De quoi s’agit-il ?

Quantique (1) – Catastrophe UV

eclipse

En 1900, Lord John Rayleigh, en exploitant les lois qui régissent les ondes électromagnétiques, établit une loi qui permet de calculer, pour un corps chauffé, l’intensité lumineuse rayonnée suivant les différentes longueurs d’onde. Pour les radiations allant de l’infrarouge au vert, l’expérience corrobore la loi. Mais pour le bleu, pour le violet, et plus encore pour l’ultraviolet, l’expérience est en contradiction flagrante avec la théorie. Les équations prévoyaient en effet que l’intensité du rayonnement devait être extrêmement grande pour les petites longueurs d’onde. C’est cet échec que les physiciens ont appelé la «catastrophe ultraviolette».

Afin de surmonter cette «catastrophe», le physicien allemand Max Planck émet, quelques mois plus tard, une curieuse hypothèse : au lieu de considérer que les échanges d’énergie entre l’objet chauffé et le rayonnement qu’il émet se font de façon continue, Planck imagine qu’ils se font de façon discontinue, par paquets d’énergie. C’est comme si, au lieu de considérer que ces échanges d’énergie se faisaient à la manière d’un liquide s’écoulant d’un récipient à un autre, on remplaçait le liquide par des billes. Planck a appelé ces paquets d’énergie des quanta (au singulier : quantum) ; plus tard, on les appellera des photons. Ces paquets n’ont pas tous la même «grosseur» : pour chaque radiation, l’énergie contenue dans un photon est inversement proportionnelle à sa longueur d’onde dans le vide. Cette intrusion brutale de la discontinuité dans le bel enchaînement de la physique traditionnelle va semer le désarroi parmi les physiciens et chez Planck lui-­même. Elle lui paraît, au mieux, un artifice de calcul. S. Ortoli, J.-­P. Pharabod. Le cantique des quantiques.

 


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Max Planck (1858-1947)

 

Citations de Max Planck

« Une vérité nouvelle en science n’arrive jamais à triompher en convaincant les adversaires et en les amenant à voir la lumière, mais plutôt parce que finalement ces adversaires meurent et qu’une nouvelle génération grandit, à qui cette vérité est familière. » 

« L’échec de toutes mes tentatives pour sauter l’obstacle me rendit bientôt évident le rôle fondamental joué par le quantum élémentaire d’action dans la Physique atomique, et que son apparition ouvrait une ère nouvelle dans les sciences de la nature. »

« La vitesse de la lumière est à la théorie de la Relativité ce que le quantum élémentaire d’action est à la théorie des quanta : c’est son centre absolu. »

 

Anectode : Max Planck, alors qu’il ne « croit pas » aux atomes et à la physique statistique de Boltzmann, va tout de même, en désespoir de cause, utiliser ces modèles pour tenter de résoudre le problème de la « catastrophe ultraviolette ». Il introduit pour ce faire un artefact mathématique, qui n’a alors aucun sens physique pour lui, par l’intermédiaire d’une nouvelle constante h, dans la formule h ν. Mais pourquoi l’a-t-il appelé h ? Tout simplement pour traduire son désespoir d’alors car c’est l’initiale de « Hilfe ! » qui signifie en allemand « Au secours ! ». Cette formule h ν sera interprétée ensuite par l’idée que les échanges lumière matière ne peuvent se faire que par paquets déterminés, liés à la fréquence ν de l’onde électromagnétique concernée. Einstein l’interprétera ensuite par l’idée que la lumière elle-même est constituée de « particules », de paquets d’énergie de valeur h ν, qu’on appellera plus tard les photons.

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A la fin du XIXe siècle la physique classique comprenait : 

  • la mécanique newtonienne, Newton (1687) ;
  • l’électromagnétisme, Maxwell (1865) et Lorentz (1895) ;
  • la thermodynamique, Clausius (1850) et la physique statistique  Maxwell et Boltzmann (1877).

 Selon W. Thomson (dit Lord Kelvin) il n’y a alors que « deux petits nuages dans le ciel serein de la physique théorique » :

  • l’impossibilité d’interpréter le rayonnement thermique, qualifiée de « catastrophe ultraviolette » ;
  • le résultat négatif de l’expérience de Michelson et Morlay concernant la vitesse de la lumière.

Thomson laissait alors entendre que ces deux difficultés seraient bientôt résolues…

Ce fut bien plus radical : ces deux obstacles conduisirent aux deux bouleversements de la physique du début du XXe siècle avec la mécanique quantique d’une part et la mécanique relativiste d’autre part.

Le travail qui suit se propose d’appréhender la rupture épistémologique que va susciter la « catastrophe ultraviolette », sans toutefois traiter les développements mathématiques trop complexes.

 

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier quantique (1)).

