Chantiers de Sciences

https://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/multimedia/programme_applets/e_lehre/dipolstrahlung/bilder_dipol/web_bilder_orig/dip_3h_pot_o.gif

[…] ce sont ses recherches en électromagnétisme qui font de Maxwell un des savants les plus célèbres du XIXe siècle. En se basant sur les travaux de Faraday, il introduit dès 1862 la notion de champ. Puis, il montre qu’un champ magnétique peut être créé par la variation d’un champ électrique. Son enseignement purement mathématique va alors lui permettre d’élaborer les célèbres équations différentielles décrivant la nature des champs électromagnétiques dans l’espace et le temps. Il les expose dans son Traité d’électricité et de magnétisme publié en 1873. Tout en élaborant les théories de l’électromagnétisme, Maxwell définit également la lumière en tant qu’onde électromagnétique et ouvre ainsi la voie aux recherches d’autres physiciens comme Heinrich Rudolph Hertz. […] « La vitesse des ondes électromagnétiques est presque celle de la lumière… ce qui donne une bonne raison de conclure que la lumière est en quelque sorte elle-même, une perturbation électromagnétique qui se propage selon les lois de l’électromagnétisme ».

http://www.astronoo.com/fr/biographies/james-clerk-maxwell.html

James Clerk Maxwell – 1831 – 1879

https://giphy.com/gifs/antique-d4DnMePboSYso

A propos des ondes électromagnétiques on trouvera ici sept études documentaires :

radiographie (rayons X) ; pet-scan (rayons g) ; mobile (téléphonie mobile) ; infrarouges (rayonnement thermique) ; cosmologie (rayonnement cosmologique fossile) ; ultraviolets (absorption des UV et couche d’ozone) ; ciel (couleur bleue du ciel et diffusion de Rayleigh).

Pour chaque étude il s’agit d’extraire et exploiter des informations  pour expliciter un processus et / ou valider des indications. Le travail est dans un premier temps individuel ; il est suivi d’une mise en commun en grand groupe sous forme d’animation tableauavec les mises au point et apports magistraux nécessaires.

On pourra également se reporter, sur ce même site, aux chantiers suivants :

fiat lux et relativite (1) pour l’historique des conceptions de la lumière ; quantique (1), ainsi que animations, pour le rayonnement thermique ; spectres pour l’émission de lumière ; numerisation (1) et numerisation (2) pour l’étude sur la téléphonie mobile.

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Tous les documents indiqués dans ce qui suit sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier ondes (3) – electromagnetiques).

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[1-radiographie.pdf]

[2-pet-scan.pdf]

[3-mobile.pdf]

[4-infrarouges.pdf]

[5-cosmologie.pdf]

[6-ultraviolets.pdf]

[7-ciel.pdf]

Les dossiers [documents-aides] contiennent un grand nombre de documents d’aide ou de complément :

Exemples :

[ondes electromagnetiques.pptx]

[decimal-binaire-numerisation.pptx]

[1-cnes.pdf]

[inserm.pdf]

Gravity Music Electronic Music for Studying

https://www.universalis.fr/encyclopedie/sons-production-et-propagation-des-sons/1-historique/

Les premières recherches concernant les phénomènes sonores datent du VI^e siècle avant l’ère chrétienne, époque à laquelle l’école pythagoricienne se pencha sur le fonctionnement des cordes vibrantes et construisit une échelle musicale. Par la suite, des réflexions et des observations visant à découvrir la nature du phénomène sonore se sont déroulées sur plusieurs siècles. L’idée que le son est un phénomène de nature ondulatoire naquit de l’observation des ondes à la surface de l’eau. (La notion d’onde peut être définie de façon rudimentaire comme une perturbation oscillatoire qui se propage à partir d’une source.) L’éventualité que le son possède un tel comportement fut énoncée notamment par le philosophe grec Chrysippe (III^es. av. J.-C.), par l’architecte et ingénieur romain Vitruve (I^er s. av. J.-C.) et par le philosophe romain Boèce (V^e s. apr. J.-C.). L’interprétation ondulatoire prit corps  également dans les réflexions du grec Aristote (IV^e s. av. J.-C.) qui énonça la génération du mouvement sonore de l’air par une source « poussant vers l’avant l’air contigu de telle manière que le son voyage… ».

