Physique 20 - Saskatchewan Curriculum

Sciences
Physique 20, 30
Programme d'études
pour le secondaire
ISBN 1-894116-75-5
2000
Ce document est conforme à la politique de rédaction non sexiste adoptée par le ministère de l'Éducation de la
Saskatchewan : le masculin et le féminin y sont utilisés en alternance d'une section à l'autre
Remerciements
Le ministère de l'Éducation de la Saskatchewan tient à remercier de leur contribution professionnelle et de leurs
conseils les membres suivants du Comité consultatif sur les programmes de sciences :
Membres actuels du Comité consultatif :
Glen Aikenhead
Professeur de didactique des sciences
Université de la Saskatchewan
Ray Rystephanick
Adjoint au doyen, Faculté des sciences
Professeur de physique
Université de Regina
Ingrid Benning
Enseignante
Commission scolaire de Saskatoon no 13
William Shumay
Directeur
Commission scolaire catholique de Swift
Current no 11
Isabelle Campeau
Enseignante
Commission scolaire de Regina no 4
Ron Steer
Professeur de chimie
Université de la Saskatchewan
Ross Derdall
Commissaire (SSTA)
Commission scolaire d'Outlook no 32
Peter Stroh
Enseignant
Commission scolaire catholique de St-Paul no 20
Shannon Dutson
Directrice adjointe
Commission scolaire de Potashville no 80
James Taylor
Enseignant
Commission scolaire de Saskatoon no 13
Wayne Kiel
Directeur
Commission scolaire de Buffalo Plains no 21
Ernest Toth
Adjoint au directeur de l'éducation
(LEADS)
Commission scolaire de Buffalo Plains no 21
Dorothy Morrow
Commissaire (SSTA)
Commission scolaire de Nipawin no 61
Lyle Vinish
Adjoint exécutif
Fédération des enseignants et enseignantes de la
Saskatchewan
Saskatoon
Larry Mossing
Enseignant
Commission scolaire de Regina no 4
Randy Wells
IMEAC
La Ronge
Anciens membres du Comité consultatif : Frank Bellamy, Joan Bue, Mary Hicks, George Huczek, Vlademir
Murawsky, Lynn Phaneuf, Bill Toews.
De plus, le ministère de l'Éducation de la Saskatchewan désire reconnaître la contribution de nombreuses autres
personnes à l'élaboration de ce programme d'études :
• le Comité interne de programmation pour les sciences;
• divers conseillers et contractuels du ministère;
• les enseignants et enseignantes participant à la mise à l'essai;
• le personnel des écoles participant à la mise à l'essai.
Ce document a été élaboré par la Direction des mathématiques et des sciences naturelles, Direction des programmes et
de l'enseignement, ministère de l'Éducation de la Saskatchewan, et traduit et adapté par le Bureau de la minorité de
langue officielle du ministère de l'Éducation de la Saskatchewan.
Physique 20, 30 – Remerciements – P. i
Avant-propos
Le renouvellement des programmes d'études en
Saskatchewan est basé en grande partie sur le
rapport Directions de 1984. L'intérêt suscité par les
recommandations pour un nouveau tronc commun
continuera à grandir avec l'implantation des
programmes destinés à préparer les élèves au XXIe
siècle.
Les sciences sont un des domaines d'étude
obligatoires. Elles incorporent les apprentissages
essentiels communs, la dimension adaptation (ou
pédagogie différenciée) et les autres initiatives
reliées au tronc commun.
Il faudra beaucoup de collaboration entre tous les
individus et les groupes qui consacrent leurs efforts
à atteindre, dans toutes les écoles de la
Saskatchewan, l'objectif de l'alphabétisme
scientifique. Les enseignants et enseignantes de
sciences sont un élément clé du processus de
changement.
P. ii – Physique 20, 30 – Avant-propos
Table des matières
Remerciements ............................................................................................................................................i
Avant-propos ..............................................................................................................................................ii
Introduction .......................................................................................................................................................................................................1
Philosophie, finalité et buts du programme ...................................................................................................................................................1
Finalité et buts ...................................................................................................................................................................................................1
Documents connexes........................................................................................................................................................................................2
Les facteurs de l'alphabétisme scientifique...................................................................................................................................................2
Comment utiliser ce programme d'études ......................................................................................................................................................2
Vue d'ensemble du programme........................................................................................................................................................................5
L'approche science-technologie-société-environnement (approche STSE) dans l’enseignement des sciences...............................6
Comment utiliser les ressources......................................................................................................................................................................6
Les apprentissages essentiels communs (AEC)...........................................................................................................................................6
Comment incorporer les apprentissages essentiels communs à l'enseignement de la physique..........................................................7
Politique en matière d’égalité entre les sexes ................................................................................................................................................9
Les perspectives et le contenu indiens et métis ...........................................................................................................................................9
Les douze principes de la philosophie indienne.........................................................................................................................................10
L'invitation des Anciens ................................................................................................................................................................................11
Les approches pédagogiques .......................................................................................................................................................................12
Enseignement, évaluation et buts des sciences .........................................................................................................................................14
L'apprentissage à base de ressources..........................................................................................................................................................15
L'évaluation .....................................................................................................................................................................................................16
Pourquoi doit-il y avoir évaluation?.............................................................................................................................................................16
La démarche d'évaluation...............................................................................................................................................................................16
L'évaluation des progrès de l'élève...............................................................................................................................................................17
Liste de référence des méthodes d'évaluation............................................................................................................................................17
L'évaluation de l'élève en physique..............................................................................................................................................................17
La consignation des données .......................................................................................................................................................................19
L'évaluation du programme............................................................................................................................................................................19
L'évaluation du programme d'études............................................................................................................................................................20
L'organisation du programme .....................................................................................................................................................................21
Les installations et l'équipement...................................................................................................................................................................21
La sécurité ........................................................................................................................................................................................................21
Les lentilles de contact...................................................................................................................................................................................24
La sécurité au sens large................................................................................................................................................................................24
Comment se débarrasser des produits chimiques ......................................................................................................................................24
Comment organiser une excursion................................................................................................................................................................25
Formulaire d'autorisation pour excursion ....................................................................................................................................................27
Facteurs de l'alphabétisme scientifique.....................................................................................................................................................28
Aperçu global des programmes d’études de sciences ..............................................................................................................................28
Explication des facteurs qui sous-tendent les aspects de l’alphabétisme scientifique........................................................................31
Instruments de mesure et fiches de travail pour l’évaluation ................................................................................................................47
Panification d’une unité ................................................................................................................................................................................79
Planification d’une unité ................................................................................................................................................................................81
Unité modèle ....................................................................................................................................................................................................83
Unités obligatoires et unités facultatives du programme d’études de Physique 20, 30.....................................................................105
Physique 20, 30 – Table des matières – P. iii
Physique 20 ...................................................................................................................................................................................................107
Physique 20....................................................................................................................................................................................................109
Unité obligatoire I : La physique du quotidien.........................................................................................................................................110
A. Introduction à la physique...........................................................................................................................................................111
B. Découverte de la physique..........................................................................................................................................................112
C. Mesure et analyse des données .................................................................................................................................................114
Unité obligatoire II : Le mouvement ondulatoire ......................................................................................................................................116
A. Propriétés des ondes ....................................................................................................................................................................117
B. Phénomènes ondulatoires............................................................................................................................................................120
Unité obligatoire III : La lumière ..................................................................................................................................................................124
A. Caractéristiques de la lumière ......................................................................................................................................................126
B. Réflexion .........................................................................................................................................................................................129
C. Réfraction .......................................................................................................................................................................................137
Unité obligatoire IV : La chaleur..................................................................................................................................................................140
A. Chaleur et température..................................................................................................................................................................141
B. Chaleur spécifique et chaleur latente .........................................................................................................................................145
C. Thermodynamique ........................................................................................................................................................................147
Unité facultative V : Le son..........................................................................................................................................................................149
A. Applications...................................................................................................................................................................................150
B. Propagation du son.......................................................................................................................................................................151
C. Caractéristiques du son................................................................................................................................................................155
Unité facultative VI : L’optique...................................................................................................................................................................164
A. Applications...................................................................................................................................................................................164
B. Lentilles...........................................................................................................................................................................................168
C. Optique physique..........................................................................................................................................................................172
Physique 30 ...................................................................................................................................................................................................179
Physique 30....................................................................................................................................................................................................181
Unité obligatoire I : la cinématique et la dynamique ................................................................................................................................182
A. Comprendre le mouvement ..........................................................................................................................................................184
B. Quantités scalaires et vectorielles ..............................................................................................................................................186
C. Distance et déplacement ..............................................................................................................................................................190
D. Vitesse et vecteur vitesse............................................................................................................................................................191
E. Accélération...................................................................................................................................................................................193
F. Principes du mouvement de Newton..........................................................................................................................................196
Unité obligatoire II : L’énergie mécanique.................................................................................................................................................201
A. Travail .............................................................................................................................................................................................202
B. Puissance........................................................................................................................................................................................204
C. Énergie cinétique...........................................................................................................................................................................205
D. Énergie potentielle gravitationnelle ............................................................................................................................................206
Unité obligatoire III : L’électricité ...............................................................................................................................................................208
A. Applications...................................................................................................................................................................................209
B. Courant et différence de potentiel..............................................................................................................................................211
C. Circuits électriques........................................................................................................................................................................216
D. Puissance et énergie électrique...................................................................................................................................................218
Unité obligatoire IV : La physique nucléaire .............................................................................................................................................221
A. Radioactivité naturelle ..................................................................................................................................................................222
B. Fission nucléaire............................................................................................................................................................................225
C. Réacteurs nucléaires .....................................................................................................................................................................227
Unité facultative V : Les applications de la cinématique et de la dynamique.......................................................................................231
A. Quantité de mouvement ...............................................................................................................................................................232
B. Forces de frottement.....................................................................................................................................................................236
C. Mouvement balistique..................................................................................................................................................................238
D. Mouvement circulaire uniforme ..................................................................................................................................................244
E. Gravitation universelle..................................................................................................................................................................246
P. iv – Physique 20, 30 – Table des matières
Unité facultative VI : La mécanique des fluides........................................................................................................................................248
A. Masse volumique..........................................................................................................................................................................249
B. Pression ..........................................................................................................................................................................................250
C. Principe de Pascal..........................................................................................................................................................................253
D. Principe d’Archimède ...................................................................................................................................................................254
E. Principe de Bernoulli.....................................................................................................................................................................255
Unité facultative VII : L’électromagnétisme ..............................................................................................................................................257
A. Magnétisme....................................................................................................................................................................................258
B. Électromagnétisme ........................................................................................................................................................................259
C. Le principe du moteur (ou l’effet électromoteur)......................................................................................................................262
D. Induction électromagnétique.......................................................................................................................................................264
Unité facultative VIII : La physique atomique ..........................................................................................................................................265
A. Théorie atomique...........................................................................................................................................................................266
B. Demi-vie et désintégration radioactive ......................................................................................................................................269
C. Fusion nucléaire ............................................................................................................................................................................273
D. Applications...................................................................................................................................................................................274
E. Physique contemporaine..............................................................................................................................................................276
Physique 20, 30 – Table des matières – P. v
Introduction
Philosophie, finalité et buts du
programme
La philosophie et l'esprit sous-jacent au renouveau
de l'enseignement des sciences se reflètent non
seulement dans la finalité et les buts du
programme, mais aussi dans les documents
élaborés pour étayer les nouveaux programmes,
ainsi que dans les programmes de formation
professionnelle élaborés et utilisés pour
l'implantation. De plus, la philosophie de
l'enseignement des sciences est étroitement liée au
concept de tronc commun qui se trouve dans le
document Directions.
La science en tant que corps de connaissances et
processus d'investigation va au-delà de la
compréhension de lois abstraites et de principes que
l'on trouve dans la nature. Avec les sciences, on
pénètre dans le royaume de la technique et des
sciences appliquées. De solides connaissances en
science permettent d'apprécier le rôle important que
jouent les progrès technologiques. Celui ou celle qui
a de bonnes bases en sciences peut comprendre les
applications qu'on en fait en agriculture, en
ingénierie, en médecine et dans d'autres domaines
scientifiques.
Dans une société qui repose sur l'information et
dont les membres se préoccupent de questions aussi
complexes et générales que la protection de
l'environnement, la manipulation génétique, la
prolifération de systèmes d'armement de haute
technologie, il est plus que jamais urgent et
nécessaire d'avoir des citoyens et des citoyennes qui
soient alphabètes scientifiquement parlant. Même
s'il est difficile de trouver des solutions au genre de
problèmes mentionnés ci-dessus, la science montre
la voie à suivre pour comprendre et aborder ces
problèmes. Elle offre une vision du monde qui,
quand on la considère avec d'autres visions du
monde, responsabilise la société et lui donne le
pouvoir de prendre des décisions éclairées et
rationnelles reposant sur différentes façons de
réfléchir aux problèmes.
Grâce à quelques scientifiques dévoués dont le
leadership est exemplaire, des questions qui
préoccupaient sérieusement la société ont mobilisé
l'attention du public. Des valeurs bien assimilées et
clairement définies doivent étayer les décisions que
l'on prend dans le domaine scientifique. Il faut
insister sur les principes moraux fondamentaux tels
que le respect pour la dignité humaine, le respect
pour toute forme de vie, la protection de
l'environnement, le besoin de promouvoir la paix et
la compréhension parmi tous les peuples de la terre
et bien d'autres principes de justice naturelle. Dans
un monde où les progrès scientifiques et
technologiques ont amené la création d'armes
nucléaires (avec le danger potentiel que cela
représente pour la vie humaine), une prise de
décision claire et dictée par la raison s'impose en
science.
Tout bien considéré, prendre des décisions
rationnelles dans un monde apparemment
irrationnel est la responsabilité morale d'une société
instruite et bien informée. Bien que la science ne
prétende pas apporter de réponses à tous les
problèmes humains complexes, elle fournit les
connaissances, les talents et les attitudes
nécessaires pour commencer à attaquer ces
problèmes de façon unique.
Finalité et buts
Le but principal du programme de sciences
de la maternelle à la 12e année est de
développer l'alphabétisme scientifique. Mais
en quoi consiste ce dernier?
Pour la Saskatchewan, on le trouvera défini dans
les Aspects de l'alphabétisme scientifique qui
sont les fondements du programme rénové (Hart,
1987). L'élève qui participe activement au nouveau
programme de sciences peut désormais :
• comprendre la nature de la science et des
connaissances scientifiques; la science est une
façon unique d'acquérir un savoir;
• comprendre et appliquer correctement
concepts, principes, lois et théories
scientifiques et saisir leurs interactions avec la
société et l'environnement;
• se servir des procédés d'investigation
scientifique pour résoudre des problèmes,
prendre des décisions et approfondir sa
compréhension des choses;
• développer de nombreuses habiletés
scientifiques et technologiques; beaucoup ont
trait à la mesure;
• se comporter avec les divers aspects de la société
et de l'environnement d'une manière qui soit
conforme aux valeurs qui sous-tendent la
science;
• développer une manière unique de considérer la
technologie, la société et l'environnement à la
suite de l'enseignement qu'il ou elle a reçu
Physique 20, 30 – Introduction – P. 1
et continuer sa vie durant à maintenir cet
intérêt et cette attitude.
Chacun de ces aspects se compose de facteurs qui
sont à la base du programme d'études de sciences.
Ces facteurs de l'alphabétisme scientifique sont
définis et illustrés à partir de la page 28. On les
trouve aussi dans chaque unité obligatoire, ainsi
que dans Sciences : Programme cadre dans
l'optique du tronc commun (ministère de
l’Éducation de la Saskatchewan, 1991).
L'étude des sciences devrait aider les élèves à mieux
comprendre le monde qui les entoure. L'objectif
n'est pas que les élèves répètent les termes employés
par les enseignants et enseignantes et les
scientifiques pour décrire le monde, bien qu'ils et
elles puissent le faire, mais qu'ils et elles créent
eux-mêmes leurs propres schémas conceptuels de ce
qui les entoure dans la vie de tous les jours. Les
élèves doivent se rendre compte que ces concepts et
les schémas qui expliquent comment ces concepts
sont reliés entre eux sont expérimentaux et doivent
être remis en question et révisés grâce à la
démarche d'enquête.
Documents connexes
Le ministère de l'Éducation de la Saskatchewan a
élaboré les documents suivants pour appuyer le
programme de sciences au secondaire :
Sciences : Programme cadre dans l'optique du
tronc commun (ministère de l’Éducation de la
Saskatchewan, 1991) renferme des sections
importantes sur la philosophie et la façon de penser
sur lesquelles repose l'enseignement des sciences,
ainsi que sur la planification des cours de la
maternelle à la 12e année. Certaines sections du
document seront aussi utiles aux administrateurs
et administratrices, aux enseignants et
enseignantes-bibliothécaires.
Sciences : Biologie 20, 30, Chimie 20, 30, Physique
20, 30 : Liste de ressources, qui contient une liste
de ressources qu'on peut utiliser pour enrichir le
programme de physique et pour favoriser
l'apprentissage à base de ressources.
Les facteurs de l'alphabétisme
scientifique
On recommande à la personne qui doit utiliser ce
programme d'études de prendre connaissance du
document intitulé Sciences : Programme cadre
dans l'optique du tronc commun. Il fournit des
renseignements sur les facteurs de l'alphabétisme
P. 2 – Physique 20, 30 – Introduction
scientifique. À partir de la page 28 de Sciences :
Physique 20, 30 : Programme d’études pour le
secondaire, figurent la liste de ces facteurs, leur
définition et des exemples de cas où ces facteurs
sont importants ou peuvent être développés. Il est
possible de développer en physique un grand nombre
de facteurs qui composent les aspects de
l'alphabétisme scientifique.
Tous les élèves n'aborderont pas ces facteurs avec
les mêmes connaissances. Certains ne sauront que
des rudiments, d'autres seront plus avancés. Il
incombera donc à l'enseignant ou l'enseignante
d'adapter le cours afin de tenir compte des
différences.
Pour pouvoir traiter du plus grand nombre de
facteurs possible et pour se concentrer sur ceux qui
ont été moins développés, il faut que l’enseignant ou
l’enseignante possède une connaissance approfondie
de chaque facteur et sache bien planifier et analyser
ses cours. Lors de cette dernière opération, il doit se
pencher sur ce qui s'est passé pendant le cours,
identifier ce qui a été vu et ce qui doit être revu,
selon les champs d'intérêt, le niveau de
compréhension, la force et les besoins de ses élèves.
L'enseignant ou l'enseignante doit tracer des
schémas conceptuels et vérifier les rapports entre
les buts, les facteurs et les objectifs. On trouvera
dans la section du présent document « Guide de
planification de l'unité », des renseignements
généraux et spécifiques sur la planification d'une
unité et d'une leçon.
Le programme de sciences de la maternelle à
la 12e année pour les écoles de la
Saskatchewan permet de développer les
connaissances, les habiletés et les valeurs
qui constituent les facteurs de l'alphabétisme
scientifique. Ce sont ces facteurs qui guident
le contenu notionnel de Sciences : Physique
20, 30 : Programme d’études pour le
secondaire.
Comment utiliser ce
programme d'études
Toutes les unités obligatoires ont la même structure
et commencent par « Vue d'ensemble », qui
résume l'unité et fournit des indications sur la
philosophie sous-jacente. Dans la section
« Concepts clés », figurent les concepts abordés
jusqu'en 10e année.
On trouvera dans la section « Facteurs de
l'alphabétisme scientifique à développer », la
liste de ceux sur lesquels on mettra l'accent dans
l'unité. Libre aux enseignants et enseignantes
d'insister sur les facteurs qu'ils estiment les plus
appropriés, qu'ils figurent ou non sur la liste. Cette
section indique que les facteurs sont importants et
qu'on doit en tenir compte lors de la planification de
l'unité. Cela ne veut pas dire qu'on doive se limiter
à ces seuls facteurs.
La section « Objectifs généraux de la physique
et objectifs des apprentissages essentiels
communs », définit ce que l'élève doit être capable
d'accomplir dans le cours de Physique 20 et dans le
cours de Physique 30. La formulation de ces
objectifs rappelle qu'un des buts premiers du
programme de physique est l'intégration des
apprentissages essentiels communs à
l'enseignement des sciences. Ces objectifs généraux,
comme leur nom l'indique, ne donnent que les
grandes lignes. Étant donné que les objectifs des
apprentissages essentiels communs s'acquièrent
tout au long de la scolarité, il est possible que
certains élèves aient déjà acquis les rudiments d'un
concept dans un cours de sciences des années
précédentes ou dans d'autres domaines d'étude. Il
faut alors les encourager à approfondir les concepts
recommandés pour l'année scolaire, ainsi que ceux
que l'on juge convenir à cette unité.
Les objectifs généraux de la physique donnent
une vue d'ensemble de l'unité. Ils lui donnent sa
structure et son orientation générale. Quant aux
résultats d'apprentissage, qui servent à
atteindre chacun des objectifs généraux, on ne les
mentionne que pour suggérer ce qui peut être fait
pour y arriver. L'enseignant ou l'enseignante peut
choisir parmi les objectifs indiqués ou développer, de
préférence avec les élèves, d'autres objectifs jugés
appropriés pour la classe. C'est en étudiant
attentivement ces résultats d'apprentissage que l'on
peut incorporer la pédagogie différenciée (dimension
adaptation) et atteindre les objectifs généraux des
sciences et les objectifs des apprentissages essentiels
communs.
Ce n'est pas l'enseignement du contenu spécifique des
unités de physique qui est critique, mais plutôt le
développement de l'alphabétisme scientifique des élèves.
Comme pour tous les cours de sciences de la maternelle à
la 12e année, l'objectif premier du cours de physique est de
développer chez les élèves les facteurs composant les sept
aspects de l'alphabétisme scientifique.
Il y a des unités obligatoires dans Physique 20 et dans
Physique 30. Voir la figure 1, page 5. Le sujet ou les sujets
des unités obligatoires servent à développer du contenu,
un processus et des valeurs. On aura des élèves
alphabètes scientifiquement parlant si on insiste sur tous
ces domaines.
L'ordre dans lequel seront présentés les sujets est laissé à
la discrétion des enseignants et enseignantes. On
conseille vivement d'organiser les sujets de manière
créative; par exemple, modifier l'ordre dans lequel les
sujets sont développés, ou intégrer plusieurs sujets.
Les traits saillants du schéma conceptuel (Webbing
Highlights) et le schéma conceptuel lui-même qui
l'accompagne, sont une manière d'encourager à
« revisiter » des sujets déjà couverts et seront signalés par
le terme « schéma conceptuel » à côté de l'unité en
question. Quand on renforce des notions précédemment
vues, on insiste sur la nature intégrée des connaissances
au sein de catégories utiles quoiqu'artificielles. La section
sur le schéma conceptuel devrait constituer un point de
départ pour faire découvrir aux élèves et leur souligner
d'autres liens possibles.
L'approche STSE (science - technologie - société environnement) permet d'encourager le raisonnement
critique et l'alphabétisme scientifique. Chaque unité doit
donner l'occasion d'évaluer les technologies actuelles et
de se poser des questions du style : est-ce que ces
technologies sont valides? De quelle façon est-ce qu'elles
affectent les citoyens à un niveau local ou planétaire? Il
n'est pas toujours possible d'apporter des réponses
définitives et parfois les sujets portent à controverse. Les
enseignants et enseignantes ne devraient pas fourvoyer
les élèves; ils devraient partir des valeurs et des
préoccupations qui caractérisent la communauté où ils
vivent et faire émerger à un niveau conscient les idées qui
seront utiles aux jeunes quand, à leur tour, ils apporteront
des contributions à la société.
Il existe plusieurs manières d'incorporer la pédagogie
différenciée à la physique. On pourra par exemple modifier
les stratégies d'enseignement. Chaque méthode, employée
seule ou avec d'autres, est acceptable. On trouvera des
idées supplémentaires dans le document Approches
pédagogiques : Infrastructure pour la pratique de
l'enseignement (ministère de l'Éducation de la
Saskatchewan, 1993). Des activités de prolongement
peuvent également être l'occasion de mettre en pratique la
pédagogie différenciée.
Le programme d'études Physique 20, 30 veut répondre aux
goûts et aux besoins des élèves, et des enseignants et
enseignantes. Une leçon de physique peut s'avérer
excellente pour mettre l'accent sur plusieurs facteurs de
l'alphabétisme scientifique, ainsi que sur les objectifs
généraux communs à la physique et aux apprentissages
essentiels communs. Une autre leçon peut ne traiter que
de quelques facteurs et d'un ou deux objectifs généraux.
Pour utiliser efficacement le temps d'instruction,
l'enseignant ou enseignante devrait analyser sa leçon
avant de la présenter pour s'assurer que les facteurs
appropriés et les objectifs généraux sont développés au
maximum.
Physique 20, 30 – Introduction – P. 3
La diversité et la souplesse de ce programme d'études
encouragent les changements de rôle pour les enseignants
et enseignantes, la variété des activités destinées aux
élèves et l'apprentissage à base de ressources. Sciences :
Biologie 20, 30, Chimie 20, 30, Physique 20, 30 : Liste de
ressources offre une liste de ressources qui soutiennent
l'apprentissage à base de ressources.
Il n'existe pas de ressource unique qui, à elle seule,
puisse couvrir toutes les unités obligatoires du
programme d'études. C'est pourquoi il faudra que les
enseignants et enseignantes choisissent dans diverses
ressources des activités et du contenu qu'ils intégreront
pour produire un programme complet, basé sur les
activités.
La section « Enseignements, activités et démonstrations
suggérés » suggère tout un éventail d'approches pour
répondre aux besoins des élèves. Pendant la mise à l'essai,
des suggestions furent soumises concernant des activités
qui pourraient faire partie de cette section du programme
d'études.
Toutes les activités et les enquêtes mentionnées dans les
unités obligatoires du présent programme d'études ne
sont pas à faire. Il est de loin préférable que des activités
choisies par l'enseignant ou l'enseignante et prises dans
Sciences : Biologie 20, 30, Chimie 20, 30, Physique 20,
30 : Liste de ressources (ou dans d'autres ressources)
soient intégrées pour constituer un programme complet.
C'est à l'enseignant ou l'enseignante de décider de
l'ordre dans lequel présenter les activités et les enquêtes.
P. 4 – Physique 20, 30 – Introduction
Vue d'ensemble du programme
Figure 1
Le tableau ci-dessous montre en quoi consiste le programme de Physique 20 et 30.
Unités obligatoires de Physique 20
Durée minimale
Unité I : La physique du quotidien
15 heures
Unité II : Le mouvement ondulatoire
15 heures
Unité III : La lumière
25 heures
Unité IV : La chaleur
15 heures
* Options diverses
Reste du temps
Unités obligatoires de Physique 30
Durée minimale
Unité I : La cinématique et la dynamique
30 heures
Unité II : L'énergie mécanique
10 heures
Unité III : L'électricité
20 heures
Unité IV : La physique nucléaire
15 heures
* Options diverses
Temps restant
N.B. Pour pouvoir suivre le cours de Physique 20 et 30, il faut avoir suivi des cours de sciences de la maternelle à la 10e
année. Il n'est pas nécessaire d'avoir suivi Physique 20 pour suivre Physique 30. Toutefois, les élèves qui ont l'intention de
suivre Physique 30 doivent avoir des capacités intellectuelles au-dessus de la moyenne.
Chaque crédit au secondaire équivaut à 100 heures d'enseignement.
* Voir les pages 105 et 181
Physique 20, 30 – Introduction – P. 5
L'approche sciencetechnologie-sociétéenvironnement (approche
STSE) dans l'enseignement des
sciences
L'approche science-technologie-sociétéenvironnement (approche STSE), qui est
recommandée pour l'enseignement des sciences de
la maternelle à la 12e année, diffère de celle qui
était utilisée traditionnellement. L'idéal est
d'étudier un sujet par le biais d'une application.
Pour mieux comprendre la notion scientifique
d'application, il faut développer des connaissances et
des habiletés, ainsi que des activités qui donnent un
but aux connaissances et aux habiletés
nouvellement acquises. Ou alors, après avoir
discuté de l'application, on peut faire des activités
qui servent à développer les connaissances et les
habiletés nécessaires à la compréhension de
l'application. Les flèches de la figure 2 indiquent les
nombreux cheminements qui vont de la description
d'une application à la décision finale.
Figure 2
L'approche science-technologie-société-environnement dans
l'enseignement des sciences
Comment utiliser les
ressources
Les ressources présentées dans Sciences : Biologie
20, 30, Chimie 20, 30, Physique 20, 30 : Liste de
ressources faciliteront l'apprentissage à base de
ressources. Les enseignantes et les enseignants
devraient prendre en considération les suggestions
et les recommandations contenues dans ce
document. Ils pourront également utiliser d’autres
ressources.
Comme cela a été indiqué précédemment, il
n'existe pas de ressource unique pour
Sciences : Physique 20, 30 : Programme
d’études pour le secondaire. Pour faciliter
une approche à base de ressources,
l'utilisation de nombreuses ressources, au
lieu d'un seul manuel, est fortement
conseillée.
Il se peut que les enseignants et les enseignantes
veuillent étudier en 11e et 12e année certains sujets
qui ne figurent pas dans le programme de 10e année. Ceci
devrait être coordonné entre écoles, et les ressources
sélectionnées dans cette optique.
Une approche à base de ressources nécessite une
planification à long terme et une coordination dans le
cadre de l'école ou de la commission scolaire.
L'administration de l'école, les enseignants et enseignantsbibliothécaires et les autres personnes impliquées dans le
processus doivent participer activement à la planification.
Un enseignement qui mise sur le travail d'équipe et
développe l'autonomie chez les élèves permet d'utiliser des
ressources limitées de façon productive. Se référer à
Approches pédagogiques : Infrastructure pour la
pratique de l'enseignement (ministère de l'Éducation de la
Saskatchewan, 1993) et à La dimension adaptation (ou
pédagogie différenciée) dans le tronc commun (ministère
de l'Éducation, de la Formation et de l'Emploi de la
Saskatchewan, 1993).
Les apprentissages essentiels
communs (AEC)
La physique présente beaucoup d'occasions
d'intégrer à l'enseignement les apprentissages
essentiels communs (AEC). Grâce à cette
intégration, l'élève comprendra mieux la matière et
sera mieux préparé à ses études ultérieures
jusqu'en 12e année et au-delà.
La décision de se concentrer sur un ou plusieurs
AEC dans une leçon dépend des besoins et des
capacités de chaque élève, et des exigences de la
P. 6 – Physique 20, 30 – Introduction
matière. Chaque apprentissage essentiel commun
doit être développé de façon optimale. Il est
important d'intégrer les AEC de façon authentique.
Certaines matières peuvent donner l'occasion
d'acquérir les connaissances, valeurs, habiletés et
démarches contenues dans tous les apprentissages
essentiels communs. Dans d'autres cas, la nature
de la matière ne permet l'exploitation que d'un seul
AEC.
VAL
capacités et valeurs personnelles et sociales
Les apprentissages essentiels communs devraient
être exploités et évalués dans le contexte des
matières. C'est pourquoi les objectifs des AEC se
trouvent parmi les objectifs généraux pour la
matière dans la vue d’ensemble des unités.
Puisque les apprentissages essentiels communs ne
sont pas distincts et indépendants les uns des
autres, les efforts pour atteindre les objectifs de l'un
pourraient contribuer à l'acquisition des objectifs
d'un ou de plusieurs autres. Par exemple, bon
nombre de démarches, habiletés, connaissances et
capacités nécessaires à la communication, à
l'analyse numérique et à la créativité et au
raisonnement critique sont également
indispensables à l'initiation à la technologie.
L'intégration des apprentissages essentiels
communs à l'enseignement a des répercussions sur
l'évaluation pédagogique. Si l’enseignant ou
l’enseignante encourage l'élève à faire preuve de
raisonnement critique et à exercer sa créativité
pendant l'étude d'une unité, il faut créer pour celleci des instruments de mesure qui exigent de l'élève
l'exercice de ces mêmes capacités. Examens ou
devoirs devraient permettre de montrer la
compréhension des concepts importants de l'unité,
ainsi que la façon dont ils sont reliés entre eux ou
reliés à un apprentissage antérieur. Les questions
peuvent être posées de façon qu'une preuve ou des
raisons accompagnent les explications de l'élève.
L'évaluation pédagogique de la matière doit
s'adapter à l'intégration et à l'incorporation des
apprentissages essentiels communs.
Il est prévu que l'enseignante ou l'enseignant tirera
parti des suggestions qui figurent dans ce
programme d’études, ainsi que de sa réflexion
personnelle, pour mieux incorporer les
apprentissages essentiels communs à la physique.
Dans le présent programme d’études, on se sert des
abréviations suivantes lorsque l'on fait référence
aux apprentissages essentiels communs :
AUT
apprentissage autonome
COM
communication
CRC
créativité et raisonnement critique
NUM
initiation à l'analyse numérique
TEC
initiation à la technologie
Physique 20, 30 – Introduction – P. 7
Comment incorporer les
apprentissages essentiels
communs à l'enseignement de
la physique
Le programme de sciences de la maternelle à la 12e
année fait entrer en jeu le développement des
facteurs de l'alphabétisme scientifique. Son but
principal est d'intéresser les élèves et de leur
permettre de comprendre les sciences.
L'enseignant ou l'enseignante doit planifier ses
cours de façon à y incorporer les apprentissages
essentiels communs. Lors de la planification de la
leçon, il doit penser à la façon dont cela peut se
faire. Pourquoi ne pas partir des facteurs de
l'alphabétisme scientifique, des objectifs
généraux de la physique et des objectifs des
apprentissages essentiels communs?
Les relations science-technologie-sociétéenvironnement (aspect D de l'alphabétisme
scientifique) facilitent l'initiation à la technologie.
Les onze facteurs de l’alphabétisme scientifique
contenus dans l'aspect D sont développés en 10e
année. Dans cet aspect, la technologie est abordée de
façon à être placée dans un contexte social. On y
explique aussi les rapports entre la science et la
technologie, les effets de la technologie sur la
société, la science et l'environnement. La
technologie devient alors bien plus que les gadgets
et les « bidules » auxquels on l'associe trop souvent.
La plupart des sujets de Physique 20 et Physique 30
peuvent être structurés de façon à développer
l'initiation à la technologie.
L'aspect E de l'alphabétisme scientifique, c'est-àdire les habiletés scientifiques et techniques, permet
l'initiation à la technologie. S’il est possible de se
servir, à l'heure actuelle, de nombreuses techniques
dans le domaine des sciences, c'est grâce au
matériel et aux instruments nés des progrès de la
technologie. Leurs effets sur la vie quotidienne et
sur l'environnement sont très importants.
D’autres facteurs de l'alphabétisme scientifique qui
touchent de près ces apprentissages essentiels
communs permettent d'aborder l'initiation à
l'analyse numérique. On peut nommer les facteurs
suivants : la nature empirique de la science (A5), la
quantification (B8), la probabilité (B19), la justesse
(B21), la mesure (C5), l'utilisation des nombres (C7),
l'utilisation des mathématiques (C17) et savoir
utiliser des relations quantitatives (E13). Pour qui
comprend les sciences, l'importance de l'analyse
numérique est évidente.
P. 8 – Physique 20, 30 – Introduction
La résolution de problèmes se prête bien au
développement de l'analyse numérique. Il en est de
même pour toutes les autres applications
quantitatives, qui sont très nombreuses. Il faut
donc donner aux élèves de nombreuses occasions de
trouver des façons de mesurer, de noter, de
manipuler, d'analyser et d'interpréter les quantités.
Aligner simplement des nombres dans des formules
obscures n'est pas suffisant. Il faut que les élèves
apprécient l'importance de l'information numérique
dans le monde des sciences. On peut aussi
développer d'autres habiletés connexes, comme
apprendre à estimer, à évaluer, à arrondir, à
classifier, à calculer et à utiliser des chiffres
significatifs et une notation scientifique.
Il n'est pas nécessairement facile d'identifier les
facteurs spécifiques se rapportant à l'apprentissage
essentiel commun qu'est la communication. La
nature publique et privée de la science (A1) montre
l'importance fondamentale de la communication
dans les sciences. Les scientifiques partagent leurs
découvertes. Cela requiert l’utilisation du langage
puisqu’ils et elles doivent faire des rapports écrits et
oraux. Lorsque les élèves explorent des principes
scientifiques importants et en discutent dans leurs
propres mots, ils et elles apprennent à mieux
communiquer. C'est pourquoi on doit renforcer
toutes les habiletés qui permettent de communiquer
efficacement.
Les valeurs qui sous-tendent la science (aspect F),
les intérêts et attitudes en matière scientifique
(aspect G) permettent aux élèves de développer leurs
capacités et valeurs personnelles et sociales. En
acquérant les facteurs qui composent ces deux
aspects de l'alphabétisme scientifique, ils et elles
peuvent avoir une attitude positive vis-à-vis de la
science. Ces aspects touchent le domaine affectif.
D'autres facteurs, comme la coopération (C4), le côté
humain des scientifiques et des technologues (D2),
et la nature de la science qui est reliée à l'être
humain/à la culture (A9), viennent renforcer les
capacités et les valeurs personnelles et sociales.
Un programme de sciences axé sur les activités
permet de développer la créativité et le
raisonnement critique. Les procédés d'investigation
scientifique comportent la formulation d'hypothèses
(C8), l'expérimentation (C16), l'observation et la
description (C3), l'inférence (C9). Ils mènent à des
conclusions, permettent de formuler des lois
scientifiques, de tester des théories, etc. Toutes ces
activités demandent des processus mentaux de
niveau élevé.
Les élèves peuvent aussi développer leur créativité
et leur raisonnement critique en analysant des
sujets portant à controverse, car cela les oblige à
étudier des points de vue contradictoires. Au fur et à
mesure qu'ils et elles acquièrent une base de
connaissances et commencent à former leurs
propres valeurs, ils et elles développent aussi leurs
propres capacités et valeurs personnelles et sociales.
En mettant l'accent sur l'utilisation de toute une
gamme de méthodes d'enseignement, le programme
d’études Sciences : Physique 20, 30 : Programme
d’études pour le secondaire encourage
l'apprentissage autonome. En accordant moins
d’importance aux cours magistraux traditionnels,
les enseignants et les enseignantes forcent les élèves
à assumer la responsabilité de leur propre
apprentissage. Ces derniers jouent un rôle plus
actif, tandis que l'enseignant ou l'enseignante n'est
là que pour faciliter l'apprentissage.
Il est parfois possible d'assimiler certains contenus
scientifiques à des apprentissages essentiels
communs bien précis; ce n'est malheureusement
pas souvent le cas. En effet, ces apprentissages
dépendent moins du contenu que de la démarche. Ce
sont les stratégies d'enseignement, que l'enseignant
ou l'enseignante va choisir en planifiant
soigneusement sa leçon et son unité qui
déterminent les apprentissages essentiels communs
à développer et l'importance à leur donner.
L'essentiel est de savoir que l'incorporation
des apprentissages essentiels communs peut
avoir un énorme impact sur les élèves.
N'importe quel apprentissage essentiel commun
peut être développé dans de nombreux sujets de
sciences. Décider lesquels développer et l'importance
à leur accorder dépend des buts du programme
d'études, des objectifs généraux traités dans l’unité,
ainsi que des résultats d'apprentissage propres au
sujet. Il est possible d’enseigner une leçon de
différentes façons; de même, il y a de nombreuses
façons d’incorporer les apprentissages essentiels
communs. L'important, c'est que les enseignants et
enseignantes les développent efficacement, en
songeant à ce qui intéresse leurs élèves et à leurs
besoins précis. Ce qu'il y a de bien, c'est
qu'incorporer les apprentissages essentiels
communs aux sciences peut se faire de façon
dynamique et souple.
L'enseignant ou l'enseignante change ses stratégies
au fur et à mesure que changent les besoins de ses
élèves.
Politique en matière d’égalité
entre les sexes
Le ministère de l'Éducation de la Saskatchewan
s'est engagé à fournir une éducation de qualité à
tous les élèves de la maternelle à la 12e année. Il est
reconnu que des attentes fondées essentiellement
sur le fait que l'élève est du sexe masculin ou du
sexe féminin limitent le plein épanouissement de
l’élève. Pour réaliser l'égalité entre les sexes, il faut
réduire les préjugés sexistes qui limitent la
participation et les choix des élèves.
Certains préjugés et certaines pratiques ont
disparu, mais d'autres demeurent. L'école, qui a
visé l'égalité des chances pour les garçons et les
filles, doit maintenant faire un effort pour permettre
l'égalité des avantages et des résultats.
Il incombe à l'école de créer un milieu scolaire
exempt de tout préjugé sexiste et d’éliminer les
attentes et les attitudes liées au sexe des élèves. On
atteint ce but en favorisant une meilleure
compréhension de la question et en utilisant des
ressources et des méthodes d'enseignement non
sexistes. Il faut encourager les filles et les garçons à
examiner toute la gamme des options à la lumière
de leurs aptitudes, capacités et intérêt, plutôt que
par rapport à leur sexe.
Les programmes d'études de la province tiennent
compte de la diversité des rôles et de la gamme des
expériences, des comportements et des attitudes qui
s'offrent à tous les membres de la société. Ce
programme d'études veut assurer un contenu, des
activités et des méthodes d'enseignement
impartiaux quant au sexe, et rédigés dans un
langage inclusif. Les enseignants et enseignantes
peuvent ainsi créer un milieu exempt de préjugés
permettant aux filles et aux garçons de partager
toutes les expériences et d'avoir les mêmes
possibilités de cultiver pleinement leurs capacités et
leurs talents.
Les perspectives et le contenu
indiens et métis
Il est question de l'intégration aux programmes
d'études des perspectives et du contenu indiens et
métis dans plusieurs documents, dont Directions,
Five Year Action Plan for Native Curriculum
Development et Indian and Metis Education Policy
Physique 20, 30 – Introduction – P. 9
from Kindergarten to Grade XII. Ils s'accordent
tous pour faire une recommandation capitale :
« Le ministère de l'Éducation de la
Saskatchewan reconnaît le caractère
unique des Indiens et des Métis, et leur
place unique et légitime dans la société
contemporaine et historique. Le ministère
reconnaît que les programmes d'études
doivent être modifiés pour mieux répondre
aux besoins des Indiens et des Métis et que
ces modifications seraient dans l'intérêt de
tous les élèves. »
L'inclusion des perspectives indiennes, métisses et
inuites est dans l'intérêt de tous les élèves dans une
société pluraliste. Voir sa culture représentée dans
tous les aspects du milieu scolaire permet aux
enfants d'acquérir un sentiment positif
d'appartenance au groupe. Le choix de ressources
relatives aux Indiens, aux Métis et aux Inuits
stimule chez les élèves autochtones des expériences
significatives et développe chez tous les élèves une
attitude favorable à l'égard des Indiens, des Métis et
des Inuits. Cette prise de conscience de sa propre
culture et de celle des autres favorise le
développement d'une image de soi positive, favorise
l'apprentissage, permet de mieux comprendre la
société pluraliste qu'est le Canada et soutient les
droits de la personne.
En Saskatchewan, les élèves indiens, métis et inuits
viennent de divers milieux socioculturels (Grand
Nord, milieu rural et milieu urbain). Les
éducateurs et éducatrices ont besoin de cultiver
leurs connaissances des autres cultures pour mieux
comprendre cette diversité. Les enseignants et
enseignantes des élèves d'origine autochtone sont
avantagés lorsqu’ils ont des connaissances en
sociolinguistique appliquée, en théorie de
l'apprentissage de la langue première et de la
langue seconde, et des variétés dites « standard » et
« non standard » de l'anglais. Il faut que les
enseignants et enseignantes utilisent diverses
stratégies d'enseignement qui tiennent compte des
connaissances, cultures, styles d'apprentissage et
points forts des élèves autochtones. Pour une mise
en œuvre efficace de tous les programmes d'études,
il faut des adaptations qui seront sensibles aux
besoins de ces élèves.
En Saskatchewan, il incombe aux enseignants et
enseignantes d'intégrer aux unités appropriées
suffisamment de contenu relatif aux Indiens, aux
Métis et aux Inuits et de prévoir des ressources qui
présentent les perspectives authentiques de ces
peuples autochtones. Les enseignants et
enseignantes doivent également évaluer toutes les
P. 10 – Physique 20, 30 – Introduction
ressources pour voir si elles contiennent des
préjugés, et apprendre aux élèves à les dépister.
En résumé, le ministère de l'Éducation de la
Saskatchewan s'attend à ce que les programmes
d'études et les ressources :
• présentent une image positive des Indiens, des
Métis et des Inuits;
• renforcent les convictions et les valeurs des
peuples indiens, métis et inuits;
• comprennent des questions contemporaines
aussi bien qu'historiques;
• reflètent la diversité des Indiens, des Métis et
des Inuits au point de vue droit, politique,
société, économie et région géographique.
Les douze principes de la
philosophie indienne
tirés de l'Arbre sacré
Lors d'une conférence tenue à Lethbridge en Alberta
en décembre 1982, des Anciens, des chefs spirituels
et des professionnels indiens venus de toutes les
régions du Canada ont défini les éléments
fondamentaux qu'ils considéraient communs à
toutes les philosophies indiennes du Canada. Ces
éléments sont à la base des travaux entrepris à
l'Université de Lethbridge, le Projet de
développement des quatre mondes (« Four Worlds
Development Project »).
Bien que ces éléments philosophiques soient de
nature historique, ils continuent à faire partie de la
vision du monde des peuples indiens et métis à
l'époque contemporaine.
1.
L'approche holistique. Tout est relié. Tout dans
l'univers fait partie d'un tout unique. Tout est
lié de certaine façon à autre chose. Il n'est donc
possible de comprendre une chose que si l'on
comprend comment cette chose est liée au
reste.
2.
L'évolution. Toute la création est en état
d'évolution constante. La seule chose qui soit
toujours la même, c'est que tout passe par des
cycles de changements qui se répètent. Une
saison suit l'autre. Les êtres humains naissent,
vivent leur vie, meurent et entrent dans le
monde des esprits. Tout évolue. Les choses
subissent deux sortes de changements, car les
choses se font (la formation) et elles se défont
(la désagrégation). Ces deux sortes de
changements sont nécessaires et sont toujours
liées les unes aux autres.
3.
4.
5.
Les changements arrivent par cycles ou selon
des constantes. Ils n'arrivent pas au hasard ou
accidentellement. Il est parfois difficile de voir
en quoi un changement donné est lié à tout le
reste. Cette difficulté s'explique ordinairement
par le fait que notre point de vue (la situation à
partir de laquelle nous considérons le
changement) limite notre capacité de voir
clairement.
8.
La dimension spirituelle du développement
humain peut être envisagée comme un
ensemble de capacités liées entre elles.
La première, c'est la capacité d'être sensible à
des réalités qui n'ont pas d'existence matérielle,
comme les rêves, les visions, les idéaux, les
enseignements, les objectifs et les théories
spirituels, et d'intégrer ces réalités dans notre
vie.
Ce que l'on voit et ce que l'on ne voit pas. Le
monde physique est réel. Le monde spirituel est
réel. Ce sont deux aspects de la même réalité.
Et pourtant, ce sont des lois distinctes qui
régissent l'un et l'autre. Toute violation des lois
spirituelles peut affecter le monde physique.
Toute violation des lois physiques peut affecter
le monde spirituel. Une vie équilibrée respecte
les lois de ces deux dimensions de la réalité.
La deuxième, c'est la capacité d'accepter ces
réalités comme le reflet (sous forme de
représentation symbolique) d'un potentiel
inconnu ou non réalisé nous permettant de
faire quelque chose ou d'être quelque chose de
plus ou de différent de ce que nous sommes à
l'heure actuelle.
Les êtres humains ont une dimension
spirituelle et une dimension physique.
La troisième, c'est la capacité d'exprimer ces
réalités immatérielles à l'aide de symboles,
comme ceux du langage, des arts ou des
mathématiques.
Le cercle de l'Esprit
La quatrième, c'est la capacité d'utiliser cette
expression symbolique pour orienter notre
action future, c'est-à-dire nos efforts pour
transformer en réalité vivante ce qui
n'apparaissait auparavant que comme une
possibilité.
le mental
le spirituel
le physique
l'affectif
6.
7.
Les êtres humains peuvent toujours acquérir
de nouveaux talents au prix d'efforts. Le
peureux peut devenir courageux, le faible, fort
et intrépide, la personne insensible peut
apprendre à se soucier des sentiments des
autres et la personne matérialiste peut acquérir
la capacité d'introspection et écouter sa voix
intérieure. Le processus que l'être humain
utilise pour développer ces nouvelles qualités
peut être appelé « l'apprentissage véritable ».
Il existe quatre dimensions de « l'apprentissage
véritable ». Ces quatre aspects de la nature de
chaque personne sont reflétés dans les quatre
points cardinaux du cercle de l'Esprit. Ces
quatre aspects de notre être se développent par
l'exercice de la volonté. On ne pourra dire
qu'une personne a fait un apprentissage
complet et harmonieux si ces quatre
dimensions de son être n'ont pas été impliquées
dans le processus.
9.
Les êtres humains doivent prendre une part
active à la réalisation de leur propre potentiel.
10. La porte que nous devons tous franchir, si nous
voulons nous dépasser, ou être différents, est la
porte de la volonté. Il faut qu'une personne
décide de faire le voyage. La voie a une patience
infinie. Elle sera toujours là pour ceux qui
décident de la suivre.
11. Quiconque s'embarque pour le voyage du
développement personnel (c'est-à-dire s'engage
et respecte son engagement) recevra de l'aide.
Des guides et des professeurs apparaîtront et
des protecteurs spirituels protégeront le
voyageur. Le voyageur n'aura pas à subir
d'épreuves qu'il n'aura déjà la force de
surmonter.
12. La seule cause d'échec du voyage sera si le
voyageur manque aux enseignements de
l'Arbre sacré.
Reproduit avec l’autorisation de :
Four Worlds Development Press
Projet de développement des quatre mondes
Université de Lethbridge
Physique 20, 30 – Introduction – P. 11
4401 University Drive
Lethbridge (Alberta) T1K 3M4
L'invitation des Anciens
Il existe dans toutes les cultures des individus qui
contribuent de manière unique et précieuse par
leurs connaissances à enrichir la société où ils
vivent. Ces connaissances peuvent prendre diverses
formes et une fois qu'elles sont partagées avec les
élèves, elles entraînent ces derniers beaucoup plus
loin que les ressources scolaires habituelles. Le rôle
de renaissance, de maintien et de préservation des
cultures autochtones dépend largement des Anciens.
La participation des Anciens au soutien des objectifs
des programmes d'études développe, chez les élèves
indiens, métis et inuits, une prise de conscience
positive de leur identité et contribue à améliorer
leur image de soi. Les élèves non autochtones
apprennent à connaître, grâce à eux, les cultures
autochtones et à y être plus sensibles, ce qui
favorise inévitablement une éducation antiraciste.
Dans chaque communauté, le protocole qu'il faut
suivre, lorsqu'il s'agit de contacter un Ancien et de
lui transmettre une requête, varie. Vous pourriez
demander de l'aide à ce sujet au Bureau des chefs de
district, au Bureau du conseil tribal, au Conseil de
bande ou au Comité sur l'éducation d'une réserve
près de chez vous. Avant qu'un Ancien ne partage
ses connaissances, il est essentiel que vous et vos
élèves complétiez le cycle des échanges, en offrant à
votre hôte un cadeau approprié, qui exprimera
combien vous respectez et appréciez les
connaissances que cet Ancien va partager avec vous
et vos élèves. Avant que celui-ci ne se rende dans
votre classe, il faudra vérifier la nature du cadeau à
offrir, car les traditions diffèrent selon les
communautés autochtones. En outre, si votre
commission ou votre division scolaire rembourse les
frais ou offre des honoraires, il serait également
approprié de le faire pour l'Ancien qui se rendra
dans votre classe.
Pour démarrer le processus de dialogue et de
participation, la première chose à faire est d'envoyer
une lettre au Conseil de bande local demandant la
participation de l'Ancien et indiquant le rôle qu'il
jouera dans le programme. Le Conseil de bande
pourra fournir le nom de personnes possédant les
connaissances et les habiletés dont vous auriez
besoin. On recommande une consultation préalable
avec l'Ancien, au cours de laquelle on lui fera part
des attentes et des résultats de l'apprentissage.
Partout dans la province, des centres d'accueil
(« Friendship Centres ») sont actifs au niveau de la
communauté et présentent souvent des ateliers et des
activités culturelles, en collaboration avec des Anciens et
d'autres personnes-ressources reconnues. Les
enseignants et enseignantes et les écoles voudront peutêtre contacter les organismes et institutions suivants :
Eber Hampton, Président
Collège indien fédéré de la Saskatchewan
Salle 118, Collège Ouest
Université de Regina,
Regina SK S4S 0A2
Téléphone : 779-6209
Télécopieur : 584-0955
[email protected]
Brenda Ahenakew, Directrice de l’éducation
Conseil tribal de Saskatoon
Bureau 200
203, avenue Packham
Saskatoon SK S7N 4K5
Téléphone : 956-6145
Télécopieur : 244-7273
[email protected]
Larry Goldade, Directeur de l’éducation
Grand Conseil de Prince Albert
Case postale 2350
Prince Albert SK S6V 6Z1
Téléphone : 953-7234
Télécopieur : 922-3135
[email protected]
Hugh Reoch, Directeur de l’éducation
Conseil tribal de Touchwood/
File Hills Qu’Appelle
Case postale 985
Fort Qu'Appelle SK S0G 2Y0
Téléphone : 332-8224
Télécopieur : 332-5597
Derrol LeBlanc, Directeur de l’éducation
Conseil tribal de Battleford
1022, 102e Rue
North Battleford SK S9E 1A6
Téléphone : 445-9400
Télécopieur : 445-9022
Linda Pelly Landrie, Présidente
Centre culturel indien de la Saskatchewan
120, 33e Rue Est
Saskatoon SK S7K 0S2
P. 12 – Physique 20, 30 – Introduction
Téléphone : 244-1146
Télécopieur : 665-6520
[email protected]
Anne Perry, Directrice administrative
The Circle Project
2 – 1102, 8e Avenue
Regina SK S4R 1C9
Téléphone : 347-7515
Télécopieur : 347-7519
Karen Shmon, Directrice générale
Institut Gabriel Dumont
505, 23e Rue Est, 2e étage
Saskatoon SK S7K 4K7
Téléphone : 249-9403
Télécopieur : 244-0252
[email protected]
Don Pinay, Directeur de l’éducation
Centre éducatif du Conseil tribal de Yorkton
21, promenade Bradbrooke Nord
Yorkton SK S3N 3R1
Téléphone : 782-3644
Télécopieur : 786-6264
Les verbes contenus dans les résultats
d'apprentissage des unités obligatoires suggèrent
diverses approches pédagogiques et ils indiquent
plusieurs procédés d'investigation scientifique :
• analyser
• classifier
• construire
• débattre
• démontrer
• déterminer
• développer
• discuter
• enquêter
• estimer
• évaluer
• examiner
• expliquer
• exprimer
• identifier
• mesurer
• préparer
• rechercher
• tester
• utiliser
Les approches pédagogiques
Les facteurs de l'alphabétisme scientifique et les
apprentissages essentiels communs sont les
fondements des programmes d’études de sciences de
la maternelle à la 12e année. Il faut donc que les
enseignants et enseignantes se servent de
nombreuses approches pédagogiques pour permettre
à leurs élèves de développer les notions et les
capacités mentionnées dans ces programmes
d’études. Le document intitulé Approches
pédagogiques : Infrastructure pour la pratique de
l’enseignement (ministère de l'Éducation, 1993)
permet de comprendre et d'utiliser différentes
approches pédagogiques. Le présent programme
d'études va aider les enseignants et les enseignantes
à utiliser toute une gamme d'approches
pédagogiques. On trouvera des informations plus
précises sur la façon d'enseigner les sciences à l'aide
de diverses stratégies dans le document intitulé
Teaching Science Through a
Science-Technology-Society-Environment Approach
: An Instructional Guide (Aikenhead, 1988).
Physique 20, 30 – Introduction – P. 13
Enseignement, évaluation et buts des sciences
Stratégies
d'enseignement
Quelques méthodes
d'enseignement importantes
pour l’enseignement des
sciences (voir p. 22, Approches
pédagogiques : Infrastructure
pour la pratique de
l'enseignement)
Quelques méthodes
d'évaluation qui y
correspondent (voir p. 50,
Évaluation de l'élève : manuel
de l'enseignant)
Enseignement direct
•
•
•
•
Démonstrations
Exposé
Vue d'ensemble
•
Enseignement indirect
•
•
•
Schéma conceptuel,
formation de concepts,
acquisition de concepts
Enquête
Résolution de problèmes
•
•
•
•
Apprentissage
expérientiel
•
•
•
•
Expériences
Excursions
Élaboration de modèles
Simulations
•
•
•
•
Étude indépendante
Enseignement
interactif
•
•
•
•
•
Enseignement assisté par
ordinateur
Comptes rendus (essais)
Devoirs
Projets de recherche
•
•
•
•
Remue-méninges
Apprentissage coopératif
Discussion
Groupes de laboratoire
•
•
•
•
•
•
Aspects des facteurs
de l'alphabétisme
scientifique (voir la
p. 28 du présent
programme)
Évaluation individuelle,
évaluation de groupe
(auto-évaluation, coévaluation)
Items à réponse courte
(tests et examens)
B, E
Évaluation individuelle,
évaluation de groupe :
présentations
Tests oraux
Évaluation de la
performance
Travaux écrits
AàD
Évaluation individuelle,
évaluation de groupe :
évaluation de la
performance, travaux
écrits
Auto-évaluation, coévaluation orale
Habiletés techniques
B, C, E
Évaluation de la
performance
Dossiers de l'élève
Présentations
Tests
Travaux écrits
Tous
Évaluation individuelle,
évaluation de groupe :
tests oraux
Travaux écrits
Tous
Les fiches anecdotiques, grilles d'observation et échelles d'appréciation peuvent être utilisées comme méthodes de
consignation des données dans toutes les catégories.
Quelques variables de la pédagogie différenciée
Programme d'études
• Concepts
• Contenu
• Ressources
• Évaluation
P. 14 – Physique 20, 30 – Introduction
Enseignement
• Stratégies, méthodes et habiletés
• Rythme individuel et échéances
• Rétroaction, modification et
réflexion
Environnement pédagogique
• Environnement en classe
• Groupement
• Soutien
• Disposition de la classe
L'apprentissage à base de
ressources
L'enseignement et l'apprentissage à base de
ressources permettent aux enseignantes et aux
enseignants de favoriser considérablement la
formation des attitudes et des capacités nécessaires
à l'apprentissage autonome la vie durant.
L'apprentissage à base de ressources exige que le
personnel enseignant planifie des unités qui
intègrent les ressources aux activités de la classe, et
enseigne les démarches nécessaires pour découvrir,
analyser et présenter l'information.
•
•
•
aider à planifier des programmes de formation
pour apprendre à bien utiliser les ressources, et
participer à de tels programmes;
faire commander régulièrement des ressources
qui appuient les programmes d'études pour
enrichir la collection du centre de ressources;
souligner, au cours des entretiens avec les
collègues, la direction de l'école, les directeurs et
directrices de l'éducation, le caractère
indispensable du centre de ressources et de son
personnel professionnel.
L'apprentissage à base de ressources fait utiliser
aux élèves des ressources de toutes sortes : livres,
revues, films, vidéos, logiciels et bases de données,
objets à manipuler, jeux vendus dans le commerce,
cartes, musées, excursions, photos, objets naturels
et fabriqués, équipement de production, galeries
d'art, spectacles, enregistrements et personnes de la
communauté.
L'apprentissage à base de ressources est axé sur
l'élève. Il lui permet de choisir, d'explorer et de
découvrir. On encourage les élèves à faire des choix
dans un environnement riche en ressources, où
leurs pensées et leurs sentiments sont respectés.
Les points suivants aideront l’enseignant ou
l’enseignante à tirer parti de l'enseignement et de
l'apprentissage à base de ressources :
• discuter avec les élèves des objectifs de l'unité
ou de l'activité. Mettre en corrélation les
habiletés nécessaires à la recherche et les
activités de l'unité pour que les habiletés soient
enseignées et mises en pratique en même
temps. Collaborer avec l'enseignante ou
l'enseignant-bibliothécaire, le cas échéant;
• planifier longtemps à l'avance avec le personnel
du centre de ressources pour s'assurer de la
disponibilité de ressources adéquates et pour
prendre des décisions au sujet de la répartition
de l'enseignement;
• enseigner en utilisant diverses ressources pour
montrer aux élèves que, comme eux, vous faites
une recherche et que vous êtes constamment à
la recherche de nouvelles sources de
connaissance. Discuter avec les élèves de
l'utilisation, au cours de la recherche, d'autres
bibliothèques, de ministères, de musées et
d'organismes divers de la communauté;
• demander à l'enseignante ou à l'enseignantbibliothécaire, le cas échéant, de préparer des
listes de ressources et des bibliographies;
• encourager les élèves à demander de l'aide s'ils
et elles en ont besoin lorsqu'ils font des activités
ou des devoirs;
Physique 20, 30 – Introduction –- P. 15
L'évaluation
Pourquoi doit-il y avoir
évaluation?
Les recherches pédagogiques actuelles portent
essentiellement sur la mesure et l'évaluation. Il est
devenu évident, au fur et à mesure que les résultats
de ces recherches s'accumulent, qu'il est nécessaire
de juger d'une gamme plus vaste facteurs. Il existe
de nombreux moyens pour y parvenir. Ceux-ci
doivent être choisis selon les résultats escomptés.
Le document Évaluation de l'élève : Manuel de
l'enseignant (ministère de l'Éducation de la
Saskatchewan, 1993) traite des diverses formes
d'évaluation. L'évaluation des élèves se fait surtout
par la collecte et l'interprétation des données qui
indiquent si l'élève progresse. Une évaluation
complète tient compte aussi du programme et de
l'auto-évaluation de l'enseignant ou de
l'enseignante.
Pour élaborer un plan général d'évaluation,
on peut se servir des renseignements
contenus dans les documents du ministère de
l'Éducation traitant de l'évaluation.
La démarche d'évaluation
L'évaluation n'est pas une démarche
rigoureusement séquentielle, mais plutôt cyclique, à
l'intérieur de laquelle on peut observer quatre
étapes.
La préparation
Au cours de cette étape, on définit les objectifs de
l'évaluation (c'est-à-dire ce que l'on cherche à
évaluer), le contexte de l'évaluation (diagnostique,
formative ou sommative) et les critères de
jugement; puis on sélectionne une méthode
d'évaluation appropriée pour ces circonstances. Ces
décisions peuvent être prises en consultation avec
l'élève.
La mesure
Au cours de cette étape, l'enseignant ou
l'enseignante élabore ou choisit des instruments de
mesure, les utilise et recueille des renseignements
sur l'élève en regard des objectifs à évaluer. Il
organise et analyse aussi les données pour faciliter
leur interprétation, et ensuite il les compare à un
point de référence.
P. 16 – Physique 20, 30 – L’évaluation
L’enseignant ou l’enseignante doit tenir les élèves
au courant des objectifs évalués et des méthodes
utilisées pour la collecte des données, et il doit les
évaluer dans le contexte de situations non
menaçantes.
L'évaluation
Au cours de cette étape, l'enseignant ou
l'enseignante examine les données recueillies en
tenant compte de considérations pertinentes (la
situation particulière de l'élève, le programme
d'études, le moment de l'année, la variété des
ressources, etc.) afin d'établir un jugement sur les
progrès accomplis. L’analyse des données devrait
amener à prendre une décision et à élaborer un plan
d'action, c'est-à-dire à planifier des activités et des
leçons qui favoriseront de nouveaux progrès. Puis,
l'enseignant ou l'enseignante fait part des progrès
des élèves à ces derniers, aux parents et à
l'administration.
La réflexion
L'enseignant ou l'enseignante réfléchit à l'efficacité
des étapes précédentes : la technique utilisée
correspondait-elle aux objectifs à évaluer? A-t-elle
permis de mettre en évidence ce qu’il cherchait à
observer? Les difficultés de compréhension et
d'expression en langue seconde ont-elles faussé
l'évaluation?
Cette étape devrait influencer les évaluations
ultérieures : si l'enseignant ou l’enseignante se rend
compte qu'en effet, l'évaluation a été faussée par la
difficulté de l'élève à comprendre le français et à le
parler, il peut revoir le choix du médium utilisé par
l'élève au cours des activités d'évaluation (ce choix
devrait être guidé par les aptitudes particulières de
l'élève, et la décision sur le médium à utiliser peut
être prise en concertation avec lui ou elle).
La réflexion devrait également porter sur
l'enseignement en général : dans le cas où la
majorité des élèves n’a pas réussi, il faut se
questionner sur la cause de cet échec. Dans
Sciences : Programme cadre dans l'optique du
tronc commun, on trouve des questions qui
encouragent l'enseignant ou l'enseignante à
réfléchir sur l'évaluation de l'élève, sur la
planification personnelle et sur la structure du
programme d'études.
Ces quatre phases sont comprises dans la démarche
d'évaluation formative, diagnostique et sommative.
Elles sont représentées dans la figure 3 :
Figure 3 - La démarche d'évaluation de l'élève
Activités continues de l'élève :
Travaux écrits
Présentations
Évaluation de la performance
Devoirs
L'évaluation des progrès de
l'élève
On choisit des instruments de mesure précis pour
recueillir les renseignements sur la façon dont les
élèves atteignent les objectifs. L'instrument de
mesure utilisé dépend des connaissances, des
habiletés et de l'aisance à suivre une démarche dont
doivent faire preuve les élèves. La pertinence des
instruments repose donc sur le contenu, sur les
méthodes d'enseignement utilisées, sur le niveau de
développement des élèves et sur ce que l'on souhaite
évaluer exactement. On doit aussi tenir compte de
l'environnement et de la culture des élèves.
On trouvera ci-dessous une liste de divers
instruments de mesure. Ce ne sont que des
suggestions, puisque c'est à l'enseignant ou à
l'enseignante de faire preuve de jugement
professionnel en déterminant ce qui répond le mieux
à l'objectif d'une évaluation donnée. Pour de plus
amples renseignements sur les différents
instruments de mesure et les types d'instruments
qu'on peut utiliser pour recueillir et enregistrer des
informations sur les progrès des élèves, se référer à
Évaluation de l'élève : Manuel de l'enseignant
(ministère de l'Éducation de la Saskatchewan,
janvier 1993).
Liste de référence des
méthodes d'évaluation
Méthodes d'organisation :
Postes de travail, postes d'épreuves
Évaluation individuelle
Évaluation de groupe
Contrats
Auto-évaluation, co-évaluation
Dossiers de l'élève
Méthodes de consignation de données :
Fiches anecdotiques
Grilles d'observation
Échelles d'appréciation
Types de tests et examens :
Tests oraux
Tests de performance
Items à réponse élaborée
Items à réponse courte
Items de type appariement
Items à choix multiples
Items de type vrai ou faux
L'évaluation de l'élève en
physique
Au début de l'année scolaire, les enseignants et
enseignantes se trouvent face à de nouveaux élèves,
même si ces derniers les connaissent ou se
connaissent déjà entre eux. Ils sont nouveaux dans
la mesure où ils vont travailler avec des ressources
différentes, d'un point de vue différent, dans le cadre
d'un système d'interaction en évolution. Les
facteurs de l'alphabétisme scientifique et les
résultats d'apprentissage du programme d'études
deviennent alors des critères d'évaluation. Ils sont à
la portée de la majorité des élèves, mais il est
parfois nécessaire de modifier les attentes et la
démarche pour certains élèves.
L'enseignant ou l'enseignante doit être conscient
que les ressources destinées à un niveau spécifique
et les tests standardisés reposent sur ce que l'on
juge « normal » ou moyen pour l’élève d’un groupe
d'âge donné, ou qu’ils sont souvent conçus pour une
partie bien précise de la société. L'enseignant ou
l'enseignante qui se sert de tests standardisés
évalue comment un élève correspond à des normes
culturelles dans une gamme d'habiletés très limitée.
Il ou elle doit donc juger les résultats dans un
contexte bien précis. Certains élèves ne peuvent pas
être jugés selon ces critères. C'est parfois le cas pour
les enfants doués qui n'atteignent pas leur
maximum parce qu'on accepte qu'ils restent au
niveau « moyen ». La pédagogie différenciée
reconnaît qu'il faut tenir compte des besoins de tous
les élèves si on veut qu'il y ait enseignement et
apprentissage efficaces.
Pour évaluer les facteurs de l'alphabétisme
scientifique, il est recommandé de choisir des
méthodes qui conviennent à la nature du facteur :
connaissances (aspects A, B, D), valeurs (aspects F
et G) ou capacités (aspects C et E).
Physique 20, 30 – L’évaluation – P. 17
L’enseignant ou l’enseignante peut évaluer les
facteurs de l'alphabétisme scientifique des aspects A
à E par la manipulation de connaissances
déclaratives. Cependant, il arrive que seules les
connaissances déclaratives sont évaluées; c'est par
là que pèchent la plupart des méthodes d'évaluation
actuelles. Si on les examine de plus près, on
s'aperçoit qu'elles ne testent souvent que la
mémorisation ou l'application limitée de faits. Même
lorsque l'évaluation va plus loin et semble inclure
les habiletés, elle ne porte que trop souvent sur la
mémorisation de faits. Les élèves méritent d'être
évalués sur toutes les habiletés dont ils ou elles
peuvent faire preuve. C'est pourquoi le format de
l'évaluation doit refléter non seulement les divers
styles d'apprentissage des élèves, mais aussi la
nature des capacités évaluées. On peut encourager
les élèves à effectuer leurs propres évaluations par
rapport à leurs résultats antérieurs.
Lorsqu'on parle d'évaluation, il peut s'agir
d'évaluation orale, écrite ou pratique, ou d'un
mélange des trois. Ce sont les exercices pratiques
qui permettent d'évaluer le mieux les habiletés et
les connaissances scientifiques et techniques (aspect
E). Par exemple, savoir lire la température sur un
thermomètre n'est pas la même chose que savoir
comment s'en servir pour mesurer la température
désirée. La meilleure façon d'évaluer jusqu’à
quel point l'élève peut accomplir une activité
est de l'observer lors de l’activité et de lui
poser des questions pénétrantes. Une fois qu'il
y a eu observation, on peut alors se servir de fiches
anecdotiques, de grilles d'observation et d’échelles
d'appréciation pour recueillir les données.
Du type d'activités et des questions posées
dépendent souvent les réponses des élèves. Si les
activités et les questions sont limitées, les réponses
le seront aussi. Les activités et les questions qui ne
demandent qu'un mot de réponse ou une phrase
brève ne testent que la mémorisation de
connaissances déclaratives. Si les élèves qui ont
formulé un modèle dans un contexte précis pendant
une activité scientifique retrouvent le même
contexte lors de l'évaluation, la réponse obtenue
pourrait n'être qu'un test de connaissances
déclaratives et non pas un test de connaissances
procédurales et conditionnelles. Il faut donc que
l'évaluation ait lieu dans des conditions différentes,
pour que ces connaissances soient testées par
rapport à une nouvelle série d'événements.
Bien enseigner consiste à savoir poser de bonnes
questions. Il faut éviter toute question à laquelle
l’élève ne peut répondre que par un seul mot. Il est
préférable de formuler des questions qui exigent une
certaine réflexion, des questions du type :
« comment », « pourquoi », « expliquer ». On peut
P. 18 – Physique 20, 30 – L’évaluation
aussi demander de résoudre des problèmes qui
développent la créativité et le raisonnement
critique. Des questions de ce genre poussent les
élèves à utiliser des processus mentaux de niveau
élevé.
Il n'est pas nécessaire que l'évaluation se fasse
uniquement sous forme écrite. On peut demander à
l’élève d'interpréter un graphique ou une
photographie, ou de répondre oralement à une
question. Un format varié répond mieux aux
différents styles d'apprentissage des élèves.
L'évaluation sommative se fait non seulement à la
fin de l'unité sous forme de test ou d’examen dont le
format est varié; elle comprend des activités
pratiques (pour refléter les connaissances et les
habiletés pratiques), l'interprétation de graphiques
et de photos ou des résolutions de problèmes.
L’évaluation sommative se produit aussi tout au
long de l'unité sous forme d'activités.
Les tests ou les examens doivent inclure une variété
d'items afin de mieux évaluer toutes les
connaissances (déclaratives, procédurales et
conditionnelles). Les items à choix multiples, les
items de type vrai ou faux, les items de type
« bouche-trou » n'évaluent généralement que la
simple mémorisation des faits. Il faut donc se servir
de ces items le moins possible et leur donner moins
d'importance dans la notation qu'à des items qui
exigent des habiletés de traitement de l'information,
tels que les items à réponse élaborée qui
encouragent le raisonnement à un niveau plus élevé
en impliquant les procédés d'investigation
scientifique. Les élèves qui ont de la difficulté à
répondre par écrit aux items de test devraient
pouvoir le faire oralement.
Les activités de l'élève sont aussi valables que les
tests et les examens pour l’évaluation sommative.
Les projets de recherche peuvent facilement servir à
l'évaluation sommative, car ils permettent
d’approfondir un sujet et demandent l'utilisation de
toute une gamme d'habiletés. Si c'est un projet de
groupe, on peut évaluer la participation individuelle
en observant la façon dont les membres du groupe
agissent entre eux et avec le reste de la classe, ou en
demandant aux élèves de s'auto-évaluer. Il y a aussi
les centres d'apprentissage qui permettent d’inclure
dans l'évaluation sommative la démarche utilisée et
le produit obtenu par les élèves. Les postes
d'épreuves sont particulièrement utiles, car ils
permettent aux élèves de montrer leurs habiletés.
Pour une évaluation sommative, les présentations
orales, le journal de bord et les activités d’exposciences sont aussi à considérer.
Les valeurs sont difficiles à mesurer et à évaluer.
Jusqu'ici, on ne considérait pas les valeurs comme
partie intégrante du programme d’études. Les
parents et la société demandaient bien aux élèves
d'acquérir des comportements et des attitudes
acceptables, mais cela se faisait selon un
« programme caché » − l'influence des enseignants
et enseignantes et de l'école. L'enseignant ou
l'enseignante doit encourager ouvertement, à
l'heure actuelle, des attitudes et des valeurs
précises. Il peut ainsi influencer précisément les
résultats, qui doivent alors être évalués. Pour de
plus amples informations sur les valeurs, on peut
consulter le chapitre 4 d’Introduction aux
apprentissages essentiels communs : Manuel de
l'enseignant (ministère de l'Éducation de la
Saskatchewan, 1988).
Il existe de bonnes raisons pour évaluer les attitudes
et les valeurs et pour essayer d’encourager les élèves
par des méthodes d'enseignement efficaces et par
une réflexion individuelle de l'élève. Étant donné
que les valeurs indiquées dans les facteurs F et G de
l'alphabétisme scientifique sont développées sur
plusieurs années, les enseignants et enseignantes
doivent présenter les mêmes valeurs chaque année,
tout en les approfondissant chaque fois. Ceci aide
l'élève à atteindre un niveau où la valeur fait partie
intégrante de son caractère. Il est possible alors
qu'il continue à la développer dans sa vie adulte.
Pendant leur scolarité, les élèves révèlent leurs
valeurs et leurs attitudes dans leurs paroles, leurs
écrits et leurs actions. On peut se servir de ces trois
aspects pour l'évaluation. Lorsqu'on remarque une
valeur ou une attitude, pourquoi ne pas la noter!
La consignation des données
Afin de faciliter la collecte des données reliées aux
facteurs de l'alphabétisme scientifique, le présent
programme d’études offre des feuilles d'évaluation.
Il y en a aussi dans les annexes du document
Sciences : Programme cadre dans l'optique du
tronc commun. Les enseignants et enseignantes les
adapteront à leurs besoins.
Les enseignants et enseignantes diffèrent souvent
dans leur façon de recueillir les données. Certains
préfèrent n'avoir qu'une seule feuille d'évaluation
portant le nom de tous les élèves (ou d'un groupe
d'élèves) en haut de la page et la liste des critères à
évaluer sur le côté. Ils remplissent alors la colonne
appropriée lorsque l’élève fait preuve d’une habileté
donnée. L'enseignant ou l'enseignante doit alors
transférer certaines informations dans le dossier
individuel de l'élève.
D'autres enseignants et enseignantes préfèrent
avoir une seule feuille d'évaluation par élève; cette
feuille se trouve dans le dossier de l'élève. Elle
mentionne les critères à évaluer sur le côté, et elle
peut indiquer en haut de la page les dates des
évaluations. Une telle feuille individuelle illustrera
ainsi le développement de l'élève au cours de l'année
scolaire. Dans ce cas, l'enseignant ou l'enseignante
doit alors transférer les renseignements du dossier
individuel dans le livre de classe officiel,
conformément aux règlements.
L'évaluation du programme
L'évaluation d'un programme consiste à recueillir et
à analyser systématiquement des informations sur
certains aspects du programme afin de prendre une
décision, ou de communiquer avec d’autres
personnes qui ont participé à la prise de décision.
L'évaluation du programme peut se faire à deux
niveaux : d'une façon relativement simple, en
classe, ou d'une façon plus formelle, au niveau de la
classe, de l'école, de la division ou de la commission
scolaire.
Au niveau de la classe, on se sert de l'évaluation du
programme pour déterminer si le programme
présenté aux élèves répond à leurs besoins et aux
buts prescrits par la province. L'évaluation du
programme ne se fait pas nécessairement à la fin,
mais plutôt de façon continue. Par exemple, si
l’enseignant ou l’enseignante s'aperçoit que les
élèves ne reçoivent pas bien certaines leçons, ou
qu'ils et elles ne montrent pas les connaissances
voulues par rapport à une unité d'étude, il devrait
s'interroger sur le problème et apporter des
changements. En évaluant leurs programmes au
niveau de la classe, les enseignants et enseignantes
deviennent des praticiens et des praticiennes
réfléchis. Les informations recueillies lors de
l'évaluation du programme aident les enseignants et
enseignantes à planifier et à décider des
améliorations à apporter. La plupart des
évaluations de programme au niveau de la classe
sont plutôt informelles, mais elles doivent être faites
de façon systématique. Elles doivent comprendre
l'identification des problèmes, la collecte et l'analyse
des informations, et la prise de décision.
L'évaluation formelle du programme doit se faire
étape par étape. Il faut identifier le but de
l'évaluation, rédiger une proposition, recueillir et
analyser les informations, et transmettre les
résultats de l'évaluation. L'initiative peut venir d'un
enseignant ou d'une enseignante, d'un groupe
d'enseignants ou d'enseignantes, de l'administration
de l'école, du comité du personnel enseignant, de
tout le personnel, de la division ou de la commission
Physique 20, 30 – L’évaluation – P. 19
scolaire. Les évaluations se font généralement en
équipe pour bénéficier de l'expérience et des talents
de tous, et pour se partager le travail. On devrait
entreprendre régulièrement des évaluations
formelles afin de s'assurer que les programmes sont
à jour.
Pour faciliter les activités d'évaluation formelle d'un
programme, le ministère de l'Éducation de la
Saskatchewan a conçu un guide intitulé
Saskatchewan School-based Program Evaluation
Resource Book (1989), à utiliser avec un ensemble
de documents pour le perfectionnement
professionnel des enseignants et enseignantes. De
plus amples informations sur ces services de soutien
sont disponibles au ministère de l'Éducation de la
Saskatchewan, au secteur de l'évaluation.
L'évaluation du programme
d'études
Dans les années 90, on a élaboré et implanté de
nouveaux programmes d'études en Saskatchewan.
En conséquence, il faut savoir si ces nouveaux
programmes d'études sont implantés de façon
efficace et s'ils répondent aux besoins des élèves.
Pour évaluer un programme au niveau provincial, il
faut juger de l'efficacité des programmes d'études
autorisés dans la province.
Pour déterminer si un programme d'études est
adéquat, il faut recueillir les informations (phase de
mesure), donner son opinion et prendre des
décisions au sujet des informations recueillies
(phase d'évaluation). La raison principale pour
l'évaluation d'un programme d'études est de prévoir
les améliorations à apporter. Cela peut vouloir dire
apporter des changements aux documents, fournir
des ressources ou offrir un stage de
perfectionnement aux enseignants et enseignantes.
Il est entendu que l'évaluation d'un programme
d'études doit être un effort de collaboration entre les
principaux intervenants dans le domaine de
l'éducation de la province. Bien que l'évaluation des
programmes incombe au ministère de l'Éducation,
elle nécessite la participation d'organismes et de
responsables du domaine de l'éducation. Par
exemple, on peut engager des contractuels pour
élaborer des instruments de mesure, demander à
des enseignants ou enseignantes de concevoir des
tests de mesure, de les valider, de les faire passer,
de les noter et d'interpréter les données. La
coopération des commissions scolaires ou de la
Division scolaire francophone #310 sera nécessaire à
la réussite du programme d'évaluation.
Pendant la phase de mesure, les informations
proviennent des élèves, du corps enseignant et de
P. 20 – Physique 20, 30 – L’évaluation
l'administration de l'école. Les informations données
par les éducateurs et les éducatrices montrent dans
quelle mesure le programme est implanté, ses forces
et ses faiblesses, et les difficultés rencontrées lors de
l'utilisation. Les informations provenant des élèves
indiquent de quelle façon ils et elles atteignent les
objectifs proposés, et fournissent des indices sur leur
attitude par rapport au programme. Les
informations des élèves sont recueillies grâce à
diverses méthodes : tests écrits (tests objectifs et
ouverts), tests de performance (tests pratiques),
entrevues, sondages et observations.
Lors de la phase d'évaluation, les informations
obtenues doivent être interprétées par les
représentants des principaux groupes intervenant
en éducation, dont le secteur des programmes et de
l'évaluation du ministère de l'Éducation de la
Saskatchewan, et les enseignants et enseignantes.
Les informations recueillies pendant la phase de
mesure sont examinées, et les recommandations,
faites par un comité spécial, se rapportent aux
domaines dans lesquels on peut apporter des
améliorations. Ces recommandations sont ensuite
envoyées aux groupes concernés, comme le secteur
des programmes et de l'enseignement, les
commissions scolaires, la Division scolaire
francophone #310, les écoles, les universités, et les
organismes d'enseignement de la province.
Tous les programmes d'études provinciaux sont
évalués. Pour les nouveaux programmes, les
évaluations sont faites une première fois pendant
leur mise à l'essai et ensuite régulièrement, par
rotation. L'évaluation des programmes est décrite
de façon plus approfondie dans le document intitulé
Curriculum Evaluation in Saskatchewan
(Saskatchewan Education, 1991).
L'organisation du
programme
Les installations et
l'équipement
Les installations et l'équipement jouent un rôle
important dans un cours de sciences. S'ils sont
essentiels, la sécurité, elle, est vitale. Les
installations et l'équipement des écoles qui offrent
des cours de sciences au secondaire doivent être
adéquats pour enseigner les sciences.
Étant donné que, dans ce programme, les
enseignants et enseignantes seront appelés à se
servir de toute une gamme de stratégies
d'enseignement, il faudra que les installations se
prêtent à diverses activités d'apprentissage. Il faut
un laboratoire bien équipé, aménagé pour que les
élèves puissent s'y réunir en petits groupes pour
discuter, pour faire des activités de laboratoire, en
petits groupes ou non, pour assister à des exposés ou
à des cours magistraux, pour effectuer des
recherches, etc. On peut aussi combiner deux salles
ou plus.
Un bon laboratoire de sciences (ou toute autre
installation se prêtant à un cours de sciences) doit
comporter :
• deux sorties, éloignées l'une de l'autre;
• des dispositifs qui permettent de couper
automatiquement l'eau, le gaz naturel et
l'électricité; ils doivent être facilement
accessibles et fonctionner simplement;
• un centre d'activités spacieux où les élèves
peuvent travailler sans se gêner ou se
bousculer;
• un matériel de sécurité visible et accessible à
tous;
• un système de ventilation qui maintient une
pression négative dans le laboratoire;
• suffisamment de prises de courant pour ne pas
avoir à utiliser de rallonges; les prises doivent
être des prises de terre ou être protégées
individuellement;
• un système d'éclairage de secours;
• assez d'étagères pour ne pas avoir à empiler le
matériel, à moins que cela ne présente aucun
risque;
• un meuble séparé pour ranger les produits
chimiques par catégories;
• un endroit pour ranger les ressources
audiovisuelles (les vidéocassettes et
audiocassettes), les cartes, les diapositives et les
revues scientifiques;
•
•
un endroit pour s'occuper des plantes ou des
animaux;
un endroit pour ranger les travaux des élèves.
L’équipement qui est normalement mis à la
disposition des élèves du secondaire sera adéquat
pour la majorité des activités de sciences. On
trouvera facilement ce qui manque dans un
magasin de matériel scientifique.
L'équipement et les fournitures utilisés en sciences
sont des ressources précieuses. Non seulement ils
coûtent de plus en plus cher, mais ils sont
indispensables au bon déroulement des cours de
sciences. Un système d'inventaire efficace a sa
raison d'être. Il permet à l'enseignant ou à
l'enseignante de n'être jamais à court de
fournitures, de ne pas commander quelque chose
qui est déjà en stock, et de gagner du temps au
moment des commandes. Il permet de déterminer
rapidement si on a tel ou tel produit. L'inventaire
peut aussi être utile pour les assurances.
Outre l'inventaire, il faut aussi prêter attention à
l'entretien et à l'entreposage. Si l'entretien est fait
régulièrement, le matériel sera prêt à servir à tout
moment, et il fonctionnera bien. Un espace de
rangement adéquat permet de conserver
l'équipement en bon état et permet que, seules, les
personnes autorisées s'en servent. Les élèves
apprennent ainsi que l'équipement et le matériel ne
sont pas des jouets et qu'un laboratoire n'est pas
une salle de jeux.
La sécurité
La sécurité dans la salle de classe est d'une
suprême importance. On ne peut utiliser au mieux
les composantes de l'éducation — ressources,
stratégies d'enseignement, installations — que dans
une salle de classe ne présentant pas de danger. La
sécurité n'est pas qu'une question de bon sens.
Pour pouvoir créer un environnement
sécuritaire, l'enseignant ou l'enseignante doit
être bien renseigné, conscient et prévoyant.
La sécurité au laboratoire dépend aussi des
élèves. Pour s'informer, lire les documents
suivants :
Safety in the secondary science classroom. —
Washington : National Science Teachers
Association, 1978
Adresse : 1742 Connecticut Avenue North West,
Washington, D 20009.
Physique 20, 30 – L'organisation du programme – P. 21
Prudent practices for handling hazardous
chemicals in laboratories. — Washington, DC :
National Academy Press, 1981
A guide to laboratory safety and chemical
management in school science study
activities. — Saskatchewan Environment and
Public Safety, 1987
Chaque école devra posséder un exemplaire de
Science Safety Manual. Voir dans Sciences :
Biologie 20, 30, Chimie 20, 30, Physique 20, 30 :
Liste de ressources comment se le procurer.
Des stages d'information sur la sécurité sont
souvent offerts lors des congrès de professeurs de
sciences. On peut aussi trouver des conseils utiles
dans les revues qui s'adressent à la profession. Les
enseignants et enseignantes peuvent également
recevoir d’autres points de vue sur la sécurité lors
d'échanges professionnels.
La prise de conscience s'apprend grâce aux
enseignants et enseignantes qui insistent sur des
mesures de sécurité visibles : extincteur, couverture
ignifugée, douche oculaire, affiches sur la sécurité,
« cours de sécurité » au début de l'année scolaire,
accent mis sur les précautions à prendre avant
chaque activité.