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Consigne 1 individuel (5 min)

 

Comment expliquer que lorsqu’on chauffe fortement un morceau de fer il passe progressivement de la couleur rouge à la couleur jaune puis blanche ? Formulez vos hypothèses par écrit. 

 

Animation tableau pour expliciter les hypothèses et susciter les  précisions.

 


 

Consigne 2 en groupe (40 min)

 

Vous disposez d’un ensemble de ressources documentaires à partager et exploiter pour répondre au problème suivant :

A toute température un objet quelconque produit un ensemble de radiations (d’ondes électromagnétiques) dont le spectre est continu. L’intensité des radiations et leur spectre dépendent de la température. Ainsi à basse température on a émission d’infrarouge alors qu’à haute température il s’agit plutôt de lumière visible et d’ultraviolets.

Vous présenterez vos conclusions argumentées sous forme d’affiche.

 

Documents disponibles :

 

[rayonnement thermique.pdf] rayonnement thermique

[ondes electromagnetiques.pdf] ondes electromagnetiques ;

[corps noir.pdf] corps noir ;

[champ.pptx] ; [champ.pdf] champ ;

ainsi que la page web [animations pour quantique (1)] (5-spectre du corps noir)

 

corps noir

domaineschamp2

dip_3h_pot_o

http://www.en.didaktik.physik.uni-muenchen.de/multimedia/dipolstrahlung/index.html

 

Présentations de plusieurs affiches et animation tableau pour la mise au point.

 


 

Consigne 3 individuel puis en groupe (40 min)

 

Individuellement, réalisez les travaux proposés dans le document [vérifications.pdf] verifications
en utilisant [lois du corps noir.pdf] lois du corps noir. Mise en commun en groupe pour comparaison puis confrontation au corrigé [corrigé.pdf].

 ien

cata

planck w et rj

Discussion et magistral pour le bilan.

 

On peut insister en particulier sur les considérations épistémologiques : la construction des lois du corps noir sont essentiellement empiriques (on produit des relations mathématiques qui tentent de coller aux résultats expérimentaux). L’interprétation théorique dans le cadre classique est impossible car on ne peut alors envisager la discontinuité des échanges d’énergie.

corrige


 

Consigne 4 individuel  (30 min)

Exploitation de résultats expérimentaux historiques de Lemmer et Pringsheim (entre 1897 et 1899). Utilisez le document [experimentation.pdf] experimentation pour retrouver :

  • l’expression de la loi du déplacement de Wien (coefficient numérique) ;
  • l’expression de la loi de Stefan-Boltzmann (coefficient numérique) ;
  • dans quel domaine des ondes électromagnétiques sont effectuées les expériences.

Animation tableau pour la mise au point.


Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier quantique (1)).

docs1

docs2

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Animations pour quantique (1)

1-Charge radiante 

https://phet.colorado.edu/fr/simulation/legacy/radiating-charge

Charge radiante

2-Onde radio

https://phet.colorado.edu/fr/simulation/legacy/radio-waves

3-Onde électromagnétique (hertzienne) émise par une antenne dipôle

https://fr.wikipedia.org/wiki/Antenne_radio%C3%A9lectrique

Dipole_xmting_antenna_animation_4_408x318x150ms

http://www.en.didaktik.physik.uni-muenchen.de/multimedia/dipolstrahlung/index.html

dip_3h_pot_o

4-Réception d’une onde électromagnétique par une antenne

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Dipole_receiving_antenna_animation_4_616x380x150ms.gif

Dipole_receiving_antenna_animation_4_616x380x150ms

 

5-Spectre du corps noir

https://phet.colorado.edu/fr/simulation/legacy/blackbody-spectrum

 

Atomisme (4) – Entropie

Physique statistique, entropie et irréversibilité.

La flèche du temps fait partie de notre expérience sensible et nous en faisons l’expérience chaque jour : les miroirs brisés ne se recollent pas, les êtres humains ne rajeunissent pas, et les cernes croissent sans cesse dans les troncs des arbres… En somme, le temps s’écoule toujours dans le même sens ! Pourtant, les lois fondamentales de la physique classique ne privilégient aucune direction du temps et obéissent à une rigoureuse symétrie entre passé et futur. […] Depuis Boltzmann, la physique statistique avance une […] explication : la flèche du temps traduit un flot constant des événements moins probables vers les événements plus probables.

Cédric Villani. (Ir)réversibilité et entropie. Séminaire Poincaré XV. 2010.

