatique de la puissance ».
2.3. Détection utilisant une antenne et un système d’acquisition (10)
L’objectif est de préciser la forme du signal émis par le téléphone portable.
Expérience 3 : Pour cela on relie l’antenne du montage de l’expérience 2 à l’entrée analogique d’une carte d’acquisition configurée avec cent mille points de mesure
pour une durée totale d’acquisition de 5 s. On peut ainsi avoir accès au détail du signal.
On note que la partie « dense » du signal correspond aux « échanges » vocaux et que
l’amplitude du signal est de l’ordre de 1,5 V. La figure 6 donne une première représentation du signal obtenu en composant le numéro de sa messagerie.
Figure 6 : Tension aux bornes de l’antenne en fonction du temps.
Le Bup n° 922
329
On peut effectuer un premier zoom de la figure 6 pour visualiser la structure du
signal dans le domaine des « échanges » vocaux (en pointillés rouges). On obtient le
signal ci-dessous de la figure 7. On y voit nettement une période de 4,67 ms, ce qui est
voisin de la valeur attendue résultant du multiplexage temporel de période 4,615 ms.
Figure 7 : Tension aux bornes de l’antenne en fonction du temps : premier zoom.
On effectue alors un second zoom qui permet d’évaluer la durée d’un « time-slot » ;
durée à comparer avec la valeur attendue de 0,577 ms (11) (cf. figure 8 page ci-après).
2.4. Anisotropie de l’émission
Expérience 4 : On recommence l’acquisition d’un signal dans les conditions de l’expérience 3, en plaçant l’antenne de détection côté dos puis côté clavier. La photo de la
figure 9 (cf. page ci-après) présente le dispositif utilisé (12).
Les résultats des deux acquisitions sont donnés sur les figures 10a et 10b (cf. page
ci-après). Ils montrent clairement une émission réduite côté clavier.
(10) La carte d’acquisition utilisée est SYSAM-SP5 de chez EUROSMART avec le logiciel d’exploitation LATISPro.
(11) Il convient de souligner ici que la structure du signal contenu dans un « time-slot » est inaccessible en
raison de la bande passante très insuffisante du dispositif d’acquisition utilisé.
(12) Les manuels d’utilisation des téléphones portables précisent en général la position occupée par l’antenne
interne émettrice.
Vol. 104 - Mars 2010
Dominique OBERT
330
Figure 8 : Tension aux bornes de l’antenne en fonction du temps : deuxième zoom.
Figure 9 : Antenne placée coté clavier.
2.5. Contrôle automatique de la puissance
Expérience 5 : On recommence l’acquisition d’un signal dans les conditions de l’expérience 3 mais on visualise une séquence plus longue de l’ordre de 30 s. On compose
le numéro de sa messagerie et on laisse se dérouler « la conversation » (il n’y a qu’un
interlocuteur !). On constate que toutes les quatre secondes environ, le niveau du signal
émis est réduit : c’est « le contrôle automatique de la puissance ». Rappelons qu’il s’agit
à la fois de limiter le rayonnement et d’économiser la batterie.
Le Bup n° 922
Figure 10a : Antenne côté clavier.
331
Figure 10b : Antenne côté dos.
La figure 11 illustre la baisse du niveau d’émission d’un téléphone portable qui se
fait par paliers.
Figure 11 : Contrôle automatique de la puissance.
Expérience 6 : On reprend l’expérience 5, mais après une première réduction notable
du niveau du signal émis, on entoure le système « téléphone antenne » par « une cage de
Faraday » fabriquée à l’aide d’une boîte de carton recouverte par du papier d’aluminium.
On note alors une nouvelle augmentation du niveau du signal. La figure 12 (cf. page
ci-après) illustre ce phénomène : après la mise en place de la « cage de Faraday », l’amplitude du signal émis réaugmente.
Vol. 104 - Mars 2010
Dominique OBERT
332
Figure 12 : Contrôle automatique de la puissance : mise en place d’une « cage de Faraday ».
Figure 13 : Signal produit par trois téléphones portables.
Le Bup n° 922
333
2.6. Multiplexage temporel
Expérience 7 : On reprend les conditions expérimentales de l’expérience 2, mais en
ajoutant deux autres téléphones portables actifs. On effectue alors plusieurs zooms successifs de manière à bien visualiser la structure du signal résultant.
La figure 13 (cf. page ci-contre) montre une configuration où deux autres « timeslot » sont utilisés, bien entendu la séquence des changements de fréquence n’est pas
visualisable avec ce matériel.
OUVERTURE
Si l’on dispose d’un analyseur de spectres hautes fréquences, il est possible d’effectuer l’analyse du signal émis par un téléphone mobile. La section de technicien supérieur en électronique de mon lycée dispose d’un analyseur de 3 GHz. L’acquisition d’un
signal est délicate et l’analyse spectrale montre essentiellement les différentes porteuses
utilisées au cours de l’acquisition dont la durée la plus courte est de 80 ms.
CONCLUSION
Les ondes électromagnétiques sont de plus en plus présentes dans notre vie quotidienne. L’annexe à cet article présente deux autres expériences très simples, réalisées à
l’aide d’une lampe fluocompacte et d’un four à micro-ondes.
Au cours de ce type de travaux, les élèves ne résistent pas, et c’est heureux, à l’envie
d’interpeller l’enseignant sur les questions en lien avec l’exposition d’un organisme
vivant aux ondes électromagnétiques. Celui-ci n’est pas forcément à même d’apporter
des réponses.
Notons simplement que d’une part, il est indéniable que l’exposition de l’homme
aux ondes électromagnétiques a augmenté considérablement ces dernières décennies et
que d’autre part les usagers et les responsables de la santé publique s’interrogent légitimement sur l’impact de cette exposition sur la santé. Des études sont en cours pour tenter
d’établir d’éventuelles corrélations entre téléphonie mobile et cancer ; un article récemment publié dans le magazine La Recherche [6] souligne les difficultés méthodologiques
de ce type de travaux.
REMERCIEMENTS
Je remercie Thierry GUILLOT et Serge MONNIN, professeurs au lycée Victor Hugo de
Besançon pour leurs précieux conseils et Olivier RODIN, technicien, pour sa disponibilité
et pour l’aide qu’il m’a apportée lors de la mise en œuvre expérimentale.
Vol. 104 - Mars 2010
Dominique OBERT
334
BIBLIOGRAPHIE ET NETOGRAPHIE
[1] KLEIN R. « Rayonnement électromagnétique des téléphones portables ». Cahier de
notes documentaires, n° 176 (INRS).
Article disponible sur la base de données de l’INRS à l’adresse :
http://www.inrs.fr/htm/bases_de_donnees.html
[2] « Téléphones mobiles et station de base ».
Article disponible sur la base de données de l’INRS à l’adresse :
http://www.inrs.fr/htm/bases_de_donnees.html
[3] PÉREZ J.-Ph., CARLES R., FLECKINGER R. et LAGOUTE C. Électromagnétisme :
Fondements et applications. Paris : Dunod, 2001.
[4] COMBES P.-F. Micro-ondes - Volume 2 : Circuits passifs, propagation, antennes.
Paris : Dunod, 2001.
[5] TISAL J. Le réseau GSM. Paris : Dunod, 1997.
[6] DUVAL C. La Recherche. septembre 2009, n° 433.
Dominique OBERT
Professeur en CPGE
Lycée Victor Hugo
Besançon (Doubs)
Le Bup n° 922
335
Annexe
Rayonnement électromagnétique émis par une lampe fluocompacte
On peut montrer expérimentalement que les lampes fluocompactes produisent également un faible rayonnement électromagnétique.
L’expérience est décrite sur la figure 14, le capteur est une antenne qui est simplement placée au voisinage de la lampe fluocompacte. Une carte d’acquisition (13) permet
d’enregistrer le signal émis par l’antenne.
Figure 14 : Montage associant antenne et lampe fluocompacte.
On obtient le signal de la figure 15 (cf. page ci-après) qui montre après un pic de
rayonnement, une émission modérée, mais permanente (14). La même expérience conduite
avec une ampoule à incandescence ne donne lieu à aucune émission détectable avec ce
matériel.
Rayonnement électromagnétique émis lors du fonctionnement d’un four
à micro-ondes
Il s’agit d’une suite d’enregistrements qui visent à suivre un cycle de chauffage de
trente secondes environ. Le capteur est une antenne qui est simplement placée devant la
porte du four comme le suggère la figure 16 (cf. page ci-après). Le champ rayonné à l’extérieur du four est largement suffisant pour suivre le cycle de chauffe et ceci même avec
les fours à micro-ondes récents. L’antenne est reliée à une carte d’acquisition (cf.
note 13).
(13) La carte d’acquisition utilisée est SYSAM-SP5 de chez EUROSMART avec le logiciel d’exploitation LATISPro.
(14) Certains fabricants ont récemment mis sur le marché des lampes fluocompactes qu’ils présentent comme
n’émettant pas d’ondes électromagnétiques.
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Dominique OBERT
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Figure 15 : Signal produit par une lampe fluocompacte.
Figure 16 : Acquisition du signal produit par un four à micro-ondes.
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La figure 17 reproduit deux enregistrements pour deux puissances de chauffe différentes.
Figure 17a : Puissance « 7 ».
Figure 17b : Puissance « 9 ».
Figure 17 : Allure des signaux acquis.
On constate donc qu’à pleine puissance (« 9 »), le magnétron émet en continu. On
note ensuite que pour ajuster la puissance moyenne, on se contente de couper le fonctionnement du magnétron pendant une durée déterminée au cours du cycle, on ne joue
donc pas sur l’intensité émise par le magnétron, mais sur la durée de son fonctionnement.
Vol. 104 - Mars 2010
Dominique OBERT
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Où se trouve l’image formée par un miroir ?
par Thierry NICOLAS
Lycée Jules Guesde - 34000 Montpellier
[email protected]
RÉSUMÉ
Cette séance d’enseignement, conçue pour les heures de travaux pratiques, est la
première de la séquence d’optique en classe de première scientifique. Les stratégies d’enseignement sont variées ; elles alternent des phases de dialogue avec la classe et des
phases de travail en autonomie, en binômes ou individuellement. L’activité proposée aux
élèves permet de réinvestir les notions de base relatives à l’optique, étudiées au collège,
et la technique de visée utilisée en classe de seconde. Elle laisse aux élèves le temps de
proposer des démarches expérimentales diverses (même celles ne permettant pas de
répondre à la question). Les productions d’élèves illustrent les difficultés rencontrées
dans les activités de cette séance.
INTRODUCTION
Le programme de première scientifique dit : « On s’interroge tout d’abord sur les
conditions dans lesquelles un objet est vu. Dans les études du miroir plan et de la lentille
convergente, on commence par localiser les images perçues. On interprète ensuite le
résultat de cette localisation en s’interrogeant sur le trajet effectivement suivi par la
lumière. Puis on modélise ces phénomènes en construisant, sur une représentation de la
situation, des rayons lumineux. On écrit enfin les lois ou les relations rendant compte des
phénomènes observés » (extrait du BO n° 7, du 31 août 2000, hors série).
Les deux principaux objectifs visés par cette séance sont les deux savoir-faire : localiser expérimentalement une image et déterminer graphiquement la position de l’image
d’un point objet dans le cas d’un miroir plan.
1. STRUCTURE COMPLÈTE DE LA SÉANCE
1.1. Introduction : « Qu’évoque, pour vous, le mot optique ? »
Les élèves disposent de trois minutes de réflexion. Ils notent individuellement leurs
remarques sur une feuille. Ils se mettent donc directement au travail, le silence s’installe
rapidement. J’ai pris le parti de ne pas faire de longs rappels de connaissances et d’entrer le plus rapidement possible dans un questionnement.
Vol. 104 - Mars 2010
Thierry NICOLAS
340
Les élèves, à ma demande, lisent ce qu’ils ont noté et je consigne leurs réponses au
tableau. Cette stratégie d’enseignement, le frontal dialogué, me permet de faire une rapide
évaluation diagnostique de ce qu’ils ont en tête à propos de l’optique, venant de leurs
études antérieures ou de leur expérience personnelle. Je peux ainsi les aider à se remémorer quelques points fondamentaux utiles pour cette activité expérimentale (la lumière
issue d’un objet doit pénétrer dans l’œil pour qu’il soit vu, la lumière se propage en ligne
droite, le modèle du rayon lumineux, etc.). C’est aussi l’occasion d’introduire l’optique
géométrique et son approche différente de l’optique ondulatoire étudiée en seconde.
1.2. Le questionnement :
« Où se trouve l’image d’un l’objet dans un miroir plan ? »
Étape 1 : Dialogue dans la classe, recueil des propositions
En restant dans une stratégie de dialogue frontal, j’invite les élèves à donner une
réponse à cette question et nous faisons ensemble le recensement des diverses propositions. Ils ne sont pas d’accord entre eux et essayent de défendre leur idée. Deux idées
principales s’opposent : ceux qui pensent que l’image est derrière le miroir et ceux qui
sont convaincus qu’elle se trouve sur le miroir !
Étape 2 : Que faire pour convaincre ?