Il y a proaction lorsqu'on agit à partir de ce qu'on
sait et de ce dont on est conscient. Six principes de
base régissent l’organisation et le maintien d'une
salle de classe sans danger. L’enseignant ou
l’enseignante devrait :
• Donner l'exemple des mesures de sécurité aux
élèves.
• Ne pas manquer une occasion de montrer aux
élèves comment faire les activités avec toutes
les précautions voulues. Bien leur dire
également de ne pas oublier ces procédures
lorsqu’ils font des expériences à la maison.
• Prévenir les accidents en surveillant de près les
élèves pendant toute la durée des activités.
Faire remarquer que des comportements
inacceptables dans la salle de classe, et surtout
dans un laboratoire, peuvent mettre en danger
toutes les personnes présentes et détruire le
climat d'apprentissage pour toute la classe.
• Être au courant des allergies ou des problèmes
médicaux des élèves.
• Placer dans la classe des affiches sur la
sécurité, qu’elles aient été achetées ou
fabriquées par les élèves.
• Suivre un cours de secourisme. Si le traitement
d'une blessure dépasse le niveau de compétences
de l'enseignant ou de l'enseignante, attendre
l'arrivée du médecin.
P. 22 – Physique 20, 30 – L'organisation du programme
Il est impossible de dresser une liste complète de
toutes les mesures de sécurité, car ce serait répéter
ce qui a été mentionné précédemment au risque
d'oublier quelque chose d'important. Mais c'est faire
preuve de négligence que de ne rien faire. On
trouvera ci-dessous une liste de points importants
pour la sécurité. Cette liste ne diminue en rien la
responsabilité de l'enseignant ou de l'enseignante
qui doit faire tout ce qui est en son pouvoir pour
établir un environnement sans danger.
• Inspecter la salle de classe régulièrement, pour
s'assurer qu'elle ne présente pas de danger
potentiel.
• Faire une exposition sur le babillard sur un
thème spécifique relié à la sécurité.
• Instaurer une règle selon laquelle l'enseignant
ou l'enseignante doit être avisé de tout accident
qui survient pendant le cours.
• En cas d'accident sérieux, envoyer une personne
chercher de l'aide auprès d'un expert, d'un
professionnel ou d'une tierce personne. Puis,
faire ce qui est nécessaire. C'est l'enseignant ou
l'enseignante qui est responsable de la situation.
• Se familiariser avec la politique de la
commission ou de la division scolaire en ce qui
concerne les accidents.
• Ne pas donner de conseils de nature médicale.
• Déplacer la personne blessée aussi peu que
possible avant qu'une évaluation complète de la
blessure n'ait été faite.
• Insister pour que les élèves fassent encore plus
attention lorsqu'ils travaillent avec du feu dans
la salle de classe.
• Imposer l'utilisation de lunettes de sécurité
lorsque les élèves utilisent du feu, des produits
chimiques corrosifs ou d'autres produits
dangereux.
• En cas d'incendie, la première responsabilité de
l'enseignant ou de l'enseignante est de faire
sortir les élèves de la classe. Envoyer une
personne spécifique donner l'alarme, puis
évaluer la situation et agir en conséquence.
• Éviter de surcharger les étagères et les rebords
des fenêtres.
• Toujours bien étiqueter les contenants de
solides, de liquides et de solutions.
• Ne pas jeter de morceaux de verre avec les
autres déchets.
• Conseiller aux élèves de ne pas toucher, ni
goûter, ni sentir les produits chimiques à moins
qu'on ne leur dise de le faire.
• Garder à portée de la main une trousse de
secourisme à laquelle les élèves n'ont pas accès.
Savoir comment s'en servir. Chaque laboratoire
doit en avoir une.
• Vérifier régulièrement les interrupteurs
automatiques pour le gaz, l'électricité et l'eau
afin de s'assurer qu'ils sont en bon état de
marche.
•
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•
Vérifier régulièrement le bon fonctionnement du
matériel de sécurité : extincteurs, couvertures
ignifugées, douches oculaires, lunettes de
sécurité, hotte, bouchon antiprojections pour les
éprouvettes et écran protecteur.
Vérifier le bon état des fils électriques. Les
débrancher en tenant bien la prise.
S'assurer que les élèves portent des vêtements
de sécurité chaque fois que cela est nécessaire :
lunettes de sécurité, tablier ou combinaison de
protection; s'assurer qu'ils et elles travaillent
sous la hotte, etc.
Demander aux élèves qui ont les cheveux longs
de se les attacher. Demander à tous les élèves
de ne pas porter de vêtements amples ou
flottants au laboratoire.
Demander aux élèves de ne rien goûter, de ne
pas manger ni boire, et de ne pas mâcher de
gomme au laboratoire.
Insister pour que les élèves suivent les
procédures recommandées et n’en changent pas
sans avoir parlé avec l'enseignant ou
l'enseignante.
Demander aux élèves de remettre le matériel à
sa place.
Ne pas remettre les produits chimiques ou les
solutions dans leur contenant d'origine après
usage.
Prélever toujours un liquide en se servant d'une
pipette munie d'une poire. Ne pas aspirer le
liquide.
Ne jamais mélanger les acides ou les oxydants à
des composés chimiques contenant du chlore (p.
ex. eau de Javel).
Remplacer les thermomètres à mercure par des
thermomètres à alcool.
Remplacer les plaques d'amiante par des
plaques métalliques ordinaires ou par des
plaques de céramique.
Surveiller de très près l'utilisation de liquides
biologiques humains dans les expériences de
laboratoire :
° s'assurer que les élèves n'utilisent que des
produits provenant de leur propre corps :
sang, salive, cellules épithéliales;
° s'assurer que les élèves n'ont aucun contact
avec les liquides corporels des autres élèves;
° n'utiliser que des lancettes à utilisation
unique pour les prises de sang et ne les
utiliser qu'une seule fois;
° se débarrasser correctement des lancettes
immédiatement après usage;
° n'utiliser qu'une seule fois les tampons
d'alcool;
° s'assurer que les élèves se lavent
soigneusement les mains au savon et à l'eau
après avoir manipulé tout liquide
biologique.
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•
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Mettre sous clé les spécimens, le matériel et les
instruments de dissection, ainsi que les produits
chimiques dont on se sert en biologie.
Partir du principe selon lequel tout échantillon
recueilli à l'extérieur (eau de mare ou de
marécage, plantes, sols, insectes) a été
contaminé par des agents pathogènes et le
traiter comme tel.
Ne jamais faire une culture d’agents
pathogènes. Manipuler les récipients contenant
des bactéries inconnues comme s'ils étaient
contaminés par des agents pathogènes, jusqu'à
preuve du contraire.
S'assurer du bon fonctionnement des
autoclaves.
S'assurer qu'il y a une bonne ventilation lorsque
les élèves utilisent des spécimens conservés
dans du formol ou du formaldéhyde.
Soigner correctement les animaux. Consulter,
au besoin, un bon livre sur les soins à donner
aux animaux.
Mettre des gants en caoutchouc et manipuler
très soigneusement les hormones de croissance
pour les plantes telles la colchicine, l'acide
acétique d'indole, l'acide gibbérellique.
Mettre sous clé tous les produits chimiques. En
restreindre l'accès.
Nettoyer rapidement et correctement tout
déversement de produits chimiques.
Inspecter tous les contenants en verre (béchers,
ballons, etc.) pour voir s'ils ne sont pas fêlés ou
ébréchés avant de s'en servir pour chauffer des
solutions ou des liquides corrosifs concentrés.
De nombreuses plantes peuvent renfermer des
toxines ou des allergènes. Demander aux élèves
de ne ni les goûter ni les toucher. Il incombe à
l'enseignant ou à l'enseignante de se
familiariser avec les lois fédérales, provinciales
et municipales se rapportant à la faune et à la
flore. En cas de doute, s'informer.
Stocker les produits chimiques par groupes de
composés compatibles plutôt que par ordre
alphabétique (on pourra ranger un groupe de
composés compatibles par ordre alphabétique).
Garder sous clé l'équipement électrique
(transformateurs électrostatiques, oscilloscopes,
tubes à décharge, tubes de Crookes, tubes à
effets magnétiques, lasers, tubes à effets
fluorescents et sources de lumière ultraviolette).
Les tubes à décharge produisent des rayons X
qui peuvent pénétrer dans le verre si on utilise
des voltages de plus de 10 000 volts.
Les lasers peuvent abîmer la vue. Le cristallin
de l'œil peut augmenter de 1 000 000 fois
l'intensité de la lumière. Elle est donc d'autant
plus forte pour la rétine. Pour minimiser les
risques, n'utiliser que des lasers ne dépassant
pas 0,5 mW :
Physique 20, 30 – L'organisation du programme – P. 23
°
°
°
n'utiliser les lasers qu'à la lumière normale
de façon à ce que les pupilles ne soient pas
dilatées;
s'écarter des faisceaux lumineux primaires
ou réfléchis;
mettre les élèves en garde contre les reflets
imprévus.
Les lentilles de contact
Le port de lentilles de contact peut créer des
problèmes, car elles retiennent la poussière et les
produits chimiques. Les gaz et les vapeurs peuvent
causer une irrigation excessive de l'œil et pénétrer
dans le matériau souple de la lentille. Une blessure
due à des éclaboussures de produit chimique peut
empirer s'il est difficile d'ôter rapidement la lentille
et d’administrer les premiers soins. Perdre ou
déplacer une lentille à un moment crucial peut
poser un problème de sécurité.
D'un autre côté, si on porte des lentilles de contact
avec des lunettes de sécurité, on ne court pas plus
de danger qu'avec des lunettes ordinaires. Les
lentilles peuvent même empêcher certains produits
irritants de toucher la cornée, et protéger un peu
l'œil. The Saskatchewan Association of Optomitrists
estime que si l'on porte de bonnes lunettes de
sécurité aérées, on ne court pas plus de risques dans
un laboratoire, qu’on porte des lentilles ou non.
L'Association recommande que :
• les enseignants ou enseignantes sachent qui
porte des lentilles de contact dans leur classe;
• les enseignants ou enseignantes apprennent à
ôter les lentilles de contact, au besoin;
• les élèves aient accès à un endroit où ils peuvent
ôter et nettoyer leurs lentilles de contact, et
qu'ils aient une paire de lunettes au cas où ils
devraient enlever leurs lentilles.
La sécurité au sens large
Généralement, quand on parle de sécurité, on
entend sécurité physique, bien-être des personnes
et, à un moindre degré, sécurité de la propriété
personnelle. Mais la sécurité peut très bien englober
le bien-être de la biosphère. Les composantes de la
biosphère — faune, flore, terre, air et eau —
méritent qu'on s'en préoccupe. La sécurité de notre
planète et notre avenir dépendent de nos actions et
de notre enseignement, qu'il s'agisse de savoir
quelles fleurs sauvages on peut cueillir ou de quelle
manière se débarrasser des déchets toxiques dans
les laboratoires des écoles secondaires.
En vertu de la Loi sur les produits dangereux, le
Système d'information sur les matières dangereuses
P. 24 – Physique 20, 30 – L'organisation du programme
utilisées au travail (SIMDUT) régit l'entreposage et
la manipulation de produits chimiques dans les
laboratoires de sciences. Toutes les commissions
scolaires et la Division scolaire francophone #310
doivent se conformer aux dispositions de la loi.
Comment se débarrasser des
produits chimiques
Il faut prendre certaines précautions quand on se
débarrasse de produits chimiques :
• Toujours diluer les produits chimiques liquides
et aqueux des catégories 1 et 2 avant de les
verser dans l'évier, puis faire couler l'eau de
façon à les diluer encore plus. Se référer à
l’ouvrage : Guide to Laboratory Safety and
Chemical Management in School Science
Study Activities.
• Rincer les déchets solides avec de l'eau. Les
déchets solides devront être jetés dans un
contenant spécial qui sera réservé à cet effet, et
non dans la corbeille à papier. Prévenir le ou la
concierge de l'existence de ce contenant spécial
et l'assurer qu'il ne contient aucun matériel
dangereux.
Si, pour une raison ou une autre, l'enseignant ou
l'enseignante remplace le produit recommandé par
un autre, c'est lui qui doit faire des recherches sur
la toxicité de ce produit, sur les dangers potentiels
qu'il présente et sur la manière convenable de s'en
débarrasser.
Il faudra suivre les réglementations fédérales,
provinciales et municipales sur l'étiquetage,
l'entreposage et la manière de se débarrasser des
substances dangereuses. Selon le Système
d'information sur les matières dangereuses utilisées
au travail (SIMDUT) qui a été mis en place, tout
employé manipulant des substances dangereuses
doit suivre une formation offerte par son employeur.
Contacter, pour plus d'information, le Centre
canadien d'hygiène et de sécurité au travail ou le
ministère Saskatchewan Labour.
Comment organiser une
excursion
•
Une excursion réussie constitue une expérience
d'apprentissage très valable qui permet aux élèves
d'appliquer à des situations « réelles » les
connaissances acquises en classe. Des excursions
donnent également aux élèves l'occasion d'apprendre
directement plutôt qu'indirectement, ce qui
améliore toujours l'apprentissage. Les excursions
sont agréables pour tous ceux qui y participent.
•
Pour réussir une excursion, il faut bien la préparer.
Pour ce faire, il faut du temps et de la patience.
Vérifier si la commission ou la division scolaire a
une politique spéciale à ce sujet. L'approche la plus
simple est de traiter cette expérience comme s'il
s'agissait de rédiger un article de journal, et de
suivre le format habituel des questions pertinentes.
Pourquoi emmène-t-on la classe faire une
excursion?
• Est-ce une activité de sciences ou une activité
qui s'intègre à d'autres matières?
• Les activités prévues sont-elles des expériences
d'apprentissage valables?
Qu'est-ce que les élèves vont tirer de l'expérience?
Quelles connaissances vont-ils mettre en
application?
• Les objectifs de l'excursion ont-ils bien été
établis?
• Les activités et les approches pédagogiques
choisies conviennent-elles?
• L'enseignant ou l'enseignante et les élèves
ont-ils bien fait leur recherche préalable?
• L'enseignant ou l'enseignante a-t-il des attentes
claires et réalistes concernant le comportement
des élèves lors de l'excursion?
Où est-il prévu que la classe aille?
• L'endroit est-il accessible à tous les élèves?
• Faut-il une autorisation des propriétaires ou des
responsables pour visiter l'endroit choisi?
• L'endroit possède-t-il des installations
appropriées (toilettes, aire de pique-nique, abri,
installation d'urgence, etc.)?
• L'enseignant ou l'enseignante peut-il visiter
l'endroit choisi auparavant?
• Les endroits où les diverses activités ont lieu
sont-ils bien établis?
Quand cette excursion aura-t-elle lieu?
• Y a-t-il un moment adéquat pour planifier cette
excursion?
• L'information adéquate sera-t-elle fournie aux
élèves avant l'excursion?
•
•
•
Y aura-t-il suffisamment de temps après
l'excursion pour faire une récapitulation?
Les dates choisies risquent-elles de poser des
problèmes?
Faut-il des vêtements ou des fournitures
spéciaux en raison de la date prévue?
Des activités de remplacement sont-elles
prévues en cas de mauvais temps?
Le consentement des parents a-t-il été obtenu?
Comment se rendre à l'endroit choisi?
• Quel moyen de transport prévoir?
• Les moyens de transport appropriés sont-ils
disponibles et à un prix raisonnable?
• Les élèves pourront-ils étudier pendant le
voyage?
Combien de temps va durer cette excursion?
• Ce temps va-t-il être utilisé de façon efficace?
• Y a-t-il trop d’activités à faire pour le temps
dont on dispose?
En quoi cette excursion affecte-t-elle le reste de
l'école?
• Faudra-t-il que quelqu'un se charge des tâches
supplémentaires de surveillance?
• Faudra-t-il demander à d'autres personnes de
changer les activités qu'elles ont prévues?
• Faudra-t-il prévoir un remplaçant ou une
remplaçante?
Qui d'autre va participer à l'excursion?
• Y a-t-il suffisamment d'adultes pour le nombre
d'élèves?
• Est-ce que des personnes de la communauté
offriront leur expertise?
• La classe a-t-elle été divisée en petits groupes?
• Les élèves qui seront chefs de groupe,
responsables du matériel et des fournitures, ontils été choisis?
Ceci peut paraître beaucoup de travail, mais la
plupart de ces choses devront être faites avant de
partir en excursion. Plus la planification sera
détaillée, plus il y aura de chance que l'excursion
soit une réussite.
Une fois que le travail de préparation a été fait et
que les approbations ont été obtenues au niveau de
l'administration, approcher les parents et les élèves
au sujet de l'excursion. Il est recommandé de
donner aux élèves une lettre pour leurs parents qui
détaille l'excursion proposée : heure de départ et de
retour, endroits visités, personnes responsables de
la surveillance, vêtements nécessaires, repas prévu,
matériel nécessaire, coût anticipé et activités de
remplacement. La lettre peut également inclure une
demande d'aide aux parents et un formulaire
d'autorisation à rendre à l'enseignant ou à
Physique 20, 30 – L'organisation du programme – P. 25
l'enseignante. C'est une bonne idée que l'enseignant
ou l'enseignante et la direction signent la lettre
avant de l'envoyer aux parents.
Un exemple de formulaire d'autorisation se trouve à
la page 27. Il faut noter que ce formulaire
d'autorisation n'empêche ni l'enseignant ni la
commission ou la division scolaire d'être poursuivis
en cas d'accident pendant l'excursion.
P. 26 – Physique 20, 30 – L'organisation du programme
Formulaire d'autorisation pour excursion
Date _______________________________
Aux parents ou aux tuteurs:
La classe de
année fera une excursion à
dans le cadre du cours de sciences. Cette
excursion donnera à votre enfant l'occasion de bénéficier des expériences suivantes : (donner ici une brève liste
des activités prévues).
Vous trouverez ci-joint un itinéraire et un horaire des activités prévues. Vous êtes priés de les lire attentivement
et de contacter l'école si vous avez des questions.
Votre enfant devra apporter ce qui suit : (liste de ce qu'il faut apporter). Si votre enfant a des besoins
spécifiques ou des problèmes d'ordre médical (par exemple des allergies), vous êtes priés de nous le faire
savoir. Contactez l'école si vous pensez que ces problèmes risquent de l'empêcher de participer à cette activité.
Nous serions heureux de vous emmener avec nous et nous vous encourageons à vous porter volontaire. Merci
de votre collaboration.
Enseignant.e
Directeur ou directrice de l'école ___________________________________
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------Je pourrai participer à l'excursion en tant que bénévole
oui
non ___
Commentaires des parents ou des tuteurs : ___________________________________________________
____________________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________________
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------Formulaire d'autorisation
J'autorise mon enfant
à participer à l'excursion décrite ci-dessus. J'ai
(Nom de l'enfant)
prévenu l'école de tout problème physique ou médical qui pourrait empêcher mon enfant de participer
pleinement à cette excursion.
Date : ______________________________
Signature : ___________________________
Physique 20, 30 – L'organisation du programme – P. 27
Facteurs de l'alphabétisme scientifique
Aperçu global des programmes d’études de sciences
Table séquentielle des facteurs scientifiques qui sous-tendent les aspects de l’alphabétisme scientifique 1
Aspects; facteurs
Élémentaire
M
1
2
3
Intermédiaire
4
5
6
7
8
Secondaire
9
10
11
12
A. Nature de la science
1. publique/privée...................................
2. historique............................................
3. holistique.............................................
4. reproductible........................................
5. empirique............................................
6. probabiliste..........................................
7. unique..................................................
8. expérimentale......................................
9. reliée à l’être humain/à la culture.......
B. Concepts scientifiques fondamentaux
1. le changement....................................
2. l’interaction........................................
3. l’ordre.................................................
4. l’organisme.........................................
5. la perception.......................................
6. la symétrie..........................................
7. la force................................................
8. la quantification.................................
9. la reproduction des résultats.............
10. la cause et l’effet...............….............
11. la prévisibilité....................................
12. la conservation...................................
13. l’énergie et la matière........................
14. le cycle...............................................
15. le modèle............................................
16. le système.....................................…..
17. le champ.............................................
18. la population......................................
19. la probabilité......................................
20. la théorie............................................
21. la justesse..........................................
22. les entités fondamentales..................
23. l’invariance........................................
24. l’échelle..............................................
25. le temps et l'espace……………………
26. l’évolution..........................................
27. l’amplification....................................
28. l’équilibre..........................................
29. le gradient.........................................
30. la résonance.......................................
31. la signifiance......................................
32. la validation.......................................
33. l’entropie............................................
Introduction
Élémentaire
P. 28 – Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique
Intermédiaire
Développement
Secondaire
M
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
C. Procédés d’investigation scientifique
1. la classification...................................
2. la communication...............................
3. l’observation et la description............
4. la coopération.....................................
5. la mesure............................................
6. la mise en question.............................
7. l’utilisation des nombres....................
8. la formulation d’hypothèse.............…
9. l’inférence...........................................
10. la prédiction......................................
11. le contrôle des variables....................
12. l’interprétation des données.............
13. la création de modèles.......................
14. la résolution de problèmes................
15. l’analyse............................................
16. l’expérimentation..............................
17. l’utilisation des mathématiques........
18. l’utilisation de la relation espacetemps..................................................
19. l’obtention d’un consensus.............…
20. la définition opérationnelle...............
21. la synthèse.........................................
D. Relations science-technologie-sociétéenvironnement
1. la science et la technologie................
2. le côté humain des scientifiques et des
technologues...............................
3. les effets de la science et de la
technologie....................................….
4. la science, la technologie et
l’environnement................................
5. le manque de compréhension du
public……………………………………
6. les ressources pour la science et la
technologie...................................…..
7. la variété d’opinion........................….
8. les limites de la science et de la
technologie.........................................
9. l’influence de la société sur la science et la
technologie................................
10. le contrôle de la technologie par la
société...........................................
11. la science, la technologie et les autres
domaines...........................................
Introduction
Développement
Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique – P. 29
M
Élémentaire
1
2
3
4
5
Intermédiaire
6
7
8
9
Secondaire
10 11 12
Introduction
Développement
E. Habiletés scientifiques et techniques
1. savoir se servir d’instruments
grossissants........................................
2. savoir utiliser les environnements
naturels..............................................
3. savoir utiliser le matériel prudemment
4. savoir utiliser le matériel audiovisuel.
5. savoir se servir d’un ordinateur..........
6. savoir mesurer la distance……………..
7. savoir manipuler les instruments.......
8. savoir mesurer le temps.....................
9. savoir mesurer le volume....................
10. savoir mesurer la température.....…..
11. savoir mesurer la masse....................
12. savoir se servir d’instruments
électroniques.......................................
13. savoir utiliser des relations
quantitatives.......................................
F. Valeurs qui sous-tendent la science
1. le besoin de savoir et de comprendre..
2. la mise en question.............................
3. la recherche des données et de leur
signification........................................
4. le respect des environnements
naturels…………………………………
5. le respect de la logique.......................
6. la prise en considération des
conséquences.....................................
7. le besoin de vérifier...........................
8. la prise en considération des prémisses
G. Intérêts et attitudes en matière scientifique
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
s’intéresser à la science.....................
devenir plus confiant.........................
continuer d’étudier............................
préférer les médias scientifiques.......
avoir un passe-temps scientifique......
préférer les réponses scientifiques.....
envisager une carrière scientifique....
préférer les explications scientifique..
9. apprécier les contributions
scientifiques........................................
Hart, E.P. — Science for Saskatchewan Schools : Proposed Directions : Field Study : Part B : A Framework for Curriculum
Development. — SIDRU, 1987. — Financé par le ministère de l’Éducation de la Saskatchewan. — Adaptation
P. 30 – Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique
Explication des facteurs qui
sous-tendent les aspects de
l'alphabétisme scientifique
Exemples :
Thompson, Rutheford, Bohr et les théoriciens des
quanta se sont basés chaque fois sur les travaux de
leurs prédécesseurs pour améliorer le modèle de
l'atome.
A. Nature de la science
Une personne qui possède une culture
scientifique générale comprend la nature de
la science et des connaissances scientifiques.
La science est à la fois publique et privée. Les
véritables expériences scientifiques font
découvrir aux élèves les aspects privés et
intuitifs des investigations et des découvertes
scientifiques, ainsi que les aspects publics
plus formels.
La science est par nature :
Les croisements sélectifs du maïs par les peuples
indiens d'Amérique du Nord ont produit une plante
de grande qualité.
A3 Holistique D (M-12)
Toutes les branches des sciences sont liées.
Exemple :
La structure moléculaire est un sujet d'intérêt pour
les physiciens, les chimistes et les biologistes.
A4 Reproductible I (M-2), D (3-12)1
A1 Publique/privée D (M-12)
Elle repose sur des preuves développées en privé par
des individus ou des groupes; elles sont partagées en
public avec d'autres. Ceci offre à d'autres individus
l'occasion de tenter d'établir la validité et le sérieux
des preuves.
Exemples :
Une fois que les scientifiques ont recueilli et
organisé des preuves corroborant leurs idées, ils
publient ces preuves et les méthodes qui ont permis
de les obtenir pour que leurs collègues puissent en
tester la validité et le sérieux.
Lorsque Pons et Fleischman ont annoncé qu'ils
avaient découvert la fusion à froid, ils ont omis de
présenter certaines preuves et procédures pour
pouvoir breveter leur découverte. Ils ont ainsi violé
le principe de la divulgation publique.
A2 Historique D (M-12)
Les connaissances scientifiques du passé doivent
être examinées dans leur contexte historique et non
dénigrées à la lumière des connaissances actuelles.
Elle repose sur des preuves qui pourraient être
obtenues par d'autres chercheurs dans un autre
endroit et à un moment différent, mais dans des
conditions semblables.
Toute procédure que l'on répète devrait produire les
mêmes résultats.
Exemple :
Tous les élèves d'un groupe font la même expérience
et découvrent des ressemblances entre leurs
résultats.
A5 Empirique I (M-2), D (3-12)
Les connaissances scientifiques reposent sur
l'expérimentation ou l'observation.
Exemples :
On peut déterminer en laboratoire la force de
gravitation de la Terre.
Il faut toujours tester les théories scientifiques en
procédant à des expériences.
1. La désignation I (M-2) indique que l'introduction initiale au facteur a lieu de la maternelle à la 2e année. La désignation D (3-12)
indique que son développement se poursuit de la 3e à la 12e année. Lors de la présentation initiale, l'enseignant ou l'enseignante
utilise le terme ou le concept et expose les élèves aux phénomènes illustrant ou concernant le facteur. Il y a développement
lorsque l'on encourage les élèves à employer correctement le terme ou le concept.
Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique – P. 31
A6 Probabiliste I (2-8), D (9-12)
Elle ne permet pas de faire de prédiction absolue ni
de donner d'explication absolue.
Exemples :
L'orbitale d'un électron est l’endroit de l'espace où
on a les plus grandes chances de trouver un
électron.
Un météorologue annonce qu'il y a 20 % de chance
qu'on ait de la pluie demain.
A7 Unique I (3-7), M (8-12)
La nature de la connaissance scientifique et les
procédés qu'emploie la science pour parvenir à de
nouvelles connaissances sont différents de ceux
d'autres domaines de connaissances, comme la
philosophie.
Certaines personnes mettent les vertébrés, surtout
les êtres humains, en haut de l'échelle de
l'évolution.
Grâce à la biotechnologie, on a pu éliminer l'acide
érucique du canola. Ceci a permis de développer des
variétés améliorées d'huile de canola pour la
consommation humaine.
B. Concepts scientifiques
fondamentaux
La personne qui possède une certaine culture
scientifique comprend et applique
exactement les concepts, les principes, les
lois et les théories scientifiques appropriés
dans son interaction avec la société et
l'environnement.
Les principaux concepts sont :
Exemples :
B1 Le changement D (M-12)
Comparer les méthodes utilisées par les
météorologues pour prévoir la météo et celles dont se
servent les éditeurs de l'Almanach du fermier.
Le changement est le processus consistant à se
transformer. Il peut s'effectuer en plusieurs étapes.
Comparer l'approche expérimentale de Galilée pour
étudier la vitesse à laquelle tombent des objets
légers et lourds et celle d'Aristote qui repose sur la
seule raison.
A8 Expérimentale I (6), D (7-12)
Elle est sujette a des changements. Elle ne prétend
pas être la vérité absolue et définitive. Cette
caractéristique ne diminue pas la valeur des
connaissances scientifiques aux yeux de la personne
qui possède une véritable culture scientifique.
Exemples :
Un organisme se développe. C'est d'abord un œuf,
puis il grandit et finit par mourir. Les roches
subissent l'action de l'érosion.
Les étoiles utilisent leur combustible et, de cette
façon, subissent des modifications.
B2 L'interaction D (M-12)
Elle se produit lorsque deux choses ou plus
s'influencent ou s'affectent mutuellement.
Exemple :
Exemple :
Au fur et à mesure que de nouvelles données sont
disponibles, les théories se modifient pour prendre
en considération les anciennes données et les
nouvelles. C'est la raison pour laquelle on considère
la structure atomique de façon très différente
maintenant.
Des animaux vivant dans le même écosystème
doivent se battre pour la nourriture et l'espace.
A9 Reliée à l'être humain/à la culture
I (6-9), D (10-12)
La science est un produit de l'humanité. Elle fait
appel à l'imagination créatrice. Les connaissances
sont déterminées par des concepts et à partir de ces
concepts qui sont les produits de la culture.
Exemples :
B3 L'ordre D (M-12)
C'est une séquence régulière qui existe dans la
nature ou est imposée par la classification.
Exemples :
On peut identifier des structures cristallines par des
techniques de diffraction en raison de l'arrangement
régulier de leurs atomes.
Le tableau périodique des éléments montre l'ordre
dans lequel les éléments sont arrangés.
P. 32 – Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique
B9 La reproduction des résultats I (M-2),
D (3-12)
B4 L'organisme D (M-12)
C'est une chose vivante ou une chose qui vivait
autrefois.
En faisant la même chose, on devrait obtenir les
mêmes résultats si toutes les conditions sont
identiques. C'est une caractéristique nécessaire de
l'expérimentation scientifique.
Exemples :
Savoir si un virus est un organisme vivant ou non
est un sujet de recherche intéressant.
Des fossiles trouvés dans des roches sédimentaires
prouvent l'existence d'organismes qui ont disparu il
y a très longtemps.
Exemple :
Si l'on fait chauffer un échantillon de
paradichlorobenzène pur, il doit fondre à 50 oC.
B10 La cause et l'effet I (M-2), D (3-12)
C'est une relation entre des événements qui prouve
que des phénomènes naturels n'arrivent pas par
hasard. Cela permet de faire des prédictions. La
théorie du big bang a remis quelque peu en question
ce principe.
B5 La perception D (M-12)
C'est l'interprétation par le cerveau de données
sensorielles.
Exemple :
Exemples :
Le décalage horaire peut diminuer le jugement des
pilotes pendant le décollage et l'atterrissage.
L'accélération d'une charrette dépend de la force
non équilibrée qu'on y applique.
B6 La symétrie D (M-12)
C'est la répétition d'un schème dans le cadre d'une
structure plus grande.
Chaque événement a une cause. Il ne peut se
produire de lui-même.
B11 La prévisibilité I (M-3), D (4-12)
Exemple :
Certaines structures moléculaires et autres
organismes vivants montrent une symétrie.
On peut identifier des motifs répétitifs dans la
nature et à partir de ceux-ci on peut faire des
inférences.
B7 La force I (M-1), D (2-12)
Exemple :
C'est une poussée ou une traction.
Lorsque du métal de sodium réagit au contact de
l'eau, la réaction fait virer le papier tournesol du
rouge au bleu.
Exemple :
Le poids d'un objet décroît avec l'altitude à laquelle
il se trouve.
B8 La quantification I (M-1), D (2-12)
Les nombres peuvent être utilisés pour exprimer
des informations importantes.
B12 La conservation I (M-4), D (5-12)
Comprendre la nature limitée des ressources
mondiales et la nécessité de les traiter avec
prudence et parcimonie est le principe sous-jacent à
la conservation.
Exemples :
Exemple :
On peut calculer la force d'attraction de deux objets
grâce à la loi de la gravitation universelle formulée
par Newton.
Il est possible de réduire la quantité d'énergie
nécessaire pour chauffer une maison en hiver si on
l'isole bien.
On peut concevoir des voitures plus petites et plus
efficaces qui utiliseront moins de carburant.
Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique – P. 33
B13 L'énergie et la matière I (1-2), D (3-12)
C'est la relation interchangeable et dépendante
entre l'énergie et la matière.
Le Soleil est la source d'un champ de gravitation
qui remplit l'espace. Ce champ influence le
mouvement de la Terre.
B18 La population I (3), D (4-12)
Exemple :
Lorsqu'une bougie brûle, une partie de l'énergie qui
se trouvait dans la cire est libérée sous forme de
chaleur et de lumière.
B14 Le cycle I (1-2), D (3-12)
Certains événements ou certaines conditions se
répètent.
C'est un groupe d'organismes qui partagent des
caractéristiques communes.
Exemple :
Les biologistes qui s'occupent de la faune surveillent
les cerfs de Virginie pour déterminer le nombre de
permis de chasse à octroyer dans une zone donnée.
B19 La probabilité I (3-8), D (9-12)
Exemples :
Le cycle de l'eau, le cycle de l'azote et l'équilibre
sont des exemples de cycles.
C'est le degré relatif de certitude que l'on peut
reconnaître si certains événements se passent à
intervalles de temps donnés ou selon une séquence
donnée.
Un des douze principes de la philosophie indienne
est que le changement se produit selon un cycle ou
un motif.
Exemple :
B15 Le modèle I (1-2), D ( 3-12)
La probabilité d'être atteint de certains types de
cancer augmente avec l'exposition à de fortes doses
de radiation.
C'est la représentation d'une structure réelle, d'un
événement réel, d'une classe d'événements réels
permettant de mieux comprendre les concepts
abstraits ou de faciliter la manipulation en
réduisant l'échelle.
Exemple :
B20 La théorie I (3-9), D (10-12)
C'est un groupe de phrases, d'équations ou de
modèles, ou une combinaison des trois, reliés entre
eux et cohérents; ils permettent d'expliquer un
groupe relativement grand et divers de choses et
d'événements.
Watson et Crick ont créé un modèle de la molécule
d'ADN pour permettre une meilleure
compréhension de la génétique.
Exemple :
B16 Le système I (1-2), D (3-12)
Au fur et à mesure qu'on procède à de nouvelles
expériences, la théorie de l'atome évolue et se
perfectionne.
Un ensemble de parties reliées forme un système.
B21 La justesse I (5-8), D (9-12)
Exemple :
L'équilibre chimique ne peut s'établir que dans un
système fermé.
C'est reconnaître que les mesures sont incertaines
et qu'il est important d'utiliser correctement des
chiffres significatifs.
B17 Le champ I (1-2), D (3-12)
Exemple :
Un champ est une région de l'espace influencée par
un agent.
Un chronomètre qui mesure au 1/10e de seconde
n’est pas l'instrument à utiliser pour déterminer la
durée de la décharge d'une étincelle.
Exemples :
Deux objets ayant la même charge ont tendance à
se repousser lorsqu'ils sont près l'un de l'autre.
P. 34 – Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique
Exemple :
B22 Les entités fondamentales I (6),
D (7-12)
Exemples :
On considère que l'évolution des organismes
progresse par petits changements successifs. De la
même façon, les théories scientifiques subissent des
changements qui permettent d'incorporer les
nouvelles données au fur et à mesure qu'elles
deviennent disponibles.
La cellule est l'unité de base de la vie.
B27 L'amplification I (8), D (9-12)
L'atome est l'unité de base de la matière.
C'est un accroissement de l'ampleur de certains
phénomènes perceptibles.
Ce sont des unités de structure ou de fonction sur
lesquelles on peut se baser pour expliquer certains
phénomènes.
B23 L'invariance I (6), D (7-12)
Exemple :
C'est le caractère de ce qui reste constant lorsque
d'autres caractéristiques changent.
Un haut-parleur amplifie les sons.
Exemple :
B28 L'équilibre I (9), D (10-12)
La masse est conservée lors d'une réaction
chimique.
C'est l'état dans lequel il ne s'opère ni changement
au niveau macroscopique ni force nette sur le
système.
B24 L'échelle I (6), D (7-12)
Exemples :
Elle implique un changement de dimension, ce qui
peut affecter la manière dont un système opère.
Dans un équilibre chimique, il ne s'opère aucun
changement au niveau macroscopique.
Exemple :
Un avion en papier fait avec une feuille de cahier
volera différemment d'un avion en papier fait dans
le même papier et sur le même modèle, mais avec
une feuille de la taille d'une affiche.
B25 Le temps et l'espace I (6-7), D (8-12)
C'est un cadre mathématique qui permet de décrire
des objets et des événements.
Un levier de première classe, en équilibre statique,
reste au repos. La somme de tous les moments des
forces en action est zéro.
B29 Le gradient I (9), D (10-12)
C'est la description d'un schéma de variation. Cette
description comprend l'ampleur et la direction du
changement.
Exemples :
Exemples :
Un être humain moyen a une extension dans une
direction d'environ 1,75 mètre et dans une autre
direction d'environ 70 ans.
Selon la relativité générale, la gravité n'est pas une
force mais une propriété de l'espace lui-même. C'est
une courbure du temps et de l'espace causée par la
présence d'un objet.
On peut prédire la décroissance de l'intensité de la
lumière au fur et à mesure qu'on s'éloigne de la
source lumineuse.
Sur une montagne, la meilleure direction pour
construire une voie ferrée est celle où la pente est la
moindre.
B30 La résonance I (9), D (10-12)
C'est une action à l'intérieur d'un système qui cause
une réaction similaire dans un autre système.
B26 L'évolution I (6-8), D (9-12)
C'est une série de changements qui peuvent servir à
expliquer comment une chose en est arrivée à ce
qu'elle est ou en quoi elle va se transformer. Cette
évolution va en général du simple au complexe.
Exemples :
Une boîte en bois vide peut servir à amplifier le son
d'un diapason.
Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique – P. 35
En raison de la résonance mécanique, des vibrations
sonores peuvent briser un verre à vin.
possède nécessairement les procédés qui sont
à la base de l'investigation scientifique.
B31 La signifiance I (9), D (10-12)
Ces procédés de base sont les suivants :
C'est la croyance que certaines différences excèdent
celles qu'on pourrait croire causées par le hasard
seulement.
C1 La classification D (M-12)
Exemple :
L'analyse des données de Tycho Brahé a entraîné la
formulation de la Première loi de Kepler.
B32 La validation
C'est une méthode systématique dont on se sert
pour imposer un ordre à un ensemble d'objets ou
d'événements.
Exemple :
On peut regrouper des animaux dans leur
embranchement, ou arranger des éléments dans le
tableau périodique des éléments.
Exemple :
C2 La communication D (M-12)
On se sert de la datation au carbone 14 pour vérifier
l'authenticité des objets retrouvés dans des fouilles
archéologiques.
C'est une méthode, parmi plusieurs, de
transmission de l'information d'une personne à une
autre.
B33 L'entropie I (9-10), D (11-12)
Exemple :
C'est l'expression de l'aspect aléatoire, ou non
ordonné, d'une collection d'objets. Elle ne peut
jamais être réduite à un système fermé.
On peut citer comme exemple de communication la
rédaction de rapports ou la participation aux
discussions en classe.
Exemple :
C3 L'observation et la description D (M-12)
Lorsqu'on dissout du chlorure de sodium solide dans
de l'eau, ses particules se dispersent au hasard.
C. Procédés d'investigation
scientifique
Ce sont les démarches scientifiques les plus
élémentaires, au cours desquelles on utilise ses sens
pour obtenir des renseignements sur son
environnement.
La personne qui possède une culture
scientifique générale se sert de procédés
propres à la science pour résoudre des
problèmes, prendre des décisions et mieux
comprendre la société et l'environnement.
Exemple :
Des procédés plus complexes ou intégrés
comprennent des procédés qui sont plus
fondamentaux. Les capacités intellectuelles
s'acquièrent et se développent la vie durant,
si bien que la maîtrise des procédés
d'investigation scientifique peut faciliter
l'apprentissage. Ceci permet d'obtenir des
compétences de résolution de problèmes et de
traitement de l'information qui dépassent de
loin les programmes scolaires. La personne
qui peut repérer l'information, la traiter,
appliquer sa connaissance des principes
scientifiques à l'analyse d'une question,
identifier des valeurs et parvenir à un
consensus grâce aux méthodes d'évaluation
C4 La coopération D (M-12)
Lors d'une recherche, l'élève rédige un paragraphe
dans lequel il note la progression d'une réaction
entre du cuivre brûlant et des vapeurs de soufre.
C'est travailler de façon productive au sein d'une
équipe, pour atteindre les objectifs de l'équipe.
Exemple :
Les élèves doivent partager les responsabilités d'une
expérience.
P. 36 – Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique
C5 La mesure D (M-12)
C9 L'inférence I (1-2), D (3-12)
On utilise un instrument pour estimer une valeur
quantitative liée à certaines caractéristiques d'un
objet ou d'un événement.
C'est donner une explication à partir de l'expérience
qu'on possède d'une chose.
Exemple :
Exemple :
On peut déterminer la longueur d'une barre de
métal au millimètre près si l'on utilise l'instrument
de mesure approprié.
On peut inférer que des petits changements dans un
milieu peuvent affecter les populations lorsqu'on
observe que les marécages d'eau de mer n'abritent
pas la même population d'insectes que les
marécages d'eau douce.
C6 La mise en question I (M-1), D (2-12)
C10 La prédiction I (1-2), D (3-12)
C'est soulever un problème ou une question pour
faciliter la recherche ou la discussion.
C'est se servir des informations que l'on possède
pour prévoir des résultats futurs.
Exemple :
Exemple :
Un élève devrait être capable de créer des questions
dirigées au sujet d'événements observés. Lorsqu'il
observe des oiseaux migrateurs, il devrait pouvoir
aller plus avant dans la recherche grâce à des
questions telles que : « Pourquoi les oiseaux se
réunissent-ils pour effectuer la migration? »,
« Comment les oiseaux savent-ils où se rendre? »
Étant donné les résultats du calcul horaire de la
population dans une culture de levure, on pourrait
prédire la population au bout de 5 heures.
C11 Le contrôle des variables I (1-2),
D (3-12)
C7 L'utilisation des nombres I (M-1),
D (2-12)
C'est identifier ou gérer les conditions qui peuvent
influencer une situation ou un événement.
C'est se servir de systèmes numériques (compter ou
mesurer) pour exprimer des idées, faire des
observations ou établir des relations.
Exemples :
Exemple :
Si on identifie tous les autres facteurs qui ont de
l'importance pour la croissance des plantes et si on
les rend semblables (en les contrôlant), on peut
observer l'effet de l'acide gibbérellique.
Un litre contient 1 000 millilitres.
C8 La formulation d'hypothèses I (1-2),
D (3-12)
C'est formuler une généralisation expérimentale qui
peut servir à expliquer un assez grand nombre
d'événements, mais qui doit être vérifiée,
immédiatement ou ultérieurement, par des
expériences.
Pour pouvoir vérifier l'effet d'un engrais sur la
croissance d'une plante, tous les facteurs qui
peuvent être importants dans la croissance de cette
plante doivent être identifiés et contrôlés de façon à
déterminer l'effet de l'engrais.
C12 L'interprétation des données I (2),
D (3-12)
C'est un procédé important basé sur la découverte
d'un modèle dans un ensemble de données. Ce
procédé peut mener à une généralisation.
Exemple :
Formuler une hypothèse, c'est par exemple faire des
prédictions sur l'importance de diverses
composantes d'un pendule qui peuvent influencer sa
période.
Exemple :
Si on se base sur la similarité des périodes des
pendules de 100 g, 200 g et 300 g, on peut conclure
que la masse du poids d'un pendule n'a aucun effet
sur sa période.
Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique – P. 37
C13 La création de modèles I (2-6), D (7-12)
Exemple :
Les modèles sont utilisés pour présenter un objet,
un événement ou un mécanisme.
La trajectoire des projectiles peut être calculée grâce
aux mathématiques.
Exemple :
C18 L'utilisation de la relation espace-temps
I (6-7), D (8-12)
La description de l'interaction de forces par des
vecteurs est un modèle.
C14 La résolution de problèmes I (3-8),
D (9-12)
C'est poser des questions sur le monde naturel pour
faire progresser les connaissances scientifiques.
C'est aussi se servir de ces dernières pour poser
d'autres questions.
C'est se servir de ces 2 critères pour décrire
l'emplacement d'objets.
Exemple :
Décrire les chemins de migration du caribou de la
toundra.
C19 L'obtention d'un consensus I (6-8),
D (9-12)
Exemple :
On se sert de ce qu'on sait de la génétique et de la
technique de la scission de l'ADN pour créer des
bactéries productrices d'insuline.
C15 L'analyse I (3-5), D (6-12)
C'est examiner en quoi consistent les idées et les
concepts scientifiques, afin de déterminer leur
essence ou leur signification.
C'est arriver à un accord quand il existe une variété
d'opinions.
Exemples :
Une discussion sur la manière de se débarrasser des
déchets toxiques, basée sur une recherche des
élèves, leur donne l'occasion d'évaluer l'information
qu'ils possèdent.
Pour déterminer si une hypothèse est défendable, il
faut l'analyser.
À l'origine les scientifiques étaient divisés sur la
fusion à froid. Après plusieurs conférences, ils
étaient toujours incapables de se mettre d'accord
sur ce point. D'autres expériences se sont avérées
nécessaires.
Pour déterminer la séquence des acides aminés qui
produit l'insuline, il faut procéder à une analyse.
C20 La définition opérationnelle I (7-9),
D(10-12)
C16 L'expérimentation I (3-8), D (9-12)
C'est définir une chose ou un événement en faisant
une description physique ou en décrivant les
résultats d'une procédure déterminée.
Exemples :
C'est élaborer une série d'opérations destinées à
recueillir des données qui serviront à tester une
hypothèse ou à répondre à une question.
Exemple :
Les fabricants d'automobiles procèdent à des tests
de ceintures de sécurité.
C17 L'utilisation des mathématiques I (6), D
(7-12)
Exemple :
L'acide fait virer un papier tournesol bleu au rouge
et a un goût acide.
C21 La synthèse I (9-10), D (11-12)
C'est combiner des parties en un tout complexe.
Exemples :
Lorsqu'on utilise des mathématiques, les relations
numériques ou spatiales sont exprimées en termes
abstraits.
On peut produire des polymères en combinant des
monomères simples.
Une dissertation demande à l'élève de procéder à la
synthèse de toute une gamme de connaissances,
attitudes, habiletés et démarches.
P. 38 – Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique
Exemple :
D. Relations science-technologiesociété-environnement
La personne qui possède une culture
scientifique générale comprend et apprécie
l'imbrication de la science et de la
technologie, ainsi que leurs rapports.
Certains facteurs qui entrent en jeu dans les
relations entre la science, la technologie, la société
et l'environnement sont les suivants :
D1 La science et la technologie I (M-2),
D (3-12)
La science et la technologie sont différentes, bien
qu'elles se recoupent parfois et dépendent l'une de
l'autre. La science s'occupe d'ordonner les
connaissances conceptuelles. La technologie s'occupe
de conception, de développement, ainsi que de
l'application des connaissances scientifiques ou
technologiques, souvent pour répondre à des besoins
sociaux et humains.
Comme notre société continue à accroître sa
demande en énergie et en biens de consommation, il
y a de fortes chances pour que nous ayons une
qualité de vie plus élevée, mais au prix d'une plus
grande détérioration de l'environnement.
D4 La science, la technologie et
l'environnement I (3-5), D (6-12)
La science et la technologie peuvent être utilisées
pour contrôler la qualité de l'environnement. La
société est capable de contrôler la qualité de
l'environnement et l'exploitation raisonnable des
ressources naturelles. Elle en a la responsabilité,
pour que nous puissions, ainsi que ceux qui nous
suivront, jouir d'une bonne qualité de vie.
Exemple :
Chacun devrait faire sa part et agir de manière
responsable pour conserver l'énergie.
D5 Le manque de compréhension du public I
(3-8), D (9-12)
Exemple :
L'invention du microscope a conduit à de nouvelles
découvertes sur les cellules.
D2 Le côté humain des scientifiques et des
technologues I (1-6), D (7-12)
Il se peut que, sortis de leur spécialité, les
scientifiques et les technologues ne maîtrisent pas
tous les (ou même certains) facteurs de
l'alphabétisme scientifique. Les carrières
scientifiques ou technologiques sont à la portée de
presque tout le monde.
Il existe un écart considérable entre les
connaissances scientifiques et technologiques et la
compréhension du public. Il revient donc aux
scientifiques, aux technologues et aux enseignants
et enseignantes de faire tout leur possible pour
réduire cet écart.
Exemples :
Certaines personnes croient à tort que l'irradiation
rend les aliments radioactifs.
Exemple :
On croit souvent par erreur que le babeurre est une
boisson à teneur élevée en calories.
En faisant des recherches sur la vie de scientifiques
célèbres, les élèves peuvent commencer à
comprendre les éléments humains de la science et
de la technologie.
Selon la croyance populaire, la meilleure période
pour planter les pommes de terre au printemps est
pendant la pleine lune.
D3 Les effets de la science et de la
technologie I (3-5), D (6-12)
Certaines personnes croient que la technologie n'est
que de la science appliquée.
Les développements scientifiques et technologiques
ont des effets réels et directs sur la vie de tous.
Certains de ces effets sont souhaitables; d'autres ne
le sont pas. Certains des effets souhaitables peuvent
avoir des effets secondaires indésirables. Il semble
donc qu'il existe essentiellement un principe
d'échange dans lequel des avantages sont
accompagnés d'inconvénients.
D6 Les ressources pour la science et la
technologie I (3-8), D (9-12)
Les recherches scientifiques et technologiques
actuelles exigent beaucoup de ressources, qu'il
s'agisse de talent, de temps ou d'argent.
Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique – P. 39
Exemple :
Exemple :
Les progrès faits dans l'exploration spatiale
demandent les efforts collectifs de nombreuses
nations qui travailleront ensemble pour trouver le
temps, l'argent et les ressources nécessaires.
La course à la Lune illustre comment les priorités
peuvent déterminer la mesure dans laquelle l'étude
de problèmes scientifiques et technologiques donnés
est acceptée, et donc la mesure dans laquelle la
société l'autorise.
D7 La variété d'opinions I (3-9), D (10-12)
La pensée et les connaissances scientifiques peuvent
venir appuyer des prises de positions opposées. Il est
normal que des scientifiques ou des technologues
soient en désaccord, bien qu'ils invoquent les mêmes
théories ou les mêmes données scientifiques.
Exemples :
Le débat qui a entouré la possibilité de la fusion à
froid est un bon exemple de cette variété d'opinions.
Il existe un débat à l'heure actuelle au sujet de
l'utilisation des techniques du brûlis contrôlé dans
les parcs nationaux.
D8 Les limites de la science et de la
technologie I (6-8), D (9-12)
Ni la science ni la technologie ne peuvent garantir
de solutions à un problème donné. En fait, trouver
la solution ultime à un problème s'avère
généralement impossible et il faut donc se contenter
d'une solution partielle ou temporaire. On ne peut
ni légiférer, ni acheter, ni garantir par des
ressources illimitées de solution à un problème. La
science et la technologie sont parfois impuissantes à
résoudre certains problèmes humains.
D10 Le contrôle de la technologie par la
société I (9), D (10-12)
Il ne peut y avoir de découvertes scientifiques sans
liberté d'exploration. Toutefois, l'application des
connaissances scientifiques et de la technologie est
déterminée, en définitive, par la société dans son
ensemble. Scientifiques et technologues ont la
responsabilité d'informer le public, c'est-à-dire ceux
et celles qui prennent les décisions finales, non
seulement des conséquences éventuelles de ces
applications, mais aussi des recherches qu'elles
peuvent occasionner.
Exemples :
La célèbre lettre d'Einstein au Président Roosevelt,
dans laquelle il le met en garde contre les dangers
des armes nucléaires et où il mentionne ses opinions
pacifistes, illustre bien le sens des responsabilités
que doivent avoir les scientifiques en tant que
membres de la société.
Les gouvernements doivent prendre des décisions
pour ce qui est de l'appui et du financement des
recherches scientifiques importantes.
D11 La science, la technologie et les autres
domaines I (9), D (10-12)
Exemple :
Les solutions que la technologie propose
actuellement pour l'entreposage des déchets
nucléaires présentent souvent des limites
considérables et ne sont au mieux que des solutions
à court terme, jusqu'à ce qu'on en trouve de
meilleures.
D9 L'influence de la société sur la science et
la technologie I (7-9), D (10-12)
La recherche scientifique et technologique est
influencée par les besoins, les intérêts et le soutien
financier de la société dans son ensemble.
Même si les connaissances et les méthodes qui
caractérisent la science et la technologie ont leur
caractère propre, il existe de nombreux liens entre
elles et les autres domaines de la connaissance et de
la compréhension humaine.
Exemple :
Le principe de l'incertitude en sciences, le principe
de Verstehen en anthropologie, et l'effet
d'Hawthorne en psychologie sociale expriment tous
des idées similaires dans leur domaine respectif.
P. 40 – Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique
E. Habiletés scientifiques et
techniques
La personne qui possède une culture
scientifique générale a acquis de nombreuses
habiletés de manipulation reliées à la science
et à la technologie.
Les élèves se servent tout seuls de l'équipement
audiovisuel pour communiquer des informations
(dessins, photographies, collage, télévision, radio,
magnétoscope, rétroprojecteur, etc.)
Exemples :
On trouvera, ci-dessous, la liste de ces habiletés de
manipulation sans lesquelles on ne peut faire
preuve d'alphabétisme scientifique.
Des élèves expliquent à l'enseignant ou à
l'enseignante comment faire fonctionner le
magnétoscope.
E1 Savoir se servir d'instruments
grossissants D (M-12)
Des élèves utilisent une caméra pour enregistrer un
phénomène naturel.
La personne utilise correctement des instruments
grossissants (microscope, télescope, loupe,
rétroprojecteur).
Exemples :
E5 Savoir se servir d'un ordinateur
D (M-12)
On doit se servir d’un microscope stéréoscopique
pour faire une dissection très poussée d'un lombric.
L'élève doit se servir d'un microphone pour faire
passer une annonce par le système de sonorisation
de l'école.
E2 Savoir utiliser les environnements
naturels D (M-12)
Les élèves utilisent à bon escient et
raisonnablement les environnements naturels. Par
exemple, ils ou elles recueillent, examinent et
réintroduisent des spécimens.
Exemple :
Les élèves peuvent faire l'étude des bords d'un étang
en observant et en décrivant une section donnée, à
des intervalles de deux semaines, pendant trois
mois. Après avoir recueilli des spécimens et les
avoir examinés, il et elles devraient les remettre
dans leur environnement naturel.
E3 Savoir utiliser le matériel prudemment
D (M-12)
Les élèves font preuve de prudence lorsqu'ils ou elles
manipulent l'équipement au laboratoire, dans la
salle de classe et dans la vie de tous les jours.
Exemple :
Les élèves se servent de l'ordinateur comme outil
d'analyse, pour accroître leur productivité et comme
extension de l'esprit humain.
Exemples :
Les élèves utilisent des cellules photo-électriques
connectées à une carte interface permettant à
l'ordinateur d'être utilisé comme minuteur.
Les élèves entrent dans un réseau d'information
pour effectuer la recherche d'un terme dans une
base de données de produits chimiques.
Les élèves utilisent des logiciels informatiques pour
simuler un événement naturel, ou un processus
qu'il est peut-être trop dangereux ou peu pratique
d'effectuer en laboratoire.
E6 Savoir mesurer la distance I (M-1),
D (2-12)
Les élèves mesurent correctement les distances à
l'aide d'instruments ou de techniques appropriés,
par exemple des règles, des mètres à mesurer, des
télémètres ou une roue à lanterne.
Exemples :
L'élève détermine la longueur et la largeur d'une
salle à l'aide d'un mètre à mesurer.
On peut déterminer une grande distance grâce à la
triangulation ou à la parallaxe.
Les élèves reconnaissent une situation où il leur
faut porter des lunettes protectrices et les portent
avant qu'on le leur demande.
E4 Savoir utiliser le matériel audiovisuel D
(M-12)
Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique – P. 41
E7 Savoir manipuler les instruments
I (M-2), D (3-12)
Les élèves sont capables de manipuler certains
objets avec habileté et dextérité.
Exemple :
Une élève se sert d'une éprouvette graduée pour
mesurer 35 ml de liquide. Elle transfère ensuite le
liquide dans un ballon et le chauffe.
E8 Savoir mesurer le temps I (1), D (2-12)
Les élèves mesurent correctement le temps à l'aide
d'instruments : montre, sablier ou tout instrument
qui montre des mouvements périodiques, etc.
Exemple :
Des élèves utilisent un chronomètre pour mesurer
exactement de courtes périodes.
Exemple :
L'élève utilise une balance pour déterminer la
masse de l'objet, dans les limites de précision de la
balance.
E12 Savoir se servir d'instruments
électroniques I (5-8), D (9-12)
Les élèves peuvent utiliser des instruments
électroniques qui mesurent des caractéristiques
physiques ou chimiques, ou contrôlent des fonctions
biologiques.
Exemple :
Il faut suivre le mode d'emploi lorsqu'on se sert d'un
instrument si on veut qu'il soit le plus précis
possible (ex : ampèremètre, oscilloscope, pH-mètre,
appareil photo).
E13 Savoir utiliser des relations
quantitatives I (5-9), D (10-12)
E9 Savoir mesurer le volume I (1), D (2-12)
Les élèves mesurent le volume directement à l'aide
de contenants gradués. Ils ou elles peuvent
également le mesurer indirectement à partir de
calculs tirés de relations mathématiques.
Exemples :
On lit le volume d'une éprouvette graduée au point
d'inflexion du ménisque.
Le principe d'Archimède sert à déterminer le
volume d'un solide irrégulier.
E10 Savoir mesurer la température I (1),
D (2-12)
Les élèves mesurent correctement la température à
l'aide d'un thermomètre ou d'un thermocouple.
Exemple :
Il faut placer les thermomètres correctement si on
veut mesurer correctement la température.
E11 Savoir mesurer la masse I (2), D (3-12)
Les élèves mesurent correctement la masse à l'aide
d'une balance à fléau ou en utilisant d'autres
techniques appropriées.
Les élèves utilisent correctement les expressions
mathématiques.
Exemples :
Pour calculer l'accélération instantanée, il faut
trouver l'inclinaison à un point sur un graphique
vitesse-temps.
L'élève calcule le volume d'un cube à partir de la
longueur d'une de ses faces.
F. Valeurs qui sous-tendent la
science
Une personne qui possède une culture
scientifique générale interagit avec la société
et l'environnement d'une manière qui est
compatible avec les valeurs qui sous-tendent
la science.
Ces valeurs sont les suivantes :
F1 Le besoin de savoir et de comprendre
D (M-12)
Il y a un certain avantage à acquérir des
connaissances. Cette acquisition mérite qu'on y
consacre du temps et d'autres ressources.
Exemple :
Un groupe de quatre élèves demande à l'enseignant
ou à l'enseignante s'il leur est possible de faire un
P. 42 – Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique
projet d’expo-sciences sur un sujet qui les intéresse
tous.
Exemple :
F2 La mise en question D (M-12)
Les erreurs de logique sont connues. Il faut donc
étudier l'information d'un œil critique et la soupeser
à l'aune de la logique.
La mise en question est importante. Certaines
questions sont plus valables que d'autres, car elles
aboutissent à des recherches scientifiques et donc à
une meilleure compréhension.
F6 La prise en considération des
conséquences I (M-5), D (6-12)
C'est un réexamen fréquent et profond des effets
qu'auront certaines actions.
Exemple :
Les élèves posent des questions qui approfondissent
ce qui leur est présenté dans le cadre normal du
cours ou dans leurs manuels.
F3 La recherche des données et de leur
signification D (M-12)
L'acquisition et l'organisation des données sont à la
base de théories qui, à leur tour, peuvent servir à
expliquer bien des choses ou des événements. Dans
certains cas, ces données ont une application
pratique immédiate qui sert à l'humanité. Les
données peuvent permettre d'évaluer exactement un
problème ou une situation.
Exemples :
Des démarches expérimentales peuvent affecter le
résultat d'une expérience.
Transporter du pétrole dans des pétroliers peut
causer une marée noire, entraînant des
conséquences très graves pour l'environnement.
F7 Le besoin de vérifier I (3-5), D (6-12)
Il faut rendre publiques les données qui appuient
une découverte. Il faut faire des tests empiriques
pour évaluer la validité ou l'exactitude d'une
découverte ou d'une assertion.
Exemple :
Exemple :
Lors d'une activité de défi-sciences, des élèves
posent une question sur un phénomène naturel.
Elles conçoivent ensuite une expérience pour
essayer de trouver la réponse. Elles contrôlent les
variables qui peuvent influencer les résultats. Elles
notent soigneusement leurs observations,
recueillent et analysent les données pour tester
l'hypothèse qu'elles sont en train d'étudier. Puis
elles procèdent à de nouveaux tests.
F4 Le respect des environnements naturels
D (M-12)
On examine de manière critique les rapports et les
recherches dont les médias sont les auteurs et on les
compare à d'autres sources d'information avant de
les accepter ou de les rejeter.
F8 La prise en considération des prémisses
I (9), D (10-12)
Il faut réexaminer fréquemment les hypothèses de
base qui orientent la ligne de recherche.
Exemples :
Notre survie dépend de notre aptitude à préserver
l'équilibre essentiel de la nature. Il existe une
beauté intrinsèque dans la nature.
Lors d'une recherche en laboratoire sur le taux des
réactions chimiques, il faut examiner le contrôle des
variables.
Exemple :
Lors d'une excursion, tous les participants et
participantes montrent par leurs actions qu'ils
respectent les environnements naturels et toutes les
composantes de l'écosystème.
F5 Le respect de la logique I (M-2), D (3-12)
Il est important de faire des inférences correctes et
valides. Il est essentiel de mettre en doute certaines
conclusions ou actions.
Il faut procéder à un examen critique des facteurs à
l'étude lorsqu'on veut expliquer l'extinction des
dinosaures.
G. Intérêts et attitudes en matière
scientifique
La personne qui possède une culture
scientifique générale a une vision unique de
la science, de la technologie, de la société et
de l'environnement qui lui vient de sa
Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique – P. 43
formation scientifique. Elle continue à se
former toute sa vie. Elle aura tendance à :
G5 Avoir un passe-temps scientifique
I (3-5), D (6-12)
G1 S'intéresser à la science D (M-12)
L'élève s'intéresse de façon visible à tout ce qui a
trait à la science.
L'élève a un passe-temps dans un domaine
scientifique.
Exemple :
Exemple :
Les élèves et les enseignants et enseignantes qui
passent beaucoup de temps en dehors de la classe à
des projets d'expo-sciences montrent un intérêt
certain pour la science.
L'élève qui observe les oiseaux, qui s'intéresse à
l'astronomie ou collectionne les coquillages montre
un intérêt certain pour la science.
G6 Préférer les réponses scientifiques
I (3-5), D (6-12)
G2 Devenir plus confiant D (M-12)
L'élève éprouve de la satisfaction à participer à des
recherches scientifiques et à comprendre les rouages
de la science.
Exemple :
Les élèves et les enseignants appronfondissent leurs
connaissances scientifiques en lisant des ouvrages
scientifiques et aiment échanger avec d'autres
personnes.
L'attitude des gens peut indiquer s'ils tentent ou
non d'acquérir une culture scientifique générale.
Exemple :
Lors d'une élection, les électeurs et électrices
peuvent prendre en considération les convictions des
candidats et candidates en matière
d'environnement.
G7 Envisager une carrière scientifique
I (3-8), D (9-12)
G3 Continuer d'étudier D (M-12)
L'élève a acquis des connaissances scientifiques et
poursuit des recherches d'ordre scientifique. Ces
recherches peuvent prendre plusieurs formes.
Exemple :
L'élève devient membre d'une société d'histoire
naturelle pour apprendre plus de choses sur la
nature.
G4 Préférer les médias scientifiques
I (M-2), D (3-12)
L'élève songe à faire carrière ou à trouver un emploi
dans un domaine scientifique.
Exemple :
Les enseignants et enseignantes peuvent
encourager les élèves à s'intéresser à des domaines
liés à la science, s'ils ou elles sont de bons modèles.
G8 Préférer les explications scientifiques
I (6-9), D (10-12)
L'élève choisit les médias les plus appropriés selon
l'information dont il ou elle a besoin et son niveau
actuel de compréhension.
L'élève préfère une explication scientifique à une
explication non scientifique lorsque cela est
approprié. Il ou elle reconnaît également qu'il peut y
avoir des circonstances dans lesquelles il n'est pas
approprié de choisir une explication scientifique.
Exemples :
Exemple :
Les élèves et les enseignants et enseignantes qui
regardent des émissions scientifiques à la télévision
montrent un intérêt certain pour la science.
En ayant recours à la logique lors d'un débat, les
élèves font preuve d'une pensée logique semblable à
la pensée scientifique.
Une élève qui fait des recherches pour un projet
scientifique devra peut-être déterminer les sources
d'information les plus appropriées. Son choix peut se
porter sur des émissions télévisées, des articles de
journaux, des livres, des expositions ou des revues
scientifiques.
P. 44 – Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique
G9 Apprécier les contributions scientifiques
I (6-9), D (10-12)
L'élève tient en haute estime les scientifiques et les
technologues qui ont fait des contributions
signifiantes à l'histoire de l'humanité.
Exemples :
Une personne porte un t-shirt à l'image d'un ou
d'une scientifique célèbre.
Certains élèves peuvent avoir énormément d'estime
pour leur enseignant ou enseignante de sciences.
Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique – P. 45
Instruments de mesure et feuilles
de travail pour l'évaluation
Unité :_________________________________________Classe :____________________________________________________
Fiche anecdotique
Nom de l'élève :
___________________________________
Activité et date de l'observation
Comportement observé
Inférences/interprétations
et plans d'action
1re
2e
3e
4e
Physique 20, 30 – Instruments de mesure – P. 49
Unité :_________________________________________Classe :____________________________________________________
Fiche anecdotique - aperçu global
P. 50 – Physique 20, 30 – Instruments de mesure
Grille d'observation
Nom des élèves
Critères ↓
Physique 20, 30 – Instruments de mesure – P. 51
Grille d'observation pour le travail de groupe
Unité :_________________________________________Classe :____________________________________________________
oui = 4
Nom des élèves
(groupes de deux)
écoute attentivement
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
P. 52 – Physique 20, 30 – Instruments de mesure
suit les directives
non = 7
collabore avec son
ou sa partenaire
termine son travail
communique en
français
Échelle d'appréciation pour le travail de groupe
Unité :_________________________________________Classe :____________________________________________________
Nom des élèves
(groupes de deux)
écoute attentivement
suit les
directives
collabore avec son
ou sa partenaire
termine
son travail
communique
en français
/20
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Échelle :
4 = excellent
2 = satisfaisant
3 = bien
1 = pas satisfaisant
Total : 4 x 5 = 20
Physique 20, 30 – Instruments de mesure – P. 53
Échelle d'appréciation pour le travail coopératif
Date :
Critères à observer
Nom des élèves :
Échelle :
4 = excellent
3 = bien
suit les
directives
collabore avec
son ou sa
partenaire
2 = satisfaisant
1 = pas satisfaisant
P. 54 – Physique 20, 30 – Instruments de mesure
termine
son
travail
Total : 4 x 4 = 16
Total :
communique
en français
/16
Grille d'observation
Unité :_________________________________________Classe :____________________________________________________
Le travail de groupe en partenaires
Critères
Jean
Marie
Anne
Bill
Lise
Sara
Joe
Mike
Lynn
Bob
Chaque élève :
a aidé les membres de son
groupe
a fait sa part du travail
a demandé de l'aide au besoin
a participé aux discussions du
groupe
a respecté le point de vue des
autres
a contribué à inclure et à
présenter l'information
pertinente
a communiqué en français
oui = 4
non = 7
Physique 20, 30 – Instruments de mesure – P. 55
Auto-évaluation du travail coopératif à partager et à discuter avec
l'enseignant.e
Membres du groupe :
________________________________________
Non
Nous nous sommes tous entraidés
Chacun a fait sa part du travail
Nous avons demandé de l'aide aux autres
membres de notre groupe quand c'était
nécessaire
Chacun a participé aux discussions de notre
groupe
Nous avons respecté le point de vue des
autres
Nous avons inclus l'information pertinente
Nous avons présenté cette information
d'une manière claire et précise
Nous avons communiqué en français
P. 56 – Physique 20, 30 – Instruments de mesure
Un peu
Oui
Tableau comparatif
Unité :_________________________________________Classe :____________________________________________________
Nom de l'élève : ___________________________________________
Similitudes
Différences
Physique 20, 30 – Instruments de mesure – P. 57
Activité − Modèle à trois dimensions
Membres du groupe :
______________________________
La démarche :
Planification et fabrication du modèle :
•
Chaque partenaire s'implique dans la discussion
______
•
Le groupe dresse une liste de matériel pour le projet
______
•
Chacun est responsable de la collecte d’une partie du matériel
______
•
Le groupe suit les consignes
______
•
Tout le monde communique en français
______
Le produit final
Le modèle inclut :
•
______
•
______
•
______
Les élèves ont fait preuve de diligence et d'attention en élaborant leur
modèle
______
Échelle :
4 = excellent (effort exceptionnel, attitude très positive)
3 = bien (bon effort, attitude positive)
2 = moyen (effort acceptable, attitude généralement positive)
1 = faible (effort inacceptable, attitude négative)
Total : ( 4 x
)
P. 58 – Physique 20, 30 – Instruments de mesure
=
/36
Physique 20, 30 – Instruments de mesure – P. 59
Tableau d'observation − La projection
Titre de la vidéo ou du film : _______________________________________________
Nom des partenaires :
Points à observer ↓
1.
2.
3.
4.
Les mots ou les expressions
qui n’ont pas été compris :
P. 60 – Physique 20, 30 – Instruments de mesure
Commentaires ↓
Grille d'observation pour l'expérience scientifique en groupes de deux
Nom des élèves
(groupes de deux)
font de bonnes
observations
oui = 4
non = 7
font preuve de
ténacité dans
leur travail
arrivent à des
conclusions
justes
respectent et
rangent leur
matériel
ont découvert la méthode scientifique
en suivant toutes les étapes de leur
expérience
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Physique 20, 30 – Instruments de mesure – P. 61
Échelle d'appréciation pour l'expérience scientifique en groupes de deux
Nom des élèves
(groupes de deux)
font de bonnes
observations
font preuve de
ténacité dans leur
travail
arrivent à des
conclusions justes
respectent et
rangent le
matériel
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Échelle :
4 = excellent 2 = satisfaisant
3 = bien
1 = pas satisfaisant
P. 62 – Physique 20, 30 – Instruments de mesure
Total : 4 x 4 = 16
Total : / 16
Grille d'observation − Collecte de données dans les cahiers
d'exercices
Nom
Date
Un crochet indique que le critère a été respecté.
La documentation est complète
Les informations ou les données réunies sont exactes
Le travail écrit est propre et lisible
Les tableaux et les diagrammes sont nets
Chaque section commence par le titre approprié
Les erreurs sont barrées, mais pas effacées
Le texte (orthographe et vocabulaire) a été revu et corrigé
Les informations sont classées de façon logique
Les aides technologiques sont utilisées de façon appropriée
Les notes prises sont rangées dans un dossier ou un classeur
Des couleurs et des graphiques améliorent l'aspect visuel
Les brouillons sont à part
Commentaires et impression générale
Cette grille d'observation peut être utilisée par les enseignants et les enseignantes ou par
les élèves eux-mêmes lors d'une auto-évaluation. Elle peut servir pour évaluer des cahiers
d'exercices, des collectes de données au laboratoire ou des rapports de laboratoire formels
écrits. L'enseignant ou l'enseignante doit informer les élèves des critères dès le début du
trimestre.
Physique 20, 30 – Instruments de mesure – P. 63
Carnet de bord scientifique pour noter et illustrer les observations
lors des expériences
Unité :
Classe :
Mon carnet de bord scientifique
Observations :
(Nom)
P. 64 – Physique 20, 30 – Instruments de mesure
Feuille d'observation
Feuille d'observation
Journée : ____________________________
Heure : ______________________________
Description écrite
Dessin
Physique 20, 30 – Instruments de mesure – P. 65
Évaluation du carnet de bord scientifique
Évaluation du carnet de bord scientifique
Nom de l'élève : _______________________________________
L'élève :
•
prédit ce qui va se passer avant de commencer l'expérience
/2
•
suit systématiquement les directives
/5
•
consigne systématiquement les observations
(indique le jour et l'heure)
/5
•
dessine et écrit ses observations avec justesse
/15
•
tire une conclusion de ses observations
/3
Total : /30
P. 66 – Physique 20, 30 – Instruments de mesure
Fiche pour la méthode scientifique :
Nom des élèves :_______________________________________________________
______________________________________________________
Problème (ou question) :
Hypothèse (ou prédiction) :
Matériel :
Procédure et observations :
Conclusion :
Physique 20, 30 – Instruments de mesure – P. 67
Contrat pour mon projet de recherche
Nom :
Date :
A. Sujet de mon projet de recherche : ___________________________________
B. Ce que je vais inclure avec la copie finale de mon projet de recherche :
•
le schéma conceptuel qui comprend :
¢ le sujet de mon projet de recherche
¢ les idées clés
¢ des questions et des réponses se rapportant à chaque idée clé
•
les fiches des ressources
•
les fiches de notes
C. Entretiens : Dans le but de vérifier mes progrès, je vais rencontrer mon
enseignant.e aux dates suivantes :
•
1. Date :
Heure :
•
2. Date :
Heure :
•
3. Date :
Heure :
D. Date d'échéance :
E. Date de ma présentation orale :
F. Signatures :
élève :
enseignant.e :
P. 68 – Physique 20, 30 – Instruments de mesure
Grille d'observation : entretiens
Nom de l'élève :
Date
Activité
Commentaires
Physique 20, 30 – Instruments de mesure – P. 69
Auto-évaluation
Projet de recherche
Nom de l'élève :
1. J'ai respecté la date d'échéance
______
2. J'ai respecté les dates d'entretiens
______
3. J'ai inclus avec la copie finale :
° le schéma conceptuel
° les fiches des ressources
° les fiches de notes
______
______
______
A. Recherche
Sur mon schéma conceptuel, j’ai noté :
• les idées clés
• au moins 3 questions pour chaque idée clé
• des questions claires et des réponses précises
______
______
______
Les fiches de mes ressources :
• J'ai rempli au moins 3 fiches
• J'ai noté l'information nécessaire sur chaque fiche
______
______
Mes fiches de notes sont :
• claires et précises
• présentées sous forme de liste
• écrites dans mes propres mots
______
______
______
B. La copie finale
1. Mon projet de recherche a :
• une page de titre
• une table des matières
• une bibliographie
• des cartes
• des illustrations
P. 70 – Physique 20, 30 – Instruments de mesure
______
______
______
______
______
2. Style
• Mon texte a une introduction, un développement et une conclusion
• Chaque paragraphe présente une idée
• J'ai exprimé mes idées de façon concise
• J'ai utilisé le vocabulaire et les expressions présentés dans l'unité
• J'ai vérifié les structures grammaticales étudiées pendant l'unité
• J'ai vérifié l'orthographe
• Mon texte est lisible
______
______
______
______
______
______
______
3. L'originalité
• J'ai écrit dans mes propres mots
• J'ai relié des informations tirées de plusieurs sources
______
______
C. La présentation orale de mon projet de recherche
1. J'ai fait attention à :
• organiser ma présentation de façon logique
• parler clairement et à une vitesse appropriée
• impliquer l'auditoire
______
______
______
2. J'ai fait une présentation intéressante en me servant des supports
suivants :
• illustrations
• musique
• tableaux
• affiches
• diapositives
• effets sonores
• maquette
• invités
• autre
______
______
______
______
______
______
______
______
______
oui = 4
non = 7
Physique 20, 30 – Instruments de mesure – P. 71
Échelle d'appréciation
Projet de recherche
Nom de l'élève :
________________________________
L'élève :
• a respecté la date d'échéance
• a respecté les dates d'entretiens
• a inclus avec la copie finale :
¢ le schéma conceptuel
¢ les fiches des ressources
¢ les fiches de notes
/5
A. Recherche
Le schéma conceptuel contient :
• des idées clés
• au moins 3 questions pour chaque idée clé
• des questions claires et des réponses précises
/20
Les fiches des ressources :
• l'élève a préparé au moins 3 fiches
• l'élève a inclus l'information nécessaire sur chaque fiche
/10
Les fiches de notes sont :
• claires et précises
• présentées sous forme de liste
• écrites dans les mots de l'élève
/15
Total :
P. 72 – Physique 20, 30 – Instruments de mesure
B. La copie finale
1. Le projet de recherche comporte :
• une page de titre
• une table des matières
• une bibliographie
• des cartes
• des illustrations
/5
2. La rédaction
• le texte comporte une introduction, un développement et une
conclusion
• chaque paragraphe présente une idée
• l'élève a exprimé ses idées de façon concise
• l'élève a utilisé le vocabulaire et les expressions présentés dans l'unité
de manière appropriée
• l'élève a utilisé des structures de phrases correctes
• l'élève a vérifié l'orthographe
• le texte est lisible
3. L'originalité
• l'élève a écrit dans ses propres mots
• l'élève a fait une synthèse des informations tirées de plusieurs sources
/20
/5
C. Présentation orale
1. La présentation orale
• est organisée de façon logique
• est claire et précise
• l'élève parle avec un débit convenable
• la voix de l'élève convient à l'auditoire
• l'élève implique l'auditoire
/14
2. L'élève a fait une présentation intéressante en se servant d'au moins 3
des supports suivants :
• illustrations _____
•
diapositives _____
• musique _____
•
effets sonores _____
• tableaux _____
•
maquette _____
• affiches _____
•
invités _____
/6
Total :
/100
Physique 20, 30 – Instruments de mesure – P. 73
Facteurs de l'alphabétisme scientifique
Les listes de contrôle qui suivent peuvent être utilisées de plusieurs façons. Elle peuvent
servir à déterminer, d'une part, les facteurs qui ont été abordés tout au long de l'année et,
d'autre part, s'ils ont été suffisamment approfondis. L’enseignant ou l’enseignante peut
aussi s'en servir quand il se penche sur un sujet particulier. Une fois identifiés les facteurs
qui n'ont pas été abordés, il peut partir de cette information pour faire en sorte que d'ici la
fin du cours tous les facteurs aient été abordés.
Aspect A – Nature de la science
Facteurs
1. publique/privée
2. historique
3. holistique
4. reproductible
5. empirique
6. probabiliste
7. unique
8. expérimentale
9. reliée à l'être humain/à la culture
N.B. Se référer aux annexes de Sciences : Programme cadre dans l'optique du tronc commun où se trouvent les
critères de l'aspect A qu’il est conseillé d'incorporer aux échelles d'évaluation et aux listes de contrôle.
Physique 20, 30 – Instruments de mesure – P. 75
Aspect B
– Concepts scientifiques fondamentaux
Facteurs
1. le changement
2. l'interaction
3. l'ordre
4. l'organisme
5. la perception
6. la symétrie
7. la force
8. la quantification
9. la reproduction des résultats
10. la cause et l'effet
11. la prévisibilité
12. la conservation
13. l'énergie et la matière
14. le cycle
15. le modèle
16. le système
17. le champ
18. la population
19. la probabilité
20. la théorie
21. la justesse
22. les entités fondamentales
23. l'invariance
24. l'échelle
25. le temps et l'espace
26. l'évolution
27. l'amplification
28. l'équilibre
29. le gradient
30. la résonance
31. la signifiance
32. la validation
33. l'entropie
P. 76 – Physique 20, 30 – Instruments de mesure
Aspect C – Procédés d'investigation scientifique
Facteurs
1. la classification
2. la communication
3. l'observation et la description
4. la coopération
5. la mesure
6. la mise en question
7. l'utilisation des nombres
8. la formulation d'hypothèses
9. l'inférence
10. la prédiction
11. le contrôle des variables
12. l'interprétation des données
13. la création de modèles
14. la résolution de problèmes
15. l'analyse
16. l'expérimentation
17. l'utilisation des mathématiques
18. l'utilisation de la relation espace-temps
19. l'obtention d'un consensus
20. la définition opérationnelle
21. la synthèse
N.B. Les enseignants et enseignantes sont encouragés à adapter ce tableau pour créer leurs propres listes de
contrôle, échelles d'évaluation et évaluation de la performance.
Physique 20, 30 – Instruments de mesure – P. 77
Aspect D – Relations science-technologie-société-environnement
Facteurs
1. la science et la technologie
2. le côté humain des scientifiques et des
technologues
3. les effets de la science et de la technologie
4. la science, la technologie et l'environnement
5. le manque de compréhension du public
6. les ressources pour la science et la technologie
7. la variété d'opinion
8. les limites de la science et de la technologie
9. l'influence de la société sur la science et la
technologie
10. le contrôle de la technologie par la société
11. la science, la technologie et les autres
domaines
N.B. Se référer aux annexes de Sciences : Programme cadre dans l'optique du tronc commun où se trouvent
les critères de l'aspect D qu’il est conseillé d'incorporer aux échelles d'évaluation et aux listes de contrôle.
P. 78 – Physique 20, 30 – Instruments de mesure
Aspect E – Habiletés scientifiques et techniques
Facteurs
1. savoir se servir d'instruments grossissants
2. savoir utiliser les environnements naturels
3. savoir utiliser le matériel prudemment
4. savoir utiliser le matériel audiovisuel
5. savoir se servir d'un ordinateur
6. savoir mesurer la distance
7. savoir manipuler les instruments
8. savoir mesurer le temps
9. savoir mesurer le volume
10. savoir mesurer la température
11. savoir mesurer la masse
12. savoir se servir d'instruments électroniques
13. savoir utiliser des relations quantitatives
N.B. Se référer aux annexes de Sciences : Programme cadre dans l'optique du tronc commun où se trouvent les
critères de l'aspect E qu’il est conseillé d'incorporer aux échelles d'évaluation et aux listes de contrôle.
Physique 20, 30 – Instruments de mesure – P. 79
Aspect F – Valeurs qui sous-tendent la science
Facteurs
1. le besoin de savoir et de comprendre
2. la mise en question
3. la recherche des données et de leur signification
4. le respect des environnements naturels
5. le respect de la logique
6. la prise en considération des conséquences
7. le besoin de vérifier
8. la prise en considération des prémisses
Aspect G – Intérêts et attitudes en matière scientifique
Facteurs
1. s'intéresser à la science
2. devenir plus confiant
3. continuer d'étudier
4. préférer les médias scientifiques
5. avoir un passe-temps scientifique
6. préférer les réponses scientifiques
7. envisager une carrière scientifique
8. préférer les explications scientifiques
9. apprécier les contributions scientifiques
N.B. Les enseignants et enseignantes sont encouragés à adapter ce tableau pour créer leurs propres listes de
contrôle, échelles d'évaluation et évaluation de la performance. Les annexes de Sciences : Programme cadre
dans l'optique du tronc commun contiennent les critères reliés aux aspects F et G.
Une autre approche serait : Sur une échelle de 1 à 5, à quel point est-ce que vos champs d’intérêt et vos attitudes
ont changé?
P. 80 – Physique 20, 30 – Instruments de mesure
Planification d’une unité
Planification d’une unité
Ce guide de planification de l'unité vise à proposer
quelques idées sur la manière d'élaborer des unités
pour les programmes de physique 20 et de physique
30. Ce n'est essentiellement qu'une solution
parmi d'autres sur la façon de planifier une unité.
Un grand nombre d'autres méthodes sont tout
autant acceptables. Ce guide ne sous-entend pas que
les enseignants et enseignantes doivent tous
emprunter la même voie. Au contraire, il ouvre des
avenues et donne des conseils à ceux qui souhaitent
élargir le répertoire de leurs techniques de
planification.
Dans l’exemple ci-dessous, nous avons considéré que
le processus de planification se faisait en six étapes.
Et ces étapes ne sont pas nécessairement toutes
disjointes, un certain chevauchement pouvant
exister entre elles.
Étape 1 : Bien connaître le programme
d'études et les documents connexes
Réviser les sections du programme d'études qui
traitent de l'évaluation, du tronc commun et autres
initiatives, des unités obligatoires et facultatives.
Dans la partie sur les unités obligatoires et
facultatives, examiner des aspects tels que les
facteurs de l'alphabétisme scientifique à
développer, certains des objectifs généraux
des sciences et des apprentissages essentiels
communs, les concepts clés, les résultats
d'apprentissage et les enseignements,
activités et démonstrations suggérés.
Vous pourrez trouver des renseignements
importants dans les documents connexes suivants :
Sciences : Programme cadre de sciences dans
l'optique du tronc commun et Sciences : Biologie
20, 30 et Sciences : Chimie 20, 30. D'autres
documents élaborés par le ministère de l'Éducation
de la Saskatchewan pourront être consultés avec
profit pour avoir une description du tronc commun
et de plusieurs autres initiatives qui ont été mises
de l'avant.
Étape 2 : Explorer les ressources qui sont à sa
disposition pour l'enseignement de l'unité
Réviser l'information concernant les ressources
disponibles. Examiner les ressources dans leur sens
large; ne pas se limiter aux seuls documents
imprimés; faire le bilan de tout ce qui s'offre à vous
: articles de laboratoire, matériel audiovisuel,
personnes de la communauté, lieux d'intérêt à
proximité. Se servir d'une diversité de ressources;
consulter l’enseignant ou enseignante-bibliothécaire
et discuter avec lui ou elle des ressources qu'il faut
pour élaborer l'unité.
Cette étape de la planification de l'unité est
importante. Elle doit être prévue bien longtemps
avant l'enseignement proprement dit de l'unité, afin
d’avoir tout le temps pour rassembler les ressources
supplémentaires nécessaires. Au moment de
l'élaboration de l'unité, envisager de procéder selon
une approche pédagogique à base de ressources.
Étape 3 : Incorporer des démarches
pédagogiques différentes
À mesure que la préparation de l'unité prendra
forme, envisager des démarches pédagogiques
variées qui sont axées sur les connaissances
essentielles, les aptitudes, les attitudes et les
valeurs. Le recours à différentes stratégies
d'apprentissage ne peut qu'accroître la motivation
des élèves.
Utiliser une approche basée sur les activités dans
toutes les facettes de l'unité. Développer des
activités intéressantes qui requièrent la
participation active des élèves. Les activités
scientifiques sont pour les élèves une façon
d'apprendre très motivante. C'est la clé du succès
d'un bon programme d'études de sciences. Penser à
inclure des « activités » autres que les
traditionnelles expériences de laboratoire. Les
renseignements fournis au début du présent
programme d'études sont autant de suggestions de
ce qui peut être inclus dans un programme d'études
de science axé sur les activités.
Étape 4 : Élaborer différentes stratégies
d'évaluation acceptables
Les stratégies d'évaluation doivent être acceptables
pour les types de démarches pédagogiques retenues.
En faisant usage de différentes stratégies
d'évaluation, les enseignants et enseignantes
pourront recueillir plus d'informations afin d'étayer
leur évaluation.
Vous trouverez plus de renseignements dans la
section consacrée à l'évaluation, qui commence à la
page 16. D'autres renseignements valables figurent
dans Sciences : Programme cadre de sciences dans
l'optique du tronc commun.
