Arpenteur du web

Dans cette rubrique Guy Bouyrie vous propose des ressources et des outils rencontrés sur le web.

 

L'ARPENTEUR DU WEB : PIGMENTS, COLORANTS, SYNTHESE DES COULEURS

Le thème « couleur des objets » est récurrent dans les programmes de sciences physiques de collège et de lycée.

Les parties abordées sont d'une extrême richesse et diversité, et permettent de mettre progressivement en place les premières notions de physique ondulatoire, avec une place spécifique donnée aux méthodes spectroscopiques.

Les ressources et outils disponibles sur le web, pour illustrer bon nombre des savoirs à développer pour cette partie, tant en cours que lors d'activités expérimentales, sont considérables.

Dans cette rubrique, on s'intéresse à deux thèmes qui sont abordés souvent en début d'année, en classe de seconde et en classe de première S, voire même de première ES & L, à savoir :

couleur d'un corps : pigments et colorants ;

couleur d'un corps : synthèse additive.

Nous nous limiterons à quelques sites Internet qui offrent des ressources permettant d'apporter soit des illustrations immédiates, soit des outils plus spécifiques se prêtant à la mise en place d'activités expérimentales.

Consulter le document dans le BUP de janvier 2014 accessible aux abonnés

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L'ARPENTEUR DU WEB : CRISTALLOGRAPHIE

Au carrefour de plusieurs disciplines (minéralogie, sciences physiques, mathématiques), la cristallographie est une des plus anciennes sciences, tant la symétrie si particulière de nombreux cristaux naturels a fasciné les savants de toutes époques. Dotée de moyens modernes d'investigation, comme la diffraction par rayons X si importante pour la métallurgie, on a pu estimer à tort au siècle dernier que désormais la cristallographie était une science désuète, pour laquelle tout avait été dit. Mais l'avènement de nouveaux matériaux, dont les fameux « cristaux liquides », la nécessité de maîtriser la croissance de cristaux tels ceux obtenus à partir du silicium pour les besoins de l'optoélectronique, ou ceux qui constituent le coeur de nombreux lasers "solides" (YAG, saphir : titane, etc.), la réalisation de structures hybrides semi-ordonnées (des fullerènes aux verres spécifiques pour les besoins de la biotechnologie), ont relancé l'intérêt que l'on pouvait porter à cette vieille discipline, au point que 2014 a été décrétée « l'année internationale de la cristallographie ».

http://www.unesco.org/new/fr/natural-sciences/science-technology/basic-sciences/infocus-bes/international-year-of-crystallography-2014/  et http://www.aicr2014.fr/  .

Plus modestement, pour nos élèves de collèges et de lycées, après une approche très sommaire pour distinguer les états de la matière en classe de cinquième, ce sont vraiment les programmes de première S qui évoquent explicitement l'existence de certains types de cristaux, notamment moléculaires, dans le cadre de l'étude de « la cohésion et transformations de la matière ». Mais c'est réellement dans la série STL par le biais de la partie « systèmes et procédés » ou en enseignement de spécialité de terminale S (« structure et propriétés », « nouveaux matériaux ») que l'on cite explicitement les cristaux liquides, les nanotubes, les céramiques, les verres, les matériaux biocompatibles, les métaux et alliages, ce qui est en prise avec les développements les plus récents de cette vieille science que l'on continue d'appeler « cristallographie ».

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L'ARPENTEUR DU WEB : OPTIQUE ATMOSPHERIQUE

Couleur d'un corps en relation avec la propagation de la lumière : réfraction, dispersion de la lumière dans l'atmosphère terrestre.

En classe de seconde, il est nécessaire d'évoquer quelques phénomènes propres à l'optique atmosphérique ; c'est l'occasion de faire le lien entre l'optique géométrique d'une part (modèle du « rayon lumineux ») et l'optique ondulatoire d'autre part (dispersion de la lumière par réfraction ou diffraction).

