L'arpenteur du web

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

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Diffraction et diffusion de la lumière laser par des particules et des molécules : le LIDAR
(paru dans Le Bup n° 996, juillet-août-septembre 2017, p. 907-941)
La physique contemporaine ne cesse d’inventer ou de perfectionner de nouvelles sources lasers afin de proposer des applications aussi nombreuses qu’innovantes, afin de permettre aussi le développement de nouvelles thématiques de recherche fondamentale. La vigueur de cette recherche fait dire que la « photonique » sera sans aucun doute la grande révolution technologique de ce siècle. Le dynamisme de cette jeune filière a été consacré par une douzaine de prix Nobel décernés à des chercheurs spécialistes de la lumière laser. Le laser est donc devenu un banal instrument dans nos laboratoires au point que, dans l’enseignement, on ne saurait se dispenser de ces sources de lumière dès que l’on aborde l’optique ondulatoire. En sciences physiques, un lycéen ne manquera pas de faire usage au moins une fois dans sa scolarité d’une diode laser, même si ce n’est qu’en terminaleS que le programme mentionne explicitement les qualités d’un faisceau laser. Internet n’est pas en reste et met à disposition des usagers une immense quantité d’informations dans le domaine des lasers : Google indique environ cinq cent soixante-quatorze millions de résultats pour la seule requête « lasers » ! Il est donc illusoire de consacrer une seule fiche de l’arpenteur à la physique des lasers. Il s’avère plus fécond de montrer comment la physique des lasers a pu modifier la façon de répondre à une problématique. Ainsi, quel élève n’a-t-il pas manqué de demander au professeur pourquoi un faisceau laser n’est visible qu’en présence de poussières, de fumées ou de brouillards ? Cette simple expérience qui consiste à matérialiser le « rayon laser » dans un milieu de propagation comme l’air, amène le professeur à citer des phénomènes certes complexes que sont la diffusion ou la diffraction. C’est bien de mettre en évidence ces phénomènes, mais c’est mieux encore de montrer que ces simples expériences sont porteuses d’information afin de répondre à une problématique environnementale : un laser est-il un instrument permettant de détecter des polluants présents sous forme de poussières, aérosols, gaz, dans l’atmosphère ? Le LIDAR en est l’expression technique la plus aboutie. C’est le propos de cette fiche de l’arpenteur.


Interactions dans l’Univers
(paru dans Le Bup n° 1002, mars 2018, p. 517-556)

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 emblématique 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.

C’est pourquoi, en considérant que la physique est avant tout une science expérimentale, nous centrerons cet article sur ces quelques expériences « fondatrices » qui ont donné un contenu plus concret à cette notion si difficile d’accès qu’est « l’interaction ».


Interférences et diffraction
(paru dans Le Bup n° 990, janvier 2017, p. 85-103)
Interférences et diffraction sont la marque du caractère ondulatoire de la lumière. Ces phénomènes sont étudiés dans nos programmes de terminales 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.


Le champ électrique
(paru dans Le Bup n° 999, décembre 2017, p. 1271-1298)
Dans une précédente fiche de l’arpenteur, après avoir introduit les notions de champ scalaire et de champ vectoriel [1], nous avons détaillé quelques particularités du champ de pesanteur terrestre. En premièreS, 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 premièreS invite à relier la notion de champ électromagnétique à quelques objets familiers, comme le téléphone portable ; mais, en terminaleS, 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 explicitée. 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 premièreS et bon nombre de sujets de TPE (Travaux personnels encadrés). Pour cette 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 ou plutôt 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, a fait l’objet d’une autre fiche de l’arpenteur précédemment publiée dans Le Bup [2].


Marées océaniques

(paru dans Le Bup n° 980, janvier 2016, p. 91-124)

À quand la « marée du siècle », pour reprendre la « une » de journaux, friands de ce type d’événements 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 premièreS, 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.


Mouvement des satellites naturels

(paru dans Le Bup n° 993, avril 2017, p. 525-546)

Après avoir décrit le mouvement de la planète Mars [1], 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 Isaac 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 terminaleS. 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.


Notion de quantité de mouvement
(paru dans Le Bup n° 983, avril 2016, p. 557-594)
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 terminaleS. 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.


Ondes sonores, de l’écho au mur du son

(paru dans Le Bup n° 985, juin 2016, p. 859-902)

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 qui sont au cœur du programme de physique et il faut se placer au niveau de la terminale S ou STL pour identifier les ondes 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 Doppler-Fizeau, « mur du son », écho, réfraction d’une onde sonore, interférences, absorption d’une onde sonore… 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 articles de l’arpenteur du Web 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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Ondes sismiques
(paru dans Le Bup n° 987, octobre 2016, p. 1231-1262)
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 un précédent article. Mais en Sciences de la vie et de la Terre (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.