Physique 20, 30 – Planification d’une unité – P. 81
Étape 5 : Analyser l'unité et déterminer
comment incorporer les apprentissages
essentiels communs et les aspects de
l'alphabétisme scientifique
Cette étape du processus de planification de l'unité
exige une discussion détaillée. Si nécessaire, des
parties du plan de l'unité devront être révisées et
consolidées afin de s'assurer que les apprentissages
essentiels communs et les aspects de l'alphabétisme
scientifique sont pris en compte dans le plan.
Il ne faut surtout pas croire que l'on peut sauter
cette étape en espérant que si l'unité a été bien
planifiée, on s'apercevra que les apprentissages
essentiels communs et les facteurs de
l'alphabétisme scientifique à développer ont été pris
en compte comme par enchantement. Si la
planification s'est déroulée ainsi, sans prendre en
considération cette importante étape, il se pourra
que l'unité n'atteigne pas tout le potentiel qu'on est
en droit d'espérer d'une planification intégrant les
apprentissages essentiels communs. En outre, si
certains facteurs de l'alphabétisme scientifique sont
oubliés, il pourrait exister un déséquilibre quant à
l'importance accordée à chacun des sept aspects de
l'alphabétisme scientifique.
Étape 6 : Modifier et réviser l'unité, au
besoin, afin de consolider les étapes 3 à 5
Après l'élaboration de l'unité, l'enseignant ou
l'enseignante devra se pencher sur son travail et
évaluer l'importance accordée à chacune des étapes
3 à 5. Il faudra sans doute choisir des activités
différentes, par exemple dans le but de développer
des facteurs de l'alphabétisme scientifique ou des
apprentissages essentiels communs. Cela pourra
entraîner la révision des approches pédagogiques et
des techniques d'évaluation qui avaient été retenues
dans la section de l'unité qui a été modifiée.
L'unité pourra subir des modifications à la lumière
des besoins particuliers des enseignants et des
enseignantes. Du matériel de perfectionnement
pourra être ajouté. De plus, il y aura peut-être lieu
de prévoir des cours de renforcement et de
rattrapage. La dimension adaptation du programme
d'études est une considération primordiale qui doit
intervenir dès la planification de l'unité.
Cette phase de réflexion doit se poursuivre même
après l'enseignement de l'unité, car il ne faudra pas
hésiter à remanier cette unité afin de corriger
certains problèmes qui seraient apparus. Une
évaluation formative pourra mettre en lumière la
nécessité d'apporter des ajustements à l'unité.
P. 82 – Physique 20, 30 – Planification d’une unité
Les suggestions des élèves au secondaire pourront
aider à améliorer l'unité. Des entrevues ou des
questionnaires distribués aux élèves à la fin de
l'unité permettront de recueillir des renseignements
précieux. L'enseignant ou l'enseignante pourra
mettre à profit ces renseignements, ainsi que toutes
les autres données pertinentes qu'il ou qu'elle aura
obtenues, afin de perfectionner l'unité.
Unité modèle
L'unité modèle que voici se présente comme une
unité intégrée qui aborde un projet d'envergure. Il
faut compter entre quatre et six semaines pour la
mener à bien. Elle couvre plusieurs des concepts
clés et des résultats d’apprentissage des trois
unités obligatoires, et de l'unité facultative VII sur
l'électromagnétisme. L'application d'autres
concepts des unités obligatoires et facultatives
pourra avoir lieu dans d'autres unités intégrées du
même genre.
Les élèves doivent travailler à la conception et à la
construction d'un mécanisme appelé un « Rube
Goldberg », baptisé d'après un dessinateur de
bandes dessinées, aujourd'hui décédé, qui prenait
plaisir à dessiner des inventions mécaniques
inspirées d'un problème simple et à le complexifier à
outrance.
Par exemple, Rube Goldberg a déjà fait un croquis
de ce qu'il croyait pouvoir être le réveille-matin
parfait de l'ère technologique. Quand le Soleil se lève
et brille à travers une fenêtre, les rayons sont
focalisés par une loupe sur un brin de corde. Ce brin
en cassant fait tomber un lourd sac de sable dans
une écope qui bascule en ouvrant un vanne qui
libère une boule de quille qui dévale un plan incliné.
L'extrémité du lit est fixée à la boule en
mouvement, qui, par l'intermédiaire d'un astucieux
système de poulies et de cordes, hisse le lit en
position verticale, poussant ainsi le dormeur
directement dans ses souliers, se trouvant
justement au bon endroit sur le plancher.
La beauté de ce réveille-matin, c'est qu'il n'y a plus
moyen d'étirer de quelques minutes le moment de se
lever, puisque le lit étant à la verticale, il n'y plus
de lit pour se recoucher! Il fallait y penser! Tout
dispositif analogue qui constitue une satire du rôle
de plus en plus envahissant de la technologie dans
nos vies est affectueusement appelé un « Rube
Goldberg » en l'honneur de ce caricaturiste de génie.
Les élèves qui ont déjà visité le West Edmonton
Mall ont pu voir quelques-unes des « sculptures
cinétiques en mouvement perpétuel » que possède ce
centre commercial. Le projet auquel nous convions
les élèves est semblable à ce type de sculptures.
Dans ce projet, le « Rube » que les élèves vont
construire comprend des billes de roulement
métalliques qui descendent un plan incliné. Le
parcours est conçu de telle sorte qu’il comporte des
obstacles : un changement complet du sens du
mouvement de la bille, un circuit fermé complet,
une chute libre d'au moins 2 cm. Ces spécifications
sont fournies aux élèves au moment de l'exposé des
grandes lignes du projet lors de la première leçon.
Le « Rube Goldberg » doit permettre à la bille de
roulement d'être « recyclée », c'est-à-dire ramenée à
son point de départ. Il faut donc prévoir un
assemblage quelconque de moteurs, de poulies,
d'engrenages et de câbles qui attrape la bille au bas
du parcours et la remonte au sommet du dispositif.
Dans cette unité, on emprunte une démarche axée
sur les activités. Les principaux instruments de
mesure employés seront des fiches anecdotiques, des
contrats, des grilles d'observation, des échelles
d'appréciation, des rapports écrits et des projets. Le
projet principal, soit la construction d'un « Rube
Goldberg », est jalonné d'un certain nombre de plus
petits projets. Cette démarche assure que les élèves
reçoivent une rétroaction régulière pendant toute la
progression du projet.
Tout au long de cette unité, on fait appel à une
grande diversité de stratégies d'enseignement clés
comme les démonstrations, les discussions animées
par les élèves, le travail de groupe, l'apprentissage
autonome, les activités de laboratoire et le défisciences. Ces stratégies sont structurées de sorte
que l'élève obtient autant d'information qui lui est
nécessaire à chaque phase du projet. Ensuite, il doit
se saisir de cette information et l'appliquer à la
résolution du problème global.
L'unité développe les apprentissages essentiels
communs que sont la créativité et le raisonnement
critique, l'initiation à la technologie et
l'apprentissage autonome. Il est certain que d'autres
apprentissages pourront être abordés, mais
l'enseignement portera surtout sur les trois
énumérés ci-dessus.
Les élèves seront divisés en groupes de quatre. La
répartition des élèves au sein des groupes sera
dictée par la dynamique de la classe. Les élèves qui
travaillent bien entre eux ou qui peuvent s'entraider
seront regroupés. Il n'est peut-être pas très heureux
de grouper les élèves d'après leur réussite scolaire,
en raison de la nature même de l'exercice. On
pourra constater, par exemple, qu'un élève moins
doué pour les matières académiques s'avère un
rouage important du groupe à cause de certaines
aptitudes, comme l'habileté à construire et à
assembler des choses.
Physique 20, 30 – Planification d’une unité – P. 83
Ceci illustre bien la nécessité de miser sur des
approches pédagogiques différentes, afin que les
élèves mettent en valeur leurs habiletés
particulières. Les élèves qui n'excellent pas dans les
travaux d'écriture peuvent apporter une
contribution essentielle dans un environnement
d'enseignement coopératif.
Dans la première leçon, l'enseignant ou
l'enseignante fait comprendre aux élèves ce qu'on
veut qu'ils apprennent, et il ou elle leur explique la
tâche proprement dite. La feuille de travail no 1 doit
être employée. On y trouve les composantes
obligatoires et facultatives que le projet doit
contenir. En plus de définir la tâche, cette fiche
guide les élèves vers la rédaction d'un contrat pour
leur proposition de conception, qui fait l'objet de la
deuxième leçon. Ainsi, les élèves se font une idée
claire dès le début de la façon dont on les évaluera.
Si les groupes d'élèves n'ont pas encore été formés,
c'est le moment de le faire. Les attentes liées à ce
projet doivent être bien précises. Faire prendre
conscience aux élèves que le travail de groupe
suppose que chaque participant a des devoirs envers
les autres membres du groupe. Chaque personne du
groupe a des talents propres qui pourront être
exploités durant le projet. Il est aussi important de
souligner que les garçons et les filles doivent avoir
des chances égales de participer à toutes les phases
du projet. La finalité d'un travail de groupe est
d'arriver à un résultat qui est supérieur à tout ce
qu'aurait pu réaliser un membre qui aurait
travaillé tout seul. Dans une expérience de travail
en groupe, chaque élève doit pouvoir réaliser qu'il
peut être utile à d'autres membres du groupe.
L'apprentissage devient une entreprise d'entraide.
Dans la deuxième leçon, les élèves soumettent leur
proposition de conception préliminaire. Le résultat
de ce travail doit être un rapport écrit qui comprend
plusieurs parties. Durant la préparation d'une
proposition de conception, le groupe aura à décider
du type de matériel qu'il emploiera dans son projet
et des outils dont il aura besoin. On pourra poser à
ce point-ci une restriction : celle de n'utiliser que du
matériel et des outils bon marché et à portée de la
main. Autant que possible, il faudra que le matériel
utilisé puisse être réutilisable. Les ventes-débarras
sont à cet égard des occasions en or où les élèves
peuvent dénicher toutes sortes de choses pour leurs
projets, comme du fil de cuivre, de vieux appareils
électroménagers qu'ils pourront démanteler afin de
récupérer les moteurs, de vieux tuyaux d’arrosage,
des cintres, des éclairages de Noël.
Dans la deuxième leçon, on donnera comme exercice
de réaliser un schéma détaillé et provisoire. Ce
dessin devra illustrer le concept préliminaire du
produit fini. Ce dessin doit être une première
P. 84 – Physique 20, 30 – Planification d’une unité
approximation de l'aspect du produit une fois
terminé. À mesure que les élèves travailleront à
leur projet, ils ne manqueront pas de découvrir des
lacunes dans leur proposition de conception
préliminaire. Ils devront donc apporter des
corrections à leur dessin. En outre, les élèves
pourront, durant le déroulement du projet, ajouter
des éléments auxquels ils n'avaient pas pensé.
À la suite de ces deux leçons préliminaires, les
élèves se mettront vraiment à la tâche de réaliser
leurs projets. À partir de là, l'enseignant ou
l'enseignante devra se contenter de jouer un rôle de
facilitateur, donnant encouragements et conseils.
Parfois, l'enseignant ou l'enseignante voudra faire
des suggestions aux élèves sur la façon de modifier
certains éléments de leurs « Rube Goldberg » afin de
les améliorer. Cependant, le développement de la
créativité et du raisonnement critique chez les
élèves exige qu'on les laisse le plus souvent seuls
face à leurs projets, sauf si la frustration ou l'ennui
semblent prendre le dessus.
À certains moments pendant le déroulement de
l'unité, l'enseignant ou l'enseignante éprouvera le
besoin de donner une mini-leçon de type plus
magistral afin de développer une aptitude ou
d'expliquer un concept important. Par exemple, on
croit qu'une mini-leçon serait utile pour montrer
aux élèves à se servir correctement d'un fer à
souder. Une autre pourrait aborder certains aspects
théoriques comme le fonctionnement d'un électroaimant ou comment installer un interrupteur à
bascule dans un circuit électrique.
La section suivante donne plus de détails sur les
concepts introduits dans cette unité. On y trouve
des échantillons de fiches de travail et un exemple
des spécifications du projet. On trouve aussi un
modèle de mini-leçon qui peut venir s'insérer dans
le déroulement de l'unité. Enfin, on suggère
quelques exemples d'instruments d'évaluation qui
illustrent de quelles façons les élèves peuvent être
évalués durant cette unité.
Une particularité de cette unité est la façon dont les
élèves sont regroupés. À mesure que progresseront
les projets des élèves, un représentant de chaque
groupe sera appelé à venir faire une présentation
officielle devant un « Comité des brevets » constitué
d'un élève de chacun des groupes et de l'enseignant
ou l'enseignante. Le Comité des brevets a le mandat
d'approuver le projet, ce qui accorde au groupe
requérant le droit de s'en servir. Les présentations
faites devant le Comité des brevets doivent
comprendre une demande de brevet écrite, un
exposé oral et un document de fond qui décrit les
considérations théoriques et pratiques du
fonctionnement de cette invention. Dès qu'un
groupe possède le brevet d'une invention, aucun
autre groupe ne peut s'en servir, sauf si le détenteur
du brevet consent à céder son brevet à un autre
groupe en échange d'un autre brevet. Si un groupe
partage son brevet avec un autre, il doit partager le
prochain brevet avec un groupe différent; ceci afin
d'empêcher deux groupes de faire front commun et
de supplanter les autres groupes.
Les membres du Comité des brevets changent, afin
de donner à tous les élèves de chaque groupe la
possibilité de participer. Le Comité des brevets doit
s’assurer qu'aucun brevet déjà délivré n'a été piraté.
Cette mesure vise à éviter qu'un groupe ne plagie
les idées d'un autre groupe. Ce comité incite les
élèves à produire des. Le Comité des documents
écrits pendant tout le déroulement du projet brevets
a aussi le pouvoir d’examiner de près les
propositions de brevet pour certifier, d'une part, que
les inventions sont sûres, et, d'autre part, que ces
inventions n’ont pas déjà été brevetées. Seules les
inventions peuvent être brevetées. Les concepts et
les idées restent du domaine public. En cas de
litiges, l'enseignant ou l'enseignante ou un délégué
agira comme « avocat en brevets » et déposera un
« avis juridique » sur la question.
À l'occasion, des membres du Comité des brevets
pourront faire devant toute la classe des
présentations orales. Ces types de communication
seront comme des invitations lancées à la classe
pour qu'elle participe à un « congrès sur les
inventions ».
Une fois que les « Rube Goldberg » sont terminés,
chaque groupe fait un exposé oral devant le reste de
la classe et illustre le fonctionnement du mécanisme
en expliquant au passage les concepts physiques
mis en œuvre. Chaque élève d'un même groupe
devra fournir un devoir écrit à cette étape. À
d'autres moments durant le projet, des évaluations
de groupes et individuelles pourront être effectuées,
dans le but de dépister les élèves qui ne participent
pas à ce travail de groupe.
Cette démarche est une façon particulièrement
motivante pour apprendre les concepts et les
habiletés relatives à la physique.
Vue d'ensemble de l'unité
Durant ce projet, les sujets suivants de physique
seront développés :
Unité obligatoire I
C. Distance et déplacement
D. Vitesse
E. Accélération
F. Principes du mouvement de Newton
Unité obligatoire II
A. Travail
B. Puissance
C. Énergie cinétique
D. Énergie potentielle gravitationnelle
Unité obligatoire III
C. Circuits électriques
Unité facultative VII
B. Électromagnétisme
C. Le principe du moteur
Objectifs des apprentissages
essentiels communs
L’élève sera capable de :
•
Se servir de son imagination, de son intuition et
de ses habiletés en vue d'évaluer des idées, des
processus, des expériences et des objets dans des
contextes significatifs (CRC)
•
Développer une vision contemporaine de la
technologie (TEC)
•
Prendre les moyens de garder pour toujours le
goût de continuer à apprendre (AUT)
Les élèves devront être en mesure de mettre en
pratique des concepts de physique assez avancés,
s'ils veulent réussir à faire marcher leurs « Rube
Goldberg ». Cette approche de l'enseignement de la
cinématique, de la dynamique, de l'électricité
s'écarte de la démarche traditionnelle. Par exemple
si des élèves doivent apprendre à raccorder
correctement des moteurs électriques, ils étudient
les circuits électriques, non pas pour les besoins
d'un cours théorique, mais parce qu'ils ont besoin de
ces connaissances pour faire marcher correctement
leurs montages. La conception de cette unité repose
sur l'approche science-technologie-sociétéenvironnement de l'enseignement des sciences.
Physique 20, 30 – Planification d’une unité – P. 85
Facteurs de l'alphabétisme
scientifique à développer
A1
A3
A7
A8
A9
publique/privée
holistique
unique
expérimentale
reliée à l'être humain/à la culture
B2
B7
B10
B13
B14
B15
B16
B29
C2
C4
C6
C14
C16
C19
l'interaction
la force
la cause et l'effet
l'énergie et la matière
le cycle
le modèle
le système
le gradient
la communication
la coopération
la mise en question
la résolution de problèmes
l'expérimentation
l'obtention d'un consensus
D1
D3
D9
la science et la technologie
les effets de la science et de la technologie
l'influence de la société sur la science et la
technologie
E3
E7
savoir utiliser le matériel prudemment
savoir manipuler les instruments
F2
F7
la mise en question
le besoin de vérifier
G1
G2
G3
s'intéresser à la science
devenir plus confiant
continuer d'étudier
° Se montrer capable de déterminer et de
°
°
°
°
°
•
Améliorer son habileté à résoudre des
problèmes en faisant des exercices
répétés
° Résoudre des problèmes concernant le travail,
la puissance et l'énergie
° Résoudre des problèmes concernant les
circuits électriques
° Résoudre des problèmes concernant la
cinématique et la dynamique
•
Faire preuve de minutie et de prudence
dans l’utilisation du matériel
° Reconnaître l'importance de la sécurité lors de
la manipulation d’appareils électriques
° Appliquer les bonnes procédures sécuritaires
lors de la manipulation de matériel électrique
•
Décomposer les problèmes complexes en
éléments plus petits, donc plus faciles à
traiter
° Comprendre la cause et l'effet
° Expliquer les rapports qui existent entre
différentes choses
° Tracer des schémas de circuits électriques
•
Établir un lien entre la science et la
technologie
° Trouver des expériences quotidiennes, des
situations réelles et des applications pratiques
qui mettent en œuvre les principes de la
cinématique
° Donner des exemples, des illustrations ou des
applications des principes du mouvement de
Newton
° Utiliser les principes du mouvement de
Newton pour expliquer des phénomènes
courants
° Indiquer des cas pour lesquels il est
souhaitable d’accroître ou de diminuer
Objectifs généraux et résultats
d'apprentissage
Voici les objectifs généraux et les résultats
d'apprentissage reliés à cette unité modèle. D'autres
résultats d’apprentissage peuvent être visés,
suivant la manière dont chaque groupe
entreprendra les projets. Les objectifs généraux sont
indiqués en caractères gras.
L’élève sera capable de :
•
Montrer sa compréhension de
l'importance d'employer une méthode
systématique, organisée, logique et
structurée dans la résolution de
problèmes en physique
P. 86 – Physique 20, 30 – Planification d’une unité
manipuler diverses relations lors d’une
résolution de problèmes
Interpréter et appliquer correctement des
concepts mathématiques comme les rapports,
les proportions, les pourcentages
Utiliser lors de la résolution de problèmes le
raisonnement inductif et le raisonnement
déductif
Montrer comment il est possible de trouver
les mêmes résultats en empruntant des
techniques de résolution équivalentes
Prendre des risques calculés en s'écartant des
normes et des idées reçues
Appliquer ses aptitudes à diverses tâches
°
°
°
°
l’intensité du frottement entre des surfaces en
contact
Suggérer des exemples pratiques illustrant le
besoin de comprendre en détail l'équilibre des
corps
Donner des exemples qui montrent de quelle
manière l'énergie est transmise d'un objet à
un autre pendant un travail
Donner des exemples dans la nature de
collisions élastiques et inélastiques
galeries d'art pourront accepter d'exposer et même
de vendre de telles œuvres.
Trouver des applications pratiques qui
mettent en œuvre les principes de l'électricité
et du magnétisme
Construire un système mécanique qui soulève des
billes métalliques à une hauteur verticale d'au
moins un mètre. Une fois à la hauteur voulue, les
billes sont libérées sur un plan incliné qui les
ramène au point de départ. Lors de leur trajet, elles
peuvent franchir plusieurs obstacles. Le dispositif
au complet doit être transportable et doit
fonctionner à la fois à partir d'énergie électrique et
d'énergie mécanique.
Leçon 1
Vue d'ensemble de la leçon
Cette première leçon passe en revue le projet. C'est
à cette étape que l'on constitue les groupes. Les
contrats sont rédigés. Les composantes obligatoires
et facultatives des projets sont exposées. On y décrit
aussi le processus de demande d'un brevet. On
distribue aux élèves des formulaires de demande de
brevet, à utiliser durant le projet. Les fiches
d'activité de la leçon 1 peuvent être distribuées aux
élèves.
Pour décrire un « Rube Goldberg », les enseignants
ou enseignantes pourront obtenir un recueil des
dessins de Rube Goldberg au moyen d'un prêt
interbibliothèque.
On recommande quatre élèves par groupe. Les deux
fiches de travail intitulées « Formulaire de demande
de brevet » doivent servir à soumettre les inventions
au Comité des brevets afin d'obtenir une
approbation. La seconde page du formulaire peut
être photocopiée au verso de la première.
Les exemples de formulaires d'évaluation,
reproduits à la fin de cette unité, pourront être
discutés en classe avec les élèves. Tous doivent bien
comprendre quels instruments d'évaluation seront
utilisés et comment les élèves seront évalués durant
ce cours.
Qui « détient » les droits des projets terminés?
Discuter de cette question en classe au tout début et
arriver à un consensus avec les élèves. Les projets
en cours pourront rester à l'école. Ceux terminés
appartiendront à l’ensemble des membres du groupe
ou pourront être démantelés et mis au rancart. Le
démantèlement des meilleurs projets serait
vraiment dommage. Une « sculpture cinétique à
mouvement perpétuel » peut valoir des milliers de
dollars aux yeux d’un collectionneur. Certaines
Description du projet
En groupe de quatre, les élèves doivent dessiner et
construire un « Rube Goldberg ». On doit trouver
dans ce projet plusieurs éléments de conception
obligatoires. On pourra aussi y inclure des
éléments facultatifs.
Éléments de conception obligatoires
Un moteur électrique doit servir à soulever les billes
verticalement. Un système d'engrenages ou de
poulies qui économise l'énergie mécanique
nécessaire doit être utilisé pour soulever la bille.
Pendant que la bille descend, elle doit :
• s'arrêter complètement et repartir en sens
inverse;
• effectuer au moins un circuit vertical complet;
• effectuer une révolution complète de 360o dans
un plan horizontal;
• tomber en chute libre sur au moins 2 cm;
• fermer un circuit électrique qui actionne une
sonnerie;
• fermer un circuit qui allume une ampoule
électrique;
• interagir avec un électro-aimant.
Exploiter les caractéristiques physiques de la bille
métallique dans votre projet. Une telle bille possède
une certaine masse, conduit l'électricité et est
attirée par un aimant. Tel est l’ensemble de
caractéristiques que vous pouvez mettre à profit.
Éléments de conception facultatifs
Voici quelques suggestions :
• recourir à des interrupteurs spéciaux qui
ouvrent et ferment des circuits électriques au
moment où la bille passe à leur niveau dans le
chemin de roulement;
• laisser la bille tomber et rebondir ou s'engager
dans un autre trajet;
Physique 20, 30 – Planification d’une unité – P. 87
•
•
stocker les billes dans un réservoir, et quand
leur poids excède un seuil préétabli, les billes
sont libérées du réservoir;
insérer un dispositif d'aiguillage qui permet aux
billes d'emprunter différents trajets.
Seuls des objets bon marché et faciles à se procurer
sont permis dans le projet. Toutes les inventions
doivent être approuvées et « brevetées » par un
Comité des brevets, où siègent l'enseignant ou
l'enseignante et un membre de chacun des groupes.
P. 88 – Physique 20, 30 – Planification d’une unité
Formulaire de demande de brevet
Date :_____________________________ Numéro du groupe : ________ Numéro de brevet : _______________
Membres du groupe : _____________________________
_____________________________
___________________________
___________________________
Schéma de l'invention
Formulaire de demande de brevet
Description de l'invention
À l'usage du Comité des brevets
Brevet accordé
o oui
o non
Brevet cédé au groupe no
Membres du Comité des brevets :
___________________________
___________________________
___________________________
___________________________
Physique 20, 30 – Planification d’une unité – P. 89
Leçon 2
Dès que les élèves ont bien saisi la nature du projet,
chaque groupe doit élaborer des plans de conception
préliminaires qui représentent le projet à la fin de
sa réalisation. La feuille de travail intitulée
« Proposition de conception de projet » peut servir à
cet effet. La proposition de conception doit
comprendre un croquis du projet, illustrant l'unité
complète assemblée. Des croquis plus détaillés
pourront représenter le moteur et le mécanisme
employés pour soulever les billes, ainsi que tout
élément facultatif. Dès que le groupe aura élaboré la
conception préliminaire de son projet sur la feuille
de travail « Proposition de conception de projet », il
demandera des exemplaires du Formulaire de
demande de brevet pour les inventions qu'il fera
tout au long de l'accomplissement de son projet.
La « Proposition de conception de projet » doit
mentionner explicitement le matériel et les outils
dont se serviront les élèves. L'enseignant ou
l'enseignante devra examiner ces listes avec soin
afin de s'assurer que les élèves respectent les
conditions posées : seulement du matériel disponible
et bon marché. Certains outils électriques pourront
être nécessaires comme un
fer à souder électrique, une perceuse électrique
portative. Il faudra veiller à ce que les élèves
n'utilisent aucun outil pouvant présenter des
risques. Si les élèves apportent des outils de chez
eux, il faudra les inspecter avant d'autoriser leur
emploi. Des mini-leçons pourront être intercalées
durant le projet pour montrer comment se servir de
ces outils. Des mesures de sécurité devront être
suivies scrupuleusement pendant que les élèves
construisent leur projet.
Les élèves doivent savoir que le brevet est délivré au
groupe dont la demande de brevet aura été acceptée
en premier, et cela quel que soit celui qui a eu l'idée.
Parfois un inventeur ne protège pas son invention
par une demande de brevet et se fait supplanter par
un autre qui, ayant eu la même idée plus tard, voit
sa demande de brevet acceptée.
Le Comité des brevets a le mandat d'arbitrer les
différends au sujet des réclamations de brevet. Si le
comité ne parvient pas à trouver de compromis au
sujet d'une controverse, il pourra décider d’avoir
recours à la médiation. L'enseignant ou
l'enseignante, qui est membre permanent du
comité, pourra agir à titre de médiateur.
P. 90 – Physique 20, 30 – Planification d’une unité
Proposition de conception de projet
Date :
Page 1
Numéro du groupe :
Membres du groupe
___________________________________
_
_____________________________________
___________________________________
_
___________________________________
__
---------------Schéma du « Rube Goldberg »
Physique 20, 30 – Planification d’une unité – P. 91
Proposition de conception de projet
Schéma détaillé du moteur et du mécanisme de levage
P. 92 – Physique 20, 30 – Planification d’une unité
Page 2
Proposition de conception de projet
Page 3
Utiliser seulement du matériel facile à obtenir et bon marché. Le coût total consacré à l'achat de pièces ne doit
pas excéder
$.
Liste du matériel employé pour la réalisation de ce projet :
Tous les outils nécessaires à cette réalisation doivent être approuvés par l'enseignant ou l'enseignante. Les
membres du groupe doivent faire la preuve à l'enseignant ou l'enseignante qu'ils savent utiliser ces outils.
Liste des outils nécessaires à la réalisation de ce projet :
Physique 20, 30 – Planification d’une unité – P. 93
Proposition de conception de projet
Page 4
Description écrite du projet. Indiquer tous les éléments spéciaux ou montages qui seront inclus.
N.B. Toutes les inventions ou les innovations uniques du projet doivent être protégées par un brevet. Employer
un Formulaire de demande de brevet pour chaque brevet que vous déposerez devant le Comité des brevets.
Si vous ne brevetez pas vos idées et qu'un autre groupe a la même idée par la suite et qu'il la protège par un
brevet, c'est ce groupe qui possédera les droits de propriété du brevet et qui pourra vous interdire d'utiliser
« son » idée!
Au besoin, utiliser des feuilles supplémentaires pour compléter la proposition de conception de projet.
P. 94 – Physique 20, 30 – Planification d’une unité
Exemples d'instruments d'évaluation
Vous trouverez à la fin de cette unité modèle des
exemples d'instruments d'évaluation qui serviront
tout au long de ce projet. Remarquer le grand
nombre de méthodes d'évaluation utilisées. Sciences
: Programme cadre dans l'optique du tronc
commun propose d'autres instruments d’évaluation
et une description sur la façon de s'en servir.
Dès que la phase de conception est terminée, les
groupes commencent à travailler sur leur projet. Le
Comité des brevets se réunit régulièrement afin
d'examiner les brevets qu'on lui soumet. Au début,
le Comité des brevets devra revoir toutes les
propositions de conception de projet et les Formules
de demande de brevet d'accompagnement. La page 2
de la « Proposition de conception de projet » et les
grandes lignes du moteur et du mécanisme devront
être examinées attentivement. Si le Comité des
brevets constate des problèmes au sujet de la
proposition ou relève des dangers, la conception
pourra être modifiée. Le membre du groupe qui
siège au comité informera les autres membres de
son groupe des changements qu'ils devront apporter
au projet.
Les groupes devront alors imaginer de nouvelles
solutions plus appropriées. Les formulaires
« Proposition de conception de projet » utilisées à la
leçon 2 devront être révisés, notamment si de
nouveaux outils ou matériaux sont nécessaires.
Parfois, un groupe peut faire breveter une invention
géniale. Le Comité des brevets peut recommander
que le groupe prépare un exposé oral pour la classe
au sujet de cette invention. Une fois que le groupe
aura construit son dispositif, la classe pourra tenir
un « congrès des inventions ». Les inventions
particulièrement réussies seront décrites en détail.
Les exposés oraux des élèves doivent faire état de
toute l'information théorique de base qui aide à
mieux décrire l'invention.
Les « Rube Goldberg » pourront être peints et
décorés afin de les rendre plus attrayants. Les
projets pourront être exposés, s'il y a des vitrines
d'exposition dans l’école. Les rencontres parentsenseignants, les journées portes ouvertes et les
activités spéciales constituent d'excellentes
occasions de montrer à tous ces réalisations.
Physique 20, 30 – Planification d’une unité – P. 95
Feuille d'auto-évaluation de l'élève — Participation du groupe
Date :
Numéro du groupe :
Nom :
Peu
satisfait.e
Moyennement
satisfait.e
Extrêmement
satisfait.e
1. Que penses-tu de la façon dont le groupe a
travaillé ensemble?
1
2
3
4
5
2. Es-tu satisfait.e du partage des
responsabilités qui s'est fait entre chacun
des membres du groupe?
1
2
3
4
5
3. Es-tu satisfait.e du leadership assuré par les
autres membres du groupe?
1
2
3
4
5
4. Es-tu satisfait.e de la façon dont les autres
membres du groupe ont évalué tes idées?
1
2
3
4
5
5. Es-tu satisfait.e de la façon dont les autres
membres du groupe ont respecté tes idées?
1
2
3
4
5
6. As-tu pu t’exprimer souvent et librement au
sein du groupe?
1
2
3
4
5
7. Dans quelle mesure as-tu aidé le groupe à
atteindre les buts fixés?
1
2
3
4
5
8. Es-tu satisfait.e de la façon dont le groupe a
essayé de résoudre les difficultés qui sont
survenues?
1
2
3
4
5
P. 96 – Physique 20, 30 – Planification d’une unité
Auto-évaluation de l'élève — Participation au groupe
Date :
Numéro du groupe :
Nom :
Réponds à chaque question. Tes réponses aideront l'enseignant ou l'enseignante à voir ce que tu as appris en
travaillant avec les autres.
1) Qu'as-tu appris sur toi en travaillant en groupe?
2) Comment le fait de travailler en groupe a-t-il modifié ta façon d'évaluer ce que tu as appris?
3) Quelle est ton impression générale de la démarche d'apprentissage en groupe?
Physique 20, 30 – Planification d’une unité – P. 97
Liste de contrôle de participation à l'activité
À remplir par l'élève ou l'enseignant.e
Date :
Numéro du groupe :
Nom :
Tâche
Critère
Sécurité
Utilise des méthodes
sûres et suit les
mesures de sécurité
o
o
o
Utilise une marche à
suivre acceptable pour
l'activité
o
o
o
Aide à rassembler
l'équipement et le
matériel
o
o
o
Aide à démonter et à
nettoyer le matériel
après l’activité
o
o
o
Travaille avec les outils
en respectant le mode
d'emploi
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Marche à suivre
Préparation
Nettoyage
Outils
Participation
Coopération
Comités des brevets
Contribution
Participe activement au
projet
Travaille en
collaboration avec les
autres
Participe aux réunions
du Comité des brevets
Apporte une
contribution importante
au projet
P. 98 – Physique 20, 30 – Planification d’une unité
Insatisfaisant Bien Excellent
Rapport d’étape du projet
Date :
Numéro du groupe :
Nom :
Rarement
Souvent
Toujours
1. Les tâches sont réparties équitablement entre les
membres.
m••••m••••m••••m••••m
2. Il y a dans le groupe un esprit d'entraide et de
soutien.
m••••m••••m••••m••••m
3. Le travail progresse selon un plan précis.
m••••m••••m••••m••••m
4. Les règles et mesures de sécurité sont respectées.
m••••m••••m••••m••••m
5. Le groupe ne perd pas de temps.
m••••m••••m••••m••••m
6. Les échéances sont respectées.
m••••m••••m••••m••••m
Autres considérations :
7.
_____________________________________________
_
8.
______________________________________________
9.
_____________________________________________
_
m••••m••••m••••m••••m
m••••m••••m••••m••••m
m••••m••••m••••m••••m
10.
_____________________________________________
m••••m••••m••••m••••m
11._____________________________________________
_
m••••m••••m••••m••••m
12.
_____________________________________________
m••••m••••m••••m••••m
Physique 20, 30 – Planification d’une unité – P. 99
13.
_____________________________________________
P. 100 – Physique 20, 30 – Planification d’une unité
m••••m••••m••••m••••m
Liste de contrôle pour la demande de brevet
Date :
Numéro du groupe :
Nom :
Un crochet (ü) indique que le sujet est bien traité. Un « x » indique qu'il y a encore place à amélioration.
1. Le schéma figurant sur le Formulaire de demande de brevet est clair et bien
présenté.
2. La description faite sur le Formulaire de demande de brevet est bien rédigée,
dans un style convenable et grammaticalement correct.
3. Le dispositif est une invention originale qu'aucun autre groupe n'a déjà fait
breveter.
4. Les problèmes de sécurité potentiels ont été pris en considération.
_____________
_
_____________
_
_____________
_
_____________
_
5. Le dispositif est réalisé en utilisant exclusivement du matériel bon marché.
_____________
_
6. L'emploi d'outils spéciaux pour réaliser le dispositif a été considéré.
_____________
_
7. Les principes de physique exploités par l'invention ont été bien compris.
_____________
_
Autres considérations :
_______________________________________________
_____________
_
_______________________________________________
_____________
_
_______________________________________________
_____________
_
_______________________________________________
_____________
_
Physique 20, 30 – Planification d’une unité – P. 101
Formulaire d'évaluation de projet1
Nom : ____________________________ Numéro du groupe :_________ Date : ___________________________
Une échelle de notation allant de 1 à 6 sert à évaluer chaque catégorie indiquée. L'enseignant ou l'enseignante
t’expliquera comment interpréter les notes indiquées sur l'échelle. Tu trouveras au bas de la page des remarques
plus générales.
A. Organisation
1
+-----+-----+-----+-----+-----+
B. Présentation
+-----+-----+-----+-----+-----+
C. Projet complètement terminé
+-----+-----+-----+-----+-----+
D. Éléments de conception obligatoires
+-----+-----+-----+-----+-----+
E. Éléments de conception facultatifs
+-----+-----+-----+-----+-----+
F. Autres considérations
+-----+-----+-----+-----+-----+
+-----+-----+-----+-----+-----+
Remarques :
Note globale :
+-----+-----+-----+-----+-----+
1. À utiliser par l’enseignant.e pour évaluer l’élève ou un groupe d’élèves.
P. 102 – Physique 20, 30 – Planification d’une unité
6
Liste de contrôle pour l'évaluation du projet — Éléments de
conception
Date : ______________
Membres du groupe :
______________
______________
______________
______________
Éléments de conception obligatoires
Note
La bille :
•
s'arrête complètement et repart en sens inverse
_____________
_
•
effectue au moins un circuit vertical complet
_____________
_
•
effectue une révolution complète de 360o dans un plan horizontal
•
tombe en chute libre sur au moins 2 cm
•
ferme un circuit électrique qui actionne une sonnerie
_____________
_
_____________
_
_____________
_
•
allume une ampoule électrique
_____________
_
•
interagit avec un électro-aimant
_____________
_
•
interagit avec un système d'engrenages ou de poulies qui économise l'énergie
mécanique
_____________
_
•
exécute un cycle complet et est soulevée d'au moins 1 mètre par un moteur
électrique
_____________
_
Éléments de conception facultatifs inclus
____________________________________________________________________
___
_____________
_
____________________________________________________________________
___
_____________
_
____________________________________________________________________
___
_____________
_
Note globale
_____________
_
Physique 20, 30 – Planification d’une unité – P. 103
Mini-leçon modèle
Description
Matériel nécessaire
Dans cette mini-leçon, l'enseignant ou l'enseignante
a monté un exemple de circuit électrique qui illustre
comment incorporer un des éléments de conception
obligatoire. (On fera une demande de brevet en
remplissant le formulaire approprié. Les élèves
pourront s’inspirer de la leçon, mais ne pourront se
servir exactement du même circuit pour leurs
projets. Les modifications devront être revues par le
Comité des brevets afin d'évaluer si ces
modifications justifient l'attribution d’un brevet.)
•
•
Apprentissages essentiels communs
développés dans cette leçon
•
•
•
•
•
Feuille de travail intitulée « Sur la bonne voie »
Piles de jouet de 6 V ou alimentations
électriques
Fils isolés et connecteurs de bornes
Sonnerie ou bruiteur électrique
Billes de roulement (d’un diamètre d’au moins 1
cm)
Deux sections d'un mètre de tuyau d’arrosage
(ou d'un autre article) qui constitueront un
tronçon du parcours qu'emprunteront les billes
Ampoule de torche électrique et support
Marche à suivre
•
Se servir de son imagination, de son intuition et
de ses habiletés en vue d'évaluer des idées, des
processus, des expériences et des objets dans des
contextes significatifs (CRC)
Distribuer la feuille de travail « Sur la bonne voie »
et le matériel dont les élèves auront besoin pour
construire le tronçon du parcours et le circuit qui y
est associé.
•
Développer une vision contemporaine de la
technologie (TEC)
Demander aux élèves de travailler avec leur groupe
pour assembler le parcours et le circuit.
Résultats d'apprentissage
•
Décomposer des problèmes complexes en
éléments plus petits, donc plus faciles à traiter
•
Améliorer son habileté à résoudre des problèmes
en faisant des exercices répétés
•
Résoudre des problèmes touchant le courant
électrique
•
Faire preuve de minutie et de prudence dans
l'utilisation du matériel
•
Reconnaître l'importance de la sécurité lors de
la manipulation d’appareils électriques
Méthodes d'enseignement
•
•
•
•
•
Enquête
Discussion réfléchie
Groupes d'apprentissage coopératif
Activité de laboratoire
Défi-sciences
P. 104 – Physique 20, 30 – Planification d’une unité
Quand le circuit est terminé, demander aux élèves
d'apporter les variations suggérées dans le
paragraphe « Expériences complémentaires » de la
feuille de travail « Sur la bonne voie ». Faire suivre
par une discussion et un « congrès des inventions »
dans lesquels les groupes feront de brefs exposés
devant la classe pour expliquer leur circuit. Le
Comité des brevets devrait se réunir pour revoir
tous les nouveaux formulaires de demande de
brevet, pendant que les groupes se chargent de
nettoyer et de ranger le matériel.
Feuille de travail — Sur la bonne voie
Matériel nécessaire
•
•
•
•
•
•
Piles de jouet de 6 V ou alimentation électrique
Fils isolés et connecteurs de bornes
Sonnerie ou bruiteur électrique
Billes de roulement (d’un diamètre d’au moins 1
cm)
Deux sections d'un mètre de tuyau d’arrosage
(ou d'un autre article) qui constitueront un
tronçon du parcours qu'emprunteront les billes
Ampoule de torche électrique et support
Instructions
fonctionne bien. Mettre en application les
suggestions contenues dans le paragraphe
« Expériences complémentaires. » (Soyez prêts à
faire breveter toute nouvelle idée que vous pourriez
avoir.)
Montrer le câblage à l'enseignant ou à l'enseignante
avant de faire les branchements sur les piles ou sur
l'alimentation. Ne pas toucher les sections « sous
tension » du circuit après que la source d'électricité
a été connectée.
Le schéma ci-dessous illustre un circuit électrique.
Les lignes noires épaisses représentent un tronçon
du trajet « sous tension ». Quand la bille de métal
roule sur ce tronçon, une sonnerie se met en
marche.
Expériences complémentaires
Avec le matériel distribué à votre groupe, construire
le tronçon et le circuit. Faire rouler la bille sur le
circuit afin de vérifier si tout
•
•
•
•
•
Modifier le circuit afin de changer la durée du
son émis par le bruiteur.
Concevoir une méthode différente pour activer
et désactiver la sonnerie.
Changer le circuit afin de déclencher la sonnerie
deux fois pendant que la bille roule.
Faire en sorte que la sonnerie et l'ampoule se
mettent en marche en même temps.
Voir si la sonnerie et l'ampoule ne pourraient
pas s'allumer à des moments différents.
Schéma du circuit
Physique 20, 30 – Planification d’une unité – P. 105
Unités obligatoires et unités facultatives du
programme d’études de Physique 20, 30
Physique 20
Physique 30
Unités obligatoires
Unités obligatoires
I.
II. Le
III.
IV.
I.
II.
III.
IV.
La physique du quotidien
mouvement ondulatoire
La lumière
La chaleur
La cinématique et la dynamique
L’énergie mécanique
L’électricité
La physique nucléaire
Unités facultatives
Unités facultatives
Une unité au choix :
V. Le son
VI.
L’optique
Une unité au choix :
V.
Applications de la cinématique et de la
dynamique
VI.
La mécanique des fluides
VII. L’électromagnétisme
VIII. La physique
Physique 20
Physique 20
Unités obligatoires
Unités facultatives (Une des unités
suivantes au choix)
Unité I : La physique du quotidien
(15 heures)
A.
Introduction à la physique
B.
Découverte de la physique
C.
Mesure et analyse des données
Unité II : Le mouvement ondulatoire
(15 heures)
A.
Propriétés des ondes
1. Terminologie des ondes
2. Équation d'onde universelle
3. Principe de superposition
B.
Phénomènes ondulatoires
1. Propagation, réflexion et réfraction
2. Diffraction et autres phénomènes
ondulatoires
Unité V : Le son
A.
Applications
1. L'oreille humaine
2. Autres applications
B.
Propagation du son
1. Production du son
2. Vitesse du son
C.
Caractéristiques du son
1. Intensité
2. Hauteur
3. L'effet Doppler
4. Harmoniques, résonance et interférence
Unité VI : L’optique
A.
Applications
1. La vision humaine
2. Autres applications
Unité III : La lumière (25 heures)
B.
Lentilles
A.
Caractéristiques de la lumière
1. Sources lumineuses et propagation de la lumière
2. Vitesse de la lumière
C.
Optique physique
1. Phénomènes importants
2. Rayonnement électromagnétique
3. Couleurs
B.
Réflexion
1. Lois de la réflexion
2. Miroirs plans
3. Miroirs courbés
C.
Réfraction
1. Loi de Snell-Descartes
2. Réflexion totale interne
Unité IV : La chaleur (15 heures)
A.
Chaleur et température
B.
Chaleur spécifique et chaleur latente
C.
Thermodynamique
Unité obligatoire I : La physique du quotidien
Vue d'ensemble de l'unité
« Qu'est-ce que la physique? Quels genres de choses
enseigne-t-on? J'espère que ce n'est pas trop difficile,
comme me l'ont dit mes amis! Je suis craintif! Je
n'ai jamais été très bon en maths! Ce sont mes
parents qui veulent que je suive ce cours, mais je ne
sais pas pourquoi. Est-ce que ce cours est obligatoire
pour que je puisse poser ma candidature à certains
programmes universitaires? »
Voilà des commentaires bien typiques de ce que l'on
entend des élèves quand ils et elles abordent le
programme d'études de la physique au secondaire.
Leurs craintes et leurs incertitudes transparaissent
dans ces remarques. Une introduction à la physique
doit donc viser à faire comprendre aux élèves la
nature de la physique et son importance. Les élèves
doivent aussi être sensibilisés au fait que beaucoup
de choses qu'ils et elles considèrent comme des
« évidences » font appel à leur connaissance
implicite de phénomènes physiques. Finalement, les
élèves doivent être initiés à la physique doucement,
en misant sur une approche « sans douleur ». En
étudiant la physique dans la vie de tous les jours,
les élèves vont finir par se rendre compte qu’elle est
omniprésente et se convaincront qu’elle est
importante, essentielle et amusante.
« Après mes premières leçons de physique, je me
suis aperçu que la physique était vraiment très
intéressante! Jamais je n'aurais imaginé que ce
pouvait être aussi amusant! J'ai appris beaucoup
dans ce cours. La physique est présente partout,
tout le temps! »
N.B. Cette unité et les autres unités obligatoires
peuvent être développées individuellement ou bien
être fusionnées à d'autres unités obligatoires ou
facultatives.
Facteurs de l'alphabétisme
scientifique à développer
A1
A3
A7
A9
publique/privée
holistique
unique
reliée à l'être humain/à la culture
C13 la création de modèles
C15 l'analyse
C16 l'expérimentation
D1
D3
D4
D9
la science et la technologie
les effets de la science et de la technologie
la science, la technologie et l'environnement
l'influence de la société sur la science et la
technologie
D10 le contrôle de la technologie par la société
E2
E3
E7
savoir utiliser les environnements naturels
savoir utiliser le matériel prudemment
savoir manipuler les instruments
F1
F2
le besoin de savoir et de comprendre
la mise en question
G1
G2
G3
s'intéresser à la science
devenir plus confiant
continuer d'étudier
Objectifs généraux de la physique et
objectifs des apprentissages
essentiels communs
L’élève sera capable de :
•
Reconnaître l'interrelation entre tous les objets
•
Rechercher une organisation ou des relations
dans les données expérimentales
•
Exploiter une large gamme de possibilités afin
d'accroître sa connaissance des principaux
concepts de physique (COM)
•
Se servir de son imagination, de son intuition et
de ses habiletés en vue d'évaluer des idées, des
processus, des expériences et des objets dans des
contextes significatifs (CRC)
•
Développer une vision contemporaine de la
technologie (TEC)
•
Accéder à l'information (AUT)
B2 l'interaction
B10 la cause et l'effet
B15 le modèle
C2
C3
C4
C6
C12
la communication
l'observation et la description
la coopération
la mise en question
l'interprétation des données
Physique 20 – La physique du quotidien : Introduction à la physique – P. 111
A. Introduction à la physique
•
Donner un exemple de situation dans laquelle
une personne qui étudie la physique pourrait
avoir besoin de connaissances traitées dans
d'autres domaines scientifiques
•
Montrer que l'observation est un élément
essentiel de la science
•
Réaliser qu'en science, il y a toujours de
nouvelles choses à apprendre
•
Souligner que toutes les explications fournies
par la science sont provisoires
Concepts clés
La physique étudie les phénomènes naturels. Elle
fait une description du monde, qui est unique et
intrinsèquement cohérente.
Des sujets comme la mécanique, la chaleur, le
comportement des ondes, l'électricité et le
magnétisme et la physique des particules
élémentaires sont autant d'aspects importants
étudiés par la physique.
Diverses raisons expliquent l'apparition de
disciplines dans les sciences. Les scientifiques
consacrent leurs travaux à des sujets précis. Les
universités et la communauté scientifique reconnue
ont mis sur pied des institutions compartimentées.
Mais tout est interrelié. Les distinctions et la
fragmentation des grandes branches de la science
sont souvent arbitraires et aboutissent à des vases
clos. Des sous-domaines à l'intérieur des disciplines
(p. ex. biophysique, géophysique, etc.) se sont
développés afin d'examiner certains sujets au moyen
de méthodes différentes.
L'observation est un élément essentiel de la science.
En observant le monde autour de nous, des
questions fondamentales surgissent. Celles-ci
peuvent mener à l'expérimentation, qui elle-même,
en affinant les observations, déclenche une nouvelle
vague d'interrogations.
La physique est un voyage sans fin vers l'inconnu.
Il y a toujours de nouvelles choses à apprendre.
Aucune explication fournie par la science n'est
entièrement certaine. Tout est provisoire.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Répondre à la question : « Qu'est-ce que la
physique? »
•
Indiquer certains sujets souvent étudiés par la
physique
•
Reconnaître que la science est subdivisée en
plusieurs disciplines
•
Donner quelques raisons pour lesquelles il y a
des disciplines en science
P. 112 – Physique 20 – La physique du quotidien
Enseignements, activités et
démonstrations suggérés
1.
Élaborer une carte des concepts illustrant
l'interaction entre les différentes disciplines.
B. Découverte de la physique
de la classe et gagnera les élèves au plaisir de
la physique. Rien n'est plus décourageant que
de voir les élèves abandonner le cours après
les premières semaines, parce qu'ils ou elles
trouvent que la physique, c'est « trop difficile »
ou « trop ennuyant ». Convaincre les élèves
que la physique est une matière amusante.
Concepts clés
De nombreux objets à la maison et ailleurs mettent
en application des phénomènes physiques. La
physique est partout.
Ne pas avoir peur de prendre des risques
calculés. Élargir sa palette d'aides
pédagogiques en tentant régulièrement de
nouvelles choses. Certaines tentatives seront
réussies, d'autres non. Garder ce qui a bien
fonctionné et poursuivre sa quête.
L’enseignement ne peut que s'améliorer avec
le temps.
Il est très intéressant de comprendre les principes
physiques qui sous-tendent le fonctionnement de nos
objets familiers. C'est une recherche motivante en
soi et profitable.
En appliquant les principes de physique, on peut
parvenir à résoudre certains types de problèmes qui
surviennent à la maison ou ailleurs.
Faire des calembours et des farces durant les
cours. Tirer avantage des événements
spéciaux et s’impliquer activement comme
motivateur de l'esprit de l'école. Par exemple,
lors de la « journée costumée », porter des
vêtements extravagants. Convaincre les élèves
que vous êtes une personne comme les autres.
Rire avec eux. Certains conserveront cette
image plutôt que celle d'un enseignant ou
d'une enseignante. Décorer la salle de cours.
Utiliser des accessoires. Accrocher une
mascotte dans la classe. Laisser les élèves
maquiller votre sarrau s'ils vous le
demandent.
En examinant certains articles que l'on trouve à la
maison ou ailleurs, il est possible d'explorer
quelques principes de physique.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Se rendre compte qu'on assiste partout autour
de soi à des manifestations de la physique
•
Faire preuve d'enthousiasme dans l'étude de
la physique
•
Discerner dans le fonctionnement des objets
courants les principes essentiels de la
physique
•
Manipuler des objets réels que l'on trouve à la
maison ou ailleurs
•
Démonter et remonter un grand nombre
d'objets d'usage courant afin de découvrir
comment ils fonctionnent
•
Mettre en pratique d'importants principes de
physique afin de résoudre des problèmes
habituels qui surviennent à la maison ou
ailleurs
Enseignements, activités et
démonstrations suggérés
1.
La première impression est primordiale. Le
premier jour de classe, éviter le plus possible
la manipulation de livres, la distribution de
formulaires ou la paperasserie administrative.
Commencer le cours par une démonstration
intéressante, par l'exposé d'un dilemme ou par
une expérience cocasse qui suscitera l'intérêt
Les enseignants et enseignantes peuvent
parvenir assez facilement à convaincre les
élèves que la physique est amusante. Pour
cela, il suffit de leur montrer une personne
heureuse de se trouver en classe avec eux.
Une partie de cette jovialité déteindra sur eux.
2.
Assigner les élèves à des groupes de travail.
Demander à chaque groupe d'apporter divers
objets de la maison (ou d'ailleurs), objets qui
sont reliés aux principes de physique. Ces
objets pourront être classés d'après les
principes que la physique tente d'examiner (p.
ex. mécanique, chaleur, comportement
ondulatoire, électricité et magnétisme). Selon
la décision de l'enseignant ou de l'enseignante
et des élèves, chaque groupe se consacrera à
une ou à différentes classes d'objets. Comme
exemples d'objets que les élèves peuvent
apporter en classe, mentionnons des
ustensiles de cuisine et des outils de
construction qui illustrent des mécanismes
simples et complexes, des appareils
électriques qui servent à expliquer les
importants principes de l'électricité et du
magnétisme, des appareils de chauffage et des
matériaux isolants, des dispositifs émettant
Physique 20 – La physique du quotidien – P. 113
des sons, des instruments de musique, divers
types de sources lumineuses, de l'équipement
électronique.
Plusieurs activités et projets sont
envisageables à partir de ces objets. Les élèves
pourront chercher à expliquer les grands
principes physiques qui permettent à ces
objets de fonctionner. Il est possible de
constituer des groupes indépendants de
recherche et d'enquête qui seront chargés de
trouver des réponses aux intéressantes
questions qui pourraient surgir.
Des projets de groupe, élaborés de manière à
énoncer et à répondre à des questions
spécifiques sur des appareils, devraient être
mis de l'avant. Les élèves devraient pouvoir
soulever d'intéressantes questions (p. ex.
quelle marque d'ampoule incandescente de 100
W émet la lumière la plus brillante, ou la
lumière la plus « satinée », dure le plus
longtemps, est la plus « résistante », la plus
économique, la plus efficace? Quels principes
de physique sont mis en application dans une
« brochette » d'ustensiles de cuisine?
Comment fonctionne un aspirateur?)
Dès qu'une marche à suivre pour
l'investigation des objets courants aura été
établie, tout le cours pourra graviter autour de
la recherche des explications de nature
physique qui sous-tendent nos objets
quotidiens. Il y aura lieu d'intégrer des sujets,
particulièrement dans le cas d'appareils qui
exploitent plusieurs importants principes de
physique. Des méthodes parallèles
d'évaluation du travail du groupe pourront
être mises de l'avant. On encourage
l’enseignant ou l’enseignante à prendre des
risques calculés à tout moment du cours et à
expérimenter des approches pédagogiques et
des techniques d'évaluation innovatrices.
Cette unité convient particulièrement bien à
un traitement des rapports entre la science, la
société et la technologie. Le début du présent
document mentionne quelques suggestions sur
la manière d'ordonner et d'intégrer cette unité
aux unités obligatoires et aux unités
facultatives.
P. 114 – Physique 20 – La physique du quotidien
C. Mesure et analyse des
données
Concepts clés
Un accord international sur le système d'unités de
mesure est essentiel afin de pouvoir mesurer et
représenter une large gamme de grandeurs (ou
quantités) physiques. Les scientifiques ont adopté le
système de mesure international SI à cette fin.
Les unités de mesure fondamentales sont la
longueur (mètre), le temps (seconde), la masse
(kilogramme), l'intensité de courant électrique
(ampère), la température (kelvin), l'intensité
lumineuse (candela) et la quantité de matière
(mole). (On rencontrera dans certaines
ressources l’expression « unités "de base" » au
lieu d’« unités de mesure fondamentales ».
Adopter un usage et s’y tenir pendant tout le
programme de Physique 20, 30.)
Les unités dérivées sont des combinaisons des
unités fondamentales.
Un grand nombre d'unités du système SI sont
exprimées en puissance de dix, ce qui simplifie les
conversions.
L'ordre de grandeur d'un nombre est ce nombre
arrondi à la plus proche puissance de dix.
L'ordre de grandeur d'un nombre en notation
scientifique ne doit être arrondi que si sa mantisse
est supérieure à 3,16 (100,5 = 3,16).
Quand on effectue des opérations mathématiques
avec des grandeurs mesurées, les réponses doivent
contenir un nombre de chiffres significatifs
compatibles.
Dans nombre d'expériences, on mesure deux
variables ou plus afin de discerner l'organisation ou
les rapports qui expliquent le comportement des
choses.
La physique a recours à différentes méthodes pour
assembler et interpréter les données.
Les données groupées en tableaux, puis reportées
sur des graphiques, sont souvent plus faciles à
interpréter.
Les ordinateurs sont des outils utiles pour traiter et
analyser des données.
La forme d'une courbe dans un graphique est une
indication de la relation entre les variables.
La lecture de données sur des graphiques est une
habileté essentielle pour interpréter l'information
chiffrée.
Deux techniques utiles pour interpréter
graphiquement de l'information sont
l'interpolation et l'extrapolation.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
Les préfixes sont utilisés dans le système SI
comme multiples des unités fondamentales et
dérivées.
•
Exprimer les grandeurs physiques au moyen
d'une valeur, de l'unité du SI appropriée et (au
besoin) d'une indication de la direction
Toutes les mesures comprennent une valeur et une
unité. Certaines expriment aussi une direction.
•
Reconnaître les avantages du système de mesure
SI
La notation scientifique permet d'exprimer de
façon commode des nombres extrêmement grands
ou extrêmement petits.
•
Faire la distinction entre unités fondamentales
et unités dérivées
•
Appliquer correctement le système de mesure SI
Chaque grandeur mesurée renferme une
incertitude.
•
Reconnaître la limite de la précision des
grandeurs mesurées
•
Exprimer les nombres selon la notation
scientifique
•
Exprimer les informations chiffrées avec le
nombre exact de chiffres significatifs
•
Trouver l'ordre de grandeur de grandeurs
physiques
Physique 20 – La physique du quotidien – P. 115
L'incertitude est généralement donnée en valeur
absolue ou en pourcentage.
Les grandeurs mesurées doivent être exprimées
avec un certain nombre de chiffres significatifs,
qui représentent le mieux la précision de la mesure.
•
Collecter des données expérimentales
•
Reporter sur un graphique des informations
chiffrées
•
Interpréter les informations fournies par un
graphique
•
Extrapoler et interpoler des données graphiques
1,234 (4 chiffres significatifs)
+ 0,013 (2 chiffres significatifs)
1,247 La somme a 4 chiffres significatifs.
4.
Il n'est pas nécessaire de s'attarder sur les
conversions d'unités non SI. À l'occasion,
toutefois, il pourra être utile et même
souhaitable de montrer aux élèves comment
les effectuer. Il existe plusieurs situations
pratiques où cela s'impose. On ne doit pas
demander aux élèves de mémoriser les
coefficients de conversion. Au contraire, on
doit s'assurer qu'ils savent où les trouver
quand ils en auront besoin.
5.
On devra vérifier l'homogénéité des unités
dérivées par rapport à d'autres unités dérivées
en comparant leurs dimensions. Par
exemple l'unité de la vitesse, le km/h, est le
quotient d'une longueur [L] par un temps [T],
soit [L]/[T]. Les autres unités dérivées dont
l'analyse des dimensions aboutit à un quotient
d'une longueur par un temps doivent aussi
caractériser des vitesses, comme le m/s ou le
cm/min. En outre, pour que les équations
soient correctes, il faut que les dimensions
soient les mêmes dans le membre de gauche et
dans le membre de droite.
6.
Tenir compte des aptitudes et de la formation
mathématique des élèves. Ne pas demander
aux élèves d'effectuer des tâches de collecte et
d'analyse de données qui dépassent leurs
connaissances en mathématique. Tenir
compte que dans les programmes semestriels,
il peut arriver que des élèves n'aient pas
encore suivi les cours de mathématiques
nécessaires. Si c'est le cas, il faudra enseigner
certaines notions et méthodes mathématiques
dans le cours de physique. Considérer qu'il
s'agit d'un investissement pour l'avenir, et
non d’une perte de temps.
7.
L'utilisation d'ordinateurs pour assembler et
traiter des données doit être autorisée pour
faciliter la tâche des élèves, et non pas pour
les empêcher d'apprendre à faire cette tâche
manuellement.
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
2.
3.
Il est important d'enseigner chaque sujet en se
basant sur des activités expérimentales. Tous
ne sont pas d'accord avec cette approche, mais
nombre d'enseignantes et d'enseignants de
physique expérimentés trouvent que cette
approche est plus efficace que l'enseignement
du sujet pris isolément. Souligner les concepts
clés touchant la mesure et l'analyse des
données au moment où cela sera jugé le plus
propice.
S’entendre avec les collègues de l’école sur
l’utilisation des chiffres significatifs et
l'incertitude des mesures. L'absence d'un
enseignement uniformisé dans ces matières
jette souvent le trouble dans l'esprit des
élèves. Différentes ressources pourront se
baser sur différentes règles pour exprimer
l'incertitude d'une mesure. Parfois, les
ressources ne sont pas normalisées pour ce qui
concerne la façon d'utiliser les chiffres
significatifs. Des réponses à des problèmes ne
contiennent pas le bon nombre de chiffres
significatifs. Des écarts sont souvent relevés
entre le traitement de ce sujet en physique et
en chimie. Voir aussi la suggestion suivante.
Les élèves trouvent souvent avec difficulté le
bon nombre de chiffres significatifs dans la
réponse d'une addition ou d'une soustraction.
Insister sur le fait que la somme ou la
différence contient le même nombre de
positions après la virgule décimale que
l'argument qui en compte le moins,
contrairement à la multiplication et la
division, dont la réponse contient autant de
chiffres significatifs que son argument qui
en compte le moins. Par exemple :
Unité obligatoire II : Le mouvement ondulatoire
P. 116 – Physique 20 – La physique du quotidien
Vue d'ensemble de l'unité
L'observation du comportement d'une onde est
fondamentale pour l'interprétation d'une foule de
phénomènes physiques. D'autres sujets abordés
ailleurs dans le programme de Physique 20, comme
la lumière, le son, la chaleur sont plus faciles à
maîtriser si on a, au départ, une bonne
compréhension des ondes. C'est donc dire que la
compréhension des caractéristiques générales et du
comportement des ondes permet de dégager des
concepts fondamentaux qui reviennent
continuellement dans le programme de
Physique 20.
Comprendre le comportement des ondes permet
d'expliquer certains mécanismes de propagation de
l'énergie. On peut ainsi saisir le fonctionnement
d'applications importantes dans lesquelles il y a
propagation de l'énergie.
Un débat oppose les tenants de l'enseignement de la
théorie ondulatoire avant l'examen des applications
et les tenants de la démarche contraire. Certains
enseignants et enseignantes préfèrent examiner
d'abord le comportement des ondes afin de dégager
un cadre conceptuel qui explique le transfert
d'énergie. D'autres manifestent une préférence pour
l'examen avant tout d'un phénomène ondulatoire et
pour le développement d'un modèle explicatif basé
sur les observations réalisées. D'autres aussi
préfèrent partir d'applications connues des élèves,
afin de les motiver à pousser plus loin leurs
recherches. Aucune de ces méthodes n'est en soi
meilleure que l'autre. On recommande aux
enseignants et enseignantes de faire l'essai de
diverses approches, jusqu'à ce qu'ils ou elles aient
trouvé celles qui donnent les meilleurs résultats.
C4
C6
C8
C10
C13
C15
la coopération
la mise en question
la formulation d'hypothèses
la prédiction
la création de modèles
l'analyse
D9
l'influence de la société sur la science et la
technologie
E3
E5
E7
savoir utiliser le matériel prudemment
savoir se servir d'un ordinateur
savoir manipuler les instruments
F2
F5
la mise en question
le respect de la logique
G1
G8
s'intéresser à la science
préférer les explications scientifiques
Objectifs généraux de la physique et
objectifs des apprentissages
essentiels communs
L’élève sera capable de :
•
Observer, décrire et enregistrer les propriétés
caractéristiques des ondes
•
Trouver des exemples pratiques et des
expériences courantes qui font appel à la
connaissance des propriétés des ondes
•
Prévoir le comportement des ondes dans des
situations similaires à celles étudiées
expérimentalement
•
Suggérer diverses applications sociales,
technologiques et environnementales pour
lesquelles une compréhension du comportement
des ondes peut être bénéfique à l'espèce humaine
•
Trouver une interprétation à partir de modèles
ou de moyens multi-sensoriels
•
Évaluer d'un point de vue critique les motifs
sous-jacents qui entraînent un changement
•
Reconnaître l'importance de la politique sur la
façon dont les changements interviennent en
science et en technologie
•
Reconnaître que la culture joue un rôle dans la
méthode scientifique
•
Prendre conscience des hypothèses et des biais
dans la pensée scientifique
Facteurs de l'alphabétisme
scientifique à développer
A4
A5
A7
reproductible
empirique
unique
B2
B3
B9
B10
B13
B15
B20
B27
l'interaction
l'ordre
la reproduction des résultats
la cause et l'effet
l'énergie et la matière
le modèle
la théorie
l'amplification
C1
C2
C3
la classification
la communication
l'observation et la description
Physique 20 – Le mouvement ondulatoire – P. 117
•
Comprendre et utiliser la terminologie, les
structures et les formes d'expression qui
caractérisent la physique
•
Consolider ses connaissances et sa
compréhension de la manière de calculer, de
mesurer, d'estimer et d'interpréter les données
mathématiques, déterminer le moment de
mettre ces habiletés et ces techniques en œuvre
et savoir pourquoi ces processus conviennent au
cadre de la physique (NUM)
•
Se servir de son imagination, de son intuition et
de ses habiletés en vue d'évaluer des idées, des
processus, des expériences et des objets dans des
contextes significatifs (CRC)
A. Propriétés des ondes
1. Terminologie des ondes
Concepts clés
Une onde est un transfert d'énergie qui s'effectue
sous la forme d'une perturbation dans un certain
milieu sans changement de la position à long
terme du milieu.
Une onde possédant une courte durée est appelée
une impulsion.
Les ondes qui vibrent et se répètent cycliquement
sont des exemples du mouvement périodique ou
du mouvement harmonique.
Une oscillation complète est appelée un cycle.
Une vibration transversale se produit quand la
vibration du milieu porteur est perpendiculaire à la
direction du transfert d'énergie. La position
maximale et la position minimale d'une onde
transversale ont respectivement reçu le nom de
crête et de creux.
Une vibration longitudinale se produit quand la
vibration du milieu porteur est parallèle à la
direction du transfert d'énergie. Les vibrations
longitudinales sont des alternances de
compressions et de raréfactions.
La fréquence (f) est une mesure du nombre de
cycles ayant lieu dans une unité de temps.
L'unité SI de la fréquence est le hertz (Hz). On voit
aussi les unités s-1 et cycles/seconde.
Fréquence =
Nombre de cycles___
Intervalle de temps
La période (T) est le temps qu'il faut pour effectuer
un cycle complet.
Période et fréquence sont deux grandeurs
inversement proportionnelles l'une de
l'autre.
1
l1
TT
= = 2π f =
f
gT
La période d'un pendule simple est donnée par :
P. 118 – Physique 20 – Le mouvement ondulatoire
où l est la longueur du pendule et g est
l'accélération due à la gravité. (Cette équation n'est
vraie que lorsque l'amplitude est faible.)
longitudinales, de torsion agissant en une
dimension.
On peut illustrer différents types d'ondes en se
servant d'un ressort ou d'une corde. Il est
possible de mettre à profit des démonstrations
faites au moyen de ces objets pour renforcer
l'application de la bonne terminologie des
ondes.
L'amplitude d'une onde est le déplacement
maximal par rapport à la position d'équilibre ou
de repos.
Deux sources d'ondes sont en phase si, à tout
moment, elles ont le même déplacement relatif
mesuré à partir de leur point de repos et se
propagent dans la même direction. Si ces deux
conditions ne sont pas vérifiées, on dit que les deux
sources sont déphasées.
4.
Concevoir et conduire une expérience de
mesure de l'amplitude d'une onde à une
dimension.
La longueur d'onde (λ) est la distance qui sépare
deux crêtes ou deux creux consécutifs.
5. Réaliser un montage de démonstration qui
permet aux élèves de déterminer si deux sources
d'ondes (ou deux points de la forme d'onde)
vibrent en phase.
La longueur d'onde est la plus petite distance entre
deux points identiques en phase (ou deux points
ayant des caractéristiques identiques).
2. Équation d'onde universelle
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : onde,
perturbation, milieu, impulsion, vibration,
cycle, mouvement périodique, mouvement
harmonique simple, vibration transversale,
vibration longitudinale, crête, creux,
compression, raréfaction, fréquence, période,
amplitude, phase, longueur d'onde
•
Donner des exemples de mouvement
périodique
•
Utiliser les bonnes unités pour la période et la
fréquence dans la résolution de problèmes et
les études d'application
•
Résoudre des problèmes faisant intervenir la
période, la fréquence et le mouvement
ondulatoire
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Se servir d'un pendule simple pour illustrer
les concepts de période et de fréquence.
2.
Déterminer expérimentalement la fréquence
et la période d'un pendule simple ou d'autres
objets ayant un mouvement harmonique
simple.
3.
Mettre en marche une activité où il y aura
observation et enregistrement des
caractéristiques d'ondes transversales,
Concepts clés
L'équation d'onde universelle porte le
qualificatif d'universelle parce qu'elle décrit tous les
types d'ondes.
ν= fλ
L'équation d'onde universelle sert dans divers
problèmes relatifs au mouvement ondulatoire.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
•
Expliquer le fait que l'équation d'onde universelle
décrit tous les types d'ondes
Appliquer l'équation d'onde universelle à
différents genres de problèmes relatifs aux
ondes
3. Principe de superposition
Concepts clés
L'interférence des ondes se produit quand au
moins deux ondes agissent en même temps dans un
milieu.
Quand au moins deux ondes se rencontrent, la
perturbation résultante en un point donné dans le
milieu est généralement déterminée par l'addition
du déplacement causé par chaque onde (Principe
de superposition).
Physique 20 – Le mouvement ondulatoire – P. 119
L'interférence constructive a lieu quand la
perturbation résultante est supérieure à chacune
des perturbations individuelles qui la composent.
Quand le déplacement résultant est inférieur aux
déplacements individuels qui le composent,
l'interférence est destructive.
Résultats d'apprentissage
dans un nouveau type de silencieux
d'automobile. Ces nouveaux types de
silencieux utilisent un capteur numérique
pour détecter la fréquence des ondes sonores
générées par le système d'échappement. Une
autre onde est alors générée afin d'interférer
destructivement avec la première, ce qui
réduit l'intensité du son provenant du système
d'échappement. Ce type de silencieux devrait
être sur le marché très bientôt.
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : interférence,
interférence constructive, interférence
destructive
•
Énoncer le principe de superposition
•
Prédire la forme d'onde résultant, en un point
donné, de la rencontre de deux ondes
voyageant en sens inverse
•
Illustrer, au moyen de schémas, de modèles ou
d'ordinateurs, l'interférence constructive et
l'interférence destructive
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Concevoir un programme informatique qui
montre graphiquement la superposition des
ondes.
2.
Concevoir un programme informatique qui
montre les effets du changement de la
fréquence et de l'amplitude sur des ondes
transversales.
3.
Introduire un signal audio dans un
oscilloscope et examiner les formes d'onde qui
correspondent à différents types de sons et de
bruits.
4.
Dessiner sur un papier quadrillé des
impulsions d'onde qui interfèrent et prédire la
forme du déplacement résultant en un point
précis.
5.
Illustrer la forme d'interférence produite par
deux sources ponctuelles vibrant en phase ou
en opposition de phase dans une cuve à ondes.
6.
Poser la question suivante aux élèves :
« Qu'advient-il de l'énergie associée aux ondes
dans une situation d'interférence
destructive? »
7.
Une application intéressante de l'interférence
destructive dans les ondes sonores s'observe
P. 120 – Physique 20 – Le mouvement ondulatoire
De plus, certains collecteurs sont
« syntonisés » au moyen d'une modification de
leur longueur, ce qui délimite une région
d'interférence destructive à l'endroit de
l'émission du son par le véhicule. Le principe
de la résonance d'une colonne d'air à extrémité
ouverte est mis à profit pour régler l'intensité
du son.
B. Phénomènes ondulatoires
1. Propagation, réflexion et
réfraction
Concepts clés
Les ondes voyagent à vitesse constante dans un
milieu homogène. Un changement de milieu ou
un changement dans les conditions du milieu a
généralement pour effet de modifier la vitesse de
l'onde.
Un changement de la vitesse d'une onde périodique
a pour conséquence de modifier de façon
correspondante la longueur d'onde. En revanche, la
fréquence d'une onde ne change pas après la
production de l'onde.
Pour une fréquence donnée dans un même milieu,
la longueur d'onde d'une onde varie directement en
fonction de la vitesse.
λαv
Dans un milieu fixe, dans lequel la vitesse d'une
onde est constante, la longueur d'onde varie en
raison inverse de la fréquence. Un changement de
fréquence entraîne un changement correspondant
de la longueur d'onde.
λα
1
f
L'amplitude d'une onde dépend de la quantité
d'énergie transmise. Une diminution de l'amplitude
d'une onde (comme dans une impulsion qui parcourt
un ressort) est le signe que de l'énergie s’est
dissipée, principalement en raison des forces de
frottement.
Une réflexion à extrémité fixée produit une
impulsion inversée.
On peut interpréter une amplitude plus petite pour
l'impulsion réfléchie comme le signe que de l'énergie
a été transférée à la frontière (p. ex. par
amortissement).
Des ondes rectilignes dans une cuve à ondes qui
frappent une barrière rectiligne respectent les
lois de la réflexion.
L'angle d'incidence est égal à l'angle de
réflexion. La direction de propagation
incidente, la normale et la direction de
propagation réfléchie sont coplanaires.
Quand des ondes circulaires dans l'eau frappent
une paroi plane ou courbe, elles sont régies par les
lois de la réflexion; le schéma d'ondes est alors
beaucoup plus difficile à analyser.
Les ondes réfléchies par un réflecteur
parabolique passent par le foyer principal. Cela
a pour effet de concentrer l'énergie ondulatoire.
Plusieurs applications importantes exploitent ce
phénomène.
Le comportement d'ondes circulaires ou rectilignes
dans l'eau se prête particulièrement bien à une
observation avec un stroboscope.
Quand une onde pénètre dans un milieu dans lequel
sa vitesse de propagation est plus faible, sa longueur
d'onde diminue. La relation entre la vitesse et la
longueur d'onde est :
v1
λ1
=
parce que v = f λ et que f est constante
v2
λ2
Dans le cas d'un changement spécifique, le
λ
rapport 1 a une valeur constante.
λ2
(Un traitement plus détaillé de la loi de SnellDescartes et du concept d'indice de réfraction peut
avoir lieu ici ou dans l'unité obligatoire III,
section C, qui concerne la réfraction.)
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : milieu,
amplitude, réflexion à extrémité fixée,
réflexion à extrémité libre, réflexion partielle,
frontière, angle d'incidence, angle de réflexion,
normale, barrière, réflecteur parabolique,
stroboscope, réfraction
•
Expliquer que dans un milieu homogène, les
ondes se propagent à vitesse constante
•
Expliquer qu'un changement de milieu ou un
changement dans les conditions du milieu
Dans le cas d'une réflexion à extrémité libre, il
n'y a pas inversion de l'impulsion.
Si une onde pendant son déplacement passe d'un
milieu à un autre, il y aura réflexion partielle (et
réfraction) à la frontière entre les deux milieux.
Physique 20 – Le mouvement ondulatoire – P. 121
entraîne généralement une variation de la
vitesse d'une onde se propageant dans ce
milieu
2.
Observer et décrire la réflexion qui se produit
dans un milieu unidimensionnel dont les
extrémités sont fixes et libres.
3.
Proposer une explication plausible de la
diminution de l'amplitude que subit une onde
qui se propage le long d'un ressort ou dans un
autre milieu unidimensionnel.
4.
L'appareil où des billes s’entrechoquent est
utile pour étudier les transferts d'énergie
longitudinale. Il montre comment une onde
peut se propager dans un milieu sans modifier
le milieu.
5.
Suspendre un ressort mou au plafond.
Produire des impulsions transversales et
longitudinales dans le ressort. Comparer cela
avec ce qui arrive quand les impulsions sont
envoyées dans un ressort placé à l'horizontale
sur le plancher. (Les impulsions horizontales
d'onde transversale représentent une bonne
analogie de la polarisation.)
•
Indiquer de quelle façon un certain milieu
peut être modifié
•
Expliquer que la fréquence d'une onde dépend
de la source de l'onde
•
Décrire les changements de longueur d'onde et
de vitesse que subit une onde qui franchit la
frontière entre deux milieux
•
Expliquer la relation entre vitesse et longueur
d'onde quand des ondes périodiques sont
réfractées
•
Expliquer le rapport entre fréquence et
longueur d'onde quand des ondes dans un
milieu fixe subissent un changement de
vitesse
•
Énoncer les lois de la réflexion
•
Expliquer comment les lois de la réflexion
décrivent le comportement d'ondes rectilignes
dans l'eau qui frappent une barrière droite
6.
•
Montrer sa compréhension de la propagation
des ondes, de leur réflexion et de leur
réfraction en reliant ces phénomènes à des
expériences pratiques et quotidiennes
Générer une forme d'onde stationnaire dans
une tasse d'eau (ou un autre objet) placée sur
une surface vibrante.
7.
Interpréter le rapport entre vitesse et
longueur d'onde quand les ondes sont
réfractées
Observer et décrire le mouvement ondulatoire
périodique en se servant d'un stroboscope.
8.
Demander aux élèves d'expliquer que le
•
•
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
rapport
Appliquer les techniques de résolution de
problèmes aux relations entre vitesse et
longueur d'onde pour des ondes réfractées
Les expériences bien connues avec la cuve à
ondes décrites dans la plupart des livres de
physique conviennent parfaitement à cette
section. Elles fournissent des exemples
concrets du comportement ondulatoire.
•
Observer et décrire la propagation, la
réflexion et la réfraction de vaguelettes
dans diverses conditions.
•
Observer et décrire la réflexion d'ondes
rectilignes et circulaires dans l'eau qui
frappent des barrières droites et courbes.
•
Examiner ce qui survient quand des
ondes sont réfléchies par un réflecteur
parabolique.
•
Faire une démonstration ou demander
aux élèves d'étudier la réflexion et la
réfraction partielles d'une onde à une
frontière.
P. 122 – Physique 20 – Le mouvement ondulatoire
λ1
demeure constant quand un
λ2
milieu subit un changement spécifique.
9.
Pour illustrer un mouvement ondulatoire de
torsion, prendre une corde d'environ 4 mètres
de longueur et y attacher des rubans tous les
50 centimètres. Fixer l'une des extrémités de
la corde. Imprimer à l'autre extrémité une
torsion rapide. Le mouvement résultant est
illustré par le déplacement des rubans.
2. Diffraction et autres phénomènes
ondulatoires
Concepts clés
Dans un milieu dispersif, la vitesse des ondes
est fonction de la fréquence. Les ondes de fréquence
élevée sont réfractées selon une direction légèrement
différente des ondes de fréquence moindre.
La diffraction est l'incurvation d'une onde quand
elle passe autour de la bordure d'un obstacle. (Les
fentes sont des barrières à deux côtés.)
Les ondes dont la longueur d'onde est plus grande
sont diffractées plus que celles dont la longueur est
plus petite.
Quand des ondes franchissent une fente, la
diffraction est maximale quand la longueur d'onde
et la largeur de la fente sont du même ordre de
grandeur.
Des vaguelettes produites par deux sources
ponctuelles vibrant en phase produisent un schéma
d'interférence symétrique dans lequel alternent
des lignes nodales et des zones d'interférence
constructive.
Le schéma d'interférence change en fonction des
retards de phase des deux sources ponctuelles.
La phase de deux phénomènes répétitifs ayant la
même fréquence est la fraction de la période d'un
phénomène en avance ou en retard par rapport à
l'autre phénomène.
En traçant des séries de cercles concentriques
uniformes (ou en élaborant une simulation sur
ordinateur) représentant des ondes circulaires
produites par deux sources, on obtient un modèle
qui aide à expliquer le schéma d'interférence d'ondes
circulaires générées dans une cuve à ondes. Les
régions où l'interférence est constructive et celles où
elle est destructive sont évidentes dans le modèle.
Dans un milieu unidimensionnel, en réglant
l'amplitude et la longueur d'onde des ondes
incidentes et réfléchies, on peut parvenir à réaliser
un schéma d'interférence d'ondes stationnaires.
Si les ondes s'interpénètrent, un ensemble de
points nodaux et de crêtes (ou ventres) apparaît.
Les nœuds sont les zones où l'interférence
destructive est maximale. Ils sont distants l'un de
l'autre d'une demi-longueur d'onde des ondes
d'interférence.
Les crêtes (ou ventres) sont les zones où
l'interférence constructive est maximale. La
distance
1
entre
λ
deux
2
crêtes
est :
La distance entre une crête et un nœud est de :
1
λ
4
La forme d'une onde stationnaire dans un milieu à
une dimension a des nœuds à ses extrémités.
La distance entre les nœuds peut être modifiée en
changeant la fréquence de la source vibrante.
Les conditions suivantes sont nécessaires pour que
s'établisse une onde stationnaire :
•
Deux ondes de même fréquence doivent être en
présence. L'une d'elles (ou même les deux) doit
être une onde réfléchie.
•
Il doit y avoir un nombre entier de demilongueurs d'onde dans la forme d'onde
complète.
Comme les extrémités fixes sont des nœuds, seules
certaines fréquences réalisent le modèle
d'interférence d'une onde stationnaire. Ce sont les
fréquences de résonance du milieu en question.
Les ondes possèdent d'autres propriétés comme la
diffusion et la polarisation. (Ces sujets peuvent
être traités ici ou bien dans la section traitant de la
lumière.)
La compréhension du comportement ondulatoire a
bien servi l'humanité, qui a trouvé une grande
diversité d'applications aussi bien sociales que
technologiques ou expérimentales.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : diffraction,
phase, ligne nodale, ligne de crêtes (ventres),
schéma d'onde stationnaire, fréquence de
résonance, dispersion, milieu dispersif,
déphasage
•
Expliquer pourquoi la vitesse des ondes dans un
milieu dispersif dépend de la fréquence
•
Indiquer les deux conditions qui maximisent
le degré de diffraction subie par des ondes
Physique 20 – Le mouvement ondulatoire – P. 123
•
Expliquer que, dans des ondes en interférence,
les nœuds sont distants d'une demi-longueur
d'onde
•
Expliquer le schéma des ondes stationnaires
en faisant référence aux zones d'interférence
constructives et destructives
•
Expliquer pourquoi les extrémités fixes d'une
onde stationnaire dans un milieu
unidimensionnel sont toujours des nœuds de
l'onde
•
•
6.
Expliquer pourquoi seules certaines
fréquences de résonance produisent des formes
d'onde stationnaire
Certains types de cristaux montrent des
réseaux intéressants quand on les regarde
avec une lumière plane polarisée. Pousser un
peu plus loin l'étude de ce phénomène.
7.
Examiner d'autres applications des matériaux
polarisants.
Indiquer que les ondes possèdent d'autres
propriétés comme la diffusion et la polarisation
8.
Comparer les effets produits par les
polarisateurs plans et les polarisateurs
circulaires.
9.
Observer une forme d'onde stationnaire dans
un milieu unidimensionnel comme une corde
tendue. Changer la forme de l'onde
stationnaire en modifiant la fréquence de la
source vibrante.
10.
Construire un modèle graphique ou élaborer
une simulation sur ordinateur qui pourra
servir à analyser le schéma d'interférence
produit par deux sources ponctuelles.
11.
Lors d’une activité, observer et décrire le
schéma d'interférence produit par deux
sources ponctuelles vibrant en phase.
12.
Regarder à travers les barbes d'une plume une
lumière artificielle. On devrait pouvoir
observer un modèle de diffraction. Une plume
blanche convient bien pour cette activité.
13.
Observer et décrire le résultat du changement
de la longueur d'onde ou de la largeur de la
fente sur le modèle de diffraction dans une
cuve à ondes ou dans un autre appareil
approprié.
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
2.
3.
4.
5.
procédé industriel servant à examiner les
contraintes photo-élastiques.
Examiner une DEL à travers un polarisateur.
Des élèves auront déjà sans doute expérimenté
ceci lors de l'observation d'une calculatrice
brisée munie d’un afficheur à diodes
électroluminescentes.
Observer et décrire la modification que subit
le schéma d'interférence quand deux sources
ponctuelles vibrent avec des déphasages
différents.
Intercaler des barrières à une fente et à deux
fentes dans une cuve à ondes. Avec la barrière
à une fente, étudier les conditions pour
lesquelles la diffraction est la plus prononcée.
Avec la barrière à deux fentes, dessiner le
schéma d'interférence au trait. Des élèves
voudront peut-être rédiger une simulation sur
ordinateur du schéma d'interférence à deux
fentes.
Observer à travers un polarisateur les
réflexions causées par l'eau, le verre, la
surface des plantes ou du métal. Regarder le
ciel à travers un polarisateur. Trouver dans le
ciel la position par rapport au Soleil où le
degré de polarisation est maximal.
Tourner deux polarisateurs, l'un vis-à-vis de
l'autre. Observer ce qui se produit. Placer une
feuille de cellophane ou de plastique
transparent entre les deux polarisateurs.
Éclairer par en-dessous avec un
rétroprojecteur. Ceci reproduit un important
P. 124 – Physique 20 – Le mouvement ondulatoire
Unité obligatoire III : La lumière
Vue d'ensemble de l'unité
Depuis toujours, l'homme est fasciné par les
propriétés et le comportement de la lumière. Et
même s'il en a appris beaucoup sur les réactions de
la lumière, la nature fondamentale de cette dernière
reste un mystère.
La présente unité est sans doute la plus importante
du programme d'études de Physique 20. Elle débute
par un examen de certaines caractéristiques
importantes de la lumière. Régulièrement, tout au
long de cette unité, nous rappellerons certaines
applications de la lumière.
Les principales composantes de cette unité traitent
de l'optique géométrique. Les élèves auront
plusieurs occasions d'explorer les propriétés et le
comportement de la lumière.
L'unité obligatoire I qui traite de la physique du
quotidien pourra aider à mettre l'étude de la
lumière en perspective afin d'aborder d'autres sujets
d'investigation. Les enseignants et enseignantes
peuvent faire des expériences en modifiant l'ordre
d'exposition de ce matériel, ou en essayant de
nouvelles approches pédagogiques ou de nouvelles
techniques d'évaluation des élèves.
