Ondes et ou Particules ?
A très petite échelle, les choses ne se comportent en rien comme ce dont vous avez une expérience directe. Elles ne se comportent pas comme des ondes, elles ne se comportent pas comme des particules, elles ne se comportent pas comme des nuages, ni comme des boules de billard, ni comme des poids sur une corde, ni comme rien que vous ayez jamais vu. Historiquement, l’électron, par exemple, fut d’abord supposé se conduire comme une particule, puis on trouva qu’il se comportait en plusieurs points comme une onde. Il ne se conduit donc réellement ni comme l’une ni comme l’autre. A l’heure actuelle, nous avons abandonné ce dilemme et nous disons : il n’est ni l’une ni l’autre. R. Feynman.
Jean-Christophe BENOIST – Métaphore du cylindre.
Objet ayant à la fois les propriétés d’un cercle et d’un rectangle.
La vraie nature des objets quantiques a été pendant longtemps mal comprise : la preuve en est qu’on les décrit encore habituellement en invoquant « la dualité onde – corpuscule ». Il faut remarquer tout d’abord que cette formulation est au mieux ambigüe : faut-il penser un objet quantique comme étant à la fois une onde et une particule, ou parfois l’une, parfois l’autre ? Aucune de ces deux interprétations n’a en fait de sens. « onde » et « particule » ne sont pas des choses, mais des concepts, et des concepts incompatibles, qui ne peuvent pas caractériser la même entité. Il est vrai que les objets quantiques se comportent dans certains cas comme des particules et dans d’autre cas comme des ondes, mais il est encore plus vrai que dans la plupart des situations (en particulier celles que l’on peut explorer grâce aux expériences modernes et complexes), ils ne ressemblent ni à une onde, ni à une particule. J.M. Levy-Leblond.
En effet, pourquoi chercherait-on une sorte de liaison causale entre le corpuscule et l’onde s’il s’agit uniquement de deux images, de deux points de vue pris sur un phénomène complexe ? En fait, les thèses qui représentaient l’onde pilote dirigeant le corpuscule n’ont apporté que des métaphores pour traduire la simple association du corpuscule et de l’onde. Tout ce qu’on peut dire, c’est que cette association n’est ni causale, ni substantive. Le corpuscule et l’onde ne sont pas des choses liées par des mécanismes. Leur association est d’ordre mathématique ; on doit les comprendre comme des moments différents de la mathématisation de l’expérience. Le conflit est d’ailleurs atténué quand on interprète, avec les théories récentes, les ondes comme des probabilités de présence pour les corpuscules. G. Bachelard. Le nouvel esprit scientifique.
Tous les documents nécessaires sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier dualité).
Première partie : lumière
Consigne 1 individuel (10 minutes)
Dessiner (feuille A4) : un atome ; une lumière ; une vague ; un courant électrique ; un son.
Affichage : comparaisons et commentaires.
Commentaire.
Les dessins font ressortir deux modèles essentiels : la particule et l’onde. Ce sont les deux modèles de base de la physique classique. Par exemple le concours de l’académie des sciences de 1817, portant sur l’interprétation des interférences lumineuses, oppose les tenants de la théorie corpusculaire de la lumière (les héritiers de Newton) et les partisans de la théorie ondulatoire (Fresnel). Voir l’atelier « fiat lux ».
Consigne 2 individuel puis groupe (45 minutes)
Effet photoélectrique. Situation à traiter [situation effet photoelectrique.pdf] en utilisant le document [effet photoelectrique.pdf].
Présentation des résultats par un groupe ; animation tableau pour la mise au point et magistral. Début diapo : [dualité.pptx].
Complément : l’effet Compton ; diapo [compton dualité photon.pptx]
[…] mais quand on a voulu étudier le choc de deux photons, l’expérience a été négative. Elle consistait dans le croisement de deux rayons lumineux ; si rares que soient les photons le long d’un rayon, on ne peut comprendre la raison qui empêche toute collision au point de croisement des deux rayons. Mais le fait est patent : on ne trouve jamais de photons projetés dans l’angle des deux rayons. Concluons donc ce point par ce thème de réflexion philosophique : on ne peut jamais manifester une composition mécanique de la lumière alors que, dans les interférences, on décèle si facilement une composition ondulatoire de la lumière. Bachelard. Le nouvel esprit scientifique (1934).
Deuxième partie : matière
Consigne 1 individuel (10 minutes)
Interférences électroniques. Visionner la vidéo : [double slite.mpeg]. Que suggèrent les résultats de l’expérience ?
Les expériences à deux fentes avec des électrons ont été réalisées à partir des années
1960. L’expérience relatée par la vidéo correspond à celle de Tonomura (A. Tonomura, J. Endo, T. Matsuda, T. Kasawaki, H. Esawa. 1989). Les électrons sont émis puis détectés individuellement après leur, un par un successivement, à travers un dispositif électrique comparable à un système de deux fentes parallèles.
http://www.hitachi.com/rd/portal/highlight/quantum/
Animation tableau : mise en commun et discussion.
Consigne 2 individuel puis groupes (45 minutes)
Situation à traiter [situation electrons.pdf] en utilisant le document [quantons.pdf].
Présentation des résultats par un groupe ; animation tableau pour la mise au point et magistral. Diapo : [dualité.pptx].
A voir également : [mecanique quantique 1 orbitales.pptx]
et [mecanique quantique 2 transitions.pptx]
et [quantification molecules.pptx]
Vidéos et audios :[Klein.mp4] ; [Haroche.mp3] ; [Feynman.mp4] ;
http://education.francetv.fr/matiere/physique-chimie/terminale/video/les-premieres-lois-de-la-physique
Autres documents et liens :
https://phet.colorado.edu/fr/simulation/photoelectric
[photoelectrique et compton.swf]
[dualite.mp4] http://toutestquantique.fr/
[dualite onde particule.flv] https://www.youtube.com/watch?v=N968DgSVLkg
Prolongement : polémiques interprétatives
Le débat Bohr – Einstein : Einstein aurait lancé à Bohr : « Dieu ne joue pas aux dés », ce à quoi Bohr aurait répondu : « Mais qui êtes-vous, Albert Einstein, pour dire à Dieu ce qu’il doit faire ? »
https://fr.wikipedia.org/wiki/D%C3%A9bats_Bohr-Einstein
http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/actu-un-debat-entre-bohr-et-einstein-enfin-tranche-33634.php
http://education.francetv.fr/matiere/physique-chimie/terminale/video/einstein-vs-bohr-deux-visions-opposees-du-monde
Tous les documents indiqués ci-dessous sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier dualité).
https://www.lemonde.fr/planete/article/2019/01/14/dessalement-de-l-eau-l-onu-alerte-sur-les-quantites-de-saumure-deversees_5409002_3244.html
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