Catégorie : Comprendre

Pourquoi le ciel est noir la nuit ?

Posted on by Cédric Lémery

Dans son blog (la soupe primitive), Fabien nous a expliqué pourquoi le ciel est bleu le jour. Le fait qu’il soit noir la nuit semble être une évidence : « le ciel est noir la nuit car le soleil n’éclaire pas le ciel », pourtant…

galaxie

Réfléchissons un peu. Le soleil est une étoile comme une autre, ce qui le particularise est sa proximité. On pourrait donc penser que le ciel est noir car les autres étoiles sont trop loin pour éclairer chaque point du ciel.

Mais

Si l’on considère que l’univers est infini et que les étoiles sont réparties uniformément, alors en tout point du ciel on voit un nombre infini d’étoile. Chaque point devrait donc être illuminé tel « un rempart dôré » pour reprendre l’expression d’Edgar Allan Poe (1809-1849). On peut même démontrer plus rigoureusement que le ciel devrait être aussi lumineux qu’un point du soleil. Dans ces conditions, le ciel ne serait pas noir la nuit mais jaune et lumineux comme le soleil !
Et pourtant, le ciel est bel et bien noir la nuit. Ce paradoxe est appelé « paradoxe de Chéseaux-Olbers ». Il occupe les esprits depuis les philosophes grecs !

Il y aurait donc quelque chose qui nous aurait échappé dans le raisonnement ?

galaxies - NasaSerait-ce que l’univers n’est pas infini ? Cette question est très délicate mais si l’on suppose que l’univers n’est pas fini dans quoi est-il ? S’il est dans quelque chose alors cela est également l’univers puisque tout ce qui est est l’univers (par définition).

Serait-ce alors que les étoiles ne sont pas réparties uniformément dans l’univers ? Cette hypothèse est après tout largement discutable étant donné que nous ne sommes pas allé plus loin que les confins du système solaire (et encore on n’y a juste envoyé quelques sondes : pionneer 10 & 11 et voyager 1 & 2). Cependant, c’est l’une des hypothèses fondamentales de la physique : « ce que nous observons sur terre ou depuis la terre n’a rien de particulier dans l’univers » et c’est bien la dernière hypothèse que nous allons rejeter.

Pour résoudre ce paradoxe il faut prendre en considération les faits que la vitesse de la lumière n’est pas infinie (Cela a été découvert par l’astronome danois Romer (1644 – 1710) en observant le mouvement des satellites de Jupiter) et que l’univers est né un jour (selon le modèle du big bang) de sorte que la lumière des étoiles les plus éloignées ne nous est pas encore parvenue.

Ainsi, le noir que nous observons sur le fond cosmique est rempli d’étoiles dont la lumière n’a pas atteind la Terre…

Mais le fond du ciel nocturne est-il réellement noir ? Oui pour nos yeux seulement capable de détecter la lumière dans une gamme de longueur d’onde bien précise mais non pour le récepteur de micro-onde d’Arno Penzias et Robert Wilson (des laboratoires bell) qui en 1964 furent bien surpris de détecter un rayonnement uniforme dans toute les directions. Il s’agit en fait du fond diffus cosmologique dont les hétérogénéités sont représentés ci-contre. Ce rayonnement s’interprète, dans le cadre du modèle du « big bang », comme étant l’écho du big bang. Son existence avait été prévue avant-guerre par Georges Gamow (1904-1968 ) et sa découverte fournie une preuve observationnelle de ce modèle.

Pour aller plus loin sur le paradoxe de Chéseaux-Olbers, cet article fournit de nombreux repère historiques.

La présentation ci-dessous est celle que je présente à mes élèves pour introduire la vitesse de la lumière :

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La découverte de la radioactivité

Posted on by Cédric Lémery

La présentation powerpoint ci-après est une introduction au cours sur la radioactivité pour les terminales S.

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introduction à la radioactivité