Facteurs de l'alphabétisme
scientifique à développer
A2
A3
A4
A5
A7
historique
holistique
reproductible
empirique
unique
B2
B5
B8
B9
B10
B11
B20
B21
B24
B27
B32
l'interaction
la perception
la quantification
la reproduction des résultats
la cause et l'effet
la prévisibilité
la théorie
la justesse
l'échelle
l'amplification
la validation
C3
C4
C5
C7
l'observation et la description
la coopération
la mesure
l'utilisation des nombres
C9
C10
C11
C12
C13
C14
C15
C16
C17
C20
l'inférence
la prédiction
le contrôle des variables
l'interprétation des données
la création de modèles
la résolution de problèmes
l'analyse
l'expérimentation
l'utilisation des mathématiques
la définition opérationnelle
D1
D8
D9
la science et la technologie
les limites de la science et de la technologie
l'influence de la société sur la science et la
technologie
E3
E4
E5
E7
E13
savoir utiliser le matériel prudemment
savoir utiliser le matériel audiovisuel
savoir se servir d'un ordinateur
savoir manipuler les instruments
savoir utiliser des relations quantitatives
F1
F2
F3
F7
le besoin de savoir et de comprendre
la mise en question
la recherche des données et de leur
signification
le besoin de vérifier
G1
G2
G3
G4
G6
G8
s'intéresser à la science
devenir plus confiant
continuer d'étudier
préférer les médias scientifiques
préférer les réponses scientifiques
préférer les explications scientifiques
Objectifs généraux de la physique et
objectifs des apprentissages
essentiels communs
L’élève sera capable de :
•
Proposer des exemples tirés de ses expériences de
tous les jours qui illustrent le comportement de
la lumière
•
Réaliser des activités pour connaître le
comportement de la lumière
•
Résoudre des problèmes en appliquant les lois de
la physique qui régissent le comportement de la
lumière
•
Apprécier l'importance de l'expérimentation en
science
Physique 20 – La lumière – P. 125
•
Classer les idées et les définitions
•
Réaliser l'importance de l'observation en science
•
Constater que la science est une activité
humaine
•
S'apercevoir que l'évolution historique des idées
scientifiques et le développement de nouvelles
technologies ont stimulé de nouveaux progrès et
découvertes
•
Distinguer entre faits et opinions
•
Prendre conscience qu'il y a plusieurs façons de
résoudre des problèmes particuliers
•
Décrire les importantes différences entre science
et technologie
•
Reconnaître que les réalisations scientifiques et
technologiques sont des expressions artistiques
et créatives de l'homme
•
Réaliser que s'intéresser à la science et à la
technologie peut aboutir à des carrières ou à des
passe-temps passionnants
•
Réaliser que les domaines de la science et de la
technologie sont ouverts à quiconque, quel que
soit son sexe, sa race ou sa religion
•
Identifier les informations clés nécessaires à
l'étude d'un problème, composer des critères de
recherche qui permettent de trouver
l'information, scruter attentivement
l'information et l'exploiter judicieusement en vue
d'approfondir ses connaissances, sa
compréhension ou d'aider à la paix
•
Mettre en pratique plusieurs façons de
développer sa connaissance des concepts
importants de la physique (COM)
•
Consolider sa compréhension de la physique en
appliquant sa connaissance des nombres et les
relations entre eux (NUM)
•
Se servir de son imagination, de son intuition et
de ses habiletés en vue d'évaluer des idées, des
processus, des expériences et des objets dans des
contextes significatifs (CRC)
•
Bien saisir le fait que la technologie modèle la
société et que la société modèle la technologie
(TEC)
P. 126 – Physique 20 – La lumière
•
Se respecter et traiter les autres avec respect
(VAL)
•
Satisfaire ses propres exigences de formation
(AUT)
A. Caractéristiques de la
lumière
1. Sources lumineuses et
propagation de la lumière
Concepts clés
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : lumineux, non
lumineux, propagation en ligne droite,
faisceau, incandescent, rayon, transparent,
translucide, opaque, cône de pénombre, cône
d'ombre, éclipse
•
Donner des exemples d'objets courants
lumineux et non lumineux
•
Expliquer que la lumière voyage en ligne
droite
•
Donner des exemples qui illustrent la
propagation en ligne droite de la lumière
En modifiant l'état d'un objet non lumineux, on
peut réussir à en faire un objet lumineux.
•
Identifier des objets transparents, translucides
et opaques
Les corps incandescents émettent de la lumière
quand ils sont chauffés.
•
Appliquer et comprendre la loi de l'inverse du
carré qui met en rapport l'intensité de la
lumière et la distance de l'observateur
Il importe d'examiner soigneusement le
comportement de la lumière avant de tenter d'en
expliquer la nature.
Les corps lumineux émettent de la lumière. Les
corps non lumineux n'en émettent pas. En
revanche, les corps non lumineux réfléchissent
généralement la lumière.
La lumière voyage en ligne droite (sauf en présence
d'un fort champ gravitationnel). C'est ce qu'on
appelle la propagation en ligne droite.
Le trajet suivi par la lumière est représenté par des
rayons. (En réalité, ces rayons n'existent pas dans
la nature. Ce sont des modèles géométriques qui
servent à expliquer le comportement de la lumière.)
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Concevoir une expérience destinée à
déterminer si la loi de l'inverse du carré
énonçant que l'intensité de la lumière varie de
façon inverse par rapport au carré de la
distance de l'observateur s’applique aussi à
une lumière dont la source est dans un
réflecteur (p. ex. une lampe de poche) ou un
diffuseur (p. ex. un abat-jour).
2.
Employer un photomètre et différentes sources
de lumière et effectuer une expérience qui a
pour but de déterminer l'intensité lumineuse
et l'efficacité des ampoules électriques. (Un
luxmètre pourra faire également l'affaire. La
mesure du rendement de sources lumineuses
pourra se révéler un exercice plus compliqué.
Pour différentes sources lumineuses mises
sous une même tension, les élèves pourront
reporter l'intensité lumineuse en fonction du
courant. D'autres méthodes, comme la courbe
de l'intensité lumineuse en fonction de la
température, peuvent être envisagées.
Proposer ceci comme activité de défi-sciences.)
3.
Faire la distinction entre une éclipse partielle
et une éclipse totale. Faire un montage qui
permettra aux élèves de visualiser ces deux
phénomènes.
Un faisceau est un regroupement de rayons.
Les objets transparents sont perméables à la
lumière (ils la laissent passer; ils peuvent en
absorber ou en réfléchir une partie). Les matériaux
translucides diffusent et transmettent la lumière;
de ce fait, les objets observés à travers eux sont
embrouillés. Les matériaux opaques sont
imperméables à la lumière (ils ne la laissent pas
passer).
Les ombres apparaissent quand des objets opaques
sont placés directement dans la trajectoire de la
lumière. Une pleine ombre est appelée un cône
d'ombre. Une ombre partielle, un cône de
pénombre. Durant une éclipse solaire, l'éclipse
est totale quand on peut observer un cône d'ombre.
L'intensité de la lumière rayonnant également dans
toutes les directions à partir d’une source varie
comme l'inverse du carré de la distance qui sépare
la source et l'observateur.
I α
1
d
2
Physique 20 – La lumière – P. 127
4.
Effectuer une activité dans laquelle on
observera des cônes d'ombre et des cônes de
pénombre. Transposer les observations à ce
qui se passe durant une éclipse.
2. Vitesse de la lumière
Concepts clés
Les essais de Galilée pour mesurer la vitesse de la
lumière furent vains. La conception de ses appareils
et les limites techniques de l’époque ne permettaient
pas de mesurer précisément de courts intervalles de
temps.
La méthode de Römer, qui utilisa des observations
précises des éclipses d'une lune de Jupiter (Io) à
différentes périodes de l'année, montra les écarts de
durée avant le début de l'éclipse. Huygens associa
ces écarts à la différence de distance que la lumière
doit parcourir pour atteindre la Terre. Il obtient
ainsi une estimation honnête de la vitesse de la
lumière. (En réalité, l'interprétation de Huygens
était fautive. On a de plus soulevé le fait qu'il ne
connaissait même pas le diamètre moyen de l'orbite
de la Terre autour du Soleil pour réaliser ses
calculs. Les écarts apparents entre les débuts des
éclipses sont dus au mouvement relatif de la Terre
et de Jupiter, selon que la Terre se dirige ou
s'éloigne de Jupiter à différents moments sur son
orbite. Certains livres de physique simplifient à
outrance ou interprètent faussement cette
explication. La vraie raison déborde le cadre de ce
cours.)
Fizeau, Foucault et Michelson furent parmi les
premiers à obtenir une mesure passablement exacte
de la vitesse de la lumière au moyen d'appareillages
se trouvant sur la Terre.
Michelson a eu recours à un miroir octogonal
tournant qui réfléchissait la lumière sur un miroir
concave situé 35 km plus loin. La lumière durant
son trajet de retour du miroir concave interceptait
un autre miroir octogonal, et on ne pouvait observer
la lumière que pour certaines vitesses de rotation du
miroir. (Pour permettre au miroir d'effectuer au
moins un huitième de révolution durant le trajet
aller-retour de la lumière, il fallait que sa vitesse de
rotation soit légèrement supérieure à 32 000 tours
par minute.) À partir du trajet aller-retour de la
lumière et de la vitesse de rotation du miroir, il
était possible de déduire la vitesse de la lumière.
D'autres expériences plus récentes exploitant une
technologie plus perfectionnée ont permis d'établir
avec une plus grande précision la vitesse de la
P. 128 – Physique 20 – La lumière
lumière. La valeur acceptée de nos jours pour la
vitesse de la lumière est environ
3,00 x 108 m/s. (Quand on a besoin d'une plus
grande précision, on peut prendre la valeur
c ≈ 2,997 924 562 ± 0,000 000 011 x 108 m/s.)
La vitesse de la lumière dans les liquides et les
solides est nettement moins élevée que dans le vide.
Le rapport de la vitesse de la lumière dans le vide
(c) à la vitesse de la lumière dans un matériau
donné (v) est appelé l'indice de réfraction absolu
(n) du matériau.
n =
c
v
Il n'y a pas d'unité rattachée à l'indice de réfraction.
L'indice de réfraction de l'air est environ 1,000 3.
La lumière se propage légèrement plus lentement
dans l'air que dans le vide. Généralement, cette
différence est négligeable, et on peut déterminer
l'indice de réfraction d'un matériau en ne tenant
pas compte de cette légère différence.
Plus l'indice de réfraction d'un matériau est élevé,
plus la vitesse de propagation de la lumière est
faible.
Le rapport de l'indice de réfraction de la lumière
dans un milieu à celui de l'indice d'un autre milieu
est appelé indice de réfraction relatif.
Une année-lumière est la distance que parcourt la
lumière durant une année.
L'unité astronomique (ua) est la longueur du demigrand axe de l'orbite de la Terre.
1 ua = 1,50 x 1011 m
Le parsec, ou une seconde de parallaxe, est la
distance entre le Soleil et une étoile qui, vue de la
Terre, a un angle de parallaxe d'une seconde d'arc.
1 parsec = 3,09 x 1016 m ou 3,26 années-lumière.
L'unité astronomique et le parsec ne sont pas des
unités du système SI.
1 année-lumière ≈ 9,44 x 1015 m
Résultats d'apprentissage
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : vitesse, indice de
réfraction, indice de réfraction absolu, indice
de réfraction relatif, année-lumière
•
Décrire les méthodes employées par Galilée,
Römer et Michelson pour mesurer la vitesse
de la lumière
•
Expliquer pourquoi la vitesse de la lumière est
difficile à mesurer
•
Indiquer la valeur de la vitesse de la lumière
dans le vide avec trois chiffres significatifs
•
Dire pourquoi la lumière se déplace plus
rapidement dans le vide que dans les
matériaux
•
Réaliser que l'indice de réfraction d'un certain
milieu peut être employé pour connaître la
vitesse de la lumière dans ce milieu
•
Appliquer la définition de l'indice de réfraction
absolu (ou la définition de l'indice de
réfraction) à la résolution de problèmes
•
Expliquer que la lumière se déplace plus
lentement dans l'air que dans le vide, mais
que dans nombre de situations, la différence
est négligeable
•
Réaliser que plus l'indice de réfraction est
élevé pour un certain milieu, plus la vitesse de
propagation de la lumière dans ce milieu est
faible
•
Déterminer l'indice de réfraction relatif à deux
milieux
•
Calculer la distance en mètres que parcourt la
lumière en une année, en se servant de la
vitesse en mètre par seconde
•
Expliquer pourquoi l'année-lumière est une
mesure de la distance en astronomie
1.
Effectuer une activité ou bien se servir
d'expériences de la vie de tous les jours pour
comparer quantitativement la vitesse du son et
la vitesse de la lumière.
2.
Expliquer pourquoi il n'y a pas d'unité rattachée
à l'indice de réfraction. Montrer que si on tente
d'utiliser des unités dans l'équation de l'indice,
celles-ci se simplifient.
3. Appliquer la définition de l'année-lumière afin de
convertir des mètres en années-lumière (ou vice
versa).
Physique 20 – La lumière – P. 129
B. Réflexion
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
1. Lois de la réflexion
•
Définir les termes suivants : interface, rayon,
rayon incident, point d'incidence, normale,
rayon réfléchi, angle d'incidence, angle de
réflexion, réflexion spéculaire, réflexion
diffuse, éclairage indirect, éclairage direct
•
Énoncer les lois de la réflexion
•
Comparer et relever les différences entre
réflexion spéculaire et réflexion diffuse
•
Expliquer pourquoi les lois de la réflexion sont
valables aussi pour la réflexion diffuse
(irrégulière)
Le point d'incidence est l'endroit que frappe le
rayon incident sur la surface.
•
La normale est une ligne géométrique tracée
perpendiculairement à la surface à partir du point
d'incidence.
Énumérer certains genres de surfaces qui
produisent soit de la réflexion spéculaire soit
de la réflexion diffuse
•
Comparer les effets de l'éclairage direct et de
l'éclairage indirect
Le rayon réfléchi est la partie du rayon incident
qui quitte la surface au point d'incidence.
•
Résoudre des problèmes en appliquant les lois
de la réflexion
L'angle d'incidence est l'angle entre le rayon
incident et la normale. L'angle de réflexion est
l'angle entre la normale et le rayon réfléchi.
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
Lois de la réflexion
1.
Montrer les différents effets produits par
l'éclairage direct et l'éclairage indirect.
Comparer la lumière fluorescente
(probablement comme celle de la salle de
cours) à la lumière incandescente. En outre,
montrer les effets différents que l'on obtient
avec une ampoule incandescente claire et une
ampoule incandescente « satinée ».
2.
Donner des exemples qui illustrent
l'utilisation judicieuse de l'éclairage direct et
de l'éclairage indirect.
3.
Indiquer quelques façons d'obtenir un
éclairage diffus ou direct à partir de sources
artificielles.
4.
Tracer un diagramme de la réflexion
spéculaire d'un rayon lumineux unique.
Concepts clés
Par interface, on entend la surface de séparation
entre deux milieux.
Un rayon lumineux est une trajectoire de lumière
ayant la plus petite section transversale possible (les
rayons sont des objets théoriques).
Le rayon incident est défini comme celui qui se
dirige vers une surface.
•
L'angle d'incidence est égal à l'angle de
réflexion.
•
Le rayon incident, la normale et le rayon
réfléchi sont coplanaires.
La réflexion spéculaire (réflexion régulière)
s'observe quand des rayons parallèles sont réfléchis
parallèlement par une surface lisse.
Si la surface est rugueuse (à l'échelle
microscopique), les rayons incidents parallèles ne
sont plus parallèles après la réflexion. Il en résulte
une réflexion diffuse (réflexion irrégulière).
Les lois de la réflexion sont valables pour la
réflexion diffuse. Une surface irrégulière peut être
considérée comme un assemblage d'un grand
nombre de petites surfaces réfléchissantes planes
orientées avec des angles légèrement différents.
L'éclairage indirect (ou diffus) donne lieu à des
ombres moins tranchées. Il fatigue moins les yeux
que l'éclairage direct, plus cru.
L'éclairage direct produit des zones de lumière et
d'ombre plus marquées.
2. Miroirs plans
Concepts clés
Un miroir plan est une surface réfléchissante
plane qui réfléchit de façon spéculaire (régulière) la
lumière.
Un miroir plan forme une image virtuelle. Les
rayons réfléchis par le miroir semblent provenir de
l'endroit où se trouve l'image virtuelle.
P. 130 – Physique 20 – La lumière
Dans un diagramme, une image virtuelle est
généralement représentée par une flèche en
pointillé.
Une image réelle (que forment d'autres systèmes
optiques) peut être focalisée sur un écran, tandis
qu'une image virtuelle ne le peut pas.
Les tracés des rayons sont aussi des outils
importants en optique géométrique.
Un tracé des rayons sert à illustrer la marche
des rayons dans un système optique.
Dans un diagramme, une image réelle est
généralement représentée par une flèche à trait
continu.
L'image dans un miroir plan est à la même distance
derrière le miroir que la distance de l'objet devant le
miroir. Elle est aussi de la même taille que l'objet
(grossissement de +1).
grossissement (g) =
hauteur de l'image
hauteur de l'image
hauteur de l'objet
hauteur de l'objet
Hi
Ho
d
=- i
d0
=
où di est la distance de l'image au miroir, et do est
la distance de l'objet au miroir. (N.B. Certaines
ressources parlent de p et de q au lieu de do et de
di, respectivement.)
L'équation du miroir pour un miroir plan devient,
comme nous l'apprendrons dans la section suivante
:
R = ∞ et
Les tracés des rayons doivent toujours être libellés
correctement. En plus, il faut dessiner proprement,
précisément et employer la bonne échelle.
L'échelle employée dans un diagramme de tracé des
rayons doit être mentionnée explicitement.
Les tracés des rayons permettent de résoudre avec
précision les problèmes d'optique. Les tracés des
rayons sont utiles pour la vérification et permettent
d'avoir un modèle de la situation. On les utilise
aussi pour la dérivation des formules et pour le
développement de méthodes plus complexes de
l'analyse optique.
f = ∞
donc,
1
do
+
1
di
=
1
= 0, d i = - d o et m = + 1
∞
R est le rayon de courbure et f est la distance focale.
L'image qui se forme dans un miroir plan est du
même sens que l'objet, mais intervertie
latéralement (ce qu'on appelle aussi dans
certaines ressources « renversement gauche-droite »
ou « interversion gauche-droite »).
Dans tout système optique, il y a quatre
caractéristiques que l'on doit préciser :
grossissement, sens (même sens ou sens inversé),
type (réel ou virtuel) et position.
Physique 20 – La lumière – P. 131
On peut employer un tracé des rayons pour
déterminer les caractéristiques d'une image formée
par un miroir plan ou formée par d'autres systèmes
optiques.
Si θ = 0o (miroirs parallèles), N tend vers l'infini.
(Cet effet peut parfois être observé dans les miroirs
parallèles des salons de coiffure ou chez le barbier.)
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : image réelle, image
virtuelle, miroir plan, grossissement, tracé des
rayons
•
Identifier les caractéristiques d'une image
formée par un miroir
•
Faire la distinction entre image réelle et image
virtuelle
•
Désigner certains systèmes optiques qui forment
des images réelles ou des images virtuelles
•
Dessiner des tracés de rayons propres, précis et à
la bonne échelle
•
Utiliser correctement, sur les tracés des rayons,
les traits continus et les traits pointillés
•
Interpréter les traits continus et les traits
pointillés sur les tracés des rayons
•
Libeller correctement les tracés des rayons en se
servant des symboles conventionnels
•
Déterminer les échelles convenables des tracés
des rayons
Quand deux miroirs plans sont assemblés à 90o,
trois images virtuelles se forment.
Géométriquement, l'objet et les trois images sont
aux quatre coins d'un rectangle dont le centre est à
l'intersection des deux miroirs. Deux réflexions se
produisent pour former l'image centrale.
•
Résoudre des problèmes en appliquant la formule
du grossissement
Deux miroirs assemblés et formant un angle aigu
produisent un effet kaléidoscopique; il y a alors
formation de plusieurs images.
• Réaliser et expliquer l'importance des tracés des
rayons en optique géométrique
Un trait continu sur un tracé des rayons indique la
trajectoire du rayon lumineux.
Les flèches au bout des traits continus servent à
montrer le sens de propagation de la lumière.
Par convention, les rayons incidents sont
généralement dessinés sur le tracé des rayons
comme se propageant de la gauche vers la droite.
Une ligne pointillée désigne une ligne de
construction. Les rayons lumineux ne voyagent pas
le long des lignes pointillées.
Deux miroirs formant un angle quelconque forment
un nombre d'images donné par l'équation :
N=
360 o
-1
?
où θ est l'angle entre les miroirs et N est le nombre
d'images qui se forment.
P. 132 – Physique 20 – La lumière
• Énoncer les quatre grandes caractéristiques
d'une image que l'on doit toujours considérer
dans n'importe quel système optique
• Montrer sa compréhension des principes
importants rattachés au dessin des tracés des
rayons
• Dessiner des tracés de rayons afin d'analyser et
de résoudre des problèmes d'optique
•
Reconnaître que la résolution des problèmes en
optique demande de combiner des tracés de
rayons et l'application des équations
•
Se servir des tracés de rayons, de concert avec
d'autres méthodes expérimentales et théoriques,
pour déterminer les caractéristiques d'une
image dans un système optique
connaîtra probablement un succès
retentissant si elle est menée habilement.
•
Décrire l'emplacement et le nombre d'images
formées par deux miroirs plans perpendiculaires
Comme activité de prolongement, discuter de
l'emploi des miroirs dans les effets de scène au
théâtre et dans les illusions d'optique.
•
Proposer certaines applications qui exploitent la
production d'images multiples par deux miroirs
ou plus
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Construire un kaléidoscope dans lequel l'angle
entre les miroirs est réglable. Décrire
comment changent les motifs observés quand
on varie l'angle entre les miroirs.
2.
Étudier expérimentalement les
caractéristiques des images formées par un
miroir plan. Illustrer au moyen de tracés des
rayons et expliquer pourquoi un miroir plan
produit une image virtuelle.
3.
Une bonne façon de dessiner des lignes droites
sur un tableau consiste à se servir d'une corde
de charpentier enduite de craie. On trouve des
cordes enduites de craie bleue ou rouge. Elles
permettent d'obtenir plus facilement des
tracés de rayons. Bien tendre la corde aux
deux extrémités et demander à un assistant
de faire claquer la corde afin de laisser une
marque. Au lieu d'une corde de charpentier,
prendre une corde normale et l'enduire de
poussière de craie.
7.
Montrer aux élèves comment utiliser les
tracés de rayons comme outils de confirmation
de la résolution numérique de problèmes.
8.
Réaliser une activité dans laquelle on observe
le nombre d'images formées par deux miroirs
formant un angle de 60o, de 45o et de 30o.
Calculer le nombre d'images formées par deux
miroirs formant entre eux un angle aigu.
Confirmer que les nombres observés
correspondent à ceux calculés avec la formule.
3. Miroirs courbés
Concepts clés
Un miroir courbé peut être considéré comme
l'assemblage d'un très grand nombre de petits
miroirs plans orientés suivant des angles
légèrement différents. Les lois de la réflexion
s'appliquent toujours, quelle que soit la forme ou la
régularité de la surface.
La surface d'un miroir sphérique est une partie
de sphère.
La surface d'un miroir cylindrique a la forme
d'une partie de cylindre.
4.
Suggérer des applications pratiques dans
lesquelles on peut observer l'interversion
latérale d'une image dans un miroir.
Un miroir convergent a une surface
réfléchissante concave. Un miroir divergent a
une surface réfléchissante convexe.
5.
Mettre en évidence la différence entre
interversion latérale et interversion verticale.
On peut facilement les confondre.
Le centre géométrique du miroir est appelé le
sommet (V). Le centre d'une surface réfléchissante
sphérique est appelé le centre de courbure (C).
6.
Prendre un miroir pleine hauteur. Se
positionner de telle façon que les élèves voient
une de vos jambes devant le miroir. Le miroir
doit être suffisamment grand pour qu'il aille
jusqu'à l’entrejambe. En vous appuyant sur la
jambe cachée par le miroir, soulever
légèrement l’autre jambe et se pencher un peu
vers l'avant. La réflexion dans le miroir crée
l'illusion que la jambe arrière est aussi
soulevée : vous « lévitez » littéralement devant
leurs yeux. Porter une cape; avec un
ventilateur, créer un courant d'air qui fait
battre la cape; étendre les bras, pour créer
l'illusion de voler. Cette démonstration
L'axe principal est une droite que l'on dessine sur
un tracé des rayons lumineux. Cet axe passe par le
sommet et le centre de courbure est perpendiculaire
au plan focal.
Le rayon de courbure (R) est la distance entre le
centre de courbure et le miroir.
La distance entre le foyer principal (F) et le
sommet a pour nom distance focale (f).
La relation entre la distance focale et le rayon de
courbure est la suivante :
Physique 20 – La lumière – P. 133
R = 2f
Le foyer principal (F) est un point sur l'axe
principal duquel semblent venir les rayons incidents
parallèles à l'axe ou vers lequel ils semblent
converger.
Le foyer principal est soit réel ou virtuel.
Un point axial est un point se trouvant sur l'axe
principal.
Les rayons paraxiaux sont les rayons qui forment
un angle très faible avec l'axe principal et qui se
tiennent près de l'axe dans la distance entre l'objet
et l'image.
Dans les miroirs sphériques et cylindriques, tous les
rayons incidents parallèles à l'axe principal ne
convergent pas vers le foyer principal (ou ne
semblent pas en être issus). Ceci est causé par
l'aberration sphérique.
Une aberration est un effet optique qui cause une
dégradation de la qualité de l'image.
En théorie, il existe une infinité d'aberrations
optiques. Certaines des plus courantes sont
l'aberration sphérique, l'aberration chromatique,
l'astigmatisme et le coma.
Pour corriger l'aberration sphérique des miroirs, on
a recours à des réflecteurs paraboliques. Un
réflecteur parabolique a la forme d'une parabole.
(Les systèmes Kellner-Schmidt ou les miroirs
« mangin » corrigent l'aberration sphérique.)
Il est impossible d'éliminer toutes les aberrations
dans un système optique, bien que les systèmes
soient généralement étudiés pour éliminer
spécifiquement un ou plusieurs types d'aberrations.
La conception des systèmes optiques recherche la
minimisation des aberrations et la maximisation de
la qualité de l'image.
Règles pour le tracé des rayons dans les
miroirs convergents et divergents : les
remarques entre parenthèses concernent
spécifiquement les miroirs divergents. Les règles n°
1 et n° 2 s'appliquent seulement aux miroirs
paraboliques.
•
Règle n° 1 : Un rayon incident parallèle à l'axe
principal est réfléchi de telle sorte qu'il passe
par le foyer principal (le rayon semble être issu
du foyer principal).
•
Règle n° 2 : Un rayon incident qui passe par le
foyer principal (ou s'y dirige) est réfléchi de telle
sorte qu'il devient parallèle à l'axe principal.
P. 134 – Physique 20 – La lumière
•
Règle n° 3 : Un rayon incident qui passe par le
centre de courbure (ou s'y dirige) est réfléchi
spéculairement et reprend le même trajet.
Les règles n° 1 et n° 2 prises ensemble et la règle n°
3 prise isolément illustrent le principe de
réversibilité. Si un rayon lumineux suit un trajet
particulier dans un système optique, il suivra le
même trajet s'il voyage dans la direction opposée.
Les règles pour le tracé des rayons lumineux
peuvent servir à déterminer les caractéristiques
d'une image formée par un miroir courbé.
L'objet, représenté par une flèche, est dessiné à
l'échelle et est parallèle au miroir. Le pied de la
flèche repose sur l'axe principal.
Des rayons importants sont tracés depuis
l’extrémité de l'objet et sont réfléchis par le miroir
conformément aux règles pour le tracé des rayons
qui s'appliquent aux miroirs courbés.
Les rayons représentent la lumière réfléchie par un
objet ou celle émise par l'objet.
Le point de convergence, réel ou apparent, des
rayons de l’extrémité de l'objet correspond à
l’extrémité de l'image dans ce système optique.
Ces deux points, l’extrémité de l'objet et l’extrémité
de l'image, forment une paire de points
conjugués. Si un objet pouvait être placé à l'endroit
de son image, son image serait située dans la
position originale de l'objet.
La position de l'image est obtenue en traçant
seulement deux des trois rayons critiques. Le
troisième est tracé à titre de confirmation (une
méthode importante).
Cette méthode a pour nom « méthode des rayons
parallèles ». (Ce cours ne traite pas de la méthode
des rayons obliques.)
La méthode des rayons parallèles n'est valable que
pour les images formées par des rayons paraxiaux.
n miroir divergent produit toujours une image
virtuelle de même sens que l'objet, plus petite (m <
+1), située entre le sommet et le foyer principal
(sauf si l'objet est placé sur la surface du miroir.)
La position de l'objet détermine l'emplacement exact
de l'image d'un miroir divergent. Un objet situé
près de l'infini forme une image sur le foyer
principal ou dans le plan focal. Cette remarque est
aussi vraie pour les miroirs convergents.
Les caractéristiques de l'image produite par un miroir divergent dépendent de l'emplacement de l'objet. Le
tableau résume les caractéristiques des images produites par un miroir convergent d'après la position de l'objet.
Caractéristiques de l'image
Position de l'objet
Grossissement
près de l'infini
au-delà de C
en C
entre F et C
entre F et V
en F
< -1
< -1
-1
> -1
> +1
non défini
Sens
Type
Emplacement
inversé
inversé
inversé
inversé
direct
réel
réel
réel
réel
virtuel
en F
entre F et C
en C
au-delà de C
derrière le miroir
(Ces caractéristiques devraient être confirmées expérimentalement et vérifiées avec des tracés des rayons et
l'application des équations. Dissuader ceux qui voudraient les apprendre par cœur.)
Équations des miroirs
Forme de Gauss
Les symboles employés sont les suivants : Ho est la
hauteur de l'objet; Hi est la hauteur de l'image; g
est le grossissement; do (ou p) est la distance entre
l'objet et le sommet (ou la distance entre l'objet et la
lentille); di (ou q) est la distance entre l'image et le
sommet (ou la distance entre l'image et la lentille); f
est la distance focale.
Hi
d
Grossissement linéaire : g =
= - i
Ho
do
Puissance des miroirs et des lentilles (dans les
dioptres) :
P=
1 mètre
où f (mètre) est la distance
f
focale.
Miroir courbé et équation des lentilles :
1
do
+
1
di
=
2
R
puisque f =
R
2
(Les équations s'appliquent aussi bien aux miroirs
qu'aux lentilles. La dérivation des équations à
partir des triangles semblables est facultative.)
Forme de Newton
Les symboles employés sont les suivants : S0 est la
distance entre l'objet et le foyer principal; Si est la
distance entre l'image et le foyer principal.
f
Hi
Si
=
=
(Les dérivations sont
f
Ho
So
facultatives.)
g =
SiSo = f
2
(Certains livres emploient le symbole D pour la
puissance.)
Physique 20 – La lumière – P. 135
L'une ou l'autre de ces formes d'équations (Gauss ou
Newton) peut être exposée avec différentes
ressources approuvées, mais les deux systèmes ne
doivent pas être employés indifféremment. La forme
de Gauss est préférable, mais l'emploi des
réciproques pourra se révéler trop difficile
d'application pour certains élèves. Les fractions
peuvent être converties immédiatement en valeurs
décimales en vue de simplifier les calculs. S0 = do f et Si = di - f peuvent être utilisées, si vous le
voulez, pour démontrer l'équivalence entre les deux
formes d'équations.
Voici les conventions de signes à respecter pour
les équations des lentilles :
1.
La distance focale (f) est positive pour les
miroirs et les lentilles convergentes; elle est
négative pour les divergentes.
2.
La distance objet (do) est positive. (Elle est
négative quand il s'agit d'un objet virtuel.)
3.
La distance image (di) est positive pour toutes
les images réelles et négative pour toutes les
images virtuelles.
4.
Les hauteurs (Ho et Hi) sont positives si elles
sont mesurées de bas en haut à partir de l'axe
principal; elles sont négatives si elles sont
mesurées de haut en bas.
5.
Le grossissement (g) est positif si l'image est
dans le même sens que l'objet il est négatif
quand l'image est inversée.
Les conventions de signes sont indispensables pour
obtenir les bonnes réponses quand on applique les
équations des miroirs. Elles sont nécessaires à
cause des différents types de caractéristiques
d'image que l'on observe avec les miroirs courbés
dans différentes situations.
Les équations, les tracés des rayons et les
techniques expérimentales sont des méthodes
complémentaires qu'on utilise pour trouver les
caractéristiques des images des systèmes optiques.
aberration, aberration sphérique, miroir
parabolique, points conjugués
•
Expliquer le principe de réversibilité
•
Faire la distinction entre surface concave et
surface convexe
•
Tracer le trajet des rayons dans des miroirs
convergents et divergents, en montrant l'axe
principal et les points critiques situés sur l'axe
principal de chacun de ces miroirs
•
Expliquer la différence entre un point focal et
un plan focal
•
Expliquer une façon de corriger l'aberration
sphérique d'un miroir courbé
•
Expliquer la relation entre la distance focale et
le rayon de courbure d'un miroir courbé
•
Résoudre des problèmes en appliquant la
relation entre la distance focale et le rayon de
courbure d'un miroir courbé
•
Mettre en pratique les règles pour le tracé des
rayons dans les miroirs convergents et
divergents (méthode des rayons parallèles) :
placer un objet sur l'axe principal et localiser la
position de l'image et trouver d'autres
caractéristiques de l'image
•
Interpréter les caractéristiques d'une image à
partir d'un tracé des rayons
•
Montrer l'importance et la façon d'utiliser une
procédure de vérification pour les tracés de
rayons et les équations
•
Observer et expliquer que la position de l'image,
tant dans un miroir convergent que dans un
miroir divergent, dépend de la position de l'objet
•
Observer et expliquer que, sauf pour la position
de l'image, toutes les autres caractéristiques
d'une image formée dans un miroir divergent
sont indépendantes de la position de l'objet
•
Observer et expliquer qu'une image formée dans
un miroir convergent dépend de la position de
l'objet
•
Résoudre des problèmes en appliquant les
équations des miroirs
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : miroir convergent,
surface concave, miroir divergent, surface
convexe, sommet, axe principal, plan focal,
centre de courbure, rayon de courbure, distance
focale, rayons parallèles, point axial, foyer
principal, miroir sphérique, miroir cylindrique,
P. 136 – Physique 20 – La lumière
•
•
Appliquer correctement la convention des signes
dans les équations des miroirs durant la
résolution de problèmes
Déterminer la distance focale du miroir. (La
source lumineuse doit être légèrement excentrée
si l'image est entre le miroir et l'objet éclairé;
sinon l'écran qui sert à repérer l'image bloquera
la lumière qui se propage de l'objet vers le
miroir. Une autre manière d’éviter ceci est
d'employer un écran percé d'un trou au centre
et de le couvrir d'une pellicule transparente ou
d'un écran mince.)
Réaliser que le tracé des rayons et l'emploi des
équations sont des techniques qui découlent des
résultats de l'expérimentation
Répéter la même opération pour un miroir
convexe; décrire les caractéristiques de l'image
et comparer les résultats avec ceux obtenus
pour le miroir concave.
2.
Déterminer expérimentalement les
caractéristiques d'une image formée dans un
miroir convergent. Les vérifier en traçant les
rayons ou en utilisant les équations.
Un banc optique peut servir à développer les
équations des lentilles. C'est une excellente
occasion pour les élèves de renforcer leur
capacité à appliquer leurs connaissances de
l'analyse graphique et numérique.
3.
Expliquer la nécessité de recourir à une
convention des signes quand on résout des
problèmes au moyen des équations des lentilles.
4.
Dans la forme de Gauss, les formules suivantes
permettent d’éviter de manipuler des grandeurs
réciproques dans les équations des lentilles :
d0 ⋅ di
d0 + di
do⋅ f
d ⋅f
, d0 = i
di =
do - f
di - f
pq
f =
p+q
pf
qf
q =
, p =
p- f
q- f
f =
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Effectuer une activité qui étudie la formation
des images dans les miroirs convergents et les
miroirs divergents.
À titre d'activité d'enrichissement, demander aux
meilleurs élèves d'essayer de dériver ces relations.
Monter un miroir concave à l'extrémité d'un
banc optique. Trouver les positions des images
d'un objet éclairé placé à différentes distances
du miroir. Décrire les caractéristiques de
l'image pour tous les cas possibles. Tracer les
rayons pour chacun des cas possibles.
Physique 20 – La lumière – P. 137
C. Réfraction
1. Loi de Snell-Descartes
Concepts clés
La réfraction est l'inflexion de la lumière qui se
produit à la frontière (surface de réparation)
entre deux milieux ayant des indices de réfraction
différents. La réfraction est causée par un
changement de la vitesse de la lumière quand celleci quitte un milieu pour pénétrer dans un autre.
La frontière est la surface qui sépare un milieu d'un
autre milieu.
À la frontière, un rayon incident peut subir une
réflexion partielle ou, dans certaines situations,
une réflexion totale interne.
Il y a réflexion et réfraction quand la lumière frappe un
milieu plus réfractif.
Lois de la réfraction :
1.
Le rapport des sinus des angles d'incidence et de
réfraction est une constante (loi de SnellDescartes). (Le rapport est constant pour une
longueur d'onde particulière et pour une paire
précise de matériaux.)
2.
Les rayons incident et réfracté sont de part et
d'autre de la normale au point d'incidence.
3.
Le rayon incident, la normale et le rayon
réfracté sont coplanaires.
Si le rayon incident frappe la surface selon la
normale à cette dernière, il n'y a pas d'inflexion.
Le rayon incident est le rayon qui se dirige vers
la surface de séparation. Il frappe la frontière au
point d'incidence. Le rayon réfracté est le rayon
qui s'éloigne de la frontière en s'enfonçant dans le
second milieu.
Le rayon réfléchi est le rayon qui subit une
réflexion partielle (ou totale) à la surface de
séparation. La normale est une ligne de
construction tracée perpendiculairement à la
frontière au point d'incidence.
L'angle d'incidence (i) est l'angle entre le rayon
incident et la normale. L'angle de réflexion (r) est
l'angle entre la normale et le rayon réfléchi.
L'angle de réfraction (R) est l'angle entre la
normale et le rayon réfracté.
Certains livres utilisent le symbole r pour désigner
l'angle de réfraction. L'utilisation du même symbole
pour désigner l'angle de réflexion et l'angle de
réfraction est une pratique qui porteà confusion et il
est fortement recommandé de s'en abstenir.
P. 138 – Physique 20 – La lumière
Loi de Snell-Descartes :
sin i
= n où n est une
sin R
constante.
(La constante est le rapport des vitesses de la
lumière dans les deux milieux.)
Forme générale :
sinθ 1 n2
=
sinθ 2 n1
n2 v 1
=
n1 v 2
ou bien n1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2
n=
(L'indice de réfraction absolu pour un milieu connu
est ainsi défini : n = c/v, où c est la vitesse de la
lumière dans le vide, v est la vitesse de la lumière
dans le milieu. En outre, le rapport n2/n1 est appelé
indice de réfraction relatif.)
L'indice 1 est généralement attribué au milieu
parcouru par le rayon incident, l'indice 2 au milieu
du rayon réfracté. L'équation est valable quel que
soit le sens de propagation de la lumière entre les
deux milieux (c’est-à-dire que le principe de la
réversibilité s'applique ici).
Si la lumière voyage d'un milieu moins réfringent
vers un milieu plus réfringent (c.-à-d. n2 > n1), le
rayon réfracté sera infléchi vers la normale.
Le terme densité optique, que l'on rencontre
parfois, est trompeur et il est à éviter. Il n'y a
aucun rapport entre la densité de masse d'un milieu
et sa soi-disant densité optique. Par exemple, le
benzène et l'huile de maïs qui surnagent, ont des
indices de réfraction supérieurs à celui de l'eau. La
densité optique se réfère à la transparence du milieu
et n'a aucun rapport avec l'indice de réfraction.
Les expériences de Newton ont mis en évidence la
dispersion de la lumière solaire en un spectre (et
sa recombinaison en lumière blanche). La
lumière du Soleil est un mélange de plusieurs
composantes de différentes longueurs d'onde.
Un milieu dispersif est un milieu dans lequel des
rayonnements lumineux de différentes longueurs
d'onde ont différents indices de réfraction. Par
exemple, le verre crown est un milieu dispersif
puisque l'indice de réfraction de la lumière violette
dans ce contenant est supérieur à celui de la
lumière rouge. Cette propriété produit l'aberration
chromatique. (Les fabricants de verre optique
spécifient généralement l'indice de réfraction de la
raie D de la lumière jaune du sodium.)
La lumière qui passe dans un prisme
rectangulaire peut subir une déviation latérale.
Dans un prisme à côtés non parallèles, la déviation
est décrite par l'angle de déviation entre le rayon
incident entrant dans le prisme et l'angle de sortie
du prisme.
On trouve de nombreux exemples de réfraction et de
réflexion interne totale dans des phénomènes
courants et des applications pratiques. (Les élèves
devront en découvrir et en analyser plusieurs euxmêmes.)
•
Dessiner et annoter un diagramme qui illustre
le trajet des rayons lumineux quand se produit
une réfraction
•
Énoncer les trois lois de la réfraction
•
Résoudre des problèmes sur la réfraction en
appliquant la loi de Snell-Descartes
•
Réaliser que le sens d'inflexion d'un rayon
lumineux réfracté dépend de l'indice de
réfraction relatif d'un milieu par rapport à
l'autre
•
Expliquer la cause de l'aberration chromatique
•
Résoudre des problèmes concernant la réfraction
de la lumière
•
Trouver dans la vie de tous les jours plusieurs
applications et exemples qui illustrent le
phénomène de la réfraction de la lumière
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Effectuer une activité destinée à étudier la
réfraction de la lumière.
2.
Illustrer au moyen d'expériences le fait que la
lumière solaire, quand elle pénètre dans un
milieu dispersif comme un prisme, subit une
dispersion.
3.
Expliquer ou employer les techniques
expérimentales utilisées par Newton pour
étudier la dispersion de la lumière solaire par
un prisme et la recombinaison du spectre.
4.
Effectuer une activité destinée à étudier la
déviation latérale de la lumière dans un prisme
rectangulaire.
5.
En se servant d'un prisme en verre équilatéral
ou d'un autre appareil, déterminer l'indice de
réfraction d'un type de verre ou d'un autre
milieu.
6.
Concevoir une expérience destinée à déterminer
l'indice de réfraction dans une diversité de
substances solides et liquides. Certains élèves
pourront construire des cubes ou des prismes en
plexiglas qu'ils rempliront de différents liquides
transparents afin d'étudier la réfraction.
7.
Concevoir une expérience destinée à étudier la
concentration d'une solution de sucre et son
indice de réfraction.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : réfraction,
frontière, surface de séparation, réflexion
partielle, point d'incidence, rayon réfracté, angle
de réfraction, spectre, dispersion, milieu
dispersif, aberration chromatique, déviation
latérale, angle de déviation
•
Expliquer la raison de la réfraction
•
Expliquer pourquoi un rayon incident qui se
propage selon la normale à la surface n'est pas
infléchi
Physique 20 – La lumière – P. 139
8.
9.
Verser lentement de l'eau renfermant une
suspension colloïdale sur une couche de cristaux
de sucre au fond d'un aquarium, en s’efforçant
de ne pas créer trop de turbulence dans l'eau.
Attendre que se forme un gradient de
concentration dans la solution de sucre. Prédire
ce qui se produira quand un faisceau de lumière
éclairera la solution. Diriger un faisceau à
travers la surface. Expliquer la trajectoire
courbée du faisceau dans le liquide.
Un faisceau laser constitue une excellente
source de lumière servant à diverses
démonstrations en optique. La technologie
moderne a réduit la taille et le prix de cette
source de lumière. Envisager d'en acheter un
pour le laboratoire de sciences.
L'angle limite (ic ) peut être déterminé à partir de la
forme générale de la loi de Snell-Descartes
Pour l'angle limite, <R = 90o, sin R = 1 et
sin i c
n
= 2
sin 90o n1
sin 90o = 1
donc, sin ic =
n2
n1
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
2. Réflexion totale interne
•
Définir les termes suivants : réflexion totale
interne, angle limite
•
Résoudre des problèmes concernant la réfraction
de la lumière
•
Réaliser qu'il existe des situations où se produit
la réflexion totale
La réflexion totale n'est possible que si la lumière se
propage d'un milieu plus réfringent vers un milieu
moins réfringent (c.-à-d. n2 < n1 ).
•
Déterminer l'angle limite pour la lumière qui
traverse un certain milieu pour se rendre dans
un autre
À mesure que l'angle d'incidence croît, l'angle de
réfraction se rapproche de 90o.
•
Réaliser que l'angle limite est fonction de
l'indice de réfraction relatif de deux milieux
•
Expliquer comment réagit un rayon incident se
propageant vers un milieu d'indice de réfraction
plus faible, si l'angle d'incidence est inférieur à
l'angle limite, égal à l'angle limite ou supérieur
à l'angle limite
Concepts clés
Un rayon incident qui frappe la surface séparant un
milieu plus réfringent et un milieu moins réfringent
selon un angle supérieur à l'angle limite subit une
réflexion totale interne.
L'angle limite est l'angle d'incidence pour lequel
l'angle de réfraction est 90o. Pour cet angle, le rayon
réfracté repart parallèlement à la surface de
séparation.
Le rayon incident subit une réflexion totale interne
quand l'angle d'incidence est supérieur à l'angle
limite.
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
Si l'angle d'incidence est inférieur ou égal à l'angle
critique, le rayon réfracté est dévié en s'éloignant de
la normale (à condition que n2 < n1 ).
1.
Démontrer la réflexion totale interne. Certains
élèves n'auront peut-être pas réalisé qu'ils ont
déjà vu ce phénomène auparavant.
Un indice de réfraction relatif élevé (le rapport
n2/n1) se traduit par un angle limite plus petit.
2.
Demander aux élèves, en groupe ou
individuellement, d'explorer l'application de la
fibre optique dans les systèmes de
communication.
P. 140 – Physique 20 – La lumière
Unité obligatoire IV : La chaleur
Vue d'ensemble de l'unité
Le transfert de chaleur et d'énergie était un
phénomène bien compris bien avant que soit
développée la théorie cinétique moléculaire. La
maximisation du rendement dans les
transformations énergétiques a joué un rôle
essentiel dans le développement d'une société
fortement industrialisée durant la Révolution
industrielle.
La présente unité traite du rapport entre chaleur et
température, de la chaleur latente, de la chaleur
spécifique et des principes de la thermodynamique.
Il est conseillé d'éviter un traitement qui insisterait
trop sur les relations mathématiques. C'est tout
particulièrement le cas de la section sur la
thermodynamique, qui devrait être traitée de façon
descriptive. L'accent dans cette unité portera sur le
développement descriptif de la théorie cinétique
moléculaire et sur la réalisation de travaux qui
permettent d'acquérir des connaissances de base en
calorimétrie.
D1
D3
D4
D5
D6
la science et la technologie
les effets de la science et de la technologie
la science, la technologie et l'environnement
le manque de compréhension du public
les ressources pour la science et la technologie
E3 savoir utiliser le matériel prudemment
E10 savoir mesurer la température
F3 la recherche des données et de leur
signification
F5 le respect de la logique
F7 le besoin de vérifier
G1 s'intéresser à la science
G2 devenir plus confiant
G3 continuer d'étudier
Objectifs généraux de la physique et
objectifs des apprentissages
essentiels communs
La différence entre énergie thermique et
température jette souvent la confusion parmi les
élèves. Il faut l'exposer précisément dans cette
section et s'efforcer de renforcer sa compréhension.
L’élève sera capable de :
•
Montrer sa compréhension de la théorie
cinétique moléculaire
Facteurs de l'alphabétisme
scientifique à développer
•
Expliquer comment les théories sont utilisées en
science
•
Effectuer des expériences destinées à étudier
l'énergie thermique
•
Prendre les moyens de garder à jamais le goût
d'approfondir ses connaissances
•
Reconnaître la nécessité de contrôler des
variables durant les expériences
•
Démontrer l'importance d'effectuer des mesures
précises et de faire des observations minutieuses
au cours des expériences
•
Réaliser les rôles essentiels des analyses
quantitative et qualitative des données dans les
recherches scientifiques
•
Faire preuve de respect pour l'environnement et
pour toutes les formes de vie
•
Exploiter une large gamme de possibilités afin
d'accroître sa connaissance des principaux
concepts de physique (COM)
A1
A2
A5
A9
publique/privée
historique
empirique
reliée à l'être humain/à la culture
B2
B9
B10
B11
B13
B15
B20
B29
l'interaction
la reproduction des résultats
la cause et l'effet
la prévisibilité
l'énergie et la matière
le modèle
la théorie
le gradient
C2
C4
C5
C6
C8
C9
C14
C15
la communication
la coopération
la mesure
la mise en question
la formulation d'hypothèses
l'inférence
la résolution de problèmes
l'analyse
Physique 20 – La chaleur – P. 141
•
•
Prendre conscience de l'utilisation exacte et
erronée des concepts mathématiques dans la vie
de tous les jours (NUM)
Se servir de son imagination, de son intuition et
de ses habiletés en vue d'évaluer des idées, des
processus, des expériences et des objets dans des
contextes significatifs (CRC)
•
Développer une vision contemporaine de la
technologie (TEC)
•
Favoriser le respect de soi et des autres (VAL)
•
Accéder à l'information (AUT)
A. Chaleur et température
Concepts clés
La théorie cinétique moléculaire est un modèle
pratique pour décrire l'énergie thermique, la
chaleur et la température.
Certaines théories reposent sur des postulats. Un
postulat est un énoncé que la communauté
scientifique accepte comme étant vrai.
Voici les grands postulats de la théorie cinétique
moléculaire :
•
Toute matière est constituée d'atomes.
•
Les atomes peuvent se grouper pour former des
molécules.
•
Les solides conservent généralement leur forme
et leur volume.
•
Les liquides conservent leur forme, mais pas
leur volume.
•
Les gaz ne conservent ni leur forme ni leur
volume. Ils peuvent prendre de l'expansion et
remplir des récipients de n'importe quelle
taille.
•
Le mouvement moléculaire est aléatoire.
•
Le mouvement moléculaire est très actif dans
les gaz, un peu moins dans les liquides et
encore moins dans les solides.
•
Les collisions entre atomes et molécules
provoquent des transferts d'énergie entre eux.
•
Les molécules en mouvement possèdent de
l'énergie cinétique.
•
Les molécules gazeuses n'exercent pas des
forces importantes les unes sur les autres, sauf
lors d'une collision.
À mesure que l'on collecte des informations en
science, on élabore de nouvelles théories, ou on
développe, confirme ou rejette les théories
existantes.
Plusieurs phénomènes observables viennent étayer
la théorie cinétique moléculaire.
Une théorie est un réseau d'idées ou un domaine
de connaissances abstraites qui tente d'expliquer la
raison d'être de certains phénomènes. Un principe
P. 142 – Physique 20 – La chaleur
ou une loi est un énoncé de conditions
particulières ou de relations qui existent dans la
nature.
En science, les modèles sont utiles pour illustrer
des concepts théoriques ou complexes.
température croît sur cette échelle comme sur
l'échelle en degrés Celsius (1 K = 1 oC).
Pour passer des degrés Celsius aux degrés Kelvin,
on utilise la formule :
K = o C + 273
L'énergie thermique est la moyenne des énergies
potentielle et cinétique que possèdent les atomes et
les molécules qui se déplacent de façon aléatoire.
La chaleur est transférée par convection,
conduction ou rayonnement.
La chaleur est l'énergie thermique transférée d'un
objet à un autre par suite d'une différence de
température. Certains documents ne font pas de
distinction entre chaleur et énergie thermique. Il
n'est pas nécessaire de faire autant ressortir la
différence entre chaleur et énergie thermique que la
différence entre chaleur et température.
Qchaleur = ∆ Ethermique
L'énergie thermique se mesure en joules.
Il n'existe pas de méthode de mesure directe de la
chaleur. Il faut recourir à des méthodes indirectes.
La température est une mesure de l'énergie
cinétique moyenne des molécules d'une substance.
La température peut être mesurée avec un
thermomètre.
Une façon d'étalonner un thermomètre est
d'exploiter la dilatation et la contraction
thermiques qui se produisent dans un type de
substance connue.
Les thermomètres sont limités par les propriétés
physiques de la substance avec laquelle on les
fabrique (p. ex. : un thermomètre à alcool a peu
d'utilité au-delà du point d'ébullition de l'alcool, et
un thermomètre au mercure est inutilisable sous le
point de congélation du mercure.)
L'échelle en degré Celsius est de pratique courante
pour la mesure des températures. Cette échelle a été
étalonnée en exploitant les propriétés physiques de
l'eau pure. Le point de congélation normal de l'eau a
été fixé arbitrairement à 0 oC et le point d'ébullition
normal de l'eau a été fixé arbitrairement à 100 oC.
Des traits de graduation linéaire indiquent des
variations égales sur l'échelle.
L'échelle de Kelvin, dite aussi échelle absolue, a
comme point fixe 0 K le zéro absolu (-273,5 oC). La
La dilatation thermique n'est pas la même pour
toutes les substances.
La dilatation linéaire d'un solide dépend de sa
longueur initiale, du changement de température et
du type de matériau employé.
Pour la plupart des solides, leur dilatation linéaire
est directement proportionnelle au changement de
température ∆ T. La variation de la longueur ∆ L
est aussi proportionnelle à la longueur initiale (Lo) :
∆ L = α Lo ∆ T
α est appelé le coefficient de dilatation linéaire
et il est mesuré en oC-1 ou en K-1.
Le coefficient de dilatation linéaire est différent
selon le matériau. (Pour un certain matériau, les
valeurs de a pour différentes fourchettes de
températures varient tellement peu que l'on peut
considérer que c'est une constante, sauf dans les cas
où on veut une précision extrême.)
La dilatation thermique des matériaux doit être
prise en considération lors de la conception de
certains types de structures.
La dilatation volumique est un aspect très
important dans les gaz. (Il est de la plus haute
importance de réaliser les risques d'accidents que
peut provoquer un accroissement de la pression
dans des contenants fermés.)
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : énergie
thermique, chaleur, température, convection,
conduction, rayonnement, dilatation
thermique, dilatation linéaire, coefficient de
dilatation linéaire
•
Identifier certains postulats essentiels de la
théorie cinétique moléculaire
•
•
Préciser le sens du mot « théorie »
Expliquer que l'acquisition de nouvelles
connaissances vient étayer une théorie, la
modifier ou la rejeter pour lui substituer une
Physique 20 – La chaleur – P. 143
théorie prédisant mieux les preuves
expérimentales
•
Décrire la différence entre une théorie et une
loi
•
Donner un exemple de phénomène observable
qui vient étayer la théorie cinétique
moléculaire
•
Expliquer la différence entre chaleur et
température
•
Indiquer les bonnes unités de mesure de la
chaleur et de la température
•
Expliquer que la chaleur n'est pas une
grandeur que l'on peut mesurer directement,
alors que la température peut l'être
•
Signaler qu'un thermomètre, à l'instar de tous
les autres appareils de mesure, doit être
étalonné d'une certaine manière
•
Réaliser les limites de certains matériaux
utilisés dans la fabrication de thermomètres
•
Expliquer les points de référence retenus pour
étalonner l'échelle en degrés Celsius
•
Comparer l’échelle en degrés Celsius et l’échelle
de Kelvin
•
Convertir en degré Kelvin une température
exprimée en degré Celsius
•
Signaler que les substances ont des dilatations
thermiques différentes
•
Spécifier trois facteurs importants qui
déterminent la dilatation linéaire d'un
matériau
•
Énoncer les bonnes unités du coefficient de
dilatation linéaire
•
Réaliser que le coefficient de dilatation linéaire
dépend des propriétés physiques exclusives des
diverses substances
•
Suggérer certaines applications dans lesquelles
la compréhension de la dilatation thermique
pourrait être extrêmement utile
•
Reconnaître des situations pouvant présenter
des risques à cause de la dilatation thermique
des matériaux, particulièrement quand la
dilatation de gaz dans un récipient fermé
s'accompagne d'une élévation de la pression
•
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Examiner qualitativement l'équivalent
mécanique de la chaleur. Placer une quantité
d'eau que vous aurez mesurée dans un
contenant de crème glacée ou dans un autre
grand récipient. Au moyen d'un batteur
électrique, agiter l'eau pendant une période de
temps donnée. Enregistrer la température
finale de l'eau.
Cette activité peut également servir dans le
programme de Physique 30, section des
transformations d'énergie. Calculer l'énergie
fournie au batteur. Calculer l'énergie
transmise à l'eau. Déterminer l’efficacité de ce
système pour chauffer l'eau. Utiliser un
batteur électrique dans un calorimètre pour
voir si le rendement change. Les élèves
pourront se lancer dans un projet « compétitif »
dans lequel les équipes s'efforcent de dessiner
l'appareil qui élève le plus rapidement la
température d'une quantité connue d'eau
chambrée à une température finale spécifiée,
en fournissant seulement de l'énergie
mécanique au système.
2.
Placer une balle d'acier dans un cylindre en
carton. Sceller les deux extrémités. Agiter
vigoureusement le tube pendant quelques
minutes. Retirer la balle et la placer dans
l'eau. Mesurer la température de l'eau. Cette
activité convient bien quand on traite de sujets
comme les transformations, la chaleur
spécifique et les principes de la
thermodynamique.
3.
Étudier diverses conceptions de maisons
solaires actives et passives.
4.
Effectuer une activité basée sur un modèle
destiné à examiner les divers postulats de la
théorie cinétique moléculaire.
5.
Expliquer que le thermomètre fonctionne en
exploitant certaines propriétés physiques
uniques à la substance utilisée pour le
fabriquer.
Donner quelques exemples de la façon dont les
modèles permettent d'exprimer concrètement
des idées abstraites.
6.
P. 144 – Physique 20 – La chaleur
Résoudre des problèmes relatifs à la chaleur, à
la température et à la dilatation thermique
7.
Étudier la valeur isolante et le prix de
différents types de matériaux isolants
commerciaux. Comparer le coût pour isoler une
surface donnée d'après la valeur RPI de
différents isolants.
8.
Demander aux élèves de se convaincre de
l'importance de la dilatation thermique dans
certaines applications.
9.
Placer un tube capillaire fin et un
thermomètre dans un bouchon à deux
ouvertures. Sceller le bouchon et le placer sur
un erlenmeyer rempli d'eau colorée. Chauffer
doucement le liquide. (Attention : Ne pas
laisser bouillir l'eau, la pression pourrait
croître dans la fiole.) Enregistrer la hauteur de
la colonne de liquide en fonction de la
température. Calculer le coefficient de
dilatation du volume dans le liquide.
10. Concevoir un dispositif d'amplification avec
lequel vous pouvez mesurer les petites
dilatations des solides ou des liquides en
fonction de la température. (Une solution
possible consiste à encastrer une tige de fer à
une extrémité et d'appuyer l'autre sur un
rouleau. Fixer selon l'axe du rouleau un long
pointeur ou un miroir qui réfléchit un faisceau
lumineux sur une échelle de mesure distante,
comme dans un galvanomètre à miroir.)
14. Comparer la chaleur de combustion de divers
types d'huiles en se servant de « uncandles »
ces petits anneaux de plastique garnis d'une
mèche qui flotte sur l'huile. Chauffer un
échantillon d'eau de poids déterminé à l'avance
avec une quantité d'huile connue. En se
fondant sur le changement de température de
l'eau, déterminer la chaleur de combustion de
l'huile.
15. Étudier la flamme d'un brûleur Bunsen avec
un petit thermocouple connecté à un
ampèremètre sensible. Interpréter les
résultats. La température de la flamme n’est
pas la même partout.
La flamme peut aussi être étudiée avec des
bâtonnets de bois placés horizontalement à
différentes hauteurs. L'aspect du
roussissement sur les bâtonnets sert
d'indication des différentes zones de
température dans la flamme. Placer une
allumette dans la flamme. À certains endroits
dans la flamme, le bois de l'allumette
commence à brûler avant que la tête s'allume,
ce qui est le signe que certaines zones de la
flamme sont plus chaudes que d'autres.
11. Un radiomètre de Crookes est un appareil très
bon marché qui illustre la transformation de la
lumière en chaleur. L'énergie dûe au
rayonnement fait tourner les ailettes se
trouvant à l'intérieur du tube à vide.
12. Examiner diverses façons de concevoir les
routes, les immeubles et d'autres ouvrages afin
de prendre en considération la dilatation et la
contraction des volumes.
13. Prendre deux boîtes métalliques ayant des
couvercles qui se vissent. Dans chaque
couvercle, percer un trou suffisamment grand
pour y insérer un bouchon de caoutchouc
retenant un thermomètre. Vaporiser de la
peinture noire sur une des boîtes et laisser
l'autre avec son fini brillant. Placer les deux
récipients au soleil et enregistrer le
changement de température avec le temps. À
titre de variante, placer une quantité connue
d'eau dans chaque récipient, en s’assurant que
la température initiale est la même dans les
deux contenants. Ensuite, les mettre au soleil
et enregistrer le changement de température
avec le temps. Autre expérience possible :
remplir chaque boîte d'eau chaude et comparer
le refroidissement de la boîte brillante à celle
peinte en noir.
Physique 20 – La chaleur – P. 145
B. Chaleur spécifique et
chaleur latente
Concepts clés
La chaleur spécifique (ou capacité thermique
massique) (c) est la quantité de chaleur nécessaire
pour élever d'un degré la température d'une unité
de masse d'une substance.
Q
c=
m ∆T
Les caractéristiques physiques uniques de l'eau ont
donné lieu à plusieurs applications intéressantes et
essentielles. Exposer plusieurs de ces
caractéristiques. Chaque fois que cela est possible,
suggérer certaines conséquences de ces
caractéristiques de l'eau sur l'environnement.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : chaleur spécifique
(ou capacité thermique massique), chaleur
latente spécifique, chaleur latente de fusion,
chaleur latente de vaporisation
•
Résoudre des problèmes relatifs à la chaleur
spécifique et à la chaleur latente spécifique
•
Distinguer entre chaleur spécifique et chaleur
latente
•
Se servir des bonnes unités de la chaleur
spécifique et de la chaleur latente spécifique
•
Indiquer plusieurs propriétés physiques
uniques de l'eau
•
Déduire certaines conséquences sur
l'environnement découlant des propriétés
physiques de l'eau
ou bien ∆ Q = mc∆T
où ∆Q est le changement de la quantité de chaleur
en joules, m est la masse en kg, c est la chaleur
spécifique en J/(kg oC) et ∆T est le changement de
température en oC ou en K.
L'unité dérivée de c, la chaleur spécifique, est le
J/(kg oC).
La chaleur spécifique d'une substance est fonction
de sa structure moléculaire et de sa phase.
La chaleur latente spécifique d'une substance
est la quantité de chaleur nécessaire pour entraîner
le changement de phase d'une unité de masse de la
substance.
EL = ml où EL est la chaleur transférée en joules, m
est la masse en kilogrammes et l est la chaleur
latente en joules par kilogramme.
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
L'unité SI de la chaleur latente spécifique est le
J/kg.
1.
La chaleur latente de fusion est la quantité
d'énergie thermique dégagée par 1 kg de substance
solide (p. ex. quand elle fond) sans qu'il y ait
changement de température.
Effectuer une activité destinée à trouver la
chaleur spécifique d'une substance. Voir le
point suivant qui propose une méthode.
2.
Mesure un volume d'eau froide. Placer l'eau
dans un calorimètre. Mesurer sa température
initiale. Chauffer un objet métallique de masse
connue dans un bécher d'eau bouillante assez
longtemps pour que l'objet en métal atteigne la
température d'ébullition de l'eau. (Au moment
où l'objet métallique est déposé dans l'eau
bouillante, il se peut que l'ébullition cesse.
Attendre que l'eau se soit remise à bouillir).
Avant de transférer le métal dans le
calorimètre, l’attacher au moyen d’une ficelle.
L'utilisation de longues pinces métalliques pour
transférer l'objet pourrait avoir un effet sur
l'échange de chaleur. Transférer l'objet
métallique dans le calorimètre. Enregistrer la
température de l'eau dans le calorimètre après
le transfert de chaleur. Déterminer la chaleur
spécifique du métal. Répéter l’opération avec
différents métaux. À partir des résultats
La chaleur latente de vaporisation est la
quantité d'énergie thermique nécessaire pour
transformer à l'état de vapeur 1 kg d'une substance
sans qu'il y ait changement de température.
L'eau possède l'une des chaleurs latentes de fusion
des plus élevées qui soient.
L'eau manifeste un comportement anormal.
Quand on la chauffe de 0 oC à 4 oC, elle se contracte.
De plus, elle se dilate quand elle gèle. La dilatation
a pour effet de diminuer la densité, ce qui fait que la
glace flotte sur l'eau. De plus, l'eau possède une
capacité d'une chaleur spécifique plus élevée que les
autres liquides.
P. 146 – Physique 20 – La chaleur
expérimentaux, élaborer qualitativement le
principe de l'échange de chaleur, objet de la
section C sur la thermodynamique.
3.
Effectuer une activité destinée à étudier la
chaleur latente spécifique de fusion (ou la
chaleur latente spécifique de vaporisation, ou
les deux) d'une substance précise.
Tracer un schéma conceptuel qui établisse un
lien entre cette activité et le programme de
Biologie 20.
9.
Concevoir un chauffe-eau solaire passif. Il faut
que la solution choisie optimise la quantité
d'énergie thermique que peut absorber une
quantité donnée d'eau. Comparer l'efficacité des
solutions élaborées par différents groupes.
Répéter l'expérience précédente avec de la glace
afin de trouver la chaleur latente spécifique de
la glace.
4.
Fournir aux élèves quelques caractéristiques
uniques de l'eau et voir comment elles ont
rendu possible l'apparition de la vie sur notre
planète. Par exemple mener une séance de
remue-méninges afin de trouver ce qui
arriverait si l'eau d'un grand lac gelait de part
en part en hiver ou si l'eau gelait à une
température inférieure à 0 °C.
5.
Supposer qu'une personne boive une tasse de
café. Concevoir une expérience destinée à
déterminer s'il est préférable d’ajouter le lait
(ou la crème) au café et d'attendre cinq
minutes, ou de laisser le café noir se refroidir
pendant cinq minutes avant de verser le lait
(ou la crème). Dans quelle situation, le café
sera-t-il le plus froid au bout de cinq minutes?
D'autres variables, comme le type de
contenant, la température initiale du café ou le
type de café (café obtenu au percolateur, infusé
ou instantané), doivent être contrôlées.
6.
Prendre trois échantillons de métaux différents,
mais de même masse; les chauffer ensemble
dans l'eau jusqu'à ce que chacun d'eux ait
atteint la température d'ébullition de l'eau.
Avec soin, retirer chacun de ces échantillons et
les déposer sur une feuille de cire. Les laisser se
refroidir. Observer la profondeur à laquelle
s'enfonce chaque échantillon dans la cire. Le
métal ayant la chaleur spécifique la plus élevée
fera fondre une plus grande quantité de cire et
s'enfoncera plus profondément. Se servir de
cette expérience comme démonstration simple
et efficace ou bien comme activité de groupe
pour renforcer le concept.
7.
Lors d'une séance de remue-méninges,
suggérer certaines façons d'exploiter, par le
biais d’applications intéressantes et pratiques,
les caractéristiques physiques uniques de l'eau.
8. La chaleur perdue dans les procédés industriels
cause parfois de la pollution thermique.
Rechercher des solutions qui utilisent la chaleur
perdue, au lieu de la libérer dans la nature.
Physique 20 – La chaleur – P. 147
C. Thermodynamique
Concepts clés
N.B. Le traitement de cette section sur la
thermodynamique doit être descriptif. Un
traitement mathématique rigoureux du sujet ne fait
pas partie des objectifs visés.
Il y a transfert de chaleur quand on permet à des
substances se trouvant à des températures
différentes de se mélanger.
Quelle que soit la transformation d'énergie, la
quantité d'énergie totale demeure constante. C'est
ce qu'on appelle le principe de la conservation de
l'énergie.
Quand on permet à deux substances se trouvant à
des températures différentes de se mélanger, la
chaleur se propage de la substance la plus chaude à
celle la plus froide. La quantité de chaleur cédée par
la substance la plus chaude est gagnée par la
substance la plus froide, si aucune déperdition
d'énergie ne se produit dans le milieu ambiant. Le
transfert d'énergie se poursuit jusqu'à ce que les
deux substances aient atteint la même température.
C'est ce qu'on appelle le principe de l'échange de
chaleur.
Énergie thermique perdue = énergie thermique
gagnée
EH(perdue) = EH(gagnée)
Pour étudier l'échange de chaleur, il faut concevoir
une expérience dont les conditions sont
rigoureusement contrôlées afin d'éviter que de la
chaleur s'échappe dans le milieu ambiant.
Un calorimètre est un récipient isolé qui sert à
mesurer précisément la quantité de chaleur
échangée.
Le contrôle rigoureux des variables et des conditions
expérimentales, des mesures précises et une analyse
quantitative des données sont des techniques
expérimentales importantes que l'on met en œuvre
en physique.
Dans les recherches scientifiques, l'analyse
quantitative et l'analyse qualitative des
données expérimentales ont toutes les deux un rôle
important à jouer.
Deux systèmes en équilibre thermique avec un
troisième sont aussi en équilibre thermique l'un
avec l'autre. (Principe zéro de la thermodynamique).
P. 148 – Physique 20 – La chaleur
La quantité de chaleur transférée à un système
équivaut au travail fait par le système auquel
s’ajoute le changement de l'énergie interne du
système (premier principe de la thermodynamique
ou principe de la conservation de l'énergie.)
Un moteur thermique, comme une machine à
vapeur, est un dispositif qui convertit de l'énergie
thermique en travail mécanique.
Le sens naturel de la propagation de la chaleur est
du plus chaud vers le plus froid (deuxième principe
de la thermodynamique).
Quand l'énergie est convertie d'une forme en une
autre, la capacité d'effectuer du travail ne peut
qu'être perdue; elle ne sera jamais gagnée. En
d’autres termes, aucun dispositif ne transfère
complètement sa chaleur en travail. Pour cette
raison, il est impossible de réaliser un moteur
thermique parfait. (Une pompe à chaleur
thermique a besoin de travail pour faire passer de
l'énergie thermique d'une basse température à une
température plus élevée. Ainsi, le second principe de
la thermodynamique fixe des limites aux possibilités
de transformation de la chaleur en travail.)
L'entropie d'une substance pure et monocristalline
est zéro au zéro absolu (troisième principe de la
thermodynamique).
Aussi bien du point de vue pratique que théorique,
le zéro absolu est impossible à atteindre. (Certains
livres de physique appellent ce fait le « troisième
principe de la thermodynamique ».)
À mesure que l'on s'approche du zéro absolu, il
devient plus difficile d'avancer de sorte qu'il est
impossible de jamais l'atteindre.
Par définition, le zéro absolu est la température à
laquelle toute activité moléculaire cesse. Mais la
mécanique quantique (principe d'incertitude
d'Heisenberg) énonce que même au zéro absolu, il
doit y avoir une certaine énergie. Mais comme il y
a de l'énergie, ce n'est donc pas, par définition, le
zéro absolu. Le point où l'énergie est nulle est
inatteignable, d'où l'impossibilité de se trouver au
zéro absolu.
Résultats d'apprentissage
2.
Effectuer une activité destinée à illustrer le
principe de la conservation de l'énergie.
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : calorimètre,
moteur thermique, pompe à chaleur
3.
Effectuer une activité destinée à explorer le
principe de l'échange de chaleur.
•
Énoncer le principe de la conservation de
l'énergie
4.
•
Donner un exemple pratique qui illustre le
principe de la conservation de l'énergie
Étudier ou faire des recherches sur l'histoire de
la machine à vapeur et montrer comment cette
innovation technologique a eu des répercussions
sociales majeures.
•
Énoncer le principe de l'échange de chaleur
•
Donner un exemple pratique qui illustre le
principe de l'échange de chaleur
•
Énoncer le principe zéro et les premier,
deuxième et troisième principes de la
thermodynamique
•
Donner des exemples qui illustrent les
principes de la thermodynamique
•
Expliquer qu'il est impossible de construire un
moteur thermique parfait
•
Expliquer qu'une personne qui cherche à
atteindre le zéro absolu éprouve de plus en plus
de difficulté à s’en approcher, à tel point que le
zéro absolu est, en réalité, impossible à
atteindre
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Mettre de l'eau dans une fiole de Franklin et
l’amener à ébullition. Retirer la fiole de la
source de chaleur. Avec des gants de cuisine,
placer un thermomètre dans un bouchon à une
ouverture. Inverser et retenir la fiole.
Placer de la glace sur le fond de la fiole. Dès
que la glace est ajoutée, l'eau se remet à
bouillir. Les températures lues sur le
thermomètre confirment que l'eau n'est plus à
son point d'ébullition normale.
(Attention : Il peut être dangereux de réaliser
cette activité avec un flacon de verre de
Florence ordinaire. Il peut y avoir des sections
de contrainte dans le verre et une implosion
pourrait survenir. Employer des fioles de
Franklin à verre épais que l'on peut se procurer
auprès des distributeurs de produits
scientifiques. Pour cette activité, porter des
verres de sécurité et se placer derrière un écran
protecteur.)
Physique 20 – La chaleur – P. 149
Unité facultative V : Le son
Vue d'ensemble de l'unité
L'étude du son fournit des exemples tangibles du
comportement des ondes. Il s'agit d'un sujet
intéressant à approfondir.
Les applications du son, particulièrement la
physique de l'ouïe, constituent l'essentiel de cette
unité. Les élèves doivent apprendre ce qui permet
aux êtres humains de percevoir le son. Des sujets
complémentaires pourront aborder les mécanismes
qui permettent aux animaux de percevoir le son.
Facteurs de l'alphabétisme
scientifique à développer
Objectifs généraux de la physique et
objectifs des apprentissages
essentiels communs
L’élève sera capable de :
•
Cerner des domaines d'étude, développer des buts
d'apprentissage, identifier et mener à bien des
tâches, accroître sa capacité de gestion du temps
afin de respecter les échéances imposées
•
Étudier expérimentalement les caractéristiques
du son
•
Apprécier l'apport des sciences et de la
technologie dans l'explication des phénomènes
sonores
•
Synthétiser des idées émanant de différentes
sources
•
Identifier et éclaircir des questions essentielles
•
Prendre systématiquement des décisions après
une bonne séance de délibération
•
Décrire certaines applications importantes du
son
A3
A7
A9
holistique
unique
reliée à l'être humain/à la culture
B2
B5
B10
B14
B27
B30
l'interaction
la perception
la cause et l'effet
le cycle
l'amplification
la résonance
C3
C6
C9
C12
C14
C15
C16
C20
l'observation et la description
la mise en question
l'inférence
l'interprétation des données
la résolution de problèmes
l'analyse
l'expérimentation
la définition opérationnelle
•
Réaliser qu'une compréhension des principes de
base de la physique peut aider à mieux expliquer
des expériences courantes et des situations de la
vie quotidienne
•
Exploiter une large gamme de possibilités afin
d'accroître sa connaissance des principaux
concepts du son (COM)
D3
D4
D5
D10
les effets de la science et de la technologie
la science, la technologie et l'environnement
le manque de compréhension du public
le contrôle de la technologie par la société
•
Renforcer sa compréhension de la physique grâce
à l'application de la connaissance des nombres et
des rapports existant entre eux (NUM)
•
E1
E4
savoir se servir d'instruments grossissants
savoir utiliser le matériel audiovisuel
Comprendre comment, en physique, on acquiert
la connaissance, on l'évalue, on la perfectionne et
on la modifie (CRC)
F1
F2
F4
le besoin de savoir et de comprendre
la mise en question
le respect des environnements naturels
•
Développer une façon d'apprécier la valeur et les
limites de la technologie dans la société (TEC)
•
G1
G2
G3
G4
s'intéresser à la science
devenir plus confiant
continuer d'étudier
préférer les médias scientifiques
Prendre les moyens de garder pour toujours le
goût d'élargir ses connaissances en physique
(AUT)
P. 150 – Physique 20 – Le son
A. Applications
1. L'oreille humaine
leviers, accéléromètres, résonance, ondes
longitudinales et pression
•
Concepts clés
Les ondes sonores se propagent dans le conduit
auditif jusqu'à la membrane tympanique
(membrane du tympan). Les fréquences entre
20 Hz et 20 000 Hz sont audibles. Le canal auditif
peut réagir (résonner) et amplifier une gamme
de fréquences allant de 2 000 Hz à 5 500 Hz par un
facteur d'au moins 10.
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Faire une recherche pour trouver les seuils
admissibles de l'intensité sonore dans
différents lieux de travail. Trouver pourquoi
ces règlements ont été imposés. Quelle
instance est responsable de leur mise en
vigueur et de leur application? Exposer du
matériel de sécurité qui aide à garder les
niveaux sonores à des seuils acceptables.
2.
Dessiner les différentes parties de l'oreille.
Les compressions et les raréfactions de l'air
atteignent le tympan et produisent un changement
de pression entre l'oreille externe et l'oreille
moyenne. La trompe d'Eustache aide à maintenir
l'oreille moyenne à la pression atmosphérique.
La différence de pression entre l'onde sonore qui
percute la face extérieure du tympan et la pression
atmosphérique normale à l'intérieur de la caisse du
tympan fait vibrer la membrane du tympan.
Dans l'oreille moyenne, les vibrations se propagent
par l'intermédiaire de trois petits osselets (le
marteau, l'enclume et l'étrier) jusqu'au
colimaçon. Les osselets se comportent comme une
chaîne mécanique qui amplifie la force fournie par
la membrane du tympan sur le marteau. La
fenêtre ovale du colimaçon est plus petite que la
membrane du tympan. Ceci a pour effet d'accentuer
l'amplification de la vibration du son.
Les canaux semi-circulaires agissent comme de
minuscules accéléromètres. En outre, ils
permettent de régler l'équilibre en réagissant à
l'effet de la gravité et aux changements de
l'accélération. Les petites structures en forme de
cils (cellules ciliées) vibrent à différentes fréquences.
Les vibrations stimulent des neurones qui
produisent des impulsions électriques acheminées
par le nerf auditif jusqu'au cerveau, qui en fait
l'interprétation.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : conduit auditif,
membrane tympanique (membrane du
tympan), colimaçon, nerf auditif, trompe
d'Eustache
•
Indiquer les principes physiques qui
interviennent dans l'audition : amplification,
Expliquer le processus physique qui entre en
jeu quand les signaux sonores sont transmis
de l'oreille externe à l'oreille moyenne
3.
Sensibiliser les élèves aux conséquences liées à
une déficience auditive. Si possible, inviter une
personne ayant une telle déficience ou bien
inviter une personne qui travaille avec des
handicapés auditifs à expliquer comment ces
personnes réussissent à s'adapter.
2. Autres applications
Parmi les applications qui figurent dans la colonne
de droite, en traiter au moins trois. Ces
applications peuvent être traitées séparément ou
mieux encore, intégrées aux autres concepts clés
touchant le son. Tout au long de l'unité facultative
V sur le son, il y aura l'occasion d'exposer des
applications apparentées. Ce sujet permettra peutêtre de mettre les élèves sur la voie de
l'apprentissage autonome.
Il est difficile d'entrevoir ce que seront dans l'avenir
les nouvelles applications et les nouveaux
développements relatifs au son. À mesure que les
progrès en science et en technologie feront
apparaître de telles applications, on encourage les
enseignants et enseignantes à les ajouter à la liste
suivante.
L’enseignant de physique choisira les connaissances
et les concepts qui seront développés dans l'étude de
ces applications. Cependant, quel que soit le degré
de développement de l'application, il faudra toujours
établir un lien entre l'application et le
comportement des ondes et d'autres phénomènes
physiques importants.
Physique 20 – Le son – P. 151
En outre, l'étude en physique de ces applications et
d'autres applications doit mettre l'accent sur
l’approche science-technologie-sociétéenvironnement (approche STSE) du nouveau
programme. Chaque fois que l'occasion se présente
de renforcer les rapports qui existent entre la
science, la technologie, la société et l’environnement
(l’aspect D de l’alphabétisme scientifique), les
enseignants et enseignantes doivent la saisir.
B. Propagation du son
Il est recommandé d'exposer le contexte historique
de ces applications et perfectionnements, afin
d'insérer l'étude de la physique dans un cadre social
et historique. Les élèves doivent aussi être
sensibilisés au fait que de nombreuses réalisations
remarquables en science et dans d'autres champs de
la connaissance humaine sont l’œuvre de solitaires
qui ont bouleversé les idées reçues et les normes
acceptées et gagné leur point malgré la critique et
l'opposition.
Le son est produit par une source de vibrations.
Choisir trois sujets parmi :
• acoustique;
• cris des animaux;
• applications des ultrasons et des infrasons;
• technologie audio;
• déficience auditive;
• audition chez les animaux;
• instruments de musique;
• sonar ou radar;
• vitesse supersonique et subsonique;
• synthétiseurs et son synthétique;
• voix humaine.
Le son ne peut pas se propager dans le vide.
(D'autres applications du son peuvent s’ajouter à
cette liste.)
1. Production du son
Concepts clés
Le son se caractérise par un comportement
ondulatoire.
La vibration entraîne des changements de
pression à proximité de la source vibrante.
Les changements de pression produisent des ondes
longitudinales, qui sont une combinaison de
régions de haute pression (compression), de
régions de pression normale de l'air et de régions de
basse pression (raréfactions).
Le son se propage dans différents types de solides,
de liquides et de gaz.
Quand survient un écho, le son voyage de la source
à la surface réfléchissante et revient.
La réverbération est la répétition d'un écho dans
des espaces fermés.
Plusieurs principes peuvent être appliqués afin
d'amortir le son, ainsi que d'autres formes
d'énergie :
•
Transférer l'énergie dans un milieu qui propage
difficilement le son.
•
Augmenter la distance qui sépare la source du
récepteur. L'intensité du son diminue à mesure
que l'onde s'éloigne de la source.
Parmi les dispositifs d'amortissement courants,
mentionnons les silencieux, les estacades flottantes,
les amortisseurs de suspension, le matériel
d'absorption acoustique et les résistances
électriques.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
P. 152 – Physique 20 – Le son
•
Définir les termes suivants : son, pression,
ondes longitudinales, compression, raréfaction,
vide, écho, réverbération, amortissement
•
Décrire certaines façons d'illustrer le
comportement ondulatoire du son
•
Expliquer que le son est produit par une
vibration
•
Trouver certaines sources vibrantes qui
produisent des sons différents
•
Expliquer que les vibrations donnent lieu à un
changement de pression à proximité de la
source vibrante
•
Expliquer que les changements de pression
engendrent une série d'ondes sonores
longitudinales qui sont émises par la source
•
Énoncer que le son ne peut voyager dans le
vide
•
Expliquer que le son peut se propager dans
différents types de solides, de liquides et de gaz
•
Définir un écho et la réverbération; indiquer
les ressemblances et les différences entre ces
deux notions
•
Indiquer deux importants principes
d'amortissement
pourrait se répandre sur la sonnerie et dans
l'appareillage de la pompe à vide.
3.
•
Les groupes pourront être évalués d'après
l'originalité et la qualité des instruments
fabriqués, la qualité du son et l'étendue des
sons reproduits, ainsi que d'après les qualités
esthétiques et le répertoire joué. Laisser les
élèves donner leurs points de vue sur les
critères qui serviront à l'évaluation de leurs
projets.
Les styles musicaux pourront varier du
ragtime au rock'n roll en passant par le
classique. Les musiciens pourront porter un
costume de circonstance [p. ex. canotier pour
le dixieland, bleus de travail pour le folklore
(bluegrass), etc.]. Mettre les groupes au défi de
monter un spectacle encore plus coloré en
ajoutant des effets de lumière. Pour cela, ils
pourront employer le matériel du laboratoire
de physique.
Donner des exemples de types de mécanismes
d'amortissement
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
2.
Placer un ballon partiellement gonflé sous une
cloche en verre. Coller avec du ruban adhésif
une punaise à l'intérieur de la cloche. Sceller
la cloche et enlever l'air avec une pompe à
vide. À mesure que la pression de l'air baisse
dans la cloche, le volume du ballon augmente,
conformément à la loi de Boyle-Mariotte. Le
ballon éclate dès qu'il touche la pointe de la
punaise. La vibration est transmise par la
punaise et les parois de la cloche. Le son de la
déflagration n'est pas audible, ce qui met bien
en lumière le fait que le son ne se propage pas
dans le vide.
Se servir de sonneries électriques conçues
expressément pour être placées sous la cloche
de verre pour illustrer le même phénomène.
Cependant, on n'observe pas une variation de
la pression quand diminue le volume d'air.
Ajouter de la crème à raser sous la cloche
avant de faire le vide. À mesure que l'air est
retiré de la cloche, des bulles de mousse se
forment. Faire attention de ne pas laisser la
mousse prendre trop d'expansion, car elle
Organiser la classe en groupes de quatre ou
cinq élèves. Chaque groupe joue une séquence
musicale, essentiellement sur des instruments
maison. Par exemple, l’élève
n° 1 peut fabriquer un xylophone en versant
différentes quantités d'eau dans des bouteilles
de soda. L’élève n° 2 construit un instrument
à vent « spécial » en enroulant un tuyau
d'aspirateur. Chaque groupe doit avoir au
moins un instrument à corde, un instrument
à vent et un instrument à percussion.
Certains membres du groupe pourront jouer
plus d'un instrument pendant le « concert ».
4.
Demander aux élèves d'effectuer une recherche
sur les instruments de musique dont se
servent les peuplades indiennes, les Métis, les
Ukrainiens, etc.
5.
Inviter des groupes de musiciens à venir faire
une démonstration et à parler de leurs
instruments.
6.
Conduire une séance de remue-méninges qui
évoque les difficultés pratiques découlant du
fait que dans l'espace, il n'y a pas de son (le
son ne se propage pas dans le vide).
7.
Étudier les sons que produisent des peaux
d'animaux employées comme membranes de
tambour. Trouver l'effet sur le son quand la
peau est plus ou moins tendue. Essayer de
chauffer la peau à différents endroits et voir si
la qualité du son produit est affectée. Voir
comment la taille et la forme de la caisse du
tambour affectent le son produit.
Physique 20 – Le son – P. 153
Résultats d'apprentissage
8.
9.
Donner quelques exemples montrant que le
son se propage dans les solides, les liquides et
les gaz. Mettre les élèves au défi de concevoir
des projets qui illustrent ce fait.
Les femmes inuites font des chants de gorge
appelés katadjait en langue inuktituk. Deux
femmes s'embrassent et reproduisent des sons
qu’elles trouvent dans leur environnement.
Demander aux élèves de faire des recherches
sur cette forme d'art. Si possible, inviter des
artistes qui chante de la sorte ou bien visionner
une vidéo.
L’élève sera capable de :
•
Expliquer que la vitesse du son varie selon le
milieu où se produit la propagation
•
Édicter une règle générale ayant trait à la
vitesse du son dans les solides, les liquides et
les gaz
•
Énoncer que la température de l'air (ou de tout
autre gaz) a une influence sur la vitesse du
son dans ce milieu
•
Calculer la vitesse du son dans l'air pour
différentes températures
•
Résoudre des problèmes concernant la vitesse
du son dans l'air ou dans un autre milieu
donné
•
Suggérer une procédure expérimentale qui
permettrait de mesurer la vitesse du son
2. Vitesse du son
Concepts clés
La vitesse du son varie selon le milieu dans lequel
il se propage. Généralement, le son voyage plus
rapidement dans les solides que dans les liquides, et
plus lentement dans les gaz.
La température de l'air (ou d'autres gaz) influence
la vitesse du son.
La vitesse du son dans l'air (qui est précise
seulement pour une gamme restreinte de
températures) est déterminée par :
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
En employant une colonne d'air réglable et
plusieurs diapasons de fréquences différentes,
déterminer la vitesse du son dans l'air par des
techniques de résonance. Si une colonne d'eau
sert à régler la hauteur d'une colonne d'air à
extrémité fermée, on obtient de meilleurs
résultats quand on laisse l'eau atteindre la
température de la pièce avant de procéder à
l'expérience.