L’entropie est l’élément essentiel introduit par la thermodynamique, la science des processus irréversibles, c’est-à-dire orientés dans le temps. Chacun sait ce qu’est un processus irréversible. On peut penser à la décomposition radioactive, ou à la friction, ou à la viscosité qui ralentit le mouvement d’un fluide. Tous ces processus ont une direction privilégiée dans le temps, en contraste avec les processus réversibles tels que le mouvement d’un pendule sans friction. […] Les processus macroscopiques, tels que réactions chimiques et phénomènes de transport, sont irréversibles. Le rayonnement solaire est le résultat de processus nucléaires irréversibles. Aucune description de l’écosphère ne serait possible sans les processus irréversibles innombrables qui s’y déroulent. Les processus réversibles, en revanche, correspondent toujours à des idéalisations : nous devons négliger la friction pour attribuer au pendule un comportement réversible, et cela ne vaut que comme une approximation.

Ilya Prigogine. La fin des certitudes.

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Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS(dossier atomisme (4)).

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Document général : [0 atomisme-4.pdf]

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Consigne 1 individuellement (5 min)

Supposons une équipe de foot (11 joueurs) en action et un bataillon de 11 militaires en ordre de marche. Quel est le système le plus ordonné ?

foot

Animation tableau pour recueillir et discuter les propositions.

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Consigne 2 individuellement puis en groupe (30 min)

En physique statistique la mesure du désordre d’un système correspond au nombre de façon de réaliser l’état du système à partir de ses constituants. Plus ce nombre est grand plus le système est désordonné. Ce nombre est appelé nombre de complexions et noté Ω.

En thermodynamique on définit une grandeur physique, l’entropie notée S, dont Boltzmann a donné l’interprétation statistique, en relation avec ce nombre de complexions : voir le document [entropie.pdf] entropie

entropie

Reprenons les exemples précédents. 

Document disponible :[combinatoire.pdf] combinatoire

combinatoire

Quel est le nombre de façons de réaliser le bataillon de militaires en supposant que les militaires sont interchangeables (sauf le capitaine) ? 

Quel est le nombre de façons de réaliser l’équipe de foot en supposant que les joueurs ont chacun un rôle précis et donc ne sont pas interchangeables ?

Animation tableau et discussion.

Foot :  une seule façon de réaliser l’équipe si on considère que les joueurs ne sont pas interchangeables Ω = 1. Militaires : 10 militaires interchangeables donc (10!) façons de réaliser le bataillon (c’est un calcul de permutation) ; Ω = 10! = 3 628 800. Le bataillon est donc beaucoup plus désordonné que l’équipe de foot qui, elle, est très organisée.

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Consigne 3 individuellement puis en groupe (50 min)

Une situation classique : la « détente de Joule – Gay-Lussac » 

Supposons deux compartiments : l’un (à gauche) contient un gaz, l’autre est vide. Si on les met en communication le gaz va se répandre irréversiblement dans les deux, par le jeu des mouvements moléculaires. La probabilité pour que la totalité du gaz se retrouve dans l’un des compartiments seulement est nulle (ou presque…) !


detente1

Utiliser le document de travail [detente.pdf]detente

Traiter le problème avec le tableur[probabilité.xlsx].

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Rédiger une affiche avec vos premières conclusions.

proba1

Lorsque vous aurez accès aux résultats [probabilite corrige.xlsx]comparer les résultats pour 20 et 1000 molécules et compléter l’affiche avec vos conclusions. Que se passe-t-il pour un nombre de molécules de l’ordre de la Constante d’Avogadro (6,02 x 1023) ?

 

Affichage et présentations de plusieurs affiches.

Animation tableau pour la mise au point.

On constate évidemment que la probabilité maximum correspond à un nombre égal de molécules dans les deux compartiments. Plus le nombre de molécules est grand, plus les fluctuations sont faibles, et sont totalement négligeables pour un nombre de molécules de l’ordre de grandeur de la !constante d’Avogadro.

Magistral. Physique statistique et entropie statistique. Irréversibilité et flèche du temps.


Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier atomisme (4)).

docs


Atomisme (3) – Chaos

Théorie cinétique des gaz

ou

comment décrire le chaos

Translational_motion

https://fr.wikipedia.org/wiki/Th%C3%A9orie_cin%C3%A9tique_des_gaz#/media/File:Translational_motion.gif          Animation montrant l’agitation thermique affectant les molécules d’un gaz. Cinq d’entre  elles sont colorées à seule fin de suivre plus facilement leur mouvement individuel. A. Greg (Greg L at English Wikipedia).


  

Francis Bacon (1561 – 1626) : l’essence même de la chaleur c’est le mouvement et rien  d’autre chose. […] La chaleur est un mouvement expansif […] qui opère dans les molécules du corps. 

René Descartes (1596 – 1650) : la quantité de chaleur qu’un corps dégage est la diminution de quantité de mouvement qui anime les petites parties de ce corps.

 

Robert Boyle (1627 – 1691) : la chaleur est le résultat d’un mouvement des constituants des matériaux et que ce mouvement devient plus important à mesure que la chaleur s’amplifie, ce mouvement étant désordonné.