Apollon

Quatre études à propos de sons et musique : niveau, musique, instruments, ultrasons.

Les documents de travail donnent les consignes (travail individuel ou en petit groupe).

Bien entendu les activités proposées supposent des phases de travail individuel puis en petit groupe et des échanges en grand groupe (animation tableau) et des mises au point magistrales en situation.

1. Niveau

Deux études pour aborder les notions d’intensité acoustique et de niveau d’intensité.

a) niveau : échelle logarithmique non additivité

b) isotonique : diagramme d’isotonie et publicité

Documents de travail : [niveau.pdf] ; [isosonique.pdf]

Aide : [intensite-niveau.pptx] ; [logarithme.pdf]

2. Musique

Deux études à l’aide de logiciels d’analyse et traitement sonore  Acquisonic et Audacity : tutoriels dans [logiciels-son]).

a) flute (analyse spectrale ; spectre, fondamental, harmonique ;  hauteur et timbre d’un son musical)

b) caractéristiques (comparaison de 5 sons, sous forme d’évaluation de compétences expérimentales)

Documents de travail : [1-musique-flute.pdf] ; [2-musique-caracteristiques.pdf]

Aide : [hauteur-timbre.pdf]

Et compléments : [grave-medium-aigu.pdf] ainsi que des animations pour la transformée de Fourier dans le dossier [fourier]

3. Instruments

Les ondes stationnaires permettent d’interpréter la production d’une note par un instrument à corde ou à vent.

Documents de travail : [1-instruments.pdf] ; [2-violon.pdf] ; [3-flute-pan.pdf]

Aides : [ondes-stationnaires.swf] ; [ondes-stationnaires.pdf] ;  [ondes-stationnaires.pptx] ; [vocabulaire.pdf].

Et compléments : [violon-bac.pdf] ; [flute-pan-bac.pdf] (anciens  problèmes de bac).

4. Ultrasons

On détermine la fréquence et la célérité d’ultrasons. Deux versions sont proposées : élaboration et mise en œuvre de protocole, évaluation de compétences expérimentales. A l’occasion on travaille aussi la question des incertitudes : mesure, incertitude, notations scientifique, arrondissage, présentation d’un résultat.

Documents de travail : [1-ultrasons.pdf] et [2-ultrasons.pdf]

Aides : [incertitudes.pptx]; [incertitudes.pdf] ; [courbe-tendance.pptx] et diverses animations.

Divers problèmes sont aussi disponibles : dossier [problèmes] (anciens problèmes de bac).

Quelques idées générales sur les ondes

La grande vague de Kanagawa – 神奈川沖浪裏 – Katsushika Hokusai – 1830 ou 1831

https://fr.wikipedia.org/wiki/Onde

Il existe trois principaux types d’ondes. Les ondes mécaniques se propagent à travers une matière physique dont la substance se déforme. Les forces de restauration inversent alors la déformation. Par exemple, les ondes sonores se propagent via des molécules d’air qui entrent en collision avec leurs voisines. Lorsque les molécules entrent en collision, elles rebondissent aussi l’une contre l’autre. Cela empêche alors les molécules de continuer à se déplacer dans la direction de la vague.Les ondes électromagnétiques ne nécessitent pas de support physique. Au lieu de cela, elles consistent en des oscillations périodiques de champs électriques et magnétiques générés à l’origine par des particules chargées, et peuvent donc voyager à travers le vide. Les ondes gravitationnelles ne nécessitent pas non plus de support. Ce sont des déformations de la géométrie de l’espace-temps qui se propagent.

Cinq propositions d’étude sur le modèle ondulatoire (ondes mécaniques) : modèles, espace-temps, simulations, célérité, télémétrie.