2.
On peut improviser la fabrication de colonnes
de résonance en employant des tubes de carton
pour le courrier ou des protège-bâton de golf en
plastique. Pour que la colonne soit réglable,
suspendre à un crochet une masse et la
descendre dans le tube. Il faut que la masse
soit enroulée dans plusieurs couches de ruban
adhésif afin que son diamètre soit à peine
inférieur à celui du tube.
3.
Pour montrer que la vitesse du son change
avec le gaz, remplir plusieurs ballons de divers
gaz - hélium, oxygène, bioxyde de carbone - ou
de tout autre gaz disponible ou pouvant être
produit.
v = (331 + 0,610t) m/s, où t est la température en
degrés Celsius ou v = (20,0 ms-1K-½ T ) m/s où T
est la température en Kelvin.
Parce que la vitesse du son est moindre que celle de
la lumière, on parvient assez facilement à effectuer
des expériences qui mesurent la vitesse du son.
Historiquement, la vitesse du son a été mesurée
avec précision bien avant la vitesse de la lumière.
Fixer un sifflet ou un klaxon à l'extrémité des
ballons et laisser le gaz s'échapper. Répéter
l'expérience pour différents gaz. Enregistrer
les sons produits et les écouter afin
d'approfondir l’analyse. Lors de l’utilisation
P. 154 – Physique 20 – Le son
des gaz comme l'hydrogène ou l'acétylène, ne
pas mettre les ballons près d'une source de
chaleur.
4.
Essayer de trouver des exceptions à la règle
générale voulant que le son se propage plus
vite dans les liquides que dans les gaz, et plus
vite dans les solides que dans les liquides.
5.
Déterminer expérimentalement la vitesse du
son dans l'air en recourant à une technique
d'échosondage, à une colonne d'air en
résonance et à toute autre méthode acceptable.
6.
Si vous disposez d'hélium, faire la
démonstration du changement de la hauteur
du son qui se produit quand on inhale le gaz et
que l'on parle. Ce tour que l’on faisait dans les
salons du XIXe siècle amusera beaucoup les
élèves. Demander aux élèves d'expliquer
pourquoi il y a changement de la hauteur du
son. (Surtout ne pas inhaler ce gaz à partir
d'un récipient pressurisé. Injecter plutôt un
peu de gaz dans un ballon et inhaler le gaz du
ballon. Ne jamais employer d'hydrogène pour
faire ce truc.)
7.
L'équation de Newton-Laplace qui donne la
vitesse du son dans un gaz est v =
structure moléculaire, mais aucunement de la
pression du gaz.
Pour un gaz donné v α
T .
γP
, où P
ρ
est la pression, ρ la densité et γ le rapport de la
chaleur spécifique du gaz à pression constante
à la chaleur spécifique à volume constant.

cp 
 γ = 
cv 

Gamma (γ) vaut environ 1,67 pour les gaz
monoatomiques, 1,40 pour les gaz
diatomiques, 1,30 pour les gaz triatomiques et
varie entre 1,2 et 1,1 pour les gaz
polyatomiques.
En appliquant la loi des gaz parfaits,
l'équation de la vitesse du son dans un gaz
devient :
v=
γ kT
γ RT
=
,
m
M
où v est la vitesse, γ le rapport des chaleurs
spécifiques, T la température en Kelvin, k la
constante de Boltzman, m la masse d'une
molécule, R la constante des gaz parfaits et M
le poids moléculaire du gaz.
La vitesse du son dans un gaz est fonction de
la température, du poids moléculaire, de la
Physique 20 – Le son – P. 155
C. Caractéristiques du son
120 dB et 130 dB, selon la sensibilité à la douleur de
la personne.
1. Intensité
Pour trouver la variation en décibels entre deux
intensités I 1 et I 2 , on applique la formule :
Concepts clés
L'intensité du son est une mesure du taux moyen de
flux sonore par unité d'aire qui traverse une surface
perpendiculaire à la propagation des sons.
I1
I2
La perception de l'intensité minimale chez les
humains varie avec la fréquence. Le seuil
d'audibilité le plus faible se produit à une fréquence
de 4 000 Hz pour les personnes ayant une grande
acuité auditive. La sensibilité de l'oreille humaine
est la meilleure entre 1 000 et 5 000 Hz.
énergie/temps
intensité = énergie/temps
aire aire
La sensibilité auditive des animaux et l'étendue des
sons qu'ils peuvent produire dépendent de l’espèce.
Les termes intensité et force du son sont parfois
employés sans distinction.
= puissance
aire
Un watt par mètre carré est une valeur trop
considérable pour mesurer la large gamme des
petites intensités sonores audibles à l'oreille
humaine. Son emploi résulte en des valeurs peu
commodes.
Pour cette raison, on a défini des unités qui
mesurent le niveau de l'intensité sonore (le bel et le
décibel).
Une augmentation de 1 bel correspond à une
multiplication par 10 de l'intensité.
L'intensité exprimée en bels se calcule ainsi :
I
B = log ,
Io
où I est l'intensité exprimée en W/m2 et
Io = 10-12 W/m2 (le seuil présumé d'audibilité pour
l'oreille humaine).
L'intensité exprimée en décibels se calcule ainsi :
I
dB = 10 log
Io
Les échelles du bel et du décibel sont
logarithmiques.
Un accroissement de 10 dB correspond à une
multiplication par dix de l'intensité du son (p. ex.
10 dB = 10-11 W/m2; 20 dB = 10-10 W/m2, etc.)
Une augmentation de 3 dB équivaut à doubler
l'intensité. Un accroissement de 1 dB, ce qui
correspond environ à une intensité 25 % plus élevée,
produit un niveau à peine audible.
Une intensité sonore de 0 dB représente le seuil
d'audibilité pour l'être humain, soit une intensité
de 10-12 W/m2 (Io ). Le seuil de douleur se situe entre
P. 156 – Physique 20 – Le son
∆ db = 10 log
Il est utile de savoir estimer l'intensité
approximative des sons émis par diverses sources
sonores.
Pour mesurer avec exactitude les intensités sonores,
on a recours à des instruments spéciaux. On les
installe à une distance standard (généralement 1
mètre) de la source que l'on étudie.
L'intensité du son diminue avec la distance qui
sépare la personne de la source. On a observé une
loi de l'inverse du carré :
I α
1
d
2
Les sons très forts, comme ceux d'une explosion,
peuvent percer la membrane du tympan.
Les intensités sonores de 90 dB (ou même
inférieures quand il s'agit d'une exposition répétitive
ou prolongée) peuvent causer des dommages
permanents à l'ouïe. Les intensités plus élevées ne
peuvent être soutenues que pendant une courte
durée avant que les dommages surviennent. Ces
dommages sont en général irréparables et se font
généralement sentir au début par une perte
d'audition à certaines fréquences, puis s'accentuent
jusqu'à la surdité totale.
Une sensation de « bourdonnement » dans les
oreilles (comme après un concert rock très fort) est
un signe que la personne a peut-être subi une perte
d'audition permanente. L'exposition continue à de
tels niveaux sonores peut aggraver les dommages à
l'ouïe.
Il n'y a que très peu de récepteurs de la douleur
dans l'oreille pour nous avertir d'une atténuation
auditive graduelle pouvant résulter de l'exposition à
certains niveaux de bruit.
•
Indiquer que 0 dB a été fixé arbitrairement de
façon à correspondre au seuil de l'audition chez
l'être humain
•
Indiquer que le seuil de la douleur se situe
quelque part entre 120 dB et 130 dB
•
Expliquer que les seuils minimums
d'audibilité chez l'être humain varient avec la
fréquence
Les pertes d'audition ont tendance à s'accentuer
avec l'âge et le milieu ambiant. Des études ont
montré que les habitants de certaines régions du
monde industrialisé sont susceptibles de connaître,
en vieillissant, une perte d'audition importante.
•
Estimer l'intensité approximative des sons
émanant de différentes sources sonores
•
Réaliser que l'intensité du son diminue avec la
distance
Les prothèses auditives et les progrès de la
médecine peuvent venir en aide aux personnes
ayant certaines pertes d'audition. Les recherches
futures sur l'audition devraient amener des
perfectionnements qui profiteront aux personnes
ayant des troubles de l'ouïe.
•
Expliquer pourquoi certains instruments de
mesure de l'intensité du son doivent être
placés à une distance standard de la source
sonore étudiée
•
Interpréter les lois de l'inverse du carré, dont
la diminution de l'intensité d'une source
sonore en fonction de la distance est une
illustration
•
Résoudre des problèmes relatifs à l'intensité du
son
•
Expliquer pourquoi des sons de forte intensité
peuvent causer une perforation du tympan
•
Expliquer que l'exposition répétée à des sons
intenses peut détériorer à jamais l'acuité
auditive
•
Expliquer que l'intensité d'un son, comme sa
durée, détermine le degré du dommage auditif
•
Prendre conscience que les dommages auditifs
sont le plus souvent irréversibles
•
Réaliser que la perte d'audition partielle
commence par certaines fréquences, puis
s'étend à d'autres fréquences jusqu'à la surdité
totale
•
Réaliser que la sensation de
« bourdonnement » dans les oreilles est un
signe qu'il peut s'être produit des dommages
auditifs permanents
•
Savoir qu'il y a peu de récepteurs de la douleur
dans les oreilles qui avertissent d'une perte
d'audition
•
Réaliser qu'une perte d'audition est souvent
irréversible
On recommande aux personnes qui travaillent dans
un milieu très bruyant de porter des protecteurs
d'oreilles. Dans certains cas, le port de ces
protecteurs est obligatoire.
Les protecteurs d'oreilles ne peuvent pas protéger
adéquatement de certains bruits intenses qui se
propagent à travers le squelette jusqu'à l'oreille
moyenne (p. ex. outils motorisés à percussion,
machinerie lourde).
La pollution par le bruit est une menace
sérieuse à la qualité de la vie. L'industrialisation et
l'utilisation de nouvelles technologies ont aggravé le
problème.
La pollution par le bruit n'est pas un problème
propre aux zones urbaines. Dans les régions
rurales, l'outillage agricole et la machinerie lourde
peuvent entraîner des pertes d'audition.
Certains prétendent que la pollution par le bruit
entraîne un stress élevé chez les êtres humains.
Les animaux peuvent éprouver un stress de même
nature. On peut dire que le bruit contribue à une
certaine forme de dommage écologique.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : intensité, bel,
décibel, échelle logarithmique
•
Indiquer les unités généralement employées
pour mesurer l'intensité du son
•
Illustrer le rapport entre les valeurs de
l'intensité du son en W/m2 et en multiple de 10
sur l'échelle des dB
•
Comparer les échelles logarithmiques et les
échelles linéaires
Physique 20 – Le son – P. 157
•
Expliquer que des protecteurs d'oreilles
peuvent aider à protéger les oreilles des bruits
trop intenses
•
Se rendre compte que les protecteurs d'oreilles
ne sont d'aucun secours contre les bruits qui
voyagent dans le squelette jusqu'à l'oreille
moyenne
•
Expliquer que les pertes d'audition ont
tendance à devenir plus prononcées avec l'âge
•
Expliquer que dans certaines régions
développées du monde, les personnes courent
plus de risque, avec l’âge, de connaître des
pertes d'audition
•
•
Expliquer certaines choses qui peuvent aider
les personnes qui éprouvent une perte auditive
Reconnaître la valeur du rôle que la science et
la technologie jouent afin d'aider les personnes
ayant une déficience auditive
•
Réaliser que la pollution par le bruit pose une
menace sérieuse à la qualité de la vie
•
Suggérer une diversité de facteurs qui sont à
l'origine de la pollution par le bruit autant
dans les zones urbaines que rurales
•
Expliquer de quelle façon l'expression « qualité
de la vie » est liée à la pollution par le bruit
Suggérer des façons de réduire la pollution par
le bruit
•
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Laisser les élèves se convaincre que les
échelles en unités appelées « bel » (B) et
« décibel » (dB) ont été inventées parce que
l'oreille n'est sensible qu'à de petites
intensités, qui, exprimées en W/m2, ont des
valeurs très petites. En outre, l'oreille réagit à
une étendue d'intensités de sons qui couvre
presque 14 ordres de grandeur (mais il faut un
changement de 25 % de l'intensité pour qu'on
puisse le percevoir).
2.
Donner un exemple pratique qui montre que la
sensibilité de l'audition varie selon les espèces
d'animaux. Faire une démonstration de ceci ou
inviter des chasseurs et des trappeurs à parler
de leur expérience.
3.
Diriger une séance de remue-méninges afin de
suggérer des façons de se protéger contre les
intensités sonores très élevées.
4.
Expliquer que la sensibilité de l'ouïe et
l'étendue des sons produits varient d'une
espèce animale à l'autre.
5.
Laisser les élèves formuler une hypothèse
expliquant pourquoi la perte d'audition avec
l'âge tend à être plus importante dans
certaines régions développées du globe.
6.
Appuyer ou réfuter l'énoncé suivant : « La
pollution par le bruit contribue à diverses
formes de dommages écologiques. »
7.
Examiner les répercussions que la pollution
par le bruit a sur les animaux ou les peuples
des communautés du nord.
8.
Montrer comment un changement entre deux
intensités s’exprime ainsi :
∆ dB = 10 log
I1
I2
Exemple : si une source émettant un son de 50
dB double en intensité, l'intensité du son
devient :
50 dB + 10 log(I1/I2)
= 50 dB + 10 log 2
= 50 dB + 3,01 dB
= 53 dB
Ceci montre que la multiplication par deux de
l'intensité produit une augmentation de 3 dB.
P. 158 – Physique 20 – Le son
2. Hauteur
Concepts clés
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Préciser les qualités d'un diapason en
examinant le diagramme sonore sur l'écran
d'un oscilloscope. Comparer le son de ce
diapason à d'autres sons produits par des
instruments de musique ou à du bruit.
2.
Enregistrer le son produit par un diapason.
Avec un oscilloscope raccordé à un
microphone, comparer le son du diapason et
celui enregistré. Est-ce que la qualité sonore de
l'enregistrement correspond exactement à celle
du diapason?
3.
L'effet Doppler
La hauteur est une qualité du son qui décrit la
fréquence des ondes sonores.
L'étendue normale d'audition de l'être humain
couvre environ de 20 Hz à 20 000 Hz.
Les fréquences inférieures à 20 Hz sont appelées
infrasonores et celles au-dessus de 20 000 Hz sont
appelées ultrasonores.
Les infrasons et les ultrasons sont exploités dans
certaines applications importantes.
Quand on double la fréquence, on élève la hauteur
du son d'un octave (sur l'échelle des physiciens ou
sur l'échelle à tempérament égal des musiciens).
Seuls certains appareils spéciaux (p. ex. : les
diapasons) sont capables de produire des sons à une
seule fréquence. (Quand on le frappe, le diapason
produit des harmoniques, mais elles s'éteignent
rapidement.)
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
Concepts clés
Quand une source d'ondes se déplace par rapport à
un observateur (ou quand un observateur se déplace
par rapport à une source), un décalage apparent
de la fréquence apparaît.
Si la distance entre l'observateur et la source
s'accroît, la fréquence semble apparemment
diminuer, alors que la fréquence semble
apparemment augmenter quand la distance entre
l'observateur et la source décroît.
•
Définir les termes suivants : hauteur,
infrasonore, ultrasonore
•
Expliquer que la hauteur est un terme
employé pour indiquer la fréquence des ondes
sonores
•
Préciser l'étendue des fréquences audibles par
l'être humain
•
Indiquer certaines applications importantes
dans lesquelles sont exploités les sons
ultrasonores et infrasonores
où f2 est la fréquence apparente, f1 la fréquence
réelle émise par la source, v la vitesse du son dans
le milieu de propagation, vs la vitesse de la source
dans le milieu (affectée du signe « moins » si la
source se déplace vers l'observateur).
•
Expliquer que doubler la fréquence correspond
à élever la hauteur du son d'un octave
La formule qui décrit le décalage Doppler pour un
observateur en mouvement est :
•
Expliquer que seuls certains dispositifs,
comme les diapasons, sont capables de
produire des sons ayant une seule fréquence
La relation qui exprime le décalage Doppler pour
une source en mouvement est :
f 2= f 1
f o= f
s
v
,
v ± vs
v ± vo
v
où fo est la fréquence observée, fs la fréquence de la
source, v la vitesse du son, vo la vitesse de
l'observateur (affectée du signe moins si
l'observateur s'éloigne de la source).
Physique 20 – Le son – P. 159
Les deux relations précédentes décrivant le décalage
Doppler peuvent être combinées :
•
•

 1±
f o = f s

 1±

v0 

v ,
vs 

v 
où les variables ont la même signification que
précédemment. Les signes supérieurs dans chaque
cas correspondent à une source et un observateur
qui se rapprochent; les signes inférieurs
correspondent au cas où ils s'éloignent.
L'effet Doppler explique la modification apparente de
la hauteur du son quand passe une automobile.
Un effet analogue (décalage Doppler-Fizeau pour la
lumière) permet de mesurer la vitesse relative d'une
étoile par rapport à la Terre. Le décalage vers le
rouge du spectre d'une étoile est un indice que la
distance entre l'étoile que l'on observe et la Terre
augmente.
Le décalage Doppler-Fizeau pour la lumière décrit
un changement de longueur d'onde et non une
modification de la fréquence comme pour le son.
Les radars à ondes courtes exploitent le principe du
décalage Doppler-Fizeau. Une modification de la
fréquence entre des impulsions émises et réfléchies
permet de calculer la vitesse relative.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Expliquer que lorsqu'une source émettant des
ondes sonores se déplace par rapport à un
observateur (ou quand un observateur se
déplace par rapport à une source), on observe
un décalage apparent de la fréquence
•
Expliquer qu'apparemment la fréquence
décroît quand la distance entre la source et
l'observateur augmente
•
Expliquer qu'apparemment la fréquence
s'accroît quand la distance entre la source et
l'observateur diminue
•
Résoudre des problèmes en appliquant les
formules mathématiques qui décrivent le
décalage Doppler
P. 160 – Physique 20 – Le son
Décrire une situation ou une application qui
fait intervenir l'effet Doppler
Trouver des exemples pratiques et des
expériences courantes qui illustrent l'effet
Doppler
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Essayer d'obtenir auprès de la police locale une
présentation de l'équipement radar et une
description de son fonctionnement.
2.
Les élèves pourront s’intéresser à faire des
recherches sur la technologie des avions furtifs
(antiradar), la détection radar et les méthodes
de brouillage radar.
3.
Se servir d'une caméra vidéo pour enregistrer
un véhicule qui klaxonne, d'abord quand il est
immobile et ensuite quand il passe devant la
caméra sur la route. Voilà une excellente
illustration de l'effet Doppler-Fizeau.
4.
Pousser les recherches afin d'aborder
l'importance de l'effet Doppler-Fizeau pour les
astronomes.
5.
Les idées exposées dans cette unité pourront
servir à l'enrichissement au moment de
l'enseignement de la lumière. Noter toutefois
que l'effet Doppler-Fizeau pour la lumière
décrit une modification de la longueur d'onde,
et non une modification de la fréquence comme
c’est le cas pour les sons.
Le décalage Doppler-Fizeau pour les ondes
lumineuses s’exprime ainsi :
∆λ
=
λ
v
c
-1,
v
1c
1+
où c est la vitesse de la lumière, v est la
vitesse de la source lumineuse (p. ex. une
étoile) et est considérée positive si la source
s'éloigne, λ est la longueur d'onde si v est nulle
(longueur d'onde d'émission) et ∆λ est la
modification de la longueur d'onde causée par
v.
λ + ∆λ est la longueur d'onde observée.
Si v <<c, on a :
∆λ
v
∆λ
≈ , ∴v=
⋅c,
λ
c
λ
ce qui nous permet de trouver la vitesse de
l'étoile.
Si l'objet s'éloigne, la longueur d'onde se
déplace vers une valeur plus élevée (dérive
vers le rouge). Si l'objet se rapproche, la
longueur d'onde se déplace vers une valeur
moins élevée (dérive vers le violet).
Étant donné que la plupart des objets stellaires
sont décalés vers le rouge, cela suppose que
l'univers est en expansion. Cette constatation
appuie la théorie du big-bang.
Noter que contrairement au décalage Doppler
pour le son, celui pour la lumière est
indifférent au fait que c'est la source ou
l'observateur qui est en mouvement. La seule
chose qui importe est la vitesse relative.
4. Harmoniques, résonance et
interférence
Concepts clés
Des fréquences plus élevées produisent aussi des
systèmes d'ondes stationnaires. La deuxième
harmonique (la première étant la fondamentale)
d'une corde fixée aux deux extrémités a un nœud au
centre de la corde ainsi qu'aux deux extrémités. Sa
fréquence est deux fois celle de la fréquence
fondamentale.
Les harmoniques sont des multiples de la
fréquence fondamentale (2f, 3f, 4f, ...). La
fondamentale est appelée la première
harmonique.
Les instruments de musique produisent une série
d'harmoniques supérieures qui se superposent à la
fondamentale. Ceci a pour effet de donner une
qualité unique et distincte aux sons provenant de
différentes sources.
Les courbes visualisées sur les oscilloscopes mettent
en évidence les différences entre l'intensité, la
fréquence et les harmoniques des sons.
Les diagrammes des oscilloscopes aident à faire la
distinction entre les caractéristiques d'un son
musical et celles d'un bruit.
Chaque objet possède sa fréquence de vibration
propre ou naturelle.
(Si vous ne disposez pas d'un oscilloscope, vous
pourrez vous servir de croquis de courbes
visualisées sur un oscilloscope.)
Une force périodique qui agit à la même
fréquence que la fréquence naturelle de vibration
d'un objet peut le faire vibrer. C'est ce qu'on appelle
la résonance mécanique.
La fréquence d'une corde vibrante est déterminée
par la longueur de la corde, sa tension, son diamètre
et la masse volumique du matériau.
La force et l'objet affecté doivent être en contact
pour que se produise la résonance mécanique.
La résonance mécanique peut aller jusqu'à briser
des objets.
Une compréhension des causes et des effets de la
résonance mécanique est essentielle pour bien
choisir et calculer les matériaux à utiliser dans des
applications particulières.
Dans certaines applications, particulièrement en
génie civil et en génie mécanique, une
compréhension de la résonance mécanique est
essentielle pour empêcher l'écroulement des
ouvrages.
La fréquence la plus basse qui produit un système
d'ondes stationnaires dans un milieu à une
dimension est appelée la fréquence
fondamentale.
La fréquence (f) varie comme l'inverse de la
longueur de la corde (L) :
f α
1
,
L
f1
L2
=
f2
L1
La fréquence varie également comme l'inverse du
diamètre de la corde (d) :
f α
1
,
d
f1
d
= 2
f2
d1
La fréquence est proportionnelle à la racine carrée
de la tension dans la corde (T) :
Physique 20 – Le son – P. 161
f α T,
f
f
1
=
2
T1
T2
La fréquence est inversement proportionnelle à la
racine carrée de la densité de la corde (r) :
f α
1
ρ
f1
=
f2
,
ρ2
ρ1
Ces équations peuvent être combinées pour donner :
f=
1
T
2L
ρ ⋅ d2
Les boîtes de résonance, les tablettes sonores et les
instruments musicaux amplifient le son.
Les branches d'un diapason produisent une figure
d'interférence. Quand les branches se rapprochent,
elles créent une compression entre elles et une
raréfaction derrière. L'effet inverse a lieu quand les
branches s'éloignent l'une de l'autre. Deux groupes
d'ondes sont générés par le diapason. Chacun est en
opposition de phase par rapport à l'autre. Les
régions de l'interférence destructive se propagent
suivant la diagonale des branches en vibration. Par
conséquent, on peut entendre un changement de
l'intensité du son quand on fait tourner un diapason
près de l’oreille.
où f est la fréquence fondamentale de la corde.
La réverbération du son dans une salle peut créer
des régions dans lesquelles la différence du niveau
de l'intensité sonore peut être une source d'ennui.
Les instruments de musique à cordes sont fabriqués
afin de tenir compte de la physique des cordes
vibrantes.
Deux sources sonores qui vibrent à des fréquences
très légèrement différentes (environ 5 à 10 Hz)
donnent lieu à une série de battements.
Les figures d'interférence des ondes
stationnaires aident à illustrer la résonance
dans les colonnes d'air.
Ce qu'on entend est apparemment une fréquence,
qui est la moyenne de deux fréquences (f1 + f2)/2 et
dont l'intensité augmente et diminue à une
fréquence égale à la fréquence de battement
f1 - f2.
Une colonne d'air de longueur fixe entre en
résonance à certaines fréquences.
Une colonne d'air variable peut être réglée à
différentes longueurs afin d'entrer en résonance
pour une fréquence spécifique de la source.
Pour une longueur de résonance, l'intensité du
son qui quitte la colonne d'air est maximale.
Pour qu'une colonne d'air soit en résonance, il faut
qu'il y ait un ventre de l'onde à l'extrémité où le son
s'échappe.
Dans le cas d'une colonne d'air fermée, la longueur
de résonance la plus courte pour une fréquence
donnée du son est ¼λ. Les autres longueurs de
résonance progressent par accroissement de ½λ
(c'est-à-dire sont des multiples entiers impairs de
λ/4).
Dans le cas d'une colonne d'air ouverte, la longueur
de résonance la plus courte pour une fréquence
donnée du son est ½λ. Les autres longueurs de
résonance progressent par accroissements de ½λ
(c'est-à-dire sont des multiples entiers de λ/2).
Les instruments de musique à vent sont fabriqués
pour tenir compte de la physique des colonnes d'air.
P. 162 – Physique 20 – Le son
La fréquence de battement est fonction de la
différence de fréquence des deux sources.
fréquence de battement = f1 - f2 
Les musiciens peuvent exploiter leur connaissance
du battement pour accorder les instruments de
musique.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : fréquence de
vibration propre ou naturelle, résonance
mécanique, fréquence fondamentale,
harmoniques, fréquence de battement
•
Expliquer que tous les objets possèdent une
fréquence de vibration propre
•
Expliquer qu'une force périodique qui se répète
à la même fréquence que la fréquence propre de
vibration d'un objet peut faire vibrer cet objet
•
Expliquer que la force d'entraînement
périodique et que l'objet affecté doivent venir en
contact pour que la résonance mécanique
survienne
•
Expliquer que la résonance mécanique peut
briser les objets
•
Suggérer des façons d'empêcher un objet de se
briser à cause de la résonance mécanique
•
Trouver des exemples pratiques et des
expériences courantes que l'on explique à partir
de ses connaissances en résonance mécanique
•
Expliquer que la résonance mécanique est un
critère qu'on doit prendre en considération dans
la conception et la sélection des matériaux
destinés à une application particulière
longueurs possibles du tube à partir d'une
même fréquence sonore
•
Résoudre des problèmes touchant la résonance
du son dans des colonnes d'air ouvertes et des
colonnes d’air fermées
•
Expliquer pour quelle raison un diapason en
vibration donne lieu à une figure d'interférence
Expliquer pourquoi l'agencement d'un ou de
plusieurs haut-parleurs dans une pièce peut
affecter la qualité du son émis
•
•
Expliquer que des battements se produisent
quand deux sources sonores vibrent à des
fréquences légèrement différentes
•
Expliquer que la fréquence des battements
dépend de l'écart de fréquence entre les deux
sources sonores
Résoudre des problèmes en appliquant ses
connaissances de la fréquence des battements
•
Énoncer que la fréquence fondamentale est la
fréquence la plus faible capable de produire un
système d'ondes stationnaires dans un milieu
unidimensionnel
•
Énoncer que la deuxième harmonique a deux fois
la fréquence de l’harmonique fondamentale
•
•
Expliquer qu'un tube fermé n'a pas de seconde
harmonique (ou une quelconque harmonique
paire), mais seulement des harmoniques
impaires
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
•
Énoncer que la fréquence des harmoniques est
un multiple entier de la fréquence fondamentale
•
Indiquer différentes variables qui influencent la
fréquence générée par une corde vibrante
•
Résoudre des problèmes en appliquant les
formules mathématiques qui donnent la
fréquence des cordes vibrantes
•
Réaliser que la conception des instruments de
musique repose sur des principes physiques
importants
•
Mentionner de quelle façon la compréhension
des figures d'interférence des ondes
stationnaires aide à expliquer la résonance dans
des colonnes d'air
•
Énoncer qu'une colonne d'air entrera en
résonance si des fréquences sonores précises la
traversent
•
Réaliser qu'il y a résonance si un ventre de
l'onde coïncide avec l'extrémité de la colonne
d'air qui émet le son
•
Expliquer qu'une colonne d'air réglable peut
être mise en résonance pour plusieurs
1.
Un appareil très pratique qu'on devrait avoir
dans un laboratoire est une paire de diapasons
synchronisés rattachés à des boîtes de
résonance. Si l'on serre les branches de l'un des
diapasons, on modifie légèrement la hauteur du
son, ce qui produit des battements très audibles.
Les boîtes de résonance peuvent aussi servir à
montrer que si un des diapasons est frappé et
que l'autre diapason est devant les extrémités
ouvertes des boîtes de résonance, ce dernier se
met à vibrer puisqu'il a la même fréquence de
résonance.
Une solution de remplacement bon marché pour
les diapasons synchronisés est l'utilisation de
deux diapasons de même fréquence. Employer
un élastique pour serrer les branches d'un des
diapasons afin d'abaisser la hauteur du son et
de produire des battements. Poser les pieds des
deux diapasons sur la caisse de son d'un
instrument à cordes, comme une guitare. Ceci
amplifie le son. Une conséquence intéressante
de ceci est que certaines cordes de la guitare
commenceront à vibrer.
2.
Placer soigneusement un tube vide sur une des
branches en vibration d'un diapason. Tourner le
diapason. Remarquer que l'on n'entend rien qui
semble indiquer une interférence. Ceci illustre
le fait que la figure d'interférence produit par
un diapason est le résultat de l'effet combiné des
ondes émises par les deux branches.
Physique 20 – Le son – P. 163
3.
4.
Observer un système d'ondes stationnaires dans
un milieu unidimensionnel, en faire le croquis,
déterminer le nombre de longueurs d'onde
représentées dans le système, marquer un
nœud et un ventre et identifier les harmoniques
que l'on trouve dans le système.
Donner un exemple d'objet qui se brise à cause
de la résonance mécanique.
Montrer aux élèves un film documentaire sur
l’effondrement du pont de Tacona Narrows.
Montrer comment la résonance mécanique dans
les structures peut entraîner leur détérioration.
5.
Construire un sonomètre en ancrant l'extrémité
d'un fil à une table. Faire passer le fil dans une
poulie fixée à une table et suspendre des poids à
l'extrémité libre du fil. Le fait de changer de
poids augmente ou diminue la tension dans le
fil, ce qui affecte la hauteur du son. Si vous
disposez d'un tensiomètre à rayon, mesurer la
tension du fil. Comparer la tension mesurée à la
tension calculée au moyen de l'analyse du
montage de la poulie.
6.
Expliquer pourquoi les mêmes fréquences
produites par des instruments de musique
divers donnent lieu à des sons différents.
7.
Demander aux élèves d'apporter des
instruments à cordes en classe. Examiner les
instruments afin de voir comment la physique
du son est exploitée. Tenter de montrer
comment certains facteurs affectent la
fréquence d’une corde.
8.
9.
Effectuer une activité destinée à déterminer
l'effet de la longueur, de la tension, de la densité
ou du diamètre sur la fréquence d'une corde
vibrante.
Montrer de quelles façons sont indiquées sur les
tracés d'oscilloscope les caractéristiques des
divers sons (fréquence, intensité et
harmoniques).
10. Examiner des courbes d'oscilloscope afin de
relever les caractéristiques qui distinguent le
bruit et la musique.
11. Déterminer expérimentalement à quelles
longueurs d'onde des colonnes d'air réglables
fermées et ouvertes entrent en résonance pour
une certaine fréquence sonore qui les traverse.
12. Demander aux élèves de prédire ce qui pourrait
arriver si, lors de la conception et de la sélection
des matériaux servant à une application, on ne
tenait pas compte du phénomène de la
résonance mécanique.
13. Effectuer une activité destinée à étudier les
battements produits par deux sources vibrant à
des fréquences légèrement différentes.
14. Effectuer une activité qui illustre une façon
d'accorder les instruments de musique.
15. Déterminer expérimentalement les fréquences
du son que vous pouvez utiliser pour mettre en
résonance des colonnes d'air de longueur fixe
ouvertes ou fermées.
16. Un inventeur canadien a conçu un nouveau
type de sifflet de sport qui produit un son
strident sans le tournoiement d'une bille dans la
cage du sifflet. À titre d'activité intéressante, les
élèves pourront apporter une grande diversité de
sifflets et examiner leur conception et les sons
qu'ils produisent.
17. Effectuer une activité destinée à étudier la
figure d'interférence produite par un diapason
en vibration ou d'autres objets.
18. Faire le croquis de systèmes d'ondes
stationnaires dans un milieu unidimensionnel,
pour la fondamentale et pour au moins une
harmonique.
19. Étudier l'étendue de l'ouïe chez les animaux. À
l’aide d'un générateur de fréquences audio réglé
à des fréquences dépassant l'étendue de l'ouïe de
l'homme, déterminer si les animaux réagissent
à ces sons.
Utiliser un sifflet à ultrasons pour montrer
qu'un chien entend des sons qui ont des
fréquences supérieures à l'étendue normale de
l'ouïe humaine
Unité facultative VI : L’optique
A. Applications
1. La vision humaine
P. 164 – Physique 20 – Le son
Concepts clés
La cornée est un corps convexe qui a pour effet de
réfracter la lumière à la surface de l'œil.
Le cristallin, dont la courbure est contrôlée par les
muscles ciliaires et les ligaments suspenseurs
(zonule de Zinn), accentue la réfraction subie par
la lumière. Le cristallin de l'œil est une lentille
convergente.
Le changement de la forme du cristallin, appelé
accommodation, permet de voir distinctement des
objets situés à des distances différentes. Plus le
cristallin est convexe, plus la longueur focale est
courte.
Le punctum proximum (environ 25 cm, chez les
adultes ayant une vision normale) est la distance
minimale à laquelle on peut placer un objet qui sera
vu distinctement par accommodation de l'œil.
Le nerf optique transmet des impulsions au
cerveau. Il y a croisement. Le nerf optique de l’œil
droit envoie de l'information à l'hémisphère gauche
du cerveau et vice versa.
Généralement, un œil domine pour ce qui est du
contrôle de la perspective. Les deux yeux sont
nécessaires (vision binoculaire) pour percevoir
correctement l'effet de la profondeur.
En dépit des médiocres qualités optiques de l'œil
humain (si on le compare à d'autres types de
lentilles et de systèmes optiques), le cerveau est
capable de faire les corrections et les ajustements.
Pour l'instant, on n'a pas réussi à construire de
système optique qui se rapproche des qualités
exceptionnelles de la vision humaine.
L'iris, situé derrière l'humeur aqueuse et devant
le cristallin, se dilate ou se contracte afin de
modifier l'ouverture de la pupille.
Certaines affections de la vision chez l'homme
peuvent être corrigées.
La taille de la pupille règle la quantité de lumière
qui entre dans l'œil. (Si on double le rayon de la
pupille, on laisse entrer quatre fois plus de lumière
dans l'œil.)
Ce qui suit n'est donné qu'à titre d'information et
concerne les défauts de la vision chez l'homme. Ces
informations ne figurent pas dans certaines
ressources clés.
L'humeur vitrée derrière le cristallin aide à
maintenir la forme de l'œil.
La myopie (difficulté à voir de loin) est l'incapacité
de l'œil à mettre au point les objets éloignés sur la
rétine. Le cristallin est trop convexe, ou le globe de
l'œil est trop long pour permettre une bonne mise
au point. L'image se forme devant la rétine. La
lumière frappant la rétine n'est plus au point, elle
est diffuse. Des ménisques divergents (verres ou
lentilles cornéennes) peuvent corriger ce problème.
La surface blanche fibreuse du globe oculaire
s'appelle la sclérotique.
La rétine est une zone sensible à la lumière située
à l'arrière de l'œil. Elle est constituée de différents
types de récepteurs lumineux appelés bâtonnets et
cônes. Les bâtonnets sont sensibles à la lumière
diffuse et ne réagissent pas à la couleur.
Les cônes (situés près de la fovea) sont sensibles à
la lumière intense et à la couleur. (La théorie de
Young-Helmholtz, qui affirme qu'il y a des cônes
différents pour chacune des trois couleurs
primaires, peut être utile, mais échoue quand il
s'agit d'expliquer certaines choses, notamment la
constance de la couleur.)
Une image se forme sur la rétine. Cette image est
inversée, réelle et réduite. L'aptitude de l'œil à
former une image sur la surface courbée de la rétine
est un facteur extrêmement important de la vision
chez l'homme.
La tache aveugle, située là où le nerf optique et
l'œil se rencontrent, ne renferme aucun
photorécepteur.
L'hypermétropie (le contraire de la myopie) est
l'inaptitude de l'œil à mettre au point les objets
rapprochés. Le cristallin est trop aplati ou le globe
de l'œil est trop court. Habituellement, l'image se
forme derrière la rétine. Évidemment, l'image ne se
forme pas là, étant donné que les rayons lumineux
convergents frappent la rétine en premier. Certains
textes de physique illustrent cet effet
incorrectement en montrant les rayons qui
traversent le fond de l'œil pour aller produire
l'image derrière la rétine. Il faudrait se servir de
lignes en pointillés derrière la rétine afin de signaler
le fait que les rayons ne peuvent pas vraiment se
rendre à cet endroit. Des ménisques convergents
peuvent corriger ce problème.
La diminution du pouvoir d'accommodation
du cristallin, observée généralement chez les
personnes âgées, est causée par une perte
progressive de l'élasticité du cristallin. Elle produit
la presbytie (une forme d'hypermétropie). Des
ménisques convergents corrigent ce problème. La
vision éloignée n'est généralement pas affectée. Les
personnes portent fréquemment des lunettes
Physique 20 – L’optique – P. 165
bifocales spéciales ayant des lentilles convergentes
dans la moitié inférieure de la monture, de sorte que
l'œil regarde dans cette lentille (pour lire par
exemple) afin de mettre au point les objets
rapprochés.
L'astigmatisme apparaît si la cornée ou le
cristallin n'est pas rigoureusement sphérique. La
lumière provenant de plans différents ne peut être
mise au point simultanément. On dépiste
l’astigmatisme avec une roue à rayon numérotée.
On peut corriger ce défaut en portant des verres
dont les lentilles ont différents rayons de courbures
pour différents plans (verres cylindriques).
•
Expliquer pourquoi la vision binoculaire est
nécessaire pour percevoir la profondeur de
champ
•
Expliquer la différence entre des verres
correcteurs réguliers, des verres à double foyer
et des verres à triple foyer
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Effectuer une activité destinée à examiner la
vue à l’aide d’échelles optométriques et
d’échelles chromatiques.
Le daltonisme résulte de l'incapacité de distinguer
entre certaines couleurs, comme le rouge et le vert.
Il est rare qu’une personne ne voie les choses qu’en
gris. Ces troubles de la vue sont avant tout
héréditaires. Les hommes sont plus affectés que les
femmes. On ne connaît pas pour l'instant de
traitement qui corrigerait le daltonisme.
2.
Désigner sur un schéma les principales parties
de l'œil humain.
3.
Effectuer une activité destinée à observer les
conséquences de la « tache aveugle » et les
différences de perspective formées par l'œil
dominant.
Certains animaux ne voient pas les couleurs. Leur
rétine ne contient pas de cônes.
4.
Entreprendre une recherche sur les troubles de
la vision chez l'être humain et indiquer les
façons de les corriger.
5.
Expliquer comment l'image se forme sur la
rétine en appliquant sa connaissance des
lentilles et de la réfraction.
6.
Expliquer comment un changement de la forme
du cristallin, par accommodation, modifie la
longueur focale.
7.
Les élèves doivent prendre conscience de la
nécessité de porter des lunettes de protection et
de respecter les consignes de sécurité dans un
laboratoire, et dans d'autres milieux présentant
des risques. Comme activité, les élèves pourront
produire une vidéo sur la sécurité en laboratoire
à l'intention des élèves plus jeunes. Ils et elles
devront porter une attention spéciale à la
protection adéquate des yeux et aux situations
pouvant entraîner des blessures aux yeux.
8.
On trouve souvent chez l’optométriste un
schéma de l'œil, ainsi que différentes échelles de
mesure (comme les échelles chromatiques).
Demander à emprunter ce matériel. Parfois,
l’optométriste accepte de venir parler aux élèves
de son travail et des possibilités de carrière dans
son domaine.
Les cataractes apparaissent suite à une opacité
progressive du cristallin. Elles sont plus fréquentes
chez les personnes âgées, mais l'âge n'est pas la
seule cause. Des interventions chirurgicales
peuvent remplacer le cristallin par une lentille
interoculaire fabriquée dans un matériau
synthétique. Les lentilles artificielles ne peuvent
accommoder les objets rapprochés et éloignés; c'est
pourquoi les personnes portent généralement des
verres à double foyer ou à triple foyer après une
opération de la cataracte.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : accommodation,
punctum proximum
•
Décrire la fonction des parties qui constituent
l'œil humain : cornée, cristallin, muscles
ciliaires, ligaments suspenseurs, iris, humeur
aqueuse, humeur vitrée, sclérotique, rétine,
bâtonnets, cônes, nerf optique
•
Rechercher les causes et les traitements des
troubles de la vision chez l'être humain :
myopie, hypermétropie, presbytie,
astigmatisme, daltonisme, cataractes
•
Décrire comment les bâtonnets et les cônes de la
rétine réagissent différemment à la lumière
P. 166 – Physique 20 – L’optique
2. Autres applications
Parmi les applications suivantes, en traiter au
moins six. Ces applications peuvent être traitées
Les applications sont énumérées par ordre
alphabétique et sont en général traitées dans de
nombreuses ressources de physique destinées au
niveau secondaire.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
D'autres applications de la lumière pourront venir
s’ajouter à cette liste :
• aberrations optiques;
• affichages à cristaux liquides;
• affichages plasma;
• appareils photographiques;
• application de la lumière dans les ordinateurs;
• applications photographiques;
• arcs-en-ciel;
• bronzage;
• cellules photo-électriques;
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
séparément, bien qu’il soit préférable de les intégrer
aux autres concepts clés touchant la lumière dans
l'unité obligatoire III. Tout au long de l'unité VI sur
l'optique, vous aurez l'occasion d'exposer des
applications apparentées. Ce sujet permettra de
lancer les élèves dans des activités d'apprentissage
autonomes.
Il est difficile d'entrevoir ce que seront dans l'avenir
les nouveaux développements et les nouvelles
applications relatifs à l'optique. À mesure que les
progrès en science et en technologie feront
apparaître de nouvelles applications, on encourage
les enseignants et enseignantes à les ajouter à la
liste suivante.
L’enseignant ou l’enseignante de physique choisira
les connaissances et les concepts à développer.
Cependant, quel que soit le degré de développement
de l'application, il faudra toujours établir un lien
entre l'application et le comportement de la lumière,
et les autres phénomènes de physique.
En outre, l'étude de ces applications et d'autres
applications doit mettre l'accent sur l’approche
science–technologie–société–environnement
(approche STSE) du nouveau programme. Chaque
fois que l'occasion se présente de renforcer
l’approche STSE (Aspect D de l’alphabétisme
scientifique), les enseignants et enseignantes
doivent la saisir.
On recommande d'exposer le contexte historique de
ces applications, afin d'insérer l'étude de la physique
dans un cadre social et historique. Les élèves
doivent aussi être sensibilisés au fait que de
nombreuses réalisations remarquables en science et
dans d'autres disciplines de la connaissance
humaine sont l’œuvre de solitaires qui ont
bouleversé les idées reçues et les normes acceptées
de leur époque et gagné leur point malgré la critique
et l'opposition.
cellules solaires;
chauffage solaire;
diffraction des rayons X;
diodes électroluminescentes;
disques laser;
éclairage;
éclairement;
éclipses;
effets atmosphériques;
enregistrement vidéo;
eprom;
fibres optiques;
films minces, coins d'air et irisation;
fluorescence;
holographie;
illusions d'optique;
instruments optiques;
kaléidoscopes;
lasers;
lentilles composées;
leviers optiques (p. ex. balance de Cavendish);
lidar (radar optique);
loupes;
lumière infrarouge;
luxmètres;
microscopes électroniques;
microscopes optiques;
miroirs déformants des maisons hantées;
miroirs rétroviseurs;
miroirs unidirectionnels;
objectifs catadioptriques;
objectifs gravité;
objectifs zoom;
optométrie;
perception des couleurs;
périscopes;
phosphorescence;
photoélasticité;
pigments de couleur (colorants);
pouvoir de résolution;
pression de la lumière;
prismes;
profondeur apparente;
projecteurs;
projecteurs et projecteurs de recherche;
rayonnement du corps noir;
recherche d'intelligence extra-terrestre (en
anglais, SETI);
réflecteurs paraboliques;
réflecteurs solaires;
rehaussement d'image;
résolution;
rétroréflecteurs à prisme;
sources de lumière artificielles;
spectroscopie;
spectroscopie d'émission;
sténopés;
télédétection;
télémétrie;
Physique 20 – L’optique – P. 167
•
•
•
•
•
•
•
•
télescopes;
télévision;
température de la couleur;
ultraviolet;
verres à double foyer;
verres de contact;
vision binoculaire;
vision des animaux.
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Se procurer un œil de vache à l'abattoir local.
Avec des instruments de dissection, découper
l'œil et examiner le système optique. Concevoir
une expérience destinée à déterminer la
longueur focale du cristallin. Coordonner cette
activité avec le programme de biologie en
s'entendant avec l'enseignant ou l'enseignante
de biologie. Cette activité aborde des aspects
intéressants à la fois pour la physique et pour la
biologie.
2.
Construire un sténopé. Mener des expériences
destinées à déterminer le temps d'exposition
nécessaire dans telles conditions d'éclairage
pour telles sensibilités de pellicule.
3.
Entreprendre une recherche sur l'histoire de la
photographie ou sur certains aspects de la
photographie; présenter les grands personnages
et les faits marquants.
4.
Distribuer une liste d'applications sur la
lumière et demander aux élèves de faire une
recherche sur un des sujets. Ils pourront
travailler en groupes ou individuellement.
5.
Concevoir et construire un réflecteur solaire qui
servira à faire sécher du poisson et de la viande.
6.
Répartir les élèves en groupes. Leur donner des
projets de recherche. Leur donner l’occasion
d'étudier une des applications énumérées sur
cette page et sur la page précédente.
P. 168 – Physique 20 – L’optique
B. Lentilles
Concepts clés
Les lentilles sont des surfaces courbées ou bien un
très grand nombre de surfaces planes légèrement
décalées (p. ex. lentilles de Fresnel).
Les lentilles convergentes (lentilles positives)
sont plus épaisses au centre que sur les bords.
Les lentilles divergentes (lentilles négatives) sont
plus épaisses sur les bords qu'au centre.
N.B. Le programme de Physique 20 n'aborde que
les lentilles simples minces. Prendre note aussi que
les expressions « concave » et « convexe » associées
aux lentilles peuvent prêter à confusion. Un
ménisque possède à la fois une face concave et une
face convexe, mais c'est l'épaisseur du centre par
rapport à celle des bords qui détermine ses
propriétés divergentes ou convergentes.
Le centre optique (O) d'une lentille se trouve en
son centre géométrique.
L'axe principal est une ligne de construction
tracée perpendiculairement à la lentille et qui passe
par le centre optique.
Les rayons parallèles à l'axe principal convergent
quand ils traversent une lentille convergente et
divergent quand ils traversent une lentille
divergente.
Le foyer principal (F) est un point de l'axe
principal où la lumière est concentrée (dans le cas
d'une lentille convergente) et où elle semble se
disperser (dans le cas d'une lentille divergente). Il
existe deux foyers équidistants de part et d'autre de
la lentille, du fait que la lumière réagit de la même
manière quand elle voyage dans un sens ou dans un
autre (principe de la réversibilité). Les deux foyers,
F et F’, sont appelés respectivement le foyer
principal primaire et le foyer principal
secondaire. F, appelé aussi parfois point focal
primaire, se voit à droite d'une lentille convergente
et à gauche d'une lentille divergente. Par ailleurs,
F’, le point focal secondaire, est à l'opposé du point
principal dans chaque type de lentille.
Les tracés des rayons servent à montrer la marche
des rayons dans une lentille.
Les tracés des rayons aident à trouver les
caractéristiques de l'image formée par une lentille.
Par convention, les rayons incidents sont illustrés
sur un diagramme de la gauche vers la droite.
Généralement, on dessine une ligne en pointillés
passant par le centre optique de la lentille et
perpendiculaire à l'axe principal.
Les rayons doivent toujours être dessinés et annotés
avec précision, et tracés à la bonne échelle.
La distance focale est la distance entre le foyer
principal et le centre optique de la lentille.
Le plan focal est un plan imaginaire
perpendiculaire à l'axe principal au point focal. Les
rayons parallèles qui traversent une lentille
convergente convergent en un certain point du plan
focal.
Les rayons lumineux incidents sont réfractés deux
fois par une lentille : une fois à chaque frontière.
Une réflexion partielle peut également se produire.
Dans les systèmes optiques, la réflexion partielle est
un effet indésirable. On peut la minimiser en
employant des revêtements anti-reflets. Les lentilles
traitées avec des revêtements anti-reflets
fournissent une image de qualité supérieure.
Afin de simplifier la représentation des tracés des
rayons, la réfraction des rayons incidents est
illustrée sur la ligne de construction qui passe par
le centre optique de la lentille. Pour une lentille
mince, ceci constitue une approximation
raisonnable, étant donné que le déplacement latéral
est assez faible.
Les rayons lumineux qui ont parcouru une grande
distance sont réellement parallèles.
Les lentilles peuvent former des images réelles ou
des images virtuelles.
Les règles pour tracer le trajet des rayons lumineux
pour les lentilles convergentes et divergentes
peuvent être mises à profit pour déterminer les
caractéristiques de l'image formée par une lentille.
Une lentille divergente forme toujours une image
virtuelle de sens direct, dont les dimensions sont
réduites. L’image se trouve plus près de la lentille
que l'objet, entre le point focal (F) et la lentille.
Pour corriger l'aberration sphérique des
lentilles, on a recours à des lentilles
achromatiques. On peut corriger l'aberration
sphérique des lentilles en recourant à des
lentilles asphériques ou en combinant des lentilles
minces qui annulent les aberrations. Des lentilles
achromatiques, conçues pour corriger une
aberration chromatique à certaines longueurs
Physique 20 – L’optique – P. 169
d'onde, peuvent aussi réduire l'aberration
sphérique. Les défauts des lentilles portent le nom
d'aberrations. Ces dernières diminuent la qualité
de l'image formée par le système optique. Les
lentilles entrent en jeu dans de nombreuses
applications pratiques. (Vous devrez en étudier
plusieurs.)
Un système optique peut être un assemblage de
miroirs, de lentilles, de prismes et d'autres genres
de dispositifs optiques.
Une image formée par la composante d'un système
optique peut devenir l'objet pour une autre
composante du système optique.
Les caractéristiques de l'image produite par une lentille convergente dépendent de l'emplacement de l'objet. Le
tableau résume les caractéristiques des images produites par une lentille convergente d'après la position de
l'objet.
Caractéristiques de l'image
Position de l'objet
près de l'infini
au-delà de 2F
en 2F
entre 2F et F
entre F et O
en F
Grossissement
< -1
< -1
-1
> -1
> +1
non défini
Sens
Type
Emplacement
inversé
inversé
inversé
inversé
direct
réel
réel
réel
réel
virtuel
en F
entre F et 2F
en 2F
au-delà de 2F
même côté que l'objet
(Ces caractéristiques devraient être confirmées expérimentalement et vérifiées par des tracés de rayon et
l'application des équations. Dissuader ceux qui voudraient les apprendre par cœur.)
Règles pour tracer le trajet des rayons pour
les lentilles convergentes et les lentilles
divergentes
Résultats d'apprentissage
N.B. Les remarques entre parenthèses concernent
spécifiquement les lentilles divergentes.
•
Un rayon incident parallèle à l'axe principal est
réfléchi de sorte qu'il passe par le foyer réfracté
(le rayon semble être issu du foyer (F)
principal).
Définir les termes suivants : lentille
convergente (positive), lentille divergente
(négative), centre optique, axe principal, foyer
principal, distance focale, plan focal, lentilles
achromatiques, objet virtuel
•
Un rayon incident qui passe par le foyer
secondaire (F’) (ou s'y dirige) est réfracté afin
d'être parallèle à l'axe principal.
Faire la distinction entre une lentille
convergente (positive) et une lentille divergente
(négative)
•
Tracer le trajet des rayons dans des lentilles
convergentes et divergentes, en montrant l'axe
principal et les points critiques situés sur l'axe
principal
•
Tracer des diagrammes clairs, bien annotés,
précis et à l'échelle pour des lentilles minces
simples
•
Mettre en pratique les règles pour tracer les
rayons dans les lentilles convergentes et
divergentes (méthode des rayons parallèles) afin
de placer un objet sur l'axe principal et de
localiser la position et d'autres caractéristiques
de l'image
1.
2.
3.
L’élève sera capable de :
Un rayon incident qui passe par le centre
optique de la lentille continue son trajet
rectiligne.
P. 170 – Physique 20 – L’optique
•
Employer le tracé des rayons pour interpréter
les caractéristiques d'une image formée par une
lentille
Expliquer pourquoi les rayons lumineux provenant
de très loin sont effectivement parallèles quand ils
atteignent la lentille (ou tout autre système optique)
•
Montrer sa compréhension de l'importance
d'une procédure de vérification et savoir la
mettre en œuvre
•
•
Réaliser que, même si les rayons lumineux sont
réfractés sur deux surfaces par une lentille, on
peut, pour le cas des lentilles minces, considérer
que les rayons incidents sont réfractés à la ligne
de construction qui passe par le centre optique
de la lentille
Résoudre des problèmes relatifs à l'optique des
lentilles en appliquant les équations des
lentilles, les tracés des rayons et d'autres
méthodes
•
Expliquer une méthode qui sert à corriger
l'aberration sphérique dans les lentilles
•
Faire la distinction entre un objet réel et un
objet virtuel
•
Indiquer différentes applications des lentilles et
montrer leur importance pour la société
•
Images formées par une lentille convergente
Physique 20 – L’optique – P. 171
Enseignement, activité et démonstration
suggérés
1.
Effectuer une activité destinée à étudier la
formation d'une image dans des lentilles
convergentes et divergentes.
2.
Placer une source lumineuse, une lentille
convergente et un écran sur un support.
Déterminer la position de l'image quand la
distance entre l'objet et la lentille varie.
Trouver la distance focale et la puissance de la
lentille. Déterminer le grossissement pour
différentes positions. Répéter l’opération pour
plusieurs lentilles positives. Tracer les rayons
correspondant à chaque cas. Énoncer les
caractéristiques des images pour chaque cas.
Comme défi supplémentaire, répéter en
utilisant deux lentilles combinées.
3.
Monter une lentille convergente et une lentille
divergente sur un banc optique. Observer des
objets éloignés en regardant à travers les
lentilles dans les deux sens. Régler la distance
entre les lentilles.
4.
Le montage décrit au point 3 est à l'origine des
premières expériences qui ont permis de
développer les premiers télescopes optiques.
Demander aux élèves de faire une recherche
personnelle sur l'historique du télescope.
5.
Comparer les télescopes de Galilée et de Kepler
du point de vue des caractéristiques des images.
Utiliser les tracés des rayons et les données
obtenues par expérimentation et montrer
comment l'image est formée dans chaque
télescope.
6.
Concevoir diverses activités et démonstrations
utilisant des boîtes à rayons.
7.
Employer des ordinateurs comme outils
d'analyse pour résoudre des problèmes, faire des
simulations et s’initier à de nouvelles
perspectives de la micro-informatique.
8.
Un modèle de simulation de la réfraction de la
lumière du Soleil dans l'atmosphère suppose la
préparation dans un bécher d'une solution
constituée d'environ 900 ml d'eau, de 5 g de
thiosulfate de sodium et de 5 ml d'acide
chlorhydrique concentrée. N.B. Verser toujours
l'acide dans l'eau, jamais le contraire. Cet acide
est relativement inoffensif dans l'eau, mais à
l'état concentré, il est très corrosif.
P. 172 – Physique 20 – L’optique
Une solution colloïdale de soufre se forme.
Diriger la lumière d'une torche vers le
contenant. À angle droit du faisceau, vous
pourrez voir une lumière bleue réfractée.
Employer un écran blanc afin d'examiner
diverses régions du faisceau. Les couleurs
apparaîtront blanche, jaune et rouge. Vous
verrez aussi des régions entièrement noires.
Cette démonstration est utile pour faire
comprendre les couchers de Soleil et l'effet
Tyndall. Conserver la solution, la placer dans
un ballon florentin afin de simuler la réfraction
dans les lentilles.
C. Optique physique
1. Phénomènes importants
Concepts clés
On peut recourir à un modèle mécanique qui
illustre le passage d'ondes transversales dans des
fentes verticales et horizontales, afin de se faire une
idée de la polarisation de la lumière.
Un filtre polarisant ne laisse passer que les
ondes lumineuses polarisées dans un plan. (On
trouve également des polarisateurs circulaires.) La
lumière qui ne passe pas est absorbée par le filtre.
Deux filtres polarisants décalés de 90o l'un par
rapport à l'autre empêchent toute transmission de
lumière.
Certains types de cristaux (calcite, tourmaline, etc.)
sont des polarisateurs naturels.
Des matériaux synthétiques de polarisation
(hérapathite) sont employés dans plusieurs
applications. (Vous devrez en étudier un certain
nombre.)
Certaines surfaces réfléchissantes (verres, eau, etc.)
polarisent la lumière. La diffusion de la lumière du
Soleil dans l'atmosphère provoque de la polarisation.
La lumière subit une diffraction quand elle
contourne une bordure bien découpée (ou passe dans
de petites ouvertures).
En raison des petites longueurs d'onde de la
lumière, la diffraction de la lumière est plus
prononcée quand la fente à travers laquelle passe la
lumière est étroite, tout en étant du même ordre de
grandeur que les longueurs d'onde.
La figure de diffraction produite par une simple
fente comprend une région centrale brillante
(maximum central) suivie de régions obscures de
chaque côté, puis de régions un peu moins claires
(maximums secondaires) dont l'intensité
diminue à mesure qu'on s'éloigne du centre.
L'espacement entre les régions obscures est
constant. La largeur du maximum central est
environ deux fois la largeur des maximums
secondaires, qui sont presque équidistants.
La largeur totale d'une figure de diffraction est
inversement proportionnelle à la largeur de la fente.
L'expérience des deux fentes de Young vient
appuyer la théorie de la nature ondulatoire de la
lumière, contrairement à sa nature corpusculaire.
Dans l'expérience de Young, les deux sources
ponctuelles de lumière sont en phase. Une série de
bandes brillantes et sombres (franges
d'interférence) s'observe sur la figure
d'interférence.
Les bandes foncées sont les régions de l'interférence
destructive, et les régions brillantes, celles de
l'interférence constructive. Chaque fente produit
une petite figure de diffraction. Ces deux figures
interfèrent l'une avec l'autre, produisant ainsi des
franges brillantes également espacées, superposées
sur la figure de la fente simple en arrière-plan.
L'espacement entre les franges brillantes est
inversement proportionnel à la distance entre les
fentes, d.
La différence de marche est la différence entre la
distance parcourue par la lumière pour chaque
fente. On peut l'exprimer en longueurs d'onde.
La relation entre la longueur d'onde (λ), la distance
entre les franges brillantes sur l'écran (∆x), la
séparation des fentes (d) et la distance
perpendiculaire entre la fente et l'écran (L), pour
une figure d'interférence est :
d 
λ = ∆x 
 L
ou l'équivalent si on prend la nième ligne nodale :
 x
d 
L
λ =  1 ,
n- 2
où x est la distance du maximum central à la nième
ligne nodale (minimum) mesurée à partir de la
bissectrice droite. L'équation n'est exacte que
lorsque x <<L, de sorte que sin θ ≈ tg θ. Par
exemple, si L = 5x, l'erreur est d’environ 2 %.
L'interféromètre de Michelson a recours à un
diviseur de faisceaux pour séparer un faisceau de
lumière monochromatique dont chaque partie
emprunte un trajet différent. La différence de trajet
peut être réglée, ce qui permet de produire un
décalage appréciable du système de franges.
Un réseau de diffraction est utilisé pour produire
des systèmes de franges intéressants.
Physique 20 – L’optique – P. 173
Un réseau de diffraction est une surface
(transparente) sur laquelle sont tracés
d'innombrables petits sillons très rapprochés. Le
très grand nombre de sillons a pour effet de réduire
en une ligne étroite la largeur des maximums
d'interférence (franges brillantes). L'intervalle entre
les sillons sépare grandement les lignes formées.
Les très petits sillons dispersent fortement la figure
de diffraction d'arrière-plan. Tout ce qui reste
visible est le maximum central.
1.
Auparavant, une onde transversale était définie
comme une onde dont les particules de son
milieu porteur vibrent perpendiculairement à la
direction de déplacement des ondes. Comme les
ondes lumineuses n'ont pas de milieu,
demander aux élèves ce qui vibre.
2.
Reproduire expérimentalement les résultats de
l'expérience à double fente de Young.
3.
Observer ce qui arrive quand on regarde à
travers un filtre polarisant et à travers une
paire de filtres polarisants.
4.
Observer la figure de diffraction qui résulte
d'un faisceau lumineux passant dans une fente
ou qui contourne une bordure nette.
5.
Comparer les résultats observés quand on
regarde une source lumineuse à travers une
fente simple et une fente double.
6.
Effectuer une activité consistant à observer
plusieurs sources de lumière à travers un
ensemble de fentes à diffraction.
7.
Placer un ensemble de fentes à diffraction
devant un faisceau laser. Observer la figure de
diffraction qui apparaît sur la paroi éloignée.
(Attention : Ne jamais regarder directement la
lumière d'un laser. Surveiller les réflexions
imprévues. Informer les élèves de cette
importante précaution.) En prenant la largeur
de la fente, la distance à la paroi et toute autre
mesure nécessaire, déterminer la longueur
d'onde du faisceau laser.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : polarisation, filtre
polarisant, maximum central, maximums
secondaires, franges d'interférence, différence de
trajet, interféromètre, diviseur de faisceau,
lumière monochromatique, réseau de diffraction
•
Décrire un modèle mécanique qui aide à
conceptualiser la polarisation de la lumière
•
Donner des exemples de surfaces réfléchissantes
qui peuvent polariser la lumière
•
Expliquer que la diffusion dans l'atmosphère
donne lieu à une polarisation
•
Décrire des figures de diffraction produites par
une fente unique
•
Expliquer pourquoi la diffraction de la lumière
est plus prononcée quand la fente est étroite,
tout en étant du même ordre de grandeur que la
ou les longueurs d'onde
•
Décrire la figure d'interférence que produit le
montage expérimental à double fente de Young
•
Proposer une explication de l'expérience à
double fente de Young qui vient appuyer la
théorie ondulatoire de la lumière
•
Résoudre des problèmes sur l'interférence en
employant la relation entre la longueur d'onde,
la distance entre les lignes nodales sur l'écran,
la séparation des fentes et la distance
perpendiculaire entre les fentes et l'écran
•
Expliquer de quelle manière l'interféromètre de
Michelson produit une figure d'interférence
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
P. 174 – Physique 20 – L’optique
λ=
xd
nL
Noter qu'avec un bon ensemble de fentes à
diffraction, l'intervalle entre les franges
brillantes sera de l'ordre de 20o. Donc,
l'hypothèse à l'origine de la formule de la double
fente, soit sin θ = tg θ, n'est pas valide.
L'équation devient donc λ =
xd
n L 2 + x2
L'équation de base d'un réseau de diffraction est
:
λ=
8.
d
sinθ
n
L'expérience peut aussi être réalisée en se
servant d'une source de lumière incandescente
ayant un filament droit, comme une ampoule
de vitrine. On peut tailler avec des lames de
rasoir des fentes simples, doubles et multiples
sur le côté émulsionné de pellicules 35 mm
surexposée. (Certains élèves en arts industriels
disposent souvent d'une bonne quantité de
pellicules surexposées.) On peut aussi peinturer
des lames de microscope en noir, mais cette
méthode est salissante, et le temps consacré au
noircissement des lames serait mieux employé
à la réalisation de l'expérience et à l'analyse des
résultats.
2. Rayonnement électromagnétique
Concepts clés
Maxwell a prédit que les ondes
électromagnétiques pouvaient être produites par
des charges électriques en vibration. On a
également prédit que les ondes transversales
voyageaient à la vitesse de la lumière.
Les expériences de Newton avec des prismes et des
lentilles ont mis en évidence la dispersion de la
lumière blanche en un spectre, et la
recombinaison ultérieure des composants de ce
spectre en lumière blanche. La lumière
monochromatique ne peut être dispersée ni
recombinée.
La lumière monochromatique est composée d'une
seule longueur d'onde et par conséquent n'a qu'une
seule couleur. Un laser génère ce type de lumière.
(La lumière laser est également cohérente. Les
photons émis sont tous en phase.)
Le spectre obtenu en décomposant la lumière solaire
est continu. (Il contient en outre des raies de
Fraunhoffer causées par de l'absorption à certaines
longueurs d'onde.)
D’autres sources de lumière sont capables de
produire un spectre de raies discontinues ou de
bandes, appelé spectre d'absorption et comprenant
des raies discrètes ou des bandes causées par des
émissions à certaines longueurs d'onde (p. ex.
hydrogène atomique, hélium, néon). Ces exemples
ne correspondent qu'à des spectres de raies. Pour
obtenir des spectres de bandes, il faut avoir un gaz
moléculaire.
Un gaz excité émettra un spectre de raies (ou de
bandes). Les longueurs d'onde émises sont
caractéristiques du gaz et peuvent servir à
l'identifier (un spectre d'émission).
Si un gaz non excité s’interpose entre une source
lumineuse et un observateur, ce dernier verra un
spectre continu comprenant des bandes ou des raies
noires à certaines longueurs d'onde. Les longueurs
d'onde qui sont absentes sont les mêmes
longueurs d'onde qui seront réémises par ce gaz
s'il est excité. Ces longueurs d'onde ont été
absorbées par le gaz (donc un spectre d'absorption).
Un spectre d'absorption peut aussi permettre de
connaître la composition d'un gaz.
La lumière visible est formée de longueurs d'onde
allant d'environ 400 à 750 nm. La lumière violette
est celle dont les longueurs d'onde sont les plus
petites, entre 400 et 450 nm. La lumière rouge
possède les longueurs d'onde les plus grandes, entre
610 et 750 nm.
La lumière infrarouge, dont les longueurs d'onde
sont tout juste supérieures à celles de la région du
rouge, et la lumière utltraviolette, dont les
longueurs d'onde sont tout juste inférieures à celles
de la région violette, sont deux types de
rayonnements électromagnétiques imperceptibles à
l'œil humain.
Les micro-ondes et les ondes radio sont deux types
de rayonnements électromagnétiques ayant de
grandes longueurs d'onde.
Parmi les rayonnements électromagnétiques de
courtes longueurs d'onde, mentionnons les rayons
X, les rayons gamma et les rayons cosmiques.
Les termes « rayons cosmiques » désignent des
particules très énergétiques d'origine extraterrestre
qui atteignent la Terre. Ce sont principalement des
particules chargées voyageant à très grande
vitesse, et formées en partie de photons de haute
énergie (rayonnements électromagnétiques).
L'énergie d'un rayonnement électromagnétique est
fonction de sa fréquence. Le rayonnement
électromagnétique de haute fréquence possède une
Physique 20 – L’optique – P. 175
plus grande quantité d'énergie. N.B. Une lumière
visible de haute intensité peut fournir plus d'énergie
que des rayons X de faible intensité, et cela, même
si les photons d'un rayonnement X sont
« individuellement » plus énergétiques que les
photons de la lumière visible.
Le spectre électromagnétique est un ensemble
continu de rayonnements électromagnétiques allant
des ondes radio aux rayons cosmiques. La nature
physique du rayonnement reste inchangée dans tout
le spectre. La fréquence, la longueur d'onde et
l'énergie associée sont les seuls paramètres qui
varient tout au long du spectre.
2.
Dans le projet SHARP (répéteur fixe à haute
altitude), élaboré par le ministère des
Communications, un avion propulsé par microondes agit comme un répéteur de
télécommunications. Les élèves pourront
poursuivre leurs recherches sur ce projet. Pour
en savoir plus, se reporter au document qui se
trouve dans le centre de ressources de l’école :
Technologie et innovation dans l'industrie au
Canada : une trousse d'information à
l'intention des enseignants et enseignantes de
sciences.
3.
Laisser les élèves concevoir une activité
destinée à examiner la dispersion de la lumière
à travers un prisme.
4.
Décrire, refaire certaines expériences de
Newton sur l'étude de la nature de la lumière,
ou bien trouver des élèves qui voudraient
reproduire ces expériences.
5.
Observer et comparer des spectres continus et
des spectres discontinus.
6.
Donner des exemples qui illustrent que les
prédictions en science sont conditionnées par la
vérification expérimentale. Sans la vérification
expérimentale, la science n'existerait
probablement pas.
7.
Examiner les caractéristiques de divers types
d'objets sous un éclairage ultraviolet. Certains
types de minéraux, de tissus, de peintures et
même certains insectes revêtent une apparence
intéressante quand on les observe sous une
source de lumière ultraviolette.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : spectre
électromagnétique, rayonnement
électromagnétique, lumière monochromatique,
spectre continu, spectre de raies, lumière
visible, lumière infrarouge, lumière
ultraviolette
•
Énoncer les prédictions de Maxwell concernant
la nature des ondes électromagnétiques
•
Préciser la gamme des longueurs d'onde de la
lumière visible
•
Décrire les régions infrarouges et les régions
ultraviolettes du spectre électromagnétique
•
Étudier plusieurs applications pratiques qui
exploitent la lumière infrarouge et la lumière
ultraviolette
•
Décrire des régions du spectre
électromagnétique de part et d'autre du spectre
visible et mentionner plusieurs applications qui
s'en servent
•
Expliquer que les différentes régions du spectre
électromagnétique se distinguent d'après leur
fréquence, leur longueur d'onde et l'énergie
associée
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Comme projet de recherche, les élèves étudient
comment un four micro-onde cuit les aliments.
La découverte de l'effet des micro-ondes sur les
aliments, exemple de « l'effet de sérendipité »,
pourra servir à montrer certains aspects
importants de la nature de la science.
P. 176 – Physique 20 – L’optique
3. Couleurs
tableau n'est valable que pour le mélange additif des
couleurs. Il ne s'applique pas aux pigments.
Concepts clés
La lumière blanche contient au moins trois
couleurs additives primaires : le rouge, le vert
et le bleu.
Couleur
Comprend
Manque
Rouge
rouge
vert, bleu
Vert
vert
rouge, bleu
En combinant du rouge, du vert et du bleu clair (ou
deux de ces couleurs) à différentes intensités, on
produit une large palette d'autres couleurs (théorie
additive de la lumière).
Bleu
bleu
rouge, vert
Cyan
vert, bleu
rouge
Le cyan, le magenta et le jaune sont appelés
couleurs secondaires. Chacune renferme deux
couleurs primaires et l'absence totale de la
troisième, la couleur complémentaire.
magenta
rouge, bleu
vert
jaune
rouge, vert
bleu
Une surface semble noire si elle absorbe toute la
lumière qui la frappe.
Les objets non lumineux ont une couleur du fait
qu'ils réfléchissent la lumière à certaines longueurs
d'onde, absorbent la lumière à des longueurs d'onde
différentes et transmettent la lumière sous
d'autres longueurs d'onde. Les longueurs d'onde
réfléchies et transmises se composent pour produire
la couleur résultante, p. ex. mélange de peintures
(théorie soustractive de la lumière).
Un filtre absorbe et transmet de façon sélective la
lumière. (Cette définition englobe d'autres filtres
que les filtres couleur, p. ex. filtre rouge, filtre u.v.,
filtre polarisant, etc.)
Ce tableau devra être rempli expérimentalement.
Des nuanciers de couleurs circulaires pourront
servir à illustrer les rapports entre couleurs
primaires et couleurs secondaires.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : couleurs primaires
additives, couleurs secondaires, filtre, couleurs
complémentaires, filtre couleur
•
Désigner les trois couleurs primaires additives
•
Expliquer que la « lumière blanche » est
constituée d'au moins trois couleurs primaires
additives
•
Expliquer que généralement les objets non
lumineux semblent avoir une certaine couleur
parce qu'ils réfléchissent la lumière à des
longueurs d'onde qui se combinent pour donner
la couleur observée
La théorie des couleurs est essentielle en art, en
photographie, en impression quadrichromie et dans
d'autres applications. (Plusieurs applications
devront être discutées et explorées. Il y a aussi
possibilité d’intégrer ces applications à d'autres
domaines.)
•
Proposer une explication au fait que certaines
surfaces semblent noires ou blanches
•
Expliquer qu'en combinant du rouge, du vert et
du bleu clair à diverses intensités, on produit
une large palette d'autres couleurs
Le tableau ci-dessous récapitule les relations entre
couleurs primaires et secondaires de la lumière. Ce
•
Proposer des applications de la théorie additive
de la lumière
Deux couleurs primaires qui se chevauchent
peuvent (en théorie) bloquer presque toute la
lumière visible. Un filtre de couleur primaire qui
chevauche un filtre de sa couleur complémentaire
bloque (en théorie) toute lumière visible. (En
théorie, car il est extrêmement difficile de fabriquer
des filtres ayant une valeur de coupure de la
transmission à une certaine longueur d'onde. La
plupart des filtres de couleur laissent « passer » une
certaine lumière des autres longueurs d'onde.)
Deux filtres de couleurs secondaires ne
transmettront qu'une des couleurs primaires.
Physique 20 – L’optique – P. 177
•
Désigner les trois couleurs secondaires de la
lumière
•
Donner des exemples illustrant ce qui est
absorbé et ce qui est transmis par différents
types de filtres
•
Proposer certaines applications importantes de
la théorie de la couleur
lampadaire au sodium (jaune) et au mercure
(bleu-blanc).
8.
Préparer la solution de chlorophylle, hacher les
feuilles en petits morceaux. Placer ces morceaux
dans un mortier et ajouter de l'alcool chaud.
Broyer le mélange feuille-alcool avec un pilon.
Décanter la solution. Laisser l'alcool s'évaporer
quelque temps afin d'augmenter la concentration
de la solution.
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
2.
3.
Enregistrer la mire de la télévision couleur sur
vidéocassette. La visionner en classe. Noter
comment les couleurs de la mire peuvent servir
à développer un tableau récapitulant les
rapports entre couleurs primaires et couleurs
secondaires, comme celui de la page 176.
Créer expérimentalement un tableau ou un
nuancier circulaire qui fait voir les rapports
entre les couleurs primaires et les couleurs
secondaires.
Prendre trois projecteurs de diapositives. Placer
différents types de filtres de couleur primaire
dans la lumière projetée par chaque appareil.
Observer ce qui se produit quand la lumière
filtrée arrive sur l'écran blanc. Répéter
l’opération avec des filtres de couleurs
secondaires.
Utiliser du papier de différentes couleurs et
examiner ce qui se passe quand la lumière
filtrée et ses combinaisons frappent les surfaces
colorées.
4.
5.
À l’aide d’une source de lumière, d’un prisme
triangulaire et d’une lentille convergente,
illustrer la décomposition de la lumière blanche
en un spectre (quand elle passe dans le prisme),
et la recomposition en lumière blanche (quand
les composantes du spectre passent dans la
lentille).
Observer ce qui arrive quand une couleur
secondaire se combine à sa couleur
complémentaire primaire.
6.
Effectuer des activités destinées à observer ce
qui se produit quand deux filtres de couleurs
primaires se chevauchent, et ce qui arrive
quand deux filtres de couleurs secondaires se
superposent.
7.
Observer le spectre complet de diverses sources
de lumière à travers un réseau de diffraction ou
un spectromètre. Employer des lampes de
P. 178 – Physique 20 – L’optique
Extraire de la chlorophylle d'une plante verte
(ou de feuilles de choux rouge ou d'un coleus pour
obtenir des résultats intéressants) et étudier le
spectre d'absorption.
9.
Une séparation au moyen de papier ou de la
chromatographie à colonne pourra être appliquée
aux échantillons préparés. À partir des résultats,
les élèves expliquent pourquoi les plantes ont
telle couleur au soleil.
10. À partir des considérations précédentes,
concevoir une expérience destinée à déterminer
de quelle façon les plantes réagissent aux
couleurs et aux types de lumières artificielles.
11. Faire des recherches sur les couleurs des
plantes et de leurs fleurs dans des
environnements différents. Comment leurs
couleurs leur permettent-elles de s'adapter et de
survivre?
Des activités de cette nature aident les élèves à
réaliser que la physique est imbriquée aux
autres sciences, à un point tel que cela ne
compte plus de savoir que l'on « travaille » en
physique ou en chimie ou en biologie. Les élèves
ont l’occasion de mesurer l'association intime
entre les différentes branches de la science.
12. Si votre agrandisseur de chambre noire possède
un porte-filtre de couleur, montrer aux élèves ce
qui change dans l'image obtenue à partir d'un
négatif ou sur une diapositive projetée sur la
plaque de l'agrandisseur quand on remplace le
filtre.
Vous trouverez là une bonne activité
d’enrichissement en faisant porter la discussion
sur l'application de la théorie des couleurs à la
photographie couleur. C'est aussi un projet de
recherche intéressant que les élèves pourront
effectuer individuellement ou en petits groupes.
13. À l’aide d’un simple spectroscope ou d’un
spectromètre, exécuter des tests de coloration de
flamme afin d'analyser les caractéristiques
spectrales de différentes solutions chimiques.
Développer cette activité en conjonction avec le
programme de Chimie 20.
14. Illustrer le fait que certains objets non
lumineux semblent avoir une couleur précise
parce qu'ils transmettent la lumière à une
certaine longueur d'onde (p. ex. certains
colorants textiles d'aniline).
Physique 20 – L’optique – P. 179
Physique 30
Physique 30
Physique 30
Unités obligatoires
Unités facultatives (Une des une unité
suivantes au choix)
Unité I : La cinématique et la dynamique
(30 heures)
A.
B.
C.
D.
E.
F.
Comprendre le mouvement
Quantités scalaires et vectorielles
Distance et déplacement
Vitesse et vecteur vitesse
Accélération
Les principes du mouvement de Newton
Unité II : L’énergie mécanique (10 heures)
A.
B.
C.
D.
Travail
Puissance
Énergie cinétique
Énergie potentielle gravitationnelle
Unité III : L’électricité (20 heures)
A.
B.
C.
D.
Applications
Courant et différence de potentiel
1. Courant
2. Différence de potentiel électrique
3. La loi d'Ohm
Circuits électriques
1. Les lois de Kirchhoff
2. Circuit en série et circuit en parallèle
Puissance et énergie électriques
Unité V : Les applications de la cinématique
et de la dynamique
A.
B.
C.
D.
E.
Quantité de mouvement
1. Impulsion et quantité de mouvement
2. La loi de la conservation de la quantité de
mouvement
Forces de frottement
Mouvement d'un projectile
Mouvement circulaire uniforme
Gravitation universelle
Unité VI : La mécanique des fluides
A.
B.
C.
D.
E.
Densité
Pression
Le principe de Pascal
Le principe d'Archimède
Le principe de Bernoulli
Unité VII : L’électromagnétisme
A.
B.
C.
D.
Magnétisme
Électromagnétisme
Le principe du moteur
Induction électromagnétique
Unité VIII : La physique atomique
Unité IV : La physique nucléaire (15 heures)
A.
B.
C.
Radioactivité naturelle
Fission nucléaire
Réacteurs nucléaires
A.
B.
C.
D.
E.
Théorie atomique
Demi-vie et désintégration radioactive
Fusion nucléaire
Applications
Physique
Physique 30 – P. 181
Unité obligatoire I : La cinématique et la
dynamique
bien approfondir les idées, et cela même si les
élèves passent moins de temps à travailler avec
les équations, la compréhension des idées
essentielles à la fin du premier ou du second
semestre est meilleure, autant du point de vue
statistique que pédagogique. En prenant le
temps d'enseigner soigneusement les concepts,
on a relevé que deux fois plus d'élèves
parvenaient à répondre à de difficiles questions
conceptuelles1. »
Vue d'ensemble de l'unité
La cinématique s'intéresse à la description du
mouvement, sans considérer les forces qui
engendrent le mouvement. La dynamique, au
contraire, s'intéresse à la fois à la description du
mouvement et aux forces qui le provoquent. Une
compréhension de la cinématique et de la
dynamique est essentielle en physique.
La cinématique à une dimension a comme objet
d'étude le mouvement sur une droite. C'est le cas le
plus élémentaire. La direction de déplacement d'un
objet est limitée. Les grandeurs vectorielles sont
introduites. Il importe de bien marquer la différence
entre vecteurs et scalaires.
Facteurs de l'alphabétisme
scientifiques à développer
A4
A5
A7
reproductible
empirique
unique
Dans le programme de Physique 30, on aborde aussi
la cinématique à plus d'une dimension. Les élèves
devraient pouvoir appliquer les concepts de la
cinématique et de la dynamique au moins à des
objets dans un plan (deux dimensions). L'enseignant
ou l'enseignante prendra la décision d’aborder ou
non la cinématique et la dynamique à trois
dimensions en fonction des besoins et des capacités
des élèves.
B8
B9
B11
B21
B33
la quantification
la reproduction des résultats
la prévisibilité
la justesse
l'entropie
C5
C7
C9
C10
C12
C14
C15
C17
C20
C21
la mesure
l'utilisation des nombres
l'inférence
la prédiction
l'interprétation des données
la résolution de problèmes
l'analyse
l'utilisation des mathématiques
la définition opérationnelle
la synthèse
D1
D8
la science et la technologie
les limites de la science et de la technologie
E3
E6
E8
E13
savoir utiliser le matériel prudemment
savoir mesurer la distance
savoir mesurer le temps
savoir utiliser les relations quantitatives
F2
F3
F4
F7
la mise en question
la recherche des données et de leur
signification
le respect des environnements naturels
le besoin de vérifier
G1
s'intéresser à la science
Le principal point de la section F est de faire
comprendre les principes du mouvement de Newton.
On devra exposer de nombreuses applications et
exemples pratiques des principes de Newton afin de
renforcer les concepts principaux.
« Le temps consacré au développement de
la compréhension est un facteur critique.
Durant les leçons, on doit prendre tout le
temps nécessaire pour que les incohérences
mises en lumière par un nouveau résultat
expérimental soient bien saisies. Il faut laisser
aux élèves le temps de systématiser
mentalement leurs acquis. Se dépêcher de
passer à la leçon suivante écourte le temps
consacré à réfléchir sur les conséquences de la
leçon du moment. Nous avons constaté qu'en
général, les enseignants ou enseignantes de
physique passent trois jours à enseigner les
principes de Newton et de deux à trois
semaines à faire des exercices portant sur ces
principes. En revanche, on s’est aperçu que si
on prend cinq jours pour
P. 182 – Physique 30 – La cinématique et la dynamique
G3
G6
G8
G9
continuer d'étudier
préférer les réponses scientifiques
préférer les explications scientifiques
apprécier les contributions scientifiques
Objectifs généraux de la physique et
objectifs des apprentissages
essentiels communs
L’élève sera capable de :
•
Comprendre l'importance de recourir à une
approche systématique, organisée, logique et
structurée lors de la résolution de problèmes en
cinématique
•
Effectuer des activités de collecte et d'analyse de
données sur des objets en mouvement
•
Faire des estimations numériques raisonnables
lors de la résolution de problèmes
•
Participer à des discussions en groupe et
travailler en collaboration avec d'autres élèves
•
Trouver des expériences courantes et des
exemples pratiques qui mettent en évidence la
cinématique
•
Évaluer des perfectionnements technologiques
du point de vue de leur bien-fondé, de leurs
avantages économiques, de leurs incidences sur
la santé et de leur impact sur l'environnement
•
Faire une analyse de risque qui explore l'impact
de la technologie sur la société et sur
l'environnement
•
Exploiter une large gamme de possibilités afin
d'accroître sa connaissance des principaux
concepts de physique (COM)
•
Comprendre comment on acquiert, on évalue,
on raffine et on remplace les connaissances en
physique (CRC)
•
•
Approfondir sa connaissance et sa
compréhension de la façon de calculer, de
mesurer, d'estimer et d'interpréter des données
mathématiques; apprendre quand mettre à
profit ces habiletés et ces techniques et
expliquer pourquoi ces procédés sont utilisés
dans le cadre particulier de la physique (NUM)
1. J. A. Minstrell. – « Teaching Science for Understanding ».
– Toward the Thinking Curriculum : Current Cognitive
Research. – 1989 ASCD Yearbook, 1989
Accéder à de l'information (AUT)
Physique 30 – La cinématique et la dynamique – P. 183
A. Comprendre le mouvement
périodique rapide s’analyse au moyen d'un
stroboscope ou d'un autre appareil de même
type.
Concepts clés
3.
Étalonner un pendule par rapport à une
montre. Calculer la période et la fréquence
d'un pendule. Utiliser le pendule étalonné
pour trouver le temps que prend un
événement à se produire, comme le temps que
met le sable d’un sablier à s'écouler
complètement.
4.
Observer un mouvement périodique avec un
stroboscope.
5.
Comparer des objets en mouvement et des
objets au repos, en se plaçant du point de vue
de plusieurs observateurs.
On mesure le mouvement sur une période donnée.
6.
Un objet qui subit un mouvement périodique (p. ex.
un pendule, un chronographe, un stroboscope) peut
servir à mesurer le temps, et on peut l'étalonner
d'après une base de temps standard.
Étalonner expérimentalement un objet qui
subit un mouvement périodique (p. ex. un
pendule, un chronographe, un stroboscope).
Mesurer le temps avec l'objet.
7.
Étalonner des chronographes en vue d'une
utilisation ultérieure dans des expériences
d'analyse du mouvement.
8.
Diverses expériences stroboscopiques peuvent
être effectuées. Voici quelques suggestions :
• Utiliser un moteur avec une cuve à ondes
et mettre en vibration une ou deux sources
ponctuelles afin de produire des ondes
circulaires. Examiner les systèmes d'ondes
de la cuve à ondes avec un stroboscope.
• Coller un morceau de ruban gommé sur
une des pales d'un ventilateur électrique.
Cette pale sert alors de référence.
Observer l'hélice du ventilateur avec un
stroboscope. Expliquer les différents
modèles de pales de ventilation. Se servir
d'un stroboscope électronique variable ou
connecter le ventilateur à un rhéostat afin
de régler la vitesse de rotation des pales.
• Connecter un stroboscope manuel à un
moteur. (Faire tourner à vitesse constante
un tel stroboscope est difficile).
Photographier, avec une ouverture de
diaphragme donnée, un objet en
mouvement situé derrière le stroboscope.
La résolution de problèmes en physique doit
emprunter une démarche systématique, organisée
et logique. Il est très utile de développer une
approche structurée qui permette de résoudre
n'importe quel type de problème en science.
Le mouvement est relatif à la position de
l'observateur. Des observateurs dans différents
repères de référence percevront tout à fait
différemment le mouvement d'un objet.
