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Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche d’activités PHYSIQUE Histoire de la physique moderne Document 1 Article de Palais de la découverte, 2003. http://www.akadem.org/photos/contextuels/538_3_Nature_lumiere.pdf Théorie corpusculaire, théorie ondulatoire : deux modèles complémentaires de la lumière Pendant plus de trois siècles, la nature de la lumière fut au cœur des débats scientifiques : deux théories, chacune fondée sur des résultats empiriques, s’affrontèrent pour finalement donner naissance à la physique moderne A) Historique des théories ondulatoire et corpusculaire de la lumière La théorie corpusculaire sera défendue par Isaac Newton pour qui la lumière est composée de particules dont les masses différentes provoquent sur notre rétine des sensations distinctes : les couleurs. La propagation rectiligne de la lumière découle tout logiquement de ce concept. L’autorité de Newton imposera cette conception bien longtemps après sa mort, survenue en 1727. Plusieurs hommes prendront le parti de la théorie ondulatoire. Ils ont tous une liberté d'esprit indispensable pour affronter le prestige du grand Newton. Le premier, Christian Huygens, imagine la lumière comme une vibration. Cette approche lui permet notamment de rendre compte de la diffraction. Plus tard, Thomas Young et Augustin Fresnel apportèrent leurs contributions. Le premier en découvrant, en 1801, les interférences. Le second en découvrant, en 1819, la nature transversale des ondes lumineuses. En 1849, Hippolyte Fizeau mesure la vitesse de la lumière dans l’eau et montre qu’elle est plus faible que dans l’air. Ce que prédit la théorie ondulatoire (alors que la théorie corpusculaire affirmait exactement le contraire). Grâce à cela, la théorie ondulatoire triomphait. James Clark Maxwell, en 1865 puis en 1873, précisera la nature électromagnétique de cette onde. La lumière fait partie de la grande famille des ondes électromagnétiques. B) L’effet photoélectrique, la pièce maîtresse du débat L’effet photoélectrique fut découvert en 1887 par Heinrich Hertz, lors de ses travaux sur l’électromagnétisme. En 1900, le physicien Lenard montra que seules les radiations de faible longueur d’onde peuvent provoquer la photoémission, quelle que soit l’intensité du rayonnement incident. Cette caractéristique du phénomène ne pouvait s’expliquer par la physique classique, qui considère la lumière comme une onde. En 1905, Einstein parvint à interpréter ces résultats grâce à la théorie des quanta, formulée par Planck. Il proposa de concevoir la lumière comme un flux de particules (les photons), dotées d’une énergie E = h dépendant de la longueur d’onde du rayonnement, et non de son intensité. Einstein comprit que l’effet photoélectrique se traduit par l’absorption de certains photons par le métal : si l’énergie d’un photon est supérieure à l’énergie liant un Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche d’activités PHYSIQUE Histoire de la physique moderne électron à un atome du métal, cet électron peut alors quitter l’atome et créant un courant électrique. Grâce à ses travaux sur l’effet photoélectrique, Einstein reçut le prix Nobel de physique en 1921 et contribua fortement, par ses explications, au développement de la théorie quantique. C) La mécanique quantique : une révolution dans le monde de la physique En fait, les deux théories sont complémentaires : la théorie quantique a montré que la lumière agit comme un ensemble de particules et comme une onde : c’est la dualité onde-particule. Cette théorie, introduite en mécanique quantique par Louis de Broglie en 1923, associe une onde à toute particule. Par analogie avec le photon, Louis de Broglie associa ainsi à chaque particule libre une E une fréquence et une longueur d'onde . Questions : 1) Relevez, dans le texte, les mots ou expressions que vous n’êtes pas certain(e) de comprendre. Échangez vos explications et proposez à la classe une reformulation qui vous paraîtrait plus claire. 2) Quels sont les scientifiques qui croyaient à la théorie corpusculaire de la lumière ? Quels sont ceux qui croyaient à la théorie ondulatoire ? 3) Reformuler en une phrase chacune de ces deux théories. 