Expériences au micro-ondes à l’école

Traduit par Camille Ducoin

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Halina Stanley présente plusieurs expériences spectaculaires à réaliser en classe en utilisant un four à micro-ondes.

Comme il est rapporté dans ce numéro de Science in School (Stanley, 2009), des scientifiques israéliens ont utilisé des micro-ondes pour percer des trous dans du verre et de la céramique, et pour produire des boules de plasma. Les fours à micro-ondes s’avèrent un instrument utile pour les enseignants aussi bien que les scientifiques. Il est ici présenté une série d’expériences sur les micro-ondes, amusantes et faciles à réaliser en classe.

Boules de plasma

En utilisant un four à micro-ondes, vous pouvez créer des boules de plasmaw1 à l’école, à partir de nanoparticules de suie. Le Dr. Chris Schrempp, qui enseigne dans le secondaire en Californie, a fait cela en classe pendant un certain temps. “C’est une excellente présentation,” dit-il, “qui interpelle à coup sûr tous les élèves, quel que soit leur niveau. Le propriétaire du four, s’il est présent, est persuadé que son appareil sera complètement fichu après l’expérience; pourtant, il devrait rester étonnamment intact.”

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Matériel

• Un petit bol en verre réristant à la chaleur
• Un bâtonnet en bois (ou cure-dents) de 3 à 5 cm de long
• Un bouchon de liège
• Des béchers de 50 ml (ou autres récipients de même taille pouvant passer au four micro-ondes)

Procédure

1. Retirez le plateau tournant du four et couvrez ou retirez la lumière.


2. Plantez le bâtonnet en bois dans le bouchon.


3. Posez le petit bol de verre résistant à la chaleur au centre du four, en position renversée, en utilisant un cercle de béchers. Le bol doit être suffisamment élevé pour que le bâton planté dans le bouchon puisse être placé dessous.


4. Programmez le four micro-ondes pour 30 secondes, à pleine puissance, et éteignez les lumières dans la pièce.


5. Allumez le bâtonnet et mettez-le dans le four, sous le bol en verre


6. Fermez la porte et allumez le micro-ondes.

Le plasma se forme généralement au bout de 10 secondes environ. D’après Schrempp, “Cela fera un bruit horrible, comme si le mirco-ondes était en train de frire de l’intérieur.” Si la boule de plasma ne s’est pas encore formée à ce moment, arrêtez le four, ré-allumez le bâtonnet et redémarrez.

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Note de sécurité: Le micro-ondes ne doit fonctionner que 20 à 30 secondes, sinon le verre peut surchauffer et casser. Assurez-vous de ne pas laisser le cure-dents brûler jusqu’en bas et enflammer le bouchon. Le bol de verre renversé sert à conternir le plasma, de façon à ce qu’on puisse le voir facilement à travers la fenêtre. L’expérience peut être faite sans le bol, mais alors la boule de plasma s’élève jusqu’en haut du four et il faut se baisser pour la voir.

Le seul inconvénient de la présentation est qu’elle provoque une odeur de fumée dans le four. Schrempp dit n’avoir jamais vu de dégâts réels subis par le four, seulement des traces suie; mais il suggère d’utiliser plutôt un vieux four, par précaution.

Cette présentation et beaucoup d’autres, réalisées par Schrempp, peuvent être vues sur le site Internet Exploscience^w2.

Les boules de plasma peuvent aussi être créées en utilisant du raisin, comme il est décrit dans le livre électronique de Schrempp: Bangs, Flashes, and Explosions – An Illustrated Guide of Chemistry Demonstrations^w3:

1. Coupez un grain de raisin en deux dans le sens de la longueur, en laissant les deux moitiés connectées par un peu de peau.


2. Placez le grain sur une assiette, la face coupée vers le haut, et mettez-le dans le micro-ondes.


3. Une fois le four allumé, le plasma sera émis à partir de la section de peau connectant les deux moitiés.

Une vidéo du plasma de raisin peut aussi être trouvée en ligne^w4.

Sculpture de savon

Lorsqu’on le chauffe au micro-ondes à pleine puissance pendant une minute environ, un savon se transforme en une étrange lave volcanique, ou quelque-chose comme un affreux champignon. La déformation est due à de minuscules poches à l’intérieur du savon, contenant de l’eau qui s’évapore ou de l’air qui enfle en chauffant. La sculpture de savon peut quitter le four (et la classe) avec une odeur assez forte; essayez donc de trouvez du savon non parfumé, et évitez d’utiliser un four servant pour préparer à manger. Cette expérience a l’avantage supplémentaire de permettre à l’enseignant d’inquiéter ses collègues en laissant le savon micro-ondé traîner dans le laboratoire, ou aux élèves de l’emporter chez eux pour incommoder les membres de leur famille. Cette expérience et d’autres peuvent être trouvées sur le site Internet physics.orgw5.

