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mardi 12 décembre 2017
icar Vesion anglaise

THEME: 2nde- Exploration de l'espace, de l'atome aux galaxies
  -  _ (Anciens programmes)  -  Physique

Activité 2: Comment la physique fonctionne-t-elle ? Un exemple historique.

 

Le texte qui suit illustre, à partir d’un exemple historique important, quelques caractéristiques du fonctionnement de la physique. Après la lecture du texte, répondre aux quelques questions qui suivent.

L'évolution des idées au sujet de la gravitation

Le modèle de Newton
Le physicien Isaac Newton, à la fin du XVIIème siècle, a établi un modèle pour rendre compte de deux phénomènes a priori très différents :
            - Lorsqu’on lâche un objet, il tombe au sol.
            - La Lune est en orbite autour de la Terre, et d’après les travaux de Copernic (deux siècles plus tôt) les planètes, dont la Terre, sont en orbite autour du Soleil.
Afin de décrire et d'interpréter ces phénomènes Newton établit un modèle appelé plus tard Gravitation Universelle. Ce modèle indique que tout objet exerce sur un autre objet une force attractive appelée force de gravitation. Il donne également une formule qui permet de calculer la valeur de cette force en fonction des masses des objets et de la distance qui les sépare.
Ce modèle permet d’interpréter :        
- la chute d’un objet sur Terre par la force de gravitation que la Terre exerce sur cet objet.
           
- le mouvement de la Lune autour de la Terre par la force de gravitation exercée par la Terre sur la Lune.

- le mouvement des planètes autour du soleil par la force de gravitation exercée par le Soleil sur celles-ci.

En plus de fournir une interprétation satisfaisante à des phénomènes déjà observés, le modèle de Newton a permis de prévoir d’autres phénomènes. Voici par exemple comment on a découvert la planète Neptune. Au début du XIXème siècle, des astronomes mesurèrent la vitesse de la planète Uranus mais la valeur mesurée était différente de la valeur prévue par le modèle de Newton ! Certains physiciens en ont conclu que le modèle de Newton n’était pas pertinent pour rendre compte des orbites des planètes lointaines et qu’il fallait le corriger. D’autres ont pensé que le mouvement d’Uranus était perturbé par une autre planète encore plus lointaine. L’un d’eux, nommé Urbain Le Verrier utilisa alors le modèle de Newton pour établir qu’une 8e planète d’une masse égale à 1026 kg gravitait à une distance du soleil de 4,5 milliards de kilomètres. Quelques temps après, Neptune a pu être observée à l'endroit prévu. Cet événement marqua le triomphe du modèle de Newton, et c’est sans doute pour cela que longtemps les physiciens pensèrent qu’il ne serait jamais remis en cause. C’est pourtant ce qui arriva au début du XXème siècle avec Einstein.

Le modèle d’Einstein
Le mouvement de Mercure n’était pas non plus exactement identique à celui prévu par le modèle de Newton : en effet, la valeur mesurée au début du XXème siècle pour la période de la révolution* de Mercure autour du Soleil était légèrement inférieure à la durée obtenue à l'aide du modèle de Newton. Seulement, le modèle newtonien jouissait d’un tel crédit que tout le monde pensait que c’était la mesure qui manquait de précision et que cela ne remettait donc pas en cause le modèle.
Albert Einstein, en 1917, publia sa fameuse théorie de la relativité générale. Cette théorie introduit un autre modèle de la gravitation, différent du modèle de Newton : pour Einstein il n’existe pas de force de gravitation, mais la présence d’un astre est communiquée aux astres voisins par des "ondes gravitationnelles" progressant à la vitesse de la lumière. Ce nouveau modèle, beaucoup plus compliqué, peut permettre d’obtenir pour certains phénomènes les mêmes résultats que le modèle de Newton, mais pour d’autres des résultats inaccessibles par le modèle de Newton. Ce modèle permit en particulier d’interpréter la valeur expérimentale de la période de révolution de Mercure.
Aujourd’hui on utilise toujours le modèle newtonien pour prévoir les mouvements des objets à la surface de la Terre (un lancer d’une balle par exemple), mais seul le modèle d’Einstein permet d’interpréter certains phénomènes cosmiques tels les trous noirs et de rendre possible le positionnement par satellite (GPS).

*période de révolution : durée nécessaire pour que la planète fasse un tour autour du soleil.

  1. a) Citer un événement évoqué dans le texte qui est bien interprété par le modèle de Newton.
    b) Citer un événement évoqué dans le texte qui illustre le fait que le modèle de Newton a des limites.
  2. Avec les moyens actuels, on connaît plus précisément qu’au début du siècle la mesure de la période de révolution de Mercure. Quel(s) modèle(s) permet(tent) de trouver une valeur en accord avec cette mesure ?
    - Le modèle de Newton           - Le modèle d’Einstein             - Les deux
  3. Pourquoi, dans certaines situations a-t-on intérêt à continuer à utiliser le modèle antérieur (ce sera par exemple le cas cette année pour le modèle de Newton) ?
    a) Un événement donné peut-il valider un modèle ?
    b) Un événement donné peut-il invalider un modèle ?
  4. Pour chacune des lignes 4, 5, 6 et 7 du tableau de l’activité 1, cocher (avec une autre couleur) la case qui rend compte du point de vue "défendu" par le texte.
  5. Avec les moyens actuels, on connaît plus précisément qu’au début du siècle la mesure de la période de révolution de Mercure. Quel(s) modèle(s) permet(tent) de trouver une valeur en accord avec cette mesure ?