A la fin du XIXème siècle, les éléments chimiques sont considérés comme immuables. Les lois de conservations qui sous-tendent les réactions chimiques montrent que les espèces chimiques sont constitués d’éléments fondamentaux qui se combinent et se recombinent selon les conditions expérimentales. La remise en question de cette immuabilité viendra par la découverte de la radioactivité. En 1895, Röntgen découvre les rayons X (ce qui lui vaudra un prix nobel en 1901). L’annonce de cette découverte pousse Becquerel à rechercher l’émission de ces rayons par les composés phosphorescents. Ses expériences mirent à jour, en 1896, un nouveau rayonnement émis par l’uranium même en l’abscence de lumière. Ces rayons U bien que similaire aux rayons X de Röntgen n’étaient pas du même type et incitèrent de nombreux physiciens à en découvrir la nature. Parmi eux, Pierre et Marie Curie (livres sur Marie Curie) découvrent 2 nouveaux éléments radioactifs : le polonium (nom donné en hommage aux origines de Marie) et le radium. Ils découvrent également que les rayonnements radioactifs se déclinent en trois types de rayonnement : les rayonnements alpha, beta et gamma. A l’époque la structure de la matière n’est pas encore très claire et l’origine de la radioactivité n’ést pas connue. En 1897, Thomson découvre que l’on peut arracher de petites particules chargée négativement à la matière : c’est la découverte de l’électron. 6 ans plus tard, en 1903, Rutherford découvre que la transmutation de la matière est à l’origine de la radioactivité. En bombardant des feuilles d’or à l’aide d’un rayonnement alpha, il découvre en 1908, que la masse de l’atome est portée par un noyau, bien plus petit que l’atome et chargé positivement. Il propose le modèle planétaire de l’atome dans lequel les électrons « orbitent » autour du noyau. Bien que permettant d’expliquer les résultats de son expérience de « bombarbement » d’atomes d’or par un rayonnement alpha, ce modèle d’atome n’est pas satisfaisant car instable : l’électron finirait par s’effondrer sur le noyau en quelques fractions de seconde… Il faut attendre 1913 pour que Niels Bhor rafine ce modèle en proposant une quantification des orbites électroniques. C’est le modèle de l’atome tel qu’il est enseigné dans le secondaire. Les raisons de cette quantification sont à rechercher du côté des modèles de la mécanique quantique, mais cela est une autre histoire…

La forme de la terre ?

Posted on by Cédric Lémery

Que sait-on de la forme de la terre ?

Nous vivons sur une terre plate et nous croyons qu’elle est ronde. A moins que ce ne soit l’inverse. Pour les expériences de la vie de tous les jours, il est évident que la terre est plate sauf si bien sûr nous observons un bateau disparaître à l’horizon. Pour remettre en question la platitude de notre planète, il est nécessaire de l’observer sur une échelle bien plus grande que celle à laquelle on l’observe à taille humaine.

Quand est-ce qu’on s’est aperçu que la terre n’était pas plate ?

On croit parfois -à tort- que c’est Christophe Colomb (1451-1506) qui a démontré que la terre était ronde. Pourtant, il faut remonter plusieurs siècles en arrière pour trouver l’une des premières estimation du rayon de la terre par Ératosthène (276-194 avt JC).

Comment a-t-il fait ? Son raisonnement est purement géométrique : il s’est aperçu que le fond d’un puit est éclairé à midi à Siène -aujourd’hui Assouan- alors que le même jour, un obelisque situé à Alexandrie projette une ombre. Comment les rayons du soleil peuvent-ils arriver verticalement à un endroit et de manière oblique à un autre ?

2 solutions sont possibles :

  • soit le soleil est suffisamment proche pour éclairer de différentes façons différents points de la terre plate,
  • soit le soleil est tellement éloigné que tous les rayons arrivent parallèle et c’est la terre qui a un rayon de courbure (voir le schéma).

Bien entendu, c’et la deuxième solution que l’on considère comme juste. Ce qui est intéressant dans ce grand classique des cours de seconde de physique, c’est le fait qu’il soit nécessaire de changer d’échelle pour remettre en cause la platitude de la terre. Dans la vie de tous les jours à échelle humaine, il n’est pas nécessaire de s’imaginer vivre sur une terre sphérique. L’interprétation classique en philosophie est de dire « nos sens nous trompent » et c’est la pensée rationnelle, cartésienne qui permet de se rapprocher de la réalité. Ici, nos sens nous montrent une terre plate mais la réalité est que la terre est ronde.

Pourtant, il me semble que la réalité n’est pas aussi absolue que ce que l’affirmation « nos sens nous trompent » semble le laisser croire. « La terre est ronde » ou « la terre est une sphère » sonne comme une évidence. Mais à bien y regarder, cette affirmation perd de sa substantialité :

Une sphère est un objet mathématique définie de manière rigoureuse : « surface à 3 dimensions dont tous les points sont situés à une même distance d’un point appelé centre ». Peut-on affirmer que la terre est une sphère à 3D dont tous les points sont situés à une même distance de son centre ? Nous savons que :

  1. la terre est aplatie au niveau des pôles, il serait certainement plus judicieux de dire que la terre est une ellipsoïde,
  2. tous les points de la surface de la terre ne sont pas situés à la même distance de son centre. C’est ce que nous expérimentons lorsque nous gravissons une pente ou dévalons une colline : s’il est difficile de gravir une pente c’est que nous nous éloignons du centre de la terre.