Un objet est en mouvement si sa position change
par rapport à l’observateur.
Le mouvement peut être uniforme ou non
uniforme.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : mouvement
uniforme, mouvement non uniforme,
stroboscope
•
Expliquer dans quelles conditions un objet est
considéré en mouvement
•
Comprendre que le mouvement est mesuré
pendant une certaine durée
•
Réaliser que le mouvement périodique peut
servir à mesurer le temps
•
Comparer un mouvement uniforme et un
mouvement non uniforme
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Souligner la distinction entre position et
déplacement. Souvent, on confond les deux.
Comparer le changement de position et le
changement de déplacement.
2.
Un stroboscope est un outil intéressant qui
sert à observer le mouvement. Un mouvement
P. 184 – Physique 30 – La cinématique et la dynamique
Sinon, utiliser un stroboscope
électronique. Une pellicule polaroïd est
bien utile dans cette application. Une
certaine pratique sera nécessaire pour
obtenir une bonne exposition et des
conditions d'éclairage optimales. La
pellicule polaroïd a l'avantage de fournir
rapidement l'image que l'on pourra
analyser sans délais. Employer des objets
en chute libre ou qui rebondissent.
Analyser les résultats dans la partie de
cette unité traitant du mouvement.
9.
Suspendre une masse à un ressort. Laisser la
masse osciller verticalement. Déterminer le
coefficient de rigidité du ressort, en plaçant
différentes charges à l'extrémité du ressort et
en traçant la courbe de la force en fonction de
l'allongement. Déterminer si la période dépend
de l'amplitude ou de la masse de la charge.
Tracer la période en fonction de la racine
carrée de la masse afin d’exprimer la formule
du mouvement harmonique simple. Tracer la
période en fonction de l'inverse de la racine
carrée du coefficient de rigidité.
L'expression générale pour la période d'un
mouvement harmonique simple est :
T = 2π m/k
Comparer l'énergie potentielle du ressort au
bas de l'oscillation à son énergie potentielle
au haut de l'oscillation (deux points où
l'énergie cinétique est nulle) afin de vérifier la
loi de la conservation de l'énergie. Cette tâche
exige une mesure exacte du trajet.
L'énergie potentielle élastique du ressort est
donnée par :
E p (élastique ) =
dans cette communication, ils feront la
démonstration du fonctionnement du jouet et
mettront en évidence les principes de physique
qui entrent en jeu.
Voici certaines suggestions de jouets : toupies,
toupies auto-inversantes, Slinkies, aimants,
cubes de construction, gyroscopes, canards
plongeurs, petites hélices , kaléidoscopes,
loupes, klaxons, sifflets, balles magiques, yoyo, frisbees, boomerangs, puzzles à
mouvement (comme ceux où on doit faire
pénétrer des billes dans des trous), patins à
roues alignées, planches à roulettes, objets
gonflables, Culbuto (dont le centre de gravité
est très bas), ventouses, véhicules téléguidés,
robots, modèles réduits d'avion
télécommandés. Dissuader les élèves
d’apporter des jouets de guerre pour cette
activité. Surveiller les jouets à projectiles qui
pourraient être dangereux.
La plupart de ces jouets ont des points
communs. Tous utilisent de l'énergie.
D'autres réalisent une conversion d'énergie
d'une forme à une autre.
Cette activité devrait connaître un
grand succès en classe. Elle pourra faire
réaliser à certains élèves que la physique est
présente autour de nous. Si une telle activité a
lieu au tout début des cours, elle pourrait
déclencher chez des élèves un vif intérêt pour
la physique.
1
2
kx
2
où x est l'allongement du ressort.
10.
Pour les expériences d'analyse du mouvement,
un éclateur et un papier thermique spécial
donnent de bons résultats; cependant, les
marques de perforation sur le papier
d'enregistrement ne sont pas faciles à lire.
Des minuteries à cellules photo-électriques et
des chronomètres électroniques sont chers,
mais pratiques.
11.
Demander aux élèves d'apporter une grande
diversité de jouets en classe. Chaque jouet doit
être choisi d'après un principe de physique
qu'il illustre. Les principes doivent concerner
le mouvement du jouet ou d'autres
caractéristiques importantes. En groupes, les
élèves examineront les jouets et prépareront
une communication orale destinée à la classe;
Physique 30 – La cinématique et la dynamique – P. 185
B. Quantités scalaires et
vectorielles
Concepts clés
Les quantités vectorielles possèdent une
grandeur et une direction. La grandeur
s'exprime sous forme d'un chiffre et d'une unité.
Les quantités scalaires ne possèdent qu'une
grandeur.
Parmi les quantités vectorielles, mentionnons la
position, le déplacement, le vecteur-vitesse,
l'accélération, la force, le poids et la quantité de
mouvement.
La direction d'un vecteur se caractérise par une
lettre entre crochets qui suit la grandeur
(p. ex. 12 km [N]).
Les quantités scalaires sont des quantités physiques
comme la masse, le temps, la distance, la vitesse, le
travail et l'énergie.
Sur un diagramme, les quantités vectorielles sont
représentées par un segment de droite orienté,
dessiné à l'échelle dans des coordonnées de
référence qui indiquent la direction.
La somme vectorielle de deux vecteurs ou plus est
appelée le vecteur résultant.
Le vecteur résultant débute à l'origine du premier
vecteur et aboutit à l'extrémité du dernier vecteur
de l'addition.
Pour obtenir un vecteur négatif, on inverse la
direction. Un vecteur négatif a la direction contraire
d'un vecteur positif.
La grandeur et la direction d'un vecteur résultant
peuvent être données, exactement comme pour
n'importe quelle autre quantité vectorielle.
Pour soustraire un vecteur d'un autre, la même
règle que pour une dimension s'applique : changer
la direction du vecteur à soustraire et faire une
addition vectorielle normale.
Les opérations vectorielles et scalaires donnent des
résultats tout à fait différents. Il ne faut surtout pas
les confondre.
Il faudra probablement renforcer les concepts
mathématiques suivants.
Pour deux vecteurs perpendiculaires :
Le début d'un vecteur est appelé l’origine et la fin
est appelé l'extrémité du vecteur.
Des vecteurs équivalents ont la même grandeur
et la même direction.
Des vecteurs colinéaires peuvent être
additionnés algébriquement ou graphiquement. Le
vecteur résultant est la réponse d'une addition
vectorielle. L'addition graphique de vecteurs
nécessite un diagramme clair, précis et à l'échelle.
Des vecteurs non colinéaires existent dans plus
d'une dimension.
Plusieurs applications importantes de la
cinématique et de la dynamique exigent une
compréhension des vecteurs.
La somme de deux vecteurs quelconques (ou plus)
peut être effectuée graphiquement ou
algébriquement.
On additionne des vecteurs en joignant l'origine
d'un vecteur à l'extrémité d'un autre vecteur sur un
diagramme clair, précis et tracé à l'échelle.
P. 186 – Physique 30 – La cinématique et la dynamique
c2 = a2 + b2 (théorème de Pythagore)
c = a2 + b2
Les relations trigonométriques :
sin? =
b
c
cos? =
a
c
tg? =
b
a
Les vecteurs sont indépendants les uns des autres.
La somme vectorielle de deux vecteurs
perpendiculaires s’obtient mathématiquement au
moyen du théorème de Pythagore et de relations
trigonométriques.
On peut considérer un vecteur comme la résultante
de deux composantes généralement (mais pas
obligatoirement) perpendiculaires l'une à l'autre (p.
ex. une composante horizontale et une composante
verticale, ou une composante selon x et une
composante selon y).
La méthode pour déterminer les valeurs effectives
des vecteurs constitutifs s'appelle la
décomposition des vecteurs.
Les composantes des vecteurs sont déterminées au
moyen de méthodes graphiques ou analytiques.
Les méthodes graphiques dans la résolution des
problèmes de vecteurs aident à conceptualiser des
situations abstraites et constituent une première
approximation acceptable des méthodes analytiques
ou mathématiques.
∑ Fx = FRx
∑ Fy = FRy
La grandeur du vecteur résultant est :
FR = (∑ Fx ) 2 + (∑ Fy ) 2
La direction du vecteur résultant est :
?
R
 ∑Fy 

= Arctg 

 ∑Fx 
Les termes tg inverse ou tg-1 sont utilisables tant
que :
-1
tg ≠
1
tg
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : quantité
vectorielle, quantité scalaire, vecteur résultant,
décomposition de vecteur, vecteurs équivalents,
vecteurs colinéaires
•
Identifier des quantités vectorielles et des
quantités scalaires
•
Distinguer entre quantités vectorielles et
quantités scalaires
•
Donner des exemples de quantités vectorielles et
de quantités scalaires
•
Proposer des estimations numériques
acceptables durant la résolution de problème
•
Expliquer les importants concepts suivants :
vecteur résultant, addition vectorielle,
décomposition d'un vecteur
•
Représenter des quantités vectorielles
clairement et précisément sur des diagrammes
à l'échelle
Pour un vecteur F faisant un angle θ (où θ est
mesuré dans le sens inverse des aiguilles d'une
montre à partir de l'axe positif des x), la composante
F dans la direction des x est donnée par Fx = Fcosθ,
et la composante de F selon la direction des y est
donnée par Fy = Fsinθ.
•
Additionner deux ou plusieurs vecteurs
colinéaires algébriquement et graphiquement en
vue de déterminer le vecteur résultant
•
Identifier des vecteurs colinéaires et non
colinéaires
Pour obtenir les composantes résultantes de
plusieurs vecteurs que l'on additionne, déterminer
les composantes x et y.
•
Identifier des vecteurs équivalents
•
Résoudre des problèmes faisant intervenir des
vecteurs colinéaires
Les méthodes mathématiques pour déterminer les
composantes vectorielles font appel au théorème de
Pythagore, à la trigonométrie et à d'autres concepts
mathématiques importants.
Une bonne compréhension des mathématiques est
essentielle à l'étude de la physique. De nombreux
concepts importants de physique sont fondés sur des
rapports mathématiques déduits de
l'expérimentation ou de considérations théoriques.
La somme vectorielle de deux vecteurs obliques (non
perpendiculaires) peut s'obtenir au moyen de la
méthode des composantes vectorielles. Chacun des
vecteurs est décomposé en composantes
perpendiculaires. Puis, chaque composante est
additionnée séparément au moyen de l'addition
vectorielle à une dimension. Les sommes
résultantes pour les composantes sont ensuite
additionnées en appliquant les règles d'addition de
vecteurs perpendiculaires afin d'obtenir le vecteur
résultant. Cette méthode se justifie quand on
additionne plus de deux vecteurs.
Les sommes nettes des composantes en x et en y
sont respectivement :
Physique 30 – La cinématique et la dynamique – P. 187
•
Reconnaître que des situations faisant
intervenir des vecteurs peuvent être analysées
graphiquement ou analytiquement
•
Réaliser que les méthodes graphiques de
résolution des problèmes vectoriels aident à
conceptualiser des situations abstraites et
constituent une première approximation des
méthodes analytiques
•
Montrer sa compréhension de l'addition et de la
soustraction de vecteurs en deux dimensions
•
Déterminer la grandeur et la direction d'un
vecteur résultant, autant graphiquement que
mathématiquement, pour tout ensemble de
deux vecteurs ou plus agissant dans un même
plan
•
La loi des sinus :
sin a sin b sin c
=
=
A
B
C
La loi des cosinus :
Comprendre que, pour spécifier des quantités
vectorielles, il faut mentionner la grandeur et la
direction
•
Reconnaître des situations qui nécessitent
l'application des méthodes vectorielles et mettre
en pratique ces méthodes
•
Illustrer les résultats provenant des opérations
vectorielles et des opérations scalaires
•
Expliquer que les vecteurs agissent
indépendamment les uns des autres
•
Appliquer des concepts mathématiques, comme
le théorème de Pythagore et les relations
trigonométriques, pour résoudre des problèmes
vectoriels
•
Décomposer un vecteur en deux composantes
vectorielles indépendantes (valeurs efficaces)
•
Déterminer le vecteur résultant de deux
vecteurs perpendiculaires ou plus agissant dans
un même plan, en recourant à la méthode des
composantes vectorielles
•
Réaliser que des techniques équivalentes de
résolution de problèmes faisant intervenir des
vecteurs permettent de confirmer les résultats
•
Résoudre une diversité de problèmes en
physique faisant intervenir des vecteurs
bidimensionnels
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Pour deux vecteurs obliques :
La somme de deux vecteurs obliques se
calcule au moyen de la loi des sinus et de la loi
des cosinus.
Il faudra probablement renforcer les concepts
mathématiques suivants.
P. 188 – Physique 30 – La cinématique et la dynamique
2
2
2
C = A + B - 2AB(cosc )
(Utiliser cette méthode pour la vérification.
Insister sur la méthode des composantes
vectorielles.)
2.
L’expérience classique des « collisions en deux
dimensions » est une excellente activité
permettant d'analyser des vecteurs obliques
en deux dimensions. Elle illustre également la
conservation de la quantité de mouvement et
la conservation de l'énergie cinétique dans les
collisions élastiques. Consulter des manuels
de laboratoire pour avoir plus de détails. Se
procurer auprès de différents distributeurs de
produits de laboratoire l’appareil à chemin
courbe peu coûteux et les serre-joints en C
nécessaires pour effectuer cette expérience.
3.
Se servir d'une table de forces (appelée aussi
« appareil des moments ») ou de trois balances
à ressort et appliquer des forces à un objet
selon différents angles sans que l'objet se
mette en mouvement. Enregistrer la grandeur
et la direction des forces appliquées. Analyser
les vecteurs forces. Tirer des conclusions à
partir de ces résultats.
La grandeur et la direction de deux des forces
agissant sur l'objet de l'expérience étant
connues, prédire la grandeur et la direction
d'une troisième force nécessaire pour
conserver l'équilibre statique. Confirmer
expérimentalement sa prédiction. Justifier
tout écart, si petit soit-il, par rapport aux
prédictions.
Un ensemble semblable d'expériences peut
s’effectuer sur un appareil à forces non
concourantes.
4.
Pour étudier les collisions dans un appareil à
deux dimensions ou dans de courtes sections
de pôles à rideau ou de moules semicirculaires, ancrer l'appareil à un bord de
table avec des serre-joints en C. Les élèves
travaillent par groupes de trois ou quatre à
des postes de travail. Chaque groupe reçoit un
contenant à œufs et des sphères de masse et
de diamètre différents.
L'objet de l'exercice est d'apprendre, tout en
s’amusant, certains aspects du mouvement
d'un projectile. Numéroter les alvéoles du
contenant à œufs de 1 à 6, en attribuant les
numéros les plus élevés aux alvéoles du
centre. Les élèves obtiennent des points quand
ils réussissent à lancer la balle dans les
alvéoles.
Placer les contenants en avant ou en arrière
par rapport à la ligne du plancher où les
balles tomberont. Selon la masse et le
diamètre de la balle, les élèves déterminent à
quel endroit de la pente les balles devront être
placées pour atterrir dans les alvéoles qui
donnent le plus de points.
Les équipes pourront entrer en compétition,
en plaçant le contenant en carton à différents
endroits et en utilisant chacune une balle
différente. Le contenant peut être placé
n'importe où : depuis le dessous de la pente
jusqu'à la distance maximale que peuvent
atteindre les balles en roulant sur la pente.
Avant de jouer, les équipes devront observer
de quelle façon les balles tombent et effectuer
des mesures afin de connaître l'endroit où telle
balle atterrit en fonction de sa position initiale
sur la pente.
5.
Utiliser un mince fil métallique, coupé et
soudé selon diverses formes géométriques
(cube, tétraèdre, octaèdre, etc.). Tremper les
figures solides dans une solution savonneuse
(en ajoutant un peu de glycérine pour produire
des pellicules de savon plus résistantes).
6.
Effectuer une activité destinée à analyser
deux vecteurs ou plus agissant en deux
dimensions.
Les bulles épouseront les formes ayant la plus
petite aire possible d'une figure fondamentale
(bulles de Plateau). Des franges d'interférence
apparaîtront sur la pellicule savonneuse. Une
analyse qualitative des forces en action sur les
bulles de savon pourra être faite.
Physique 30 – La cinématique et la dynamique – P. 189
C. Distance et déplacement
•
Indiquer des vecteurs de déplacement
équivalents
Concepts clés
•
Dessiner à l'échelle des vecteurs de déplacement
La position d'un objet est son emplacement par
rapport à un point de référence. La position est
une quantité scalaire.
•
Additionner des vecteurs de déplacement
algébriquement et graphiquement
•
Déterminer le déplacement d'un objet sur un
graphique du vecteur vitesse en fonction du
temps ou sur un graphique de la position en
fonction du temps
•
Résoudre des problèmes relatifs à la position, au
déplacement et à la distance
•
Exprimer les unités SI fondamentales ou
dérivées des différents types de quantités
physiques
•
Employer les bonnes unités SI et leur préfixes
correspondants
r
Le déplacement ( ∆d) est le changement de la
position (d) d'un objet selon une direction spécifiée.
Le déplacement est une quantité vectorielle. Elle ne
se réfère pas à un point. N.B. Certaines ressources
emploient la lettre s pour représenter le
déplacement.
Des déplacements équivalents peuvent avoir
diverses origines. Toutefois, ils doivent posséder la
même grandeur et la même direction.
La distance (d), mesure de longueur, est une
quantité scalaire qui ne possède pas de direction.
L'unité SI pour la position, la distance et le
déplacement est le mètre (m).
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Effectuer une activité destinée à déterminer la
position d'objets par rapport à un point de
référence sur une droite numérotée.
2.
À l'aide d'une carte routière, déterminer la
distance sur une autoroute et le déplacement
d’un point à un autre. Demander aux élèves
d'indiquer la pertinence de cette information
pour celui qui conduit ou qui vole entre ces
deux points.
En une dimension, le déplacement peut être
déterminé au moyen d'une droite numérotée.
L'addition de vecteurs à une dimension sur une
droite numérotée, graphiquement ou
algébriquement, produit le vecteur de déplacement
résultant.
Pour soustraire un vecteur d'un autre, on change la
direction du vecteur à retrancher et on procède
ensuite comme pour une addition normale.
Un vecteur négatif est orienté dans la direction
opposée d'un vecteur positif.
Un vecteur peut être multiplié par une quantité
scalaire, ce qui produit une quantité vectorielle
ayant la même direction que le vecteur original.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : position, point de
référence, droite numérotée, déplacement,
déplacements équivalents, distance, vecteur
négatif
•
Faire la distinction entre position, déplacement
et distance
•
Spécifier une position sur une droite numérotée
à partir d'un point d'origine arbitraire
P. 190 – Physique 30 – La cinématique et la dynamique
D. Vitesse et vecteur vitesse
Concepts clés
La vitesse (v) est définie comme la distance
parcourue par un objet par unité de temps.
distance parcourue
vitesse =
temps écoulé
=v =
d
∆t
L'unité SI de la vitesse est le m/s (mètre par
seconde).
La vitesse est une quantité scalaire.
Un objet a une vitesse constante s'il parcourt la
même distance pendant des périodes de temps
égales.
Une vitesse constante est un exemple de
mouvement uniforme.
La vitesse moyenne (v(moy) ) est la distance totale
parcourue pendant un intervalle de temps, divisée
par cet intervalle de temps.
vitesse moyenne =
v(moy)=
distance totale parcourue
temps écoulé
∆d
∆T
Un vecteur vitesse constant est un exemple de
mouvement uniforme.
r
Le vecteur vitesse moyen ( v (moy)) est le
déplacement total d'un objet durant un certain
intervalle de temps, divisé par cet intervalle de
temps.
r r
(d 2 - d1)
r
=
v (moy)
∆t
r
∆d
=
∆t
Le vecteur vitesse instantané est la vitesse
algébrique instantanée dans une direction indiquée.
Un graphique de la position en fonction du temps ou
un graphique du déplacement en fonction du temps
sert à analyser le mouvement d'un objet en une
dimension. La pente donne le vecteur vitesse de
l'objet. La pente d'un segment de courbe entre deux
points du graphique fournit le vecteur vitesse
moyen durant cet intervalle. La pente de la
tangente à la courbe en un moment précis donne le
vecteur vitesse instantané à ce moment précis.
La pente se calcule en divisant le changement de
position par le changement de temps sur un
graphique de la position en fonction du temps.
La vitesse instantanée est la vitesse scalaire d'un
objet à un instant précis.
r
Le vecteur vitesse (v ) est le déplacement d'un
objet (changement de la position) par unité de
temps.
vecteur vitesse
Un objet possède un vecteur vitesse constant s’il
parcourt la même distance pendant les mêmes
intervalles de temps.
=
déplacemen t
temps écoulé
r
r ∆d
v=
∆t
L'unité SI du vecteur vitesse est le m/s.
Le vecteur vitesse est, comme son nom l'indique,
une quantité vectorielle.
r
r
r d 2 − d1
v =
t 2 −t1
En général, la pente d'une section linéaire sur un
graphique s'obtient ainsi :
déplacemen t vertical
déplacemen t horizontal
( y 2 - y 1)
=
( x 2 - x 1)
∆y
=
∆x
m=
Les unités employées pour exprimer la pente
doivent être dérivées d'après les grandeurs
physiques reportées sur le graphique.
Physique 30 – La cinématique et la dynamique – P. 191
Résultats d'apprentissage
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : vitesse, vecteur
vitesse, vitesse moyenne, vecteur vitesse moyen,
vitesse instantanée, vecteur vitesse instantané
•
Distinguer entre la vitesse et le vecteur vitesse;
le vecteur vitesse, le vecteur vitesse moyen et le
vecteur vitesse instantané; la vitesse, la vitesse
moyenne et la vitesse instantanée
•
Calculer la vitesse, la vitesse moyenne, le
vecteur vitesse et le vecteur vitesse moyen
•
Comprendre qu'il y a des situations où il faut
faire la distinction entre vitesse et vecteur
vitesse
•
Dessiner, pour un objet en mouvement, le
graphique de la position en fonction du temps ou
du déplacement en fonction du temps
•
Interpréter le type de mouvement décrit par un
graphique du déplacement en fonction du temps
ou de la position en fonction du temps
•
Extraire des données numériques des échelles,
tables et graphiques
•
Analyser des graphiques de la position en
fonction du temps ou du déplacement en
fonction du temps pour déterminer la position à
certains instants
•
Analyser des graphiques de la position en
fonction du temps ou du déplacement en
fonction du temps pour déterminer le vecteur
vitesse, le vecteur vitesse moyen et le vecteur
vitesse instantané
•
Résoudre des problèmes relatifs à la vitesse et
au vecteur vitesse
•
Estimer le vecteur vitesse d’objets en
mouvement
•
Déterminer la pente sur un graphique et
déduire les bonnes unités selon les grandeurs
physiques reportées sur un graphique
P. 192 – Physique 30 – La cinématique et la dynamique
1.
Dans le présent programme d'études, on
représente la vitesse et le vecteur vitesse
r
respectivement par v et v et cela en raison de
la typographie et des polices dont nous
disposons.
Employer la lettre minuscule v (ASCII 118)
pour la vitesse et la lettre minuscule v pour
indiquer le vecteur vitesse. Avec un
traitement de texte, mettre le vecteur en gras
si la flèche de surlignement ne peut être
utilisée.
2.
Effectuer une activité destinée à analyser la
vitesse ou le vecteur vitesse d'un corps en
mouvement. Voici quelques exemples : la
randonnée en vélo, l’équitation ou d'autres
conceptions expérimentales plus courantes
mettant en jeu des objets en mouvement
connectés à une bande d'enregistrement et un
chronographe.
3.
Lire les cadrans, les compteurs et les échelles
de tout genre que l'on trouve dans plusieurs
instruments de mesure.
E. Accélération
Concepts clés
fonction du temps, l'accélération instantanée est
r r
( v - v )à la courbe au point
égale à la pente de lar tangente
a= 2 1
correspondant.
( t 2 - t1 )
r
r ∆v
a
=
On obtient la pente d'un graphique de la vitesse en
∆t
fonction du temps en divisant la variation de la
vitesse par la variation du temps.
L'accélération négative est parfois appelée
décélération.
r
r ∆v
a=
∆t
r r
v2 - v1
=
t 2 - t1
Un objet se déplaçant à vitesse constante a une
accélération nulle.
Voici quelques équations utiles concernant le
mouvement uniformément accéléré :
r
L'accélération ( a ) est le taux de changement du
vecteur vitesse d'un objet.
r
r r
v (moy)= 12 ( v i + v f )
accélération = changement du vecteur vitesse
temps écoulé
r r
d = v it +
r
r
r
v f = v i + at
1
2
r
at 2
2
2
v f = v i + 2ad
L'accélération est une quantité vectorielle.
r
d=
1 r
( +
2 vi
r
v f )t
L'unité SI de l'accélération est le (m/s)/s ou m/s2.
Un objet subit une accélération constante ou
uniforme si le changement de sa vitesse (à partir
d'ici vitesse est employée dans le sens de vecteur
r
r = ∆v
a(moy)
∆t
r -r
r
v 2 v1
a (moy)=
t 2 - t1
vitesse) est le même pendant tout intervalle de
temps égal.
r
L'accélération moyenne ( a (moy)) est le
r
changement de la vitesse d'un objet ( ∆ v ) durant le
temps écoulé (t).
L'accélération d'un objet à un moment précis est
appelée l'accélération instantanée.
Un graphique de la vitesse en fonction du temps
sert à montrer que :
On peut aussi se reporter à ce graphique pour
dériver les équations caractéristiques du
mouvement uniformément accéléré. N.B. Utiliser
l'analyse graphique chaque fois que cela est possible
Dans les problèmes sur le mouvement
uniformément accéléré, une analyse attentive des
données initiales aide à trouver l’équation qu’il faut
utiliser.
Un objet qui descend en roulant sur un plan incliné
a une accélération constante. La pente du plan
incliné détermine la grandeur de l'accélération.
Le graphique de la vitesse en fonction du temps sert
à analyser le mouvement d'un objet. La pente
correspond à l'accélération de l'objet. L'aire sous la
courbe indique le déplacement. La pente du segment
de droite qui relie deux points de la courbe fournit
l'accélération moyenne durant cet intervalle. Enfin,
dans un graphique de la vitesse vectorielle en
Physique 30 – La cinématique et la dynamique – P. 193
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Se servir de graphiques pour analyser des
phénomènes physiques
•
Interpréter et appliquer correctement des
concepts comme les rapports, les proportions,
les pourcentages et d'autres concepts
mathématiques
•
Citer des expériences familières et des
applications pratiques qui mettent en œuvre
l'accélération
•
Définir les termes suivants : accélération,
accélération moyenne, accélération instantanée
•
Indiquer les unités SI du déplacement, de la
vitesse et de l'accélération
•
Distinguer entre l’accélération uniforme et
l’accélération non uniforme
•
Donner des exemples d'objets subissant une
accélération constante
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
•
Déterminer la vitesse moyenne d'un objet
graphiquement et analytiquement
1.
•
Estimer l'accélération instantanée d'un objet
graphique
•
Faire la distinction entre l’accélération positive
et l’accélération négative
•
Trouver des situations qui illustrent une
accélération nulle
Asservir la bande d'un chronographe à la
masse d'un pendule. Laisser le pendule se
balancer d'un demi-cycle complet, d'un
extrême à l'autre. Obtenir le graphique de la
vitesse en fonction du temps à partir des
données enregistrées sur la bande.
Déterminer les points d'inflexion sur le
graphique. Trouver la ou les positions de la
masse pour lesquelles l'accélération est
maximale.
2.
•
Analyser des graphiques de la vitesse en
fonction du temps afin de déterminer
l'accélération, l'accélération moyenne et
l'accélération instantanée
Construire un accéléromètre qui servira à
étudier le mouvement accéléré. Plusieurs
conceptions sont envisageables :
• Placer une plaque de verre obliquement
dans une cuve et remplir d'eau l'espace
cunéiforme ainsi formé.
•
Analyser des graphiques de la vitesse en
fonction du temps afin de déterminer le
déplacement d'un objet pendant des intervalles
de temps spécifiés
•
Interpréter des graphiques de la vitesse en
fonction du temps afin de déterminer la vitesse
d'un objet à des instants précis
•
Obtenir des accélérations instantanées à partir
de graphiques de la vitesse en fonction du temps
et reporter ces accélérations sur un graphique
en fonction du temps
•
Comprendre que les équations du mouvement
uniformément accéléré peuvent être dérivées à
partir de principes fondamentaux
•
Résoudre des problèmes relatifs à l'accélération
en se servant des équations du mouvement
uniformément accéléré
•
Utiliser un graphique de la vitesse en fonction
du temps pour tracer un graphique du
déplacement en fonction du temps et un autre
de l'accélération en fonction du temps
P. 194 – Physique 30 – La cinématique et la dynamique
Un accéléromètre à surface liquide mesure
directement l'accélération. Si la longueur de
l'accéléromètre est de 19,6 cm, la hauteur du liquide
au-dessus ou au-dessous de la position de repos donne
l'accélération en m/s2.
•
Accéléromètre inertiel. L'aiguille sur l'échelle
étalonnée se déplace dans le sens opposé à celui
de l'accélération.
suffisamment longue, la courber. Comparer le
mouvement d'une bille qui suit un trajet
courbe et celui d'une bille qui suit un trajet
rectiligne. Même si la plus courte distance
entre deux points est la ligne droite, la bille
qui suit le trajet le plus long et le moins
rectiligne va plus vite. Voilà une anomalie qui
intrigue.
5.
•
Accéléromètre pour bocal Mason
•
Combinaison d'un accéléromètre et d'un
penndule montés face à face en périphérie d’un
plateau de service tournant. Quand l'appareil
est en rotation, la masse du pendule balance
vers l'extérieur du plateau et la masse du pot de
confiture vers l'intérieur. Les élèves doivent
essayer d'expliquer le comportement aberrant
des deux masses.
3.
Effectuer une activité destinée à analyser le
mouvement d'un objet soumis à une
accélération uniforme.
4.
Pour les expériences avec des plans inclinés,
employer des gorges en bois demi-ronds, que
l'on trouve chez les marchands de bois, et des
billes d'acier. Des « courses » pourront être
organisées en plaçant les gorges à différents
angles. Si la moulure est
Faire rouler en bas d'un plan incliné une boîte
de métal cylindrique. Demander aux élèves de
prédire ce qui arriverait si une boîte
identique, mais remplie de sable, roulait en
bas du plan en même temps que la boîte vide.
Les élèves qui comprennent bien le concept
selon lequel la masse d'un objet n'a aucune
influence sur son accélération lorsqu'il est en
chute libre, devraient pouvoir prédire que les
deux objets arriveront au bas du plan en
même temps. Laisser les deux boîtes rouler en
même temps. Comme ces deux cylindres ont
des moments d'inertie différents, la boîte
pleine de sable accélérera plus vite et arrivera
la première au bas du plan (et à une vitesse
supérieure). Ce résultat confronte les élèves à
une intéressante anomalie au sujet du
mouvement.
Physique 30 – La cinématique et la dynamique – P. 195
F. Principes du mouvement de
Newton
Concepts clés
Quand on analyse des situations où plus d'une force
s’exerce sur un objet, il est extrêmement utile de
représenter cette situation au moyen d'un
diagramme du corps libéré (DCL). Par addition
vectorielle, on détermine la force nette.
L'inertie est la propriété d'un objet de résister à
tout changement par rapport à son état de repos ou
à son mouvement.
Quand une force nette s’exerce sur un objet, elle
imprime à l'objet une accélération ayant la même
direction qu'elle. (Deuxième principe de Newton.)
L'inertie est fonction de la masse. La masse est une
mesure de l'inertie d'un objet.
Galilée a mis en doute les concepts aristotéliciens du
mouvement en se livrant à des expériences.
Le premier principe de Newton (principe d'inertie de
Galilée) résume les découvertes de Galilée sur
l'inertie, découvertes qui découlaient de ses
« expériences abstraites » réalisées en appliquant un
raisonnement déductif.
Une force nette est la résultante de toutes les
forces agissant sur un objet. L'équilibre n’existe que
si la force nette est nulle (il faut aussi que le
moment résultant soit nul).
Une force est non équilibrée quand la résultante
de toutes les forces agissant sur un objet n'est pas
égale à zéro.
Si aucune force non équilibrée ne s'exerce sur un
objet, sa vitesse demeure constante (p. ex. elle reste
nulle si elle est nulle, ou reste rectiligne et uniforme
si elle l'est au départ).
Si toutes les forces agissant sur un objet s'annulent
mutuellement, le vecteur résultant est zéro et
aucune force non équilibrée n'affecte ce corps. Cet
objet est en équilibre.
Un objet au repos sur une table voit son poids
annulé par une force normale que lui applique la
table. Renforcer ce concept par d’autres exemples
d'objets en équilibre statique.
Si un objet est en mouvement à vitesse constante (et
cela inclut la possibilité d'être au repos), on doit
conclure que toutes les forces agissant sur l'objet
sont équilibrées. La force nette est nulle.
Plusieurs applications pratiques du premier
principe de Newton sont évidentes dans la vie
courante.
L'inertie sert à illustrer la façon dont les objets ont
tendance à résister à un changement par rapport à
leur état de repos ou à leur mouvement.
P. 196 – Physique 30 – La cinématique et la dynamique
r
r
F = ma
L'accélération est directement proportionnelle à la
force dans le cas d'une masse constante :
r r
aα F
L'accélération est inversement proportionnelle à la
masse quand la force est constante :
r
1
aα
m
Si un objet accélère, il doit y avoir une force nette
agissant sur cet objet dans la direction de
l'accélération.
La relation entre les unités SI de la force et les
unités fondamentales correspondantes peut être
mise en lumière grâce au deuxième principe de
Newton.
(p. ex. 1 N = 1 kg m/s2)
Le troisième principe de Newton stipule que pour
toute force d'action existe une force de réaction de
même intensité et de sens opposé à celui de la force
d'action. Ce principe peut être illustré au moyen
d'un très grand nombre d'exemples.
Les forces existent en paires. Si un objet A exerce
une force sur un objet B, l'objet B exerce alors une
force sur l'objet A, de même grandeur et de sens
opposé.
En physique, il y a toujours plus d'une façon de
résoudre les problèmes. Aucune méthode n'est
fondamentalement supérieure à l'autre, bien que
certaines se prêtent mieux à des situations
spécifiques.
Pour résoudre des problèmes concernant les forces
et le mouvement, les méthodes géométriques faisant
appel aux diagrammes vectoriels, à la trigonométrie
et à la méthode des composantes vectorielles sont
des façons différentes de trouver les mêmes
résultats.
La résolution de nombreux problèmes pratiques
rehausse la compétence et approfondit la
compréhension de l'interaction des forces avec les
objets.
Les diagrammes du corps libéré sont utiles dans
l'analyse de l'équilibre statique.
Les architectes, les ingénieurs et les personnes
travaillant dans d’autres disciplines connexes ont
besoin de maîtriser les principes du mouvement de
Newton afin de concevoir du matériel performant.
Résultats d'apprentissage
•
Prédire la direction de l'accélération d'un objet,
si la direction de la force non équilibrée est
connue
•
Prédire la direction de la force non équilibrée
agissant sur l’objet, quand la direction de
l'accélération est connue
•
Interpréter le sens des relations directes et des
relations inverses, comme celles que l'on trouve
dans le deuxième principe de Newton
•
Comprendre la relation qui existe entre l'unité
SI de la force et les unités fondamentales
correspondantes
Expliquer comment on peut déterminer la masse
inerte d'un objet
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : inertie,
diagramme du corps libéré, force non équilibrée,
force nette, masse inerte
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
En se servant d'une balance simple (dont les
bras du fléau sont égaux), déterminer la
masse gravitationnelle de plusieurs objets.
Placer les objets sur une balance inertielle
non chargée. Déterminer la période de la
balance inertielle pour chacun des objets
mesurés. Tracer la période de la masse inerte
en fonction de la masse gravitationnelle.
Prédire la masse gravitationnelle d'un nouvel
objet après avoir déterminé sa masse inerte
par interpolation ou extrapolation sur le
graphique. Formuler une conclusion générale
au sujet de la relation entre la masse inerte et
la masse gravitationnelle.
•
Expliquer ce que signifie l'inertie
•
Énoncer que la masse est une mesure de
l'inertie
•
Énoncer les principes du mouvement de Newton
•
Donner des exemples, des illustrations et des
applications des principes du mouvement de
Newton
•
Expliquer ce que signifie une force non
équilibrée
2.
•
Analyser, au moyen du diagramme du corps
libéré, des situations mettant en jeu des forces
équilibrées et des forces non équilibrées agissant
sur divers objets
Comparer l'approche d'Aristote et celle de
Galilée en ce qui concerne l'étude du
mouvement.
3.
Réaliser l'importance des diagrammes du corps
libéré dans l'analyse des problèmes de physique
qui touchent la statique et la dynamique
Décrire les « expériences abstraites »
imaginées par Galilée pour mettre en lumière
le principe de l'inertie.
4.
Une façon intéressante de se faire une idée du
moment d'inertie est de construire des
mobiles. Pour chaque bras du mobile, la
somme des moments doit être nulle afin que
l’équilibre statique se maintienne. Ce concept
doit être respecté pour obtenir un mobile bien
équilibré. Chaque mobile pourrait être associé
à un thème. Par exemple, l'un d'eux pourra
être consacré aux récipiendaires du prix Nobel
et à leurs réalisations. Un autre pourrait
illustrer les unités communes ou les préfixes
du système SI. Suspendre et exposer les
mobiles.
•
•
Donner des exemples pratiques qui mettent en
évidence la nécessité de maîtriser la
compréhension des principes du mouvement de
Newton
•
Donner des exemples pratiques dans lesquels
l'addition vectorielle en une ou deux dimensions
explique des applications mettant en jeu les
principes du mouvement de Newton
Résoudre des problèmes relatifs aux principes
du mouvement de Newton
•
Physique 30 – La cinématique et la dynamique – P. 197
5.
6.
Charger une balance inertielle avec un lingot.
Mesurer la période. Supporter le lingot de
sorte qu'il soit au-dessus ou au-dessous de la
plate-forme. Mesurer de nouveau la période et
comparer les résultats. Étendre ce concept
afin de déterminer si le fonctionnement d'une
balance inertielle repose sur la gravité.
Les chaussures de sport sont conçues
différemment selon le sport que l'on veut
pratiquer. Faire une recherche sur la
conception des différentes chaussures de sport.
Trouver les lois de physique qui entrent en jeu
dans chaque sport et expliquer comment les
concepteurs de chaussures adaptent leur
produit pour optimiser la performance dans
un sport particulier.
résultats et formuler des généralisations
touchant les facteurs qui ont une incidence
sur le taux d'accélération du chariot.
Avec les planches à roulettes, respecter les
consignes de sécurité. Porter un casque et de
l’équipement de protection.
10.
Si des élèves s'intéressent à des maquettes de
fusée, ou bien s'il y a un club à proximité,
mettre sur pied un projet de classe, de groupe
ou individuel. Organiser le lancement d'une
maquette de fusée. (Attention : vérifier avec le
ministère des Transports les règlements
concernant l'utilisation de sites autorisés ainsi
que les autres exigences.)
11.
Concevoir une expérience qui vise à
déterminer la résistance à la rupture de
divers types de fil à pêche. Comparer le point
de rupture avec les spécifications du
fabriquant.
12.
À l'extérieur, demander à un élève de se tenir
sur une planche à roulettes ou sur une plateforme tournante. Une feuille de papier de
couleur posée à même le sol représente le
« marbre ». Demander à l’élève qui est le
lanceur (lui aussi monté sur une planche à
roulettes) d'envoyer la balle au-dessus du
marbre. Le frappeur tente de faire contact
avec la balle, comme au baseball. Observer le
principe de l'action-réaction en œuvre sur le
lanceur et le frappeur. Dans cette expérience
et dans l'activité suivante, s’assurer que les
élèves portent de l'équipement de protection
comme des protège-coudes et un casque.
Une activité connexe consiste à analyser selon
les mêmes critères d'autres types de matériel
de sport.
Beaucoup d'efforts ont été consacrés à
l'exploitation des concepts scientifiques afin
d'analyser et d'améliorer les performances
athlétiques. Certains exemples sont l'analyse
sanguine de l'acide lactique qui s'accumule à
proximité du seuil anaérobique, la
détermination de la concentration maximale
de CO2 et le dépistage des agents masquants
et de dopage qui rehaussent la performance.
Entreprendre une recherche sur ces
innovations en sciences sportives.
7.
Effectuer une activité destinée à comparer la
masse inerte et la masse gravitationnelle de
plusieurs objets. À l’aide d'une balance
inertielle, d’une balance à double fléau et de
différentes masses, étudier la relation entre
une masse inerte et une masse
gravitationnelle.
8.
Une masse inerte se mesure en déterminant
l'accélération d'un objet. Le principe de
l'équivalence laisse entendre que la masse
inerte et la masse gravitationnelle (ou masse
pesante) sont identiques. Une autre façon
d'énoncer la chose est d'affirmer qu'il est
impossible de distinguer entre la gravité et
l'accélération.
9.
Asservir un chariot dynamique à un
chronographe (les élèves pourront trouver
amusant d'employer une planche à roulettes
au lieu d'un chariot dynamique). Appliquer
une force constante sur le chariot. Analyser le
mouvement. Changer la grandeur de la force
ou changer la masse du chariot (ou bien les
deux) et analyser le mouvement. Comparer les
P. 198 – Physique 30 – La cinématique et la dynamique
Le mouvement de rotation devrait être discuté
brièvement en conjonction avec cette activité.
13.
Sur une plate-forme en rotation, maintenir à
bout de bras une paire d'haltères. Demander à
un assistant de faire tourner la plate-forme.
Ramener les haltères le long du corps.
Demander aux élèves d'expliquer le fort
changement de la vitesse de rotation quand
vous ramenez les haltères vers vous. Faire le
rapport entre cette constatation et le
changement de vitesse d'un patineur ou d'une
patineuse artistique lors de l’exécution d’une
pirouette. Cette activité aide à expliquer la
conservation du moment cinétique. Même
remarque que précédemment sur le port de
vêtements protecteurs.
14.
Déterminer la masse d'un mètre à mesurer.
Situer le centre de gravité du mètre en
trouvant les points d'équilibre sur ses deux
faces planes. Appuyer le mètre sur un tronc
de cône en un point différent du centre de
gravité. Placer une simple masse en un point
quelconque du mètre afin qu'il reste en
équilibre statique. Discuter le concept de la
somme de tous les moments qui doivent
s'annuler pour que l'objet conserve son
équilibre statique.
Examiner les courants de convection à
l'intérieur du tipi. Ceci aide à expliquer
pourquoi un feu reste allumé dans un tipi.
Si les élèves sont intéressés à poursuivre ce
sujet, leur faire construire une réplique d'un
tipi grandeur nature.
Faire plusieurs essais en appuyant le mètre à
différents endroits et en utilisant différents
poids. Répéter en plaçant plusieurs masses à
différents endroits. Risquer des prédictions
pour d'autres expériences et tester l'exactitude
des prédictions.
15.
Démontrer le paradoxe du centre de gravité.
Coller une masse à proximité d'une des
extrémités d'un mètre à mesurer. Tenter de
maintenir en équilibre le bâton en le
soutenant avec un doigt à une extrémité,
d'abord avec l'extrémité pesante en bas, et
ensuite en haut.
Les élèves doivent savoir que plus le centre de
gravité d'un objet est bas, plus il est stable.
Cependant, dans le paradoxe, le mètre à
mesurer est plus facile à garder en équilibre
quand la masse est plus proche de l'extrémité
du haut. Cette démonstration devrait
permettre de lancer une intéressante
discussion sur l’équilibre et la stabilité.
16.
L'activité suivante peut servir à explorer la
construction d'un tipi traditionnel. Les
matériaux nécessaires sont 15 tiges de la
taille des baguettes chinoises ou plus grosses,
de la corde ou du fil solide, du papier à poncer,
de la pâte à modeler, du tissu, des cure-dents
ronds, des ciseaux, un crayon et du ruban
gommé.
Assembler les tiges conformément au schéma
de la page suivante. Attacher avec du fil.
Découper une couverture en tissu. Coudre la
couverture. Décorer la couverture et l’attacher
à la structure. Souvent, les décorations des
tipis sont inspirées par des visions et des
rêves.
Décider de l'emplacement de la porte.
Découper une ouverture pour la porte. Décider
de l'orientation du tipi en fonction de la
direction du vent dominant. Demander aux
élèves d'expliquer pourquoi un tipi est une
structure stable par vent fort.
Physique 30 – La cinématique et la dynamique – P. 199
Un tipi
P. 200 – Physique 30 – La cinématique et la dynamique
Unité obligatoire II : L’énergie mécanique
Vue d'ensemble
Le travail, l'énergie et la puissance, sujets de cette
unité, sont essentiels à tout programme d'études de
physique au secondaire. Ces sujets sont traités ici
en adoptant la perspective selon laquelle l'énergie
est une ressource. D'autres points de vue pour
traiter les concepts de cette unité sont possibles, et
certains livres de physique les ont retenus. Le fait
de considérer que l'énergie est une ressource place
les concepts de l'énergie mécanique dans le cadre de
l’approche STSE. Ainsi, les élèves trouvent-ils ces
concepts plus pertinents et plus intéressants à
étudier.
Une approche possible à retenir lors de la
planification de cette unité obligatoire est d'intégrer
le thème de l'énergie tout au long de l'ensemble des
unités obligatoires. Il serait même possible de s'en
servir comme thème sous-tendant la totalité du
cours. Grâce à cette approche, on assure la
continuité qui fait comprendre pour quelle raison
cette unité obligatoire est primordiale à l'étude de la
physique.
Facteurs de l'alphabétisme
scientifique à développer
E3
E7
E8
E11
E13
savoir utiliser le matériel prudemment
savoir manipuler les instruments
savoir mesurer le temps
savoir mesurer la masse
savoir utiliser des relations quantitatives
F3
F5
la recherche des données et de leur
signification
le respect de la logique
G1
G3
s'intéresser à la science
continuer d'étudier
Objectifs généraux de la physique et
objectifs des apprentissages
essentiels communs
L’élève sera capable de :
•
Prendre conscience des questions
environnementales et s'y sensibiliser
•
Réaliser l'importance d'acquérir une
compréhension de l'énergie
•
Reconnaître que différentes cultures
n’envisagent pas pareillement les mêmes
questions
•
Réaliser l'impact de la science et de la
technologie sur d'autres règnes
A3
A4
A5
A7
holistique
reproductible
empirique
unique
B2
B3
B9
B11
B23
B33
l'interaction
l'ordre
la reproduction des résultats
la prévisibilité
l'invariance
l'entropie
•
S'efforcer, à titre de personne possédant une
culture scientifique générale, de modeler
l'opinion publique
•
Réaliser l'impact de la technologie sur les styles
de vie de l'être humain et sur l’environnement
C4
C5
C7
C8
C9
C10
C12
C15
C20
C21
la coopération
la mesure
l'utilisation des nombres
la formulation d'hypothèses
l'inférence
la prédiction
l'interprétation des données
l'analyse
la définition opérationnelle
la synthèse
•
Se servir de son imagination, de son intuition et
de ses habiletés en vue d'évaluer des idées, des
processus, des expériences et des objets dans des
contextes significatifs (CRC)
•
Renforcer sa compréhension des nombres et des
rapports entre eux grâce à des applications
traitées dans l'étude de la physique (NUM)
•
Développer son appréciation de la valeur et des
limites de la technologie dans la société (TEC)
D1
D3
D4
D8
la science et la technologie
les effets de la science et de la technologie
la science, la technologie et l'environnement
les limites de la science et de la technologie
•
Comprendre et utiliser le vocabulaire, les
structures et les formes d'expression propres à
la physique (COM)
Physique 30 – L’énergie mécanique – P. 201
•
•
Devenir une personne compatissante,
sympathique et impartiale qui apporte une
contribution positive à la société en tant
qu’individu ou en tant que membre d’un groupe
(VAL)
Accéder à la connaissance (AUT)
A. Travail
Concepts clés
Le travail (W) est le produit de la force
appliquée par le déplacement d'un objet selon la
direction de cette force appliquée.
rr
W = Fd
Seule la composante de la force appliquée qui agit
r
dans la même direction que le déplacement ( d )
contribue à la quantité de travail fournie à un objet.
rr
r
r
∴W = Fd cos ? où ? est l' angle formé par F et d.
L'unité de travail est le newton-mètre (N·m). Un
joule (J) est la quantité de travail effectuée quand
une force appliquée d'un newton produit un
déplacement d'un mètre.
1 J = 1 N·m
Une autre unité de travail est le kW·h.
1 kW·h = 3,6 MJ
Le travail est une quantité scalaire qui dérive du
produit de deux quantités vectorielles.
Tant que la force appliquée et le déplacement ont la
même direction, on peut ignorer la direction dans
les calculs du travail. Ceci est possible parce que le
calcul du travail fait intervenir un produit scalaire
de deux vecteurs. Certains manuels scolaires
effectuent implicitement ce calcul et n'emploient pas
le signe vectoriel dans l'équation du travail.
Le travail est positif quand la force appliquée et
le déplacement ont le même sens.
P. 202 – Physique 30 – L’énergie mécanique
•
Calculer graphiquement le travail à partir
d'une courbe de la force appliquée en fonction du
déplacement
Le travail positif peut s’additionner au travail
négatif pour donner le travail net.
•
Le travail peut être déterminé graphiquement en
trouvant l'aire sous la courbe de la force appliquée
en fonction du déplacement.
Donner des exemples qui illustrent comment
l'énergie est transférée d'un objet à un autre
pendant la production d'un travail
•
Réaliser que, lors d'une transformation
d'énergie, toute l'énergie disponible n'est pas
transformée en travail utile. Une certaine
partie de l'énergie est convertie en chaleur ou en
d'autres types d'énergie
•
Résoudre des problèmes relatifs au travail et à
l'énergie
Le travail est négatif quand la force appliquée et
le déplacement ont des sens opposés.
L'énergie est la capacité de produire un travail.
Quand du travail est accompli, de l'énergie a été
transmise d'un objet à un autre.
W = ∆E
Une transformation d'énergie survient quand de
l'énergie est convertie d'une forme à une autre.
Quand a lieu une transformation d'énergie, toute
l'énergie disponible n'est pas utilisée pour produire
du travail utile. Une partie de celle-ci est
transformée en chaleur ou en une autre forme
d'énergie.
La maximisation du rendement durant une
transformation d'énergie est l'exploitation au mieux
de l'énergie disponible. Cette opération contribue à
la conservation des ressources naturelles.
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Demander à la classe de concevoir et
d’effectuer une expérience destinée à comparer
la quantité de travail produite sur un objet
que l'on élève verticalement, ou que l'on
monte sur un plan incliné jusqu'à la même
hauteur verticale.
2.
Souder des crochets à l'intérieur et à mihauteur d'une boîte de conserve vide. Attacher
un lourd écrou de métal ou une rondelle à une
bande élastique et relier la bande aux
crochets. Faire rouler la boîte sur le plancher.
Après s’être arrêtée, elle repart dans le sens
opposé. Les élèves doivent déterminer d'où
provient l'énergie qui fait rouler la boîte dans
le sens inverse. Leurs prédictions seront plus
surprenantes si vous fermez les extrémités de
la boîte, afin de cacher ce qui se passe à
l'intérieur.
3.
Demander aux élèves de monter différents
systèmes de poulies. Effectuer diverses
activités destinées à déterminer la force
appliquée requise pour soulever différents
poids à vitesse constante. Déterminer le
travail en entrée et le travail de sortie.
Discuter le rendement de chaque système de
poulies. Discuter l'idée d'une économie
mécanique découlant de l'utilisation de
certains systèmes de poulies.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : force appliquée,
travail, énergie, travail positif, travail négatif
•
Faire la distinction entre le travail positif et le
travail négatif
•
Réaliser qu’aucun travail n'est accompli quand :
° une force est appliquée sans qu'il y ait
déplacement;
° le déplacement est perpendiculaire à une
force appliquée;
° un objet se déplace sans qu'il y ait une force
qui s’exerce sur lui.
•
Déterminer la composante d'une force appliquée
qui agit dans la même direction que le
déplacement
Exprimer les unités fondamentales SI et les
unités dérivées pour le travail, l'énergie et
d’autres grandeurs reliées à la physique
•
•
Énoncer que le travail est une quantité scalaire
Physique 30 – L’énergie mécanique – P. 203
B. Puissance
Concepts clés
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Les élèves peuvent mesurer le temps que
mettent leurs camarades à monter des
escaliers en courant. Le poids des participants
sera déterminé par un pèse-personne.
(Certains élèves peuvent hésiter à dévoiler
leur poids aux autres.) Comparer la puissance
de sortie de différentes personnes. Une brève
période de réchauffement est recommandée
afin d'éviter les blessures.
2.
Comparer la puissance fournie par divers
types de systèmes biologiques ou mécaniques.
Intégrer cette activité au programme de
biologie.
3.
Comparer, dans le cadre d'une expérience, la
puissance de systèmes différents.
La puissance (P) est la vitesse à laquelle un
travail est accompli. On peut aussi considérer que
c'est le rythme auquel l'énergie est consommée.
W
t
W = ∆E
∆E
P=
t
P=
L'unité SI de la puissance est le watt (W).
1 W = 1 J/s
Les préfixes dans le système de mesure SI jouent le
rôle de multiples.
Le kilowatt est l'unité la plus courante pour
mesurer la puissance.
1 kW = 1 x 103 W
L’expression employée pour décrire la puissance
produite par un objet en mouvement est :
P = F(vmoy)
Pour exprimer la puissance, on emploie souvent le
terme « cheval » (« chevaux »). L'unité non SI pour
exprimer cette puissance est le cheval-vapeur qui
vaut 736 watts.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : puissance, cheval,
cheval-vapeur
•
Indiquer les unités SI, ainsi que les unités
auxiliaires, qui servent à mesurer la puissance
•
Réaliser que même si le système SI est le
système d'unités préféré en science, dans
certaines applications, il est essentiel de
connaître des unités non SI de mesure
•
Résoudre des problèmes relatifs au travail, à la
puissance et à l'énergie
P. 204 – Physique 30 – L’énergie mécanique
C. Énergie cinétique
•
Concepts clés
Un objet a une énergie cinétique de masse (Ec)
s'il est en mouvement. L'expression « énergie
cinétique de masse » s’emploie pour distinguer entre
l'énergie cinétique totale d'un objet à l'échelle
macroscopique et l'énergie cinétique des molécules
individuelles à l'échelle moléculaire.
Ec =
1 2
mv
2
L'unité de l'énergie cinétique est, comme pour les
autres formes d'énergie, le joule.
Trouver dans la nature des exemples de
collisions élastiques et de collisions inélastiques
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Effectuer une activité destinée à étudier la
conservation de l'énergie cinétique et de la
quantité de mouvement dans une collision
élastique.
2.
Étudier expérimentalement le changement de
l'énergie cinétique et la conservation de la
quantité de mouvement dans une collision
inélastique. À partir de ces résultats et de
ceux de l'activité précédente, récapituler les
différences entre les collisions élastiques et les
collisions inélastiques.
1 J = 1 kg( m2 /s 2 )
= 1 N ⋅m
L'énergie cinétique et la quantité de mouvement
sont deux grandeurs qui sont conservées durant une
collision élastique. Une collision élastique est
une collision durant laquelle il n'y a pas de
changement d'énergie. Les molécules du gaz idéal
subissent des collisions élastiques.
La plupart des collisions qui se produisent dans la
nature, à l'exception de celles survenant à l'échelle
microscopique, sont des collisions inélastiques.
Une certaine quantité d'énergie se dissipe quand les
objets entrent en contact. Cette énergie dissipée
peut donner lieu à de la chaleur, du son, de la
lumière ou d'autres formes d'énergie. Elle peut
également produire une déformation physique
permanente des objets en collision. La quantité de
mouvement est conservée, comme dans n'importe
quelle collision.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : énergie cinétique
de masse, collision élastique, collision
inélastique
•
Distinguer entre une collision élastique et une
collision inélastique
•
Montrer comment les unités fondamentales de
l'énergie cinétique ou de l'énergie potentielle
sont reliées aux unités dérivées (J) de l'énergie
•
Résoudre des problèmes relatifs à l'énergie
cinétique
Physique 30 – L’énergie mécanique – P. 205
D. Énergie potentielle
gravitationnelle
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Concepts clés
L'énergie potentielle gravitationnelle (Eg) est
l'énergie emmagasinée, du fait de la position d'un
objet par rapport au niveau du sol ou par rapport
à un autre niveau de référence arbitraire appelé
niveau de base.
Eg = mgh
1 J = 1 kg·m/s2·m
= 1 N·m
Sur le plancher, à l'endroit où la masse devrait
atterrir, placer une feuille de papier blanc avec
un papier carbone par derrière afin
d'enregistrer le point d'atterrissage de la
masse. (C’est le moment d’essayer les
nouveaux papiers « sans carbone » ou
« autocopiant ».)
Quand un objet est soulevé verticalement, le travail
fourni à l'objet donne lieu à une énergie potentielle
gravitationnelle.
Quand un objet est relâché d'une certaine hauteur,
il perd son énergie potentielle gravitationnelle pour
gagner de l'énergie cinétique, de sorte que le
changement net d'énergie est nul. L'énergie
mécanique totale, soit la somme de l'énergie
cinétique et de l'énergie potentielle gravitationnelle,
demeure inchangée. (Principe de la conservation de
l'énergie
Utiliser les déplacements horizontaux et
verticaux de la masse pour connaître la vitesse
horizontale initiale (celle de sa trajectoire
balistique) au point de libération de la masse.
Une fois cette vitesse horizontale connue,
établir l'énergie cinétique de la masse du
pendule au point le plus bas de la trajectoire
du pendule. Comparer l'énergie potentielle
initiale du pendule et l'énergie cinétique au
point le plus bas de sa trajectoire.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : énergie potentielle
gravitationnelle, niveau de base, niveau du sol,
énergie mécanique totale
•
Distinguer entre le niveau du sol et le niveau de
base arbitraire
•
Réaliser que le travail exigé pour soulever un
objet verticalement se traduit par une
augmentation de l'énergie potentielle
gravitationnelle
•
Résoudre des problèmes relatifs à l'énergie
potentielle gravitationnelle, et concernant la
relation entre l’énergie cinétique et l’énergie
mécanique totale
P. 206 – Physique 30 – L’énergie mécanique
Attacher un pendule à un support au bout
d'une table. Utiliser un fil pour retenir une
lourde masse. Placer une lame de rasoir
aiguisée au-dessus de la masse quand elle est
en position de repos. (Autre montage possible :
employer une torche sécuritaire et alimentée
au propane. Elle coupera le fil de façon plus
graduelle. Attention de ne pas se brûler.) Tirer
la masse d'un côté. Déterminer son énergie
potentielle par rapport à sa position de repos.
Relâcher la masse. Au moment où la lame de
rasoir (ou la torche) sectionne le fil, la masse
poursuit sa trajectoire balistique jusqu'au sol.
2.
L'activité précédente peut être refaite avec une
lame de rasoir qui sectionne le fil avant que la
masse atteigne sa position de repos. Cette
situation est légèrement plus difficile à
analyser, puisque la masse-projectile s'échappe
avec une vitesse initiale ayant une composante
verticale et une composante horizontale. La
vitesse instantanée de la masse au point de
libération doit être déterminée.
Si le projectile est lancé de sorte que l'angle
sous l'horizontale soit (θ), les meilleurs élèves
pourront parvenir à déduire la relation :
r
r
r
d x2
d y = d x tg ? + r
v cos 2 ?
Calculer l'énergie potentielle initiale de la
masse, ainsi que l'énergie potentielle et
l'énergie cinétique à l'instant de la séparation.
Démontrer que l'énergie mécanique est
conservée.
3.
Attacher un yo-yo à un dynamomètre. Laisser
le yo-yo monter et redescendre. Pendant son
mouvement, observer le pointeur de l'échelle
graduée du dynamomètre. Tenter de trouver
ce qui arrive au poids apparent du yo-yo
pendant son mouvement. (Les changements
du poids apparent sont dus à la transformation
de l’énergie potentielle et de l’énergie
cinétique.) Autre activité possible pour
illustrer la même chose : la roue de Maxwell.
4.
Un chronographe peut déterminer la vitesse
d'un objet en chute libre juste avant qu'il
percute le sol. L'énergie cinétique peut alors
être comparée à l'énergie potentielle
gravitationnelle initiale de l'objet, en fonction
de la hauteur de sa chute.
5.
Effectuer une activité destinée à étudier la
relation entre l’énergie cinétique, l’énergie
potentielle gravitationnelle et l’énergie
mécanique totale d'un objet tombant
verticalement ou se déplaçant suivant une
autre trajectoire.
Physique 30 – L’énergie mécanique – P. 207
Unité obligatoire III : L’électricité
Vue d'ensemble
Les sujets traités dans cette unité sont les
applications de l'électricité, le courant et la
différence de potentiel, les circuits électriques, la
puissance et l'énergie électrique. Les applications
mettant en œuvre l'électricité, traitées dans la
section A, forment le corpus de base sur lequel
s'appuient les autres sujets abordés dans cette
unité. L'unité facultative VII pourra servir de
prolongement à cette unité obligatoire.
Facteurs de l'alphabétisme
scientifique à développer
A4
A6
A7
A9
reproductible
probabiliste
unique
reliée à l'être humain/à la culture
B2
B9
B10
B12
B14
B17
B20
B22
l'interaction
la reproduction des résultats
la cause et l'effet
la conservation
le cycle
le champ
la théorie
les entités fondamentales
C2
C8
C10
C12
C15
C16
C17
la communication
la formulation d'hypothèses
la prédiction
l'interprétation des données
l'analyse
l'expérimentation
l'utilisation des mathématiques
D3
D5
D9
les effets de la science et de la technologie
le manque de compréhension du public
l'influence de la société sur la science et la
technologie
E3 savoir utiliser le matériel prudemment
E12 savoir se servir d'instruments électroniques
E13 savoir utiliser des relations quantitatives
F1
F2
F3
F7
le besoin de savoir et de comprendre
la mise en question
la recherche des données et de leur
signification
le besoin de vérifier
G2
G3
G6
devenir plus confiant
continuer d'étudier
préférer les réponses scientifiques
P. 208 – Physique 30 – L’électricité
G8
préférer les explications scientifiques
Objectifs généraux de la physique et
objectifs des apprentissages
essentiels communs
L’élève sera capable de :
•
Interpréter les renseignements qui apparaissent
sur des schémas de circuits électriques
•
Montrer sa capacité à déduire et à manipuler
un grand nombre de formules lors de la
résolution de problèmes
•
Appliquer sa connaissance des concepts sur
l'électricité à des expériences courantes et à des
réalisations pratiques
•
Réaliser l'importance de la sécurité lors de
l’utilisation d'équipement électrique
•
Effectuer une diversité d'activités axées sur
l'étude de l'électricité
•
Trouver des façons de conserver l'énergie
électrique
•
Se pencher sur les conséquences d'une
augmentation de la consommation de
l'électricité dans l'avenir
•
Faire appel à la déduction et à l'induction dans
la résolution de problèmes de physique
•
Comprendre et se servir de la terminologie, des
structures, des formes et des expressions qui
sont propres à la physique (COM)
•
Comprendre l'utilisation correcte et l’utilisation
abusive des concepts mathématiques dans la vie
quotidienne (NUM)
•
Se servir de son imagination, de son intuition et
de ses habiletés en vue d'évaluer des idées, des
processus, des expériences et des objets dans des
contextes significatifs (CRC)
•
Reconnaître la valeur et les limites de la
technologie dans la société (TEC)
•
Satisfaire ses propres objectifs d'apprentissage
(AUT)
•
Se traiter soi et traiter les autres, avec respect
(VAL)
A. Applications
Concepts clés
Parmi les applications suivantes, en traiter au
moins trois. Ces applications peuvent être traitées
séparément, ou de préférence intégrées aux autres
concepts clés touchant l'électricité. Tout au long des
sections B, C et D de l'unité obligatoire III, vous
aurez l'occasion d'exposer des applications
apparentées. Ce sujet permettra de lancer les élèves
dans des activités d'apprentissage autonome.
Il est difficile d'entrevoir ce que seront dans l'avenir
les nouveaux développements et les nouvelles
applications relatifs à l'électricité. À mesure que les
progrès en science et en technologie feront
apparaître de telles applications, on encourage les
enseignants et enseignantes à les ajouter à la liste
ci-contre.
L'enseignant ou l'enseignante de physique choisira
les connaissances et les concepts qui seront
développés. Cependant, quel que soit le degré de
développement de l'application, il faudra toujours
établir un lien entre l'application, et le
comportement de l'électricité et les autres
phénomènes de physique.
En outre, l'étude de ces applications et d'autres
applications doit mettre l'accent sur l’approche
science-technologie-société-environnement (approche
STSE) du nouveau programme. Les enseignants et
enseignantes doivent saisir toute occasion de
renforcer les relations STSE (Aspect D de
l’alphabétisme scientifique).
On recommande d'exposer le contexte historique de
ces applications et perfectionnements afin d'insérer
l'étude de la physique dans un cadre social et
historique. Les élèves doivent aussi être sensibilisés
au fait que de nombreuses réalisations
remarquables en science et dans d'autres disciplines
de la connaissance humaine sont l'œuvre de
solitaires qui ont bouleversé les idées reçues et les
normes acceptées et gagné leur point malgré la
critique et l'opposition.
• Alternateurs.
• Aurores boréales.
• Canons électromagnétiques.
• Carillons de porte.
• Compteurs électriques.
• Éclairage.
• Électro-aimants de levage.
• Galvanoscopes.
• Haut-parleurs.
• Interrupteurs à solénoïde.
• Moteurs électriques.
Physique 30 – L’électricité – P. 209
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Production industrielle d'électricité.
Queues de comète.
Radio, télévision et autres dispositifs de
communication.
Relais.
Réseaux de distribution d'énergie électrique.
Sonneries électriques.
Spectrographes de masse.
Supraconducteurs.
Systèmes de transport monorail.
Techniques de navigation.
Transformateurs.
Tubes à rayons cathodiques.
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Rechercher les principes de physique entrant
en jeu dans la machine à photocopier. Passer
en revue le système optique, les circuits
électriques, la mécanique d'avance du papier,
le magnétisme, l'électrostatique, l'électronique,
la chimie des vireurs, l'utilisation de lasers,
etc. Étudier chaque élément séparément, ou en
choisir un ou plusieurs reliés et en faire une
analyse détaillée. Si l’on dispose d'un
photocopieur à l’école, il pourra servir
d'excellent point de départ pour cette
recherche. Tenter d'organiser une « visite » du
photocopieur quand un technicien d'expérience
est en train de l'entretenir et est prêt à
expliquer aux élèves le fonctionnement de la
machine.
2.
Construire un thermocouple élémentaire ou
utiliser un produit commercial afin d'étudier
la quantité de courant que peut produire un
gradient de température entre une région
chaude et une région froide.
3.
Concevoir une série d'expériences destinées à
tester des piles et à comparer leur rendement.
Examiner en particulier les facteurs suivants :
rapport qualité/prix, énergie de coupure à la
fin de la vie de la pile et efficacité dans des
conditions froides.
4.
Concevoir une expérience destinée à comparer
le rendement économique d'une ampoule
électrique « longue durée » à celui d'autres
marques ayant le même wattage.
5.
Étudier les nouvelles ampoules dites « à grand
rendement ». Concevoir des expériences
destinées à comparer leur rendement.
6.
Laisser les élèves recourir au centre de
ressources afin d'étudier les prises de terre.
Expliquer les circonstances dans lesquelles on
P. 210 – Physique 30 – L’électricité
s'en sert. Voir si un électricien peut parler de
ces dispositifs et d'autres sujets se rapportant
à l'électricité.
7.
Entreprendre une recherche sur les
principales méthodes pour produire de
l'énergie électrique en Saskatchewan et
ailleurs au Canada. Indiquer les avantages et
les inconvénients de chacune, en relevant leur
impact sur l'environnement. Laisser les élèves
choisir la méthode la plus valable. Ils doivent
être prêts à défendre leur point de vue.
Ou bien, organiser un débat durant lequel
chaque équipe défend ou s'oppose à une
certaine méthode de génération d'électricité.
Est-ce que votre choix de la filière la plus
valable pour produire de l'électricité, établie au
cours de ces activités, serait le même si vous
appreniez qu'une centrale de production
d'électricité allait être construite dans votre
localité? Quelles en seraient les conséquences
pour les personnes, l'environnement et
l'économie de la région?
Discuter du syndrome « d’accord, mais pas
dans ma cour », que l'on constate dès que
certaines personnes apprennent que l'on va
construire une centrale électrique près de
l'endroit où elles demeurent.
Contacter SaskPower (Saskatchewan Power
Corporation) afin d'obtenir des publications
récentes sur l'électricité.
B. Courant et différence de
potentiel
schémas fonctionnels et des représentations
graphiques.
1. Courant
Un schéma est un plan ou un dessin qui
représente, au moyen de symboles, les composants
du circuit et les relations entre eux.
Concepts clés
La grandeur de la charge d'un simple proton ou d’un
électron est appelée la charge élémentaire, e.
e = 1,602 x 10-19 C, où C = 1 coulomb.
La loi fondamentale de l'électrostatique
stipule que :
Les charges électriques opposées s'attirent,
tandis que les charges semblables se
repoussent. Les objets chargés attirent
certains objets neutres.
Une charge d'un coulomb (C) représente un
excédent ou un déficit de 6,24 x 1018 électrons.
La relation entre la quantité de charge (Q) sur un
objet et le nombre élémentaire de charges (N) est :
Q = Ne, où e est la charge élémentaire,
1,602 x 10-19 C
Un circuit électrique est un chemin de
conduction fermé comprenant une source d'énergie
électrique, un conducteur et une charge (ou
utilisation) qui consomme l'énergie électrique.
Un courant électrique est la vitesse d'écoulement
des charges à travers la section transversale d'un
conducteur. Par convention, on considère que le
courant est un flux de charges positives.
L'unité fondamentale SI de l'intensité du courant
est l'ampère (A). 1 A = 1 C/s
I=
Q
t
où I est l'intensité du courant, Q est la quantité de
charge et t le temps.
Un ampèremètre est un appareil qui mesure
l'intensité du courant dans un circuit électrique. On
doit raccorder celui-ci en série dans le circuit. Sa
résistance interne doit être faible.
Un galvanomètre mesure de très faibles intensités
de courant électrique.
Il faut représenter les circuits électriques par des
schémas clairs et précis. On utilise aussi des
Par convention, sur les schémas, on emploie des
symboles pour représenter divers éléments.
Les schémas illustrent comment sont raccordés les
éléments d'un circuit électrique.
Les schémas sont utiles pour le dépannage et la
réparation des circuits électriques. Ils servent aussi
à la conception de nouveaux circuits.
Le mouvement des charges dans le courant
continu (CC) ne change pas de sens.
Le mouvement des charges dans le courant
alternatif (CA) change de sens périodiquement.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : charge
élémentaire, circuit électrique, courant
électrique, ampèremètre, schéma, courant
continu, courant alternatif
•
Énoncer la loi fondamentale de l'électrostatique
•
Indiquer l'unité SI de la charge électrique
•
Résoudre des problèmes en appliquant la
relation entre la quantité de charge (Q) d'un
objet et le nombre de charges élémentaires (N)
•
Indiquer l'unité fondamentale SI de l'intensité
du courant
•
Résoudre des problèmes relatifs au courant
électrique
•
Donner une explication du courant en terme du
flux d'électrons
•
Donner le nom d'un appareil qui mesure
l'intensité du courant électrique dans un circuit
•
Indiquer les symboles utilisés dans les schémas
de circuits électriques
•
•
Dessiner le schéma d'un circuit électrique
Expliquer de quelle façon on utilise les schémas
de circuits électriques
Physique 30 – L’électricité – P. 211
•
Expliquer la différence entre le courant continu
et le courant alternatif
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
2.
Montrer comment utiliser un ampèremètre
pour mesurer l'intensité du courant dans un
circuit électrique.
Fixer un tube à arc progressif (échelle de
Jacob) à une alimentation à haute tension.
Observer l'ascension de l'arc dans le tube.
Fermer le tube afin de produire des oxydes
d'azote. Aspirer le gaz du tube et le dissoudre
dans l'eau. Tester le pH. Comparer celui-ci à
celui de l'eau du robinet.
Cette activité montre comment les éclairs
produisent des nitrates qui stimulent la
croissance des plantes. L'ozone produit dans
l'air pourra aussi se trouver en concentration
appréciable. Relier cette activité au
programme de biologie.
D'autres démonstrations intéressantes
peuvent s’effectuer, si l'appareillage est sur
place. Les bobines de Tesla, les générateurs
Van de Graff et les machines de Wimshurst
sont des appareils qu'il est bon d'avoir pour le
programme de Physique 30.
3.
Frotter un tube fluorescent avec un morceau
d'emballage de sandwich transparent. Il
devrait briller dans le noir quand on le frotte.
Un tube fluorescent placé dans un four microonde doit se mettre à briller.
Placer une des broches d'un tube fluorescent
près d'une bobine de Tesla. Il brillera. Certains
élèves s'interrogeront sur le fait que l'on ne
prend pas de décharge électrique quand on
tient le tube fluorescent près de la bobine de
Tesla. Des tubes spectrum pourront également
faire l'affaire.
Placer une ampoule incandescente de 60 W
près d'une bobine de Tesla. Demander aux
élèves d'observer la décharge qui se produit à
l'intérieur de l'ampoule.
P. 212 – Physique 30 – L’électricité
4.
Si la gravitation universelle a été traitée avec
les élèves, introduire la force de Coulomb. Les
élèves devraient être en mesure de reconnaître
l'analogie entre les deux lois.
F =k
q1q2
r2
où F est la force entre les deux charges, q1 et
q2, qui sont séparées par la distance r.
La constante de Coulomb est :
(k) = 8,987 Nm 2/C2
2. Différence de potentiel électrique
Concepts clés
Un champ électrique est une région de l'espace
où s'exerce une force sur une charge d'essai
électrique.
Les lignes de force électriques représentent la
direction suivant laquelle se déplace la charge
d'essai dans un champ électrique. Par convention,
elles partent d’objets chargés positivement et
aboutissent aux objets chargés négativement.
Une charge dans un champ électrique subit les
effets d'une force électrique.
Un travail est effectué par le champ électrique, si la
force électrique agissant sur la charge entraîne son
déplacement d'un point vers un autre. Ces deux
points n'ont pas le même potentiel électrique.
La grandeur du travail effectué sur une charge par
un champ électrique est une mesure de la différence
de potentiel.
La différence de potentiel électrique (V) est le
travail effectué par unité de charge quand un objet
chargé se déplace entre deux points dans un champ
électrique.
W
V=
Q
Le volt (V) est l'unité utilisée pour mesurer la
différence de potentiel électrique. N.B. Les élèves
confondent souvent l'abréviation V servant à
exprimer l'unité (volt) et le symbole qui désigne la
différence de potentiel électrique. On doit souligner
le fait que parfois le même symbole sert à indiquer
des réalités différentes. Vous pouvez illustrer ceci en
présentant d'autres exemples.
Lors de la résolution de problèmes, les élèves
doivent être en mesure de développer chacune des
relations suivantes. (Il existe d'autres relations,
mais celles-ci sont les plus employées.)
W
Q
Fd
=
Q
W
=
It
Fd
=
It
mad
=
It
V =
1 volt = 1 joule/coulomb
V
1 volt = 1 (newton·mètre)/coulomb
V
V
V
Le potentiel en un point quelconque d’un champ
électrique peut être positif ou négatif par rapport à
la terre, selon la nature de la charge.
Un voltmètre sert à mesurer la différence de
potentiel électrique entre deux points d’un circuit
électrique. Il est raccordé en parallèle aux bornes de
la charge du circuit. Il possède une très grande
résistance interne.
Dans un circuit à courant continu, l'ampèremètre
et le voltmètre doivent être raccordés de sorte
qu'une certaine borne de l'appareil de mesure puisse
être identifiée comme étant la même borne que celle
de la source de différence de potentiel.
Sur les instruments multicalibres, on utilise en
premier le calibre le plus élevé, puis on passe
progressivement aux calibres plus faibles. (Les
nouveaux appareils électroniques exploitent
différentes méthodes.) Un mauvais raccordement
peut endommager les appareils de mesure.
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : champ électrique,
charge d'essai positive, lignes de force du champ
électrique, masse du châssis, différence de
potentiel électrique
•
Indiquer la convention employée pour
représenter les lignes de force dans un champ
électrique
•
Expliquer ce qui arrive à une charge dans un
champ électrique
•
Expliquer que du travail est accompli sur une
charge dans un champ électrique si la force
électrique a pour effet de déplacer la charge d'un
point à un autre
•
Expliquer que la grandeur du travail effectué
pour déplacer la charge est une mesure de la
différence de potentiel entre deux points
•
Indiquer et appliquer correctement les unités
employées pour mesurer la différence de
potentiel électrique
•
Réaliser que certains symboles en physique
peuvent parfois représenter des réalités
différentes dans des contextes différents
•
Résoudre des problèmes relatifs à la différence
de potentiel électrique
1 volt = 1 joule/(ampère·seconde)
1 volt = 1 newton·mètre)/(ampère·seconde)
1 volt = 1 (kg·m 2 /s 2 )/(A·s)
Une différence de potentiel électrique doit exister
pour qu'un courant circule dans un circuit
électrique.
Pendant que la charge se déplace d'un point à un
autre d’un circuit électrique, il y a dégagement
d'énergie. Ceci a pour effet de diminuer le potentiel
électrique. La diminution du potentiel électrique
implique qu'il y a une différence de potentiel
électrique entre les deux points. (Le terme différence
de potentiel électrique doit être préféré à celui de
« tension ».)
Le potentiel de la Terre est fixé arbitrairement à
zéro.
Un objet connecté directement au sol est mis à la
terre.
Une masse peut être un plan commun de tension
nulle par rapport au reste du circuit. C'est ce qu'on
appelle parfois la masse du châssis.
Physique 30 – L’électricité – P. 213
•
Illustrer les relations qui existent entre des
unités fondamentales et des unités dérivées de
physique
•
Réaliser qu'une diminution d'énergie, durant le
déplacement d'une charge dans un circuit, se
traduit par une chute du potentiel électrique
•
Expliquer qu'il y a une différence de potentiel
nulle entre une masse et le reste du circuit
•
Faire la distinction entre une différence de
potentiel positive et une différence de potentiel
négative
•
Nommer l’instrument qui sert à mesurer la
différence de potentiel électrique dans un circuit
électrique
•
Montrer comment raccorder un voltmètre à un
circuit électrique
•
Expliquer comment les bornes d'un voltmètre et
d'un ampèremètre doivent être reliées dans un
circuit électrique
•
Développer différentes relations durant la
résolution de problèmes sur la différence de
potentiel électrique
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Montrer qu'il n'y a pas de courant dans un
circuit électrique à moins qu'il existe une
différence de potentiel.
2.
Concevoir et effectuer une activité destinée à
étudier la différence de potentiel électrique.
3.
Montrer comment entretenir et utiliser
l'équipement. Montrer les précautions à
respecter quand on travaille avec de
l'équipement électrique. Mettre l'accent sur les
mesures de sécurité à prendre quand on se
sert de l'électricité.
4.
En Europe, le courant alternatif est du
240 V à la fréquence de 50 Hz. Demander aux
élèves d’expliquer pourquoi la norme en
Europe diffère de celle utilisée en Amérique du
Nord. Quels sont les avantages et les
inconvénients du système européen? Quels
genres de difficultés peuvent rencontrer les
voyageurs quand ils se rendent dans des
endroits où la norme de distribution de
l'électricité est différente? Quelle mesure doiton prendre si on emporte en Europe de
P. 214 – Physique 30 – L’électricité
l'équipement électrique fabriqué en Amérique
du Nord?
5.
Actuellement, des recherches sont en cours
pour déterminer si le fait de demeurer près de
lignes de transmission à haute tension ne
pourrait pas affecter la santé. Étudier des
rapports ou des articles scientifiques qui
traitent de la question.
6.
Une cellule électrochimique illustre le fait que
l'énergie chimique peut être convertie en
énergie électrique.
Réaliser une cellule électrochimique. Relier
cette activité à l'unité sur l’oxydationréduction du programme de Chimie 30.
(Pour obtenir des détails sur les produits
chimiques et les électrodes à utiliser, et sur la
manière de connecter les cellules, consulter un
livre de chimie. Une façon de faire consiste à
connecter un fil de cuivre à l’extrémité d'une
ampoule de torche, et un ruban de magnésium
à l'autre extrémité. Maintenir l'ampoule avec
des pinces et la mettre dans une solution de
HCL 3 M. Raccorder les électrodes à une
ampoule avec du fil de cuivre. Quand les
électrodes entrent en contact avec les produits
chimiques, l'ampoule s'allume.)
Ayant démontré que l'électricité traverse ce
circuit, enlever l'ampoule et connecter un
voltmètre-ampèremètre. Prendre des mesures.
Voir si la tension ou l'intensité du courant
dépend de la surface des électrodes en contact
avec les solutions chimiques, ou de la
concentration de la température des solutions.
Étudier la question qualitativement.
3. Loi d'Ohm
Concepts clés
L'augmentation de la résistance dans un circuit
diminue la conductance du circuit. Résistance et
conductance sont en relation inverse.
Quand la différence de potentiel s'accroît aux bornes
d'un matériau du circuit, la circulation du courant
dans cet élément s'accroît aussi. Un graphique de
la différence de potentiel en fonction du courant
pour un matériau donné illustre bien cette
constatation. (Ceci n'est pas vrai pour tous les
matériaux.)
La loi d'Ohm stipule que la différence de potentiel
entre deux points quelconques d'un conducteur est
directement proportionnelle au courant qui traverse
le conducteur. (La loi d'Ohm n'est vérifiée que dans
les matériaux ohmiques. Les matériaux non
ohmiques ne manifestent pas une telle relation de
proportionnalité directe.)
V α I,
V = IR (loi d'Ohm)
Elle est mesurée en Ωm 2/m. Certains manuels
scolaires utilisent le symbole Ωm.)
Résultats d'apprentissage
L’élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : résistance,
conductance, supraconduction, résistivité
•
Réaliser qu'il existe une relation entre la
différence de potentiel et le courant en
circulation dans un circuit
•
Énoncer la loi d'Ohm
•
Résoudre des problèmes électriques en
appliquant la loi d'Ohm
•
Exprimer la résistance avec les bonnes unités et
le bon symbole
•
Identifier quatre facteurs qui influencent la
résistance d'un élément résistif cylindrique
•
Exprimer les relations de proportionnalité des
facteurs qui affectent la résistance d'un élément
résistif cylindrique
•
Exprimer la résistivité d'un matériau avec les
bonnes unités et le bon symbole
•
Résoudre des problèmes concernant les facteurs
qui influencent la résistance d'un élément
résistif cylindrique
où R est la résistance exprimée en ohm.
1 ohm = 1 volt/ampère
Le symbole employé pour désigner l'ohm est la
lettre grecque oméga (Ω).
La résistance d'un composant résistif (résistance)
dépend de la longueur, de la section transversale, de
la température et de la résistivité du matériau.
La résistance est directement proportionnelle à la
longueur du conducteur (L). La résistance varie
comme l'inverse de sa section transversale (A).
La résistance croît généralement avec la
température. Certains matériaux manifestent une
supraconduction (leur résistance chute à zéro)
aux basses températures. La température à laquelle
les matériaux deviennent supraconducteurs est
variable.
La résistance dépend de la résistivité (ρ ) du
matériau. La résistivité est définie comme la
résistance d'un cylindre du matériau d'un mètre de
longueur et de 1 m2 de section transversale.
L
R =?  
A
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1. Étudier expérimentalement la loi d'Ohm. Tracer
un graphique qui montre la relation entre la
différence de potentiel et le courant dans le
circuit.
2. Connecter un thermistor à un voltmètre, à un
ampèremètre multicalibre et à une source
d'alimentation continue. Placer le thermistor
dans de l'eau glacée. Chauffer lentement l'eau et
enregistrer les lectures du cadran électrique
pour différentes températures, jusqu'à
l'ébullition de l'eau. Calculer la résistance à
différentes températures. Tracer la résistance
en fonction de la température absolue et
analyser les résultats afin de déterminer s'il n'y
a qu'un seul coefficient thermique pour la
résistance.
Physique 30 – L’électricité – P. 215
Comme projet à long terme, placer un
thermistor dans des courants d'air et mesurer
les effets. Développer une technique pour
mesurer la vitesse du vent et l'humidité
relative; consigner les résultats. Chercher toute
relation qui pourrait se dégager des résultats.
C. Circuits électriques
1. Lois de Kirchhoff
Concepts clés
Les lois de Kirchhoff sont des applications de deux
lois de la conservation fondamentales : celle de la
conservation de l'énergie et celle de la conservation
de la charge.
Dans tout nœud d'un circuit électrique, l'intensité
totale du courant qui arrive dans le nœud est la
même que celle qui quitte le nœud (loi des nœuds de
Kirchhoff ou première loi de Kirchhoff).
La somme algébrique des différences de potentiel
dans un circuit complet doit être nulle (loi des
mailles de Kirchhoff ou seconde loi de Kirchhoff).
Les lois de Kirchhoff sont utiles pour bien
comprendre le transfert d'énergie à travers un
circuit électrique. Elles sont aussi pratiques pour
analyser les circuits électriques.
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Réaliser que les lois de Kirchhoff sont des
applications de la loi de la conservation de
l'énergie et de la loi de la conservation de la
charge
•
Énoncer la première loi de Kirchhoff (loi des
nœuds)
•
Énoncer la seconde loi de Kirchhoff (loi des
mailles)
•
Se servir des lois de Kirchhoff pour comprendre
le transfert d'énergie dans les circuits électriques
•
Résoudre des problèmes touchant l'analyse des
circuits électriques en appliquant les lois de
Kirchhoff
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1. Dans un réseau continu, étudier les rapports
entre la résistance, la différence de potentiel et
le courant. Le réseau doit comprendre au moins
deux charges en parallèle montées en série à au
moins une autre charge. Consigner les mesures
du courant et du potentiel électrique dans les
éléments du circuit. Régler la tension de la
source et recommencer l'opération.
P. 216 – Physique 30 – L’électricité
À partir des résultats trouvés, chercher les
rapports existants entre le courant, le potentiel
électrique et la résistance dans les éléments du
réseau.
2. Circuit en série et circuit en
parallèle
Un circuit en série fournit un trajet unique pour
le passage des électrons.
1
R ( éq)
=
1
R1
+
1
R2
+ ... +
1
Rn
Les relations données ci-dessus peuvent être aussi
démontrées en appliquant la loi d'Ohm et les lois de
Kirchhoff.
La plupart des circuits électriques combinent des
montages en série et des montages en parallèle. La
loi d'Ohm et les lois de Kirchhoff sont utiles pour
analyser ces types de circuits.
Le courant dans toutes les pièces d'un circuit en
série a la même intensité. Pour n charges
raccordées en série, on a :
Résultats d'apprentissage
Is = I1 = I2 =… = In
•
La somme des chutes de différences de potentiel
autour du circuit en série est égale à la somme des
hausses de différences de potentiel produites par les
forces électromotrices appliquées.
Définir les termes suivants : circuit en série,
circuit en parallèle, résistance équivalente
•
Dessiner le schéma d'un circuit en série et d'un
circuit en parallèle
•
Reconnaître les expressions mathématiques
mettant en rapport l'intensité du courant, la
différence de potentiel et la résistance dans les
circuits en série et dans les circuits en parallèle
•
Déterminer la valeur de la résistance
équivalente que l'on peut substituer à deux ou
plusieurs résistances montées en série
Un circuit en parallèle offre plusieurs trajets
pour le passage du courant.