 


 

800px-HYDRODYNAMICA,_Danielis_Bernoulli

En 1738 Daniel Bernoulli (1700 – 1782) publie Hydrodynamica. Il formule l’hypothèse qu’un gaz est constitué d’un très grand nombre de « molécules » se déplaçant dans toutes les directions, alors que les concepts d’atome ou de molécule ne sont pas encore admis à l’époque. Il considère que la pression d’un gaz est due aux chocs de ces molécules sur les parois du récipient qui le contient et que la température correspond à l’énergie de leur mouvement.


La théorie cinétique des gaz est attribuée à James Clerk Maxwell (1859) et Ludwig Boltzmann (1880). C’est une description mathématisée qui permet de relier les propriétés macroscopiques d’un gaz aux mouvements des « molécules » qui le constitue, à partir de deux idées initiales :

 l’agitation moléculaire : les molécules de gaz se déplacent librement dans tout le volume et subissent des chocs (des molécules entre elles ou des molécules contre les obstacles) qui modifient leur trajectoire ;

   le chaos moléculaire : la trajectoire d’une molécule est une marche au hasard.

 

JCMaxwell

Maxwell

Boltzmann2

 Boltzmann

 

Selon Boltzmann, «dire que la théorie moléculaire n’a qu’une valeur historique, serait comme si un machiniste disait que l’organisation interne de sa machine n’a qu’une valeur historique» [Boltzmann 1903-1906, 295]. Il a, effectivement, toujours défendu l’idée que la physique et la science en général ne doivent pas s’efforcer simplement de sauver les phénomènes, mais également de comprendre les mécanismes internes qui sont responsables de leur occurrence et des lois de leur enchaînement. Mais les meilleures théories ne sont jamais que des images hypothétiques, que nous ne devons pas confondre avec la réalité elle-même.

JACQUES BOUVERESSE. La philosophie naturelle de Boltzmann. Philosophia Scienciae, tome 3, n°2 (1998-1999), p. 9-30

 

Boltzmann n’a jamais affirmé de façon inconditionnelle la réalité des atomes, mais n’a jamais non plus complètement nié leur existence. Il considérait les « images » atomiques comme des idéalisations utiles qui n’ont pas à correspondre entièrement à la réalité. À partir des années 1890, il a insisté de plus en plus sur les vertus pratiques de l’atomisme. Ainsi souligna-t-il à plusieurs reprises que l’usage d’images mécaniques est plus fécond heuristiquement que celui d’images électromagnétiques ou énergétistes. Dans cette perspective pratique, les atomes lui apparaissaient comme des images indispensables.

Anouk Barberousse. Ludwig Boltzmann, les théories physiques et les atomes. Institut d’Histoire et de Philosophie des Sciences et des Techniques, CNRS, Université Paris 1, ENS, Paris.

 


Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier atomisme (3)).

 


 

Consigne 1 individuellement(10 min)

Que se passe-t-il, pour un gaz, lorsqu’on lui fournit de la chaleur et que sa température augmente ? Expliquer par écrit.

Animation tableau pour la mise en commun.


 

Consigne 2 individuel puis en groupe(40 min)

Exploitation du document [capacité thermique molaire.pdf] capacité thermique molaire pour retrouver une valeur approximative de la constante de Boltzmann. Produire une affiche présentant la méthode et les résultats (utilisation possible d’un tableur).

capa thermique

liberté

Présentations de plusieurs affiches (ou pages de tableur) et discussion.

Corrigé : [corrigé.xlsx] ou [corrigé.pdf] corrigé

tableur

Lectures complémentaires :

Documents : [complications.pdf] complications

cv

Degrés de liberté :

http://www.unice.fr/cdiec/cours/infra_rouge_FT/apprendre/ir_1/ir_1_07.htm

            

           Historique : [historique.pdf] historique

 


 

Consigne 3 individuel puis mise au point en groupe (30 min)

Voir document de travail : [vitesse.pdf] vitesse

Vitesse quadratique moyenne des molécules. On trouve dans une publication les résultats suivants :

vitesseshttp://lphe.epfl.ch/~mtran/phy_gen_B/Cours/Phys_214.pdf

Elaborer une méthode et l’exploiter pour vérifier ces résultats.

On pourra s’aider du document [capacité thermique.pdf] indiqué plus haut et des indications suivantes :    v2 = vx2 + vy2 + vz   ;  pour chaque degré de liberté de translation (x, y, z) l’énergie cinétique moyenne est égale à ½ kB T ;  constante de Boltzmann : kB = 1,381 × 10−23 J K−1   ;   constante d’Avogadro : NA = 6,022 × 1023 mol−1

           Corrigé : [corrige vitesse.xmlx] ou [corrige vitesse.pdf] corrige vitesse

corrige vitesse


 

Consigne 4 individuel puis mise au point en groupe (30 min)

Interprétation de la pression avec la théorie cinétique des gaz : il s’agit de compléter le document [pression.pdf]  pression de façon à retrouver l’équation des gaz parfaits.