Les ressources et outils disponibles sur le web, pour illustrer bon nombre des savoirs à développer pour maîtriser cette partie du programme, tant pour élaborer le cours magistral que pour construire des exemples d'activités expérimentales, sont considérables.

Nous nous limiterons à quelques sites Internet qui offrent des ressources permettant d'apporter soit des illustrations immédiates, soit des outils plus spécifiques se prêtant à la mise en place d'activités de travaux dirigés.

Consulter le document dans le Bup d'avril 2014 accessible aux abonnés               

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L'ARPENTEUR DU WEB : INTERFERENCES ET DIFFRACTION

Interférences et diffraction sont la marque du caractère ondulatoire de la lumière. Ces phénomènes sont étudiés dans nos programmes de Terminale S mais le temps imparti ne permet guère de développer ce vaste sujet. On essaiera d'illustrer les points suivants cités dans le programme, en prenant appui sur les ressources documentaires et logicielles offertes par le WEB :

- une compréhension de ces phénomènes ondulatoires qui s'appuie sur les analogies offertes par les ondes mécaniques de gravité ou de capillarité (vagues à la surface de l'eau) et une analyse historique d'expériences « clés » ;

- la réalisation de figures d'interférences et de diffraction de la lumière avec lecture d'intensité des images obtenues ;

- une étude documentaire sur les interférences en lumière blanche par des lames minces, par exemple.

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L'ARPENTEUR DU WEB : INTERACTIONS DANS L'UNIVERS

Dans le programme de première S, on est amené à décrire (succinctement !) les interactions fondamentales de l'Univers. C'est une partie très délicate du programme car il est difficile de reproduire les quelques expériences « fondatrices » historiques qui constituent une « preuve » de leur existence. Ainsi :

- l'interaction gravitationnelle : l'expérience de CAVENDISH a été décisive pour déterminer une des grandes constantes de l'Univers, à savoir ici la constante de la gravitation G ;

- l'interaction électrique : c'est l'expérience dite de « la balance de COULOMB » qui constitue l'expérience « fondatrice » alors qu'il s'est avéré très difficile de la reproduire !

 -les interactions nucléaires faibles et fortes : aucune expérience simple ne peut être proposée aux élèves pour justifier leur existence. Cependant, il est possible de montrer combien l'expérience menée par Pierre et marie CURIE a été féconde : elle a permis de qualifier un rayonnement radioactif même si elle ne dit rien de la nature des interactions mises en jeu lors de ces processus nucléaires.

Nous vous proposons un choix de sites Internet qui proposent soit les textes originaux, soit des illustrations des expériences fondatrices, soit des ressources pédagogiques diverses permettant de concevoir une séquence pédagogique sur ces thèmes.

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L'ARPENTEUR DU WEB : SPECTROSCOPIES

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 Vous trouverez d'autres documents dans la rubrique "documents thématiques"

L'ARPENTEUR DU WEB : MOUVEMENT DES PLANETES, Le CAS DE MARS

 Enseigner de façon convaincante l'astronomie en sciences physiques tout en respectant les contraintes des programmes, est un défi que les professeurs ont bien du mal à relever : rien ne remplace l'observation directe du ciel et des astres ! Comprendre les « lois de l'Univers » selon une approche scientifique  en l'occurrence le mouvement d'un corps dans un champ gravitationnel  est un impératif annoncé de nos programmes, de la seconde à la terminale S : notions de trajectoire, de référentiel, relativité du mouvement, interaction gravitationnelle, mouvement d'un satellite, autant de « compétences » à acquérir !

INTERNET met à disposition de beaux outils pour faciliter l'étude de ces différents points : c'est ce que nous allons voir ici avec un « cas d'école », le mouvement de la planète MARS.