•
Appliquer sa compréhension de la résistance
équivalente à la résolution de problèmes
Le courant total dans un circuit en parallèle est
égal à la somme des courants passant dans les
différentes branches du circuit. Pour n charges
raccordées en parallèle, on a :
•
Réaliser l'importance des lois d'Ohm et des lois
de Kirchhoff dans l'analyse des circuits
électriques
V s = V1 + V2 + … + V n
La résistance totale dans un circuit en série est
égale à la somme de toutes les résistances
individuelles.
L'élève sera capable de :
Rs = R1 + R2 + … + Rn
I p = I 1 + I 2 + … + In
La chute de tension aux bornes de chaque branche
du circuit en parallèle est la même :
V p = V1 = V2 = … = V n
On peut considérer qu'une résistance
équivalente consiste en une seule résistance qui
remplace deux ou plusieurs résistances.
La résistance équivalente dans un circuit en
parallèle s'obtient au moyen de la formule :
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1. Effectuer une activité destinée à étudier
l'intensité du courant, la différence de potentiel
et la résistance dans les circuits en série et dans
les circuits en parallèle.
2. En hiver, montrer comment survolter une
batterie d'automobile. En classe, étudier les
raisons pour lesquelles il faut que la batterie à
plat soit connectée en parallèle à la batterie de
survoltage. S'assurer que les batteries d'auto
sont raccordées correctement. Une connexion
défectueuse peut provoquer une explosion.
3. Comparer les valeurs théoriques de l'intensité
du courant, de la différence de potentiel et de la
résistance dans un circuit avec les valeurs
mesurées. Expliquer tout écart entre les
Physique 30 – L’électricité – P. 217
grandeurs théoriques et les grandeurs
expérimentales.
4. Les élèves devraient essayer de déduire la
formule suivante pour deux résistances en
parallèle :
Dans le cas d'élèves qui ont de la difficulté avec
les fonctions réciproques, la formule ci-dessus
« un produit divisé par une somme » sera
préférable. Elle n'est valable que pour deux
résistances. Quand il y a plus de deux
résistances en parallèle, il devient trop complexe
R ( éq) =
R1 ⋅R 2
R1+ R2
de tenter de déduire une formule semblable afin
d'éviter les fonctions réciproques. Utiliser deux
résistances à la fois et appliquer la formule cidessus.
D. Puissance et énergie
électrique
Concepts clés
Dans un circuit électrique, la puissance (P) est le
taux de consommation d'énergie.
P=
E
t
L'unité dérivée de la puissance est le watt.
1 watt = 1 joule/seconde
Les relations suivantes s'appliquent à la puissance
dans un circuit électrique :
P = VI
1 watt = 1 volt·ampère
= 1 (joule/coulomb)(coulomb/seconde)
= 1 joule/seconde, etc.
P = I2R
1 watt = 1 ampère2·ohm
2
P=V
R
1 watt = 1 volt2/ohm
La puissance nominale affichée sur certains
appareils électriques sert de base pour comparer le
coût d'utilisation de ces appareils (ce qui ne tient
pas compte du rendement).
L'énergie consommée par un appareil électrique
dépend de sa puissance nominale et de la durée de
son utilisation.
E = Pt
Le joule est une unité trop petite pour mesurer la
consommation d'énergie électrique. Une unité plus
courante est le mégajoule (MJ) ou le kilowatt-heure
(kW·h).
1 MJ = 1 x 106 J
= 1 x 106 W·s
= 3,6 x 106 J
1 kW·h = 3,6 MJ
P. 218 – Physique 30 – L’électricité
•
Résoudre des problèmes relatifs à l'énergie dans
les circuits électriques
•
Indiquer les principales méthodes pour produire
de l'énergie électrique au Canada
•
Indiquer l'impact sur l'environnement de chaque
méthode de production de l'énergie électrique
•
Comparer les principales méthodes pour produire
de l'énergie électrique au Canada et déterminer
celle qui est la plus souhaitable et celle qui est la
moins souhaitable
La demande d'énergie électrique a augmenté de
façon draconienne dans les dernières années.
•
Il est important de conserver l'énergie électrique.
Cela économise de l'argent au consommateur et
réduit la pression imposée à l'environnement.
Suggérer de nouvelles méthodes de production
d'électricité qui pourraient être viables dans
l'avenir
•
Comprendre la surcharge des circuits dans une
maison (rôle des disjoncteurs et des fusibles)
On peut calculer le coût d'utilisation de l'électricité
si on connaît la quantité d'énergie employée. N.B.
Certains livres de physique simplifient à outrance
ce calcul. Ils passent sous silence tout ce qui
concerne la tarification de base, la redevance
d'abonnement, les frais minimums de base facturés
quelle que soit la consommation, la tarification
progressive ou les escomptes accordés aux
industries et autres « grands utilisateurs ». Pour en
arriver à un calcul précis du compte d'électricité,
vérifier avec la compagnie d'électricité, car les tarifs
changent de temps en temps.
Certains pays offrent des « escomptes » à ceux qui
consomment une grande quantité d'énergie
électrique, alors que d'autres facturent une
surcharge à ceux qui consomment au-delà d'un
certain seuil. Il s'agit là de deux politiques de
facturation différentes.
L'électricité provient de différentes sources au
Canada. Chaque méthode de production a des
répercussions particulières sur l'environnement.
Étudier la situation en Saskatchewan.
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1. Comparer l'énergie consommée pendant une
certaine période par des appareils électriques à
la puissance nominale de ces appareils.
2. Demander aux élèves de concevoir et de mener à
bien une activité destinée à calculer le coût de
l'électricité pour une maison « type » de la
Saskatchewan pendant une certaine période.
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Définir ce qu'est la puissance
•
Exprimer la puissance en employant les bonnes
unités
•
Déduire diverses relations exprimant la
puissance d'un circuit électrique
•
Résoudre des problèmes en utilisant diverses
expressions de la puissance
•
Expliquer comment la puissance nominale des
appareils électriques aide une personne à faire
un achat judicieux
•
Expliquer pourquoi le joule n'est pas employé
normalement comme unité de mesure de la
consommation de puissance électrique
•
Indiquer deux unités de mesure employées
couramment pour la consommation d'énergie
électrique
3. Connecter une alimentation à un petit moteur
électrique. Raccorder un ampèremètre, un
voltmètre et un rhéostat au circuit. Monter le
moteur de façon qu'il soulève de petites masses
verticalement. Soulever les masses, consigner
les mesures des appareils de mesure et compter
le temps nécessaire pour soulever les masses.
Déterminer l'énergie électrique fournie au
moteur : E(en) = VIt. Calculer l'énergie restituée
par le moteur en se basant sur le changement
de l'énergie potentielle de l'objet soulevé :
E(sor) = mgh.
Déterminer le rendement du moteur :
rendement =
E(sor)
E (en)
x 100
Physique 30 – L’électricité – P. 219
Recommencer l'opération pour diverses charges
ou différentes positions du pointeur du rhéostat.
Déterminer si le rendement dépend de ces
facteurs.
maximale produite. Comparer ceci au rythme
qu'il faut maintenir pour fournir une certaine
puissance de sortie pendant une période plus
longue. (En moyenne, on peut produire 75 watts.)
Débrancher l'alimentation. Laisser tomber les
masses au sol. Relever les valeurs sur
l'ampèremètre et le voltmètre. Si l’on observe
des valeurs sur le cadran, expliquer d'où vient la
force électromotrice. Si une charge plus lourde
est employée, ce qui fait tourner plus
rapidement le moteur non branché, demander
aux élèves de prédire et d'observer ce que le
cadran de l'ampèremètre et le cadran du
voltmètre diront.
Si on dispose de moniteurs cardiaques, de
stéthoscopes ou de sphygmomanomètres,
mesurer à intervalles réguliers le rythme
cardiaque. Surveiller la tension sanguine, la
température de la peau ou d'autres « signes
vitaux ». Se servir de ces données comme
indicateurs possibles de la capacité aérobique.
Demander aux élèves de faire une recherche sur
la façon dont sont menés les tests médicaux.
Intégrer cette activité au cours d'éducation
physique. Visiter un hôpital où l'on effectue des
tests sur le stress. Trouver comment fonctionne
un électrocardiographe ou un
électroencéphalographe. Cette activité peut
s'intégrer à l'unité sur les organes des animaux
(Biologie 30).
4. Comparer le coût de l'électricité ou la politique
de tarification en Saskatchewan avec ce qui
existe dans d'autres provinces ou pays.
5. Comparer les politiques de tarification qui
appliquent des escomptes ou des surprimes.
Évaluer les motifs qui justifient ces différentes
politiques.
6. Avec un calorimètre électrique branché dans un
circuit, enregistrer le changement de
température dans le circuit au bout d'un certain
temps. Enregistrer les lectures du courant et du
potentiel électrique dans le circuit. Déterminer
l'énergie électrique équivalente à la chaleur
produite. Comparer les valeurs expérimentales
aux valeurs acceptées et expliquer les écarts.
À la place du calorimètre, ou en plus de celui-ci,
brancher une bouilloire. Il est possible
d'effectuer une intéressante comparaison du
rendement de chacun des appareils.
7. Installer un vélo à dix, douze ou quatorze
vitesses sur des rouleaux d'exercice. (Demander
aux élèves ou à des passionnés de vélo s'ils en
ont. Sinon, utiliser une bicyclette stationnaire,
un ergomètre, ou même un jeu de roues
d'exercice monté sans trop de résistance sous la
roue arrière.)
Installer une dynamo et un projecteur sur une
bicyclette. Connecter un voltmètre et un
ampèremètre au circuit. Demander à des élèves
de pédaler à toute vitesse (se réchauffer
correctement avant).
Mesurer le courant et la différence de potentiel
afin de déterminer la puissance électrique
P. 220 – Physique 30 – L’électricité
Discuter des transformations d'énergie qui
aboutissent à la production d'énergie électrique.
Si la bicyclette peut être amenée à l'extérieur,
imaginer une activité destinée à calculer le
travail effectué pour faire rouler la bicyclette sur
une certaine distance en terrain plat. (Les élèves
pourront imaginer cette expérience. Il ne s'agit
pas ici d'une expérience simple. Plusieurs
variables sont en jeu.)
Unité obligatoire IV : La physique nucléaire
Vue d'ensemble
L'emploi de l'énergie nucléaire à des fins civiles est
certainement l'un des sujets les plus controversés et
probablement l'un de ceux qui véhicule le plus
d'idées erronées sur la physique. Il faut essayer de
combler le manque d'information du public, afin
d'avoir des personnes possédant une culture
scientifique générale qui prendront des décisions
éclairées concernant l'énergie nucléaire. On
pourrait insister sur le fait que la compréhension de
l'énergie nucléaire est une exigence essentielle pour
tous les élèves.
Pour prendre des décisions éclairées, une personne
doit posséder des connaissances solides qui lui
permettent de se forger une idée précise du
problème. Cette unité obligatoire permet aux élèves
de bien comprendre la question de l'énergie
nucléaire afin d'en parler et d'en discuter
intelligemment. Par conséquent, les activités
essentielles de cette unité obligatoire, au cours
desquelles les élèves explorent et discutent
l'utilisation des réacteurs nucléaires, sont reportées
à la fin après que les élèves ont acquis les
connaissances nécessaires pour prendre des
décisions en connaissance de cause et apporter des
arguments persuasifs.
Facteurs de l'alphabétisme
scientifique à développer
A1
A3
A4
A6
A7
A8
publique/privée
holistique
reproductible
probabiliste
unique
expérimentale
B1
B2
B4
B11
B15
B16
B19
B20
B22
le changement
l'interaction
l'organisme
la prévisibilité
le modèle
le système
la probabilité
la théorie
les entités fondamentales
C1
C6
la classification
la mise en question
C8
la formulation d'hypothèses
C9
l'inférence
C13 la création de modèles
C20 la définition opérationnelle
D1
D2
la science et la technologie
le côté humain des scientifiques et des
technologues
D3 les effets de la science et de la technologie
D4 la science, la technologie et l'environnement
D5 le manque de compréhension du public
D7 la variété d'opinion
D8 les limites de la science et de la technologie
D9 l'influence de la société sur la science et la
technologie
D10 le contrôle de la technologie par la société
E3
E4
E5
savoir utiliser le matériel prudemment
savoir utiliser le matériel audiovisuel
savoir se servir d'un ordinateur
F2
F4
F6
F8
la mise en question
le respect des environnements naturels
la prise en considération des conséquences
la prise en considération des prémisses
G1
G2
G3
G6
G8
G9
s'intéresser à la science
devenir plus confiant
continuer d'étudier
préférer les réponses scientifiques
préférer les explications scientifiques
apprécier les contributions scientifiques
Objectifs généraux de la physique et
des apprentissages essentiels
communs
L'élève sera capable de :
•
Réaliser que lorsqu'un modèle scientifique
n'explique pas un certain phénomène, il faut que
la théorie sous-jacente soit révisée ou rejetée en
faveur de théories plus exactes
•
Réaliser que les êtres humains sont
continuellement exposés à des rayonnements
d'origine naturelle ou causés par les activités
humaines
•
Réaliser le danger potentiel que représente
l'exposition du corps et de matériel génétique aux
rayonnements
•
Comprendre comment une controverse peut
apparaître si des scientifiques ou le public ont
des opinions contradictoires sur une question
scientifique
Physique 30 – La physique nucléaire – P. 221
•
Réaliser que les scientifiques ont le devoir
d'informer la société sur les abus réels ou
possibles effectués au nom de la science
•
Reconnaître que les scientifiques ont l'obligation
morale de veiller à ce que leurs découvertes
servent à des fins humanitaires ou pacifiques
•
Évaluer les différents jugements de valeur
professés par les scientifiques
•
Reconnaître que des recherches sont toujours
nécessaires sur les effets biologiques à long
terme des rayonnements
•
Défendre une position qui approuve ou
désapprouve l'utilisation de l'énergie nucléaire à
des fins pacifiques
•
Comprendre les aspects personnels, moraux,
sociaux et culturels de la physique (VAL)
•
Recourir à une large gamme de ressources afin
d'enrichir ses connaissances des principaux
concepts de physique (COM)
•
Faire preuve d'un « fort sens » critique et
proposer des idées créatives (CRC)
•
S'engager activement dans la démarche de prise
de décision touchant les développements
technologiques (TEC)
•
Développer un désir d'apprendre qui durera toute
la vie (AUT)
A. Radioactivité naturelle
Concepts clés
Becquerel découvrit tout à fait par hasard que des
sels d'uranium brouillaient une plaque
photographique. Il cherchait à établir un lien entre
les rayons X et la fluorescence au moyen de cristaux
de sulfate de potassium d'uranium.
La radioactivité est la désintégration spontanée
de noyaux atomiques instables, accompagnée
d'émission de particules ou de rayonnements
électromagnétiques.
Pierre et Marie Curie étudièrent les minéraux
d'uranium par séparation chimique. Ils
découvrirent que la pechblende et la chalcosite,
des minéraux naturels, manifestaient une activité
hautement radioactive due à la présence de
plutonium et de radium.
Tous les éléments que l'on trouve dans la nature et
qui possèdent un numéro atomique de 83 ou plus, de
même que certains isotopes de quelques éléments
plus légers, sont radioactifs.
À partir des travaux de Rutherford, de Soddy et de
Villard, on est parvenu à identifier trois types de
rayonnement.
Les particules alpha (α) sont des noyaux
d'hélium formés de deux protons et de deux
neutrons. Elles sont déviées légèrement par un
champ magnétique ou électrique. Leur pouvoir de
pénétration est très faible; on réussit à les arrêter
avec une mince feuille de papier d'aluminium.
Les particules bêta (β) sont des électrons capables
de se propager à des vitesses proches de celle de la
lumière. Leur faible masse fait en sorte qu'elles sont
déviées considérablement dans un champ électrique
ou magnétique, dans le sens opposé de la déviation
des particules alpha. Leur grande vitesse leur
procure un pouvoir de pénétration supérieur à celui
des particules alpha. Certaines particules bêta
peuvent s'enfoncer de quelques centimètres dans de
l'aluminium. Certains textes désignent ces
particules sous le nom de « particules bêta
négatives » afin de les distinguer des particules bêta
positives — les positrons.
Les émissions de particules alpha et les émissions
de particules bêta modifient la composition du
noyau.
P. 222 – Physique 30 – La physique nucléaire
Les rayons gamma (γ) sont des rayonnements
électromagnétiques de haute énergie dont la
longueur d'onde est courte. Les rayons gamma,
contrairement aux particules alpha et bêta, ne
changent pas la composition du nucléide. Leur
pouvoir de pénétration extrêmement élevé : ils
peuvent s'enfoncer dans au moins 30 centimètres de
plomb.
Tous les nucléides radioactifs ont en commun les
caractéristiques suivantes :
• Leurs rayonnements affectent l'émulsion d'une
pellicule photographique, ionisent les molécules
de l'air ambiant, rendent fluorescents certains
composés et provoquent des effets biologiques
spéciaux.
• Ils subissent une désintégration radioactive.
La radioactivité est un phénomène que l'on observe
dans certaines sources naturelles et dans des
éléments produits artificiellement.
Les êtres humains sont sans arrêt soumis à des
rayonnements d'origine naturelle ou d'origine
artificielle, c'est-à-dire dus aux activités de
l'homme. Il faut s'efforcer de minimiser l'exposition
aux rayonnements, mais il est impensable de la
réduire à zéro.
Voici certains symboles employés couramment pour
désigner les particules subatomiques :
1
0
1
1H
0
-1 e
n neutron
ou
1
1P
proton
ou ß- électron (particulebêta)
0
e
+1
ou ß + positron
(Un positron est une particule identique à l'électron, mais
dont la charge est positive. C'est un exemple
« d'antimatière ».)
4
2
He ou α (particulealpha)
γ rayonsgamma(photon)
La radioactivité est indécelable par nos sens. Il faut
employer des détecteurs spéciaux. C'est parce qu'on
ne peut l'identifier avec nos sens que la
radioactivité est si pernicieuse. Une personne peut y
être exposée sans le savoir pendant de longues
périodes. Les rayonnements affectent les tissus
vivants et le matériel génétique.
Plusieurs dispositifs ont été mis au point pour
déceler la radioactivité, dont le plus ancien est une
plaque photographique vierge placée au voisinage de
la source à analyser. Parmi les autres appareils,
mentionnons la chambre à brouillard (Wilson), les
électroscopes, les chambres d'ionisation, le compteur
de Geiger-Muller, les chambres à bulles liquides et
électroniques, les détecteurs de scintillation
(spinthariscope) et les dispositifs à semiconducteurs.
La dosimètre est la mesure de la dose de
rayonnement et l'étude de ses effets sur les
organismes vivants.
On utilise plusieurs unités pour mesurer les
rayonnements.
La dose absorbée correspond à la quantité
d'énergie qui se trouve dans un kilogramme de
matière pendant la durée d'exposition. Elle est
exprimée en gray (Gy).
1 Gy = 1 J/kg = 100 rad
(Le rad n'est pas une unité SI, mais son emploi est
généralisé.)
Les dommages biologiques subis par un organisme
s'appellent la dose équivalente, exprimée en
sieverts (Sv).
1 Sv = 100 rem = 105 mrem
(rem -- rad équivalent pour l'homme)
La dose équivalente (Sv) = dose absorbée (Gy) x un
facteur de qualité (Q).
Le facteur de qualité est un chiffre attribué
à chaque type de rayonnement afin d'en décrire les
effets biologiques.
Q ≈ 1 pour β et γ
Q ≈ 1 - 2 pour les protons, selon leur énergie
Q ≈ 3 - 10 pour les neutrons, selon leur énergie
Q ≈ 5 - 20 pour les particules a, selon l’endroit
où elles frappent (l'organe).
L'effet de la radiation absorbée sur les tissus
vivants est variable. En outre, les scientifiques ne
s'accordent pas sur les effets cumulatifs d'une faible
exposition aux rayonnements. Pour ces raisons,
aucune période d'exposition à des
Physique 30 – La physique nucléaire – P. 223
émissions radioactives ne doit être considérée
comme sûre pour l'être humain ou les autres
organismes vivants. Des recherches additionnelles
sont nécessaires pour connaître les effets biologiques
à long terme des rayonnements.
•
Indiquer les caractéristiques communes à tous
les nucléides radioactifs
•
Identifier et interpréter les symboles les plus
courants des particules subatomiques
Le becquerel (Bq) est l'activité que produit une
source radioactive quand elle est le siège d'une
désintégration par seconde.
•
Montrer comment on utilise correctement
certains symboles fréquents des particules
subatomiques
1 Bq = 1 désintégration par seconde
•
Reconnaître que la radioactivité est indécelable
par les sens
•
Nommer des conséquences importantes
découlant du fait que la radioactivité est
indécelable par les sens
•
Nommer un dispositif qui permet de détecter la
radioactivité
•
Indiquer quelques unités pour mesurer le
rayonnement
•
Comprendre les unités employées pour la mesure
de la radioactivité
•
Prendre conscience que le rayonnement absorbé
a différents effets sur différents types de tissus
•
Reconnaître que les scientifiques ne s'entendent
pas sur les effets cumulatifs dus à une faible
exposition à un rayonnement
•
Comprendre qu'aucune période d'exposition à des
émissions radioactives ne doit être considérée
comme sûre pour l'être humain ou les autres
organismes vivants
•
Utiliser correctement les unités SI et les unités
dérivées, ainsi que leurs préfixes
•
Constater que l'on utilise couramment des unités
non SI
On utilise souvent le kBq et le MBq pour
caractériser la radioactivité d'une source. Cette
unité ne fait pas de distinction entre les effets des
divers types de rayonnement.
1 curie (Ci) = 3,7 x 1010 Bq
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : radioactivité,
isotopes, particules alpha, particules bêta,
rayons gamma, dosimétrie, dose absorbée, dose
équivalente, facteur de qualité
•
Raconter comment fut découverte la radioactivité
•
Mentionner quelques minéraux naturels
radioactifs
•
Réaliser que la radioactivité se trouve autant
dans des sources naturelles que dans des sources
artificielles
•
Prendre conscience que les êtres humains sont
toujours exposés à des rayonnements émis par
différentes sources
•
Reconnaître que même si l'exposition aux
rayonnements est inévitable, il faut chercher par
tous les moyens à la minimiser
•
Énoncer une généralisation sur les éléments
radioactifs, généralisation basée sur le numéro
atomique de l'élément
•
Nommer les types de rayonnements qui se
trouvent dans la nature
•
Indiquer la composition des particules alpha, des
particules bêta et des rayons gamma
•
Comparer le pouvoir de pénétration, la vitesse, le
danger potentiel et d'autres caractéristiques des
particules alpha, des particules bêta et des
rayons gamma
P. 224 – Physique 30 – La physique nucléaire
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Les élèves devraient effectuer une recherche
plus approfondie sur un instrument de
détection des rayonnements. Beaucoup d'autres
concepts clés de cette unité se prêtent très bien
à des stratégies d'apprentissage autonome.
2.
La formule employée pour représenter un
électron peut porter à confusion.
B. Fission nucléaire
0e
−1
Concepts clés
nombre de protons (p. ex. 14
C ). Pour l'électron,
6
Un neutron peut être capturé par le noyau d'atomes
lourds. Le noyau devient alors instable et se sépare.
D'autres neutrons sont libérés au moment de la
division du noyau.
ce nombre correspond à la charge. Certains
élèves pourront en déduire fautivement qu'il
s'agit d'un « proton négatif ». Clarifier cette
convention symbolique.
La fission est le terme employé pour parler de la
division de noyaux lourds en deux ou plusieurs
nucléides.
Dans la plupart des cas, l'indice désigne le
Les neutrons lents sont plus facilement capturés
par le noyau. Un modérateur est un milieu qui a
pour rôle de ralentir la vitesse des neutrons.
Font d'excellents modérateurs le graphite, l'eau
lourde et le béryllium, car ils ralentissent les
neutrons sans les absorber.
Les neutrons libérés par la fission se propagent très
rapidement en l'absence d'un modérateur.
Une très grande quantité d'énergie est libérée
quand un atome subit une fission (~ 200 MeV).
Dans une réaction de fission type, l'énergie dégagée
se répartit ainsi : 170 MeV en énergie cinétique des
fragments de la fission, 5 MeV en énergie cinétique
des neutrons, 15 MeV en énergie dans des particules
bêta et des rayons gamma et 10 MeV en énergie
dans les antineutrinos.
Un exemple de fission type est :
1
0
n+
235
92 U
→
144
90
56 Ba + 36 Kr
+2
1
0 n+
200 MeV
La masse n'est pas conservée dans une réaction de
fission nucléaire. Les produits de la fission ont une
masse légèrement inférieure à la masse de départ;
on parle de défaut de la masse nucléaire. Ce
défaut sert à connaître l'énergie de liaison
nucléaire qui assure la cohérence du noyau plus
lourd et qui a été libérée au moment de la fission.
(Voir à la page 269 la désintégration alpha et bêta.)
L'énergie dégagée par une réaction de fission peut
être calculée en trouvant la différence entre la
masse de l'atome de départ et du neutron, et celle
des atomes produits et des neutrons émis, puis en
convertissant cette « perte » de masse en énergie au
moyen de E = mc2 .
Les neutrons libérés quand un atome subit une
fission peuvent être capturés par d'autres noyaux
qui pourront aussi se diviser, si ces neutrons sont
ralentis par un modérateur.
Physique 30 – La physique nucléaire – P. 225
Une réaction de fission entretenue de cette manière
produit ce qu'on appelle une réaction en chaîne.
Le minerai d'uranium naturel renferme environ 0,7
% d'uranium 235. Pour augmenter la probabilité
d'entretenir une réaction en chaîne d'uranium, il
faut accroître la proportion relative de l'isotope
235
92 U
dans le minerai par le biais d'une opération
d'enrichissement.
se produise. La question de savoir si on aurait dû,
oui ou non, utiliser la bombe demeure encore
aujourd'hui un sujet de controverse.
De nos jours, l'arsenal des superpuissances contient
une telle quantité d'armes nucléaires que, selon un
scénario, si un grand nombre de celles-ci explosaient
en même temps, notre planète deviendrait
inhabitable. Les sociétés d'aujourd'hui prennent de
plus en plus conscience de ce risque.
Un réacteur nucléaire parvient à contrôler une
réaction en chaîne. La chaleur produite par la
réaction sert à entraîner des turbines et à produire
de l'électricité (Voir la section C ci-après.)
Les scientifiques devraient-ils faire campagne afin
de faire comprendre que les armes nucléaires sont
immorales? Est-ce que ce genre d'armes ne menace
pas toute vie sur Terre? Voilà autant de questions
qui demandent réflexion.
Les barres de commande, faites d'un matériau
comme le cadmium, servent à absorber les neutrons
et permettent de contrôler le rythme de la réaction
en chaîne dans un réacteur nucléaire.
Est-ce qu'une société plus ouverte à la culture
scientifique contribuerait à réduire la menace des
armes nucléaires? Est-ce que les conséquences des
armes nucléaires peuvent dissuader les peuples de
s'en servir pour régler des conflits territoriaux?
Une masse critique de matériau fissible est la
quantité minimale de masse qui produit une
explosion nucléaire. Pour entretenir une réaction
nucléaire en chaîne, il faut plus de matériau que la
masse critique.
Une bombe atomique explose quand deux ou
plusieurs masses sous-critiques de matériau fissible
sont rapprochées très rapidement. Des explosifs
chimiques sont utilisés pour projeter les masses les
unes contre les autres et pour constituer une masse
supérieure à la masse critique.
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : fission, modérateur,
défaut de masse nucléaire, réaction en chaîne,
enrichissement, barres de commande, réacteur
nucléaire, masse critique
•
Décrire ce qui se passe durant une réaction de
fission
•
Les dégâts causés par une bombe atomique sont
dévastateurs. La force explosive d'un tel engin se
mesure en mégatonnes d'explosifs conventionnels
qu'il faudrait pour produire des résultats
comparables.
Savoir que des neutrons lents sont capturés plus
facilement par les noyaux atomiques
•
Donner un exemple de substance qui peut
convenir comme modérateur
•
Les armes nucléaires produisent une contamination
radioactive de l'environnement. Pour cette raison
entre autres, un certain nombre de pays ont banni
les essais dans l'atmosphère de ces armes.
Réaliser que des neutrons sont libérés durant
une fission nucléaire
•
Savoir qu'une très grande quantité d'énergie est
dégagée durant une réaction de fission
Les premières bombes atomiques, mises au point et
testées aux États-Unis dans le cadre du projet
Manhattan durant la Seconde Guerre mondiale,
furent lâchées sur les villes japonaises de
Hiroshima et de Nagasaki en 1945. Elles tuèrent
plus de 110 000 personnes et beaucoup d'autres
vivent depuis avec de graves séquelles. Le Japon
capitula immédiatement après l'explosion de ces
bombes, ce qui mit fin à la guerre.
•
Comparer la quantité d'énergie dégagée durant
une réaction de fission à la quantité d'énergie
dégagée durant la combustion d'un combustible
fossile type
•
Expliquer pourquoi les neutrons libérés durant
une réaction de fission peuvent contribuer à
entretenir une réaction en chaîne
Leo Szilard, qui participa à la construction de la
première bombe, avait suggéré que l'on teste la
bombe devant des observateurs internationaux
avant son utilisation militaire, afin de donner au
Japon l'occasion de se rendre avant que l'inévitable
•
Expliquer pourquoi l'enrichissement est employé
durant la préparation des combustibles
nucléaires
P. 226 – Physique 30 – La physique nucléaire
•
Reconnaître qu'il faut une masse supérieure à la
masse critique de matériau fissible pour réaliser
une réaction en chaîne divergente (incontrôlable)
•
Prendre conscience de la puissance dévastatrice
des armes nucléaires
•
Expliquer que les armes nucléaires sont à
l'origine des retombées radioactives.
•
Utiliser ses connaissances scientifiques pour
mettre un terme à la menace que font peser les
armes nucléaires
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Disposer des dominos de façon à ce qu'ils
simulent une réaction nucléaire en chaîne. Le
premier domino frappe le deuxième, qui lui
frappe le troisième et le quatrième, qui, eux,
frappent les suivants, etc.
Redisposer les dominos pour qu'ils représentent
une réaction nucléaire entretenue et contrôlée,
comme ce qui se passe dans un réacteur
nucléaire.
2.
L'énergie libérée durant une fission peut aussi
être calculée en partant des énergies de liaison
moyenne. Si un élément où A ~ 240 (avec une
énergie de liaison moyenne de 7,6 MeV/nucléon)
se divise par « moitié » en deux atomes dont A~
120 (avec une énergie de liaison moyenne de 8,5
MeV), l'énergie libérée est le nombre de
nucléons multiplié par le changement de
l'énergie de liaison moyenne par nucléon :
240 x (8,5 - 7,6) MeV/nucléon ≈ 200 MeV
C. Réacteurs nucléaires
N.B. Les enseignants et enseignantes devraient se
reporter à la section « Controverses dans le domaine
des sciences » de Sciences : Programme cadre dans
l'optique du tronc commun avant de traiter ce qui
suit.)
Concepts clés
Le réacteur CANDU (Canadian deuterium
uranium) utilise de l'uranium, façonné en pastilles
de combustible d'oxyde d'uranium, à partir
desquelles on produit de l'électricité. (Une
comparaison entre le réacteur CANDU et d'autres
réacteurs pourra constituer un prolongement
intéressant à cette étude.)
La Saskatchewan recèle de nombreux gisements de
minerai d'uranium, que l'on raffine en vue de leur
utilisation dans les réacteurs nucléaires.
Les pastilles de combustible d'oxyde d'uranium
raffiné sont empilées dans des crayons cylindriques.
Ces crayons sont organisés en grappes de
combustibles qui sont insérées dans des tubes de
force spéciaux et glissées dans le réacteur.
La cuve du réacteur est appelée calandre.
Les réacteurs nucléaires n'explosent pas comme une
bombe nucléaire. Dans le pire des scénarios, le cas
d'une fusion du cœur, une masse critique de
combustible n'est jamais présente et le combustible
se consume dans le sol. Cela a des conséquences
désastreuses, et il peut y avoir des morts et des
dommages environnementaux.
Le rechargement de combustible se fait en retirant
les grappes de combustible des tubes de force et en
les remplaçant par de nouvelles grappes. Dans un
réacteur CANDU, cette opération peut être réalisée
sans qu'il y ait interruption du réacteur.
L'eau lourde est la substance qui sert de
modérateur dans un réacteur CANDU. L'eau lourde
contient du deutérium, un isotope de l'atome
d'hydrogène ayant un neutron nucléaire. En outre,
l'eau lourde transfère la chaleur entre le
combustible et l'échangeur de chaleur que l'on
utilise pour chauffer de l'eau ordinaire et pour
produire de la vapeur.
La vapeur dégagée entraîne des turbines raccordées
à des alternateurs.
Physique 30 – La physique nucléaire – P. 227
Les condensateurs transforment la vapeur en eau
afin de pouvoir la retourner au générateur de
vapeur.
Certains experts croient que le réacteur CANDU est
plus sûr que les autres types de réacteurs
nucléaires existants.
Si un excès de chaleur se développe dans la
calandre, l'eau lourde sera purgée, ce qui cause
l'arrêt de la réaction en chaîne, puisqu'il n'y a plus
de modérateur.
Les partisans de l'énergie nucléaire croient qu'il
s'agit d'une manière sûre et efficace de produire de
l'énergie. Face à une demande accrue d'énergie et
aux problèmes qui se rattachent à la combustion
des combustibles fossiles (précipitations acides et
effet de serre), ils considèrent que l'exploitation de
l'énergie nucléaire est une nécessité.
L'énergie nucléaire permet d'éviter certains
problèmes propres à la production hydroélectrique.
L'inondation des terres pour construire des barrages
crée des tensions sociales et environnementales.
L'exploitation de l'énergie nucléaire élimine le
besoin de transporter de l'énergie sur de longues
distances, car les usines nucléaires peuvent être
construites assez près des endroits de consommation
de l'énergie.
L'énergie nucléaire ne produit que peu de déchets
par volume. Les matériaux radioactifs peuvent être
stockés en un seul endroit où il est plus facile de les
contrôler. Des métaux nocifs (comme l'arsenic, le
plomb et le mercure), les gaz toxiques, le dioxyde de
carbone et les cendres volantes ne sont pas libérés
dans la nature.
Ceux qui s'opposent à l'énergie nucléaire font
souvent valoir divers problèmes concernant son
utilisation. L'opposition à l'exploitation de l'énergie
nucléaire a pris des proportions telles, ces dernières
années, que mêmes certains réacteurs ont été
fermés. D'autres réacteurs en projet ont été reportés
ou n'ont jamais été terminés en raison des pressions
politiques et sociales exercées par des groupes
antinucléaires. Le débat reste engagé.
La catastrophe nucléaire de Tchernobyl vient
justifier bien des craintes au sujet de la prétendue
sécurité des réacteurs nucléaires, particulièrement
si ces prétentions proviennent des porte-parole de
l'industrie qui ont si souvent vanté la rigueur des
contrôles et des règlements.
Les réacteurs CANDU doivent être construits à
proximité de vastes plans d'eau douce. L'eau douce
P. 228 – Physique 30 – La physique nucléaire
circule dans les condenseurs. La chaleur en excès
est retournée à la source. Cette élévation de la
température réduit la teneur en oxygène dans l'eau,
créant ainsi un stress environnemental sur nombre
d'organismes vivants. L'eau chauffée offre,
cependant, des possibilités d'aquaculture à l'échelle
commerciale, en rendant possible l'élevage d'espèces
tropicales dans des régions aux eaux froides. La
chaleur dégagée pourrait servir aussi à chauffer des
serres ou comme source de chaleur pour d'autres
applications.
Les opposants laissent entendre que la sécurité dans
les mines est un enjeu important de l'exploitation de
l'énergie nucléaire. Le minerai est légèrement
radioactif. Il se trouve souvent du radon (gaz) dans
la mine. Les résidus miniers rejetés contiennent
des traces d'uranium. Ces déchets peuvent
contaminer la nappe phréatique et causer des
dommages environnementaux au sol dans lequel ils
sont enfouis.
Le cycle complet, allant de l'extraction du
combustible au stockage des déchets nucléaires,
porte le nom de cycle du combustible nucléaire.
Le combustible nucléaire épuisé est à la fois chaud
et radioactif. On l'entrepose sous l'eau dans de
grandes piscines de refroidissement parfois jusqu'à
deux ans, pour qu'il perde de sa chaleur. Certains
combustibles épuisés peuvent conserver leur
radioactivité pendant des milliers d'années. Ceci
inquiète nombre de personnes.
Le stockage du combustible épuisé est une question
litigieuse qui inquiète ceux qui cherchent à protéger
l'environnement. Aucune solution parfaite n'a
encore été proposée pour éliminer les déchets. Les
propositions actuelles de gestion des déchets ne sont
que des solutions à court terme en attendant le
développement de méthodes permanentes.
Le stockage des déchets dans des mines de sel
souterraines semble être une solution viable. Les
formations géologiques du bouclier canadien sont
une autre possibilité. La zone envisagée pour le
stockage des déchets doit être sèche et située en
dehors des régions à activité sismique et volcanique.
Le déclassement des réacteurs nucléaires, à la fin
de leur « vie utile », est un autre enjeu soulevé
fréquemment par ceux qui s'opposent à
l'exploitation de l'énergie nucléaire.
L'un des déchets des centrales nucléaires est le
plutonium. Il est bien connu que cet élément
provoque le cancer, même à très petites doses. De
plus, cette substance entre dans la fabrication des
armes nucléaires. Certains s'opposent à l'utilisation
de réacteurs nucléaires, parce que cela dote certains
pays du pouvoir de produire des armes nucléaires.
Une anecdote significative est le fait que la première
bombe atomique de l'Inde a été mise au point grâce
à la technologie CANDU. Cette bombe a été
fabriquée malgré les engagements contractuels
signés par l'Inde, selon lesquels elle n'utiliserait pas
la technologie CANDU à des fins autres que
pacifiques.)
L'emploi de l'énergie nucléaire est source de
controverse. Il est nécessaire d'avoir de bonnes
connaissances pour choisir son camp dans le débat
et d'être en mesure de peser le pour et le
contre. Une fois qu'une personne a pris une
décision concernant l'énergie nucléaire, elle doit
avoir une attitude responsable et tenter de
persuader les autres d'épouser la même conviction.
Les arguments évoqués pour accepter ou refuser
l'énergie nucléaire doivent reposer sur la raison ?
et non sur l'émotion. Il faut faire preuve
d'impartialité et écouter les arguments soulevés par
les tenants de l'opinion contraire.
On constate que, depuis la révolution industrielle, la
source principale d'énergie a varié avec le temps, en
fonction des impératifs économiques, du
développement technologique et d'autres facteurs.
Certains facteurs, toujours aussi actuels, sont à
considérer quand on cherche à déterminer la forme
d'énergie qui sera la plus avantageuse dans l'avenir.
La protection de l'environnement est une
préoccupation majeure quand il s'agit de prendre
des décisions. Les solutions de rechange doivent
aussi être évaluées à la lumière de leurs
répercussions sur l'environnement.
Une stratégie de première importance est de
promouvoir l'économie d'énergie. Au lieu de
consommer de plus en plus d'énergie au détriment
de l'environnement et des ressources disponibles, les
citoyens, les institutions et les gouvernements ont
l'obligation de chercher des façons d'économiser
l'énergie. Si chacun s'efforce d'utiliser
judicieusement l'énergie, les ressources existantes
s'épuiseront plus lentement et l'environnement
subira moins de dommages. Est-il encore possible de
connaître un développement durable?
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Décrire le fonctionnement d'un réacteur
nucléaire
•
Indiquer le type de combustible employé dans un
réacteur nucléaire
•
Esquisser le cycle de vie du combustible
nucléaire, depuis l'extraction du minerai brut
jusqu'à l'entreposage des matériaux épuisés
•
Reconnaître le rôle joué par la Saskatchewan et
le Canada sur la scène de la technologie
nucléaire
•
Expliquer pourquoi une explosion nucléaire ne
peut se produire dans un réacteur nucléaire
•
Indiquer les principales caractéristiques du
réacteur nucléaire CANDU
•
Expliquer la raison pour laquelle on emploie de
l'eau lourde dans les réacteurs nucléaires
CANDU
•
Indiquer certaines fonctions de sécurité qui ont
été conçues pour le système de réacteur
nucléaire CANDU
•
Mentionner les arguments utilisés par les
partisans de l'énergie nucléaire
•
Mentionner les critiques formulées à l'égard de
l'emploi de l'énergie nucléaire
•
Évoquer certaines préoccupations touchant
l'environnement qui sont soulevées au sujet de
l'exploitation de l'énergie nucléaire
•
Suggérer que certaines questions
environnementales touchant les méthodes de
production de l'électricité autres que nucléaires
pourraient être escamotées si on utilise l'énergie
nucléaire
•
En se basant sur les connaissances acquises
dans les pages précédentes, opter pour une
position pour ou contre l'exploitation de l'énergie
nucléaire à des fins pacifiques
•
Défendre une position pour ou contre
l'exploitation de l'énergie nucléaire à des fins
pacifiques
•
Défendre une position pour ou contre
l'exploitation de l'énergie nucléaire à des fins
militaires
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
Physique 30 – La physique nucléaire – P. 229
1.
Le nombre et la diversité des projets de
recherche sur le sujet abondent. Par exemple,
les élèves peuvent comparer la conception de
différents réacteurs à fission en usage ou en
développement dans le monde.
2.
Demander aux élèves d'écrire à différents
organismes afin d'obtenir de la documentation
sur l'énergie nucléaire. En groupes, ils et elles
examinent minutieusement les écrits obtenus
afin de trouver, s'il y a lieu, le parti pris.
3.
Faire des recherches sur des questions
actuelles concernant l'emploi de réacteurs
nucléaires. Ceci aidera à établir des liens entre
les aspects technologiques, environnementaux
et sociaux qui interviennent dans l'étude de la
physique.
4.
Est-ce que le sujet A-3 « L'uranium » de
Sciences : Programme d'études pour la 10e
année a servi? Réviser ces objectifs. S'inspirer
de : Les ressources naturelles de la
Saskatchewan : L'uranium
P. 230 – Physique 30 – La physique nucléaire
Unité facultative V : Les applications de la
cinématique et de la dynamique
Vue d'ensemble de l'unité
Cette unité facultative constitue un prolongement
de l'unité obligatoire I : la cinématique et la
dynamique. Elle approfondit les concepts de force et
de mouvement.
La loi de la conservation de la quantité de
mouvement est l'un des principes les plus
fondamentaux de physique. Elle sert à prédire ce
qu'il advient à deux ou plusieurs objets d'un
système quand ils entrent en collision ou explosent.
Elle est valable pour toute interaction entre objets,
qu'il y ait ou non conservation de l'énergie
cinétique. Il est même justifié de supposer que la
quantité totale de mouvement de l'univers est
constante.
On doit insister dans cette unité sur les activités et
la résolution des problèmes.
Facteurs de l'alphabétisme
scientifique à développer
A2
A4
A5
A7
historique
reproductible
empirique
unique
B2
B7
B9
B10
B11
B21
B28
B32
l’interaction
la force
la reproduction des résultats
la cause et l'effet
la prévisibilité
la justesse
l'équilibre
la validation
C3
C8
C9
C10
C11
C12
C14
C15
C17
C18
C20
C21
l'observation et la description
la formulation d'hypothèses
l'inférence
la prédiction
le contrôle des variables
l'interprétation des données
la résolution de problèmes
l'analyse
l'utilisation des mathématiques
l'utilisation de la relation espace-temps
la définition opérationnelle
la synthèse
D1
la science et la technologie
D5
D8
le manque de compréhension du public
les limites de la science et de la technologie
E6
E7
E11
E13
savoir mesurer la distance
savoir manipuler les instruments
savoir mesurer la masse
savoir utiliser les relations quantitatives
F5
F6
F7
F8
le respect de la logique
la prise en considération des conséquences
le besoin de vérifier
la prise en considération des prémisses
G2
G6
G8
devenir plus confiant
préférer les réponses scientifiques
préférer les explications scientifiques
Objectifs généraux de la physique et
objectifs des apprentissages
essentiels communs
L'élève sera capable de :
•
Améliorer par la pratique son aptitude à
résoudre des problèmes
•
Expliquer des phénomènes physiques de la vie de
tous les jours
•
Comprendre la relation entre la cause et l'effet
•
Montrer sa capacité à communiquer
efficacement par la lecture, l'écrit, l'exposé oral
et l'écoute
•
Donner des exemples qui illustrent comment des
développements scientifiques et technologiques
répondent souvent à des besoins de la société
•
Juger de l'importance et de la pertinence des
idées touchant un sujet
•
Mettre en pratique des aptitudes d'apprentissage
autonome concernant diverses tâches
•
Expliquer les rapports qui existent entre
différentes choses
•
Décomposer des problèmes complexes en
éléments plus petites et plus simples à traiter
•
Prendre les moyens de garder pour toujours le
désir d'apprendre (AUT)
Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique – P. 231
•
•
•
Exploiter une large gamme de possibilités afin
d'accroître sa connaissance des principaux
concepts de physique (COM)
Comprendre comment on acquiert, on évalue, on
raffine et on remplace les connaissances en
physique (CRC)
Approfondir ses connaissances et sa
compréhension de la façon de calculer, de
mesurer, d'estimer et d'interpréter des données
mathématiques; apprendre quand mettre à profit
ces habiletés et ces techniques et expliquer
pourquoi ces procédés sont appliqués dans le
cadre particulier de la physique (NUM)
A. Quantité de mouvement
1. Impulsion et quantité de
mouvement
Concepts clés
La quantité de mouvement
r
( p) d'un objet en
mouvement s'exprime par la formule :
r
r
p = mv
Les unités de quantité de mouvement sont le
kg·m/s.
N·s, les unités d'impulsion, sont utilisables sans
distinction.
La quantité de mouvement est une grandeur
vectorielle. Sa direction est toujours la même que
celle de la vitesse.
L'impulsion est une grandeur vectorielle agissant
dans la même direction que la force qui est à
l'origine de l'impulsion.
Les unités d'impulsion sont N·s.
L'aire sous la courbe de la force en fonction du
temps peut servir à déterminer l'impulsion (à la
condition que la direction de la force produisant
l'impulsion ne soit pas variable).
Une impulsion agissant sur un objet a pour effet de
r
changer la quantité de mouvement : ∆ p .
r
impulsion = ∆ p
L' impulsion d' une force est :
r
impulsion = F ∆ t
r
r
F∆t = m∆v
r
r
r
∆v = v 2 - v 1
r
r
F∆t = ∆p
r
r
= m(v2 - v1)
P. 232 – Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique
l'autre résiste simplement. Répéter
l'expérience, cette fois-ci en intervertissant les
rôles. Demander aux élèves de décrire ce qui se
passe et de déterminer si le choix du pousseur
a une incidence quelconque.
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : quantité de
mouvement, impulsion
•
Employer les bonnes unités d'impulsion et de
quantité de mouvement
•
Appliquer sa compréhension des vecteurs et de la
quantité de mouvement
•
Comparer la direction des vecteurs de la quantité
de mouvement, de l'impulsion, de la force et la
vitesse dans une situation donnée
•
Réaliser que l'impulsion subie par un objet
produit un changement de la quantité de
mouvement
•
Énoncer la relation entre l'impulsion d'une force
s'exerçant sur un objet et la variation de la
quantité de mouvement
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Effectuer une ou plusieurs activités destinées à
étudier la loi de la conservation de la quantité
de mouvement en une et en deux dimensions.
2.
Charger deux chariots propulsés par un
ressort face à face sur une surface plane.
Installer des masses différentes sur chaque
chariot. Attacher un chronographe sur chaque
chariot. Amorcer les chronographes. Appuyer
sur la détente des deux chariots. Déterminer la
vitesse de chaque chariot après la « détente ».
Calculer la masse de chaque chariot.
Déterminer la quantité de mouvement de
chaque chariot. Comparer la quantité de
mouvement totale avant et après la
« détente ».
3.
Représenter sur un graphique la force en
fonction du temps, afin d'établir l'impulsion
pour une situation donnée.
4.
Demander à deux élèves, se tenant sur des
planches à roulettes, de se mettre face à face.
Un élève lance un ballon thérapeutique (ou un
ballon de basket-ball) à l'autre. Décrire
qualitativement ce qui se passe. Répéter
plusieurs fois avec des élèves de différents
poids. Variante : demander aux deux élèves de
se placer à proximité l'un de l'autre et de se
pousser l'un l'autre, de façon à partir en
directions opposées. Un des élèves pousse et
Employer des casques, des protège-genoux et
des protège-coudes avec les planches à
roulettes.
5.
Fixer un chariot dynamique (ou une planche à
roulettes) à un chronographe sur une surface
plane. Mettre le chariot en mouvement. Avec
soin, laisser tomber une brique sur le chariot.
Trouver le changement de la quantité de
mouvement verticale et horizontale de la
brique. Trouver le changement de la quantité
de mouvement horizontale du chariot. Est-ce
que la quantité de mouvement est conservée?
Changer la masse du chariot dynamique.
Répéter l'expérience. Prédire la vitesse finale
du chariot. Vérifier la prédiction par rapport
aux résultats expérimentaux.
6.
Se servir de rondelles de glace carbonique, d'un
banc pneumatique linéaire ou d'une table
pneumatique afin d'étudier qualitativement les
collisions entre objets de masse différente.
(Essayer d'obtenir auprès du club de curling ou
de l'aréna l'autorisation d'effectuer des
expériences qui se déroulent sur la glace. Les
élèves pourront travailler en groupes dans
différents coins de la patinoire. Les principes
de la physique qui interviennent en curling
peuvent être un sujet d'étude captivant.)
Concevoir diverses expériences qui montrent ce
qui se passe dans les collisions élastiques et les
collisions inélastiques. Demander aux élèves
d'élaborer une certaine méthode d'analyse des
données (p. ex. enregistrement vidéo,
photographique, stroboscopique, photographie
de ralenti, chronographes, chronomètres,
marques sur papier sans carbone, traitement
d'images numériques, etc.). En recourant à
l'analyse vectorielle, examiner en détail les
collisions, rechercher les portraits communs et
les généralisations possibles. Ce type d'activité
est parfait pour favoriser le développement de
l'esprit critique et de la créativité; de plus,
l'apprentissage autonome renferme des
possibilités intéressantes. Dans le cadre de
certaines activités, il convient mieux que les
« recettes de cuisine » qui décrivent tout le
travail pratique à faire.
7.
Pour construire un pendule balistique bon
marché, prendre un bloc de fer ou une brique.
Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique – P. 233
L'attacher avec des cordes à un support de
plafond solide. Faire une marque verticale sur
le côté du bloc avec une plume. Fixer de la pâte
à modeler sur le côté du bloc avec des ficelles.
Un lourd pendule peut être attaché au plafond
près du pendule balistique, de manière que le
pendule pendant son oscillation vienne frapper
le bloc. Avec une carabine à air comprimé,
bien calée, tirer dans la pâte à modeler. (Le
port de verres de sécurité est obligatoire.)
Attention : L'utilisation d'arcs ou d'armes qui
tirent des projectiles à haute vitesse n'est
recommandée que sous la stricte surveillance
d'un enseignant ou d'une enseignante et
seulement dans des conditions expérimentales
contrôlées.
8.
Demander aux élèves d'apporter divers types
de balles en classe. Imaginer une expérience
destinée à déterminer le facteur de restitution
des balles. Une solution consiste à employer un
mètre comme échelle de référence. Laisser
tomber une balle d'une hauteur fixe, comme
un mètre, et mesurer la hauteur de rebond sur
l'échelle. Il s'agit d'une façon de connaître le
facteur de restitution. Il y a une relation entre
le rapport des vitesses avant et après le rebond
sur la surface et le rapport du déplacement
final au déplacement initial si les balles sont
lancées verticalement. Une balle qui rebondit
très haut a un facteur de restitution de
presque 1; en revanche, si la balle rebondit
très peu, le facteur de restitution est très près
de zéro.
Tenter de répondre questions suivantes :
Qu'arrive-t-il si la balle est lâchée d'une
hauteur initiale différente? Est-ce que le
rapport du déplacement final au déplacement
initial est constant? Comment varie ce rapport
d'un type de balle à un autre? Comment varie
ce rapport si on change la pression interne
dans un ballon de basket-ball? Pour un type de
balle donné (balle de tennis, de golf, etc.), est-ce
que certaines marques rebondissent mieux que
d'autres? Les élèves pourront imaginer
d'autres questions de même nature. Ils et elles
devraient émettre une hypothèse et imaginer
des expériences qui permettent de vérifier cette
hypothèse.
9.
l'accélération angulaire sont des points à
aborder.
10.
Prendre une roue avant de bicyclette et la
tenir verticalement de part et d'autre du
moyeu. Faire tourner la roue. Essayer de faire
pivoter la roue jusqu'à ce que son moyeu soit
vertical. Faire remarquer l'effet gyroscopique.
Utiliser d'autres gyroscopes pour illustrer ce
qui se produit.
Comme variation sur ce thème, attacher une
extrémité du moyeu de la roue à un fil fixé au
plafond. La roue au complet se comporte
comme un pendule oscillant. Laisser le
pendule osciller. Observer son comportement.
Tourner la roue et la maintenir en position
verticale, puis la relâcher pour qu'elle se
balance d'un côté et de l'autre. Répéter
l'opération, cette fois-ci en mettant au départ
la roue en rotation dans le plan horizontal.
Pourquoi est-il plus facile de garder son
équilibre sur une bicyclette en mouvement que
sur une bicyclette à l'arrêt?
N.B. L'effet gyroscopique des roues en rotation
ne contribue que très peu à la stabilité
supplémentaire d'une bicyclette en
mouvement.
2. La loi de la conservation de la
quantité de mouvement
Concepts clés
La quantité de mouvement totale ( prtotal ) d'un
système isolé est immuable (loi de la conservation
de la quantité de mouvement). Autrement dit, la
quantité de mouvement initial d'un système isolé
est égale à la quantité de mouvement finale.
Un système isolé est un système sur lequel n'agit
aucune force extérieure.
Demander aux élèves d'apporter des toupies.
Ils et elles peuvent examiner qualitativement
les toupies en identifiant les caractères
communs comme la forme, la répartition de la
masse, l'emplacement du centre de gravité.
Les moments d'inertie, la conservation du
moment cinétique, la précession et
P. 234 – Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique
La quantité de mouvement est conservée, qu'il y ait
ou non des interactions à l'intérieur du système qui
s'exercent en une dimension ou plus.
r
∆ p=0
r
r
ptotal (avant) = ptotal (apr ès)
r
r
p t = p t'
Le signe ' indique que la quantité de mouvement
désignée est celle existant après l'interaction.
Pour deux objets de masses différentes qui entrent
en collision :
r
r
r
r
p 1 + p 2 = p 1' + p 2'
r
r
ou bien, m1v 1 + m 2 v 2 = m1 vr1' + m2 vr 2'
Le centre de masse d'un système isolé est un
point spécial qui obéit au premier principe de
Newton. Pour le système de référence de ce centre,
la quantité de mouvement totale du système est
nulle.
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : système isolé,
centre de masse
•
Réaliser que la loi de la conservation de la
quantité de mouvement est l'un des principes
fondamentaux de physique
•
Réaliser que la quantité de mouvement est
conservée dans un système isolé à une ou
plusieurs dimensions
•
Résoudre des problèmes en appliquant les
relations mathématiques de la loi de la
conservation de la quantité de mouvement
•
Reconnaître l'importance du centre de masse
d'un système isolé
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Analyser des photographies stroboscopiques
afin de confirmer que la quantité de
mouvement est conservée dans un système
isolé, comme quand des boules de billard
s'entrechoquent.
Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique – P. 235
B. Forces de frottement
Concepts clés
La force de frottement cinétique (Fc) sur un
objet est directement proportionnelle à la force
normale qu'exerce la surface sur l'objet.
Fca FN
Les forces de frottement s'opposent au
mouvement.
Les forces de frottement agissent dans le sens
contraire à un éventuel mouvement qui pourrait se
produire.
Une force est nécessaire pour vaincre le
frottement statique et pour initier le
mouvement.
Il faut une force plus grande pour sortir un corps de
son état de repos que pour le maintenir en marche
après le déclenchement du mouvement.
Pour un objet au repos, plus la force appliquée croît,
plus le frottement augmente, et ce jusqu'au moment
où on atteint la force de frottement statique
limite (Fs). Un accroissement de la force au-delà de
cette limite met l'objet en mouvement.
F c = µc F N
où Fc est la force due à la force de frottement, µc est
le coefficient de frottement cinétique et F N est la
force normale. À strictement parler, cette équation
n'est plus vraie aux grandes vitesses.
Un coefficient est une grandeur scalaire sans
unités.
Le coefficient de frottement statique (µ s) est
un paramètre essentiel pour déterminer la force
minimale qui agit juste au moment où le
mouvement est imminent.
La force minimale nécessaire pour amorcer le
mouvement est égale à la force de frottement
statique maximale.
Les forces de frottement qui s'opposent au
mouvement des objets sont causées par le
frottement cinétique.
Il existe différentes méthodes pour réduire ou
augmenter le frottement entre des surfaces en
contact. Telle application détermine généralement
les méthodes qui sont les plus efficaces.
FS ≤ µ S FN
où F S est la force de frottement statique, µ S est le
coefficient de frottement statique et F N est la force
normale.
Une surface exerce sur les objets placés sur elle une
force normale dirigée vers le haut (désignée FN ou
R dans certains manuels scolaires).
Le coefficient de frottement statique est supérieur
au coefficient de frottement cinétique. N.B.
Signalons quelques rares exceptions, comme Téflon
sur Téflon, où µs = µc .
Sur les surfaces horizontales, cette force normale
s'oppose à la force de la pesanteur. Sur un plan
incliné, la force normale s'oppose à la force de la
pesanteur agissant sur le plan :
Les coefficients de frottement sont fonction, entre
autres, de la nature des matériaux constituant les
surfaces en contact, de la température, de la phase,
de l'aire de contact.
mg cos θ
Résultats d'apprentissage
où θ est l'angle entre le plan incliné et l'horizontale.
L'élève sera capable de :
On peut considérer que ces forces sont concourantes
et agissent au centre de masse de l'objet. Les
forces dont les lignes d'action convergent vers un
même point sont dites concourantes.
•
Définir les termes suivants : force de frottement
statique limite, frottement statique, frottement
cinétique, force normale, centre de masse,
coefficient, coefficient de frottement cinétique,
force de frottement, coefficient de frottement
statique, frottement statique, forces
concourantes
•
Expliquer que les forces de frottement ont une
action qui s'oppose au mouvement
Le coefficient de frottement cinétique (µc ) peut
être déterminé expérimentalement si on mesure la
force nécessaire pour déplacer un objet à vitesse
constante sur une surface donnée.
P. 236 – Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique
•
Donner des exemples d'objets en mouvement qui
finissent par s'arrêter du fait du frottement
•
Expliquer qu'une force suffisante doit être
appliquée à un objet pour que ce dernier se mette
en mouvement
•
Donner des exemples de situations où il est
souhaitable d'augmenter ou de réduire le
frottement entre les surfaces en contact
•
Donner des exemples de façons de hausser ou
d’abaisser les forces de frottement
•
Expliquer que la force normale agit dans le sens
contraire de la force de la pesanteur
•
Expliquer que la force normale doit être égale en
grandeur et de sens opposé à la force de la
pesanteur pour qu'un objet conserve son état
d'équilibre
5.
Effectuer une recherche portant sur l'ancienne
pratique qui consiste à enduire de gras animal
les patins des traîneaux pour réduire le
frottement.
•
Expliquer que la structure porteuse d'un objet
doit être capable de produire une force normale
qui contrebalance la force qui agit sur elle du fait
de la pesanteur de l'objet; sinon la structure
s'effondre
6.
•
Dessiner des schémas de corps libéré afin
d'illustrer les forces agissant simultanément au
centre de gravité d'un objet
Passer un ficelle attachée à un bloc dans une
poulie située en haut d'un plan incliné. Placer
des poids à l'extrémité libre de la ficelle jusqu'à
ce que le bloc se mette à monter suite à une
légère poussée. Répéter l'opération en
changeant l'angle du plan incliné et en
changeant l'état des surfaces entre le bloc et le
plan incliné. Déduire de l'analyse des résultats
une relation pour le coefficient de frottement de
glissement.
•
Résoudre des problèmes relatifs au frottement
cinétique et au frottement statique
7.
•
Comparer les forces de frottement statique et de
frottement cinétique qui s'exercent sur un objet
Effectuer une expérience destinée à tester les
effets de différents types de cire sur les skis de
fond, les skis de descente ou les patins de
traîneau. Des variables comme les
caractéristiques et la température de la neige,
la température de l'air, l'humidité relative
doivent être contrôlées afin de déterminer les
cires qui conviennent dans certaines
conditions.
3.
Déterminer expérimentalement le coefficient
de frottement statique ou cinétique qui s'exerce
sur un objet dans diverses circonstances.
4.
Placer un bloc de bois sur une planche.
Incliner lentement la planche à une extrémité
jusqu'à ce que le bloc commence à glisser.
Noter l'angle du plan incliné au moment où le
bloc commence sa glissade. Dessiner un
schéma du corps libéré montrant les forces
agissant sur le bloc.
Répéter l'opération avec un bloc reposant sur
son côté le plus mince. Savonner le bloc et
recommencer. Coller une pièce de papier
abrasif sur le bloc et recommencer.
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Montrer l'effet du frottement sur les objets. Il
pourra s'ensuivre une discussion sur la
possibilité de construire une machine en
mouvement perpétuel. Si le frottement pouvait
être éliminé totalement, ou s'il n'y avait pas de
perte de chaleur dans les conversions
d'énergie, le mouvement perpétuel pourrait
alors être une réalité.
Un groupe d'élèves pourra entreprendre une
recherche sur les types de cires qui servent
pour le ski de fond, le ski de descente et faire
un exposé devant la classe.
8.
Attacher un dynamomètre à l'extrémité d'une
boîte vide. Déterminer la force nécessaire pour
mettre la boîte en mouvement et celle pour la
garder en mouvement à vitesse constante.
Placer des objets à l'intérieur de la boîte pour
en augmenter le poids. Répéter l'expérience.
Formuler des généralisations concernant les
coefficients de frottement statique et cinétique.
9.
Dans les sports de compétition, on consacre
beaucoup d'efforts pour réduire la résistance de
Rappeler les tentatives faites dans le passé
pour construire une machine en mouvement
perpétuel.
2.
Étudier les effets du frottement statique et du
frottement cinétique sur différents objets.
Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique – P. 237
l'air. Parmi ces sports, mentionnons le ski de
descente, le cyclisme, le patinage de vitesse et
la descente en traîneau.
Les élèves pourront entreprendre une
recherche sur les moyens de réduire les forces
de frottement dans ces sports.
Répartir la classe en groupes. Chaque groupe
pourra faire une recherche sur un sujet
différent et ensuite faire un exposé oral devant
la classe.
10. Étudier de quelle façon on peut couper les
extrémités d'un travois pour réduire le
frottement.
C. Mouvement balistique
Concepts clés
Quand il n'y a pas de résistance de l'air, les objets
tombent avec une accélération constante, sans
égard à leur masse. Cette accélération est appelée
accélération due à la pesanteur. Elle est
r
désignée par le symbole g . C'est une quantité
vectorielle. Des études récentes tendent à prouver
que la masse aurait une légère influence sur le taux
d'accélération des corps en chute libre.
La grandeur de l'accélération est voisine de 9,8 m/s2
à la surface de la Terre. Cette valeur change
légèrement selon l'endroit où on se trouve sur Terre.
r
La grandeur g est généralement différente sur les
autres corps célestes.
Quelle que soit la façon dont on projette un objet, ce
dernier subit une accélération vers le bas dont la
valeur est proche de 9,8 m/s2 au voisinage de la
surface de la Terre.
r
La valeur g peut être déterminée
expérimentalement. Une méthode possible consiste
à mesurer la période d'un pendule oscillant à faible
amplitude. L'équation utilisée est une
approximation, valide seulement quand l'angle de
déplacement θ (en radians) » sin θ.
T = 2 π l/g
ou g = (4 π 2 l)/(T 2 )
Quand les corps en chute libre subissent la
résistance de l'air, ils tombent plus lentement
que s'ils étaient dans le vide.
Divers facteurs ont une influence sur la résistance
de l'air d'un corps en chute libre. Dans un milieu
comme l'air, les corps en chute libre finissent par
atteindre une vitesse terminale.
La vitesse terminale des objets diffère; elle dépend
de facteurs comme la masse, la forme, la taille et la
texture de la surface.
P. 238 – Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique
Voici certaines équations utiles qui décrivent une
descente en chute libre :
Le mouvement vertical d'un projectile est fonction
de la composante verticale de la vitesse initiale et de
l'accélération due à la pesanteur.
r
r
r
v f = v i + gt
r r
1 r
d = vit + g t2
2
Le mouvement vertical d'un projectile peut être
déterminé au moyen des équations du mouvement
d'un corps en chute libre en considérant les
composantes verticales des vecteurs et l'accélération
de la pesanteur.
r
2
2
v f = v i + 2 gd
r 1 r
r
d = ( v i + v f )t
2
r
r
r
v f y = vi y + gt
Un projectile est un objet qui est lancé ou projeté
dans l'air. (Dans cette section, on suppose que les
effets imputables à la résistance de l'air sont
négligeables pour les projectiles se propageant à
petite vitesse dans l'air.)
Le chemin que parcourt un projectile durant son
déplacement est appelé trajectoire.
Un projectile qui est lancé (ou tiré) horizontalement
à partir d'une certaine hauteur décrit une
trajectoire parabolique qui se termine sur le sol.
Il faut au projectile le même temps pour atteindre le
sol que si on le laissait tomber sans vitesse initiale.
La forme de la trajectoire d'un projectile, comme
celle de tout autre objet en mouvement, est établie
par rapport au système de référence de
l'observateur. Des observateurs situés dans des
systèmes de référence différents décrivent un même
objet en mouvement de manière différente.
Pour analyser le mouvement balistique, il est utile
d'analyser séparément les composantes verticale (y)
et horizontale (x) de la vitesse et du déplacement.
Horizontalement, un projectile se déplace à vitesse
constante.
Verticalement, un projectile se déplace comme un
objet qui est en chute libre.
Le mouvement horizontal d'un projectile dépend de
la composante horizontale de sa vitesse
r
initiale ( v ix ) .
Le déplacement horizontal
r r
d x = v ix t
r
( d x ) d'un projectile par
rapport au sol peut être déterminé en employant la
composante horizontale de la vitesse et le temps de
vol (t).
r r
1r 2
d y = v iy t + 2 g t
r
r 2 r 2
v f y = v iy + 2 g d y
r 1 r r
d y = ( v iy + v f y )t
2
Un projectile lancé à partir du sol selon une certain
angle de tir (θ, mesuré par rapport au sol)
différent de 90o aura une trajectoire parabolique.
Le déplacement vertical maximal d'un projectile tiré
à partir du sol est atteint à la moitié du temps de
vol total. Quand le projectile est à sa position
verticale maximale, la composante verticale de son
vecteur vitesse est nulle.
Pour obtenir le déplacement vertical maximal d'un
projectile ayant une vitesse initiale de grandeur
constante, il faut tirer l'objet directement vers le
haut, à un angle de 90o. Dans ces conditions, le
temps de vol est aussi maximal. (Les équations 1 et
4 ci-dessous correspondent à un maximum dans le
cas où θ = 90o.)
Pour un projectile tiré depuis le niveau du sol et
ayant une vitesse initiale constante, la portée
maximale (déplacement horizontal maximal) est
réalisée quand le projectile est lancé à un angle de
45o. Dans les situations où le poids du projectile est
semblable à la force appliquée, la portée est
maximale pour les angles de tir inférieurs à 45o.
(L'équation 2 ci-dessous correspond à un maximum
dans le cas où θ = 45o.)
Si la grandeur de la vitesse initiale est constante,
les projectiles tirés depuis le niveau du sol à des
angles de tir de (45o - θ) et de (45o + θ), où
Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique – P. 239
0 < θ < 45o, ont la même portée. Le projectile tiré à
un angle de (45o + θ) atteindra une élévation
maximale supérieure et restera en vol plus
longtemps que celui tiré à un angle de (45o - θ).
Les équations de base du mouvement balistique
pour un objet lancé à une certaine vitesse initiale
r
( v i ) et à un angle q positif par rapport à
l'horizontale sont :
•
Savoir que le mouvement d'un projectile peut
être analysé en traitant indépendamment les
composantes verticale et horizontale
•
Indiquer les facteurs qui affectent le mouvement
horizontal et vertical d'un projectile
•
Appliquer les équations de la cinématique pour
une vitesse constante à l'analyse du mouvement
horizontal d'un projectile
•
Appliquer les équations de la cinématique pour
une accélération constante à l'analyse du
mouvement vertical d'un projectile
•
Résoudre une diversité de problèmes concernant
le mouvement balistique
Résultats d'apprentissage
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
L'élève sera capable de :
1.
Analyser expérimentalement le mouvement
d'un objet en chute libre.
2.
Au moyen d'un pendule, déterminer la
grandeur de l'accélération due à la pesanteur à
proximité de la surface de la Terre en
employant les relations :
•
Définir les termes suivants : accélération due à
la pesanteur, projectile, angle de tir, trajectoire,
système de référence et vitesse terminale
•
Expliquer que la masse n'a pratiquement pas
d'influence sur le mouvement des objets en chute
libre dans le vide
•
•
T = 2 π l/g
ou g = (4 π 2 l)/(T 2 )
Énoncer la valeur approximative de
l'accélération due à la pesanteur pour un objet en
chute libre près de la surface de la Terre
3.
Énoncer qu'un objet qui tombe, à partir de l'état
de repos, est soumis à une accélération vers le
bas
Observer le mouvement de différents objets en
chute libre et relever toutes les différences
appréciables.
4.
Effectuer une activité destinée à comparer le
temps que prennent deux objets situés à la
même hauteur pour atteindre le sol, si l'un est
lâché verticalement et que l'autre est lancé
horizontalement. Enregistrer les résultats sur
bande vidéo afin de pouvoir mieux observer le
résultat.
5.
Utiliser des photographies stroboscopiques ou
des illustrations pour analyser le mouvement
de deux objets situés à la même hauteur mis
en mouvement simultanément, un lâché
verticalement et un autre projeté
horizontalement.
•
Expliquer qu'un objet lancé verticalement vers le
haut est soumis à une accélération vers le bas
•
Expliquer l'influence de la résistance de l'air sur
les objets en chute libre
•
Prédire le mouvement de différents types d'objets
en chute libre
•
Imaginer des stratégies destinées à modifier la
vitesse terminale d'objets en chute libre
•
Appliquer ses connaissances du mouvement en
une et deux dimensions à des situations réelles
6.
•
Résoudre des problèmes relatifs à des corps en
chute libre au moyen des équations du
mouvement uniformément accéléré
Étudier les effets que la masse, la forme et la
texture superficielle ont sur le mouvement
d'objets en chute libre.
7.
Déterminer expérimentalement la trajectoire
d'un projectile.
P. 240 – Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique
Utiliser un tuyau d'arrosage muni d'un
pistolet à jet mince et former avec le jet une
trajectoire courbe. À l'extérieur, se servir d'un
tuyau d'arrosage et marquer à la craie sur le
bord d'un mur de briques l'endroit où frappe
l'eau. Analyser la courbe. Tracer les points
enregistrés sur un graphique à l'échelle et
déduire une relation qui donne les
déplacements vertical et horizontal de la
trajectoire courbe. Si l’on a le logiciel adéquat,
saisir les données correspondant aux
déplacements vertical et horizontal de la
trajectoire balistique et effectuer une analyse
graphique des résultats.
8.
déplacement en fonction du temps et la courbe
de la vitesse en fonction du temps. Au moyen
de la courbe de la vitesse en fonction du temps,
déterminer l'accélération de la masse en chute
libre. Répéter cette expérience pour différentes
masses. Effectuer des expériences semblables
en faisant rouler des chariots sur des plans
inclinés. Déduire la relation entre la pente du
plan incliné et l'accélération du chariot.
Disposer une masse supplémentaire sur le
chariot et comparer l'accélération le long d'un
plan incliné pour un chariot lourd et un
chariot léger.
12.
Employer une table pneumatique et des
rondelles, ou des rondelles de glace carbonique.
Les faire descendre d'un léger plan incliné.
(Des rondelles à ballon d'air et des billes de
plastique pour réduire le frottement
constituent une solution bon marché.)
Employer un métronome, un pendule ou toute
autre minuterie étalonnée afin de compter le
temps nécessaire à la rondelle pour parcourir
toute la distance sur la surface. Pendant le
déplacement de la rondelle, marquer à
intervalles de temps réguliers la position de
celle-ci. (Certaines tables pneumatiques
sophistiquées comprennent des dispositifs
comme des éclateurs ou des « blinkies ».) À
partir des résultats, déduire l'accélération de la
rondelle.
13.
Placer une pièce de monnaie et une plume
dans un tube à vide. Aspirer l'air du tube avec
une pompe à vide. Inverser le tube afin
d'observer la vitesse de chute relative des deux
objets dans le tube. Laisser l'air revenir dans
le tube. Inverser une nouvelle fois le tube afin
d'illustrer l'effet de la résistance de l'air sur
différents objets.
14.
Laisser tomber des billes dans une longue
colonne de verre remplie d'un liquide visqueux.
Observer les écarts entre les vitesses de
descente. Comparer en laissant tomber les
mêmes objets dans l'air. Tenir compte de
toutes les différences de comportement. Cette
démonstration peut servir à illustrer les effets
de la poussée d'Archimède sur des objets en
déplacement dans des fluides.
15.
Déterminer le déplacement vertical parcouru
par un objet durant des intervalles égaux de
0,20 seconde pour une durée totale de
1 seconde. Mesurer un morceau de ficelle
ayant cette longueur et attacher des rondelles
à la ficelle aux endroits correspondant à ces
déplacements, en commençant par le bas. (Si
on peut se mettre à un balcon ou sur une
Une procédure équivalente à la précédente
consiste à placer des feuilles de papier blanc et
de papier carbone sur un grand panneau de
contreplaqué ou sur un tableau noir portatif.
Incliner le panneau et lui donner un certain
angle. Faire rouler une lourde bille d'acier sur
le plan incliné du panneau le long d'un trajet
courbe. Le papier carbone enregistre sur le
papier blanc le trajet de la bille, de sorte qu’il
est possible d’en faire l'analyse. Pour obtenir
des données d'analyse, mesurer les
déplacements vertical et horizontal sur la
courbe.
On peut trouver comme résultat une courbe
parabolique exprimée par la relation y = kx2 ,
puisque le déplacement vertical (dy) s'exprime
ainsi :
2
dy =
9.
gd x
2 v 2x
Comparer la portée, la hauteur verticale
maximale et la durée totale du vol de deux
projectiles ayant la même vitesse initiale mais
tirés à des angles de (45o - θ) et de
(45o + θ), où 0 < θ < 45o.
Lancer en l'air une rondelle pneumatique ou
une rondelle de glace carbonique à partir d'un
plan incliné, de façon à ce qu'elle suive une
trajectoire courbe. Placer des marqueurs le
long de la trajectoire et à des intervalles de
temps réguliers. Analyser la trajectoire
balistique de cette simulation.
11.
Au moyen d'un chronographe et d'un ruban,
laisser tomber des masses initialement au
repos. Analyser les résultats. Dresser un
tableau des données. Dessiner la courbe du
Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique – P. 241
surface en porte à faux sûre, on pourra utiliser
une plus grande longueur de ficelle et placer
les rondelles à des endroits correspondant à de
plus longs intervalles de temps.) Prédire le son
que l’on entendra quand la ficelle tombe. Les
rondelles frappent le sol à intervalles réguliers,
même si elles ne sont pas espacées également.
Ceci illustre bien le fait que pendant qu'un
objet accélère, il parcourt plus de distance
pendant un même intervalle de temps.
16.
Autre problème intéressant à explorer :
pourquoi la cime des arbres se brise-t-elle
quand l'arbre tombe? Un phénomène similaire
s'observe quand s'effondre une cheminée.
Certaines sections le long d'un objet solide
subissent une plus grande accélération que
s'ils tombaient en chute libre.
Pour illustrer ce fait, fixer avec du ruban
gommé un bécher en plastique de 100 ml à un
bâton d'un mètre. Placer une balle dans le
bécher. Retenir le bâton par une extrémité, de
sorte qu'il se comporte comme une charnière
quand il tombe. Laisser tomber le mètre et
observer attentivement la balle. Répéter en
plaçant le bécher à un autre endroit. Ou
mieux, préparer d'avance plusieurs mètres
avec des béchers afin d'effectuer les
comparaisons plus rapidement. Arrivé à une
certaine position, le bécher va tomber plus
rapidement que la balle. La balle va retomber
dans le bécher quand le bâton arrive à la
position horizontale. Répéter l'opération en
employant des balles de différentes masses,
afin de montrer que ces résultats se produisent
quelle que soit la masse de la balle.
17.
Au moyen d'un appareil spécial avec pendule,
comme celui illustré ci-dessous, il est possible
de déduire expérimentalement la valeur de g si
l'angle de déplacement est petit.
déplacement vertical parcouru par la balle, on
peut déterminer le temps du déplacement.
Cette durée est égale à un quart de la période
du pendule, si on suppose que l'on connaît la
période du pendule.
Comme la sphère amorce sa chute à partir de
r
la position de repos ( v i = 0) , son déplacement
est de :
r
r 1 r
r 2d
2
d = g t , donc g = 2
2
t
ou t =
18.
T
4
Un autre appareil qui permet de trouver g est
le pendule de Kater. Il possède deux poids, un
lourd et un léger, attachés à un axe rigide de
telle façon qu'il est possible de régler la
distance séparant les deux poids. À la hauteur
de chaque poids se trouve un couteau; le
pendule peut osciller sur un support mural
appuyé sur le couteau du haut ou celui du bas.
Quand la période est la même lorsque le
pendule oscille par rapport à l'arrête du haut
et l'arrête du bas, le module de g peut être
trouvé par :
π2l/T2
où l est l'écart entre les deux arrêtes de
couteau et T est la période du pendule.
Au lieu de régler la position des poids, mener
l'expérience en ajustant un couteau. Un
graphique de la période du pendule en fonction
de la position du couteau donne la grandeur de
l'accélération due à la pesanteur.
Le pendule composé est une autre variante du
même thème et on peut s'en servir pour
trouver g. Un pendule fixé à un support à
ressort pouvant osciller en même temps
latéralement et verticalement est une autre
approche possible. Certains pendules
intéressants augmentent la motivation de
l'élève.
Une autre variante est le pendule à « g »
variable, dans lequel l'axe de l'angle
d'oscillation peut être modifié.
Quand la ficelle se brise, le pendule est libéré
et la balle tombe. Le papier carbone sur le bras
du pendule marque l'endroit où la balle et le
bras du pendule se frappent. Si on connaît le
P. 242 – Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique
24.
19.
Pour illustrer les effets de la résistance de l'air
sur des objets en chute libre, tenir un morceau
de papier et une balle à la même hauteur.
Lâcher simultanément les deux objets. La
résistance de l'air empêche la feuille de tomber
au même rythme.
Demander aux élèves d'obtenir des articles de
sport (p. ex. balles de golf, ballons de football,
de soccer). Ces articles pourront être lancés,
bottés ou frappés durant une activité ayant
lieu à l'extérieur. En mesurant le déplacement
horizontal et le temps de vol, les élèves
parviennent à calculer les vitesses initiales
dans les deux directions (verticale et
horizontale), ainsi que l'angle de tir.
25. Placer un morceau de papier sous un livre.
Laisser tomber le papier et le livre de la
hauteur de la taille. Prédire ce qui arriverait si
la feuille était sur le livre plutôt que dessous.
Répéter. Expliquer les résultats.
Prendre la feuille de papier et la chiffonner
pour en faire une boule. Lâcher de nouveau les
deux objets. Cette fois-ci, le papier et la balle
tombent presque à la même vitesse, puisque la
résistance de l'air sur la feuille a été réduite.
Une autre façon de réduire la résistance de
l'air sur une feuille de papier est de la placer
sur la couverture d'un livre et de laisser le tout
tomber. Le papier reste sur le livre pendant la
chute. Cette observation peut conduire à une
discussion sur le principe de Bernoulli.
20.
Lancer des épis de maïs illustre l'importance
des principes du mouvement balistique et de
l'aérodynamique. Les fléchettes dans ce jeu
sont des épis de maïs munis de plumes. Ces
fléchettes sont lancées violemment au sol vers
une cible circulaire. La dimension de la cible et
la distance de la cible peuvent être modifiées,
en fonction de l'habileté des participants.
Le but du jeu est de placer le plus de fléchettes
possibles dans la cible. Ne pas utiliser de
fléchettes métalliques pour cette activité, car
on pourrait blesser quelqu'un.
21.
Divers jeux de tir à l'arc conviennent bien pour
illustrer les principes du mouvement
balistique et de l'aérodynamique. Il faut être
prudent quand on se sert d'arcs.
22.
Faire des simulations sur ordinateur afin
d'analyser le mouvement balistique.
23.
Étudier comment le mouvement balistique est
appliqué dans la chasse.
Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique – P. 243
D. Mouvement circulaire
uniforme
D'après le second principe de Newton :
r
r
F = ma
Concepts clés
La force agit dans la même direction que
l'accélération.
r
r ∆v
a=
∆t
La force, orientée vers le centre du cercle, est
appelée force centripète.
=
r
r
(v 2 − v 1)
2
Fc =
(t 2 − t 1 )
Si un objet se déplace à vitesse constante en
suivant un trajet circulaire, le vecteur vitesse
change du fait que, même si la grandeur de la
vitesse demeure constante, sa direction change
continuellement.
Le vecteur vitesse est orienté le long de la tangente
au cercle, dans le sens où l'objet aurait tendance à
aller si subitement on le libérait.
L'accélération agit dans la même direction que la
variation de la vitesse.
L'accélération est dite accélération centripète.
Elle agit toujours vers l'intérieur, en direction du
centre du cercle, comme la variation de la vitesse,
perpendiculaire au vecteur vitesse.
r
L'accélération instantanée ( ainst ) en un point
quelconque de la trajectoire circulaire est :
r
 ∆v 
r
=
lim


ainst
∆t →0  ∆t 
La grandeur de l'accélération centripète s'exprime
ainsi :
mv
R
D'autres relations peuvent être obtenues en
substituant les équations qui décrivent
l'accélération centripète dans l'équation du second
principe de Newton :
2
2
2
2
F c = (4 π mR)/(T ), ou F c = 4 π mRf ).
Il est important que les élèves abandonnent toute
fausse conception au sujet de la force centrifuge
(une force fictive) qui semble exister dans un repère
(système) de référence accéléré.
La vitesse minimale nécessaire en haut d'une
boucle, pour que l'objet fasse une boucle complète
est :
v=
gR
Pour mettre un satellite en orbite, celui-ci doit se
déplacer de façon à ce que la force de la gravitation
qui agit sur lui (son poids) soit contrebalancée par la
force centripète qui le maintient dans une
trajectoire circulaire.
La vitesse orbitale ne dépend pas de la masse du
satellite.
Résultats d'apprentissage
2
ac =
v
R
4 R
= π2
T
L'élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : accélération
centripète, force centripète
•
Expliquer pourquoi un objet voyageant le long
d'une trajectoire circulaire à vitesse constante
est soumis à une variation de vitesse
•
Illustrer les directions du vecteur vitesse, du
vecteur de l'accélération centripète et du vecteur
de la force centripète dans le cas d'un objet en
mouvement situé à un point particulier d'une
trajectoire circulaire
•
Au moyen d'un diagramme vectoriel, illustrer un
changement de vitesse quand la grandeur de la
vitesse reste la même, mais que la direction
change
2
= 4 π 2 Rf 2
où R est le rayon du cercle, T est la période de
révolution, f est la fréquence de révolution et ac est
la grandeur de l'accélération centripète.
L'indice c sert à rappeler la nature vectorielle de
l'accélération. Sa direction change constamment à
mesure que l'objet passe d'un point à un autre sur
la trajectoire circulaire.
P. 244 – Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique
•
Constater que si un objet en mouvement suivant
une trajectoire circulaire est subitement relâché,
il continue à se mouvoir dans la direction du
vecteur vitesse, sauf si une force extérieure agit
sur lui
•
Expliquer que l'accélération centripète agit dans
la même direction que le changement de la
vitesse
•
•
rondelles, faire plusieurs tests. Varier le rayon
de révolution et déterminer la période.
Enregistrer la durée de 10 révolutions, puis
diviser par 10 pour obtenir la période. Déduire
les relations entre la force, la masse, le rayon
et la vitesse pour un mouvement circulaire
uniforme.
Il est préférable de chercher ces relations au
moyen de données plutôt que de vérifier que :
Expliquer que la force centripète agit dans la
même direction que l'accélération centripète
Résoudre des problèmes sur le mouvement
circulaire en utilisant des relations
mathématiques pour l'accélération centripète et
la force centripète
•
Réaliser que pour placer un satellite en orbite, le
mouvement de celui-ci doit être tel que la force
de la gravité agissant sur lui (son poids) sert de
force centripète nécessaire pour entretenir son
mouvement
•
Expliquer que la vitesse orbitale d'un satellite ne
dépend pas de la masse du satellite
•
Décrire quelques applications pratiques des
satellites
2
Fc =
3.
On a imaginé plusieurs applications pratiques
qui font appel aux satellites. Décrire plusieurs
applications. Insister sur les relations sciencetechnologie-société-environnement. Certains
besoins des sociétés ont servi de déclencheurs à
la « conquête de l'espace ». L'exploitation de
l'espace à des fins politiques, économiques et
militaires de même que les projets de
coopération internationale sont un phénomène
social et politique essentiel qui illustre de
quelle manière la science et la technologie sont
influencées par les motivations humaines.
4.
Utiliser un pendule de Foucault pour faire la
preuve de la rotation de la Terre. Un pendule
de Foucault est composé d'un poids très lourd
solidement boulonné au plafond par un fil.
(Certains pendules plus sophistiqués relâchent
du sable pendant qu'ils oscillent.) Le plan
d'inertie du pendule reste toujours le même.
Pendant l'oscillation du pendule, marquer sur
le sol le trajet qu'il parcourt. Le pendule doit
être presque exempt de frottement, afin de
pouvoir osciller pendant au moins une demiheure. Au bout de la demi-heure, relever le
changement apparent de la direction
d'oscillation du pendule par rapport à la Terre.
Des observations précises démontreront que la
vitesse de rotation du plan d'oscillation du
pendule est presque égale à la vitesse de
rotation de la Terre.
5.
Montrer aux élèves comment calculer la
grandeur de la vitesse nécessaire pour garder
un satellite en orbite autour de la Terre à une
hauteur donnée. Relier cette activité à la
gravitation universelle.
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
À partir des paramètres des satellites
terrestres (dont l'un est la période de
révolution de l'objet autour de la Terre), ou de
ceux de la Lune considérée comme un satellite
de la Terre, déterminer la masse de la Terre.
Supposer que les satellites parcourent des
orbites circulaires et que la Terre est
sphérique. À partir de l'apogée (distance la
plus grande) et du périgée (distance la plus
près), déterminer le rayon moyen de la Terre.
