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Souris de laboratoire...

mis à jour le 31/10/14

Le numérique offre aux professeurs de physique-chimie d’indéniables plus-values pédagogiques, qui s’intègrent pleinement à l’enseignement expérimental auquel nous sommes tellement attachés. Démonstration par Xavier Camacho enseignant en terminale S.

Si Galilée avait possédé Excel…

La légende raconte que c’est à l’âge de 19 ans que Galilée (1564-1642) fit la démonstration du phénomène d’isochronisme des petites oscillations en mesurant, à l’aide de son propre pouls (!), la période des oscillations d’un lustre de la cathédrale de Pise. Il arrive ainsi à démontrer que la période des oscillations est donnée par la relation :

équation

 ℓ : longueur du pendule (m)

g : accélération de la pesanteur terrestre (m.s-2)

Moins géniale, mais tout aussi efficace que Galilée, un tableur de type Excel permet une exploitation graphique rapide des mesures expérimentales réalisées à l’aide d’un pendule simple équipé de différentes masselottes et d’un dispositif type rapporteur de mesure de l’angle initial θ0. Le tableur se révèle d’une aide précieuse pour réaliser une exploitation exhaustive – c’est assez rare pour être souligné – de cette expérimentation, réalisée dans le cadre d’une séance de travaux pratiques de terminale S, d’une durée de 2 heures.

Trois clics nous permettent ici d’étudier l’influence des différents paramètres (angle initial, longueur du pendule, masse) sur la période des oscillations. On remarquera la dépendance de la période T en fonction de la longueur ℓ du pendule. Néanmoins, les points obtenus ne sont pas modélisables sous la forme d’une fonction mathématique quelconque. D’où l’idée – à suggérer aux élèves à travers les documents fournis – d’étudier le comportement de T2 en fonction de ℓ.

Tous les collègues de l’enseignement scientifique le savent : la construction d’un graphique est pour de nombreux élèves un travail herculéen… Alors trois, imaginez ! L’outil informatique se révèle donc ici indispensable à notre quête d’isochronisme.

Un dernier effort digital permet d’égaler le génie. Excel nous confirme l’isochronisme des petites oscillations : nous voilà soulagés…

Notre tableur a même le bon goût de fournir l’équation de la modélisation – coefficient de corrélation compris – qui permet la prolongation classique de cette étude aboutissant à la détermination de l’accélération de la pesanteur terrestre, le célèbre g ! Inespéré…

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 … et Thomas Young une webcam

Le médecin et physicien anglais Thomas Young (1773-1829) a validé expérimentalement la nature ondulatoire de la lumière à travers la découverte des interférences lumineuses par l’expérience dite des trous d’Young en 1804 – c’est là sa principale contribution à la science. Mais quel professeur de physique ne s’est jamais arraché les cheveux en essayant de mesurer avec précision l’interfrange d’une figure interférentielle ? Là aussi, l’outil informatique apporte une aide spectaculaire. Développé dans le cadre du projet EU-HOU (Hands-On Universe, Europe), le logiciel SalsaJ (téléchargeable sur www.fr.euhou.net) permet aux élèves des lycées de s’initier au traitement et à l’analyse d’images en classe, et, dans notre cas, de réaliser l’étude du phénomène d’interférence avec une grande acuité.

Avec une webcam couplée à son logiciel d’acquisition 5, on obtient une figure d’interférence particulièrement propre, projetée sur une feuille de papier épais rouge montée sur support.

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Webcam couplée à son logiciel d'acquisition 

Après avoir tracé un trait étalon sur la feuille, on effectue une sélection d’image qui s’étend aux deux extrémités sombres limitant l’étalon de longueur. Cette sélection nous permet d’obtenir le tracé du profil spectral du trait étalon d’environ 3 cm. On peut ainsi définir une échelle qui donne la correspondance entre distance réelle (en centimètres) et nombre de pixels sur l’image.

S3

Interférence projetée sur une feuille de papier (acquisition d'image par la webcam)

Les pics d’absorption correspondent aux traits noirs de l’étalon de longueur, tracés au crayon à papier sur la feuille cartonnée servant d’écran de projection. On peut vérifier les valeurs correspondant aux pics d’absorption à l’aide d’un réticule. Dans cet exemple, les deux pics d’absorption sont situés à 172 pour le premier et à 394 pour le second, d’où une distance en pixels égale à 222 pixels pour 3 cm.

En sélectionnant la zone interférentielle, on obtient le profil spectral 9, qui permet de déterminer la valeur de l’interfrange i avec une précision inégalable manuellement.

La prolongation de cette activité consiste à vérifier la longueur d’onde du laser utilisé (d’où l’appellation de lambdamètre à interférences).

Le numérique au service de la chimie

L’enseignement de la chimie est traditionnellement un domaine propice à l’expérimentation réelle qui fait manipuler tous les outils du laboratoire : solutions, instruments de verrerie divers, appareils de mesure… Néanmoins, il existe de plus en plus de petits logiciels qui peuvent compléter très avantageusement cette approche expérimentale. Petite mosaïque de ces possibilités nouvelles…

Lire la suite de cet article paru dans le « Spécial Numérique éducatif » de la revue Technologie |Canopé| n°193 octobre 2014.

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