sciences - saskatchewan learning · professeur de didactique des sciences université de la...

SciencesPhysique 20, 30Programme d'étudespour 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 laSaskatchewan : le masculin et le féminin y sont utilisés en alternance d'une section à l'autre

Physique 20, 30 – Remerciements – P. i

RemerciementsLe ministère de l'Éducation de la Saskatchewan tient à remercier de leur contribution professionnelle et de leursconseils les membres suivants du Comité consultatif sur les programmes de sciences :

Membres actuels du Comité consultatif :

Glen AikenheadProfesseur de didactique des sciencesUniversité de la Saskatchewan

Ray RystephanickAdjoint au doyen, Faculté des sciencesProfesseur de physiqueUniversité de Regina

Ingrid BenningEnseignanteCommission scolaire de Saskatoon no 13

William ShumayDirecteurCommission scolaire catholique de SwiftCurrent no 11

Isabelle CampeauEnseignanteCommission scolaire de Regina no 4

Ron SteerProfesseur de chimieUniversité de la Saskatchewan

Ross DerdallCommissaire (SSTA)Commission scolaire d'Outlook no 32

Peter StrohEnseignantCommission scolaire catholique de St-Paul no 20

Shannon DutsonDirectrice adjointeCommission scolaire de Potashville no 80

James TaylorEnseignantCommission scolaire de Saskatoon no 13

Wayne KielDirecteurCommission scolaire de Buffalo Plains no 21

Ernest TothAdjoint au directeur de l'éducation(LEADS)Commission scolaire de Buffalo Plains no 21

Dorothy MorrowCommissaire (SSTA)Commission scolaire de Nipawin no 61

Lyle VinishAdjoint exécutifFédération des enseignants et enseignantes de laSaskatchewanSaskatoon

Larry MossingEnseignantCommission scolaire de Regina no 4

Randy WellsIMEACLa Ronge

Anciens membres du Comité consultatif : Frank Bellamy, Joan Bue, Mary Hicks, George Huczek, VlademirMurawsky, Lynn Phaneuf, Bill Toews.

De plus, le ministère de l'Éducation de la Saskatchewan désire reconnaître la contribution de nombreuses autrespersonnes 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 etde l'enseignement, ministère de l'Éducation de la Saskatchewan, et traduit et adapté par le Bureau de la minorité delangue officielle du ministère de l'Éducation de la Saskatchewan.

P. ii – Physique 20, 30 – Avant-propos

Avant-proposLe renouvellement des programmes d'études enSaskatchewan est basé en grande partie sur lerapport Directions de 1984. L'intérêt suscité par lesrecommandations pour un nouveau tronc communcontinuera à grandir avec l'implantation desprogrammes destinés à préparer les élèves au XXIesiècle.

Les sciences sont un des domaines d'étudeobligatoires. Elles incorporent les apprentissagesessentiels communs, la dimension adaptation (oupédagogie différenciée) et les autres initiativesreliées au tronc commun.

Il faudra beaucoup de collaboration entre tous lesindividus et les groupes qui consacrent leurs effortsà atteindre, dans toutes les écoles de laSaskatchewan, l'objectif de l'alphabétismescientifique. Les enseignants et enseignantes desciences sont un élément clé du processus dechangement.

Physique 20, 30 – Table des matières – P. iii

Table des matièresRemerciements ............................................................................................................................................i

Avant-propos ..............................................................................................................................................iiIntroduction .......................................................................................................................................................................................................1Philosophie, finalité et buts du programme ...................................................................................................................................................1Finalité et buts ...................................................................................................................................................................................................1Documents connexes........................................................................................................................................................................................2Les facteurs de l'alphabétisme scientifique...................................................................................................................................................2Comment utiliser ce programme d'études ......................................................................................................................................................2Vue d'ensemble du programme........................................................................................................................................................................5L'approche science-technologie-société-environnement (approche STSE) dans l’enseignement des sciences...............................6Comment utiliser les ressources......................................................................................................................................................................6Les apprentissages essentiels communs (AEC)...........................................................................................................................................6Comment incorporer les apprentissages essentiels communs à l'enseignement de la physique..........................................................7Politique en matière d’égalité entre les sexes ................................................................................................................................................9Les perspectives et le contenu indiens et métis ...........................................................................................................................................9Les douze principes de la philosophie indienne.........................................................................................................................................10L'invitation des Anciens ................................................................................................................................................................................11Les approches pédagogiques .......................................................................................................................................................................12Enseignement, évaluation et buts des sciences .........................................................................................................................................14L'apprentissage à base de ressources..........................................................................................................................................................15

L'évaluation .....................................................................................................................................................................................................16Pourquoi doit-il y avoir évaluation?.............................................................................................................................................................16La démarche d'évaluation...............................................................................................................................................................................16L'évaluation des progrès de l'élève...............................................................................................................................................................17Liste de référence des méthodes d'évaluation............................................................................................................................................17L'évaluation de l'élève en physique..............................................................................................................................................................17La consignation des données .......................................................................................................................................................................19L'évaluation du programme............................................................................................................................................................................19L'évaluation du programme d'études............................................................................................................................................................20