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Des oeufs explosifs

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Si les expériences sont intéressantes, les explosions quant à elles sont inoubliables. Mes enfants ne me laisseront jamais oublier le soir où, l’oeuf à la coque de mon fils ayant un blanc trop flasque, j’ai dit: “Quelques secondes au micro-ondes, et il sera parfait”! Un oeuf de poule, même ouvert en haut, explose de façon spectaculaire lorsqu’on le chauffe au micro-ondes. Vous pouvez essayer cela en cours, mais seulement si vous êtes prêt à nettoyer l’intérieur du four ensuite! Aux Etats-Unis, l’émission de télévision scientifique ‘Brainiac Science Abuse’ a poussé cette expérience à l’extrême en mettant un oeuf d’autruche au micro-ondes. Ce n’est sans doute pas une expérience que vous voulez (ou pouvez) réaliser vous-mêmes, mais il y en a plusieurs versions visibles sur YouTubew6. Je soupçonne fortement que l’expérience ait été truquée d’une certaine façon (ils appellent cela ‘science abuse’), mais vous pouvez utiliser la vidéo pour réveiller n’importe quelle classe.

Ampoules électriques

Une autre expérience classique consiste à placer une ampoule électrique dans un four à micro-ondes. Une ampoule à incandescence s’allume lorsqu’elle est irradiée par les micro-ondes; et ce, qu’elle soit ou non en état de marche, pourvu que le verre soit intact. Selon le type d’ampoule, vous pouvez obtenir différentes couleurs. Souvenez-vous que l’ampoule chauffe très vite; un temps de 10 secondes est sans doute suffisant, avant de la laisser refroidir. Les tubes fluorescents s’allument également, et l’effet peut être utilisé pour tester la présence de fuites de micro-ondes aux alentours de la porte du four. Allumez le micro-ondes et tenez un tube fluorescent contre les bords de la porte. Si le four a une fuite, le tube émet une lueur (éteignez les lumières de la pièce pour le voir). Ceci fonctionne mieux si le four est vide, mais si vous testez un vieux four (antérieur aux années 1980) il peut être préférable d’y placer un verre d’eau. Notez que cette méthode ne détecte que les fuites importantes. Ceci et d’autres faits, mythes et expériences concernant ou employant les micro-ondes, se trouvent sur le site Internet de William Beatyw7.

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Mesurez la vitesse de la lumière avec du pain et de la margarine

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Les ‘Naked Scientist’ (‘scientifiques dénudés’) Chris Smith et Dave Ansell décrivent une très belle expérience utilisant les ondes stationnaires pour calculer la vitesse de la lumière. Elle est racontée dans leur livre Crisp Packet Fireworks et sur leur site Internetw8, où vous trouverez d’autres expériences, utilisant ou non les micro-ondes. Après avoir appris l’expérience historique, vraiment difficile, ayant permis de mesurer la vitesse de la lumière, les elèves s’enthousiasment pour cette méthode toute simple. Le seul inconvénient de la présentation est une forte odeur de pain grillé. Cette expérience peut aussi être utilisée pour renforcer la notion que toutes les ondes du spectre électromagnétique se propagent à la vitesse de la lumière.

Matériel

• Une assiette (ou un bol)
• Quatre toats
• Margarine
• Couteau à beurre
• Règle

Procédure

1. Retirez le plateau tournant du four.


2. Disposez les quatre toasts en carré sur une assiette, les uns contre les autres.


3. Tartinez-les complètement de margarine, en vous assurant de recouvrir également les jonctions entre les toasts.


4. Vous devez vous assurer que l’assiette ne tournera pas une fois le four lancé. S’il y a un pilier central pour soutenir le plateau, vous pouvez le recouvrir d’un bol renversé et poser l’assiette par-dessus.


5. Allumez le four à pleine puissance pendant 15 à 20 secondes, jusqu’à ce que la margarine commence à fondre. Cela peut être plus rapide avec les fours puissants: vérifiez donc toutes les 5 secondes. Faites bien attention de ne pas chauffer trop longtemps.


6. Vous devriez voir une série de zones fondues (taches ou lignes), séparées par des zones non-fondues. Retirez l’assiette.


7. Avec une règle, mesurez la distance entre deux de ces zones. Multipliez par deux, et notez la valeur obtenue: elle correspond à la longueur d’onde des micro-ondes produites par votre four, soit habituellement entre 12 et 12.5 cm.


8. Il vous faut maintenant la fréquence des micro-ondes. Vous devriez la trouver sur une étiquette généralement placée à l’arrière du four. Si vous ne la trouvez pas, vous pouvez utiliser la valeur standard, 2450 MHz (2.45 GHz).


