Il est donc manifeste que la Terre est nécessairement au centre et immobile, non seulement pour les raisons que nous venons d’indiquer, mais encore parce que les corps lourds, projetés en haut d’un mouvement forcé en ligne droite, reviennent au même point, même si la force les projetait à une distance infinie. Aristote. La Nature – Physique.

Objectif :

aborder le concept de relativité galiléenne et le principe d’inertie, ou comment la construction scientifique met en question le sens commun.

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Consigne 1 (10 minutes) individuellement par écrit à partir du document suivant qui est distribué aux participants) : identifier le problème et proposer une explication.

Consigne 2 (30 minutes) : comparaison par groupe de trois puis mise en commun collective.

Les participants volontaires sont invités à formuler leurs propositions qui sont alors notées au tableau.

Commentaires :

On peut tout d’abord remarquer que nous avons admis l’idée que la Terre tourne sur elle-même sans vraiment la questionner.

L’animation au tableau consiste à mettre à l’épreuve les différentes hypothèses proposées par les participants.

L’une des propositions faite pour surmonter la difficulté consiste à supposer que le mouvement de Terre est très lent et donc imperceptible dans la durée de chute de la pierre lancée verticalement. Si elle n’est pas formulée, l’animateur peut la formuler lui-même. Il faut mettre à l’épreuve en premier lieu cette hypothèse par l’utilisation des données et donc la consigne de travail individuel suivante : calculer la vitesse d’un point de l’équateur (par rapport à l’axe de rotation de la Terre) et estimer l’ordre de grandeur de la vitesse d’un point à notre latitude. 

A l‘équateur : 40 000 / 24 ≈ 1700 km/h. A notre latitude par une estimation très simpliste : 24 000 / 24 ≈ 1000 km/h c’est à dire environ 300 mètres par seconde. Autrement dit si je saute en l’air pendant une seconde le sol sous mes pieds s’est déplacé de 300 mètres !!! (Le guidage éventuel des calculs dépend évidemment du niveau de formation des participants…)

Une autre proposition fréquente évoque l’effet de la « gravité » ou « gravitation » qui entraînerait la pierre (ou le personnage qui saute évoqué ci-dessus). Cette hypothèse est contredite par un raisonnement sur les directions : mouvement horizontal mais gravitation verticale…

Une troisième proposition suggère que la pierre fait partie du « système Terre » et donc tourne avec, ce qui nous met sur la piste, mais ne doit pas être validé comme tel pour que la construction polémique se poursuive. On évoque aussi éventuellement l’atmosphère, ce qui ne manque pas d’embrouiller encore la situation !

Consigne 3 : lecture individuelle et formulation d’hypothèse pour chacune des situations suivantes puis réalisation d’une affiche par groupe de trois à partir des hypothèses discutées (30 minutes).

Puis présentation des affiches par plusieurs groupes (20 minutes).

Consigne 4 : individuellement, résolution du problème initial sous forme de schéma (en imaginant un observateur extérieur à la Terre) puis comparaison collective (15 minutes).

Conclusion en animation tableau (fichier [sauteur.pdf]) avec animations et vidéos indiquées ci-dessous (10 minutes) :

Magistral en situation : Formulation de la relativité galiléenne et du principe d’inertie.

Analyse de la séance (15 min) : par écrit formulez ce qui vous a surpris au cours de la séance ; comment avez-vous vécu les étapes successives. Discussion.

Compléments, Textes :

relativite galileenne.pdf ; navire galilée.pdf

pourquoi les corps tombent.pdf ; systèmes du monde.pdf

aristote terre centrale.pdf

Apports en astronomie : fichiers du dossier [système du monde]

systèmes du monde

histoire 0 (ou histoire 1 et histoire 2)

système solaire

Controverses lumineuses 

Ondes ET particules

Si l’on est quelquefois égaré en voulant simplifier les éléments d’une science, c’est qu’on a établi des systèmes, avant d’avoir rassemblé un assez grand nombre de faits. A. Fresnel. 

Le sujet retenu en 1817 porte sur les franges de diffraction. L’apparence de ces franges claires et sombres aux bords des contours des ombres est connue depuis le XVII’ siècle. Les tenants de la théorie ondulatoire y voient un phénomène d’interférences mais n’en ont pas encore l’explication détaillée. En retenant ce sujet, les laplaciens espèrent une nouvelle fois couper l’herbe sous le pied de la théorie ondulatoire en faisant surgir une bonne explication corpusculaire. Le jury est composé de cinq membres : Arago, le principal allié de Fresnel, tenant de la théorie ondulatoire, Gay-Lussac appartenant au groupe laplacien mais considéré comme neutre sur la question de la lumière, Biot, Poisson et Laplace lui-même, tous trois chauds partisans des corpuscules. Le concours n’attire que deux réponses. La première est plutôt faible. La seconde soumise anonymement et présentée sous l’épigraphe « natura est simplex et fecunda » (la nature est simple et féconde) est extrêmement brillante. Elle est rédigée par Fresnel. Partant de postulats physiques très simples et sans hypothèse supplémentaire, l’auteur démontre qu’il peut prédire par le calcul les positions précises et les intensités des franges, prédiction qu’il confirme ensuite par la mesure et l’observation. Par cette adéquation très serrée entre la théorie et la mesure, l’article répond aux plus exigeants des canons laplaciens ; plus même, il colle au programme laplacien sur tous les points sauf un : la lumière y est traitée en tant que ondes et non en tant que corpuscules.
Examinant la théorie de Fresnel, Poisson trouve qu’elle implique un résultat singulier et inattendu : la diffraction des ondes autour d’un disque doit produire un point brillant au centre de son ombre. Poisson le juge extravagant mais Arago fait l’expérience et en constate l’existence. C’est là, lit-on parfois, que Poisson fut « bien sûr » converti à la théorie ondulatoire. C’est oublier qu’un théoricien déterminé est souvent en mesure de fournir une explication satisfaisante à un résultat expérimental qui ne l’arrange pas.
Les cahiers de Sciences et Vie. « Fresnel ; qu’est-ce que la lumière »

Document général : [0 fiat lux.pdf]

Méthode et Objectif : 

Consigne 1 (préparation : 30 min ; jeu 20 min)

Présentation de la situation : document [concours de 1817.pdf].

Chaque groupe prépare sa contribution sous forme d’une affiche, à partir des documents fournis ; le document correspondant à Fresnel est aussi donné à tous les groupes. Dossier : [personnages]

1 fresnel ; 2 biot poisson ; 3 newton ;

4 huygens ; 4 young ; 5 maxwell ;

5 michelson ; 6 debroglie ; 6 einstein

Jeu de rôles : réunion de l’Académie (novembre 1819)

• juges : animateur, Laplace, Arago ; 
• présentation du mémoire : Fresnel ;
• intervenants : Biot, Poisson, le fantôme de Newton, Young, le fantôme de Huygens ;
• intervenants du futur : Maxwell, Michelson, Einstein, De Broglie.

Consigne 2  individuel puis animation tableau (20 minutes)

Animation tableau : reconstitution de la fresque historique des conceptions de la lumière.

Consigne 3   individuel puis animation tableau (10 minutes)

Formulation de nouvelles questions. Animation tableau et discussion.

Les documents sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier fiat lux).

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