Traduit par Camille Ducoin.
Professeur de physique, Keith Gibbs partage quelques-unes de ses nombreuses expériences à réaliser en cours de physique.
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En plus de trente ans d'enseignement de la physique, j'ai découvert nombre d'expériences intéressantes et d'idées pédagogiques, souvent suggérées par ma famille, mes amis, collègues et anciens élèves. En 2000, j'ai commencé à rassembler ces idées, qui sont à la base du site Schoolphysics et de la collection de CD-ROMs associée. Avec le temps, j'ai ajouté davantage d'explications et d'informations pour les enseignants qui ne sont pas spécialistes de la physique.
Voici quatre des idées de cette collection. J'espère que vous en trouverez au moins une qui soit nouvelle, stimulante, instructive et amusante, et que ces idées contribueront à faire aimer le sujet en montrant aux gens que la physique peut être intéressante et amusante.
Âge : 13-15
l'aimable autorisation de Keith
Gibbs
Cette expérience simple montre que la pression de vapeur d'eau saturante dépend de la température. Il est préférable qu'elle soit réalisée par l'enseignant, avec un écran de sécurité entre le dispositif et les élèves.
La vapeur va condenser à l'intérieur du flacon, réduisant la pression et permettant à l'eau de se remettre à bouillir. Quand l'eau cesse de bouillir, versez à nouveau de l'eau sur le flacon. Jusqu'à quelle température pouvez-vous descendre tout en observant l'eau bouillir ? Vous devriez pouvoir faire bouillir de l'eau à 40 ºC : une fois, j'ai observé de l'eau bouillante à la température du corps (37 ºC) !
Portez des lunettes de protection. Bien que cela soit improbable, il est possible que le flacon se brise ; maintenez donc un écran de sûreté entre le dispositif et les élèves. Si possible, restez vous aussi derrière l'écran.
Voir aussi les instructions générales de sécurité.
L'explication est que la pression de vapeur saturante de l'eau dépend de la température : plus l'air est froid, moins il peut contenir de vapeur d'eau (voir Tableau 1). Quand l'eau condense, la pression du gaz dans le flacon diminue, ce qui bien sûr permet à l'eau de bouillir à moins de 100 ºC.
Température |
Pression de vapeur saturante |
---|---|
37 °C | 0.06 x 105 Pa |
60 °C | 0.19 x 105 Pa |
75 °C | 0.38 x 105 Pa |
85 °C | 0.57 x 105 Pa |
100 °C | 105 Pa |
Une méthode plus simple consiste à remplir partiellement (à environ 20%) une seringue avec de l'eau tiède à 50-60 ºC. Tirez ensuite le piston. Ceci réduit la pression dans la seringue, provoquant l'ébullition de l'eau bien en dessous de 100 ºC.
Âge : 14-18
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Gibbs
Ceci est une présentation simple de la force centripète.
foraines devraient remercier
la force centripète
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La force exercée par le crochet sur la pièce est une force centripète, agissant toujours en direction du centre de rotation.
Combien de pièces pouvez-vous placer en équilibre sur le porte-manteau tournant ? Mon record est de 4 pièces de un penny. Avec une seule pièce et beaucoup de précautions, j'ai réussi une fois à remettre le porte-manteau à l'arrêt sans que la pièce ne tombe.
Âge : 16-18
Voici une simulation à petite échelle du genre de séparateurs électromagnétiques utilisés dans l'industrie pour séparer les métaux non-ferreux des autres morceaux non métalliques. C'est une expérience qui peut être réalisée par l'enseignant.
électroaimant semblable à
ceux qui sont utilisés dans
l'industrie pour la séparation
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L'électroaimant traversé par le courant alternatif induit des courants turbulents dans les morceaux d'aluminium. Ceci les transforme en petits électroaimants, qui sont alors repoussés par le gros électroaimant et s'echappent du support en carton. Avec les morceaux non-métalliques, il n'y a pas de courants induits : ces morceaux restent sur le carton.
Il existe une version de cette expérience utilisant un tapis roulant, sur lequel sont disposés des morceaux métalliques ou non qui passent au-dessus de l'électroaimant. Ceci induit des courants turbulents dans les morceaux métalliques, qui se trouvent alors repoussés par le champ et éjectés du tapis, où ne restent que les morceaux non métalliques. Une école peut éventuellement construire une telle version afin de faire des démonstrations sur un mélange de papier et d'aluminium.
l'aimable autorisation de Keith
Gibbs
Âge : 11-18, selon la façon de présenter la théorie
Voici une façon utile d'illustrer l'une des idées de la relativité générale, avec l'aide d'un bouchon flottant dans un flacon d'eau suspendu par un ressort.
du ciel nocturne,
représentant un trou noir dix
fois plus massif que le Soleil,
vu d'une distance de 600 km.
La théorie d'Einstein sur la
relativité générale permet de
calculer les détails de la
structure d'un trou noir. Les
trous noirs sont des
distortions de l'espace-
temps, de volume nul et de
densité infinie
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Kraus; source: Wikimedia
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La profondeur à laquelle flotte le bouchon ou la paille dépend à la fois de son poids (et non de sa masse) et de la poussée d'Archimède exercée vers le haut. Cette poussée dépend du poids du volume d'eau déplacé. Ainsi, quand l'accélération subie par le flacon et le bouchon change, le poids du bouchon et la force de la poussée changent en proportions identiques ; par conséquent, la profondeur à laquelle flotte le bouchon reste inchangée lorsque le dispositif oscille.
Les objets subissant une accélération se comportent de la même façon que s'ils étaient dans un champ gravitationnel. Quand le flacon et le bouchon oscillent, ils subissent une accélération qui est due à la fois au champ de gravitation terrestre et au mouvement harmonique de l'oscillation.
Lorsque le flacon se déplace vers le haut, son accélération totale est plus grande que celle du champ gravitationnel terrestre ; lorsqu'il chute, elle est plus faible. Au cours du mouvement vers le bas, c'est comme si le flacon se trouvait sur la Lune, où le champ gravitationnel est plus faible que sur Terre.
C'est une démonstration très utile de l'équivalence entre champs gravitationnel et inertiel.
Les éditeurs de Science in School souhaitent remercier Catherine Cutajar et Gerd Vogt qui les ont aidés à sélectionner les expériences à inclure dans cet article.