L'organisation du programme .....................................................................................................................................................................21Les installations et l'équipement...................................................................................................................................................................21La sécurité ........................................................................................................................................................................................................21Les lentilles de contact...................................................................................................................................................................................24La sécurité au sens large................................................................................................................................................................................24Comment se débarrasser des produits chimiques ......................................................................................................................................24Comment organiser une excursion................................................................................................................................................................25Formulaire d'autorisation pour excursion ....................................................................................................................................................27

Facteurs de l'alphabétisme scientifique.....................................................................................................................................................28Aperçu global des programmes d’études de sciences ..............................................................................................................................28Explication 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 ................................................................................................................................................................................79Planification d’une unité ................................................................................................................................................................................81Unité modèle ....................................................................................................................................................................................................83Unités obligatoires et unités facultatives du programme d’études de Physique 20, 30.....................................................................105

P. iv – Physique 20, 30 – Table des matières

Physique 20 ...................................................................................................................................................................................................107Physique 20....................................................................................................................................................................................................109Unité obligatoire I : La physique du quotidien.........................................................................................................................................110

A. Introduction à la physique...........................................................................................................................................................111B. Découverte de la physique..........................................................................................................................................................112C. Mesure et analyse des données .................................................................................................................................................114

Unité obligatoire II : Le mouvement ondulatoire ......................................................................................................................................116A. Propriétés des ondes ....................................................................................................................................................................117B. Phénomènes ondulatoires............................................................................................................................................................120

Unité obligatoire III : La lumière ..................................................................................................................................................................124A. Caractéristiques de la lumière ......................................................................................................................................................126B. Réflexion .........................................................................................................................................................................................129C. Réfraction .......................................................................................................................................................................................137

Unité obligatoire IV : La chaleur..................................................................................................................................................................140A. Chaleur et température..................................................................................................................................................................141B. Chaleur spécifique et chaleur latente .........................................................................................................................................145C. Thermodynamique ........................................................................................................................................................................147

Unité facultative V : Le son..........................................................................................................................................................................149A. Applications...................................................................................................................................................................................150B. Propagation du son.......................................................................................................................................................................151C. Caractéristiques du son................................................................................................................................................................155

Unité facultative VI : L’optique...................................................................................................................................................................164A. Applications...................................................................................................................................................................................164B. Lentilles...........................................................................................................................................................................................168C. Optique physique..........................................................................................................................................................................172

Physique 30 ...................................................................................................................................................................................................179Physique 30....................................................................................................................................................................................................181Unité obligatoire I : la cinématique et la dynamique ................................................................................................................................182

A. Comprendre le mouvement ..........................................................................................................................................................184B. Quantités scalaires et vectorielles ..............................................................................................................................................186C. Distance et déplacement ..............................................................................................................................................................190D. Vitesse et vecteur vitesse............................................................................................................................................................191E. Accélération...................................................................................................................................................................................193F. Principes du mouvement de Newton..........................................................................................................................................196

Unité obligatoire II : L’énergie mécanique.................................................................................................................................................201A. Travail .............................................................................................................................................................................................202B. Puissance........................................................................................................................................................................................204C. Énergie cinétique...........................................................................................................................................................................205D. Énergie potentielle gravitationnelle ............................................................................................................................................206

Unité obligatoire III : L’électricité ...............................................................................................................................................................208A. Applications...................................................................................................................................................................................209B. Courant et différence de potentiel ..............................................................................................................................................211C. Circuits électriques........................................................................................................................................................................216D. Puissance et énergie électrique...................................................................................................................................................218

Unité obligatoire IV : La physique nucléaire .............................................................................................................................................221A. Radioactivité naturelle ..................................................................................................................................................................222B. Fission nucléaire............................................................................................................................................................................225C. Réacteurs nucléaires .....................................................................................................................................................................227

Unité facultative V : Les applications de la cinématique et de la dynamique.......................................................................................231A. Quantité de mouvement ...............................................................................................................................................................232B. Forces de frottement.....................................................................................................................................................................236C. Mouvement balistique..................................................................................................................................................................238D. Mouvement circulaire uniforme ..................................................................................................................................................244E. Gravitation universelle..................................................................................................................................................................246

Physique 20, 30 – Table des matières – P. v

Unité facultative VI : La mécanique des fluides........................................................................................................................................248A. Masse volumique..........................................................................................................................................................................249B. Pression ..........................................................................................................................................................................................250C. Principe de Pascal..........................................................................................................................................................................253D. Principe d’Archimède ...................................................................................................................................................................254E. Principe de Bernoulli.....................................................................................................................................................................255

Unité facultative VII : L’électromagnétisme ..............................................................................................................................................257A. Magnétisme....................................................................................................................................................................................258B. Électromagnétisme ........................................................................................................................................................................259C. Le principe du moteur (ou l’effet électromoteur)......................................................................................................................262D. Induction électromagnétique.......................................................................................................................................................264