Je pose ensuite la question : « Quel protocole expérimental proposez-vous pour vérifier vos affirmations ? ». Il est rare qu’un élève propose la technique de visée. Je demande
à un élève de viser un point tracé au tableau et d’expliciter ce que cela signifie. C’est
une question difficile qui interpelle toujours les élèves. Je fais allusion aux visées réalisées en seconde (alignement de trois points) et j’insiste sur les notions rappelées précédemment (l’œil récepteur de lumière, la propagation rectiligne, le rayon lumineux). Je
reste dans les généralités, sans donner le protocole de la visée de l’image dans le cas du
miroir.
1.3. Activité expérimentale en autonomie
C’est seulement maintenant que le matériel est distribué aux élèves : un miroir plan,
une petite vis à tête plate (objet), des épingles, une feuille A3, une planche de dimension
un peu plus grande que la feuille et une règle de 40 cm (cf. photo 1, annexe 1).
Le miroir plan est posé verticalement sur la feuille blanche, sans indication de position. La petite vis est assimilée à un objet ponctuel (S).
La consigne donnée est : « Tracer trois rayons lumineux issus de l’image (S’) de
(S) ». C’est une tâche complexe, j’apporte une aide progressive suivant l’avancement du
travail de chaque binôme, tout en les laissant faire certaines erreurs qui seront exploitables dans l’analyse commune.
Le Bup n° 922
341
Pour les groupes qui ont terminé avant les autres, je pose individuellement la question : « Quelles sont les caractéristiques de cette image ? ». Je les invite à replacer le
miroir dans une autre position et à regarder un objet dissymétrique.
1.4. Analyse dialoguée des résultats expérimentaux
Les feuilles A3 sont affichées au tableau et commentées par chaque groupe. Un
dialogue s’installe, et très vite une conclusion commune est élaborée concernant la position de l’image : sans contestation, tous acceptent que l’image soit derrière le miroir.
On aborde aussi, à cette occasion, le rôle du cerveau dans la perception visuelle :
les rayons lumineux issus de S semblent venir de S’. Je pose alors la question : « Quelles
sont les caractéristiques de cette image ? ».
Mon objectif est de préparer le TP suivant sur les lentilles convergentes et d’interpeller les élèves sur les notions de grandissement et de renversement. C’est aussi l’occasion de constater que l’image n’est pas toujours superposable à l’objet. On se réfère à
quelques situations de la vie quotidienne, comme par exemple, les textes vus dans le
rétroviseur d’une voiture.
1.5. Un peu de cours, réflexion sur un miroir
La synthèse des résultats me permet d’énoncer la loi de Descartes relative à la réflexion :
construction de la normale au miroir, image obtenue par symétrie par rapport au miroir
plan, égalité des angles d’incidence et de réflexion.
1.6. Exercice de réinvestissement : visibilité d’un point
dans un miroir
En fin de séance, un document est distribué, les élèves doivent travailler individuellement. À partir du schéma fourni, il s’agit de réfléchir à la visibilité de deux objets
ponctuels dans un miroir plan, pour une position donnée de l’œil (cf. annexe 3).
Cet exercice est à terminer à la maison pour le cours suivant, la correction n’est pas
faite en classe. J’invite aussi les élèves à déterminer le champ du miroir pour cette position donnée de l’œil.
2. ANALYSE DES PRODUCTIONS DES ÉLÈVES
C’est en proposant aux élèves une démarche d’investigation que j’ai réalisé à quel
point cette activité expérimentale était porteuse de nouveaux savoirs. Il s’agit pour eux
de proposer un protocole en faisant appel à des notions souvent très confuses.
Sans qu’ils s’en rendent compte, leur démarche est parfois en contradiction avec ce
qu’ils savent. Les productions des élèves, commentées en annexe, en sont une illustration flagrante. Les représentations initiales erronées ont la vie dure.
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Thierry NICOLAS
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2.1. Protocoles expérimentaux (cf. photos 2 et 3, annexe 1)
Beaucoup d’élèves éprouvent des difficultés à effectuer une visée correcte de l’image.
Ils commencent le plus souvent par viser l’objet. Il faut rappeler alors individuellement
la consigne : « Viser l’image » (cf. photo 2, annexe 1). Les deux autres étapes à franchir
sont mises en œuvre progressivement avec chaque groupe : nécessité de viser avec trois
épingles pour avoir une bonne précision sur l’alignement, et surtout nécessité de se placer
en des endroits différents. Quand je le juge opportun, j’enlève le miroir et je demande au
binôme de tracer les droites correspondant aux visées pour conclure quant à la position
de l’image (cf. photo 3, annexe 1). Ceux qui étaient « convaincus » que l’image se trouvait sur le miroir, sont amenés à tirer une conclusion différente de leur opinion en analysant leur construction.
2.2. Tracés géométriques (cf. photos annexe 2)
La production 1 met en évidence que les élèves se précipitent sans trop réfléchir.
Certes, deux droites se coupent toujours en un point, mais ce travail ne montre pas le
positionnement de l’image. Certains élèves manquent de soin dans les manipulations. Ne
donne-t-on pas de mauvaises habitudes aux élèves en leur demandant souvent de faire
vite ? Dans ce TP, si on veut être convaincant, le soin et la précision sont de rigueur.
La production 2 est une production d’un groupe plus lent et qui a mis un certain
temps à trouver le rayon issu de la vis et qui pénètre dans l’œil.
La production 3 est le résultat du travail effectué progressivement par un binôme
(ce n’est pas celle qui a été affichée et commentée lors du premier bilan commun visant
à trouver l’image).
2.3. Visibilité d’un point dans un miroir (cf. photos annexe 3)
Le schéma distribué représente la trace d’un miroir plan, deux objets ponctuels A et
B et l’œil (O) d’un observateur. Question : A et B sont-ils visibles par l’observateur ?
Justifier en proposant une construction géométrique.
La construction 1, réalisée en fin de séance semble complètement hors sujet. En y
réfléchissant, je me demande si le tracé de la normale au miroir n’a pas été induit par le
rapide énoncé, théorique et classique, de la loi de Descartes relative au miroir plan. Peutêtre faut-il attendre le cours suivant pour donner cet énoncé et s’en tenir à la notion
d’image (déjà compliquée) ?
La construction 2, produite par un autre élève, montre que sa conception de la vision
n’a pas évoluée ! Les tracés proposés illustrent la confusion entre direction du regard et
sens de propagation de la lumière.
Sur la construction 3, on constate que l’élève a bien investi les notions de la séance
dans le cas de l’objet A. Qu’en est-il de B ? Pour construire son symétrique B′, n’a-t-il
pas pensé à prolonger la direction du miroir ?
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Pour la construction 4, je n’ai pu suivre son élaboration. Le fait de demander aux
élèves de chercher à la maison le champ du miroir pour cette position de l’œil, a peutêtre influencé cet élève. Pas facile de donner des consignes quand les élèves travaillent
en autonomie !
Cet exercice montre que, bien sûr, la notion d’image dans le cas du miroir plan est
loin d’être acquise.
CONCLUSION
Cette séance a été construite à partir des documents d’accompagnement de première S.
Je l’ai adaptée à la classe. Mis en situation de démarche d’investigation, la plupart des
élèves a manifesté son intérêt à confronter ses idées à l’expérience… et à réaliser que
leur idée initiale n’était pas toujours la bonne. La partie expérimentale s’est déroulée de
manière différenciée pour chaque binôme, chacun avançant à son rythme. L’exercice de
fin de séance a permis de réinvestir tout de suite les nouveaux savoirs. Il révèle à certains
élèves que la compréhension d’une situation neuve, à l’aide de nouveaux outils, est un
long cheminement. Les efforts d’assimilation et de mémorisation devront suivre.
Thierry NICOLAS
Professeur de sciences physiques
Lycée Jules Guesde
Montpellier (Hérault)
Vol. 104 - Mars 2010
Thierry NICOLAS
344
Annexe 1
Situation expérimentale
Photo 1 : Le matériel.
Photo 2 : Il faut viser l’image de l’objet !
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Photo 3 : L’image est derrière le miroir.
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Thierry NICOLAS
346
Annexe 2
Constructions géométriques
Document 1 : Maladresse et insuffisance !
Document 2 : Le rayon est réfléchi.
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Document 3 : Bravo !
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Thierry NICOLAS
348
Annexe 3
Exercice de réinvestissement
Construction 1 : Tracé hors sujet.
Construction 2 : Argumentation erronée.
Le Bup n° 922
349
Construction 3 : Précis, mais qu’en est-il de B ?
Construction 4 : Curieux champ !
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Thierry NICOLAS
351
Un chimiste peu connu :
Alfred Nobel
par Alfred MAthis
Lycée Jean Rostand - 67000 Strasbourg
[email protected]
RÉSUMÉ
Alfred NObEl était un inventeur génial qui a consacré sa vie aux explosifs et à la
façon de les utiliser au mieux ce qui lui permettra de devenir très riche. Sans hésiter, il
décida de léguer sa fortune à une fondation qui gère la partie financière des prix Nobel.
1. LES DÉBUTS DE L’ACTIVITÉ D’ALFRED NOBEL
Alfred NobeL vit le jour le 21 août 1833 à Stockholm en Suède comme fils d’un
ingénieur. en 1842, la famille qui avait des problèmes financiers émigra et s’installa à
Saint-Pétersbourg en Russie. Alfred NobeL était doué pour les langues et maîtrisait outre
le suédois, l’allemand, le russe, l’anglais et le français. Il n’a jamais été à l’école publique,
mais a toujours été instruit par des précepteurs particuliers. Parmi ces derniers, on peut
citer le russe Nikolaj ZININ qui synthétisa le premier l’aniline C 6 H 5 NH 2 (amino
benzène) ce qui est rappelé par le timbre russe de la figure 1.
Figure 1 : Portait de Nikolaj ZININ et formule de l’aniline.
À l’âge de dix-sept ans, donc en 1850, Alfred NobeL entreprend un périple à travers
toute l’europe et les États-Unis d’Amérique. C’est ainsi qu’il commença en 1850, à
Paris, des études de chimie. en Italie, il fit la connaissance d’Ascanio SoRbReRo qui
avait, en 1846, découvert le trinitroglycérol, appelé alors l’huile explosive CH 2ONO 2 CHONO 2 - CH 2ONO 2 . Ce n’est donc pas Alfred NobeL qui a découvert le nitroglycérol
comme on peut parfois le lire.
Vol. 104 - Mars 2010
Alfred MATHIS
352
HISTOIRE DES SCIENCES
2. ALFRED NOBEL ET LA DYNAMITE
en 1860, NobeL était de retour à Stockholm et ne cessa dès lors de se consacrer au
nitroglycérol. La manipulation de ce liquide huileux incolore posait problème. S’il brûle
sans danger particulier, il n’en est pas de même s’il est soumis à un choc, car alors il se
décompose de façon explosive. Alfred NobeL découvrit, après un grand nombre d’essais,
que le fulminate de mercure est la substance la plus apte pour initier l’explosion de nitroglycérol. en annexe, on trouvera quelques informations sur le fulminate de mercure
découvert en 1690. en effet, le fulminate de mercure a la propriété de se décomposer,
sous l’action d’un frottement, d’un choc ou d’une élévation de température (flamme +
mèche pour opérer à distance)
en 1864 pouvait être inaugurée la première usine de fabrication de nitroglycérol à
Stockholm. Malheureusement, la même année, une des usines de fabrication du nitroglycérol explosa ce qui fît cinq victimes, dont le frère cadet, emil, d’Alfred NobeL.
À l’âge de trente-deux ans, en 1865, Alfred NobeL s’installa à Hambourg dans le
nord de l’Allemagne, où il fit une de ses plus importantes découvertes. Il constata que le
Kieselguhr (un silicate de calcium) pouvait stabiliser le nitroglycérol. Il n’explosait alors
plus au moindre choc. on peut à ce sujet se rappeler le film « Le salaire de la peur ».
Il venait donc de découvrir ce qu’il appela la dynamite qui était alors constituée de
75 % (masse) de trinitroglycérol et de 25 % (masse) de Kieselguhr. bien évidemment, il
déposa le brevet correspondant. en 1873, il y avait dix-sept usines de fabrication de
dynamite réparties dans douze pays. Dès 1880, la dynamite était l’explosif le plus vendu
au monde et son inventeur était devenu un des hommes les plus riches de son époque.
Par la suite, Alfred NobeL séjourna de nouveau à Paris où il fît aussi quelques
découvertes telles que la mise au point du mélange nitrocellulose - trinitroglycérol. Ce
mélange n’était pas seulement plus efficace que la dynamite, mais aussi insensible à l’eau
ce qui rendait son utilisation plus facile
3. RÉFLEXIONS SUR LES EXPLOSIFS
L’utilisation d’explosifs, tels que ceux mis au point par NobeL, a des aspects positifs, mais aussi négatifs. Il est indéniable que grâce aux explosifs le travail des mineurs
est rendu moins pénible et en même temps il y a augmentation de la productivité. Les
explosifs permettent aussi de rendre les constructions de routes ou de tunnel plus facile.
on les trouve aussi, mélangés à d’autres produits chimiques, dans les applications pyrotechniques.
Mais dans les explosifs se cache une grande énergie de destruction qui peut être
utilisée contre l’humanité par l’intermédiaire des diverses armes à feu. Il est donc normal
de rencontrer parfois la question de la responsabilité morale de l’inventeur de ces explosifs.