4) Sur quels faits, issus de l’observation du réel, Huygens, Young et Fresnel s’appuient-ils ? Quel modèle de la lumière en déduisent-ils ? 5) Quelle qualité d’esprit a été nécessaire à ces hommes pour contredire le modèle donné par Newton ? 6) Y a-t-il, à votre avis, contradiction entre les faits observés et pris en compte par Huygens et l’hypothèse newtonienne d’une lumière constituée par des particules matérielles ? Argumentez. 7) Expliquer le sens de cet extrait : « Hippolyte Fizeau mesure la vitesse de la lumière dans l’eau et montre qu’elle est plus faible que dans l’air. Ce que prédit la théorie ondulatoire (alors que la théorie corpusculaire affirmait exactement le contraire). Grâce à cela, la théorie ondulatoire triomphait. » 8) Quel est le rôle du modèle dans ce texte ? Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche d’activités PHYSIQUE Histoire de la physique moderne Document 2 Article « Historique des modèles de l’atome » http://fr.wikipedia.org/wiki/Atome#Historique_des_mod.C3.A8les_de_l.27atome Historique des modèles de l’atome Dans l'histoire des sciences, plusieurs modèles de l'atome ont été développés, au fur et à mesure des découvertes des propriétés de la matière. Aujourd'hui encore, on utilise plusieurs modèles différents : La notion de « grain composant la matière » apparaît pour la première fois dans la Grèce antique au Ve siècle av. J.-C. (Démocrite). La décomposition du monde en quatre éléments (eau, air, terre, feu) qui s'associaient et se dissociaient, peut donc compléter cette thèse. 1897 : J. J. Thomson découvre l'électron ; c'est la première décomposition de l'atome. Le modèle de Thomson est un pudding, la charge positive est répartie uniformément dans tout le volume, qui est parsemé d'électrons (comme des raisins dans un gâteau). 1911 : expérience de Rutherford : il bombarde une feuille d'or par des particules alpha et il en déduit le modèle atomique planétaire : l'atome est constitué d'un noyau positif très petit et d'électrons tournant autour. 1913 : Niels Bohr réunit les concepts de Planck et de Rutherford, et propose un modèle atomique quantique : les orbites des électrons ont des rayons définis, il n'existe que quelques orbites « autorisées » ; ainsi, les échanges d'énergie quantifiés correspondent à des sauts entre les orbites définies, et lorsque l'électron est sur l'orbite la plus basse, il ne peut pas descendre en dessous et s'écraser (mais ce modèle n'explique pas pourquoi). 1914 : l'expérience de Franck et Hertz valide le modèle de Bohr : ils bombardent de la vapeur de mercure avec des électrons ; l'énergie cinétique perdue par les électrons traversant les vapeurs est toujours la même. 1924 : Louis de Broglie postule la dualité onde-corpuscule. 1926 : Schrödinger modélise l'électron comme une onde, l'électron dans l'atome n'est donc plus une boule mais un « nuage » qui entoure le noyau ; ce modèle, contrairement aux autres, est stable car l'électron ne perd pas d'énergie. Questions : 1) Expliquer comment les modèles évoluent au cours de l’histoire : passage du modèle de Thomson à celui de Rutherford ; passage du modèle de Rutherford à celui de Bohr. 2) Pourquoi, selon vous, utilise-t-on encore des modèles « anciens » ou partiellement faux ? Joindre par une flèche les éléments correspondants : de la colonne de droite qui décrit les modèles ; avec ceux de la colonne de gauche qui donne les auteurs de ces modèles. Fiche pédagogique réalisée dans le cadre du projet Inforoutes TICE et enseignement bilingue francophone en Roumanie, Bulgarie et Moldavie avec le soutien de l'Organisation Internationale de la Francophonie Partenaires : www.vizaviedu.ro Fiche d’activités PHYSIQUE N° 1 Description du modèle L'eau, la terre, l'air et le feu sont les 4 éléments constituant la matière. Histoire de la physique moderne auteur Thomson 2 La matière est constituée de petites parties "qu'on ne peut pas diviser". Bohr L'atome pudding ressemble à un 3 Aristote 4 L'atome est constitué d'un noyau positif, d'électrons négatifs et de beaucoup de vide Démocrite 5 Les électrons gravitent autour du noyau sur des orbites bien précises Le modèle actuel : Schrödinger On peut voir une image des atomes 6 Rutherford