Unité facultative VIII : La physique atomique ..........................................................................................................................................265A. Théorie atomique...........................................................................................................................................................................266B. Demi-vie et désintégration radioactive ......................................................................................................................................269C. Fusion nucléaire ............................................................................................................................................................................273D. Applications...................................................................................................................................................................................274E. Physique contemporaine..............................................................................................................................................................276

Physique 20, 30 – Introduction – P. 1

Introduction

Philosophie, finalité et buts duprogramme

La philosophie et l'esprit sous-jacent au renouveaude l'enseignement des sciences se reflètent nonseulement dans la finalité et les buts duprogramme, mais aussi dans les documentsélaborés pour étayer les nouveaux programmes,ainsi que dans les programmes de formationprofessionnelle élaborés et utilisés pourl'implantation. De plus, la philosophie del'enseignement des sciences est étroitement liée auconcept de tronc commun qui se trouve dans ledocument Directions.

La science en tant que corps de connaissances etprocessus d'investigation va au-delà de lacompréhension de lois abstraites et de principes quel'on trouve dans la nature. Avec les sciences, onpénètre dans le royaume de la technique et dessciences appliquées. De solides connaissances enscience permettent d'apprécier le rôle important quejouent les progrès technologiques. Celui ou celle quia de bonnes bases en sciences peut comprendre lesapplications qu'on en fait en agriculture, eningénierie, en médecine et dans d'autres domainesscientifiques.

Dans une société qui repose sur l'information etdont les membres se préoccupent de questions aussicomplexes et générales que la protection del'environnement, la manipulation génétique, laprolifération de systèmes d'armement de hautetechnologie, il est plus que jamais urgent etnécessaire d'avoir des citoyens et des citoyennes quisoient alphabètes scientifiquement parlant. Mêmes'il est difficile de trouver des solutions au genre deproblèmes mentionnés ci-dessus, la science montrela voie à suivre pour comprendre et aborder cesproblèmes. Elle offre une vision du monde qui,quand on la considère avec d'autres visions dumonde, responsabilise la société et lui donne lepouvoir de prendre des décisions éclairées etrationnelles reposant sur différentes façons deréfléchir aux problèmes.

Grâce à quelques scientifiques dévoués dont leleadership est exemplaire, des questions quipréoccupaient sérieusement la société ont mobilisél'attention du public. Des valeurs bien assimilées etclairement définies doivent étayer les décisions quel'on prend dans le domaine scientifique. Il faut

insister sur les principes moraux fondamentaux telsque le respect pour la dignité humaine, le respectpour toute forme de vie, la protection del'environnement, le besoin de promouvoir la paix etla compréhension parmi tous les peuples de la terreet bien d'autres principes de justice naturelle. Dansun monde où les progrès scientifiques ettechnologiques ont amené la création d'armesnucléaires (avec le danger potentiel que celareprésente pour la vie humaine), une prise dedécision claire et dictée par la raison s'impose enscience.

Tout bien considéré, prendre des décisionsrationnelles dans un monde apparemmentirrationnel est la responsabilité morale d'une sociétéinstruite et bien informée. Bien que la science neprétende pas apporter de réponses à tous lesproblèmes humains complexes, elle fournit lesconnaissances, les talents et les attitudesnécessaires pour commencer à attaquer cesproblèmes de façon unique.

Finalité et buts

Le but principal du programme de sciencesde la maternelle à la 12e année est dedévelopper l'alphabétisme scientifique. Maisen quoi consiste ce dernier?

Pour la Saskatchewan, on le trouvera défini dansles Aspects de l'alphabétisme scientifique quisont les fondements du programme rénové (Hart,1987). L'élève qui participe activement au nouveauprogramme de sciences peut désormais :• comprendre la nature de la science et des

connaissances scientifiques; la science est unefaçon unique d'acquérir un savoir;

• comprendre et appliquer correctementconcepts, principes, lois et théoriesscientifiques et saisir leurs interactions avec lasociété et l'environnement;

• se servir des procédés d'investigationscientifique pour résoudre des problèmes,prendre des décisions et approfondir sacompréhension des choses;

• développer de nombreuses habiletésscientifiques et technologiques; beaucoup onttrait à la mesure;

• se comporter avec les divers aspects de la sociétéet de l'environnement d'une manière qui soitconforme aux valeurs qui sous-tendent lascience;

• développer une manière unique de considérer latechnologie, la société et l'environnement à lasuite de l'enseignement qu'il ou elle a reçu

P. 2 – Physique 20, 30 – Introduction

et continuer sa vie durant à maintenir cetintérêt et cette attitude.

Chacun de ces aspects se compose de facteurs quisont à la base du programme d'études de sciences.Ces facteurs de l'alphabétisme scientifique sontdéfinis et illustrés à partir de la page 28. On lestrouve aussi dans chaque unité obligatoire, ainsique dans Sciences : Programme cadre dansl'optique du tronc commun (ministère del’Éducation de la Saskatchewan, 1991).