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L'ARPENTEUR DU WEB : MOUVEMENT DES SATELLITES NATURELS, CAS DE LA LUNE ET DES SATELLITES DE JUPITER

Après avoir décrit le mouvement la planète Mars, nous allons montrer qu'il est possible, avec l'aide des outils et documents disponibles sur INTERNET, d'illustrer de façon très efficace les mouvements de la Lune et des satellites de Jupiter, exemples de satellites naturels dont l'étude a marqué l'histoire des sciences

Ainsi, le mouvement de la Lune autour de la Terre comparé à celui de la chute des graves sur Terre a permis à NEWTON de « mettre en forme » l'interaction gravitationnelle  l'interaction la plus citée dans nos programmes du collège au lycée, de la troisième à la terminale S.

Et la première observation des satellites de Jupiter par GALILÉE est considérée comme une des avancées majeures de la science qui s'affranchit, avec l'utilisation du télescope, de la limitation imposée par nos sens.

Il n'y a pas dans nos programmes de sciences physiques de collège et de lycée une place spécifique laissée à l'astronomie ; l'exploration du système solaire, quelques problématiques liées à la géophysique font explicitement partie des programmes de SVT (sciences de la Vie & de la Terre) et même de géographie, alors que « l'exploration de l'univers » aux échelles cosmologiques est esquissée en sciences physiques en classe de cinquième (Terre, Lune) puis surtout en seconde. Et les lois de Kepler sont au programme de la Terminale S : c'est l'occasion ici de faire vivre la première et la troisième de ces lois ! Depuis le portail EDUSCOL, quelques ressources pédagogiques liées à l'enseignement de l'astronomie, pour les professeurs de sciences et de mathématiques, ont été rassemblées lors de l'année mondiale 2009 de l'astronomie.

http://eduscol.education.fr/numerique/dossier/archives/fete-de-la-science/galilee/a-la-decouverte-de-galilee-et-de-lastronomie

Cependant, le professeur de sciences physiques ne manquera pas d'opportunités – ne serait-ce que pour faire vivre « l'interdisciplinarité » dans les séances d'accompagnement personnalisé  pour répondre à des questions qui portent sur l'astronomie !

 

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L'ARPENTEUR DU WEB : MOUVEMENT DES SATELLITES ARTIFICIELS

 Après avoir évoqué quelques satellites naturels de notre système solaire, nous nous intéressons ici aux satellites artificiels qui gravitent autour de la Terre. Des satellites géostationnaires, aux satellites GPS en passant par ceux en orbite basse dévolus à l'observation de la surface du globe, il est difficile d'être exhaustif en la matière ! Sans oublier les missions permettant d'observer en permanence notre Soleil depuis un des fameux points de Lagrange ou d'explorer l'espace le plus lointain pour différents rayonnements !

Le programme de la classe de seconde évoque le rôle des satellites pour observer la Terre, alors que celui de terminale S s'appuie sur le cas de certains satellites à l'orbite parfaitement circulaire pour illustrer l'étude d'un mouvement circulaire uniforme sous l'effet d'une force centrale.

Les ressources d'INTERNET sont particulièrement adaptées pour mener ces études.

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L'ARPENTEUR DU WEB : NOTION DE CHAMP SCALAIRE, DE CHAMP VECTORIEL EN GEOPHYSIQUE

C'est en première S que l'on aborde en lycée la notion de champ, dont la profondeur et la « puissance » risquent d'échapper à nos lycéens tant le temps qu'on peut lui consacrer est restreint ! En effet, en deux semaines au plus, le programme de première S suggère de « recueillir et exploiter des informations (météorologie, téléphone portable, etc.) sur un phénomène pour avoir une première approche de la notion de champ », en vue de « décrire le champ associé à des propriétés physiques qui se manifestent en un point de l'espace », tout en comprenant comment « la notion de champ a émergé historiquement ». Et donc il faut apprendre à distinguer des champs scalaires et des champs vectoriels, pour ensuite étudier le champ de pesanteur terrestre avant de cartographier quelques champs électriques et magnétiques remarquables.