Pour chaque thème le document [2-ondes.pptx] peut être utilisé comme aide et / ou pour une présentation en grand groupe.

1. Modèles

On compare ici, brièvement, les deux modèles fondamentaux de la physique : le mobile en mouvement et la propagation d’une onde.

Document de travail : [1-comparaison.pdf]

2. Espace-temps

On aborde ici la double représentation d’une onde, spatiale et temporelle.

Document de travail : [espace-temps.pdf]

3. Simulation

Un petit outil de simulation permet d’aborder là aussi la double représentation d’une onde avec vérifications numériques.

Merci à Yann Gelfert pour ses « Petits logiciels de physique chimie pour le lycée (2002) » – sous windows il faut VB6FR.dll dans windows/system…)

Documents de travail : [1-simulation-signal.pdf] puis [2-simulation-periodique.pdf]

4. Célérité

C’est une exploitation de vidéos (adaptée de http://www4.ac-nancy-metz.fr/physique/ancien_site/video/liste-ondes.htm) traitant de la célérités des ondes sur l’eau.

Documents de travail : [celerite.pdf]

Ce travail peut être prolongé par est [tsunami.pdf] (avec deux compléments : [tsunami.swf] et [tsunami-m6.avi]).

Une activité expérimentale classique, [1-protocole.pdf], complétée par une résolution de problème [chauve-souris.pdf]

Diverses animations sont disponibles ainsi que des problèmes (adaptés d’anciens problème type bac) : dossier [problèmes].

M. Berthelot dans son laboratoire de Meudon

Académie des sciences – Lundi 2 mars 1863

* Le terme « éther » était alors utilisé pour ester de la nomenclature actuelle.

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Tous les documents indiqués dans ce qui suit sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier syntheses organiques).

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Trois travaux expérimentaux classiques : oxydation de l’alcool benzylique en acide éthanoïque ; synthèse de l’éthanoate d’éthyle; synthèse de l’éthanoate de benzyle.

Les consignes de travail sont diverses : élaboration et réalisation de protocole, analyse d’une fiche de protocoles et mise en œuvre, exploitations
de résultats expérimentaux… Il s’agit classiquement de travaux en groupe de deux, avec éventuellement des mises au point en grand groupe sous forme d’animation tableau. La rédaction de rapport d’étude est évidemment souhaitable dans tous les cas.

1. Acide benzoïque

Documents de travail : [1-benzoique.pdf] et [2-protocole.pdf]

Compléments : [probleme-benzoique.pdf] ; [probleme-extraction.pdf]

2. Ethanoate d’éthyle

Document de travail : [1-ethanoate d’éthyle.pdf]

Compléments : [mecanisme.pdf] ; [spectres.pdf]

2. Ethanoate de benzyle

Documents de travail : [1-ethanoate-benzyle.pdf] et  [fiche-ethanoate-benzyle.pdf]

Divers documents complémentaires sont aussi disponibles : [extraction.pptx] ; [techniques-labo.pdf] ; [fiches-a-completer.pdf] ; [securite.pdf] ; [CCM.exe] (animation : http://www.multimania.com/mkriat) ; [securite.swf] (animation d’Adrien Willm) ; [cyclohexane-fiche-tox.pdf].

Des problèmes, adaptés d’anciens problèmes de bac, sont également proposés : dossier [problemes].

Evolutions et équilibres des systèmes
chimiques acido-basiques

Les travaux proposés concernent les évolutions de systèmes chimiques sièges de réactions acido-basiques avec la notion de constante d’acidité des couple acide-base. Il s’agit de protocoles expérimentaux élaborés à partir de prévisions théoriques.

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Tous les documents indiqués dans ce qui suit sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier evolution (4) acide-base).

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Pour chaque partie le document de travail donne les consignes de travail (ici pour des groupes de deux pour des travaux expérimentaux). A l’issu des phases de travail des mises au point en grand groupe sont effectuées sous forme d’animation tableau.Chaque activité peut évidemment donner lieu à la rédaction d’un rapport d’étude.