Calculer la masse de la Terre au moyen de :
mt =
4 π 2 R3
GT
2
Se reporter à la section suivante sur la
gravitation universelle.
2.
mv
R
Enfiler une ficelle dans un mince tube de verre
de 15 cm. Attacher un bouchon de caoutchouc
à une extrémité de la ficelle et des rondelles à
l'autre extrémité. Faire tourner le bouchon de
caoutchouc, en gardant sa vitesse constante.
Enregistrer le rayon et le nombre de rondelles
à l'autre extrémité. Changer le nombre de
Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique – P. 245
E. Gravitation universelle
Concepts clés
Un champ est une région de l'espace où un objet
peut exercer à distance son influence sur un autre
objet.
Une force est une poussée ou une traction
appliquée à un objet.
Une force est appliquée par un champ agissant sur
un autre champ semblable.
Une force appliquée sur un objet a tendance à
changer la forme ou le mouvement de l'objet.
On reconnaît quatre grandes forces (ou interactions)
fondamentales dans la nature : la force de la
gravitation, la force électromagnétique, l'interaction
nucléaire faible et l'interaction nucléaire forte. Les
scientifiques sont à la recherche actuellement d'une
cinquième interaction.
La force est une grandeur vectorielle.
L'unité SI de la force est le newton (N).
En fonction des unités fondamentales, on a :
1 N = 1 kg m/s
2
L'intensité du champ gravitationnel est la
force agissant sur une masse de 1 kg. Elle est
mesurée en N/kg.
La masse (m) dépend de la quantité de matière qui
constitue l'objet. L'unité fondamentale de la masse
en SI est le kilogramme.
La masse d'un objet est indépendante de l'intensité
du champ gravitationnel.
La masse peut être déterminée au moyen d'une
balance à bras égaux, en effectuant des
comparaisons avec des masses étalons. Au même
endroit dans un champ extérieur, deux objets de
même masse ont le même poids.
L'altitude et la latitude ont une influence sur
l'intensité du champ gravitationnel à la surface de
la Terre.
Des changements dans la composition de la croûte
terrestre agissent sur l'intensité du champ
gravitationnel.
L'unité SI du poids est le newton (N). Le poids d'un
objet peut être établi au moyen de la formule :
r
r
F g = mg
La masse gravitationnelle peut être déduite du
poids d'un objet dans un champ gravitationnel
connu.
Le poids d'un objet dépend de son emplacement par
rapport à un ou plusieurs corps célestes.
La force de la gravitation met en jeu les champs
gravitationnels d'objets ayant une action les uns sur
les autres.
Un dynamomètre sert à mesurer un poids. La
tension dans le ressort et la force de la gravitation
sont en équilibre.
La force de la gravitation entre deux masses varie
proportionnellement comme le produit des masses et
inversement comme le carré de la distance entre
elles.
Les forces de gravitation que subissent deux objets
sont de même grandeur, mais de sens opposés.
Pour une séparation donnée, on a :
F α m1 m2
Si les masses demeurent constantes et si b
(l'ordonnée à l'origine) = 0 (p. ex. F = k(1/d2) + b), on
a:
Fα
1
d2
, ou
2
F1 d2
=
F 2 d 12
Le poids est la force qu'un champ gravitationnel
exerce sur un objet. Les termes poids, force de la
pesanteur et force gravitationnelle sont parfois
utilisés comme synonymes.
La loi universelle de la gravitation de Newton
peut être exprimée ainsi :
Le poids est une grandeur vectorielle.
F = Gm12m2
d
où F est la force d'attraction entre m1 et m2 (en N),
m1 et m2 sont les masses en kg et d en mètres est
la distance entre les masses.
P. 246 – Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique
À la surface de la Terre, le poids d'un objet agit vers
le bas en direction du centre de la Terre.
gravitationnelle exprimée en multiples du rayon
de la Terre
La valeur de G, la constante de la gravitation,
est :
•
6,67 x 10-11 Nm 2/kg2.
La valeur numérique de G est fonction des unités
fondamentales employées.
Expliquer comment la masse gravitationnelle
d'un objet dans un champ gravitationnel peut
être déterminée
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
Résultats d'apprentissage
1.
Indiquer ce qui différencie une loi et une
théorie. Les élèves pourront tenir une séance
de remue-méninges et produire des affiches ou
babillards qui montrent visuellement la
différence entre une loi et une théorie.
2.
Les dérivations intéressent en général une
petite poignée d'élèves, et il ne faut pas pousser
la théorie trop loin. En particulier, la
dérivation de la loi universelle de la gravitation
de Newton à partir des lois de Kepler va bien
au-delà de la portée de ce cours. Cependant,
c'est un défi à proposer aux élèves les plus
brillants; c'est là une façon d'adapter la
matière afin de répondre à leurs besoins.
L'élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : champ, force,
masse, poids, intensité du champ gravitationnel
•
Nommer les unités SI et les symboles de la force,
de la masse et du poids
•
Décrire les effets d'une force quand elle agit sur
un objet
•
Nommer les forces (interactions) fondamentales
de la nature
•
Expliquer que la force est une grandeur
vectorielle
•
Expliquer la différence entre la masse et le poids
•
Expliquer et comparer comment on calcule la
masse et le poids
•
Montrer sa compréhension d'un champ
gravitationnel
•
Décrire des méthodes pour mesurer l'intensité
du champ gravitationnel ou la masse
gravitationnelle en un certain point de l'espace
•
Indiquer pourquoi on trouve des intensités du
champ gravitationnel légèrement différentes à
divers endroits sur Terre
•
Comparer le poids d'un objet donné à différents
endroits de l'espace et sur différents corps
célestes
•
Résoudre des problèmes relatifs à la force
gravitationnelle
•
Interpréter le sens de relations proportionnelles
et inversement proportionnelles au carré de la
distance, comme on en trouve dans la loi de la
gravitation universelle de Newton
•
Déterminer la force gravitationnelle à laquelle
est soumis un objet à différentes distances
mesurées à partir du centre de la Terre, force
Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique – P. 247
Unité facultative VI : La mécanique des fluides
Vue d'ensemble de l'unité
Nombre de phénomènes courants s'expliquent au
moyen des principes de la mécanique des fluides.
Cette unité facultative traite de la masse
volumique, de la pression et de trois principes
importants de la mécanique des fluides : le principe
de Pascal, le principe d'Archimède et le principe de
Bernoulli.
La mécanique des fluides est un sujet d'étude très
intéressant, si on l'aborde dans une optique
descriptive en insistant sur la compréhension des
concepts contenus dans ses grands principes. On
recommande de ne pas se lancer dans l'étude d'un
sujet très abstrait et qui implique des relations
mathématiques complexes. Les élèves doivent
acquérir une compréhension conceptuelle de la
mécanique des fluides par le biais d'expériences
pratiques. Les activités explorant les principes sousjacents à la mécanique des fluides devront être
privilégiées.
Dans les cours de sciences d'autrefois, la question de
la masse volumique était abordée à l'intermédiaire.
Un grand nombre d'élèves éprouvaient de la
difficulté à comprendre ce sujet, en raison de son
niveau d'abstraction élevé. Les élèves, pour saisir le
concept de masse volumique, doivent pouvoir
raisonner avec les proportions. Souvent, les élèves
n'ont pas atteint un niveau de préparation suffisant
avant le secondaire pour comprendre la masse
volumique. De plus, le rapport mathématique entre
masse volumique, masse et volume est une relation
que les jeunes élèves ont de la difficulté à saisir.
Voilà les principaux motifs qui ont amené le
transfert de cette matière dans le programme de
sciences au secondaire. En Physique 30, la masse
volumique est un sujet que les élèves apprennent
rapidement et sans grands efforts. Intuitivement,
les élèves possèdent déjà une certaine
compréhension de la masse volumique.
Facteurs de l'alphabétisme
scientifique à développer
A1
A4
A5
publique/privée
reproductible
empirique
B2
B9
l’interaction
la reproduction des résultats
B11 la prévisibilité
P. 248 – Physique 30 – La mécanique des fluides
B13 l’énergie et la matière
B23 l'invariance
B29 le gradient
C2
C4
C5
C9
C12
C15
C16
C17
C20
la communication
la coopération
la mesure
l'inférence
l'interprétation des données
l'analyse
l’expérimentation
l'utilisation des mathématiques
la définition opérationnelle
D8
les limites de la science et de la technologie
E1
E7
E9
E11
savoir se servir d’instruments grossissants
savoir manipuler les instruments
savoir mesurer le volume
savoir mesurer la masse
F2
F3
F7
la mise en question
la recherche des données et de leur
signification
le besoin de vérifier
G1
G2
G9
s’intéresser à la science
devenir plus confiant
apprécier les contributions scientifiques
Objectifs généraux de la physique et
objectifs des apprentissages
essentiels communs
L'élève sera capable de :
•
Accomplir diverses activités relatives à la
mécanique des fluides
•
Expliquer un grand nombre de phénomènes
communs en appliquant les principes de la
mécanique des fluides
•
Résoudre des problèmes relatifs à la mécanique
des fluides
•
Reconnaître l'importance de comprendre les
principes de base de physique pour parvenir à
expliquer des expériences de la vie de tous les
jours
•
Approfondir ses connaissances et sa
compréhension de la façon de calculer, de
mesurer, d'estimer et d'interpréter des données
mathématiques; apprendre quand mettre à profit
ces habiletés et ces techniques et expliquer
pourquoi ces procédés sont appliqués dans le
cadre particulier de la physique (NUM)
•
Se servir de son imagination, de son intuition et
de ses habiletés en vue d'évaluer des idées, des
processus, des expériences et des objets dans des
contextes significatifs (CRC)
•
Développer une vision contemporaine de la
technologie (TEC)
•
Explorer une palette d'outils pour enrichir sa
connaissance des grands concepts de physique
(COM)
•
Accéder à la connaissance (AUT)
A. Masse volumique
Concepts clés
La masse volumique est une propriété
caractéristique de la matière.
La masse volumique d'une substance est définie
comme la masse par unité de volume.
? =
m
V
L'unité SI de la masse volumique est le kg/m3. Les
unités g/cm3 sont aussi très courantes, surtout en
chimie.
La densité d'un corps, appelée également masse
spécifique, est le rapport de la masse volumique de
ce corps à la masse volumique de l'eau pure à 4 oC.
La masse volumique de l'eau à 4 oC est de 1,0 x 103
kg/m3.
densité =
masse volumique du corps
masse volumique de l’ eau
Pour toute substance à une température donnée, la
courbe de la masse en fonction du volume est une
droite. La pente de celle-ci correspond à la masse
volumique de la substance.
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : masse volumique,
densité (masse spécifique)
•
Réaliser que la masse volumique est une
propriété caractéristique de la matière
•
Spécifier les unités SI de la masse volumique
•
Résoudre des problèmes relatifs la masse
volumique
•
Appliquer les concepts de longueur, masse, aire,
volume, etc., à des tâches spécifiques
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Déterminer expérimentalement la masse
volumique d'un objet.
Physique 30 – La mécanique des fluides – P. 249
2.
3.
4.
Effectuer une activité destinée à identifier une
substance inconnue, en comparant sa masse
volumique à celle de substances connues.
B. Pression
Demander aux élèves de calculer la masse et le
volume d'une certaine substance. Tracer le
graphique de la masse en fonction du volume.
Déterminer la masse volumique de l'objet en
mesurant la pente de cette droite.
La pression (P) est la force agissant
perpendiculairement à une aire donnée.
Concevoir et réaliser une expérience destinée à
déterminer les densités de diverses substances.
Rédiger un programme, saisir des données
expérimentales, traiter l'information et
imprimer les résultats sous forme de tableau
peuvent constituer un défi supplémentaire pour
certains élèves.
Concepts clés
P=
F
A
La pression est une grandeur scalaire qui se
manifeste dans toutes les directions.
L'unité fondamentale de la pression est le N/m2.
L'unité dérivée est le pascal (Pa).
Les météorologues expriment la pression en
millibars.
1 mb = 0,10 kPa
1 Pa = 1 N/m2 , 1 kPa = 1 x 103 Pa
Un pascal est une valeur de pression relativement
petite, équivalente grosso modo à la pression exercée
par un billet de cinq dollars sur une surface plane.
La pression atmosphérique normale vaut
1,013 x 105 Pa ou 101,3 kPa.
La pression atmosphérique diminue quand on
s'élève en altitude.
La pression atmosphérique normale soutient une
colonne de mercure de 760 mm de hauteur, ce qu'on
exprime par 760 mm de Hg ou 760 torr. Un
baromètre sert à mesurer la pression
atmosphérique.
La pression (P) exercée par un fluide incompressible
est directement proportionnelle à la profondeur du
fluide (h), sa masse volumique (?) et l'intensité du
champ gravitationnel (g). La pression est
indépendante du volume total ou de la forme du
récipient.
P = ?gh
La pression absolue (Pabs) est la pression
mesurée en référence à une pression nulle. La
pression manométrique (PG ) est une mesure de
la différence entre la pression absolue et la pression
atmosphérique (Patm ).
Pabs = PG + Patm
P. 250 – Physique 30 – La mécanique des fluides
aspérités de métal. Placer la boîte sous un
robinet et faire couler de l'eau dans la boîte de
telle sorte qu'un régime à l'état constant
s'établisse quand l'eau qui arrive dans la boîte
égale l'eau qui en sort (dans un lavabo). Cette
expérience illustre la différence entre équilibre
et régime à l'état constant.
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : pression, pression
atmosphérique standard, baromètre, pression
absolue, pression manométrique
•
Montrer sa compréhension des unités mesurant
la pression
•
Comprendre que des unités non SI expriment la
pression
•
Réaliser que l'historique des idées en science a
souvent conduit à l'adoption de normes et de
conventions reconnues de tous (p. ex. la colonne
de mercure de Torricelli employée pour mesurer
la pression atmosphérique)
•
Résoudre des problèmes relatifs à la pression
dans les fluides
•
Faire la distinction entre la pression absolue et
la pression manométrique
Mesurer la distance horizontale entre les trous
par où s'écoule l'eau et le lavabo. (Mouvement
balistique! Il y a là des possibilités
intéressantes d'intégration à d'autres sujets de
physique.) Tenter de déduire une relation entre
la hauteur de la colonne d'eau au-dessus du
trou et la force exercée sur l'eau quand elle
sort de la boîte. Ceci montre que la pression
croît avec la profondeur dans l'eau.
5.
Effectuer les mesures des aires nécessaires
pour déterminer la pression exercée sur le
plancher par un soulier à semelle plate et un
soulier à talon haut. Comparer cela à la
pression exercée quand on chausse des skis de
fond ou des raquettes. Se servir de ces
constatations pour expliquer le principe de
fonctionnement des skis de fond et des
raquettes.
6.
Placer un bouchon à un trou sur une bouteille
de soda. Introduire une paille dans le bouchon.
Demander à un élève d'aspirer une gorgée. Il
est impossible de boire ainsi, car en bouchant
l'intérieur de la bouteille, on réduit la pression
interne.
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Concevoir un manomètre en U qui servira à
tester la pression qui s'exerce sur un objet
dans un liquide immergé à différentes
profondeurs. Comparer les résultats obtenus
avec de l'eau du robinet et avec un autre
liquide (eau salée).
2.
Effectuer une activité destinée à estimer la
pression exercée par divers objets; mesurer ou
calculer la pression réelle afin d'apprécier la
vraisemblance des estimations.
3.
Imaginer une expérience destinée à étudier la
relation entre la pression de l'air dans un pneu
de bicyclette et la surface de contact entre le
pneu et le sol. Observer sur une feuille blanche
de légères différences dans les empreintes
quand on roule ou quand on fait du sur-place.
Comme défi supplémentaire, les élèves
pourront essayer de connaître les effets de la
pression de l'air sur la résistance de roulement
d'un pneu de bicyclette gonflé. Une partie du
défi posé par cet exercice est d'envisager un
montage expérimental qui fournira des
données significatives.
4.
Percer de petites ouvertures à différentes
hauteurs dans une boîte de métal. Perforer ces
trous avec un clou. Faire attention aux
Variante : prendre un bouchon à deux trous;
obturer avec le doigt le trou sans paille tandis
que l'on essaie d'aspirer du liquide avec la
paille. Quand on libère le trou, on parvient à
aspirer du liquide normalement avec la paille.
7.
Utiliser un tube de plastique épais (1 cm de
diamètre) et fixer un ballon à chaque
extrémité. Un des ballons est partiellement
gonflé, et l'autre est presque complètement
plein. Avant toute chose, demander aux élèves
de prédire ce qui devrait arriver. La plupart
d'entre eux diront que l'air s'écoule du ballon le
plus plein vers le ballon moins gonflé afin
d'égaliser la pression. En réalité, le ballon le
plus petit perdra son air au profit de l'autre
afin de minimiser l'aire de la surface.
Si l'un des ballons reste dégonflé, les élèves
s'imagineront sans doute que c'est parce que ce
ballon n'est pas aussi élastique du fait qu'il a
déjà été étiré lorsqu'on l'a gonflé. Si on dégonfle
doucement le ballon plein, le ballon vide va
s'emplir, et celui qui était plein restera vide. Il
Physique 30 – La mécanique des fluides – P. 251
est très difficile de développer le concept de ce
qui se passe dans cette démonstration.
8.
Dans une démonstration classique on chauffe
un récipient d'alcool pour duplicateur vide, on
le scelle et on laisse la pression d'air déformer
le récipient. Ces types de récipients ne sont
plus très fréquents dans les écoles de nos jours.
Une solution de remplacement est d'employer
de petites boîtes à jus en carton munies d'une
paille collée sur le côté. Chauffer le contenant
vide en y versant de l'eau chaude. Vider l'eau,
boucher le trou avec du ruban adhésif.
Si les élèves aiment les effets spectaculaires,
voici une expérience dont ils et elles
raffoleront : l'expérience du lit de clous.
Confectionner un lit de clous en plantant
d'innombrables clous, espacés également,
dans une planche suffisamment longue et
large pour qu'une personne puisse s'y coucher
sur le dos.
Une personne peut se coucher sans risque sur
un lit de clous, puisque son poids est réparti
sur la totalité du lit de clous. La pression en
chaque point est relativement petite (faire des
calculs au préalable afin de confirmer ceci et
de convaincre les sceptiques de la sécurité de
cette manœuvre). Une variante consiste à
construire un second lit de clous, superposé au
premier. L'enseignant ou l'enseignante se
couche sur le lit du dessous. Ensuite, placer un
bloc de béton sur le lit de clous du haut et le
briser avec une masse.
Attention : Cette démonstration doit être
effectuée par l'enseignant ou l'enseignante sous
une stricte surveillance. Il y a des risques de
blessures si un clou dépasse ou si quelqu'un
glisse et tombe sur le lit en appliquant tout son
poids sur une petite superficie de son corps!
Faire extrêmement attention. Il serait sage de
confier la masse à un autre enseignant ou
enseignante plutôt qu'à un élève!
9.
Attacher deux lourdes masses à une corde de
piano. Suspendre les masses en faisant passer
la corde sur un bloc de glace. La corde fera
fondre la glace à cause de l'augmentation de la
pression. Une fois que la corde a traversé la
glace, on peut observer dans la glace la ligne
regelée par où est passée la corde.
10
Employer un jeu d'hémisphères de
Magdebourg, et les raccorder à une pompe à
vide. Retirer l'air de l'intérieur. Une fois que
presque tout l'air a été enlevé et que la
pression extérieure excède la pression
intérieure, il est très difficile de séparer les
hémisphères.
Des ventouses en caoutchouc sont aussi
disponibles. Une solution équivalente bon
marché et qui illustre la même chose consiste
à coller face contre face deux débouchoirs à
ventouse de même diamètre. Les appliquer
l'un à l'autre. Il est très difficile ensuite de les
séparer.
P. 252 – Physique 30 – La mécanique des fluides
11.
Placer des ballons non gonflés tous les 30 cm à
la périphérie d'une table rectangulaire.
Renverser une autre table sur la première, et
faire en sorte que les embouts des ballons
dépassent du bord des tables. Inviter un élève
à s'asseoir au centre de la table qui est à
l'envers. Prendre autant de volontaires qu'il y
a de ballons. Tous les volontaires gonflent les
ballons en même temps, dans le but de voir si
on peut soulever la table renversée et la
personne qui y est assise.
12.
Placer un épais ruban de plomb sur le bord
d'un bureau. Au moins 10 cm du ruban de
plomb doivent dépasser du bureau. Observer
l'aspect du métal au bout d'une heure.
Le plomb sous l'action de son propre poids
fléchit et tombe
C. Principe de Pascal
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
Concepts clés
La pression qu'exerce un fluide confiné se transmet
également à chaque partie du liquide et aux parois
du récipient. (Principe de Pascal)
Le manomètre, qui exploite le principe de Pascal,
mesure la pression dans des gaz.
Le principe de Pascal permet de faire comprendre
l'hydraulique, l'étude de la transmission des forces
par l'intermédiaire de fluides.
Dans un élévateur hydraulique, une force (F)
appliquée à un piston d'entrée ayant une petite aire
de surface (Aen) est transmise à un piston de sortie
ayant une aire de surface beaucoup plus grande
(Asor). Il n'y a pas de perte de pression entre les
pistons d'entrée et de sortie (dans la mesure où on
néglige le frottement). Il en résulte que la force de
sortie (Fsor) est bien supérieure à la force d'entrée
(Fen).
•
Définir les termes suivants : manomètre,
hydraulique, élévateur hydraulique
•
Énoncer le principe de Pascal.
•
Donner des exemples illustrant le principe de
Pascal
•
Expliquer pourquoi la force de sortie dans un
élévateur hydraulique dépasse la force d'entrée
•
Résoudre des problèmes faisant intervenir le
principe de Pascal
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Étudier expérimentalement la pression dans
des liquides. Les élèves doivent poser le
problème qui doit être étudié
expérimentalement. Voir s'ils réussiront à
mener à bien leurs propres montages
expérimentaux.
2.
Apporter en classe un carburateur
d'automobile usagé. (Certains élèves peuvent
en obtenir.) Examiner le Venturi. Explorer les
principes de fonctionnement du carburateur.
3.
Prendre un tuyau d'aspirateur et le faire
tourner en l'air afin de produire un son
curieux. La classe doit tenter d'expliquer de
quelle manière le son est produit.
4.
Tailler des blocs de bois en leur donnant
différentes formes. Prédire leur orientation
quand ils flottent sur l'eau. Les blocs aux
formes irrégulières peuvent avoir une drôle de
posture quand ils flottent. Rechercher la
relation entre l'orientation à l'équilibre, la
forme du bloc et le centre de gravité. Cette
activité permet de comprendre comment on
formule des prévisions en physique.
P(sor) = P(en) (principe de Pascal)
F(sor)
F(en)
=
A (sor)
A(en)
En raison de la conservation de l'énergie et de
r r
W = F ⋅ d , le petit piston doit se déplacer d'une
distance proportionnellement plus longue, d.
Fen⋅den = Fsor⋅d sor
Ou bien, le volume déplacé étant constant :
d en ⋅ Aen = d sor ⋅ A sor
Le gain mécanique d'un élévateur hydraulique se
calcule ainsi :
gain mécanique =
F(sor)
F(en)
=
A (sor)
A(en)
Physique 30 – La mécanique des fluides – P. 253
D. Principe d'Archimède
2.
Concepts clés
Un objet immergé dans un fluide est soumis à une
force appelée la poussée d'Archimède. La
pression sous l'objet est supérieure à la pression audessus. La force résultante sur l'objet est orientée
vers le haut, dans le sens opposé à la pesanteur.
Enregistrer le poids de l'objet une fois
immergé, en le fixant à un dynamomètre.
Déterminer le poids du liquide déplacé et le
comparer au poids apparent de l'objet immergé
qui résulte de la poussée d'Archimède. La perte
de poids de l'objet immergé doit égaler le poids
d'eau déplacée.
Le changement apparent de poids (ou la
diminution de poids) d'un objet immergé
s'explique par la poussée d'Archimède. La poussée
d'Archimède sur un objet dans un gaz est
négligeable dans la majorité des applications.
Répéter l'opération avec un objet qui flotte.
Examiner attentivement de quelle façon se
compare la perte apparente de poids d'un objet
flottant et le poids du liquide déplacé.
Quand un objet est partiellement ou totalement
immergé, la poussée d'Archimède (ou la diminution
apparente de poids) est égale au poids du fluide
déplacé (principe d'Archimède).
Le poids apparent est égal au poids réel moins la
poussée d'Archimède.
Un objet flottant déplace un volume de fluide égal à
son poids. La poussée d'Archimède est égale au
poids de l'objet.
Un objet flottant a une masse volumique moyenne
inférieure à la masse volumique du fluide qui le
soutient.
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : poussée
d'Archimède, poids apparent
•
Énoncer le principe d'Archimède
•
Expliquer les facteurs qui doivent être pris en
considération pour déterminer qu'un objet
flottera ou non
•
Résoudre des problèmes faisant intervenir le
principe d'Archimède
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Effectuer une activité destinée à mesurer le
poids d'un objet dans l'air et le poids du même
objet dans un liquide. Mesurer le poids de
fluide déplacé par l'objet immergé et analyser
les mesures.
P. 254 – Physique 30 – La mécanique des fluides
Déterminer le poids d'un petit objet de métal.
Placer l'objet dans une boîte munie d'un trop
plein. Recueillir dans un cylindre gradué le
trop plein d'eau qui se déverse de la boîte.
Employer un agent mouillant dans l'eau pour
briser la tension superficielle et obtenir ainsi
des mesures plus précises du volume déplacé.
3.
Les fabricants de vins se servent d'un
hydromètre pour mesurer la densité initiale du
moût. Si besoin est, ils ajoutent du sucre. La
densité initiale détermine le rendement d'alcool
qu'on peut espérer. Le type de levure employée
et la tolérance à l'alcool de la levure peuvent
limiter le rendement potentiel.
Effectuer une activité destinée à étudier la
densité de solutions sucrées ayant des
concentrations différentes.
Faire des recherches sur le vin (fabrication et
histoire). La fermentation alcoolique remonte
au septième millénaire avant Jésus-Christ. Le
vin est important pour des raisons
scientifiques, sociales, techniques, historiques
et économiques.
En groupes de deux, fabriquer de petites
quantités de vin. Élaborer un ensemble de
critères d'après lesquels sera jugée la qualité
du vin. Après la fabrication du vin et le
vieillissement nécessaire, les enseignants et
enseignantes pourront se porter volontaires
pour goûter le produit final.
Cette activité est à envisager avec beaucoup de
tact. Obtenir avant tout l'approbation de la
direction de l'école.
E. Principe de Bernoulli
Concepts clés
Le profilage vise la réduction de la turbulence
qui apparaît quand s'écoule un fluide. Dans un
écoulement profilé ou laminaire, le fluide agit
comme s'il était formé de minces couches de fluide.
L'échange entre les couches est minimal dans un
écoulement laminaire.
Quand il y a turbulence, il apparaît des
tourbillons et des remous. La turbulence a pour
conséquence d'ajouter une traînée supplémentaire
aux objets qui se déplacent dans un fluide.
L'étude des forces et des pressions qui modifient le
mouvement des fluides s'appelle
l'hydrodynamique. L'étude d'objets profilés dans
l'air s'appelle l'aérodynamique.
Un fluide incompressible et non visqueux qui se
meut dans une zone ayant une section transversale
non constante (A) subit un changement de vitesse
(v). Le produit de A × v est une constante.
P1 A1 v1 = P2 A2 v2
Si le fluide est incompressible P1 = P2 de sorte que
ces valeurs s'annulent, ce qui donne :
A1 v1 = A2 v2 (équation de continuité)
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : profilage,
turbulence, tourbillons, remous, traînée
•
Comparer un écoulement laminaire et un
écoulement turbulent
•
Donner des exemples d'objets profilés
•
Expliquer pourquoi un fluide incompressible en
mouvement dans une zone ayant une section non
constante subit un changement de vitesse
•
Identifier la relation de cause à effet entre le
changement de vitesse dans un fluide et le
changement correspondant de pression
•
Énoncer le principe de Bernoulli
•
Illustrer le principe de Bernoulli par des
exemples pratiques tirés de la vie quotidienne
•
Résoudre des problèmes faisant intervenir le
principe de Bernoulli
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Faire des recherches sur l'hélice à pas variable
ou sur d'autres inventions appartenant au
domaine de l'aviation. Expliquer les principes
physiques qui interviennent.
2.
Souffler dans une paille entre deux balles de
ping-pong suspendues au plafond par des
ficelles. Expliquer ce qui se passe. Avant de
commencer à souffler dans les pailles,
demander aux élèves de prédire ce qui va se
passer.
3.
Garder une balle de ping-pong en suspension
dans le courant d'air causé par un séchoir à
cheveux. Incliner le séchoir jusqu'à ce que la
balle tombe. Mesurer l'angle. Accélérer la
vitesse du séchoir. Voir si l'angle de tombée de
la balle est différent.
4.
Souffler dans le goulot d'un entonnoir. Placer
une balle de ping-pong dans la coupe de
l'entonnoir. Observer ce qui se passe. Tenter
d'expliquer l'observation.
5.
Souffler sur une bandelette de papier.
Expliquer la « portance » créée sur la
bandelette de papier.
Pour que la vitesse change, il faut qu'il y ait un
changement de la force. Un changement de la force
implique un changement de pression.
La pression latérale exercée par un fluide
incompressible varie comme la raison inverse du
carré de la vitesse du fluide (principe de Bernoulli)
L'équation de Bernoulli :
1
?v 2 + ρ gh = constante
2
Si la hauteur ne change pas ,
1
? gh = 0 de sorte que P +
?v 2 constante
2
P+
Pour la statique des fluides, on a :
v=0
∴ P 1 + ?gh1 = P 2 +?gh 2
→ P 2 - P 1 = -?g( h 2 - h1 )
Physique 30 – La mécanique des fluides – P. 255
6.
Organiser un concours d'avions en papier.
Préciser les critères d'après lesquels le
concours sera jugé (matériaux employés, durée
du vol, portée du vol). Dans le cadre de ce
projet, les élèves écriront un rapport sur
l'aérodynamique du vol.
7.
Étudier l'art et la science de la descente des
rapides en canot. De nombreuses idées
touchant la mécanique des fluides, la
cinématique et la dynamique peuvent être
abordées dans cette application captivante. Par
exemple, les canoéistes chevronnés doivent
savoir anticiper l'état des rapides en aval, les
formations rocheuses et les forts courants.
P. 256 – Physique 30 – La mécanique des fluides
Unité facultative VII : L’électromagnétisme
Vue d'ensemble
Les liens qui unissent électricité et magnétisme
sont les fils conducteurs de cette unité facultative.
Cette unité peut être considérée comme un
prolongement de l'unité obligatoire III. Elle présente
des notions supplémentaires nécessaires pour la
section C de l'unité obligatoire IV, qui traite des
réacteurs nucléaires. Le principe du moteur (effet
électromoteur) aide les élèves à se faire une
meilleure idée des techniques de production de
l'électricité, quel que soit le type d'énergie qui sert à
faire tourner les alternateurs.
Facteurs de l'alphabétisme
scientifique à développer
A4
A7
A9
reproductible
unique
reliée à l'être humain/à la culture
B2
B9
B10
B14
B17
B22
l'interaction
la reproduction des résultats
la cause et l'effet
le cycle
le champ
les entités fondamentales
C2
C8
C10
C12
C15
la communication
la formulation d'hypothèses
la prédiction
l'interprétation des données
l'analyse
D3
D5
D9
les effets de la science et de la technologie
la manque de compréhension du public
l'influence de la société sur la science et la
technologie
Objectifs généraux de la physique et
objectifs des apprentissages
essentiels communs
L'élève sera capable de :
•
Explorer les liens entre l'électricité et le
magnétisme
•
Appliquer sa compréhension des concepts
d'électricité et de magnétisme à l'explication
d'expériences communes et d'applications
pratiques
•
Réaliser l'importance de la sécurité quand on
travaille avec de l'équipement électrique
•
Effectuer des activités destinées à étudier
l'électromagnétisme
•
Envisager les conséquences liées à une demande
accrue d'énergie dans l'avenir
•
Comprendre et employer le vocabulaire, les
structures et les formulations qui caractérisent
la physique (COM)
•
Se servir de son imagination, de son intuition et
de ses habiletés en vue d'évaluer des idées, des
processus, des expériences et des objets dans des
contextes significatifs (CRC)
•
Apprécier la valeur et les limites de la
technologie dans la société (TEC)
•
Satisfaire à ses besoins de connaissance (AUT)
E3 savoir utiliser le matériel prudemment
E12 savoir se servir d'instruments électroniques
F1
F2
F3
F7
le besoin de savoir et de comprendre
la mise en question
la recherche des données et de leur
signification
le besoin de vérifier
G2
G3
G6
G8
devenir plus confiant
continuer d'étudier
préférer les réponses scientifiques
préférer les explications scientifiques
Physique 30 – L’électromagnétisme – P. 257
A. Magnétisme
Concepts clés
Les ressemblances entre l'électricité et le
magnétisme ont poussé les scientifiques à postuler
que les propriétés magnétiques pourraient bien être
le résultat d'interactions entre des charges en
mouvement.
Les substances qui peuvent par induction devenir
aimantées quand elles sont dans un champ
magnétique sont appelées ferromagnétiques. Les
matériaux ferromagnétiques doux perdent leur
aimantation dès qu'on les retire du champ
magnétique. Les matériaux ferromagnétiques
durs peuvent retenir leur caractère magnétique, ce
qui les destine particulièrement à la fabrication des
électro-aimants.
Une boussole est un aimant qui s'aligne de luimême le long du champ magnétique terrestre.
Un aimant contient un pôle qui recherche le nord
(pôle nord) et un pôle qui recherche le sud (pôle sud).
(La possibilité qu'il existe un monopole magnétique
fait l'objet de recherches.)
Le champ magnétique terrestre n'est pas parallèle à
la surface terrestre. L'angle d'inclinaison
magnétique est la mesure de la déviation des
lignes d'induction magnétique par rapport au plan
horizontal. Cet angle varie selon l'emplacement de
l'observateur sur la surface de la Terre.
L'angle d'inclinaison magnétique est très important
au voisinage des pôles magnétiques de la Terre, ce
qui rend la navigation ardue.
Le champ magnétique de la Terre dérive très
légèrement avec le temps. Les plaques tectoniques
expliquent ce phénomène.
Les gisements de minerai dans la Terre peuvent
influencer l'intensité du champ magnétique
terrestre.
Les unités d'intensité du champ magnétique sont le
weber/m2, appelé le tesla. Une unité plus familière
correspondant à la même chose est le N/(A⋅m).
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : ferromagnétique,
ferromagnétique doux, ferromagnétique dur,
boussole, champ magnétique, ligne d'induction
magnétique, pôle magnétique nord, angle de
déclinaison, pôle magnétique sud, angle
d'inclinaison
•
Décrire les ressemblances qui existent entre
l'électricité et le magnétisme
•
Expliquer comment fonctionne une boussole
•
Énoncer la loi des pôles magnétiques
•
Reconnaître que les conventions sont établies par
consensus entre scientifiques
•
Reconnaître l'importance de recourir à des
conventions pour parvenir à communiquer en
science
•
Énoncer les propriétés importantes des lignes
d'induction magnétique
•
Expliquer de manière plausible le déplacement
du champ magnétique terrestre avec le temps
•
Appliquer sa compréhension du magnétisme à
l'explication d'expériences courantes et
d'applications pratiques
Les pôles de même nature se repoussent. Les pôles
de nature opposée s'attirent. (Loi des pôles
magnétiques)
Un champ magnétique est une région de l'espace
où on peut déceler une force magnétique.
Le champ magnétique est le plus intense aux pôles
de l'aimant.
Les lignes d'induction magnétique sont une
façon de représenter un champ magnétique.
Par convention, les lignes d'induction magnétique
vont du pôle magnétique nord au pôle magnétique
sud à l'extérieur de l'aimant (et du sud vers le nord
à l'intérieur de l'aimant).
Les lignes d'induction magnétique forment une
boucle fermée. Jamais elles ne se coupent.
Les pôles magnétiques de la Terre ne coïncident pas
avec les pôles géographiques. L'angle entre le pôle
nord géographique et le pôle nord magnétique est
appelé la déclinaison magnétique.
L'angle de déclinaison dépend de l'emplacement
de l'observation sur la Terre.
P. 258 – Physique 30 – L’électromagnétisme
•
Étudier d'importantes applications des aimants
dans les appareillages technologiques
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Effectuer une activité destinée à étudier le
champ magnétique au voisinage d'un aimant.
2.
Illustrer les conventions que l'on utilise pour
indiquer la direction des lignes d'induction
magnétique.
3.
Mentionner les conséquences qu'ont sur la
navigation l'écart entre l'emplacement du
pôle géographique et l'emplacement du pôle
magnétique, et l'angle d'inclinaison
magnétique.
B. Électromagnétisme
Concepts clés
Oersted a découvert qu'un champ magnétique
apparaissait dans la région où se trouvait un
conducteur traversé par un courant électrique.
Le sens des lignes d'induction magnétique dépend
de la direction du flux d'électrons dans le
conducteur.
Le champ magnétique forme une série de cercles
concentriques autour du conducteur rectiligne.
L'intensité du champ magnétique diminue quand
on s'éloigne du conducteur proportionnellement à
l'inverse de la distance radiale. À une distance
donnée du conducteur, l'intensité du champ
magnétique croît proportionnellement à l'intensité
du courant dans le conducteur.
La règle d'Ampère (appelée aussi règle de la main
droite) décrit le sens du champ magnétique autour
d'un conducteur rectiligne. Si l'on tient le
conducteur dans la main droite en prenant soin que
le pouce soit dirigé dans le sens du courant, les
autres doigts s'enroulent autour du conducteur dans
le même sens que les lignes d'induction du champ.
L'intensité du champ magnétique autour d'un
conducteur peut être amplifiée si on fait une boucle
avec le conducteur. Un grand nombre de boucles,
appelées spires, forment une bobine ou solénoïde
(appelé aussi hélice).
Le champ magnétique à distance d'un solénoïde
ressemble au champ qui se forme à distance d'une
barre aimantée. À l'intérieur du solénoïde, les lignes
d'induction du champ magnétique sont rectilignes
et également espacées.
La règle d'Ampère (règle de la main droite pour un
solénoïde) affirme que si on saisit un solénoïde de la
main droite et que les doigts s'enroulent dans la
direction du courant, le pouce désigne le pôle nord
magnétique du noyau. Les lignes d'induction
magnétique pointent du sud au nord à l'intérieur du
noyau, soit dans la direction indiquée par le pouce.
L'intensité du champ magnétique augmente
considérablement si on utilise comme noyau pour le
solénoïde un matériau possédant une haute
perméabilité magnétique.
La perméabilité magnétique (µ) est le rapport de
l'intensité du champ magnétique pour un matériau
de noyau donné à l'intensité du champ magnétique
Physique 30 – L’électromagnétisme – P. 259
dans le vide, c.-à-d. quand il n'y a pas de matériau
pour le noyau.
•
Indiquer les facteurs qui jouent un rôle sur
l'intensité du champ magnétique d'un solénoïde
Les matériaux ferromagnétiques possèdent une
perméabilité magnétique très élevée.
•
Expliquer le fonctionnement d'applications
pratiques en utilisant ses connaissances de
l'électromagnétisme
•
Résoudre des problèmes relatifs à
l'électromagnétisme
L'intensité du champ magnétique (F) d'un solénoïde
varie directement avec le courant (F α I) et est aussi
directement proportionnelle au nombre de spires (N)
par unité de longueur (F α N). I est le courant.
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : perméabilité
magnétique, ferromagnétique
•
Mentionner que la direction du champ
magnétique autour d'un conducteur traversé par
un courant est fonction du sens de circulation du
courant dans le conducteur
•
Illustrer le fait que le champ magnétique autour
d'un conducteur traversé par un courant se
présente comme une série de cercles
concentriques
•
Réaliser qu'en s'éloignant d'un conducteur
l'intensité du champ magnétique décroît en
proportion
•
Énoncer la règle d'Ampère (appelée aussi règle de
la main droite) telle qu'elle s'applique à un
conducteur rectiligne
•
Recourir à la règle de la main droite pour
déterminer la direction des lignes d'induction
magnétique ou la direction du courant dans un
conducteur rectiligne
•
Expliquer que l'intensité du champ magnétique
peut augmenter si on fait une boucle avec le
conducteur
•
Décrire la forme du champ magnétique à
l'extérieur d'un solénoïde
•
Énoncer la règle d'Ampère (appelée aussi règle de
la main droite) telle qu'elle s'applique à un
solénoïde
•
Appliquer la règle de la main droite à un
solénoïde afin de déterminer le sens du courant
dans la bobine ou la polarité magnétique de la
bobine
•
Réaliser que l'intensité du champ magnétique
d'un solénoïde s'accroît considérablement si on
emploie un noyau de haute perméabilité
magnétique
P. 260 – Physique 30 – L’électromagnétisme
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Démontrer que l'intensité du champ
magnétique s'accroît si on fait une boucle avec
le conducteur.
2.
Montrer aux élèves que l'intensité du champ
magnétique d'un solénoïdes s'accroît
considérablement si on emploie un noyau ayant
une haute perméabilité magnétique.
3.
Étudier expérimentalement le champ
magnétique d'un conducteur rectiligne ou d'un
solénoïde.
4.
Prendre un tube à rayons cathodiques ou un
tube de Crookes et placer un aimant à
proximité. Observer ce qui se produit. Inverser
le sens du champ magnétique et recommencer.
Comparer ce qui se passe à chaque fois. Est-ce
que la déviation du faisceau concorde avec la
prédiction de la règle de la main droite pour le
cas de l'effet électromoteur? Attention : cet
appareil produit des rayons X.
Si on a un montage mieux contrôlé, on peut
déterminer le rapport de la charge à la masse
d'un électron.
5.
Imaginer une expérience destinée à déterminer
les facteurs qui affectent l'intensité du champ
magnétique d'un solénoïde.
6.
Suspendre un aimant par une ficelle dans de la
glycérine, du miel ou tout autre fluide clair et
visqueux. Parsemer doucement de la limaille de
fer sur le liquide. La limaille demeure en
suspension, s'organisant d'elle-même selon un
motif tridimensionnel sous l'effet du champ
magnétique. Reproduire sous forme de dessin le
motif du champ magnétique. Comme il est
difficile de retirer la limaille de fer de l'aimant,
envelopper l'aimant dans un sac de plastique à
sandwich avant l'expérience. S’il est possible
d’utiliser un électro-aimant pour cette
démonstration, il sera plus facile de retirer la
limaille de fer, et en plus il sera possible
d’illustrer la disparition du champ magnétique
quand le courant dans l'électro-aimant est
coupé.
définitions du courant (et les différences
correspondantes des signes) très
embrouillantes.
Pour obtenir la représentation d'un champ
magnétique bidimensionnel, disposer un
aimant sous un morceau de papier ou un
acétate. Disperser de la limaille de fer sur la
feuille ou l'acétate. La figure correspondante du
champ devrait être visible. Employer deux
aimants sous la feuille pour illustrer la
répulsion et l'attraction des lignes d'induction
magnétique.
7.
Placer dans un pot une très fine suspension
colloïdale de limaille de fer dans de l'huile.
Tenir un aimant à l'extérieur du pot et jouer
avec la boule métallique qui se forme contre la
paroi du pot.
8.
Demander aux élèves de faire des recherches
sur le sens de l'orientation et de la migration
des animaux et se baser pou cela sur la
présence de magnétite dans leurs cellules.
Chercher des façons de relier cette activité à des
sujets de biologie traitant des systèmes
animaux ou de l'évolution.
9.
Un jeu de deux aimants cobalt-néodymium en
céramique cristallin peut être utile en
laboratoire, parce que ces aimants sont très
puissants et mettent en lumière les propriétés
de substances magnétiques comme le crayon de
carbone ou du papier couvert de graphite
(comme dans le cas d'une feuille photocopiée).
10. Employer un cherche-clous magnétique pour
montrer comment on localise des objets
métalliques situés à l'intérieur d'un mur.
11. Les ressources mises à la disposition des
élèves n'emploient pas toutes
nécessairement des conventions
cohérentes pour définir le courant. Dans
le présent programme d'études, on
accepte le sens de circulation
« conventionnel » du courant. Le courant
est considéré comme étant formé de
charges positives, même si en réalité les
électrons se déplacent dans le sens
inverse.
Si les ressources à la disposition des élèves
indiquent que le courant est un flux d'électrons,
toutes les références à la règle de la main droite
doivent désigner la règle de la main gauche.
Noter de plus qu'il peut y avoir des
incohérences entre ce qu'on trouve dans les
ressources de physique et celles de chimie.
Inutile de préciser que les élèves trouvent ces
Physique 30 – L’électromagnétisme – P. 261
C. Le principe du moteur (ou
l'effet électromoteur)
•
Appliquer la règle de la main droite pour la force
sur un conducteur afin de trouver la direction de
la force qui s'exerce sur le conducteur, la
direction du champ magnétique extérieur, ou le
sens du courant qui traverse le conducteur
•
Expliquer le fonctionnement d'applications
pratiques à partir de ses connaissances du
principe du moteur
•
Indiquer les parties d'un moteur électrique
•
Expliquer comment fonctionne un moteur
électrique
•
Reconnaître les différences de conception entre
les moteurs à courant alternatif (alternateurs)
et les moteurs à courant continu
•
Mentionner les facteurs qui ont un effet sur la
vitesse de rotation d'un moteur
Concepts clés
Quand un conducteur traversé par un courant est
situé dans un champ magnétique externe
perpendiculaire au conducteur, le conducteur est
soumis à une force perpendiculaire à la fois à luimême et au champ magnétique (effet
électromoteur).
La règle de la main droite pour un conducteur
permet de connaître la direction de la force agissant
sur le conducteur. Si le pouce droit indique le sens
du courant dans le conducteur et que les autres
doigts pointent dans le sens du champ magnétique
extérieur, la direction de la force sur le conducteur
est celle d'une perpendiculaire qui part de la paume
de la main droite.
Le principe du moteur permet d'obtenir une
définition précise de l'ampère. Un ampère est la
quantité de courant que doit parcourir deux
conducteurs rectilignes parallèles espacés d'un
mètre dans le vide et sur lesquels agit une force de 2
x 10-7 newton par mètre linéaire.
Les appareils de mesure électriques analogiques
(comme le galvanomètre, l'ampèremètre, le
voltmètre) mettent à profit le principe du moteur.
Les moteurs électriques sont des applications de
l'effet électromoteur. Un moteur électrique est
constitué d'un aimant inducteur extérieur
permanent (stator) et d'un équipage mobile
conducteur en forme de bobine (rotor) libre de
tourner dans l'aimant inducteur. Des balais et un
collecteur (ayant des aspects différents selon que le
courant fourni à l'induit est continu ou alternatif)
connectent l'induit à une source de tension
extérieure.
La vitesse de rotation d'un moteur est fonction de
l'intensité du courant qui le parcourt, du nombre
d'enroulements dans l'induit, de l'intensité de
l'aimant d'induit et de la charge mécanique fixée à
l'arbre.
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Énoncer le principe du moteur
•
Énoncer la règle de la main droite qui permet de
trouver la force sur un conducteur
P. 262 – Physique 30 – L’électromagnétisme
Enseignements, activités et démonstrations suggérés
1.
Construire de petits moteurs électriques à partir de pièces bon marché. Apporter des modifications à la
conception en vue d'obtenir une plus grande vitesse de rotation du rotor, ou de développer le couple maximal
sur l'arbre. Le schéma ci-dessous illustre un montage rudimentaire qui n'exige pas un appareillage
compliqué.
Matériel utilisé : trombones, fil isolé de calibre 22 à 30, piles sèches de 1,5 volt ou alimentations, fils de
raccord munis de pinces crocodiles, barreaux aimantés.
Enrouler le fil autour d'un tube à essai de 15 ml
ou d'un crayon afin d'obtenir une bobine bien
ronde. Une fois le fil isolé, le poser sur une
surface plane et dénuder le fil d'un côté à
chacune des extrémités. S'assurer que le fil a
été raclé sur le même côté à chaque extrémité.
C'est un détail très important. Les parties du fil
non exposées agissent comme un collecteur. Il
doit y avoir coupure périodique du courant
quand la bobine tourne.
3.
Si le terme force électromotrice est employé,
bien expliquer que ce n'est pas une force, mais
une énergie par unité de charge. Mieux encore,
éviter de faire référence à ce terme qui
embrouille les élèves.
Demander aux élèves de tester les variables qui
pourraient affecter le fonctionnement du
moteur, comme le nombre d'enroulements de fil
dans le rotor, la position et la polarité des
barreaux aimantés, l'intensité des aimants
(s'il y en a plusieurs de disponible), le courant
et la tension de l'alimentation (ou dans le cas de
piles, y a-t-il une différence quand on les
raccorde en série ou en parallèle?), le calibre et
la longueur du fil isolé employé.
2.
Expliquer comment l'effet électromoteur sert à
élaborer une définition précise de l'ampère.
Physique 30 – L’électromagnétisme – P. 263
D. Induction
électromagnétique
•
Expliquer que l'interaction entre les champs
magnétiques induit et inducteur donne lieu à un
changement temporaire du champ magnétique
extérieur
•
Énoncer la loi de Lenz
•
Reconnaître que la loi de Lenz est conforme à la
loi de la conservation de l'énergie
•
Appliquer la loi de Lenz à l'étude de l'induction
électromagnétique.
Concepts clés
Faraday et Henry découvrirent qu'une tension peut
être induite dans un conducteur quand un champ
magnétique extérieur se déplace relativement au
conducteur. Un courant apparaîtra si le circuit est
fermé.
Quand un champ magnétique dans la région d'un
conducteur est en mouvement, ou que sa grandeur
varie, ses lignes d'induction se déplacent à travers
le conducteur et un courant électrique est induit
dans ce dernier, s'il fait partie d'un circuit fermé.
Le courant induit est un produit vectoriel des
vecteurs déplacement du conducteur et du champ
magnétique. Le courant est proportionnel à sin θo, θ
est l'angle entre la direction du conducteur et la
direction du champ. Le courant maximal sera
induit quand θ = 90o (perpendiculaire), et l'intensité
du courant passe de ce maximum à θ = 90o à zéro
quand θ = 0o.
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Employer un anneau de Faraday, ou tout autre
appareil, pour montrer l'induction
électromagnétique. Les déplacements d'un
conducteur entre les mâchoires d'un aimant en
fer à cheval, ou l'enfoncement et le retrait d'un
barreau aimanté dans un solénoïde raccordé à
un galvanomètre donnent l'occasion d'observer
cette induction.
2.
Connecter une bobine sans noyau à un
galvanomètre. Enfoncer et retirer un barreau
aimanté dans la bobine. Lire le courant sur le
galvanomètre. Inverser le sens du champ
magnétique du barreau aimanté et
recommencer.
L'induction électromagnétique provoque un
changement temporaire du champ magnétique
extérieur. Une interaction apparaît entre un
champ induit (résultant du passage du courant
induit dans le conducteur) et le champ inducteur.
Connecter un galvanomètre à une bobine
secondaire. Placer un électro-aimant agissant
comme bobine primaire dans la bobine
secondaire. Fermer le circuit de la bobine
primaire. Observer la lecture sur le
galvanomètre (le courant dans le secondaire).
Le champ magnétique induit s'oppose au
changement du champ inducteur. Ces deux
champs ont la même direction si le champ
inducteur est décroissant (loi de Lenz).
La loi de Lenz est conforme à la loi de la
conservation de l'énergie. De l'énergie mécanique
doit être fournie de l'extérieur pour produire une
énergie électrique induite.
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : induire, champ
induit, champ inducteur
•
Indiquer les conditions nécessaires pour qu'un
courant puisse être induit dans un conducteur
•
Réaliser que le courant maximal est induit
quand la direction du déplacement du
conducteur est perpendiculaire au champ
magnétique extérieur
P. 264 - Physique 30 – L’électromagnétisme
3.
Montrer comment s'utilise un allumeur
piézoélectrique sans rien mentionner de son
fonctionnement. Demander aux élèves de
travailler en groupes. Chaque groupe discutera
de ce gadget et tentera d'expliquer son
fonctionnement. Les groupes peuvent ensuite
partager leurs hypothèses, et voir quel groupe a
émis l'hypothèse la plus intéressante.
Évidemment, le groupe qui propose une
hypothèse doit imaginer des expériences
destinées à faire la preuve de son idée.
L'objet de l'exercice n'est pas tant d'étudier
l'effet piézoélectrique que de confronter les
élèves à un phénomène qui leur est inconnu,
l'effet piézoélectrique, et de tenter de l'expliquer.
Les élèves apprendront ainsi que la curiosité et
le désir de rechercher les causes sous-jacentes à
un phénomène naturel sont des éléments
essentiels du travail en physique.
Unité facultative VIII : La physique atomique
Vue d'ensemble
L'emploi de l'énergie nucléaire à des fins civiles est
certainement l'un des sujets les plus controversés et
probablement l'un de ceux qui véhicule le plus
d'idées erronées sur la physique. Il faut essayer de
combler le manque d'information du public, afin
d'avoir des personnes possédant une culture
scientifique générale qui prendront des décisions
éclairées concernant l'énergie nucléaire. On peut
insister sur le fait que la compréhension de l'énergie
nucléaire est une exigence essentielle pour tous les
élèves.
Pour prendre des décisions éclairées, une personne
doit posséder des connaissances solides qui lui
permettent de se forger une idée précise du
problème. Cette unité facultative vise à servir de
complément à l'unité obligatoire IV.
Des connaissances plus vastes et une meilleure
information rendront les élèves les plus aptes à se
former des opinions et à débattre de l'exploitation de
l'énergie nucléaire.
Les recherches en physique moderne se
poursuivent. La section E « Physique
contemporaine » offre aux enseignants et
enseignantes et aux élèves la possibilité d'examiner
plus avant les résultats de ces recherches. À cause
de la nature actuelle et changeante de cette matière,
nous laissons aux enseignants et enseignantes et
aux élèves le soin de son développement. Certaines
directives sont fournies, mais les enseignants et
enseignantes peuvent développer le sujet E en
fonction de leurs champs d'intérêt personnels.
Facteurs de l'alphabétisme
scientifique à développer
A1
A3
A4
A6
A7
publique/privée
holistique
reproductible
probabiliste
unique
B2
B11
B15
B19
B20
B22
l'interaction
la prévisibilité
le modèle
la probabilité
la théorie
les entités fondamentales
C1
C6
la classification
la mise en question
P. 266 – Physique 30 – La physique atomique
C8 la formulation d'hypothèses
C9 l'inférence
C13 la création de modèles
D1
D2
D3
D4
D5
D7
D8
D9
la science et la technologie
le côté humain des scientifiques et des
technologues
les effets de la science et de la technologie
la science, la technologie et l'environnement
le manque de compréhension du public
la variété d'opinion
les limites de la science et de la technologie
l'influence de la société sur la science et la
technologie
E4
E5
savoir utiliser le matériel audiovisuel
savoir se servir d'un ordinateur
F2
F4
F6
F8
le mise en question
le respect des environnements naturels
la prise en considération des conséquences
la prise en considération des prémisses
G1
G2
G3
G9
s'intéresser à la science
devenir plus confiant
continuer d'étudier
apprécier les contributions scientifiques
Objectifs généraux de la physique et
objectifs des apprentissages
essentiels communs
L'élève sera capable de :
•
Réaliser que la physique est une activité
humaine qui se poursuit continuellement
•
Reconnaître la nécessité de rester informé sur
l'état actuel des recherches scientifiques
•
Réaliser que les scientifiques ont le devoir
d'informer la société sur les abus réels ou
possibles effectués au nom de la science
•
Se rendre compte qu'il faut des recherches plus
poussées sur le bien-fondé de l'exploitation de
l'énergie nucléaire
•
Reconnaître que les êtres humains sont
constamment soumis à diverses formes de
rayonnement
•
Reconnaître que l'exposition à la radioactivité est
inévitable, mais qu'il est possible de la réduire
au minimum
•
Prendre conscience des risques possibles associés
à certains types d'irradiation
A. Théorie atomique
•
Évaluer si certaines positions relatives à
l'exploitation de l'énergie nucléaire reposent sur
une bonne connaissance de la physique
Concepts clés
•
Reconnaître la nécessité d'être informé des faits
et des questions qui entourent l'exploitation de
l'énergie nucléaire
•
Comprendre les aspects personnels, moraux,
sociaux et culturels de la physique (VAL)
•
Recourir à une large gamme de ressources afin
d'enrichir ses connaissances des principaux
concepts de la physique (COM)
•
Faire preuve d'un « fort sens » critique et
proposer des idées créatives (CRC)
•
S'impliquer activement dans la démarche de
prise de décision touchant les développements
technologiques (TEC)
•
Développer cher soi un désir d'apprendre qui
durera toute la vie. (AUT)
Les expériences de Rutherford avec des feuilles d'or,
qu'il réalisa en collaboration avec Geiger et
Marsden, permettent de conclure à la présence d'un
noyau qui diffuse des particules alpha. La répulsion
de certaines particules alpha suggère que le noyau
est positif et qu'il renferme des protons.
Des travaux ultérieurs menés par Chadwick
révélèrent l'existence de neutrons dans le noyau de
l'atome.
Le numéro atomique signale le nombre de
protons dans le noyau. Dans le cas d'un atome
neutre, c'est aussi le nombre d'électrons autour du
noyau.
En soustrayant le numéro atomique de la masse
atomique, on obtient le nombre de neutrons dans le
noyau.
Les isotopes sont des atomes d'un même élément
(ils ont le même nombre de protons ou numéro
atomique), dont le nombre de neutrons dans le
noyau diffère. Les isotopes d'un élément possèdent
des propriétés chimiques équivalentes.
Les isotopes radioactifs sont appelés radioisotopes.
La plupart des éléments du tableau périodique des
éléments ont plusieurs isotopes, qui se trouvent en
proportions variables dans un élément donné.
La masse atomique moyenne d'un élément tient
compte des proportions relatives des isotopes que
l'on trouve dans la nature.
Une interaction nucléaire de liaison garde la
cohésion du noyau. Le défaut de masse
nucléaire, soit l'écart entre la masse du noyau et
la somme des masses de ses constituants, s'explique
par l'énergie nucléaire de liaison qui garde
ensemble le noyau.
Le défaut de masse sert à calculer la valeur de
l'énergie nucléaire de liaison si on applique la
formule E = mc2 .
L'énergie de liaison moyenne par nucléon est
une mesure de la stabilité nucléaire. Plus cette
énergie moyenne est élevée, plus le noyau est stable.
Le modèle atomique de Bohr représente les électrons
en mouvement sur des orbites circulaires discrètes,
Physique 30 – La physique atomique – P. 267
bien caractérisées. Les électrons ne peuvent occuper
qu'un certain nombre d'orbites permises. Pour
qu'un électron occupe une orbite permise, il faut que
soit disponible une certaine quantité d'énergie.
Chaque orbite reçoit un nombre quantique, les
nombres les plus petits étant attribués aux orbites
les plus proches du noyau. Chaque orbite ne peut
contenir qu'un nombre maximal spécifié d'électrons.
Dans des conditions normales, les électrons
occupent les orbites de plus faible énergie, soit celles
qui se trouvent près du noyau. En absorbant de
l'énergie supplémentaire, les électrons peuvent
gravir les orbites supérieures. En revenant à leurs
orbites initiales de moindre énergie, les électrons
restituent cette énergie.
Le modèle atomique de Bohr a proposé une
explication au spectre d'émission que produisent
l'hydrogène et d'autres gaz.
Les photons sont des particules qui aident à
décrire la dualité onde-particule de la lumière.
L'énergie d'un photon est fonction de sa fréquence.
Leur existence permet d'expliquer l'effet photoélectrique, car eux seuls ont suffisamment d'énergie
pour extraire un électron de la surface éclairée.
E = hν
où E est l'énergie du photon en J, ν est la fréquence
du photon en Hz et h est la constante de Planck qui
vaut 6,626 x 10-34 J/Hz.
La théorie quantique fournit un cadre
mathématique qui permet de comprendre la nature
de l'atome.
La théorie quantique décrit une région au voisinage
du noyau où il y a le maximum de probabilité de
localiser un électron. Ces « nuages » orbitaux ont
des formes assez inhabituelles et intéressantes.
P. 268 – Physique 30 – La physique atomique
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : numéro atomique,
isotope, radio-isotopes, interaction nucléaire de
liaison, énergie moyenne de liaison, défaut de
masse nucléaire, énergie nucléaire de liaison,
photon
•
Utiliser le numéro atomique d'un élément pour
indiquer le nombre de protons dans un noyau
•
Déduire le nombre d'électrons dans un atome
neutre à partir du numéro atomique de l'élément
•
Employer le nombre de masse atomique et le
numéro atomique pour déterminer le nombre de
neutrons dans le noyau d'un atome
•
Savoir que les isotopes d'un élément ont des
propriétés chimiques semblables, et des
propriétés physiques différentes
•
Donner un exemple d'élément qui renferme des
isotopes et montrer comment ces isotopes
diffèrent les uns des autres
•
Expliquer que la masse atomique moyenne d'un
élément est le résultat de la prise en
considération des proportions relatives de ses
isotopes naturels
•
Expliquer certaines caractéristiques importantes
du modèle atomique de Bohr
•
Indiquer, interpréter ou expliquer le rôle des
nombres quantiques dans la théorie orbitale
•
Montrer comment le modèle atomique de Bohr
propose des explications pour certains
phénomènes physiques, alors que les autres
modèles n'y parvenaient pas
•
Expliquer comment des photons permettent de
décrire la dualité onde-particule de la lumière
•
Expliquer que la théorie quantique explique
l'effet photo-électrique, l'effet Compton et
d'autres principes physiques importants que les
théories antérieures ne réussissaient pas à
interpréter
•
Mentionner que la théorie quantique décrit une
région au voisinage du noyau où l'électron a la
probabilité maximale de se trouver
•
Donner des descriptions d'orbites électroniques
fournies par la théorie quantique
du nombre d'essais. D'après les résultats,
déterminer la demi-vie de l'échantillon.
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
Attention : On recommande de ne pas faire
d'expériences avec des produits radioactifs.
Avoir recours à des simulations, à des
modèles informatiques ou à du matériel
pédagogique audiovisuel. Des sources très
faibles de rayonnements ionisants pourront
être employées si les simulations ne suffisent
pas. Cependant, il faut procéder avec des
précautions infinies. Il est aussi très
important d'étiqueter précisément les
sources radioactives et de les entreposer
dans un endroit sûr à tout point de vue.
1.
Employer un tube à gaz ou un tube à rayons
cathodiques, branché à une alimentation haute
tension. Montrer ce qui se passe quand le
faisceau interagit avec : a) un rayon lumineux
qui frappe le faisceau perpendiculairement; b)
un objet portant une charge statique; et c) un
champ magnétique.
Attention : Il faut redoubler de prudence
quand on emploie une alimentation haute
tension. De plus, les tubes à gaz peuvent
émettre des rayons X nocifs. Les enseignants
et enseignantes doivent faire ces
démonstrations mais en utilisant toutes les
mesures de sécurité nécessaires. La découverte
inattendue de rayons X par Röntgen peut être
reproduite en plaçant un objet fluorescent près
d'un tube à gaz. Une feuille non exposée de 4
po sur 5 po d'une pellicule polaroïd 57 (ISO
3000) placée à proximité durant une période
prolongée devrait parvenir à prouver ceci.
3.
Existe-t-il un modèle statistique qui prédise la
demi-vie? Quel est l'effet de la taille de
l'échantillon sur la courbe de désintégration et
la demi-vie? (Commencer avec 20 cubes bleurouge au lieu de 30 utilisés pour le premier
essai. Répéter le test.)
Pour obtenir des résultats statistiquement
probants, employer au moins 30 cubes.
3.
Rechercher les effets biologiques des
rayonnements ionisants. Cette activité peut
entrer dans le cadre de Biologie 30.
4.
Élaborer un rapport sur le vent solaire, le
résultat de l'activité des éruptions solaires, les
aurores boréales et autres phénomènes relatifs
aux rayons cosmiques.
5.
L'effet photo-électrique et l'effet Compton ont
contribué à donner naissance à la théorie
quantique. Faire des recherches sur les deux
phénomènes. Expliquer pourquoi les théories
acceptées à l'époque ne réussissaient pas à les
expliquer.
6.
Si un groupe d'élèves possède une certaine
connaissance pratique de la programmation, il
pourra rédiger un programme informatique qui
simule une désintégration radioactive.
Préparer 30 petits cubes dont toutes les faces
sont colorées en vert et 30 autres cubes dont
cinq faces sont en bleu et une face en rouge.
Les 30 cubes à faces bleues représentent les
nucléides radioactifs après la désintégration.
Brasser les cubes bleu-rouge et les laisser se
disperser sur une surface plane. Toutes les
faces rouges correspondent aux nucléides qui
ont subi une désintégration. Compter le
nombre de faces rouges à chaque essai.
Enregistrer les résultats. Remplacer les cubes
dont la face rouge est vers vous par un cube
vert (correspondant à un noyau descendant
stable). Brasser et disperser les cubes à
plusieurs reprises. À chaque fois, le nombre
total de cubes doit être de 30.
Enregistrer toutes les observations. Dessiner
une courbe de désintégration nucléaire en
traçant le nombre de faces bleues en fonction
Physique 30 – La physique atomique – P. 269
B. Demi-vie et désintégration
radioactive
Concepts clés
La transmutation décrit le processus par lequel le
noyau d'un atome radioactif subit une
désintégration qui produit un atome et un nombre
différent de protons, et cela jusqu'à ce qu'on
aboutisse à un noyau stable.
Une particule alpha (c'est-à-dire un noyau d'hélium)
est libérée durant la désintégration alpha d'une
substance radioactive. Un élément de masse plus
faible est alors produit. On a donc :
238
92 U
→
234
4
90 Th + 2
He
Dans l'exemple ci-dessus, l'uranium 238 libère une
particule alpha de son noyau, ce qui le transforme
en du thorium 234. La masse n'est pas conservée.
Le nombre de masse atomique (ou nombre de
nucléons ou nombre de baryons), lui, est conservé.
La désintégration bêta (désintégration bêta
négative) survient quand une particule bêta
(négative) est libérée du noyau (c'est-à-dire un
électron). On a donc :
234
90 Th
→
234
91
Pa +
0
-1 e
Dans l'exemple précédent, le thorium 234 libère une
particule bêta, ce qui produit du protactinium 234.
La masse ici aussi n'est pas conservée dans une
désintégration bêta. Le nombre de nucléons est
conservé.
Dans une désintégration bêta, la particule bêta
libérée provient du noyau de l'atome, il ne s'agit pas
d'un électron orbital. Il y a perte d'un neutron qui
s'est transformé en un proton et un neutron.
En général, si X est le noyau parent et Y le noyau
descendant :
Pour la désintégration alpha, on a :
A
Z X
→ ZA−−42 Y + 24 He
La désintégration alpha ne peut avoir lieu que si MX
> My + MHe. Les masses atomiques de He et de Y
sont inférieures à la masse de l'atome parent X. La
masse « perdue » a été convertie en énergie
(E = mc2) que l'on trouve sous forme d'énergie
cinétique de la particule alpha.
Pour une désintégration bêta, on a :
A
Z X
A
→ Z +1
Y + −01 e + v
(En réalité, un antineutrino est aussi produit lors
d'une émission bêta.)
MY < MX
La masse apparaît comme l'énergie cinétique de
l'électron.
Un neutrino est une particule « inventée » afin de
respecter la conservation de l'énergie, de la quantité
de mouvement et du moment cinétique dans une
désintégration bêta. Il est dépourvu de masse, de
charge et n'a pratiquement aucune interaction avec
la matière. Il voyage à la vitesse de la lumière et
transporte de l'énergie et de la quantité de
mouvement.
Durant une transmutation nucléaire, de l'énergie
est libérée.
Une série de transmutations nucléaires a lieu
jusqu'à ce qu'on aboutisse à un noyau stable. La
série d'étapes de la transmutation est appelée série
radioactive (ou famille radioactive).
La désintégration gamma est la libération de
l'énergie excédentaire stockée dans le noyau. Dans
cette désintégration, il n'y a pas de transmutation.
Cependant, la désintégration gamma accompagne
souvent une famille radioactive alpha ou bêta.
La désintégration gamma a lieu quand un noyau
« excité » (excité par un photon ou une particule de
bombardement, ou bien c'est un produit de
désintégration dans un état excité) revient à son
état fondamental. Un noyau excité est plus lourd
que lorsqu'il est dans son état fondamental; la
différence de masse est égale à l'équivalent masse de
l'énergie du rayon gamma émis.
Soit, AZ X * → ZA X + 00 γ
(L'astérisque désigne un noyau « excité ».)
P. 270 – Physique 30 – La physique atomique
Les diagrammes des nucléides, qui représentent
le numéro atomique en fonction du nombre de
neutrons, servent en physique nucléaire à illustrer
une série radioactive.
Le rayonnement de fond est émis par diverses
sources radioactives. Les rayons cosmiques qui
pénètrent dans l'atmosphère de la Terre et
proviennent de l'espace extra-atmosphérique
comptent pour 25 % du rayonnement de fond (cela
dépend de l'altitude).
On trouve dans le milieu ambiant de minuscules
sources de radioactivité naturelles (p. ex. le sol,
l'air, l'eau potable, les matériaux de construction,
les aliments) et elles contribuent toutes au
rayonnement de fond.
Chaque nucléide radioactif est le siège d'une
radioactivité qui lui est propre et qui se produit à un
taux de désintégration caractéristique. Le taux de
désintégration radioactive dépend du changement
d'énergie qui accompagne la transformation, mais
ce n'est pas une relation proportionnelle.
Le taux d'émission radioactive d'un nucléide
radioactif est directement proportionnel à la
quantité de matériau radioactif présent.
A = ?N
= ?N0 e - ?t
?=
Nt = N0e (- ?t)
où N 0 est le nombre de noyaux au départ, N t est le
nombre de noyaux non désintégrés après le temps t,
λ est la constante de désintégration et e ≈ 2,718.
Les unités de la constante de désintégration sont s-1
(ou parfois le nombre de désintégration par seconde)
si la demi-vie est exprimée en secondes.
Cette relation exprimant la désintégration
radioactive est basée sur les statistiques, les
probabilités et sur l'examen du comportement d'un
grand nombre de situations individuelles. On ne
peut pas déterminer quand tel noyau subira une
désintégration; cependant il est possible de préciser
le temps qu'il faudra pour qu'une certaine
proportion des noyaux de l'échantillon soit
désintégrée.
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : transmutation,
désintégration alpha, désintégration bêta,
désintégration gamma, neutrino, série (ou
famille) radioactive, diagrammes des nucléides,
rayonnement de fond, constante de
désintégration, demi-vie
•
Comprendre en quoi consiste la transmutation
nucléaire
•
Constater que, dans une série de désintégrations
radioactives, il y a des transmutations tant que
le noyau produit n'est pas stable
•
Expliquer que, dans une désintégration alpha, il
se forme un élément de masse plus faible
•
Expliquer que le nombre de masse atomique est
conservé dans les désintégrations alpha et bêta
•
Expliquer que la masse n'est pas conservée dans
les désintégrations alpha et bêta
•
Réaliser que, dans une désintégration bêta, la
particule bêta libérée provient du noyau de
l'atome et n'est pas un électron orbital. Un des
neutrons disparaît après sa transformation en
un proton et un électron
La moyenne, ou durée de vie moyenne d'un
nucléide, est de :
1
τ =
λ
Le taux de désintégration d'un nucléide radioactif
est mesuré par sa demi-vie.
La demi-vie
(T )
1
2
est le temps qu'il faut pour que
la moitié des atomes se trouvant au début dans un
échantillon soit désintégrée.
Si la demi-vie d'un nucléide radioactif est connue, la
constante de désintégration peut se calculer ainsi :
T1
2
où A est l'activité en Bq, N est le nombre de noyaux
radioactifs, N 0 est le nombre initial de noyaux
radioactifs à t = 0, λ est la constante de
désintégration et t est le temps.
La constante de désintégration (λ) mesure le
taux auquel le nucléide se désintègre par émissions
radioactives.
0,693
Physique 30 – La physique atomique – P. 271
•
Énoncer une généralisation sur la désintégration
alpha et bêta
•
Identifier une désintégration alpha, bêta et
gamma à partir d'expressions généralisées ou
d'équations nucléaires
•
Expliquer que de l'énergie est libérée durant une
transmutation nucléaire
•
Réaliser que la masse n'est pas conservée dans
les réactions nucléaires
•
Expliquer pourquoi la masse n'est pas conservée
dans une réaction nucléaire
•
Déterminer la quantité d'énergie de liaison
nucléaire nécessaire pour assurer la cohérence
du noyau en la comparant au défaut de masse
nucléaire que l'on constate dans une réaction
nucléaire
•
Écrire des équations exprimant une
désintégration nucléaire
•
Faire le bilan du numéro atomique et du nombre
de masse dans les équations nucléaires
•
Trouver l'information manquante ou incomplète
dans une équation de désintégration nucléaire
partiellement équilibrée
•
Interpréter l'information sur une série
radioactive nucléaire que l'on trouve dans un
diagramme des nucléides
•
Réaliser que le taux de désintégration d'un
nucléide radioactif peut aussi être mesuré et
exprimé par la demi-vie de ce nucléide et sa
durée de vie moyenne
•
Déduire la constante de désintégration à partir
de la demi-vie et vice versa
•
Mentionner les unités qui mesurent la demi-vie
•
Mentionner l'unité de la constante de
désintégration
•
Reconnaître qu'il est impossible de déterminer
quand un noyau individuel d'un échantillon
radioactif subira une désintégration
•
Reconnaître qu'il est possible de déterminer le
temps nécessaire pour qu'une certaine proportion
des noyaux d'un échantillon radioactif soit
désintégrée
•
Réaliser que les relations se basent sur la
désintégration radioactive, sur les statistiques et
la probabilité et sur l'examen du comportement
d'un grand nombre de situations individuelles
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
•
Réaliser que le « bruit », lorsqu'on essaie
d'observer ou de mesurer d'importants
phénomènes physiques, gêne parfois
•
Réaliser que chaque nucléide radioactif a une
radioactivité qui se manifeste à un taux qui lui
est caractéristique
•
A
Z
Expliquer l'origine et le domaine d'action du
rayonnement de fond
•
Expliquer que le taux de désintégration
radioactive est directement proportionnel à la
quantité de matière radioactive présente
•
Réaliser que la constante de désintégration
mesure le taux de désintégration radioactive
2.
Au lieu d'employer l'équation :
N t = N 0 e(-λ t)
de la page 270, employer, pour éviter
l’utilisation des fonctions exponentielles :
t
 1  T 12
Nt = N0  
 2
3.
P. 272 – Physique 30 – La physique atomique
X
Z représente le nombre de protons, A est le
nombre de nucléons (le nombre de protons plus
le nombre de neutrons), X est le symbole
chimique de l'élément désigné.
Réaliser que le taux de désintégration radioactive
d'un certain nucléide est relié au changement
d'énergie qui survient dans la transformation (il
existe un lien entre eux, mais ils ne dépendent
pas mutuellement l'un de l'autre)
•
Présenter l'emploi de la notation :
Armer une bonne douzaine de pièges à souris
et les déposer dans un contenant transparent
(p. ex. un aquarium) en prenant soin de ne pas
les actionner. Placer avec précaution deux
balles de ping-pong sur le bras comprimé de
chaque piège à souris. Dès que les préparatifs
sont terminés, lancer une balle de ping-pong
dans le récipient et le refermer rapidement.
Observer cette simulation d'une réaction en
chaîne, dans laquelle les balles de ping-pong
jouent le rôle des neutrons.
4.
Voici une simulation d'une désintégration
nucléaire. Chauffer un éclateur à maïs. Mettre
environ 20 grains dans l'éclateur. Marquer
quelques grains avec un crayon marqueur afin
de les distinguer des autres. Faire éclater le
maïs. Noter le temps qu'il faut pour qu'un
grain colorié éclate. Si on n'utilise que
quelques grains, on est certain que la machine
ne sera pas envahie par le maïs soufflé.
Répéter le test avec de nouveaux grains.
Est-il possible de prédire le temps exact qu'un
grain coloré mettra pour éclater? Est-il
possible de déterminer le temps qu'il faut pour
que presque tous les grains? Pourrait-on
calculer la « demi-vie » ou la « constante de
désintégration » du maïs à éclater? Est-ce que
ces paramètres varient avec la marque de
maïs à éclater?
5.
Présenter l'absorption du rayonnement :
N x = N 0e
-µ x
où N 0 est le nombre de rayons incidents
atteignant l'absorbeur, N x est le nombre de
rayons qui pénètrent dans l'absorbeur, x est
l'épaisseur de l'absorbeur et µ est le coefficient
d'absorption d'un certain matériau, pour un
certain rayonnement ayant une énergie
spécifique.
Des calculs simples montrent que, pour une
épaisseur donnée, 50 % du rayonnement est
stoppé. Si on double l'épaisseur, on n'arrête pas
les 50 % restants mais seulement la moitié,
soit 25 %. Il y a en donc 25 % qui passent
encore.
Physique 30 – La physique atomique – P. 273
C. Fusion nucléaire
Concepts clés
La fusion nucléaire se produit quand deux petits
noyaux s'agglomèrent pour n'en former plus qu'un.
Une grande quantité d'énergie est libérée pendant
une fusion.
La fusion nucléaire est la réaction qu'entretient le
Soleil et les étoiles.
On croit que la fusion dans le Soleil se produit par
étapes.
Quatre protons donnent un atome de 24He, deux
positrons et deux neutrinos. Les deux premières
étapes indiquées ci-dessous ont lieu deux fois avant
que se produise la troisième étape :
1
1
1
1H
3
2
1
2
0
1
1
+1
2
3
H+ H→ H+
0
e+ v
0
+ 1 H → 2 He
3
4
1
2
2
1
He + He → He + 2 H
La fusion dans les étoiles produit tous les éléments
chimiques que l'on trouve sur la Terre.
La lumière du Soleil est l'énergie libérée par les
réactions de fusion qui ont lieu au sein du Soleil.
L'observation des caractéristiques spectrales des
étoiles permet de mieux comprendre la fusion.
D'après ce que l'on sait, la fusion ne pourrait se
produire qu'à des températures extrêmement
élevées, d'où le nom de réaction thermonucléaire
que l'on donne à la fusion.
L'utilisation de la fusion nucléaire à des fins
commerciales fait actuellement l'objet de
recherches.
Une réaction qui pourrait conduire à une fusion
contrôlée est :
2
1
H+
3
1
H →
4
2
He +
1
0
Le deutérium 12H peut être extrait de l'eau.
(Environ 0,015 % de l'hydrogène dans l'eau existe
sous forme de deutérium.) Le tritium (13H) doit être
fabriqué, car il n'existe pas en quantité suffisante
dans la nature.
Le tritium est radioactif (émission bêta), sa demi-vie
est de 12,3 années. De plus, c'est une substance
toxique.
Les réactions de fusion complète ne produisent pas
de substances ayant une longue durée de vie. De la
radioactivité induite apparaît dans la cuve du
réacteur en raison du flux de protons. Le tritium est
radioactif et assez toxique.
L'entretien d'une réaction nucléaire est
envisageable si on amène les réactifs à un état de
très haute température appelé plasma. Les
particules plasma peuvent être retenues dans un
champ magnétique. Ce principe est appelé le
confinement magnétique. Le rôle du
confinement magnétique est de prévenir les pertes
de chaleur, et non d'empêcher la vaporisation des
parois de la cuve de confinement comme on le croit
à tort.
Une autre technique pour entretenir une réaction
de fusion est le confinement inertiel, dans lequel
une pastille de combustible contenant les réactifs de
la fusion est bombardée par une source de haute
énergie comme un laser ou un faisceau d'électrons.
La bombe à fusion, mise au point et testée au début
des années 1950, a été la première application de la
fusion nucléaire.
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Définir les termes suivants : fusion,
thermonucléaire, plasma, confinement
magnétique, confinement inertiel
•
Décrire ce qui se produit durant une réaction de
fission
•
Expliquer que la fusion nucléaire a lieu dans le
Soleil et les étoiles
•
Mentionner que les scientifiques croient qu'il est
possible de produire une fusion nucléaire à des
températures extrêmement élevées
•
Mentionner que les réactions de fusion ne
produisent pas de déchets persistants
n + 17,6 MeV
La fusion a le potentiel de devenir une source
d'énergie abondante. Le combustible employé pour
la fusion est à portée de la main.
P. 274 – Physique 30 – La physique atomique
•
Constater que le combustible nécessaire pour
causer une fusion est abondant
•
Comparer fusion et fission
•
Expliquer une façon possible d'entretenir une
réaction de fusion
•
Évoquer le potentiel de la fusion nucléaire
comme source abondante d'énergie
D. Applications
(Les enseignants et enseignantes doivent se reporter
à « Controverses dans le domaine des sciences » de
Sciences : Programme cadre dans l'optique du
tronc commun avant de traiter cette section.)
Choisir dans les applications suivantes les sujets
qui seront traités. Le détail du traitement accordé
à ces applications détermine le nombre de sujets qui
pourront être traités. Ces applications peuvent être
traitées séparément ou mieux encore, intégrées aux
concepts clés touchant l'énergie nucléaire exposés
dans cette unité facultative et dans l'unité
obligatoire IV. Tout au long de la présente unité,
l'enseignant ou l'enseignante aura l'occasion
d'exposer des applications apparentées. Ce sujet
permettra de lancer les élèves dans des activités
d'apprentissage autonome.
Il est difficile d'entrevoir ce que seront dans l'avenir
les nouvelles applications et les nouveaux
développements relatifs à l'énergie nucléaire. À
mesure que les progrès en science et en technologie
feront apparaître de nouvelles applications, on
encourage les enseignants et enseignantes à les
ajouter à la liste ci-dessous.
L'enseignant ou l'enseignante de physique choisira
les connaissances et les concepts qui seront
développés dans l'étude de ces applications.
Cependant, quel que soit le degré de développement
de l'application, il faudra toujours établir un lien
entre l'application et le comportement de la matière
et d'autres phénomènes physiques importants.
En outre, l'étude en physique de ces applications et
d'autres applications doit mettre l'accent sur le
développement de l'approche science-technologiesociété-environnement (approche STSE) du nouveau
programme. Les enseignants et enseignantes
doivent saisir chaque occasion de renforcer les
rapports STSE (Aspect D de l'alphabétisme
scientifique).
On recommande d'exposer le contexte historique de
ces applications et perfectionnements, afin d'insérer
l'étude de la physique dans un cadre social et
historique. Les élèves doivent aussi se rendre
compte que de nombreuses réalisations
remarquables en science et dans d'autres disciplines
de la connaissance humaine sont l'œuvre de
solitaires qui ont bouleversé les idées reçues et les
normes acceptées malgré la critique et l'opposition.
•
Datation radioactive des artefacts
archéologiques, des formations géologiques, des
fossiles, etc.
Physique 30 – La physique atomique – P. 275
•
Transmutation artificielle :
° expérience de bombardement de particules
alpha de Rutherford;
° transmutation de neutrons.
•
Effets biologiques des rayonnements ionisants
•
Emplois de radio-isotopes :
° utilisation en médecine;
° utilisation dans l'industrie;
° traitement des aliments.
•
Armes nucléaires :
° historique de la mise au point de la bombe
nucléaire;
° armes à fusion et armes à fission;
° bombes à neutrons;
° questions touchant les armes atomiques.
•
•
Réacteurs nucléaires :
° Cette application permet un traitement plus
détaillé que celui de la section C de l'unité
obligatoire IV. Sujet idéal pour des projets de
recherche par les élèves. Noter qu'il faut
choisir au moins une autre application
d'utilisation de l'énergie nucléaire si l'on
retient cette unité facultative.
•
Évoquer les préoccupations touchant
l'environnement qui sont soulevées au sujet de
l'exploitation de l'énergie nucléaire
•
Opter pour une position pour ou contre
l'exploitation de l'énergie nucléaire dans cette
application
•
Défendre une position pour ou contre
l'exploitation de l'énergie nucléaire dans cette
application
Enseignements, activités et démonstrations
suggérés
1.
Dans quelle mesure l'accident pourrait-il être
attribuable à une « erreur humaine ».
2.
Diriger un débat (officiel ou officieux) afin de
régler les importantes questions touchant
l'énergie nucléaire.
3.
Faire un sondage sur une question touchant
l'exploitation de l'énergie nucléaire. Cette
activité est une bonne occasion d'exposer aux
élèves les grands principes sur la conception
d'une recherche.
4.
Demander aux élèves de se procurer de la
documentation sur l'application de l'énergie
nucléaire. Ils pourront écrire à différents
organismes et agences. Rassembler aussi des
articles de journaux et de revues, des
émissions vidéo, des brochures, des bulletins
d'information, etc.
Analyse des avantages et des inconvénients de
l'exploitation de l'énergie nucléaire.
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Décrire une application de l'énergie nucléaire
autre que les réacteurs à fusion
•
Indiquer le combustible employé dans cette
application
•
Réaliser le rôle précis joué par la Saskatchewan
et le Canada dans cette application de l'énergie
nucléaire
•
Indiquer certaines utilisations de cette
application de l'énergie nucléaire
•
Indiquer les mesures de sécurité à respecter en
rapport avec l'application considérée.
•
Mentionner les arguments utilisés par les
partisans de l'énergie nucléaire pour appuyer
leur position
•
Mentionner les critiques formulées concernant
l'emploi de l'énergie nucléaire
P. 276 – Physique 30 – La physique atomique
Identifier la suite d'événements qui s'est
produite au moment des accidents de Three
Miles Island, Chernobyl ou autres.
Examiner minutieusement le matériel
recueilli. Quelles sont les positions et les
hypothèses sous-jacentes à ces textes? Relève-ton un parti pris évident? Est-ce que les
documents donnent un portrait équilibré des
positions, ou bien un point de vue particulier
prime-t-il?
Élaborer une série de questions de ce genre afin
d'évaluer ce matériel.
E. Physique contemporaine
Cette section, développée par les enseignants et les
enseignantes, permet aux élèves d'explorer des
sujets de la physique contemporaine qui les attirent.
À mesure que de nouvelles découvertes
apparaîtront, les incorporer dans cette section.
Le terme « contemporaine » peut prêter à confusion,
puisque des théories, comme la théorie de la
relativité restreinte, ne sont pas des nouveautés.
Parmi les sujets qui peuvent être explorés dans
cette section, mentionnons les particules
élémentaires, les accélérateurs de particules, la
classification des particules élémentaires, les
quarks, la théorie de la relativité restreinte, la
mécanique quantique, les lasers, l'électronique de
l'état solide et des modèles de l'atome. Les
enseignants et enseignantes ont tout le loisir de
développer cette liste. Exposer au moins un sujet le
plus complètement possible en tenant compte du
temps disponible.
Résultats d'apprentissage
L'élève sera capable de :
•
Réaliser qu'en physique on fait chaque jour de
nouvelles découvertes
•
Reconnaître qu'apprendre est une entreprise qui
dure toute la vie
•
Faire des recherches sur au moins un sujet de la
physique contemporaine
•
Évaluer les applications potentielles de nouvelles
découvertes de physique
•
Évaluer les avantages potentiels et les
inconvénients de nouvelles applications en
physique
•
Reconnaître l'importance du rôle que joue la
technologie dans les orientations de la science
Physique 30 – La physique atomique – P. 277