Dans cet article, nous nous limiterons aux champs et potentiels terrestres qui sont du domaine de la géophysique (météorologie et géodésie), à l'exclusion du champ magnétique terrestre. Rappelons que la géodésie est la science qui étudie les dimensions et la forme de la Terre, ainsi que son champ de pesanteur. Nous allons voir qu'INTERNET offre en la matière de nombreuses ressources, exploitables ou non avec les élèves, qui permettent d'appréhender des notions souvent méconnues.

 

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L'ARPENTEUR DU WEB : LE CHAMP ELECTRIQUE

Dans une précédente fiche, après avoir introduit les notions de champ scalaire et de champ vectoriel, nous avons détaillé quelques particularités du champ de pesanteur terrestre. En première S, on attend aussi des élèves qu'ils soient capables de décrire quelques champs électriques et magnétiques pour certains dispositifs classiques, conduisant essentiellement à des champs uniformes. L'avantage de l'étude de ces champs est la facilité avec laquelle on peut obtenir un « spectre », image du champ dans l'espace qui entoure la source. Les difficultés restent cependant nombreuses car il est difficile d'imaginer un champ électromagnétique et de comprendre quelle est sa structure. Certes, le programme de première S invite à relier la notion de champ électromagnétique à quelques objets familiers, comme le téléphone portable ; mais, en Terminale S, quand on est amené à étudier le mouvement d'une particule chargée dans un champ électrique, on mesure alors combien cette notion de champ repose sur des acquis bien fragiles, faute d'avoir été suffisamment « contextualisée ». Nous allons donc montrer qu'Internet est utile pour illustrer quelques problématiques liées aux « champs électriques », et aux « champs magnétiques », sur lesquelles s'appuient le programme de première S et bon nombre de sujets de TPE. Pour cette première fiche consacrée à un si vaste sujet, nous allons évoquer quelques aspects historiques de la notion de champ, puis nous allons caractériser un champ électrique électrostatique, avant d'évoquer quelques champs électriques naturels ou engendrés par des activités techniques humaines. L'étude des champs magnétiques, et en particulier du champ magnétique terrestre, fera l'objet d'une autre fiche.

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L'ARPENTEUR DU WEB : LE CHAMP MAGNETIQUE

 Le programme de première S n'envisage pas l'étude des « forces électromagnétiques » : le mot « magnétique » est réservé dans nos programmes de lycée à l'étude de quelques champs de courants et d'aimants et tout particulièrement à l'étude du champ magnétique terrestre. En effet, il est important de noter que le programme de SVT de première S doit fournir aux élèves « les données fondamentales sur le magnétisme des roches (magnétite, point de Curie) », sachant qu'un des thèmes de convergence avec la physique porte sur « les variations du champ magnétique terrestre et les inversions magnétiques ». Il est donc naturel que le point de vue du physicien soit évoqué pour illustrer cette notion de champ magnétique. On insistera donc tout particulièrement dans cette fiche sur la structure du champ magnétique de la Terre, domaine de la géophysique qui se trouve à la frontière de plusieurs disciplines scientifiques et qui est trop peu abordé dans les parcours de formation des professeurs. Le WEB met à disposition de l'internaute de nombreuses ressources pour illustrer la notion de géomagnétisme : en effet, on peut en quelques clics être relié à tout un réseau de stations qui surveillent le magnétisme terrestre. Afficher en temps réel la valeur locale du champ magnétique est alors on ne peut plus probant !

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 L'ARPENTEUR DU WEB : PRESSION D'UN FLUIDE