Un chimiste peu connu : Alfred Nobel
le bup n° 922
353
Au soir de sa vie Alfred NobeL se rendit compte justement que ses inventions
avaient aussi apporté avec elles la mort et des destructions. C’est pourquoi il rédigea, en
1895, son testament en ces termes :
« …Ma fortune doit servir à créer un fonds dont les intérêts annuels permettront d’attribuer des prix à ceux qui ont, pendant l’année écoulée, rendu le plus de service à l’humanité. les intérêts seront divisés en cinq parties égales pour honorer des travaux dans
les domaines de :
– la physique ;
– la chimie ;
– la physiologie ou médecine ;
– la littérature ;
– la réconciliation des peuples, la réduction des forces armées ou la tenue de congrès
servant la paix dans le monde.
C’est ma volonté expresse qu’il ne soit en aucun cas tenu compte de la nationalité des
personnes… ».
Ces cinq prix correspondent bien aux centres d’intérêt d’Alfred NobeL. Il avait
consacré sa vie à la chimie et à la physique. La médecine était pour lui la science la plus
importante pour l’humanité. Jeune, Alfred NobeL avait, pendant un certain temps, voulu
devenir écrivain d’où son intérêt pour la littérature. De part ses très bons contacts avec
berta von SUTTNeR, femme pacifiste autrichienne, vient l’idée du prix pour la paix [1-2].
Le 10 décembre 1896, Alfred NobeL mourût à l’âge de soixante-trois ans à San
Remo en Italie. Il n’avait pas d’héritier.
La figure 2 montre l’inventeur Alfred NobeL devant le début de son testament sur
un timbre suédois.
Figure 2 : Alfred NobeL et son testament.
Dans son testament NobeL précisa également quelles institutions devaient décerner
les prix. Ainsi :
– l’Académie Royale de Suède, créée en 1739, décernera le prix pour la physique et pour
la chimie ;
– l’Institut Karolinska de Stockholm celui de médecine ;
– pour la littérature ce sera l’Académie de Suède ;
Vol. 104 - Mars 2010
Alfred MATHIS
4. LE TESTAMENT D’ALFRED NOBEL
354
– enfin une commission indépendante, nommée par le parlement norvégien, décidera du
prix pour la paix.
CONCLUSION
Les prix Nobel sont ainsi décernés depuis 1901. Pendant les années de guerre 19401942, ils n’ont pas été décernés.
Le prix Nobel d’économie ne verra le jour qu’en 1969. on peut également remarquer l’absence d’un prix pour les mathématiques. Différentes hypothèses sont avancées
pour ce fait. Peut-être Alfred NobeL ne voyait-il pas d’applications concrètes et profitables à l’humanité de cette science.
BIBLIOGRAPHIE
[1] Molecool, 2009, n° 14, p. 8.
[2] LeVY I. le dictionnaire des prix Nobel. Édition Josette Lyon, 1996.
[3] FRIeDRICH H. Praxis der Naturwissenschaten Chemie, 2009, 1/58, p. 4.
Alfred MATHIS
Professeur de physique-chimie
Lycée Jean Rostand
Strasbourg (Bas-Rhin)
Un chimiste peu connu : Alfred Nobel
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355
Annexe
Lefulminatedemercure
Le fulminate de mercure a été obtenu en 1690 par Johann KUNCKeL par action du
nitrate de mercure Hg^NO 3h2 sur de l’éthanol CH 3CH 2OH .
Plus de trois cents ans après cette découverte des chercheurs de l’université de
Munich ont élucidé, par diffraction de rayons X, la structure de ce produit [3] :
® formule Hg (CNO) 2 ;
® molécule à peu près linéaire de formule développée :
Vol. 104 - Mars 2010
Alfred MATHIS
357
Sigaud de Lafond,
maître dans l’enseignement expérimental
au siècle des Lumières
par Sébastien BOURDREUX
Lycée Léonard de Vinci - 37400 Amboise
[email protected]
Jacques CATTELIN
Collège Rabelais - 37000 Tours
[email protected]
et Christelle LANGRAND
Lycée Marguerite de Navarre - 18000 Bourges
[email protected]
RÉSUMÉ
SIgaUD DE LaFOND (1730-1810) a amélioré la machine électrique, synthétisé l’eau
avec MaCQUER. Il a beaucoup écrit – vingt-deux ouvrages. Il n’a cessé de prôner la
démarche expérimentale et l’utilisation des mathématiques au service de l’enseignement
des sciences expérimentales. Il a enseigné à Paris puis à Bourges, sa ville natale. Une
quinzaine de ses instruments miraculeusement conservés au lycée alain-Fournier de
Bourges sont exposés à la médiathèque du 10 février au 2 avril 2010. Trois de ses instruments soulignent les objectifs de ce pédagogue si moderne : le double cône, le pyromètre
à cadran et les pistolets de Volta. La collection du lycée riche de plus de deux cents
instruments du xIxe siècle a été rassemblée et mise en valeur grâce aux efforts de quelques
passionnés. L’aSEISTE (association de sauvegarde et d’étude des instruments scientifiques et techniques de l’enseignement) et Monsieur gIRES aident à promouvoir ces initiatives et conseillent quant à la restauration des objets.
Une exposition sur SigAUD DE LAfOND, illustrée par de magnifiques instruments de
physique se tient à la médiathèque de Bourges du 10 février au 2 avril 2010. Les instruments présentés proviennent d’une collection d’une quinzaine d’instruments des XViiie et
tout début XiXe siècles conservés au musée « Sigaud de Lafond », dans l’enceinte du
lycée Alain-fournier à Bourges. Cet établissement abrite aussi plus de deux cents instruments de physique des XiXe et début XXe siècles. Une biographie plus complète, basée sur
les archives conservées à Bourges et à Paris est disponible sur le site :
http://www.sigauddelafond.fr
Les instruments de la collection y sont également décrits.
Vol. 104 - Mars 2010
Sébastien BOURDREUX…
358
Cet article se propose de retracer brièvement la vie bien riche de ce Berruyer hors
du commun, de présenter sa pédagogie en étudiant quelques-uns de ses instruments, puis
de voir quelles questions posent une telle collection dans un établissement scolaire.
1. JOSEPH-AIGNAN SIGAUD DE LAFOND (1730-1810)
1.1. Une vie vouée à la physique
Après ses études au collège Sainte-Marie tenu
par les Jésuites à Bourges, SigAUD s’installe à Paris.
il est répétiteur au collège Louis-le-grand et assiste
aux cours de l’Abbé NOLLET. il accompagne son
maître dans les salons parisiens et découvre sa
vocation : la physique et surtout l’électricité. il
apporte d’ailleurs quelques améliorations aux
machines électriques. Son neveu, Rouland, l’aide
en fabriquant des instruments qu’ils vendent
notamment à Bourges et à Dijon (collège des
godrans). Lorsque son cabinet est suffisamment
fourni, il donne des cours particuliers chez lui.
il publie également ses travaux et ses cours
dans plusieurs ouvrages comme ses Leçons de
Joseph-Aignan SigAUD DE LAfOND
physique expérimentale (1767) ou encore son
Crédit photo : M. BaRDELOT.
Traité de l’électricité (1771) et Description et
usage d’un cabinet de physique expérimentale (1775).
En 1776, MACqUER et SigAUD synthétisent de l’eau à partir de dihydrogène, de
dioxygène et d’une étincelle. Cette expérience capitale prouve que l’eau n’est pas un
élément premier. Sept ans après, LAVOiSiER améliore considérablement cette expérience
et devient ainsi le « père de la chimie moderne ». En 1779, SigAUD revient au collège de
Bourges dirigé par les Pères Doctrinaires en tant que professeur de physique expérimentale. La ville de Bourges investit près de dix mille livres dans l’achat d’instruments
commandés, entre autres chez son neveu, ainsi que dans la restauration d’une maison
d’habitation et du cabinet de physique du collège. En 1781 sont publiés les quatre volumes
de son Dictionnaire de physique. Peu avant la Révolution, il écrit trois ouvrages traitant
de la morale et des religions. En 1786, la situation financière du collège est toujours aussi
désastreuse depuis l’expulsion des Jésuites. SigAUD traverse les troubles de la Révolution
non sans peine ni frayeurs. En 1792, le Collège Royal devient École Centrale. Professeur
admiré et pédagogue respecté, SigAUD enseigne la physique et la chimie expérimentales.
En 1802, il publie son dernier ouvrage – L’électricité médicale – consacré aux applications de l’électricité en médecine. En 1804, il est nommé premier proviseur du lycée de
Bourges ; il quitte cette fonction en 1808 à l’âge de soixante-dix-huit ans. Le 26 janvier
1810, SigAUD décède tout près de son cabinet et de ses salles de cours.
Sigaud de Lafond, maître dans l’enseignement expérimental…
Le Bup n° 922
359
il écrivit une vingtaine d’ouvrages dont un fut traduit en allemand, d’autres en
anglais et en espagnol. Ses travaux sur l’électricité médicale furent repris notamment par
LAENNEC, et ses instruments améliorés.
Figure 1 : Première page de Description et usage d’un cabinet de physique expérimentale,
édition de 1784
Malgré plusieurs demandes, SigAUD n’a pas été admis à l’Académie royale des
sciences de Paris, mais en était l’un des membres associés. En revanche, il appartenait à
la tout aussi prestigieuse Académie royale de Montpellier. Sa renommée fut internationale puisqu’il fut membre de plusieurs Académies, dont celle de florence, de Valladolid
et de Saint-Pétersbourg. Expérimentateur doué, pédagogue hors pair, il fut très estimé par
ses contemporains, tel AMPèRE. En témoigne un extrait de la lettre d’AMPèRE à son
épouse, Julie CARRON, le 19 février 1802 : « Fais-moi le plaisir d’acheter et de m’envoyer
le plus tôt possible l’ouvrage intitulé : Description et usage d’un cabinet de physique,
par SIgaUD DE LaFOND. Rien n’est plus important pour moi » (1).
2. LES INSTRUMENTS AU SERVICE DE L’ENSEIGNEMENT
2.1. Une pédagogie très moderne
Tous ces instruments étaient utilisés lors des cours et on peut imaginer que les
élèves étaient invités à les manipuler. En effet, dès la moitié du XViiie siècle, les pédagogues s’interrogent sur la manière d’intéresser les élèves. ils encouragent les enseignants à commencer leurs leçons par des exemples de la vie quotidienne, à rendre leurs
cours plus interactifs, à faire participer leurs élèves, à leur montrer des expériences. Mais
les machines de démonstration sont onéreuses et nombre d’établissements ne peuvent se
les offrir. C’est pourquoi à partir de 1792, les collections des riches émigrés ont-elles été
inventoriées puis distribuées aux écoles centrales et écoles supérieures.
SigAUD DE LAfOND a amélioré des instruments proposés par NOLLET. La région
Centre possède d’ailleurs un cabinet d’instruments réalisés selon les plans de NOLLET et
exposé à l’hôtel gouïn (2) à Tours (Le musée est actuellement fermé pour travaux).
SigAUD
DE
LAfOND a pour premier objectif de rendre les expériences démonstra-
(1)
http://www.ampere.cnrs.fr
(2)
http://www.ac-orleans-tours.fr/physique/doccol/gouin/index.htm
Vol. 104 - Mars 2010
1.2. Sigaud de Lafond, un pédagogue reconnu
360
tives. il choisit des machines dont l’esthétique est très soignée. Par exemple, cette gouttière cycloïdale est décorée de motifs floraux, réalisés à la feuille d’or.
Figure 2 : Appareil propre à démontrer les propriétés de la cycloïde
Crédit photo : S. BOURDREUx, J. CaTTELIN et C. LaNgRaND.
Lors de ses expériences de cours, SigAUD veut étonner son auditoire et l’amener
ainsi à se poser des questions. Les deux expériences les plus démonstratives de mécanique
sont très certainement celles du double cône et du cylindre lesté. SigAUD ne manque pas
de montrer comment synthétiser l’eau dans un pistolet de Volta. Son pyromètre à cadran
est également très pédagogique puisque les observations sont visibles par un large auditoire.
2.2. Quelques instruments
2.2.1. Le double cône
Lorsqu’on dépose le double cône en bas des tablettes, il remonte. Ce comportement
est à l’opposé de ce qu’on aurait pu espérer puisqu’un objet lâché tombe. Cette expérience est d’autant plus remarquable qu’elle est visuelle, déconcertante au premier abord
et surtout simple à mettre en œuvre. On peut facilement imaginer comment le professeur
peut l’exploiter : en effet, les élèves observent, s’interrogent, émettent des hypothèses
pour expliquer le phénomène ; l’enseignant leur fournit des outils (définitions, principes) ;
les élèves sont alors aptes à valider ou infirmer leurs hypothèses et ainsi interpréter le
phénomène et conclure. Cette démarche dite d’investigation est plus que jamais d’actualité dans l’enseignement des sciences expérimentales. Une situation-problème les fait réfléchir, expérimenter, apprendre de nouvelles notions puis conclure.
Notre auteur propose de simplement vérifier à l’aide d’une règle que « le centre de
gravité de ce corps descend constamment entre ses tablettes, quoique la totalité du corps
monte effectivement de toute la hauteur du plan incliné » (Description et usage d’un
cabinet de physique expérimentale, tome i, page 219 et planche Xii).