9. Multipliez la longueur d’onde (environ 12 cm) par la fréquence. Si vous utilisez la valeur en MHz, il faut multiplier le résultat par un million; avec les GHz, par un milliard.


10. Le résultat de l’opération donne la vitesse de la lumière en centimètres par seconde. Divisé par 100, il est converti en mètres par seconde. Vous devriez trouver environ 300 millions de mètres par seconde.

 

Un four à micro-ondes produit des ondes d’un côté du four; elles sont réfléchies du côté opposé et reviennent à leur point d’émission. Les ondes réfléchies vont rencontrer les ondes originales, s’annulant par endroits, et s’additionnant ailleurs: les ondes rebondissant dans le four interfèrent entre elles, créant une onde stationnaire avec des positions de forte amplitudes (“ventres”) où le chauffage est maximum, et des positions d’amplitude quasiment nulle (“noeuds”) où le chauffage est faible. La distance entre deux points chauds (soit entre un “ventre” et le suivant) correspond à la moitié de la longueur d’onde. C’est en ces points chauds que la margarine fond en premier.

Références

Stanley H (2009) Boules de plasma: comment créer le 4e état de la matière avec des micro-ondes. Science in School 12: 24-29. www.scienceinschool.org/2009/issue12/fireballs/french

Smith C, Ansell D (2008) Crisp Packet Fireworks. London, UK: New Holland Publishers

Références Web

w1 – Pour en apprendre plus sur le plasma, voir:

Le site de l’ “Internet Plasma Physics Education Experience”: http://ippex.pppl.gov/fusion/fusion3.htm

Le glossaire du site Internet de l’Institut de Recherche du Southwest:http://pluto.space.swri.edu/image/glossary/plasma.html

La Division de l’Energie de Fusion du Laboratoire National d’Oack Ridge:www.ornl.gov/sci/fed/Theory/tt/ttmcp/plasma.htm

Le site Internet d’éducation à l’énergie de fusion, “FusEdWeb”:http://fusedweb.llnl.gov/cpep/Chart_Pages/5.Plasma4StateMatter.html

w2 – Le site Internet “Exploscience” contient beaucoup de vidéos d’expériences spectaculaires: www.exploscience.com/ChemTV_Page_5.html

w3 – Le livre électronique de Chris Schrempp: “Le livre électronique de Chris Schrempp: “Bangs, Flashes, and Explosions – An Illustrated Guide of Chemistry Demonstrations”, un manuel comptant plus de 170 manipulations et activités de chimie, peut être commandés sur le site:”, un manuel comptant plus de 170 manipulations et activités de chimie, peut être commandés sur le site: http://exploscience.com/Book.html

w4 – Le plasma de raisin peut aussi être vu sur le site Internet des Naked Scientists (www.thenakedscientists.com) ou sur: http://tinyurl.com/mklx73

w5 – Le site physics.org présente beaucoup de jeux et expériences amusantes: www.physics.org/interact-wide-template.asp

w6 – Pour une présentation spectaculaire de l’effet du microdonde sur un oeuf d’autruche, voir: http://www.youtube.com/watch?v=Wgy1Yhgk_BY

w7 – Le site Internet de William Beaty, ‘Unwise microwave oven experiments: high voltage in the kitchen’ (expériences déraisonnables avec un four micro-ondes: haute tension dans la cuisine), contient des faits, mythes et expériences concernant et utilisant les micro-ondes: http://amasci.com/weird/microwave/voltage3.html

w8 – Vous pouvez trouver l’expérience avec la margarine, et beaucoup d’autres, sur le site des Naked Scientists (www.thenakedscientists.com) ou sur: http://tinyurl.com/lhdk7r

Ressources

L’Institut de Physique du Royaume Uni décrit sur son site Internet bon nombre d’expériences impliquant les micro-ondes: www.iop.org/activity/education/Projects

Les téléphones portables transmettent et reçoivent par l’intermédiaire de micro-ondes (de 900 ou 1800 MHz), similaires à celles émises dans un four micro-ondes (2450 MHz). Au Royaume Uni, le Programme pour le Développement des Sciences possède des documents très utils sur les rayonnements dans l’environnement, comportant des informations de fond et des activités pour les élèves. Voir: www.sep.org.uk/teacher/view_resource.asp?resource_id=20

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Halina Stanley est physicienne de formation. Elle a été chercheuse pendant dix ans dans l’industrie et en milieu académique, utilisant des techniques de diffusion de neutrons et de rayons X pour caractériser les matériaux. Elle a ensuite rejoint l’Ecole Américaine de Grenoble, en France, où elle enseigne la physique, la chimie et les mathématiques à des élèves du secondaire.