Parmi toutes les grandeurs utiles en sciences physiques, certaines sont d'un usage courant, pour ne pas dire quotidien, telle la pression exercée par un fluide, plus communément appelée « pression ». Voilà un mot, parmi d'autres, du monde des sciences et techniques que la langue commune s'est appropriée de façon imagée et parfois de façon quelque peu négative, comme si l'emprise des sciences sur la vie des citoyens devenait insupportable : ainsi, qui ne se sent, dans ce monde tourbillonnant, « sous pression » dans sa vie active ? Combien de sportifs de haut niveau, d'artistes, ressentent la « pression » sur leurs épaules avant d'entrer en scène ? Et justement, par une ironie de nos programmes de sciences physiques, en classe de seconde, la pression est rattachée au thème « la pratique du sport » : « la pression est une grandeur physique qui permet de comprendre l'influence de l'altitude sur les performances sportives et les effets physiologiques ressentis en plongée subaquatique » (programmes de sciences physiques de la classe de seconde générale et technologique). Mais qu'est-ce que cette pression ? Apprendre à la distinguer d'une « force pressante » n'est pas simple. Comment la mesure-t-on ? Où puise-t-elle son origine ? Une question innocente qui révèle la difficulté que l'on a à interpréter cette grandeur. En effet, les lois de l'hydrostatique, qui prennent en compte le fait que nous vivons dans le champ de pesanteur terrestre, mêlent étroitement les notions de « pression » et de « poids », au risque d'entretenir une certaine confusion. Si le poète a écrit « quand le ciel bas et lourd pèse comme un couvercle », faut-il en déduire que c'est ce poids qui exerce sur nous cette pression que l'on appelle « atmosphérique » ? Et, à la manière des élèves qui sont amenés à assurer une recherche documentaire, le recours à Internet permet-il d'espérer trouver des réponses pertinentes à ces questions ? C'est ce que nous allons voir.

 

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L'ARPENTEUR DU WEB : NOTION DE QUANTITÉ DE MOUVEMENT

Force vive, quantité de mouvement, énergie cinétique, impulsion, percussion : la physique s'est enrichie de concepts qu'il n'a pas été facile de démêler tout au long de son histoire ! Nos programmes de lycée introduisent certains d'entre eux, mais pas toujours là où on les attendrait, comme celui de quantité de mouvement en terminale S. Incontestablement, la lecture que l'on peut en faire avec nos élèves s'avère difficile. Par sa grande richesse documentaire, Internet peut nous aider à montrer comment ces concepts ont pu émerger historiquement ; et certains dispositifs « expérimentaux » comme le billard, ont été de puissants outils conceptuels pour appréhender certaines de ces grandeurs. Si aucun lycée ne peut actuellement s'offrir une caméra numérique rapide la seule capable d'analyser ces processus complexes que sont les chocs et percussions, il est possible de trouver sur le Web de magnifiques vidéos qui seront un support pédagogique inestimable pour le professeur.

 

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 L'ARPENTEUR DU WEB : ONDES SISMIQUES

Le concept d’onde est sans doute un des plus importants que les physiciens aient forgé. En lycée, il faut attendre le programme de terminale S pour que ce concept soit vraiment développé, en montrant qu’interférences et diffraction sont la marque du caractère ondulatoire des phénomènes acoustiques et lumineux, comme nous l’avons abordé dans une précédente fiche. Mais en SVT, les ondes mécaniques sont évoquées dès la classe de première S, afin d’illustrer le principe de l’exploration de l’écorce terrestre par des méthodes de sondage sismique. L’importance des ondes sismiques pour la compréhension de la physique du globe terrestre est donc d’une première importance : INTERNET s’avère dans ce domaine un formidable vecteur d’information, du fait que les stations sismiques du globe sont interconnectées et mettent à disposition leurs données sur le Web. Pour nos élèves, l’étude des ondes sismiques permet d’illustrer à merveille les notions :

  •  d’onde mécanique transversale (de cisaillement) ou longitudinale (de compression) ;
  •  de retard dû au phénomène de propagation ;
  •  de célérité d’un ébranlement.

Si les collègues de SVT trouvent sur le Web de très nombreux outils consacrés à cette partie du programme de géophysique, il est intéressant de signaler, aux physiciens que nous sommes, l’existence de ces outils afin de mieux faire vivre cette « interdisciplinarité » que facilite sans aucun doute INTERNET pourvu que l’on sache structurer les recherches, comme on va le voir ici.