L'étude des sciences devrait aider les élèves à mieuxcomprendre le monde qui les entoure. L'objectifn'est pas que les élèves répètent les termes employéspar les enseignants et enseignantes et lesscientifiques pour décrire le monde, bien qu'ils etelles puissent le faire, mais qu'ils et elles créenteux-mêmes leurs propres schémas conceptuels de cequi les entoure dans la vie de tous les jours. Lesélèves doivent se rendre compte que ces concepts etles schémas qui expliquent comment ces conceptssont reliés entre eux sont expérimentaux et doiventêtre remis en question et révisés grâce à ladémarche d'enquête.

Documents connexes

Le ministère de l'Éducation de la Saskatchewan aélaboré les documents suivants pour appuyer leprogramme de sciences au secondaire :

Sciences : Programme cadre dans l'optique dutronc commun (ministère de l’Éducation de laSaskatchewan, 1991) renferme des sectionsimportantes sur la philosophie et la façon de pensersur lesquelles repose l'enseignement des sciences,ainsi que sur la planification des cours de lamaternelle à la 12e année. Certaines sections dudocument seront aussi utiles aux administrateurset administratrices, aux enseignants etenseignantes-bibliothécaires.

Sciences : Biologie 20, 30, Chimie 20, 30, Physique20, 30 : Liste de ressources, qui contient une listede ressources qu'on peut utiliser pour enrichir leprogramme de physique et pour favoriserl'apprentissage à base de ressources.

Les facteurs de l'alphabétismescientifique

On recommande à la personne qui doit utiliser ceprogramme d'études de prendre connaissance dudocument intitulé Sciences : Programme cadredans l'optique du tronc commun. Il fournit desrenseignements sur les facteurs de l'alphabétisme

scientifique. À partir de la page 28 de Sciences :Physique 20, 30 : Programme d’études pour lesecondaire, figurent la liste de ces facteurs, leurdéfinition et des exemples de cas où ces facteurssont importants ou peuvent être développés. Il estpossible de développer en physique un grand nombrede facteurs qui composent les aspects del'alphabétisme scientifique.

Tous les élèves n'aborderont pas ces facteurs avecles mêmes connaissances. Certains ne sauront quedes rudiments, d'autres seront plus avancés. Ilincombera donc à l'enseignant ou l'enseignanted'adapter le cours afin de tenir compte desdifférences.

Pour pouvoir traiter du plus grand nombre defacteurs possible et pour se concentrer sur ceux quiont été moins développés, il faut que l’enseignant oul’enseignante possède une connaissance approfondiede chaque facteur et sache bien planifier et analyserses cours. Lors de cette dernière opération, il doit sepencher 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 decompréhension, la force et les besoins de ses élèves.L'enseignant ou l'enseignante doit tracer desschémas conceptuels et vérifier les rapports entreles buts, les facteurs et les objectifs. On trouveradans la section du présent document « Guide deplanification de l'unité », des renseignementsgénéraux et spécifiques sur la planification d'uneunité et d'une leçon.

Le programme de sciences de la maternelle àla 12e année pour les écoles de laSaskatchewan permet de développer lesconnaissances, les habiletés et les valeursqui constituent les facteurs de l'alphabétismescientifique. Ce sont ces facteurs qui guidentle contenu notionnel de Sciences : Physique20, 30 : Programme d’études pour lesecondaire.

Comment utiliser ceprogramme d'études

Toutes les unités obligatoires ont la même structureet commencent par « Vue d'ensemble », quirésume l'unité et fournit des indications sur laphilosophie sous-jacente. Dans la section« Concepts clés », figurent les concepts abordésjusqu'en 10e année.

On trouvera dans la section « Facteurs del'alphabétisme scientifique à développer », laliste de ceux sur lesquels on mettra l'accent dansl'unité. Libre aux enseignants et enseignantes


d'insister sur les facteurs qu'ils estiment les plusappropriés, qu'ils figurent ou non sur la liste. Cettesection indique que les facteurs sont importants etqu'on doit en tenir compte lors de la planification del'unité. Cela ne veut pas dire qu'on doive se limiterà ces seuls facteurs.

La section « Objectifs généraux de la physiqueet objectifs des apprentissages essentielscommuns », définit ce que l'élève doit être capabled'accomplir dans le cours de Physique 20 et dans lecours de Physique 30. La formulation de cesobjectifs rappelle qu'un des buts premiers duprogramme de physique est l'intégration desapprentissages essentiels communs àl'enseignement des sciences. Ces objectifs généraux,comme leur nom l'indique, ne donnent que lesgrandes lignes. Étant donné que les objectifs desapprentissages essentiels communs s'acquièrenttout au long de la scolarité, il est possible quecertains élèves aient déjà acquis les rudiments d'unconcept dans un cours de sciences des annéesprécédentes ou dans d'autres domaines d'étude. Ilfaut alors les encourager à approfondir les conceptsrecommandés pour l'année scolaire, ainsi que ceuxque l'on juge convenir à cette unité.