           Extrait :

extrait pression

Corrigé : [pression corrige.pdf] pression corrige

extrait corr


 

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Atomisme (2) – Chaleur

Température, chaleur et controverses historiques

thermscope galilée

Thermomètres à spirale (XVIIe siècle, copies)

thermometres

Echelles thermométriques de l’Accademia del Cimento (fondée à Florence en 1657 par Léopold de Médicis et le Grand-duc de Toscane Ferdinand II de Médicis).


Les querelles scientifiques sur les questions de l’atomisme, donc l’existence des atomes, ont durée 100 ans, tout au long du XIXe siècle. En chimie d’abord, avec la ferme opposition des « équivalentistes » pour lesquels on doit s’en tenir strictement à l’expérience : « si j’en étais le maître, j’effacerais le mot atome de la science, persuadé qu’il va plus loin que l’expérience ; et jamais en chimie nous ne devons aller plus loin que l’expérience » (DUMAS Jean-Baptiste).

En physique aussi le positivisme dominant fait que le modèle atomique a du mal à voir le jour. Au siècle précédent deux conceptions s’opposaient déjà sur la conception de la chaleur : le substancialisme (chaleur = calorique) et le mécanisme (chaleur = mouvement d’agitation). Maxwell et Boltzmann vont pourtant développer une modélisation mathématisée de la structure moléculaire des gaz, la théorie cinétique, qui finira par s’imposer et constituera les bases de la physique statistique.


 

Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier atomisme (2)).

 


 

Consigne 1 individuellemen(5 min)

Situation : un morceau de fer et un morceau de bois sont placés côte à côte sur une table ; vous touchez de la main successivement le morceau de fer et le morceau de bois. Que constatez-vous ? Formulez par écrit vos observations.

 

fer-bois


Lecture du document :[température.pdf] température


 

Consigne 2 en groupe (45 min)

Interprétation de la situation initiale : comparer les écrits précédents et rédiger une explication avec schémas sur une affiche, en utilisant les termes température, énergie thermique et chaleur.

Affichage et présentation de plusieurs affiches.

Animation tableau et discussion. Mise au point de la distinction entre température, énergie thermique et chaleur.

 

Les deux objets ont la même température (égale à la température ambiante) pourtant le morceau de fer paraît plus « froid » que le morceau de bois. La sensation n’est pas due seulement à la différence de température entre la main et l’objet. Elle est liée au transfert d’énergie thermique (chaleur) qui résulte de cette différence de température. Ce transfert est plus important dans le cas du fer car il a une meilleure conductivité thermique que le bois.

 


 

Consigne 3 individuellement(30 min)

Controverses historiques : chacun reçoit un texte (ou un groupe de texte) avec pour mission d’en extraire l’idée principale et de la présenter très brièvement.

Textes :

[anti-atomisme.pdf] anti-atomisme

[atomisme.pdf] atomisme

[boltzmann 1.pdf] boltzmann 1

 [boltzmann 2.pdf] boltzmann 2

[boltzmann 3.pdf] boltzmann 3

[calorique 1.pdf] calorique 1

 [calorique 2.pdf] calorique 2

[energetisme.pdf] energetisme 

[mecanisme.pdf] mecanisme

[positivisme 1.pdf] positivisme 1

[positivisme 2.pdf] positivisme 2

[substancialisme.pdf] substancialisme

 Animation tableau pour la reprise des propositions et la synthèse des polémiques historiques autour des concepts d’atome (ou molécules) et de chaleur.

Les oppositions majeures :

Chaleur = fluide calorique (substancialisme) / mouvement moléculaires (mécanisme)

Atomisme (matière) / énergétisme (énergie)

Atomisme / positivisme (seule l’expérience importe) et phénoménisme.

 


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textes


Atomisme (1) – Zéro absolu

Lois des gaz et Zéro Absolu

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Description de la montgolfière de 1783 des frères Montgolfier : partie supérieures ornée de fleurs de lys avec en dessous les douze signes du zodiaque en couleur d’or sur un fond peint bleu azur, au milieu des chiffres de Louis XVI, les deux L entrelacés, quatre fois répétés et entremêlés de soleils éclatants et le bas garni de mascarons, de guirlandes et d’aigles à ailes déployée. Michel Faure, Les frères Montgolfier et la conquête de l’air, Edisud, 1983, p. 89      https://fr.wikipedia.org/wiki/Fr%C3%A8res_Montgolfier

 


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Consigne 1 individuellement (5 min)

 

Les gaz (l’air par exemple) sont compressibles : schématiser la structure d’un gaz au niveau microscopique.

