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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].


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.