Les objectifs généraux de la physique donnentune vue d'ensemble de l'unité. Ils lui donnent sastructure et son orientation générale. Quant auxrésultats d'apprentissage, qui servent àatteindre chacun des objectifs généraux, on ne lesmentionne que pour suggérer ce qui peut être faitpour y arriver. L'enseignant ou l'enseignante peutchoisir parmi les objectifs indiqués ou développer, depréférence avec les élèves, d'autres objectifs jugésappropriés pour la classe. C'est en étudiantattentivement ces résultats d'apprentissage que l'onpeut incorporer la pédagogie différenciée (dimensionadaptation) et atteindre les objectifs généraux dessciences et les objectifs des apprentissages essentielscommuns.

Ce n'est pas l'enseignement du contenu spécifique desunités de physique qui est critique, mais plutôt ledéveloppement de l'alphabétisme scientifique des élèves.Comme pour tous les cours de sciences de la maternelle àla 12e année, l'objectif premier du cours de physique est dedévelopper chez les élèves les facteurs composant les septaspects de l'alphabétisme scientifique.

Il y a des unités obligatoires dans Physique 20 et dansPhysique 30. Voir la figure 1, page 5. Le sujet ou les sujetsdes unités obligatoires servent à développer du contenu,un processus et des valeurs. On aura des élèvesalphabètes scientifiquement parlant si on insiste sur tousces domaines.

L'ordre dans lequel seront présentés les sujets est laissé àla discrétion des enseignants et enseignantes. Onconseille vivement d'organiser les sujets de manièrecréative; par exemple, modifier l'ordre dans lequel lessujets sont développés, ou intégrer plusieurs sujets.

Les traits saillants du schéma conceptuel (WebbingHighlights) et le schéma conceptuel lui-même quil'accompagne, sont une manière d'encourager à« revisiter » des sujets déjà couverts et seront signalés parle terme « schéma conceptuel » à côté de l'unité enquestion. Quand on renforce des notions précédemmentvues, on insiste sur la nature intégrée des connaissancesau sein de catégories utiles quoiqu'artificielles. La sectionsur le schéma conceptuel devrait constituer un point dedépart pour faire découvrir aux élèves et leur soulignerd'autres liens possibles.

L'approche STSE (science - technologie - société -environnement) permet d'encourager le raisonnementcritique et l'alphabétisme scientifique. Chaque unité doitdonner l'occasion d'évaluer les technologies actuelles etde se poser des questions du style : est-ce que cestechnologies sont valides? De quelle façon est-ce qu'ellesaffectent les citoyens à un niveau local ou planétaire? Iln'est pas toujours possible d'apporter des réponsesdéfinitives et parfois les sujets portent à controverse. Lesenseignants et enseignantes ne devraient pas fourvoyerles élèves; ils devraient partir des valeurs et despréoccupations qui caractérisent la communauté où ilsvivent et faire émerger à un niveau conscient les idées quiseront utiles aux jeunes quand, à leur tour, ils apporterontdes contributions à la société.

Il existe plusieurs manières d'incorporer la pédagogiedifférenciée à la physique. On pourra par exemple modifierles stratégies d'enseignement. Chaque méthode, employéeseule ou avec d'autres, est acceptable. On trouvera desidées supplémentaires dans le document Approchespédagogiques : Infrastructure pour la pratique del'enseignement (ministère de l'Éducation de laSaskatchewan, 1993). Des activités de prolongementpeuvent également être l'occasion de mettre en pratique lapédagogie différenciée.

Le programme d'études Physique 20, 30 veut répondre auxgoûts et aux besoins des élèves, et des enseignants etenseignantes. Une leçon de physique peut s'avérerexcellente pour mettre l'accent sur plusieurs facteurs del'alphabétisme scientifique, ainsi que sur les objectifsgénéraux communs à la physique et aux apprentissagesessentiels communs. Une autre leçon peut ne traiter quede quelques facteurs et d'un ou deux objectifs généraux.Pour utiliser efficacement le temps d'instruction,l'enseignant ou enseignante devrait analyser sa leçonavant de la présenter pour s'assurer que les facteursappropriés et les objectifs généraux sont développés aumaximum.


La diversité et la souplesse de ce programme d'étudesencouragent les changements de rôle pour les enseignantset enseignantes, la variété des activités destinées auxélèves et l'apprentissage à base de ressources. Sciences :Biologie 20, 30, Chimie 20, 30, Physique 20, 30 : Liste deressources offre une liste de ressources qui soutiennentl'apprentissage à base de ressources.

Il n'existe pas de ressource unique qui, à elle seule,puisse couvrir toutes les unités obligatoires duprogramme d'études. C'est pourquoi il faudra que lesenseignants et enseignantes choisissent dans diversesressources des activités et du contenu qu'ils intégrerontpour produire un programme complet, basé sur lesactivités.