 

Problème du continu ou discontinu : si « c’est plein » on peut difficilement envisager la compressibilité. Donc l’hypothèse de la structure « molécules séparées en mouvement » semble intéressante.


 

Consigne 2 en groupe (40 min)

 

Comparer les schémas précédents et s’accorder sur un modèle commun.

 

Produire une affiche à partir des problématiques suivantes :

problematiques

 

Présentation des affiches et discussion : mise au point d’un modèle cohérent.

 

On suppose que la pression est due aux chocs des molécules sur les parois du récipient : si le volume diminue la pression augmente (à température constante) car les molécules sont plus proches et les chocs sur les parois sont plus nombreux donc la pression augmente. A volume constant si la température augmente la pression augmente ; en effet les molécules ont des mouvements plus rapides donc les chocs sur les parois sont plus nombreux et plus violents.


 

Consigne 3 individuellement et comparaison en groupe(30 min)

 

Traduire mathématiquement les relations précédentes.

 

Animation tableau pour recueillir et discuter les propositions.

 


 

Consigne 4 individuellement (30 min)

 

Lecture de documents :

[mariotte.pdf] mariotte

[gay-lussac charles.pdf] gay-lussac charles

[loi des gaz.pdf] lois des gaz 

 

Comparaison avec les formulations proposées précédemment.

 Montrer que la loi des gaz parfaits est cohérente avec les divers énoncés de lois.

 

 

mariotte

 

Synthèse magistrale (on souligne en particulier le problème de la définition de la température dans la loi des gaz parfaits).

 Complément de lecture : [avogadro.pdf] avogadro

 

avogadro


Consigne 5 en groupe (1h30)

 

Travaux expérimentaux : vérification de la loi de Gay-Lussac et détermination du « zéro absolu ». Élaborer et mettre en œuvre le protocole à partir du matériel fourni ; traiter les résultats sous tableur et déterminer le « zéro absolu ».

 

protocole

 

Lecture du document : [zero-absolu.pdf] zero-absolu  et élaboration du rapport expérimental par écrit.

 


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docs


La couleur d’une orange (2)

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Les documents proposés sont des supports pour une conférence présentée en Andorre le lundi 6 novembre 2017. Il s’agit d’un contenu vulgarisé, accessible au grand public et évidemment non exhaustif  sur l’interprétation de la couleur du point de vue des sciences physiques.

On montre que, contrairement au sens commun, la couleur n’est pas la propriété de l’orange mais résulte d’un processus. On en développe les éléments principaux, avec quelques détours historiques et des approches très succinctes des mécanismes quantiques.  

 


Les documents sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier la couleur d’une orange (2)).

 


 Un objet a t-il une couleur quand on ne le regarde pas ? À cette question du philosophe, le physicien répond que non seulement un objet n’a pas de couleur quand on ne le regarde pas, mais qu’il n’en a pas plus quand on le regarde. La couleur n’est pas une pellicule posée sur l’objet, c’est une sensation construite dans le cerveau de l’observateur. De surcroît, une couleur n’est jamais isolée : elle est toujours vue dans un environnement qui en altère la perception. Les peintres savent depuis longtemps que des couleurs juxtaposées seront perçues différemment, et ils jouent des « concordances » ou « dissonances » colorées.

   http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/doschim/decouv/couleurs

 


La lumière qui rentre dans l’œil va engendrer une cascade de phénomènes physico-chimiques, qui finissent par envoyer dans la conscience tout à fait autre chose que la lumière entrante. La  couleur ce n’est pas la longueur d’onde. La couleur est le résultat d’une élaboration complexe, et appartient par ses propriétés à un espace mental tout à fait différent de l’espace physique. 

Simon Diner Art et science de la couleur.

 


Diaporama principal de la conférence

couleur.pptm  (disponible à l’adresse indiquée plus haut)

Aperçu en .pdf : couleur  et texte de la conférence en .docx :  texte conférence

Notes : les premières diapositives  (blanche, rouge, verte, bleue, orange) servent à éclairer, dans l’obscurité, le panneau ci-dessous afin d’observer les variations de couleur. 

14 conf

Les diapositives 23 et 26 comportent des animations flash (couleurs_ecran.swf et couleurs et filtres.swf) qui sont utilisables directement dans le diaporama, à condition que les fichiers soient dans le même dossier et si les contrôles sont activés.

D’autres diaporamas sont disponibles dans le dossier diapos complémentaires.

Interview Alliance Franco-andorrane – Ràdio Nacional d’Andorra : 


Extraits du diaporama principal

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Les documents sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier la couleur d’une orange (2)).

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Maria Skłodowska Curie

 

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Le rouge à lèvres au thorium et radium (1930)


Des rayons uraniques au Radium.

