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Nous sommes entourés au quotidien d’objets dont la physique est très riche. Les expériences décrites ci-dessous utilisent des objets de votre quotidien (smartphone, thermomètre, eau, glaçon, etc...). Les expériences proposées démontrent qu'il n'est pas nécessaire d'avoir beaucoup de matériel pour réaliser de très belles expériences et manipuler des concepts clés en physique. Bien que simple en apparence, ces expérimentations exigent souvent davantage d'esprit critique ( quelles approximations ont été faites pour la modélisation ?, quelles sont les incertitudes de nos mesures ?, ...) par rapport à des expériences bien contrôlées. Elles permettent également d'essayer et de tester rapidement et simplement un protocole expérimental "maison". Pour vous aider, des ressources sont indiquées mais il sera également nécessaire de chercher par vous-même les bonnes informations.Bonnes expériences à toutes et à tous !
"An experiment is a question which science poses to Nature, and a measurement is the recording of Nature's answer." Max Planck
“It doesn't matter how beautiful your theory is, it doesn't matter how smart you are. If it doesn't agree with experiment, it's wrong.” Richard P. Feynman
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Auteur : Université de Bordeaux
Merci d'envoyer vos remarques à : ulysse.delabre@u-bordeaux.frContributeurs : Ulysse DELABRE, Rodolphe BOISGARD, Franck GOBET, Delphine COURSAULT, Jean OBERLE, Nicolas-Alexandre GOY
- Expériences AGREGATION-MEEFThis section
Vers une démarche expérimentale à la maison à un niveau MEEF / préparation à l'agrégation (interne/ externe)
L'enseignement de la physique passe régulièrement par des exemples vécus dans la vie de tous les jours.N'oubliez pas que les lois de la physique restent valables dans vos cuisines, salles de bain et autres garages....La possession d'un smartphone et d'un ordinateur ouvre de nouvelles possibilités pour développer une approche expérimentale quantitative dans vos maisons ou appartements avec un soucis d'esprit critique.C'est également une belle occasion pour développer son ingéniosité et avoir un tout autre regard sur des objets du quotidien. Nous vous conseillons en autres les outils python (jupyter notebook et Spyder) pour l'analyse des données et les applications Phyphox ou Physics Toolbox sur smartphone pour l'acquisition de données.Nous avons identifié un certain nombre d'expériences dans différents domaines de la physique. La liste n'est pas exhaustive et est amenée à évoluer. Toutes vos propositions sont également les bienvenues.La structuration est la suivante:- définition de la problématique avec challenge à relever, une liste de matériel, généralement une photo du dispositif- un dossier dans lequel vous déposerez vos contributions (pdf ou sortie html de vos compositions sous jupyter notebook par exemple)- un forum sur le thème associé pour échanger- les manips et analyses faites par la ou les personnes ayant proposé le problème sur ce site (bref, nous);contributions que nous déposerons au fur et à mesure de vos avancées. On a déposé notre travail sur le résonateur de Helmoltz pour vous donner l'esprit de l'exercice.Thème relevant de la thermodynamique, de la mécanique, de l'acoustique
Une bouteille de Bordeaux (vidée en partie ou totalité de son vin) est un magnifique résonateur de Helmoltz.
Après avoir regardé la théorie sous-jacente sur le net, nous vous proposons de mettre en place un protocole expérimental permettant d'extraire le rapport Cp/Cv de l'air.