La section « Enseignements, activités et démonstrationssuggérés » suggère tout un éventail d'approches pourrépondre aux besoins des élèves. Pendant la mise à l'essai,des suggestions furent soumises concernant des activitésqui pourraient faire partie de cette section du programmed'études.

Toutes les activités et les enquêtes mentionnées dans lesunités obligatoires du présent programme d'études nesont pas à faire. Il est de loin préférable que des activitéschoisies par l'enseignant ou l'enseignante et prises dansSciences : 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 del'ordre dans lequel présenter les activités et les enquêtes.


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 10eannée. Il n'est pas nécessaire d'avoir suivi Physique 20 pour suivre Physique 30. Toutefois, les élèves qui ont l'intention desuivre 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


L'approche science-technologie-société-environnement (approcheSTSE) dans l'enseignement dessciences

L'approche science-technologie-société-environnement (approche STSE), qui estrecommandée pour l'enseignement des sciences dela maternelle à la 12e année, diffère de celle quiétait utilisée traditionnellement. L'idéal estd'étudier un sujet par le biais d'une application.Pour mieux comprendre la notion scientifiqued'application, il faut développer des connaissances etdes habiletés, ainsi que des activités qui donnent unbut aux connaissances et aux habiletésnouvellement acquises. Ou alors, après avoirdiscuté de l'application, on peut faire des activitésqui servent à développer les connaissances et leshabiletés nécessaires à la compréhension del'application. Les flèches de la figure 2 indiquent lesnombreux cheminements qui vont de la descriptiond'une application à la décision finale.

Figure 2

L'approche science-technologie-société-environnement dansl'enseignement des sciences

Comment utiliser lesressources

Les ressources présentées dans Sciences : Biologie20, 30, Chimie 20, 30, Physique 20, 30 : Liste deressources faciliteront l'apprentissage à base deressources. Les enseignantes et les enseignantsdevraient prendre en considération les suggestionset les recommandations contenues dans cedocument. Ils pourront également utiliser d’autresressources.

Comme cela a été indiqué précédemment, iln'existe pas de ressource unique pourSciences : Physique 20, 30 : Programmed’études pour le secondaire. Pour faciliterune approche à base de ressources,l'utilisation de nombreuses ressources, aulieu d'un seul manuel, est fortementconseillée.

Il se peut que les enseignants et les enseignantesveuillent étudier en 11e et 12e année certains sujetsqui ne figurent pas dans le programme de 10e année. Cecidevrait être coordonné entre écoles, et les ressourcessélectionnées dans cette optique.

Une approche à base de ressources nécessite uneplanification à long terme et une coordination dans lecadre de l'école ou de la commission scolaire.L'administration de l'école, les enseignants et enseignants-bibliothécaires et les autres personnes impliquées dans leprocessus doivent participer activement à la planification.

Un enseignement qui mise sur le travail d'équipe etdéveloppe l'autonomie chez les élèves permet d'utiliser desressources limitées de façon productive. Se référer àApproches pédagogiques : Infrastructure pour lapratique de l'enseignement (ministère de l'Éducation de laSaskatchewan, 1993) et à La dimension adaptation (oupédagogie différenciée) dans le tronc commun (ministèrede l'Éducation, de la Formation et de l'Emploi de laSaskatchewan, 1993).

Les apprentissages essentielscommuns (AEC)

La physique présente beaucoup d'occasionsd'intégrer à l'enseignement les apprentissagesessentiels communs (AEC). Grâce à cetteintégration, l'élève comprendra mieux la matière etsera mieux préparé à ses études ultérieuresjusqu'en 12e année et au-delà.

La décision de se concentrer sur un ou plusieursAEC dans une leçon dépend des besoins et descapacités de chaque élève, et des exigences de la


matière. Chaque apprentissage essentiel commundoit être développé de façon optimale. Il estimportant d'intégrer les AEC de façon authentique.Certaines matières peuvent donner l'occasiond'acquérir les connaissances, valeurs, habiletés etdémarches contenues dans tous les apprentissagesessentiels communs. Dans d'autres cas, la naturede la matière ne permet l'exploitation que d'un seulAEC.

Les apprentissages essentiels communs devraientêtre exploités et évalués dans le contexte desmatières. C'est pourquoi les objectifs des AEC setrouvent parmi les objectifs généraux pour lamatière dans la vue d’ensemble des unités.

Puisque les apprentissages essentiels communs nesont pas distincts et indépendants les uns desautres, les efforts pour atteindre les objectifs de l'unpourraient contribuer à l'acquisition des objectifsd'un ou de plusieurs autres. Par exemple, bonnombre de démarches, habiletés, connaissances etcapacités nécessaires à la communication, àl'analyse numérique et à la créativité et auraisonnement critique sont égalementindispensables à l'initiation à la technologie.