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361
Figure 3a : Double cône conservé au lycée
Alain-fournier.
Crédit photo : C. LaNgRaND.
Figure 3b : gravure extraite de Description et usage
d’un cabinet de physique expérimentale, 1784, t 1,
planche Xii.
2.2.2. Le pyromètre à cadran
Cet appareil sert à mesurer l’allongement d’une tige métallique qui se dilate sous
l’effet d’une augmentation de température. Les mesures sont lues sur le cadran dont les
aiguilles sont entraînées par un système d’engrenages solidaire de la tige chauffée. Outre
sa précision, ce pyromètre est remarquable par son caractère pédagogique : en effet, le
large cadran est visible par un grand nombre d’élèves et le système d’engrenage était
volontairement visible.
Figure 4 : Pyromètre à cadran conservé au lycée Alain-fournier.
Vol. 104 - Mars 2010
362
2.2.3. Le pistolet de Volta
Le pistolet de Volta est une petite bouteille en métal que l’on peut remplir d’un
mélange gazeux détonant. Une étincelle, éclatant entre la boule intérieure et la paroi, provoque l’explosion du mélange gazeux et l’expulsion violente et sonore du bouchon.
Figure 5 : Pistolet de Volta conservé au lycée Alain-fournier.
3. POUR UNE COLLECTION VIVANTE
3.1. L’exemple du lycée Alain-Fournier
Les instruments du XViiie siècle qui nous sont heureusement parvenus sont rares. ils
sont conservés au lycée Alain-fournier et classés aux Monuments historiques. L’exposition qui a lieu du 10 février au 2 avril 2010 à la médiathèque de Bourges se veut ouverte
au plus grand nombre. Des activités spécialement conçues par niveau pour les scolaires
sont proposées. Pour les primaires, l’animation dure une heure entre la visite de l’exposition et un atelier autour de la réplique du double cône. Les enfants sont invités à manipuler, observer, écrire un protocole ainsi que leurs conclusions dans des livrets. Des jeux
autour de SigAUD et des instruments permettent aux enfants – ainsi qu’à leur professeur
et leurs parents – de poursuivre cette découverte. Les élèves du secondaire visitent l’exposition et sont invités à réfléchir sur des expériences de mécanique, d’optique, d’électricité statique. Certains samedis après-midi sont également consacrés à des ateliers
Le Bup n° 922
363
« jeune public » ou « tout public » suivant les dates. Les participants sont invités à manipuler au moins deux répliques (double cône et vis d’Archimède ou cycloïde).
3.2. De la nécessité d’introduire de l’histoire des sciences
La curiosité des élèves pour l’histoire des sciences est bien réelle. Même si notre
formation initiale n’incluait pas d’histoire des sciences, il est important de nous pencher
sur les cheminements du passé, les erreurs, les difficultés pour expérimenter. il faut valoriser les collections d’instruments que l’on ne doit pas se contenter de conserver dans des
vitrines comme des objets morts. Afin de mieux appréhender les phénomènes physiques,
les élèves peuvent, par exemple, reproduire des expériences grâce à des répliques.
quand une collection comprend des objets de grande valeur et rares, témoins du
passé, il est exclu de les manipuler à cause des risques d’usure ou de détérioration ; mais
il est possible de les faire vivre aussi avec les techniques modernes. Des vidéos peuvent
en montrer le fonctionnement et les effets, expression utilisée par SigAUD DE LAfOND
dans ses livres, et la réalisation d’un site internet permet de faire partager au plus grand
nombre les connaissances sur les cabinets de physique de cette époque. Le site
« Ampère » du CNRS (cf. note 1) est un très bon exemple de ce que peut apporter
internet : la reconstitution d’expériences filmées avec du matériel d’époque, la mise à
disposition d’un grand nombre de gravures et de textes d’archives. Le site plus modeste
réalisé pour la collection de Bourges (3) est basé sur les mêmes principes.
Figure 6 : Musée « Sigaud de Lafond » au musée Alain-fournier à Bourges.
Crédit photo : H. BOUVET © Région Centre inventaire général - aDagP (2009).
(3)
http://www.sigauddelafond.fr
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364
La collection du lycée Alain-fournier a été protégée par un passionné, Monsieur
MORÉNO, intendant du lycée qui a sorti des caves, regroupé, nettoyé et obtenu le classement du cabinet. Une salle du lycée a été consacrée à cette collection.
3.3. La préservation des collections dans les établissements scolaires
De nombreux établissements français (collèges, lycées, universités…) possèdent des
instruments anciens qu’il faut préserver. Une mission nationale de sauvegarde et de mise
en valeur du patrimoine scientifique des lycées a été confiée par le ministère de l’Éducation nationale à francis giRES, vice-président fondateur de l’ASEiSTE. Une circulaire
demande à tous les chefs d’établissements possédant de tels patrimoines de contacter ce
dernier (4) pour d’abord inventorier toutes les collections des plus riches au plus modestes.
Se pose ensuite le problème du lieu d’exposition. On peut constituer des musées comme
celui du Conservatoire national des arts et métiers (CNAM) (5), mais aussi en province
comme le musée de l’éducation de Niort (6). Une autre possibilité est de profiter de réhabilitations pour prévoir un espace d’exposition au sein même des établissements. Les
établissements scolaires sont ainsi valorisés et non dépouillés. C’est ce que réalise le
conseil régional Aquitaine, par exemple, au lycée Bertran-de-Born de Périgueux au sein
duquel ouvrira en 2011 un musée de 180 m2 ouvert au public.
Nous sommes membres de l’ASEiSTE. Vous pourrez contacter cette association, à
partir du 13 mars 2010, sur son nouveau site (7) où seront progressivement mis en ligne,
en accord avec la DgESCO (Direction générale de l’enseignement scolaire), le patrimoine scientifique des lycées et collèges, des vidéos ainsi que des ouvrages (8) sur ces
instruments réalisés par l’association.
3.4. La restauration des instruments anciens
Les instruments anciens nous posent une autre question : comment les restaurer et
qui doit les restaurer ? Est-ce un physicien qui s’intéresse d’abord à leur fonctionnement
ou un restaurateur d’objets d’art qui s’intéresse d’abord à leur côté esthétique ? il s’impose que cela nécessite un double regard. Jusqu’à maintenant, en dehors de grands musées
comme celui du CNAM, ce sont essentiellement des passionnés qui ont assuré la préservation de ces objets et on doit les remercier. En revanche, certains nettoyages un peu
agressifs, certains bricolages qui ont altéré ces objets, devraient maintenant pouvoir être
évités avec l’intervention de restaurateurs formés à ce domaine particulier. Les professeurs
(4)
[email protected]
(5)
http://www.arts-et-metiers.net/
(6)
http://www.agglo-niort.fr/spip.php?rubrique98
(7)
http://www.aseiste.org
(8)
Physique côté cours, Physique impériale, L’Empire de la physique.
Le Bup n° 922
365
de la section de restauration des œuvres sculptées de l’École supérieure des Beaux Arts
de Tours amenés à faire restaurer à leurs élèves des fossiles (9) ou des écorchés les qualifient d’objet d’étude. Ce terme peut aussi s’appliquer aux instruments qui ne sont pas des
œuvres sculptées, mais méritent les mêmes soins, ne serait-ce qu’envers leur qualité artistique et leur rôle de témoin d’une époque. La déontologie de la restauration précise
qu’une intervention doit rester minimale : par exemple, on ne refera pas la dorure usée,
on veillera à en garder la lisibilité. Cependant, le restaurateur doit aussi prendre l’avis du
physicien, car un instrument de physique n’est pas un objet inerte, il a été conçu pour
son côté démonstratif et cela ne doit pas être négligé.
Dans certains cas, on peut envisager de réaliser une réplique, avec des matériaux
semblables à l’original comme lorsque l’on a fabriqué un détecteur à quartz piézoélectrique du type de celui de Pierre CURiE (10). Cet appareil fonctionnel a permis de reconstituer les expériences d’alors.
Sources
Une biographie plus complète, basée sur les archives conservées à Bourges et à
Paris est disponible sur le site SigAUD DE LAfOND (cf. note 3). Les instruments de la
collection y sont également décrits.
Les notices de MM. ChEVALiER et MÉChiN-DESqUiNS sont disponibles aux archives
départementales, à la bibliothèque des quatre-Piliers ainsi que sur internet. Malheureusement, elles sont trop superficielles et entachées d’erreurs fâcheuses.
–
–
–
–
–
–
Les documents originaux sont conservés
au lycée Alain-fournier de Bourges ;
à la bibliothèque des quatre-Piliers à Bourges ;
aux archives municipales de Bourges ;
aux archives départementales du Cher ;
aux archives départementales de la Côte d’Or ;
aux archives nationales ;
ou bien numérisés et disponibles sur gallica (11), CNUM (12) et le portail Persée (13).
Renseignements complémentaires
® Concernant l’exposition, veuillez vous rapprocher de la médiathèque de Bourges :
Tél. : 02 48 23 22 50 ou http://www.mediatheque-bourges.fr/
(9)
http://ceroart.revues.org/index1249.html
(10) http://www.espci.fr/esp/
(11) http://gallica.bnf.fr/
(12) http://cnum.cnam.fr/
(13) http://www.persee.fr/web/guest/home/
Vol. 104 - Mars 2010
366
® Concernant une visite du musée « Sigaud de Lafond », veuillez vous adresser à
M. MORÉNO, intendant du lycée Alain-fournier :
Tél. : 02 48 23 11 88 ou [email protected]
® Pour toute remarque et/ou demande de plus d’informations concernant la biographie
et la collection de SigAUD DE LAfOND, veuillez envoyer un courriel à l’un des auteurs.
Sébastien BOURDREUX
Membre de l’ASEISTE et de l’IREM d’Orléans-Tours
Professeur
Lycée Léonard de Vinci (Amboise)
Amboise (Indre-et-Loire)
Jacques CATTELIN
Professeur
Collège Rabelais
Tours (Indre-et-Loire)
Christelle LANGRAND
Professeur
Lycée Marguerite de Navarre
Bourges (Cher)
Le Bup n° 922
367
XVIIe concours national
Palais de la découverte : 29 et 30 janvier 2010
par le Jury et le Comité national
http://www.odpf.org
Se déroulant, dans sa plus grande
partie, durant l’année 2009, la XVIIe
édition du concours des olympiades de
Physique France, a été de nouveau organisée sous le double label de l’Année
mondiale de l’astronomie (aMa09) et de
Sciences à l’école - Année mondiale de
l’astronomie. Serge HarocHe, médaille
d’or 2009 du cNrS, a accepté de la
parrainer et le comité des olympiades le
remercie pour le temps qu’il a consacré au
concours. on peut prendre connaissance
Serge HarocHe visitant l’exposition.
du texte de l’intervention qu’il a
prononcée lors de la remise des prix à la
page : http://www.odpf.org/xvii/concours-national.php
À l’automne, lors de la clôture des inscriptions, cinquante-quatre groupes étaient en
compétition. Les concours interacadémiques se sont déroulés le 9 décembre 2009, à
agen, Lille, Le Mans, Lyon, Marne-la-Vallée, Paris et Strasbourg et le 16 décembre 2009
à avignon. Les jurys régionaux ont sélectionné vingt-cinq groupes finalistes qui se sont
retrouvés le 29 et le 30 janvier 2010 pour le concours national.
Une ouverture vers l’outre-mer et l’international
Si l’implication de groupes issus des départements d’outre-mer n’est pas une
nouveauté puisqu’une équipe du Lorrain (Martinique) était finaliste en janvier 2006, la
XVIIe édition se signale cependant par une intensification de l’engagement de lycées
lointains et par la mise en place de modalités propres à assurer leur participation dans les
meilleures conditions. c’est ainsi qu’outre des contacts pris dans divers pays en vue
d’éditions à venir, un groupe du lycée Mamoudzou de Mayotte et un groupe du lycée
regnault de Tanger ont pu concourir, lors des sélections interacadémiques, au même titre
que les groupes métropolitains, grâce à une visioconférence organisée dans le centre de
Strasbourg. Le déplacement à Paris du groupe du lycée regnault, sélectionné pour le
concours national, a été pris en charge par l’agence pour l’enseignement français à
Vol. 104 - Mars 2010
Le Jury et le comité national
Plouf ou Ploc ?
Façade du Palais de la découverte
Micro-robot : le suiveur de ligne
ça coule;, ça flotte…
Weber, Benade et ma clarinette
L’effet Wha-Wha
369
l’étranger que le comité des olympiades remercie sincèrement.
Par ailleurs, les partenaires financiers des olympiades s’intéressent de plus en plus
à la façon dont le concours contribue non seulement au rayonnement de la France à
l’étranger, mais encore à la perception que les lycéens peuvent avoir du caractère nécessairement international des grands projets de recherche d’aujourd’hui et de demain. c’est
ainsi que la participation de l’École polytechnique est entièrement dédiée à cet axe international :
– celui des Premiers prix qui est offert par cet établissement est attribué à un groupe que
le jury estime particulièrement en mesure de participer à des concours internationaux ;
– trois autres groupes, eux aussi récompensés par un Premier prix, se voient attribuer
une bourse de l’École polytechnique leur permettant d’améliorer leur projet en vue
d’accéder aux concours internationaux de jeunes scientifiques ;
– enfin, l’École polytechnique prend en charge les frais de déplacement pour deux visites
de laboratoires internationaux.