 

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Le 10 décembre 1903, Marie Skłodowska Curie reçoit avec son mari Pierre Curie et Henri Becquerel, le prix Nobel de physique « en reconnaissance de leurs services rendus, par leur recherche commune sur le phénomène des radiations découvert par le professeur Henri Becquerel ». Elle est la première femme à recevoir un prix Nobel.

Le 10 décembre 1911, elle reçoit son second Prix Nobel « en reconnaissance des services pour l’avancement de la chimie par la découverte de nouveaux éléments : le radium et le polonium, par l’étude de leur nature et de leurs composés ».

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Maria Skłodowska   et  Pierre Curie.


Le travail proposé porte sur les travaux de Marie Curie : l’étude de la radioactivité de l’uranium et du thorium et la découverte du radium et du polonium. Il est utilisable en classe de Première S (support ou prolongement de cours ou encore accompagnement…). Il peut donner lieu à une activité de groupe et / ou individuelle.


Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier marie curie).


 

Le document principal [marie.pdf] marie comporte les consignes de travail et des liens (accessibles lorsque le document est téléchargé) vers les documents annexes ou animations .

Extraits

uranium thorium

elements

extraction

Documents annexes : cristal ; flamme ; rayonnements

Animations et vidéos : voir à l’adresse DOCS (dossier marie curie)

et un montage vidéo : [marie.mpg]


Autres documents disponibles : histoire atome ; solvay ; stucture atome

atome

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5e Congrès Solvay, octobre 1927, sur le thème « Électrons et photons ». Une seule femme : Marie Curie.


Creme-Alpha-Radium-no-date

A propos de l’histoire des cosmétiques radioactifs, un article de Cécile Raynal et Thierry Lefebvre  

http://www.observatoiredescosmetiques.com/pro/actualite/leffet-miroir/tho-radia-lhistoire-dune-gamme-au-dela-de-la-cosmetique-2436


Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier marie curie).

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Air

air et eau

L’étude de l’air permet de construire et exploiter le modèle atomique et moléculaire de la matière. On a subdivisé le chantier en 7 étapes (de une heure à une heure et demie chacune).

Pour chacune d’elle les consignes de travail donnent lieu d’abord à un travail individuel (par écrit), puis une production en groupe (sous forme d’affiche à présenter par exemple). Enfin une mise en commun en classe entière (des hypothèses, des résultats et des nouvelles questions) est réalisée sous forme d’animation tableau. Les apports magistraux de l’enseignant cristallisent alors les savoirs, aux moments opportuns.

 mouvements moleculaires

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Tous les documents sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier air)

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Document général : [0 air.pdf]

 

Air-1 Présence de l’air et pression de l’air : [air-1.pdf]

 

Il s’agit d’interpréter l’expérience de Magdebourg et au exemple pour dégager l’idée de pression de l’air. 

 

guericke

hemisphères

observations


 

Air-2 Mesure de la masse volumique de l’air : [air-2.pdf]   

 

Elaboration d’un protocole (deux options sont possibles) puis réalisation et traitement des résultats.

 mesure

 


 

Air-3 Lavoisier et la composition de l’air : [air-3.pdf]     

 

Analyse de document pour dégager les idées principales : l’air est un mélange de deux gaz. On peut compléter avec observation de la combustion dans dioxygène pur (si on dispose d’une bouteille ou si on le produit avec permanganate). On peut aussi utiliser la réaction d’oxydation du fer à froid (préparée une semaine à l’avance).

 lavoisier1

lavoisier

lavoisier2

 


 

Air-4 Structure de l’air : [air-4.pdf]  

 

Compressibilité ; structure moléculaire ; comparaison avec liquide et solide ; corps pur et mélange.

 

 

structure

dalton turner

atomes dalton 2

 


 

Air-5 Modèle de l’air : [air-5.pdf]    

 

A partir de l’idée de structure moléculaire on précise la composition de l’air et on interprète la pression et la température.

 

modele

 

 


 

Air-6 Structures et classement : [air-6.pdf]   

 

Corps simples et composés ; corps purs et mélanges.

 

classement

air eau

 


 

Air-7 Etats physiques : [air-7.pdf]   

 

Il s’agit d’interpréter les effets de la température et de la pression (au niveau moléculaire). Et pour finir on interroge les limites du classement solide – liquide – gaz.

 

etats2

etatstemperature


Compléments: 

Diapos : [atome.pptx] ;

diapo

 

Simulation : [eau.mov].

 

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Tous les documents sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier air)

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Tout se transforme

 portraitMarie-Anne Paulze et Antoine Laurent Lavoisier en 1788 par David. Metropolitan Museum of Art de New York.