L'intégration des apprentissages essentielscommuns à l'enseignement a des répercussions surl'évaluation pédagogique. Si l’enseignant oul’enseignante encourage l'élève à faire preuve deraisonnement critique et à exercer sa créativitépendant l'étude d'une unité, il faut créer pour celle-ci des instruments de mesure qui exigent de l'élèvel'exercice de ces mêmes capacités. Examens oudevoirs devraient permettre de montrer lacompréhension des concepts importants de l'unité,ainsi que la façon dont ils sont reliés entre eux oureliés à un apprentissage antérieur. Les questionspeuvent être posées de façon qu'une preuve ou desraisons accompagnent les explications de l'élève.L'évaluation pédagogique de la matière doits'adapter à l'intégration et à l'incorporation desapprentissages essentiels communs.

Il est prévu que l'enseignante ou l'enseignant tireraparti des suggestions qui figurent dans ceprogramme d’études, ainsi que de sa réflexionpersonnelle, pour mieux incorporer lesapprentissages essentiels communs à la physique.

Dans le présent programme d’études, on se sert desabréviations suivantes lorsque l'on fait référenceaux apprentissages essentiels communs :AUT apprentissage autonomeCOM communicationCRC créativité et raisonnement critiqueNUM initiation à l'analyse numériqueTEC initiation à la technologie

VAL capacités et valeurs personnelles et sociales


Comment incorporer lesapprentissages essentielscommuns à l'enseignement dela physique

Le programme de sciences de la maternelle à la 12eannée fait entrer en jeu le développement desfacteurs de l'alphabétisme scientifique. Son butprincipal est d'intéresser les élèves et de leurpermettre de comprendre les sciences.

L'enseignant ou l'enseignante doit planifier sescours de façon à y incorporer les apprentissagesessentiels communs. Lors de la planification de laleçon, il doit penser à la façon dont cela peut sefaire. Pourquoi ne pas partir des facteurs del'alphabétisme scientifique, des objectifsgénéraux de la physique et des objectifs desapprentissages essentiels communs?

Les relations science-technologie-société-environnement (aspect D de l'alphabétismescientifique) facilitent l'initiation à la technologie.Les onze facteurs de l’alphabétisme scientifiquecontenus dans l'aspect D sont développés en 10eannée. Dans cet aspect, la technologie est abordée defaçon à être placée dans un contexte social. On yexplique aussi les rapports entre la science et latechnologie, les effets de la technologie sur lasociété, la science et l'environnement. Latechnologie devient alors bien plus que les gadgetset les « bidules » auxquels on l'associe trop souvent.La plupart des sujets de Physique 20 et Physique 30peuvent être structurés de façon à développerl'initiation à la technologie.

L'aspect E de l'alphabétisme scientifique, c'est-à-dire les habiletés scientifiques et techniques, permetl'initiation à la technologie. S’il est possible de seservir, à l'heure actuelle, de nombreuses techniquesdans le domaine des sciences, c'est grâce aumatériel et aux instruments nés des progrès de latechnologie. Leurs effets sur la vie quotidienne etsur l'environnement sont très importants.

D’autres facteurs de l'alphabétisme scientifique quitouchent de près ces apprentissages essentielscommuns permettent d'aborder l'initiation àl'analyse numérique. On peut nommer les facteurssuivants : la nature empirique de la science (A5), laquantification (B8), la probabilité (B19), la justesse(B21), la mesure (C5), l'utilisation des nombres (C7),l'utilisation des mathématiques (C17) et savoirutiliser des relations quantitatives (E13). Pour quicomprend les sciences, l'importance de l'analysenumérique est évidente.

La résolution de problèmes se prête bien audéveloppement de l'analyse numérique. Il en est demême pour toutes les autres applicationsquantitatives, qui sont très nombreuses. Il fautdonc donner aux élèves de nombreuses occasions detrouver des façons de mesurer, de noter, demanipuler, d'analyser et d'interpréter les quantités.Aligner simplement des nombres dans des formulesobscures n'est pas suffisant. Il faut que les élèvesapprécient l'importance de l'information numériquedans le monde des sciences. On peut aussidévelopper d'autres habiletés connexes, commeapprendre à estimer, à évaluer, à arrondir, àclassifier, à calculer et à utiliser des chiffressignificatifs et une notation scientifique.

Il n'est pas nécessairement facile d'identifier lesfacteurs spécifiques se rapportant à l'apprentissageessentiel commun qu'est la communication. Lanature publique et privée de la science (A1) montrel'importance fondamentale de la communicationdans les sciences. Les scientifiques partagent leursdécouvertes. Cela requiert l’utilisation du langagepuisqu’ils et elles doivent faire des rapports écrits etoraux. Lorsque les élèves explorent des principesscientifiques importants et en discutent dans leurspropres mots, ils et elles apprennent à mieuxcommuniquer. C'est pourquoi on doit renforcertoutes les habiletés qui permettent de communiquerefficacement.