Matériel: une bouteille de bordeaux, smartphone, micro, un verre doseur, du souffle
Thème relevant de l'optique géométrique; mesure de longueur
Ce n'est pas tous les jours que l'on a l'occasion de mesurer la taille d'un objet de plus de 1 million de km... Avec un minimum de bricolage, et en considérant que le soleil est à 8 minutes lumière de la terre,faîtes une mesure (sans vous mettre en danger pour la vue!) du diamètre du soleil.Matériel: un tube (long de préférence), du papier aluminium, du papier, un compas ou une aiguille, des pinces peuvent être pratique....Vous êtes sec? Pensez à "sténopé".Thème relevant de l'acoustique, de la physique des ondes
Pour les possesseurs d'une guitare (un jouet pour enfant fera l'affaire...), mettre en évidence proprement la loi d'échelle entre la fréquence du fondamental de l'onde acoustique générée par le pincement d'une corde de guitare et sa longueur effective.Matériel: guitare, smartphone, on fait de la physique pas besoin d'être musicien....Thème relevant de la physique des ondes, de l'optique
Montrez proprement la loi de puissance reliant l'éclairement d'une source lumineuse en un point donné et la distance source - ce point.Matériel: lampe de chevet ou de bureau, un smartphone, un mètre ou une règleThème relevant de la dynamique des fluides
Avec pas grand chose (une bouteille plastique, un réglet et un chronomètre), illustrez quantitativement une application de la loi de Bernouilli à travers des caractéristiques de la vidange d'un réservoir. Faire une étude systématique en fonction du diamètre du trou.Matériel: Au minimum: une bouteille en plastique, un réglet, un chronomètre, de l'eau, une aiguille ou la pointe d'un compas. Pour des trous un peu calibré: une perceuse avec des forets de différents diamètres, un pied à coulisse est un plus.Thème relevant de la dynamique du solide
Mesurez la pseudo-période d'oscillation d'une boite de conserve ou d'un rouleau de scotch lesté avec le smartphone.Confrontez avec un modèle (possible casse tête en perspective!)Matériel: un cylindre creux (boîte de conserve, rouleau de scotch), un smartphone, un peu de papier et un bon crayon pour la modélisation...Thème relevant de l'optique géométrique
Manip pas géniale mais économique (dixit Rodolphe)....Mesure de grandissement dans un verre d'eau. Modélisez et en déduire l'indice de l'eau.Passez à l'huile ensuite.Matériel: un verre d'eau, une paille, un système de prise d'image, smartphone, webcamThème relevant de l'acoustique, de la physique des ondes
Cherchez les fréquences des modes propres d'un tube ouvert aux deux extrémités ou fermé sur un côté.Modélisez, en déduire la vitesse du son dans l'airMatériel: un tube, un smartphone, un micro d'écouteur, un PC pour analyser le signal par FFT (Python est votre ami).Thème relevant de l'acoustique, de la physique des ondes
Après avoir monté une petite balançoire, étudiez les battements générés par l'effet Doopler par deux émetteurs sonores. Retrouvez la vitesse de l'émetteur mobile.Matériel: avoir 2 smartphones émetteurs et un 3ème récepteur (mais un PC fera l'affaire). Trouver dans son bazar de quoi faire une balançoire: voir photo en pièce jointe.Thème relevant de la thermodynamique
Un thermos n'est rien d'autre qu'un vase Dewar. Mesurez les chaleurs thermiques de l'eau, la chaleur latente de fusion de la glace.Matériel: Thermos, thermomètre de cuisine, frigo, congélateur.Idée cadeau: un four constitue une belle étuve: tester la mesure de capacité thermique d'un solideThème relevant de la thermodynamique et de l'énergétique
Mesurer le temps nécessaire pour faire bouillir différentes quantités d'eau. Trouver la relation entre cesdeux grandeurs à travers un bilan de puissance. En déduire la puissance de la bouilloire. Comparer avec des grandeurs constructeurs. Pour ceux ayant une information constructeur un peu précise sur la puissance de leur bouilloire inversez la problématique et mesurez la capacité thermique de l'eau!
Matériel: bouilloire, verre doseur, balance, thermomètre, un chronomètre, de l'eau...Thème relevant de l'optique géométrique
Un verre cylindrique rempli d'eau n'est rien d'autre qu'une lentille épaisse. Néanmoins pour cette géométrie particulière (lentille boule) on montre que les plans principaux et les points nodaux sont confondus avec le centre de courbure: ce système se comporte comme une lentille mince! C'est donc partie pour une étude focométrique via la détermination de la relation de conjugaison. Montrer la loi d'échelle entre distance focale et rayon de courbure, en déduire l'indice de l'eau. Recommencez avec de l'huile.Matériel: lampe de bureau ou de chevet, bouquins bien épais pour faire un diaphragme et une fente, un papier pour écran, des règles et tous les récipients cylindriques que vous avez chez vous: petits et grands verres, bocaux, chope de bières..., de l'eau, de l'huile.Thème relevant de l'optique ondulatoire