Bref, définir la forme de la terre n’est pas aisée et il apparaît clairement que la forme que nous allons donner à la terre dépendra de notre définition de ce que l’on appelle la surface de la terre.

geoide terrestre Au reste, l’une des meilleures définitions de la forme de la terre est celle du géoïde terrestre : la forme qu’aurait la terre si elle était complétement recouverte d’eau (voir ci-contre).

Finalement, « la terre est plate », « la terre est ronde », « la terre est sphérique », « la terre a la forme du géoïde ci-contre » toutes ces affirmations sont fausses tant qu’on n’a pas défini le cadre dans lequel on fait cette affirmation, c’est à dire le cadre dans lequel on peut affirmer qu’elles sont vrai. Elles ont toutes pour but d’infirmer l’affirmation précédente mais aucune n’a le statut de réalité absolue.

Toute affirmation sur ce qu’est réellement « la forme de la terre » implique que nous nous mettions d’accord sur ce qu’on appelle « la forme de la terre » et dépendra de cette définition.

N’en déplaise aux partisans d’une réalité vraie et absolue qui se dévoilerait par la science, toute affirmation scientifique est toujours inscrite dans le temps, empreinte des croyances et des exigences socio-culturelles de son époque.

Voyage ? l'intérieur de la terre Références :

L’ISS, Atlantis et le soleil

Posted on by Cédric Lémery

Le 17 Septembre 2006, la navette atlantis se détache de la station spatiale internationale (ISS). Sur terre, Thierry Legault observe le transit de l’ISS devant le soleil.

Cela ressemble à une poussière à la surface du soleil pourtant cette photo spectaculaire montre le passage de la navette Atlantis et de la station orbitale internationale (ISS) devant le soleil.

Cette seconde image montre l’ISS vue depuis la navette Atlantis. Elle a vraissemblement été prise au même moment que la photo précédente.

Sachant que le soleil est situé à 150 millions de kilomètres et que l’ISS orbite à 400 km, cela donne une idée des dimensions gigantesques du soleil !

Petit exercice de géométrie de niveau 2de (cours sur les méthodes de mesure) : La taille des panneaux solaires de l’ISS est de 73 mètres, en estimant son altitude à 400 km et la distance terre-soleil à 150 millions de kilomètres, arriverez-vous à retrouver le diamètre du soleil à l’aide de la première photo ?

Références :

Pourquoi des formules mathématiques en physique ?

Posted on by Cédric Lémery

Et puis d’abord pourquoi on écrit des formules avec des lettres en math puisqu’après on remplace les lettres par des chiffres ?

Cette question et celle du post m’ont réellement été posées par des élèves.

Revenons donc aux origines. Quel est le sens de (a+b)/c=a/b+b/c ?

Cette affirmation est vraie

  • si je prends a=1, b=2 et c=4 : (1+2)/4=3/4=0,75 et 1/4+2/4=0,25+0,75
  • mais elle vraie aussi si je prends a=5, b=10 et c=100 : (5+10)/100=15/100=0,15 et 5/100+10/100=0,05+0,1=0,15

Et je pourrai continuer ainsi pendant des heures et des heures, cela fonctionnerait toujours. Ainsi, en écrivant

(a+b)/c=a/b+b/c,

j’ai écrit une règle générale qui résume en une ligne un nombre infini de ligne (que je pourrais écrire s’il me prenait de douter de cette affirmation et que je cherchais à la mettre en défaut).

Oui mais quel est le rapport avec la physique ?

L’un des objectifs des sciences physiques depuis Galilée est de trouver des règles générales de ce type qui s’appliquerait aux expériences que l’on peut faire sur la réalité matérielle. Rien ne prouve que cela fonctionnera et qu’il existera de tels lois. Mais ceux qui ont essayé en ont trouvé.

