Un prof de physique plein de ressources Teach article

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.

Eau bouillante à basse pression

Âge : 13-15

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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.

Matériel

  • Un ballon de verre
  • Un bouchon avec deux trous
  • Un tube en verre dont le diamètre extérieur correspond à un trou du bouchon.
  • Un tube en caoutchouc à connecter au tube en verre
  • Un thermomètre pouvant se fixer dans l’autre trou du bouchon
  • Un bec Bunsen
  • Un support de laboratoire muni d’une pince
  • Un écran de sûreté
  • Un plateau
  • De l’eau

Protocole

  1. Enfilez le tube en caoutchouc à l’extrémité du tube en verre.
  2. Enfilez le tube en verre et le thermomètre dans les trous du bouchon, versez de l’eau froide dans le ballon jusqu’à un peu moins de la moitié, puis fermez le flacon avec le bouchon.
  3. Fixez la pince sur le tube en caoutchouc mais ne la serrez pas.
  4. Chauffez l’eau jusqu’à ébullition à l’aide du bec Bunsen.
  5. Serrez la pince et éteignez le bec Bunsen.
  6. Retournez le flacon et versez de l’eau froide par dessus.

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) !

 

Attention

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.

 

Théorie

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

Tableau 1 : Relation entre la pression de vapeur saturante de l’eau et la température
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

Méthode alternative

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.

Porte-manteau et mouvement circulaire

Âge : 14-18

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Gibbs

Ceci est une présentation simple de la force centripète.

Matériel

  • Un porte-manteau en fil de fer
  • Une lime métallique
  • Une petite pièce de monnaie

Protocole

  1. Tordez le porte-manteau de façon à former un carré.
  2. Limez le bout du crochet afin de l’applatir, puis tordez-le pour qu’il pointe vers le coin opposé du carré (voir schéma).
  3. Placez une petite pièce (5 ou 10 centimes d’euros) en équilibre sur le crochet.
  4. Passez un doigt dans le coin du carré opposé au crochet et faites tourner le porte-manteau en un cercle vertical. La pièce devrait rester en place.
Les amateurs de fêtes
foraines devraient remercier
la force centripète

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Théorie

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.

Séparateur électromagnétique

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.

Vue d’artiste d’un gros
électroaimant semblable à
ceux qui sont utilisés dans
l’industrie pour la séparation

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Matériel

  • Un électroaimant en forme de U avec un coeur de fer, pour obtenir une grande intensité de champ.
  • Un générateur de courant alternatif
  • Des petits morceaux d’aluminium (par exemple du papier d’aluminium)
  • Un morceau de carton fin
  • Des morceaux de papier

Protocole

  1. Placez le carton sur un bras de l’électroaimant, et posez dessus quelques morceaux d’aluminium et de papier.
  2. Branchez l’électroaimant sur le générateur de courant alternatif et délivrez le courant. Les morceaux d’aluminium seront éjectés du champ magnétique.

Théorie

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.

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l’aimable autorisation de Keith
Gibbs
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Bouchon flottant dans un flacon en chute

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.

Matériel

  • Un ressort en hélice attaché avec une ficelle à un flacon en plastique
  • Un bouchon ou une paille chargée de pâte à modeler (Plasticine®, par exemple)
  • De l’eau

Protocole

  1. Remplissez d’eau la moitié du flacon, ajoutez le bouchon ou la paille, et suspendez le dispositif au ressort.
  2. Soutenez le flacon, puis laissez-le tomber, suspendu au ressort. Le flacon et son contenu vont alors osciller dans un plan vertical (de haut en bas) mais le niveau de l’eau va rester à la même position à l’intérieur du flacon, et le bouchon ou la paille vont flotter au même niveau dans l’eau, en montée comme en descente.
Image simulée par ordinateur
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

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de Ute
Kraus; source: Wikimedia
Commons

Théorie

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.

Remerciements

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.

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Web References

  • w1 – Pour trouver davantage de matériel pédagogique (gratuit) réuni par Keith Gibbs, ou pour acheter les CD-ROMs, voir : www.schoolphysics.co.uk

Author(s)

Après avoir obtenu un diplôme de physique du University College London, au Royaume-Uni, Keith Gibbs est entré à l’Université de Cambridge pour y recevoir une formation d’enseignant (PGCE). Il a ensuite enseigné la physique dans quatre établissements différents à travers le Royaume-Uni, durant 36 ans, avant de prendre sa retraite en 2002.

Les idées présentées dans cet article ne sont que quelques-unes des plus de 700 idées et expériences conçues et rassemblées par Keith Gibbs au cours des ans, disponibles sur CD-ROM (actuellement vendu pour £10). Celles-ci, ainsi que des explications adaptées aux élèves de 11 à 19 ans, des animations, des plans de cours, des images et plus encore, sont disponibles sur un autre CD-ROM qui, une fois acheté (actuellement pour £35), peut être copié dans le cadre scolaire, et mis en ligne sur l’intranet de l’établissement. Voir le site internet Schoolphysicsw1.

Keith a écrit et contribué à de nombreux manuels scolaires de physique. Récemment, il a travaillé avec Pearson Education sur des animations pour des cours de physique de niveau avancé, et sur des projets pratiques pour les plus jeunes étudiants de physique.

Keith a aussi beaucoup voyagé afin de présenter sa collection d’expériences. Si vous êtes intéressé par sa visite, contactez-le en passant par le site internet Schoolphysicsw1.


Review

Les quatre expériences décrites dans cet article sont innovantes et utilisent du matériel qui se trouve facilement dans les salles de travaux pratiques. L’objectif, le matériel, le protocole et le schéma donnés pour chaque expérience donnent aux enseignant et aux élèves une compréhension directe des procédés et des théories impliquées. Il est aussi intéressant de connaître les expériences vécues par l’auteur et les résultats qu’il a obtenus à partir de ces présentations.

Les enseignants peuvent utiliser ces expériences pour un large éventail de sujets de physique et les adapter à des élèves d’âges différents, en développant plus ou moins les aspects théoriques. Elles peuvent être effectuées de façon à introduire un sujet de cours, ou durant l’exposé du cours, de façon à consolider les concepts avec des faits. Une discussion peut prendre place avec les élèves durant les investigations expérimentales, les incitant à faire des prédictions et à expliquer les observations.

Ces activités peuvent être pratiquées avec des élèves d’âges différents, selon le niveau de détail. L’activité sur l’eau bouillante peut être utilisée avec des élèves de 13 à 15 ans, pour discuter du point d’ébullition de l’eau ; avec des élèves de 16 à 19 ans, pour une leçon sur les lois des gaz. L’expérience du porte-manteau peut introduire le mouvement circulaire et la force centripète auprès d’élèves de 16 à 18 ans. Avec les 10-13 ans, l’activité sur le séparateur électromagnétique peut être utilisée dans un cours de science générale ou pour discuter des matériaux magnétiques ; avec des élèves de 14 ans et plus, cela peut illustrer un cours sur le magnétisme. Enfin, l’expérience avec le flacon oscillant peut être réalisée pour des élèves à partir de 16 ans afin d’enseigner le mouvement harmonique, la gravitation et l’inertie.

Ce genre d’expériences est idéal pour des élèves qui ont une mémoire visuelle, et qui comprendront et retiendront mieux la théorie en la voyant appliquée de façon concrète.


Catherine Cutajar, Malte




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