Le comité est également fier de rappeler que, depuis plusieurs années, des groupes
issus du concours des olympiades de Physique France ont participé, par l’intermédiaire
du concours c.Génial, à ces concours internationaux de jeunes scientifiques dans lesquels
ils ont obtenu d’excellents résultats dont on peut prendre connaissance à l’adresse :
http://www.odpf.org/olympiades/l-aventure-continue.html
L’accueil au Palais de la découverte
Malgré de multiples difficultés matérielles liées à la réorganisation de ses espaces,
à des changements de personnel et à la modification de son statut intervenue au 1er janvier
2010, le Palais de la découverte a tenu à accueillir à nouveau la finale du concours. Le
L’équipe du Palais de la découverte.
Vol. 104 - Mars 2010
ça ne tourne pas rond avec la matière en grains
Plouf ou Ploc ?
L’avion éco-logique
L’effet Wha-Wha
Mettre Éole en boîte
Ballet sur l’eau
371
comité national tient à remercier sa directrice Brigitte ZaNa pour l’excellent accueil
réservé par les équipes du Palais, et plus spécialement par le département de physique et
son directeur Kamil FadeL, aux organisateurs du concours et aux groupes, ainsi que pour
la remarquable disponibilité des personnels du Palais qui ont fait l’impossible, alors que
ces conditions difficiles se doublaient d’imprévus de dernière minute.
Le Palais de la découverte recevait, au titre de l’année 2009, le Prix Jean Perrin de
popularisation de la science, décerné par la Société française de physique. La remise de
ce prix a eu lieu le 29 janvier 2010, la direction et le personnel du Palais ayant souhaité
que cette cérémonie se déroule durant les olympiades de Physique France, en présence
des groupes et du comité des olympiades. dans son intervention, le président du jury
du Prix Jean Perrin, roland LeHoucq, a rendu un hommage appuyé au Palais de la
découverte et à son fondateur Jean PerrIN.
remise du Prix Jean Perrin au Palais de la découverte.
L’exposition publique
Pendant la journée du samedi, l’exposition publique est traditionnellement l’occasion, pour les groupes, de présenter leurs travaux aux visiteurs du Palais. c’est aussi
l’heure pour les élèves de profiter enfin des travaux des autres groupes et de découvrir
des dispositifs, toujours ingénieux, parfois spectaculaires ou esthétiques.
Vol. 104 - Mars 2010
Le triangle des Bermudes
Héliomusique
La pétanque de Newton
L’univers des particules
Mettre les mirages en boîte
Le retour du PoP-PoP
Visite de l’exposition
démonstration publique du micro-robot suiveur
de ligne.
373
esthétique : une antenne pour capter la raie 21 cm
de l’hydrogène.
L’avis des professeurs et des élèves
eSSo, partenaire des olympiades de Physique France depuis plusieurs années, a
tourné, à la mi-janvier 2010, un film d’une dizaine de minutes sur les olympiades : dans
ce film, les professeurs et élèves des groupes du lycée Pothier d’orléans et du lycée
Hoche de Versailles témoignent de leur expérience des olympiades et de leur enthousiasme pour cette aventure. Le film a été projeté au début de la cérémonie de remise des
prix et peut être téléchargé sur le site des olympiades.
quelques témoignages d’élèves déposés sur le Livre d’or des olympiades :
® C’est la première fois que nous participons aux Olympiades et nous en sommes ravis. Une expérience
formidable et très enrichissante qui nous laisse pleins de souvenirs. Merci beaucoup.
(camille, Guillaume et romain, « ça coule, ça flotte » - Lycée Jean Perrin, Lambersart)
® Beaucoup de plaisir pour les quatre membres du groupe, une expérience très enrichissante. Beaucoup
d’heures passées à travailler, mais négligeables comparées au plaisir apporté.
(« L’eau cool » - Lycée Jean Monnet, annemasse)
® Trois jours, peut-être un très court séjour, mais, avant tout, ce fut un plongeon extraordinaire dans un
monde qui nous fascine et qui nous paraît si loin, alors que dans quelques années, avec peut-être un peu
plus de maturité, ces trois jours pleins d’expériences, de découvertes et de dialogue prendront sens.
(Malik et Nawfal, « Micro-robot : le suiveur de ligne » - Lycée regnault, Tanger)
Vol. 104 - Mars 2010
Héliomusique
Trompettissima
Étude de la chute d’une samare…
espionnage par interférométrie
SMedra*
375
L’opinion du jury
La liste des membres du jury peut être téléchargée, sur le site des olympiades, à la
http://www.odpf.org/xvii/concours-national.php
page :
de l’avis du jury, les travaux présentés étaient d’excellent niveau. Nous lui laissons
ci-dessous la parole pour détailler ses impressions sur quelques-uns des meilleurs projets
qu’il lui a été donné d’examiner. Nous espérons que ces commentaires seront utiles à tous
les futurs candidats.
1 - Le sans fil, ça vous branche ?
Au départ, les quatre élèves de terminale S du lycée de Laval se sont interrogés sur le principe des communications Wi-Fi. Ils ont donc décortiqué le principe des communications par ondes électromagnétiques.
Les antennes à brins rayonnants Yagi émettrices et réceptrices étant construites, ils ont pu en tracer le
diagramme de rayonnement grâce à un analyseur de réseau situé sur le site de l’école d’électronique de
Rennes. Après plusieurs péripéties et surtout des difficultés de blindage, ils ont réalisé le dispositif émetteur
sur une fréquence de 868,35 MHz, avec oscillateur et mélangeur ainsi que le dispositif récepteur avec démodulateur. Ce système fiabilisé, ils ont profité de leur montage pour faire de la physique. Ils ont testé devant
nous la directivité et la polarisation de leurs antennes et l’atténuation du signal avec la distance. Ils nous ont
ensuite montré avec une grande aisance toutes les expériences typiques du caractère ondulatoire des ondes
électromagnétiques : réflexion, polarisation (loi de Malus grâce à une grille qu’ils avaient construite euxmêmes), diffraction et interférences avec un dispositif analogue au miroir de Lloyd.
La présentation était simple et claire. Le jury a particulièrement apprécié le caractère pédagogique des
montages. Les éléments étaient en effet regroupés par blocs, bien séparés, bien visibles, bien analysés et fixés
sur deux tableaux verticaux, deux simples planches de bois. Les antennes étaient installées sur des pieds d’appareil photographique.
Le sans-fil, ça vous branche : une présentation pédagogique des divers blocs.
Vol. 104 - Mars 2010
comment capter la raie 21…
ça coule, ça flotte…
Ballet sur l’eau
Il n’est jamais trop tôt pour visiter l’exposition !
Plasma musical
Trompettissima
377
Une autre idée très pédagogique qui a particulièrement séduit le jury : en entrée du montage, les élèves ont «
mélangé » de la musique au signal de la porteuse et en sortie, après démodulation, nous entendions via un
haut-parleur le signal musical. Ainsi, c’est à l’oreille que le jury détectait les maxima ou les minima d’intensité des ondes électromagnétiques !
2 - La pétanque de Newton
Comment se propagent les chocs dans un pendule de Newton ? L’équipe constituée de trois jeunes physiciens
a testé l’hypothèse selon laquelle le son est le vecteur de la propagation des chocs. En mesurant les temps de
contact lors du choc des boules du pendule, la vitesse de propagation des ondes du choc fut comparée à celle
du son. Ces expériences furent dans l’esprit des Olympiades : à partir d’un phénomène connu (le fameux
pendule de Newton à cinq boules), l’étude a porté sur un montage expérimental où se mélangeaient le « fait
maison » des élèves (boules de pétanque, fil conducteur comme soutien, etc.) et la précision du matériel expérimental du lycée Eiffel de Dijon. Après quelques derniers réglages fins, les élèves ont exposé leurs résultats
où le choc de boules (à différents potentiels électriques) sur une barre est suivi par un oscilloscope. On en
déduit la vitesse de propagation qui est la valeur de la célérité du son dans la barre d’acier. Les élèves nous
ont gratifiés d’une étude de l’incertitude sur leurs mesures expérimentales et d’une discussion sur l’élaboration progressive d’un protocole expérimental strict en améliorant l’angle de lâcher. Cerise sur le gâteau, nous
avons pu comparer les résultats théoriques d’une modélisation américaine avec les résultats expérimentaux du
lycée dijonnais qui montraient que l’étude du pendule était loin d’être un sujet épuisé. Nous avons aussi
apprécié les collaborations avec des chercheurs belges lors de l’étude des chocs
avec du bois de sapin. L’exposé limpide,
l’honnêteté, l’esprit d’équipe, la connaissance du sujet, le recul sur les mesures ont
charmé tout le jury, enchanté par ces
quarante minutes si vite passées. Un sujet
que n’auraient renié ni NEWTON ni Gustave
EIFFEL.
3 - Comment mettre les mirages en boîte ?
3 - Quelle idée tordue !
Après avoir mis en évidence que l’origine
du phénomène de mirage était liée à l’existence d’un gradient d’indice dans le milieu
traversé par la lumière, le groupe a
présenté une série d’expériences visant à
montrer certaines caractéristiques des
mirages : supérieur, inférieur, ainsi que le
phénomène d’inversion de l’image. Ces
expériences ont d’abord été réalisées dans
des cuves contenant divers mélanges
liquides… mais l’un des objectifs du groupe
était de montrer un mirage dans l’air à
Vol. 104 - Mars 2010
comment mettre les mirages en boîte… :
des panneaux également très soignés.
Platini, ribéry, Branly
comment capter la raie 21…
L’eau cool…
Trouver le bon souffle
379
l’échelle d’une salle de classe.
Après différents essais infructueux, une véritable démarche d’investigation a été alors mise en œuvre pour
comprendre l’origine des difficultés expérimentales. Des mesures quantitatives et comparatives des gradients
d’indice, en milieu aqueux et dans l’air, ont été conduites et ont permis au groupe de bien identifier les différences d’ordre de grandeur entre les deux situations. Une ultime tentative, utilisant un gradient de température latéral fabriqué à l’aide de vingt-cinq bougies, a permis au jury d’observer une déviation convaincante
d’un faisceau laser.
Outre la qualité visuelle des expériences présentées, rayons laser courbés dans tous les sens, belles démonstrations du phénomène d’inversion des images et l’enthousiasme et la rigueur dont a fait preuve le groupe au
cours de sa présentation, le jury a particulièrement apprécié la démarche mise en œuvre et la ténacité dont a
fait preuve le groupe pour réaliser un mirage dans l’air à l’échelle d’une classe. Les mesures ont été conduites
avec une rigueur extrême tant au niveau des méthodes que de l’exploitation ; elles ont permis au groupe de
comprendre pour mieux agir et la réussite a été une belle récompense pour tous ; le jury comme les élèves et
leurs professeurs. Encore bravo !
4 - La chute de la samare, ou quand l’arbre se mêle d’aérodynamisme
Nous avons tous joué avec les samares, ces fruits secs de l’érable ou de l’orme dont la chute tournoyante
permet de parcourir de longues distances ce qui favorise la dissémination des graines et leur germination.
L’étude de la chute de ces graines ailées n’est a priori pas aisée à interpréter théoriquement, à modéliser. Des
chercheurs viennent d’ailleurs de montrer
que le ralentissement est en partie dû à la
formation d’air au-dessus des ailes du fruit.
Pour cette démonstration, les chercheurs
avaient à leur disposition une soufflerie, et
des modèles de samares pilotés par des
bras robotisés. Sans utiliser de gros moyens
techniques, les élèves ont su mettre en œuvre
une vraie démarche de recherche : se poser
de bonnes questions, identifier les paramètres d’influence, sélectionner un échantillonnage, effectuer des mesures, faire des
modèles et les tester.
Pour comprendre comment tombe un objet,
il faut connaître ses caractéristiques :
masse, rapport entre la masse de la graine
et la masse de l’aile, aire, géométrie, position du centre de gravité. Pour toutes ces
grandeurs, les élèves ont su trouver des
arguments pertinents leur permettant de
choisir un échantillon caractéristique. À
partir de cet échantillon, ils ont ensuite
étudié le mouvement des samares, mettant
La chute de la samare : de la réalité
au modèle.
en évidence les différences entre deux
Vol. 104 - Mars 2010
Trouver le bon souffle
L’eau cool…
Étude de la chute d’une samare…
espionnage par interférométrie
381
phases de chute (sans rotation au début, puis avec rotation ensuite). En montrant que la rotation était corrélée
à un ralentissement par frottements avec l’air, ils ont déterminé expérimentalement le coefficient de frottement.
Dans une deuxième partie, le groupe a cherché à étudier ce qui modifiait la vitesse limite des samares. Pour
ce faire, les jeunes ont construit différents prototypes de samare avec des surfaces de portance différentes par
rapport à la masse de la graine. Sur ces maquettes de samare, leur étude a clairement montré que l’un des
prototypes avait une vitesse limite plus petite que les autres, celui qui avait les mêmes proportions que dans la
nature. Enfin, ils ont tenté de vérifier que la vitesse limite était bien fonction de la racine carrée du quotient
de la masse et de l’aire de l’aile, comme cela était écrit dans les articles de recherche.