Préparation: Comment la physique fonctionne-t-elle ? Un exemple historique.

La lecture du texte et les réponses aux questions peuvent être faites à la maison.

Nous avons rédigé le texte à partir de sources multiples, celui-ci n’est donc pas extrait d’un manuel. Nous souhaitions en effet y faire figurer un certain nombre de traits caractéristiques du fonctionnement de la physique sur un exemple relativement simple qui sera de plus évoqué dans le cours de l’année (force d’interaction gravitationnelle).  

C’est à l’issue de cette activité et après avoir « corrigé » les différentes questions, en organisant le débat, que le professeur peut faire échanger les élèves sur les réponses formulées au cours de l’activité 1, en proposant éventuellement les réponses de l’échantillon de professeur.

Il est tout à fait normal que le professeur oriente le débat selon son point de vue et assume ce point de vue devant les élèves, tout en laissant éventuellement quelques questions en suspend (au sens où il ne revient pas au professeur de physique de les trancher).

A la fin de l’institutionnalisation, le professeur peur dégager les points qui sont décrits dans le paragraphe suivant.

Savoir: Comment la physique fonctionne-t-elle ? Un exemple historique.

Concernant la première partie de l’activité 1 et en échos aux réponses de l’activité 2, on doit pouvoir dégager les grandes lignes suivantes :

·           La physique est une science expérimentale qui étudie la matière et les rayonnements, leurs interactions, leurs propriétés.

·           La physique conduit à de nouvelles découvertes dans les théories élaborées ; ces découvertes débouchent  parfois et plus ou moins rapidement sur de nouvelles applications technologiques. L’utilisation des connaissances élaborées par la physique échappe aux physiciens ; de ce fait, ce n’est pas le rôle de « la physique » de dire si elle a pour objectif de faire de ce monde un meilleur endroit pour vivre. Cela n’empêche pas le physicien de prendre pleinement sa place de citoyen dans la société et d’avoir une opinion sur le sujet en débat.

·           Quand on fait de la physique on peut être amené à appliquer des formules mathématiques mais ce n’est pas le but de la physique, elle ne consiste pas en cela.

·           Faire de la physique nécessite d’utiliser des théories et des modèles pour décrire et interpréter le monde autour de nous.

·           Pour faire de la physique, on est le plus souvent conduit à mettre au point et réaliser des expériences qui nécessitent souvent de faire des mesures.

·           En physique, certaines théories peuvent être remises en cause et complétées par de nouvelles théories.

   

Concernant la nature des modèles, le professeur pourra proposer tout ou partie des alinéas suivants :

·           En physique et en chimie, pour décrire, expliquer et prévoir des événements, on utilise des modèles qu’on doit mettre en relation avec les objets et les événements du monde matériel.

·           Un modèle est un ensemble de connaissances, souvent abstraites, qui utilise des concepts et éventuellement des relations mathématiques. Il est extrait, en fonction de la situation à étudier, d’une ou plusieurs théories plus générales.

·           Un modèle a un champ de validité qui englobe toute les situations et tous les « problèmes » que le modèle peut traiter. Hors de ce champ de validité, on doit avoir recours à un modèle plus général ou à un modèle différent.

·           Les modèles actuels ont été construits progressivement par les physiciens au cours de l’histoire et un modèle est donc quelque chose d'évolutif (qui s’affine ou est abandonné) au fur et à mesure de l’avancée de la science.

·           Un modèle est considéré comme valide tant qu’il n’est pas mis en défaut par des observations ou mesures.

·           Deux modèles différents peuvent être utilisés pour une même situation mais selon la question qu'on se pose, un modèle peut être plus adapté qu’un autre pour répondre.

Corrigé: Comment la physique fonctionne-t-elle ? Un exemple historique.

1.         a) Le mouvement de la Lune autour de la Terre est bien interprété par le modèle de Newton (choisir un des 3 exemples du début).

          b) la vitesse de la planète Uranus ou la période de révolution de Mercure

2.  Seul le modèle d’Einstein permet de trouver une valeur en accord avec la mesure

3. Dans certaines situations on a intérêt à continuer à utiliser le modèle antérieur  car il est plus simple tout en donnant des résultats conformes aux observations et mesures.

4. a) Un événement ne peut pas valider un modèle, il permet juste de ne pas le réfuter s’il est en accord avec le modèle. Même si la découverte de Neptune à l’endroit prévu a été un réel succès pour le modèle de Newton, elle n’a en rien validé le modèle au sens où elle lui aurait donné une portée absolument générale. Attention, en cous de physique, le professeur a tendance à procéder par induction en généralisant sans précaution une observation. Il convient de bien préciser aux élèves qu’on généralise par exemple la loi d’Ohm à partir d’une série de mesures mais qu’on a strictement rien prouvé.

    b) Un événement donné peut invalider un modèle.

5.         Ligne 4 : plutôt pas d’accord

          Ligne 5 : tout à fait d’accord

          Ligne 6 : plutôt d’accord (pour l’aspect mesure) même si ici les expériences ne sont pas faites par le physicien.

          Ligne 7 : tout à fait d’accord.

But: Comment la physique fonctionne-t-elle ? Un exemple historique.

Nous avons souhaité illustrer sur un exemple précis certains aspects évoqués au cours de l’activité 1.

Ceci permet à l’élève de donner du sens à certaines idées qui restent sans doute à ce stade encore flou.

De plus, le texte permet de préciser l’usage et la fonction d’un modèle, ainsi que d’aborder les processus de validation d’un modèle et la notion de champ de validité.