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L'ARPENTEUR DU WEB : PHYSIQUE DES VAGUES

La propagation des « vagues » à la surface de l'océan est l'archétype des phénomènes ondulatoires. En effet, la vague, c'est « l'unda » des latins et par suite, « l'onde » des poètes ! Un retour aux origines en somme : comme l'Homme, l'onde est née de l'océan !
L'observation attentive du phénomène de propagation des ondes à la surface de l'eau est sans aucun doute la plus efficace pour permettre à nos élèves de s'approprier ce difficile concept qu'est la notion « d'onde ». Et si l'on doit « surfer » sur la « vague » des programmes, notamment celui de seconde, quoi de plus motivant que de prendre prétexte de ce sport du moment, le surf, pour faire un peu de physique avec nos élèves ? Ce qui nous amènera à faire usage de ce merveilleux « outil pédagogique » qu'est la « cuve à ondes » ! Mais très vite, on déchante un peu tant la complexité des phénomènes naturels, que sont par exemple la houle et le déferlement d'une vague, fait barrage à toute tentative d'analyse par nos élèves !
Et comment observer tous ces phénomènes à différentes échelles ?
Internet peut-il permettre à un élève d'ordonner ses connaissances dans ce domaine ? C'est ce que nous allons examiner.

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L'ARPENTEUR DU WEB : MARÉES OCÉANIQUES 

À quand la « marée du siècle », pour reprendre la « une » de journaux, friands de ce type d’évènements rares ? Être capable d’établir en un lieu donné de nos côtes un calendrier des marées océaniques, voilà qui devrait nous réconforter quant à l’utilité et à la puissance de prédiction de la physique ! Quoi de plus probant en effet que d’établir de telles prédictions, vérifier leur robustesse, pour nous persuader de la validité des lois newtoniennes relatives à la gravitation ? Il n’en demeure pas moins que le phénomène des marées est rarement décrit de façon satisfaisante dans la plupart des livres de mécanique ; INTERNET fournit de nombreux outils et documents qui peuvent rendre l’étude des marées moins austère : ils sont souvent mis à contribution par nos élèves, notamment de première S, à l’occasion de leur TPE (travaux personnels encadrés). Nous allons essayer d’ordonner dans ce document de telles recherches que pourraient entreprendre des élèves sur ce sujet.

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L'ARPENTEUR DU WEB : PROPAGATION DU SON 

L’onde sonore est l’archétype de l’onde progressive mécanique. Dans nos programmes de lycée, c’est en seconde que l’on s’attache à la notion de fréquence du phénomène vibratoire associé à l’onde sonore et à la définition et mesure de la célérité du son. Les ondes acoustiques sont ici un des supports liés à la thématique de la
vie quotidienne appelée dans le programme « diagnostic médical ». En première, ce sont les ondes lumineuses quisont au coeur du programme de physique et il faut se placer au niveau de la terminale S ou STL pour identifier lesondes sonores comme des ondes progressives mécaniques et passer à l’analyse de leurs principales caractéristiques. Enfin, une part importante de l’enseignement de spécialité de sciences physiques est consacrée à l’acoustique
musicale.
C’est un domaine d’étude extrêmement vaste : c’est pourquoi, nous illustrerons ici, au moyen des ressources disponibles sur INTERNET, les principaux phénomènes observés lors de la propagation du son, dans l’air « libre » ou dans un volume fini, qui peuvent être évoqués dans la scolarité d’un lycéen scientifique : effet DOPPLERFIZEAU, « mur du son », écho, réfraction d’une onde sonore, interférences, absorption d’une onde sonore, etc.
Nous ne manquerons pas de faire appel à l’histoire des sciences pour montrer comment les modèles qui rendent compte du « son » ont pu évoluer.
Nous examinerons sur d’autres fiches de l’Arpenteur le cas des ondes ultrasonores avec leurs applications techniques, ainsi que toute la partie qui fait référence à l’acoustique musicale.

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L'ARPENTEUR DU WEB : ONDES SONORES, DE L'ECHO AU MUR DU SON

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