La présentation orale dynamique a su convaincre le jury qui a particulièrement apprécié une étude ne négligeant aucun aspect : statistique, cinématique, dynamique, et modélisation. De l’analyse de la vidéo, utilisée à
bon escient, les élèves ont su dégager les paramètres pertinents. Une belle étude menée avec vitalité et enthousiasme qui donne envie d’encourager cette équipe à approfondir leur projet, notamment pour le présenter dans
des concours internationaux
Le palmarès et les récompenses
Le nombre de prestations que le jury a estimées d’un excellent niveau a conduit à
l’attribution de huit Premiers prix.
un jury enthousiaste.
Le palmarès complet est accessible sur le site des olympiades et un palmarès
résumé est donné plus loin. Les récompenses sont listées en annexe ; elles ont été attribuées aux groupes grâce aux divers partenaires.
Vol. 104 - Mars 2010
Mettre les mirages en boîte
SMedra
Le sans-fil, çà vous branche ?
Plasma musical
délibération du jury
Proclamation des résultats
383
Le fonctionnement des olympiades de Physique France est assuré grâce au soutien
des partenaires financiers suivants dont les logos sont rassemblés plus loin : Ministère de
l’Éducation nationale et Ministère de la recherche, cea, c.Génial, cNrS, École polytechnique, esso, Fondation d’entreprise eadS, Horiba-Jobin-Yvon, Nanosciences fondation, National Instruments, Triangle de la Physique, Saint-Gobain.
Le comité national des olympiades de Physique France remercie tous les partenaires et donateurs qui ont contribué au succès de la XVIIe édition du concours. Sa reconnaissance s’adresse aussi à tous les acteurs qui ont contribué bénévolement à cette réussite : les membres des jurys interacadémiques ou national, les présidents des sections
académiques et délégués académiques udPPc aux olympiades qui ont coordonné les
concours interacadémiques, les élèves et professeurs du centre de formation d’apprentis
Médéric qui ont assuré l’accueil avec un professionnalisme remarquable et enfin tous les
collègues mobilisés pour les concours inter-académiques et le concours national ainsi que
les photographes bénévoles grâce auxquels vous bénéficiez du reportage photographique.
L’équipe du cFa Médéric à l’œuvre le 30 janvier 2010.
Vol. 104 - Mars 2010
384
OLYMPIADES DE PHYSIQUE FRANCE
Annexe 1
Les récompenses offertes
Tous les groupes reçoivent un prix en espèces, grâce à la participation des organismes suivants : École normale supérieure de Cachan, École normale supérieure de
Paris, École polytechnique, Horiba-Jobin-Yvon, INSTN, Nanosciences fondation, Palais
de la découverte, SFEN, Société française d’optique, SFP, Triangle de la physique,
UdPPC, UDIL, Université Pierre et Marie Curie de Paris et Université Paris-sud-Orsay.
Le prix offert par la Société française d’optique récompense plus particulièrement un
groupe ayant utilisé le laser pour ses travaux.
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chacun des vingt-cinq groupes est invité à visiter un laboratoire :
CEA - Saclay (deux groupes) ;
CERN - Genève (deux groupes) ;
European Synchrotron Radiation Facility et Institut Laue Langevin - Grenoble
(deux groupes) ;
Grand Accélérateur National d’Ions Lourds - Caen ;
Institut de minéralogie et de physique des milieux condensés - Université Pierre et
Marie Curie - Paris ;
Institut des nanosciences - Université Pierre et Marie Curie - Paris ;
Institut Néel - Grenoble (deux groupes) ;
Institut d’Optique Théorique et Appliquée - Palaiseau (deux groupes) ;
Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire - Orsay (deux groupes) ;
Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses - Toulouse ;
Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses - Grenoble ;
Laboratoire de Physique des Plasmas et Laboratoire d’Utilisation des lasers
Intenses - École polytechnique - Palaiseau ;
Laboratoire de recherche des musées de France - Louvre - Paris (deux groupes) ;
Laboratoire de physique - École normale supérieure de Paris ;
Laboratoire de Physique Quantique et Moléculaire - École normale supérieure de
Cachan ;
Minatec - Grenoble ;
Synchrotron Soleil - Gif-sur-Yvette (deux groupes).
un grand nombre de ces laboratoires prennent en charge les frais de déplacement
relatifs à la visite. d’autres partenaires contribuent au financement de certaines visites :
c’est ainsi que l’École polytechnique finance le déplacement pour l’un des deux groupes
Le Bup n° 922
385
qui se rendront au cerN et l’une des deux visites de l’eSrF-ILL, tandis que l’université Paris-sud-orsay prend en charge le déplacement des deux groupes qui visiteront le
Laboratoire de l’accélérateur linéaire à orsay.
La société National Instruments, offre à trois des lycées dont les groupes ont obtenu
un Premier prix un prestigieux lot de matériel de laboratoire. des cadeaux en matériel
scientifique, des appareils photographiques et des clés uSB sont par ailleurs offerts par
les sociétés et organismes suivants : Chauvin Arnoux, ENS Lyon, Nikon, Pierron. Les
élèves et professeurs reçoivent aussi des livres et revues offerts par Belin, CNRS, Dunod,
EDP Sciences, Ellipses, Pour la science, Sciences à l’école, SFP. enfin, les deux groupes
finalistes présentant un projet lié à l’astronomie reçoivent un abonnement à la revue L’astronomie, offert par la Société astronomique de France.
outre les cadeaux qu’ils ont pu recevoir lors des concours interacadémiques, tous
les participants aux concours régionaux, sélectionnés ou non pour le concours national,
bénéficient, pour les élèves, d’un abonnement de trois mois à la revue Ciel et espace et
pour les professeurs, d’un abonnement d’un an à la revue Pour la science et d’un abonnement de trois mois à Ciel et espace. chaque groupe en compétition en décembre pour
les concours interacadémiques mais non sélectionné pour le concours national a reçu, en
plus, un chèque de 150 €.
Micro-robot : le suiveur de ligne.
Vol. 104 - Mars 2010
386
Annexe 2
Le palmarès simplifié
Lycée - Ville - Sujet
Professeur(s)
ACADÉMIE DE BESANçON
4e prix - Prix de la grande roue codée
Lycée Viette - Montbéliard
François LacHaMBre
corinne PouderouX
ACADÉMIE DE BORDEAUX
4e prix - Prix du Soleil chantant
Lycée Bernard Palissy - agen
Héliomusique
Jean-Michel LacLaVerIe
3e prix - Prix du facteur souffle toujours deux fois
Trompettisima
4e prix - Prix du doute hertzien
1er prix - Prix du fil d’ariane
Lycée regnault - Tanger
Micro-robot : le suiveur de ligne
Michaël roBerT
ACADÉMIE DE DIJON
er
1 prix - Prix de l’as du carreau
Lycée Gustave eiffel - dijon
Julien BarTHeS
Pascal LaNGLoIS
ACADÉMIE DE GRENOBLE
4e prix - Prix du château d’eau
Lycée Jean Monnet - annemasse
L’eau cool !
Loïc MaSSou
Philippe cHaFFard
2e prix - Prix de la raie fantôme
Lycée charles Baudelaire - cran-Gevrier
Comment peut-on capter la raie 21 cm de l’hydrogène
dans le ciel ?
Pascal BoTToS
Geneviève GaLLIN-MarTeL
Le Bup n° 922
387
Professeur(s)
ACADÉMIE DE LILLE
3e prix - Prix du but en or
Lycée Édouard Branly - Boulogne-sur-Mer
Platini, Ribéry, Branly
olivier BurIdaNT
Guillaume HercoueT
4e prix - Prix de la bille du toner
Lycée Édouard Branly - Boulogne-sur-Mer
Plouf ou Plop !
olivier BurIdaNT
Philippe LaNceL
3e prix - Prix de la mer Morte
Lycée Saint-Jacques - Hazebrouck
S.M.E.D.R.A
Jean-Sébastien THIBauT
4e prix - Prix du supplice de Tantale
Lycée Jean Perrin - Lambersart
ça coule, ça flotte…
Grégory WaLLYN
ACADÉMIE DE LYON
2e prix - Prix du stylo magique
Lycée rosa Parks - Neuville-sur-Saône
Trouver le bon souffle…
alain JouVe
1er prix - Prix du bateau pépère
Lycée rené cassin - Tarare
Le retour du POP-POP
Mustapha erraMI
ACADÉMIE DE NANCY-METZ
e
2 prix - Prix du saut d’obstacles aérien
Lycée Loritz - Nancy
damien LaMBerT
Michel ParIS
ACADÉMIE DE NANTES
er
1 prix - Prix Branly de la communication
Lycée douanier rousseau - Laval
Le sans-fil, ça vous branche ?
Vol. 104 - Mars 2010
Patrice MIcHeL
388
Professeur(s)
ACADÉMIE D’ORLÉANS-TOURS
1er prix - Prix Léonard de Vinci
Lycée Pothier - orléans
Étude de la chute de la samare ou quand l’arbre
se mèle d’aérodynamisme
Marie-christine BaurrIer
ACADÉMIE DE PARIS
e
2 prix - Prix fluctuat nec mergitur
Lycée Louis-le-Grand - Paris
Ballet sur l’eau
Michel FaYe
3e prix - Prix du miroir rapporteur
Espionnage par interférométrie
Michel FaYe
4e prix - Prix Hendricks
L’effet Wha Wha
Michel FaYe
3e prix - Prix du trio de l’éloquence
Michel FaYe
1er prix - Prix du triomphe de l’arc
Plasma musical
Michel FaYe
ACADÉMIE DE POITIERS
er
1 prix - Prix due la roue céleste
Lycée Pilote innovant international - Jaunay-clan
Jean-Brice MeYer
Pascal BerNuau
ACADÉMIE DE STRASBOURG
3e prix - Prix du grain de folie
Lycée Jean-Jacques Henner - altkirch
Frédéric MarTIN
Le Bup n° 922
389
Professeur(s)
ACADÉMIE DE VERSAILLES
er
1 prix - Prix du Mirage 2000… dix !
Lycée Hoche - Versaille
Comment mettre les mirages en boîte ?
Quelle idée tordue !
christophe BoISSeLeau
Sophie LaBaSSe
Le sans-fil, ça vous branche ?
Vol. 104 - Mars 2010
390
Annexe 3
Les partenaires financiers
La XVIIe édition du concours des olympiades de Physique France est soutenue
financièrement par les partenaires ci-dessous.
Accueil du concours
Partenaires financiers
Le Bup n° 922
Vie de l’association
Sur votre agenda…
Du mardi 24 au vendredi 27 août 2010
École d’été e2phy - Le thème : « Laphysiquedunanomonde ».
École normale supérieure de Cachan.
Du samedi 23 au mardi 26 octobre 2010
58e congrès des professeurs de physique et de chimie - Reims.
Réunions du Bureau national et du Conseil de l’association
Afin que vous puissiez soumettre des questions que vous voulez voir traitées aux instances nationales de l’association, nous faisons figurer ici les dates de ces réunions.
® Les prochaines réunions du Bureau se tiendront les 5 mai et 2 juin 2010.
® L’Assemblée générale se tiendra le samedi 12 juin 2010 à 10 heures au lycée Saint-Louis - Paris 6e.
Elle sera suivie de la réunion du Conseil à 17 heures.
UNION DES PROFESSEURS DE PHYSIQUE ET CHIMIE
393
L’UdPPC au fil des jours…
La réforme au lycée
Le Bureau national de l’UdPPC réuni le 3 février 2010 a étudié la mise en place de
la réforme. Il a publié rapidement ses réactions sur le site (1), dont le texte est reproduit
dans les pages ci-après. Il incite les collègues à s’investir dans la consultation nationale
sur les projets de programme des enseignements d’exploration MPS (Méthodes et
pratiques scientifiques), SL (Sciences et laboratoire) et de l’enseignement commun, en
faisant remonter leurs analyses à l’adresse [email protected]
La masterisation
http://www.udppc.asso.fr/national/index.php/a-la-une/146-forum-des-societes-savantes-et-masterisation
Le site
L’UdPPC s’est dotée d’un site entièrement rénové ainsi que d’un nouveau logo. Ce
site se veut plus clair, plus convivial. De nouvelles rubriques vont apparaître :
– « Espace labo » qui regroupe les différentes informations liées au laboratoire ;
– « Espace collège », espace interactif que les collègues du groupe collège mettent en
forme ;
– « Espace lycée » dont les contours ne sont pas encore définis ;
– « Espace sections européennes » qui permettra de mettre en commun les expériences
dans ce domaine.
Nous nous sommes efforcés de mieux valoriser la rubrique « BupDoc » où les
archives du Bup sont accessibles, la rubrique « Nous avons lu » où se retrouvent les
commentaires des différents livres analysés, la rubrique « Forum » qui permet à tous de
s’exprimer et… la rubrique « Adhésion et Abonnements » qui rappelle que l’association
ne vit que par ses adhérents !
Félicitations à l’équipe de collègues bénévoles et à Catherine, la secrétaire du Bup,
pour ce bel outil qui, nous l’espérons, sera apprécié de tous.
Micheline IZBICKI
le 25 février 2010
(1)
http://www.udppc.asso.fr
Vol. 104 - Mars 2010
L’UdPPC participe au forum des sociétés savantes et signe le communiqué commun
« Masterisation : de mal en pis. Contribution des sociétés savantes du 19 février 2010 ».
