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Concevoir et réaliser des expériences de physique Initiation à la recherche App

Concevoir et réaliser des expériences de physique Initiation à la recherche Application aux TIPE, TPE et MPS Projets L1 et L2 François Petitet-Gosgnach Préface de Pierre Léna François Petitet-Gosgnach Concevoir et réaliser des expériences de physique Initiation à la recherche Application aux TIPE, TPE et MPS Projets L1 et L2 Préface de Pierre Léna Avec la participation de Dominique Meier en électronique Pour toute information sur notre fonds et les nouveautés dans votre domaine de spécialisation, consultez notre site web : www.deboeck.com © De Boeck supérieur s.a., 2013 Rue des Minimes, 39 B-1000 Bruxelles Maquette intérieure : PAO Patrick Leleux Tous droits réservés pour tout pays. Il est interdit, sauf accord préalable et écrit de l’éditeur, de reproduire (notam- ment par photocopie) partiellement ou totalement le présent ouvrage, de le stoc- ker dans une banque de données ou de le communiquer au public, sous quelque forme et de quelque manière que ce soit. Imprimé en Belgique Dépôt légal : Bibliothèque nationale, Paris : avril 2013 Bibliothèque royale de Belgique : 2013/0074/119 ISBN : 978-2-8041-7639-6 III L’auteur François Petitet-Gosgnach, ancien élève de l’École Normale Supérieure de Saint-Cloud (ENS Lyon), est professeur agrégé de Chaire Supérieure en CPGE au lycée Blaise Pascal de Clermont-Ferrand. Son expérience a été enrichie par les étudiants et les collègues des CPGE des lycées Lafayette (63), Leconte de Lisle (la Réunion), mais aussi du lycée Louis le Grand (75), dans lesquels il a enseigné. Remerciements Je ne peux qu’exprimer mon admiration pour Pierre Léna, qui, en parallèle d’une si brillante carrière d’astrophysicien, prend le temps de se pencher sur les plus petits autour d’expériences simples en mettant « la main à la pâte ». Son exemple m’a permis d’oser faire, et je l’en remercie. Au sommet de la montage, il tend encore la main à celui d’en bas, en prenant le temps de regarder, d’analyser et même d’encourager avec une préface. Que Pierre Léna reçoive toute ma gratitude et mon plus profond respect. Je tiens à remercier Claude Boichot pour son amitié, son soutien, ses encourage- ments, et enfi n son investissement au cours de la fi nalisation de cet ouvrage. Un très grand merci à Dominique Meier qui m’a incité à inclure une partie « élec- tronique » et a rédigé la partie fi ltrage et capteurs. Merci à Frédéric Lasserre pour nos discussions et sa contribution sur les incertitudes. Merci infi niment à Marie-Christine Pâris et Marc Venturi pour leur travail de relecture très attentif et fructueux. Un grand merci à ma famille que j’aime. À mes parents, Annie et Pierre, qui m’ont appris à regarder la Nature et à faire. À mon épouse, Mag, et mes enfants pour leur soutien et leur patience au cours de la rédaction de cet ouvrage, mais aussi au cours des 10 années passées à concevoir et fabriquer dans mon atelier pour les étudiants en délaissant souvent leur propre compte ; merci à Mag pour son indispensable et forcé- ment diffi cile première relecture ; merci à Cécile, Raphaël, Valentin, Matéo, Samuel et Judicaël pour le prêt de leurs mains au cours de nombreux clichés. Je leur dédie ce livre. Je remercie Fabrice Chrétien de chez De Boeck pour la confi ance qu’il a accordée d’emblée dans ce projet et son investissement pour le mener à bien. La pertinence et la fi nesse de ses questions m’ont permis de peaufi ner la rédaction et la struc- ture de l’ouvrage. Merci à Emilie Roche de chez De Boeck pour sa gentillesse, la précision et la qualité de son travail. Merci à tous les deux pour leur disponibilité. Merci au personnel de laboratoire du lycée Blaise Pascal, Adeline Jean, Guillaume Diesner (coupe de verre), Marie Bugnot pour leur bienveillance et leur aide, et bien sûr, Françoise Gallon qui met en place inlassablement depuis des années la IV grande quantité de matériel nécessaire à chaque séance de travail. Richard Escudé (professeur attaché de labo) et Vincent Barret (technicien) qui au cours de leur passage par le lycée ont aidé de toutes leurs forces à la réalisation d’expériences. Merci à Th ierry Falip et Mickaël Zenou (ATOSS au lycée Blaise Pascal) pour leur savoir-faire, leurs conseils et leur aide. Je tiens à remercier tous les professionnels qui sans le savoir m’ont tant appris. D’abord Nicolas Balmy (architecte Spirale à Limoges et Paris) qui m’a ouvert les yeux depuis longtemps sur sa passion du monde du bâtiment. Les artisans Pierre Hebrard (menuisier à Chanat-la-Mouteyre), Antonio Di Nallo (maçon à Gerzat), Georges Genestier (garagiste aux Martres de Veyre). Merci également à Jean-Yves Ferrère pour la PID, M’Doihoma René-Paul pour sa maîtrise du verre et de l’aquariophilie. Tous mes remerciements à Laurent Gagnard de la société Chauvin-Arnoux pour son prêt de caméra thermique, Marc Mégemont et M Lopes de la société Saual 63 pour l’usinage de pièces d’aluminium, et à Lionel Burnichon EJM-Plastiques qui m’a fait découvrir le monde des matières plastiques et qui s’est pris au jeu de la conception et du montage de propotype de souffl erie. Un grand merci à tous les étudiants avec qui j’ai eu le plaisir de travailler pendant toutes ces années. Leur enthousiasme, leurs regards parfois émerveillés et leur confi ance, furent des encouragements permanents dans cette démarche d’initia- tion à la recherche. C’est grâce à eux tous et notre travail d’équipe que l’idée de cet ouvrage est né. Soyez assurés de mon plus grand respect. Je remercie ceux que j’ai sollicités pour des photographies et qui ont tous répondu très vite par l’affi rmative sans aucune restriction. Toutes les photos ont été réalisées par l’auteur sauf celles de travaux eff ectués par : p. 225 à 233 Meier Dominique ; p. 9, 52, Favre J.