Document de travail : [1-ethanoique-Ka.pdf]

Documents d’aide : [Ka.pdf] ; [evolution-acide-base.pdf]; [avancement-1.pdf] ; [Ka.pptx] 

2. Solutions d’éthanoate de sodium

Document de travail : [2-ethanoate.pdf]

Documents d’aide : [avancement-2.pdf] 

2. Mélanges

Document de travail : [3-melanges.pdf]

Document d’aide : [evolution-acide-base.pdf]

Divers compléments sont également disponibles (dossier [complements])

Transformations forcées : électrolyses

La « Jamais-Contente »

https://fr.wikipedia.org/wiki/La_Jamais_contente

Camille Jenatzy fait des études d’ingénieur en électricité. Il s’intéresse à la traction électrique des automobiles, qu’il met en application dès 1898. […] Le record a été rendu possible par les deux moteurs électriques de marque Postel-Vinay, d’une puissance maximale totale de 50 kW (environ 68 chevaux), placés à l’arrière entre les roues. L’alimentation se faisait par batteries d’accumulateurs Fulmen (100 éléments de 2 V), qui représentaient près de la moitié du poids total de 1,5 t. Les moteurs étaient en branchement direct sur les roues arrière motrices. […] Le 29 avril 1899, sur la route centrale du parc agricole d’Achères, la vitesse atteinte fut de 105,88 km/h, pulvérisant ainsi le record du comte Gaston de Chasseloup-Laubat qui était de 92,78 km/h en date du 4 mars 1899.

Dans le thème évolution des systèmes chimiques on aborde ici les transformations forcées en oxydoréduction, les électrolyses et les applications au « accumulateurs et autres piles rechargeables.

On pourra consulter également sur ce même site les chantiers Affinage (affinage du cuivre) et Avogadro, ainsi que Dihydrogène (avec en particulier la photo-électrolyse).

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Tous les documents indiqués dans ce qui suit sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier evolution (3) electrolyse).

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Trois exemples sont proposés : pile et électrolyse ; électrolyse de l’eau ; électrolyse de l’iodure de zinc.

Pour chaque partie le document de travail donne les consignes de travail (ici pour des groupes de deux pour des travaux expérimentaux). A l’issu des phases de travail des mises au point en grand groupe sont effectuées sous forme d’animation tableau. Chaque activité peut évidemment donner lieu à la rédaction d’un rapport d’étude.

Document général : [0-electrolyse.pdf]

1. Pile et électrolyse

Document de travail : [1-pile-electrolyse.pdf]

2. Electrolyse de l’eau

Document de travail : [2-eau.pdf]

Document d’aide : [quantite-electricite.pptx]

3. Electrolyse de l’iodure de zinc

Document de travail : [3-iodure-zinc.pdf]

Compléments et prolongements :

Les accumulateurs : [accumulateurs.pdf]

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Un document sur les « batteries » Lithium-Ion.

Et des problèmes adaptés d’anciens sujets
de bac : dossier [problemes]

Exemple

Pile Daniell

https://sites.google.com/site/sharenergy/perspectives/pile-a-combustible/pac-complet

Il s’agit d’appliquer le critère d’évolution aux systèmes chimiques sièges de réactions d’oxydoréduction, en particulier les piles.

Pour chaque partie le document de travail donne les consignes de travail, individuel et / ou en groupe. A l’issu des phases de travail des mises au point en grand groupe sont effectuées sous forme d’animation tableau. Des synthèses magistrales concluront utilement chaque partie avec des supports tels que diaporama ou animation.

Document général : [0-evolution-redox-pile.pdf]

Première partie : évolution redox

Document de travail : [1-evolution-redox.pdf]

Document d’aide : [critere-evolution-redox.pdf]

Deuxième partie : pile

Document de travail : [2-evolution-pile.pdf]

On trouvera également le document d’aide [quantite-electricite.pdf] ainsi que le diaporama [pile.pptx] et encore l’animation d’Adrien Willm [pile.swf].