Le texte est en ligne :
394
A C T I V I T É S
D E
L’ U D P P C
Réforme du lycée
Positions du bureau de l’UdPPC réuni le mercredi 3 février 2010
Le bureau de l’UdPPC se félicite des objectifs tels qu’ils lui ont été présentés lors
de l’audience au Cabinet du ministre de l’Éducation nationale avec M. Érick RoseR :
augmenter le nombre d’étudiants poursuivant une formation scientifique après le bac et
pour ce faire, doubler les effectifs d’élèves dans les filières technologiques et rendre la
filière s plus scientifique.
Mais il est permis de douter que ces objectifs puissent être atteints dans le contexte
de la réforme telle qu’elle est mise en place :
® Dans le cadre très contraint de la réduction des horaires en première s, il est indispensable que les contenus soient structurants pour permettre à des élèves de poursuivre des études supérieures scientifiques.
® Les programmes de première s et de terminale s doivent être conçus comme un
ensemble cohérent, ayant suffisamment d’interconnexions pour faciliter une assimilation en profondeur d’un réel socle de connaissances et de méthodes.
® Il faudra veiller à ce que l’implantation des premières et terminales technologiques
dans des lycées généraux se fasse de façon réfléchie et concertée au niveau des
bassins afin de ne pas déstabiliser les lycées technologiques proposant actuellement
les filières sTI (sciences et technologies industrielles) et sTL (sciences et technologies de laboratoire).
® L’orientation en fin de seconde et en cours de première vers des filières technologiques devra être fluidifiée.
® La régulation exclusivement comptable de l’implantation des enseignements d’exploration en seconde n’est pas acceptable, un pilotage par bassin est indispensable.
® Les enseignements d’exploration ne doivent pas devenir des enseignements pour
initiés à recrutement limité comme hélas a pu l’être MPI (Mesures physiques et informatique) dans certains établissements.
Concernant les projets mis en consultation et sans préjuger des résultats de celle-ci :
® L’UdPPC ne se satisfera des entrées thématiques du programme qu’à la condition que
les exigences, les contenus et les singularités de la physique et de la chimie soient
bien identifiés.
® Les enseignements d’exploration sont très peu cadrés. Il s’agit sans doute d’une révolution pédagogique, mais qui demande que les professeurs soient accompagnés pour
la mise en œuvre, que du temps de concertation soit prévu et que des moyens soient
réservés à la mise en place d’effectifs réduits.
o
Le Bup n 922
UNION DES PROFESSEURS DE PHYSIQUE ET CHIMIE
395
® Il y a un grand risque d’inégalité des conditions d’enseignement tant dans le tronc
commun que dans les enseignements d’exploration selon la gestion locale des
moyens.
® L’UdPPC regrette surtout que la mise en place de cette nouvelle manière d’enseigner
soit brutale, trop rapide et sans préparation.
Vol. 104 - Mars 2010
Informations
Livres - Logiciels
399
L’enseignement des sciences physiques
Les derniers bulletins officiels
par Jean WINTHER
[email protected]
La sélection ci-dessous est également disponible sur le serveur de l’UdPPC :
http://www.udppc.asso.fr - Rubrique : « Lu dans le BO »
® B.O. n° 8 - 25 février 2010
Classes préparatoires au CAP : Programme d’enseignement de mathématiques et de sciences
physiques et chimiques :
http://media.education.gouv.fr/file/8/95/0/programme_math_sciences_physques_chimie_137950.pdf
® B.O. n° 7 - 18 février 2010
Vol. 104 - Mars 2010
Jean WINTHER
Paru au BO
Appel de candidatures : Recrutement d’inspecteurs généraux de l’Éducation nationale - Profil
n° 8 : Sciences physiques et chimiques, fondamentales et appliquées.
400
INFORMATIONS
Forum
« Lessciencesmétisses »
La Ligue de l’enseignement et l’Association science-technologie-société (ASTS) organisent,
à partir de 2010, avec le soutien du groupe « Sciences pour tous » du Syndicat national de l’édition
(SNE), une manifestation décentralisée intitulée « Les sciences métisses ». Notre corpus technoscientifique contemporain est en effet la résultante d’apports successifs de différents peuples, de
différentes civilisations, de différentes cultures, synthétisés et ensuite dépassés. Le forum se tiendra
dans les départements où les fédérations de la ligue de l’enseignement (FOL) auront décidé de se
joindre à l’initiative.
Le progrès scientifique et technique est une condition nécessaire, mais non suffisante, du
progrès des sociétés humaines. Parmi différents facteurs, la baisse régulière du nombre d’étudiants
dans certaines filières scientifiques, phénomène mondial, pourrait contribuer à mettre en cause ces
avancées. Mieux faire connaître les sciences et les techniques aux citoyens, notamment aux jeunes,
est susceptible d’aider à combattre cette tendance. Enrichi des nouveaux moyens électroniques de
communication, le livre de vulgarisation reste et restera un vecteur essentiel d’une telle information, laquelle est partie prenante de notre culture. Elle constitue aussi une composante capitale de
la définition d’une citoyenneté moderne. L’un des axes forts du forum « Les sciences métisses »
sera donc un salon du livre de vulgarisation scientifique et technique, à l’image de ceux que le
groupe « Sciences pour tous » a organisés à deux reprises à la Cité des sciences et de l’industrie de
la Villette. Une place importante sera réservée aux ouvrages pour la jeunesse, ainsi qu’aux
nouveaux moyens de communication. Des conférences, débats, présentations de livres et de films,
animations diverses… accompagneront l’exposition de livres.
La première manifestation programmée se tiendra les 15, 16 et 17 avril 2010 à Océanopolis
à Brest (Finistère). Le thème dominant choisi pour cette année est la Biodiversité. Partenaires ayant
actuellement donné leur accord : ASTS ; Ligue de l’enseignement - FOL29 ; Océanopolis ; avec le
soutien du groupe « Sciences pour tous ». D’autres contacts sont en cours, notamment avec Lille,
ainsi qu’avec divers organismes et plusieurs associations finistériennes. La date, le thème (et donc
les contenus), peuvent varier d’un lieu à l’autre.
CONTACTS
® ASTS : Jean ROSMORDUC - [email protected]
® Ligue de l’enseignement - FOL29 : Yvon DRéViLLON - [email protected]
® Océanopolis : Jean-Paul ALAYSE - [email protected]
® Ligue de l’enseignement - nationale : Philippe AUzET - [email protected]
Pour les organisateurs
Jean ROSMORDUC
Le Bup n° 922
401
l’Université d’été « Espace éducation »
Toulouse (Cité de l’espace) : du 12 au 17 juillet 2010
Enseignants des collèges et lycées, le CNES (Centre national d’études spatiales) vous invite
à participer à une semaine de formation pluridisciplinaire à l’espace, pour une centaine d’enseignants de toute la France.
Depuis plus de vingt ans, dans le cadre de
sa politique éducative et de la convention
passée avec le ministère de l’Éducation nationale, le CNES organise une semaine de formation pluridisciplinaire à l’espace. Toutes ces
formations ont connu un vif succès auprès des
enseignants qui y ont trouvé un programme
scientifique et pédagogique qu’ils ont pu réinvestir dans leurs classes.
PROGRAMME
Au programme, sur le thème Des satellites au service de la Terre :
– des conférences, des ateliers pédagogiques
disciplinaires et codisciplinaires ;
– des débats, des échanges ;
– des visites techniques chez les industriels du
domaine spatial de la région.
Le programme est disponible sur :
http://cnes.cborg.net/ue2010
Rubrique : « Programme ».
INSCRIPTIONS
Les inscriptions se font en ligne depuis le 22 février 2010, à partir du site ci-dessus Rubrique : « Inscriptions ».
Il suffit de remplir le formulaire d’inscription et de régler les 50 € de frais de participation.
En cas d’annulation après le 20 juin 2010 les frais de participation ne seront pas remboursés.
Claire DRAMAS - CNES
Direction de la Communication externe, de l’Education et des affaires publiques
Service Jeunesse et acteurs de l’Education
Tél. : 05 61 28 28 36
Vol. 104 - Mars 2010
Informations
CONTACT
402
INFORMATIONS
Expériences partagées
Un guide d’initiation à l’animation scientifique destiné aux chimistes
Vous êtes chimiste et vous souhaitez faire
découvrir le monde de la chimie à des non
spécialistes (des jeunes, des familles, vos
concitoyens…). Vous avez bien raison ! Votre
action pourrait aider le public à prendre
conscience non seulement des bases pratiques
de la science, mais aussi de la variété des
personnes et des métiers composant la communauté scientifique. La science devient ainsi plus
accessible et humaine.
Ce guide vous donne quelques clés pour
organiser et mettre en œuvre une animation
simple, sécurisée et adaptée à des situations et
des publics différents. Il comprend une première partie « théorique » qui introduit les
notions d’animation, de communication, de
gestion de groupe et une deuxième partie qui
regroupe des ateliers à réaliser. Ces ateliers ont
été proposés et testés par des chercheurs, des
laboratoires de recherche, des industriels, des
associations de découverte des sciences.
Vous pouvez utiliser ce guide pour participer à une manifestation comme la Fête de la Science ou une kermesse d’école, ou pour organiser
une intervention en classe ou bien encore dans votre vie privée (fête de famille, fête d’immeuble,
anniversaire d’enfant…).
Ce guide a été réalisé sous la direction de Gerald P. NICCoLAI, chercheur au laboratoire
ICAR (1), le CCSTI du Rhône, service Science et Société de l’Université de Lyon et la Commission
Chimie et Société de la Fondation de la Maison de la Chimie.
Il a été réalisé grâce au soutien financier de l’Université de Lyon, de la Région Rhône-Alpes,
de la Fondation de la Maison de la Chimie, du Centre National de la Recherche Scientifique, des
Ministères de la Recherche et de la Culture et de la Société Chimique de France.
(1)
ICAR (Interactions, Corpus, Apprentissages, Représentations) - UMR- 5191 (CNRS / Université Lumière
Lyon 2, ENS LSH, ENS Lyon, INRP).
Le Bup n° 922
403
L’Actualité Chimique
communique
SOMMAIRE DE JANVIER 2010
® Ce numéro se penche sur les travaux des récents médaillés de bronze
du CNRS – une tradition qui nous conduit au cœur de la chimie à
l’étude dans les laboratoires : l’utilisation de l’or sous forme de nanoparticules en catalyse d’oxydation, l’insertion de molécules électro- ou
photo-actives dans des zéolithes pour mieux contrôler les interactions,
et l’obtention de nouveaux matériaux hybrides organiques-inorganiques
élaborés par insertion-greffage de complexes de métaux de transition
dans des hydroxydes lamellaires.
…et aussi :
® Un TP-défi d’analyse qualitative et quantitative… sans aucune solution préparée !
® Les particules mettent les formes…, ou comment et pourquoi (propriétés individuelles originales, nouvelles possibilités d’empilement) on synthétise désormais des particules colloïdales
non sphériques.
® Le captage du CO2 : le développement rapide de l’économie a contribué à l’accélération des
rejets de CO2 dans l’atmosphère. Parmi les technologies existantes, le captage en post-combustion est la plus avancée car elle peut s’appliquer à des unités déjà établies : le CO2 est absorbé
sélectivement par des amines selon une réaction chimique réversible. De nombreux travaux sont
en cours afin d’améliorer ce concept très innovant.
® Retour sur les travaux des prix Nobel de chimie 2009 : Venkatraman RaMakRishnan (Cam bridge), Thomas a. sTeiTz (Yale) et ada e. YOnaTh (institut Weizmann) ont été distingués pour
leurs études de la structure et du fonctionnement du ribosome à l’échelle atomique. Leurs découvertes ont notamment ouvert la voie à la recherche de nouveaux antibiotiques.
Éditorial
Le nouveau Conseil d’administration et le nouveau Bureau de la sCF vous souhaitent une
bonne année 2010 !
Chroniques
Polémiques : La voiture électrique : virage ou mirage ?
Communication de la chimie : La « culture scientifique »… évidence ou oxymore ?
À propos de
Chimie des aliments et du goût
La RMn du liquide voit le cœur des légumes et des viandes… puisque ce sont des gels.
Vol. 104 - Mars 2010
Informations
Qu’est devenu le Bulletin de la Société Chimique de France ? ® exploration de la « fabrique »
de protéines : retour sur les prix nobel de chimie 2009.
404
INFORMATIONS
Recherche et développement
Les particules mettent les formes : la sphère parfaite ne fait plus recette (partie i).
Jeunes chercheurs médaillés de bronze 2008 du CNRS : Les nanoparticules d’or en catalyse
d’oxydation ® Communication intramoléculaire photocontrôlée ® Les composés hybrides à base
d’hydroxydes lamellaires magnétiques : une voie vers des matériaux multifonctionnels.
Industrie
Capter le CO2. Pourquoi ? Comment ? avec quelles contraintes ?
Enseignement et formation
Les unités de base et les étalons : un regard nouveau.
Les travaux pratiques : investigation et analyse chimique : Un TP-défi d’analyse qualitative
et quantitative… sans aucune solution préparée !