Du classique: avec un pointeur laser mesurez (avec barres d'erreur) le pas des CD et DVD. Comparer avec des valeurs constructeurs. Faîtes la manip avec un disque BlueRay - CommentezMatériel: CD, DVD, Blue-Ray, du carton, des bouquins, un pointeur laser. Si pas de pointeur laser, passez à la manip suivante.Thème relevant de l'optique ondulatoire
Vos CD et DVD constituent de beaux réseaux de diffraction. Rappel: pas du CD: 1590 nm ou 1497 nm; pas du DVD: 740 nm. Mesurez la gamme en longueur d'onde du spectre du visible. Astuce: utiliser un verre rempli en eau pour faire un faisceau de lumière parallèle (voir "relation de conjugaison du verre rempli en eau")Matériel: CD, DVD, du carton, des bouquins, une lampe de chevet ou de bureau, une règle, un verre d'eauBonus: ceux qui ont une lampe à hydrogène chez eux peuvent mesurer la constante de Rydberg....Thème relevant de la mécanique non galiléenne
Votre essoreuse à salade constitue un magnifique référentiel non galiléen. C'est encore mieux si elle est usée: en plus de l'accélération centrifuge, une rotation saccadée du système conduira également à une accélération tangentielle. Nous vous proposons d'étudier ces deux composantes avec votre smartphone. Avec Phyphox paramétrez une nouvelle expérience en mesurant simultanément les vitesses de rotation (gyroscope) et les accélérations (accelerometer).Identifiez bien les axes des capteurs et lancez la rotation. Montrez la loi d'échelle entre accélération centrifuge et vitesse angulaire. Comparez l'accélération tangentielle avec la dérivée temporelle de la vitesse angulaire. Commentez.Matériel: Une essoreuse à salade, un smartphone, un peu de papier pour caler le smartphone et qu'il soit horizontal, un PC pour l'analyse des données.Thème relevant de l'optique géométrique
Une paire de lunette de lecture permet de réviser ses gammes en focométrie. Mesurez la distance focale de ces verres correcteurs par différentes techniques: relation de conjugaison, méthode de Bessel, méthode de Silbermann. Prendre soin de mettre des barres d'erreur; comparez. En déduire la vergence de la paire de lunette. Comparez avec la notice constructeur (ou des préconisations de l'analyse ophtalmologique....)Matériel: Une paire de lunette de lecture, une source de lumière (lampe LED smartphone, ou filament ampoule lampe de bureau ou de chevet), chaises ou tabouret, paroi blanche, mètre ruban (ou ficelle et règle)Thème relevant de la dynamique du solide
Le roulement d'une boite de conserve ou d'un ballon de foot sur une planche inclinée constitue une expérience type permettant une discussion avec un modèle de roulement sans glissement d'un cylindre plein ou d'une sphère creuse. Faites une acquisition d'image du roulement de différents objets. Avec l'outil de suivi "Tracker" (téléchargeable gratuitement sur le web), étudier l'évolution de la position du centre de gravité du système en fonction du temps. En déduire l'accélération du centre de masse et comparez sa valeur avec celle que l'on aurait pour un objet glissant sans frottement. En déduire la valeur du centre d'inertie de l'objet sur l'axe de symétrie parallèle à l'axe de rotation. Comparez avec la théorie.Matériel: une planche, un mur ou des bouquins pour incliner la planche sur un angle pas trop grand pour éviter le glissement dans le roulement, ballon, boule de pétanque, boite de conserve sans fond, bocal plein de terre, système de prise image - webcam, smartphone, PCThème relevant de la dynamique du solide
Faites une acquisition d'image du roulement d'une boite de conserve évidée avec une mire à deux points, l'un indiquant l'axe de symétrie passant par le centre d'inertie. Avec l'outil de suivi "Tracker" (téléchargeable gratuitement sur le web), étudier l'évolution de la position du centre d'inertie du système ainsi que l'angle de rotation du cylindre en fonction du temps. Faire un bilan d'énergie du système (attention il y a 3 contributions!). Si l'énergie mécanique n'est pas conservée, estimez le moment du frottement de roulement et calculez l'énergie dissipée par cette composante trop souvent négligée (voir oubliée) des actions de contact.... CommentezMatériel: une planche, un mur ou des bouquins pour incliner la planche (angle pas trop élevé pour ne pas avoir de glissement), boite de conserve sans fond ou bocal plein de terre, système de prise image - webcam, smartphone, PCThème relevant de l'optique ondulatoire
Maelle nous propose une manip de diffraction de la lumière par une fente à la maison, sans lentille ni fente prédécoupée.... A noter l'utilisation d'un filtre original....
Challenge à relever pour aller plus loin: essayez la prise d'image par webcam pour mettre en évidence un sinus cardinal dans la distribution spatiale de lumière...
Modes propres de vibration d'un vase avec anses, Beer Lambert avec du thé, effets non linéaires dans un pendule, et d'autres choses à faire avec étagères, billes etc .... L'imagination a peu de limite!