Par exemple, si on fait tomber une bille de différentes hauteurs h et que l’on mesure la vitesse d’arrivée de la bille au sol, on peut se rendre compte que la vitesse divisée par la racine de la hauteur de chute est une constante qui semble ne pas dépendre de l’endroit où on a fait l’expérience, ni de la masse de la bille, ni de l’âge de l’expérimentateur. On peut donc tenter d’écrire une loi du genre :

v/?h = Cte

Bien sûr, personne n’a essayé de faire toutes les expériences possibles, n’importe où sur la terre avec n’importe quelle masse. Mais tous ceux qui ont essayé ont toujours trouvé le même résultat avec (presque) la même constante. Ils ont donc induit une règle qui permet de prévoir le résultat d’expérience que l’on a pas encore fait. A chaque fois que l’on retente l’expérience et que l’on trouve un résultat cohérent avec cette règle, on la valide encore un petit peu plus. Et la règle reste vraie tant qu’aucune expérience ne l’ait mise en défaut.

De fil en aiguille, durant les 400 dernières années, la physique a produit un grand nombre de lois ou règles de ce type. Certaines découlant d’autres lois et l’ensemble forme un tout cohérent basé sur une poignée de lois générales desquelles découlent d’autres lois moins générale et des résultats d’expériences. Comprendre la physique d’aujourd’hui revient donc à comprendre ces lois générales et à en mesurer les conséquences. Leur formulation mathématique est simplement un moyen « concentré » pour les exprimer.

Exercice de milieu de 1ère S ou de TS : quelle est la règle de physique auquel ce post fait référence ? Sauriez-vous retrouver cette règle à l’aide du théorème de l’énergie cinétique ? En réalité, la constante dépend légèrement de l’endroit où l’on fait l’expérience sur terre. Comment faudrait-il réécrire la règle pour qu’elle n’en dépende plus ?

La science en mouvement

Posted on by Cédric Lémery

La physique présentée au lycée est comme une langue morte. Elle se présente avec un vocabulaire qui lui est propre et semble scellée dans le marbre de la connaissance, validée par des personnalités qui ont atteint le panthéon de l’humanité. Pourtant, la physique est une langue bien vivante qui se construit et se déconstruit au fil des discussions et interrogations entre chercheurs, professeurs et étudiants. Aucune théorie de physique n’est gravée dans le marbre. Tous les modèles proposés par les physiciens (et les chimistes) sont construits progressivement par des aller-retour entre modélisation et expérimentation.

Quel lien entre modélisation scientifique et expérimentation ?

La science évolue par l’élaboration de modèles qui permettent de rendre compte de la réalité.

Son but est multiple :

  • comprendre le monde, l’interpréter,
  • le prévoir,
  • le modifier.

Comment la connaissance scientifique se construit ?

Par des aller-retour entre expérience et modèle :

Lorsque l’expérience produit un modèle, le raisonnement est inductif.

Lorsque le modèle permet de prévoir les résultats d’une expérience, le raisonnement est déductif. C’est un moyen de valider ou d’invalider le modèle.

Les modèles présentés en science au lycée sont validés par de nombreuses expériences. La science du lycée est une science séculaire en bon accord avec les expériences de la vie quotidienne. C’est-à-dire, qu’il n’y a pas d’expériences de la vie quotidienne qui mettent en défaut les modèles présentés.

En réalité, au lycée on ne peut faire que bâtir des expériences qui vérifie le modèle, c’est-à-dire que le prof de science présente un modèle (qui a été validé par de nombreux aller-retour avec l’expérience) et l’expérience illustre ce modèle. C’est la pédagogie de l’expérience d’illustration du cours. Le modèle existe, on ne sait pas comment il s’est construit et on dit « le modèle c’est la réalité, regarder l’expérience se plie à cette réalité ». Mais c’est une approche faussée par des contraintes pédagogiques. En réalité, l’expérience c’est la réalité et le modèle ne fait que rendre compte de cette réalité.

Parfois, pour que les élèves comprennent mieux le modèle, on emprunte le chemin inverse. Mais il s’agit d’une mise en scène. C’est l’approche historique : on fait une expérience et on se demande quel modèle on peut bâtir à partir de cette expérience. Bien sûr, on ne va pas réinventer un nouveau modèle, et les élèves sont guidés sur les traces des géants (voir le livre de S. Hawking ) pour que nous retrouvions ensemble le modèle qu’ils ont bâtis.

La structure des révolutions scientifiques - T. Khun Remarque : Un point essentiel dans la compréhension de cette élaboration et qui est souvent masqué par les contraintes pédagogiques est l’aspect contextuel des modèles (histoire, culture, société), ils ne sont pas absolu. Ils sont présentés comme tel mais en réalité, les expériences (la réalité) les font continuellement évoluer. Au fur et à mesure que le modèle se construit, de nouvelles expériences s’élaborent et contribuent à renverser le modèle dominant.

Pour aller plus loin, cette dynamique est décrite dans le livre La Structure des Révolutions Scientifiques de Thomas Khun