Maîtrise du risque chimique
Évaluer les risques d’explosion des substances chimiques : des approches expérimentales classiques à la prédiction par la chimie quantique et les méthodes statistiques QsPR.
SOMMAIRE DE FÉVRIER-MARS 2010
Numéro double spécial :
« Chimie et développement durable - L’engagement des écoles
de la Fédération Gay-Lussac »
L’Actualité Chimique a ouvert ses colonnes à la Fédération GayLussac pour qu’elle puisse y contrer deux idées fausses : l’association particulièrement malheureuse de l’activité chimique avec l’idée de pollution
et l’idée qu’il n’y a pas de recherche dans les écoles d’ingénieurs françaises de chimie.
en effet, les dix-neuf écoles d’ingénieurs que rassemble la Fédération sont actives dans bien des domaines et les recherches liées au développement durable y ont
une place importante (souvent en liaison avec des laboratoires du CnRs ou des universités). Cette
chimie revêt des aspects très variés : diminuer le nombre d’étapes dans une synthèse, faire des
économies de constituants, remplacer les solvants organiques par l’eau ou par des solvants totalement recyclables procède d’une démarche écologique qualifiée de « chimie verte ». De même, il est
probable que de nombreux composés issus du pétrole ainsi que certains produits cosmétiques seront
remplacés dans le futur par des composés issus de l’agroressource, d’origine végétale ou marine…
que l’on développera des polymères naturels ou issus de produits naturels. La chimie contribue
également à l’amélioration des sciences analytiques, à la dégradation des composés polluants, à la
production d’énergie… Venez donc découvrir une recherche au service des grands problèmes de
société au fil des pages de ce numéro spécial.
Éditorial
Les concours d’entrée sont-ils la honte des grandes écoles ?
Chroniques
Communication de la chimie : La chimie : entre médiation scientifique et éducation à l’environnement.
Le Bup n° 922
405
Polémiques : La fusion de l’aFssa et de l’aFsseT : économies ou rationalité ?
2011 : Année internationale de la chimie
Chimie et développement durable
L’engagement des écoles de la Fédération Gay-Lussac
Introduction
Chimie et développement durable : l’engagement des écoles de la Fédération Gay-Lussac ®
Les écoles d’ingénieurs de la Fédération Gay-Lussac : la formation de cadres, la recherche et l’innovation pour un secteur clé de l’économie et pour l’émergence d’une chimie « nouvelle ».
Vers une chimie moléculaire verte
Agroressources pour une chimie durable
Matériaux polymères et développement durable
Chimie analytique et société
Matériaux catalytiques et catalyse hétérogène
L’énergie photovoltaïque : verrous et perspectives
Procédés de conversion d’énergie : batteries, piles à combustible et procédés non électriques
Le génie des procédés au service de l’environnement
Intensification des procédés
Nanosciences et nanotechnologies : santé et environnement
Bonne lecture à tous.
Prochain numéro spécial en préparation
« La chimie mène l’enquête »
(juin-juillet 2010)…
sommaires détaillés et résumés sont disponibles sur le site de L’actualité Chimique :
Vol. 104 - Mars 2010
Informations
http://www.lactualitechimique.org
406
PA R U S O U À PA R A Î T R E
Nous avons lu
N’oubliez pas, pour compléter cette rubrique, de consulter le serveur de l’UdPPC :
où vous trouverez des analyses d’ouvrages qui ne sont pas, faute de place, publiées dans « Le Bup ».
Pour toute remarque ou renseignement concernant cette rubrique, s’adresser à Bruno VELAy
(14, rue de Kerbezo - 44350 GUéRANdE) ou par mél. :
[email protected]
LIVRES
Histoire de l’électricité de l’ambre à l’électron par Gérard Borvon
Éditeur : vuibert - 2009 - 266 pages - 26 € - ISSn/ISBn : 978.2.7117.2492.5
Public visé : Enseignant, lycéen, licence.
voici un ouvrage à mettre entre toutes les mains, celles de nos élèves dès les
classes de premières S et STI de nos lycées, et entre les mains de tous les futurs enseignants de sciences physiques et de physique appliquée (tant qu’il en reste encore !). L’auteur est un
collègue professeur de sciences physiques, formé à l’histoire des sciences, et formateur des enseignants en sciences dans l’académie de rennes. Bref quelqu’un qui a réfléchi tant à l’histoire de sa
discipline qu’à son enseignement et sa didactique, et cela se sent. Le style est fluide et imagé, bref
plaisant au possible.
Le découpage de l’ouvrage est classique sans l’être tout à fait puisque l’auteur pose des questions inhabituelles dans ce genre d’ouvrage écrit habituellement par des personnes peu au courant
des problématiques de l’histoire des sciences : les relations entre sciences « pures » et sciences pour
l’ingénieur, l’électricité et les changements de modes de vie qu’elle implique, c’est-à-dire, une interrogation sur les relations entre sciences et société.
L’ouvrage est découpé en vingt-deux chapitres non numérotés, de longueurs inégales, suivis
d’une bibliographie comportant des références Internet pour trouver les revues essentielles, numérisées par le CnAM (Conservatoire national des arts et métiers) et la BnF (Bibliothèque nationale
de France) : La nature, La lumière électrique ou L’année scientifique et industrielle de Louis
Figuier, constituant autant de sources iconographiques pour illustrer les cours de physique et d’électricité.
Les chapitres sont organisés de manière chronologique examinant les développements successifs de l’électricité, du magnétisme et de l’électromagnétisme.
À mon sens, le chapitre sur les relations entre électricité et chimie aurait pu être davantage
développé puisque l’irruption des techniques de l’électricité dans l’analyse chimique marque le
début d’une nouvelle discipline, – la chimie physique (physikalische chemie au sens d’ostwald et
de van’t Hoff) ou la chimie générale comme on l’a longtemps pudiquement appelée en France –,
bouleversant ainsi les pratiques des chimistes. Mais l’on trouve avec plaisir un chapitre sur le rôle
des ingénieurs et des expositions universelles à la fin du xIxe siècle, suivi d’un chapitre sur le rôle
de l’électricité dans la quête d’une harmonisation des unités en physique à la fin du xIxe siècle, qui
Le Bup n° 922
UNION dES PROFESSEURS dE PHySIQUE ET dE CHIMIE
407
déboucha sur le système MKSA. Les applications industrielles de l’électricité auraient pu ici trouver
une place plus importante : machines, production d’électricité, mais aussi éclairages et machines
dédiées au théâtre et qui en modifient les pratiques par exemple.
L’ouvrage s’achève sur une réflexion sur ce que peut apporter l’histoire des sciences dans la
compréhension du fonctionnement de la science et dans l’établissement des lois physiques. Cellesci ne sont pas des « vérités révélées », mais sont construites le plus souvent à la suite de succession
d’essais et d’erreurs.
voici donc un bon ouvrage permettant de se construire une culture scientifique sans l’âpreté
des équations de la physique.
Guy BoISTEL
La chimie agricole de Justus Liebig par Justus LIEBIG et Marika BLondEL-MÉGrELIS
Éditeur : CTHS Science - 2009 - 367 pages - 32 € ISSn/ISBn : 978.2.7355.0504.3
Public visé : Enseignant chimiste.
Justus LIEBIG (1803-1873) est inscrit dans l’histoire de la chimie pour avoir créé
à l’Université de Giessen, le premier laboratoire destiné à l’enseignement pratique de la chimie, lieu
d’enseignement et aussi lieu de recherche qui fonctionnera pendant environ vingt-cinq années, des
années 1830 à 1852. de nombreux chimistes européens et américains seront formés dans ce laboratoire (comme d’autres seront formés à la chimie physique dans le laboratoire de Wilhelm
oSTWALd à l’Université de Leipzig dans les années 1880-1900). C’est la grande époque de la
science allemande triomphante et intellectuellement en surchauffe : analyse et synthèse complètes
de substances organiques, développement de l’industrie chimique accompagné d’une politique
solide de dépôts de brevets. LIEBIG est l’un des acteurs de l’organisation scientifique et industrielle
de l’Allemagne. En 1852, LIEBIG enseigne à Munich où il bénéficie de conditions de travail exceptionnelles, sans charges d’enseignement. LIEBIG peut se livrer tout entier à la recherche, avec un
salaire à faire pâlir tous les professeurs d’université.
Entre les années 1830 et 1850, l’agronomie voit le jour, et LIEBIG est l’un de ses principaux
promoteurs en lui ayant donné des bases scientifiques solides.
LIEBIG identifie les besoins organiques des plantes, établit le cycle de l’azote et les lois
permettant dans la pratique le développement des engrais. Ainsi, LIEBIG rompt le circuit fermé dans
lequel les matières minérales évoluaient entre la terre, les plantes, les animaux, le fumier et la terre.
LIEBIG a permis à la plante de se nourrir de matières minérales d’origine industrielle ; c’est une
dimension totalement nouvelle dans le phénomène agricole. À la suite de ces travaux, le rendement
des terres agricoles a pu croître, notamment pour le blé, passer de dix à quarante quintaux, voire à
soixante quintaux. Sans les quelques six millions de tonnes d’engrais qu’elle utilise, la France ne
pourrait nourrir sa population actuelle qu’en multipliant par quatre ses terres labourées au détriment
des productions animales, de fruits et légumes. dans la mesure où la révolution industrielle a été
rendue possible par la libération de main-d’œuvre terrienne, c’est d’abord l’engrais qui a permis
l’édification du Monde moderne occidental.
Guy BoISTEL
vol. 104 - Mars 2010
Parus ou à paraître
L’ouvrage qui nous est présenté ici comporte quatre-vingt-douze pages de présentation et
d’annotation. Le texte de LIEBIG lui-même fait environ deux cent soixante-cinq pages. Il est divisé
en deux parties ; la première s’intéresse aux plantes et à ses besoins. La seconde s’intéresse à la
chimie organique qui sous-tend la décomposition des végétaux et établit les besoins en azote et
autres éléments minéraux des plantes, et à l’élaboration des engrais.
408
PA R U S O U À PA R A Î T R E
Bâtir en terre - Du grain de sable à l’architecture
par Laeticia FonTAInE et romain AnGEr
Éditeur : Belin - Collection avec la Cité des sciences et de l’industrie - 2009 224 pages - 30 € - ISSn/ISBn : 978.2.7011.5204.2
Public visé : Tout public.
Ce livre beau et passionnant est dû à deux ingénieurs-chercheurs grenoblois (EnSAG) qui ont
conçu l’exposition sur le même thème ouvrant en octobre 2009 à la Cité des Sciences et de l’Industrie à Paris. Le livre est conçu autour du tryptique « architecture, matière et innovation ».
La première partie réjouira à l’évidence l’amateur de voyage, tant en France qu’en orient, en
Afrique ou aux Amériques, appréciant l’habitat et l’architecture. Une mention spéciale pour les mosquées du Mali, les immeubles du Yémen. Il deviendra un observateur averti faisant la différence
entre pisé, adobe, bauge, torchis, etc. Tout en appréciant la beauté, la technicité, l’efficacité climatique et mécanique de ces constructions.
La seconde intriguera et parfois étonnera l’amateur de sciences « dures » à qui il est proposé
un ensemble d’informations scientifiques et techniques lui permettant de décrire puis de comprendre comment fonctionne le matériau « terre » dans sa diversité de composition granulaire, d’un point
de vue mécanique, thermique et physico-chimique. Pour ce faire, il est présenté un ensemble remarquable d’expériences suffisament simples pour envisager de les reproduire et les développer dans
le cadre d’un TPE ou d’un TIPE. Celles concernant la « physique du tas de sable » ou mieux encore
celle du « château de sable » (solidité du matériau préparé) sont tout particulièrement attractives.
on regardera aussi avec intérêt les propriétés des argiles.
La dernière partie convaincra certainement les éventuels sceptiques récalcitrants que « matériau traditionnel » et innovation ne sont certes pas antinomiques. À travers des exemples tels la
place de l’osmose comparée à l’effet van der Walls, les bétons d’argiles auto-nivelants, les géopolymères, etc. on constatera que la recherche est à même là aussi de permettre à l’entrepreneur de
proposer un choix de solutions encore plus attractives.
rappelons aussi qu’en ces temps où le développement durable et les économies d’énergie ne
devraient pas être qu’un effet de mode, le matériau « terre », véritable béton naturel, a bien des
avantages en face du classique « parpaing » en béton « vulgaire ».
Il faudrait être de mauvaise foi pour ne pas apprécier l’iconographie qui est tout simplement
superbe ainsi que la mise en page. Une mention spéciale pour les nombreuses photographies
montrant la mise en œuvre des matériaux selon les différents procédés. Les textes d’accompagnement sont tout particulièrement lisibles même lorsqu’ils traitent des aspects les plus techniques.
Ce livre est à mon sens un vrai succès de vulgarisation scientifique et technique.
Bruno vELAY
Erratum
Le corrigé de l’épreuve du CAPES externe - Section physique et chimie : composition de
chimie avec application étant arrivé après l’impression de la couverture du Bup 921 (pages
spéciales) celui-ci ne figure ni dans le sommaire, ni dans l’annonce de ces corrigés qui figure
dans Le Bup 921 (1) de février 2010, page 260.
Le Bup n° 922
409
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2007
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- XI -
Voir la présentation dans
Le Bup 921 de février 2010 (p. 252)
- XII -

Enseignement expérimental

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