-B. et Magnaud C. ; p. 117, Hours L., Moursli S. ; p. 69, Bourcheix C. et Monnin F ; p.190, Breton S. et Emadzadeh D. ; p. 22, 164, 166, 167, Liaboeuf R. et Bourdier J. ; p. 280, Fustier M. et Tournaire L . ; p 28,141, André S. et Emadzadeh D. ; p.135, 184, Dubois J. et Robert T. ; p.102 Cibié A. et Duméry L. ; p. 36 El-Garrai Y. ; p. 259, Leymarie A. et Poux R. ; p. 70, 72, Chevrou F. et Gendraud C. ; p. 27, 57, 68, Rostagnat P. ; p. 202, Guglielmi S. et Ventura J. ; p. 237, Bertrand F. et Gaydon A. ; p. 50, 118, Bourdier J. et Nadot M. ; p. 56 Dessert H. et Vidal A. ; p.70 (hélicoptère) Tour- reau E. et Vidal A. ; p.7, 83,129, 264, Boissard N-Gras C ; p. 67, Boiteux J-Peretti A ; p.172, 208, Aït El Maati A-Dessert H ; p. 67, Malgouyres L-Pradeilles B ; p.123, 155, Enjalbert G. et Fabre S. ; p. 68, Chometon Q. et Monange E. V Sommaire Préface ................................................................................................. XI Avant-propos ..................................................................................... XIII Mode d’emploi ................................................................................... XVI Chapitre 1 Introduction et cadrage du sujet .................................................... 1 1 Introduction .............................................................................. 2 2 Contraintes et spécifi cités du travail .......................................... 3 3 Qu’est-ce que créer une expérience ? ......................................... 3 4 Pour chercher et cadrer le sujet .................................................. 5 4.1 Les diff érentes étapes de la recherche ........................................ 5 4.2 Comment cadrer le sujet et se documenter ................................ 7 4.3 Comment exploiter et analyser un document scientifi que (ADS) ........................................................................................ 11 Chapitre 2 Comment concevoir et réaliser ...................................................... 17 1 Le phénomène, ses équations maîtresses ................................... 18 2 Évaluer des ordres de grandeurs, comment dimensionner ......... 20 2.1 Une étape indispensable ............................................................ 20 2.2 Observation de systèmes existants ............................................. 20 2.3 Recherche dans des documents scientifi ques ............................. 21 2.4 Ordre de grandeur expérimental : « essai préliminaire » ............ 21 2.5 Exploitation des équations maîtresses en « ordre de grandeur » 22 2.6 Nombres adimensionnés............................................................ 24 2.7 Réduction d’échelle, maquettes (« similitudes ») ........................ 24 2.8 Dimensionnement par la confection.......................................... 25 3 Système de mesure .................................................................... 26 4 Le cahier des charges, fonctions, formes et liaisons, spécifi cité des matériaux ............................................................................ 28 4.1 Comment établir un cahier des charges ..................................... 28 4.2 Exemple du banc de traction ..................................................... 30 4.3 Spécifi cités des matériaux et des liaisons ................................... 32 5 La réalisation ............................................................................. 33 6 Protocole expérimental .............................................................. 35 7 Exploitation et présentation du travail....................................... 37 7.1 La fi nalité du travail .................................................................. 37 7.2 Le suivi du travail ...................................................................... 37 VI Concevoir et réaliser des expériences de physique 7.3 Confrontation des résultats à un modèle .................................. 38 7.4 Détermination des incertitudes ................................................. 40 7.5 Présentation du travail ............................................................... 42 Chapitre 3 Comment produire et mesurer des grandeurs mécaniques ..... 45 1 Pour maîtriser les géométries, positions, épaisseurs, courbures, directions ................................................................................... 46 1.1 Mesure de dimensions (statique) du micromètre à 10 m ........... 46 1.2 Mesure de position (quasi-statique) .......................................... 48 1.3 Direction ................................................................................... 49 1.4 Mesure de courbure .................................................................. 50 2 Pour étudier des mouvements ................................................... 50 2.1 Système photodiode/laser .......................................................... 50 2.2 Potentiomètre rotatif ................................................................. 55 2.3 Mesures par induction ............................................................... 60 2.4 Acquisition d’images et vidéos .................................................. 64 3 Comment exercer et mesurer les uploads/Geographie/ tipe.pdf