 

 


 

« Rien ne naît ni ne périt, mais des choses déjà existantes se combinent, puis se séparent de nouveau »Anaxagore. (500 – 428 av. J.C.).

 

 

[…] car rien ne se crée, ni dans les opérations de l’art, ni dans celles de la nature, et l’on peut poser en principe que, dans toute opération, il y a une égale quantité de matière avant et après l’opération ; que la qualité et la quantité des principes est la même, et qu’il n’y a que des changements, des modifications. 

C’est sur ce principe qu’est fondé tout l’art de faire des expériences en Chimie : on est obligé de supposer dans toutes une véritable égalité ou équation entre les principes du corps qu’on examine, & ceux qu’on en retire par l’analyse. Ainsi puisque du moût de raisin donne du gaz acide carbonique & de l’alkool, je puis dire que le moût de raisin = acide carbonique + alkool

[…] En effet, comme je l’ai déjà indiqué au commencement de cet article, je puis considérer les matières mises à fermenter et le résultat obtenu après la fermentation comme une équation algébrique ; et, en supposant successivement chacun des éléments de cette équation inconnus, j’en puis tirer une valeur et rectifier ainsi l’expérience par le calcul, et le calcul par l’expérience. J’ai souvent profité de cette méthode pour corriger les premiers résultats de mes expériences, et pour me guider dans les précautions à prendre pour les recommencerLavoisier. Traité élémentaire de chimie – 1789.

 

 

http://www.cnrs.fr    Le laboratoire de l’Arsenal. A partir de 1776 Lavoisier, devenu régisseur des poudres et salpêtres, occupe de somptueux appartements dans l’hôtel des Régisseurs situé au Petit Arsenal, non loin de la Bastille. Il y aménage sous les combles un vaste laboratoire, l’un des mieux équipés d’Europe. Sa fortune personnelle et ses traitements de fermier général et de régisseur lui procurent l’argent nécessaire à l’achat d’instruments très fiables qu’il fait construire sur mesure par les meilleurs artisans : gazomètres, balances de précision, séries de poids, baromètres. Ces instruments vont lui permettre de faire des mesures très fines, de peser les éléments mis en jeu avant et après chaque expérience, et d’arriver ainsi à la confirmation de la loi de la conservation de la matièreLavoisier, le parcours d’un scientifique révolutionnaire.

 

 

[…] les faux jugemens que nous portons, n’intéressent ni notre existence, ni notre bien-être ; aucun intérêt physique ne nous oblige de nous rectifier : l’imagination au contraire qui tend à nous porter continuellement au-delà du vrai ; l’amour-propre & la confiance en nous-mêmes, qu’il sait si bien nous inspirer, nous sollicitent à tirer des conséquences qui ne dérivent pas immédiatement des faits : en sorte que nous sommes en quelque façon intéressés à nous séduire nous-mêmes. Il n’est donc pas étonnant que dans les sciences physiques en général, on ait souvent supposé au lieu de conclure ; que les suppositions transmises d’âge en âge, soient devenues de plus en plus imposantes par le poids des autorités qu’elles ont acquises, & qu’elles ayent enfin été adoptées & regardées comme des vérités fondamentales, même par de très-bons esprits. Lavoisier. Discours préliminaire – Traité élémentaire de chimie – p. V – 1789.

 

 

rien ne se2

Traité élémentaire de chimie – Lavoisier – 1789

 

19885cnam

Grande balance de précision utilisée par Lavoisier

(Photo CNAM – Musée des Arts et Métiers)


Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS(dossier tout se transforme)

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On propose ici 6 extraits du Traité élémentaire de chimie de Lavoisier pour 6 travaux de vérification. Les consignes de travail sont précisées en tête des documents. Le contenu est accessible dès la classe de seconde (équations de réaction, calculs avec les masses molaires…).

 

[combustion-1.pdf]

[combustion-2.pdf]

[combustion-3.pdf]

[eau-1.pdf]

[eau-2.pdf]

[eau-3.pdf]

planche2

Traité élémentaire de chimie – Lavoisier – 1789

Voir aussi pour les conversions d’unités utilisées à l’époque :

[unités.pdf]

unites


Extraits.

 

combustion1

combustion12p4o10phosphorehttp://www.chim.lu/ch0060.php

planche3
Traité élémentaire de chimie - Lavoisier - 1789

eau1

eau3

eau32


 

A voir absolument.

 

CNRS : http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/doslavoisier/index.htm

 

 

musée

 

En apprenant aux chimistes l’usage de la balance, du thermomètre, du baromètre et du calorimètre […] Lavoisier leur a ouvert des routes inconnues qui conduisent sûrement à la vérité. Pasteur. Éloge de Lavoisier. 1836.

 

Divers documents sont également disponibles dans le dossier [documents] (voir ci-dessous)


Tous les documents  nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier tout se transforme)

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