Les valeurs qui sous-tendent la science (aspect F),les intérêts et attitudes en matière scientifique(aspect G) permettent aux élèves de développer leurscapacités et valeurs personnelles et sociales. Enacquérant les facteurs qui composent ces deuxaspects de l'alphabétisme scientifique, ils et ellespeuvent avoir une attitude positive vis-à-vis de lascience. Ces aspects touchent le domaine affectif.D'autres facteurs, comme la coopération (C4), le côtéhumain des scientifiques et des technologues (D2),et la nature de la science qui est reliée à l'êtrehumain/à la culture (A9), viennent renforcer lescapacités et les valeurs personnelles et sociales.

Un programme de sciences axé sur les activitéspermet de développer la créativité et leraisonnement critique. Les procédés d'investigationscientifique comportent la formulation d'hypothèses(C8), l'expérimentation (C16), l'observation et ladescription (C3), l'inférence (C9). Ils mènent à desconclusions, permettent de formuler des loisscientifiques, de tester des théories, etc. Toutes cesactivités demandent des processus mentaux deniveau élevé.

Les élèves peuvent aussi développer leur créativitéet leur raisonnement critique en analysant dessujets portant à controverse, car cela les oblige à


étudier des points de vue contradictoires. Au fur et àmesure qu'ils et elles acquièrent une base deconnaissances et commencent à former leurspropres valeurs, ils et elles développent aussi leurspropres capacités et valeurs personnelles et sociales.

En mettant l'accent sur l'utilisation de toute unegamme de méthodes d'enseignement, le programmed’études Sciences : Physique 20, 30 : Programmed’études pour le secondaire encouragel'apprentissage autonome. En accordant moinsd’importance aux cours magistraux traditionnels,les enseignants et les enseignantes forcent les élèvesà assumer la responsabilité de leur propreapprentissage. Ces derniers jouent un rôle plusactif, tandis que l'enseignant ou l'enseignante n'estlà que pour faciliter l'apprentissage.

Il est parfois possible d'assimiler certains contenusscientifiques à des apprentissages essentielscommuns bien précis; ce n'est malheureusementpas souvent le cas. En effet, ces apprentissagesdépendent moins du contenu que de la démarche. Cesont les stratégies d'enseignement, que l'enseignantou l'enseignante va choisir en planifiantsoigneusement sa leçon et son unité quidéterminent les apprentissages essentiels communsà développer et l'importance à leur donner.L'essentiel est de savoir que l'incorporationdes apprentissages essentiels communs peutavoir un énorme impact sur les élèves.

N'importe quel apprentissage essentiel communpeut être développé dans de nombreux sujets desciences. Décider lesquels développer et l'importanceà leur accorder dépend des buts du programmed'études, des objectifs généraux traités dans l’unité,ainsi que des résultats d'apprentissage propres ausujet. Il est possible d’enseigner une leçon dedifférentes façons; de même, il y a de nombreusesfaçons d’incorporer les apprentissages essentielscommuns. L'important, c'est que les enseignants etenseignantes les développent efficacement, ensongeant à ce qui intéresse leurs élèves et à leursbesoins précis. Ce qu'il y a de bien, c'estqu'incorporer les apprentissages essentielscommuns aux sciences peut se faire de façondynamique et souple.

L'enseignant ou l'enseignante change ses stratégiesau fur et à mesure que changent les besoins de sesélèves.

Politique en matière d’égalitéentre les sexes

Le ministère de l'Éducation de la Saskatchewans'est engagé à fournir une éducation de qualité àtous les élèves de la maternelle à la 12e année. Il estreconnu que des attentes fondées essentiellementsur le fait que l'élève est du sexe masculin ou dusexe féminin limitent le plein épanouissement del’élève. Pour réaliser l'égalité entre les sexes, il fautréduire les préjugés sexistes qui limitent laparticipation et les choix des élèves.

Certains préjugés et certaines pratiques ontdisparu, mais d'autres demeurent. L'école, qui avisé l'égalité des chances pour les garçons et lesfilles, doit maintenant faire un effort pour permettrel'égalité des avantages et des résultats.

Il incombe à l'école de créer un milieu scolaireexempt de tout préjugé sexiste et d’éliminer lesattentes et les attitudes liées au sexe des élèves. Onatteint ce but en favorisant une meilleurecompréhension de la question et en utilisant desressources et des méthodes d'enseignement nonsexistes. Il faut encourager les filles et les garçons àexaminer toute la gamme des options à la lumièrede leurs aptitudes, capacités et intérêt, plutôt quepar rapport à leur sexe.

Les programmes d'études de la province tiennentcompte de la diversité des rôles et de la gamme desexpériences, des comportements et des attitudes quis'offrent à tous les membres de la société. Ceprogramme d'études veut assurer un contenu, desactivités et des méthodes d'enseignementimpartiaux quant au sexe, et rédigés dans unlangage inclusif. Les enseignants et enseignantespeuvent ainsi créer un milieu exempt de préjugéspermettant aux filles et aux garçons de partagertoutes les expériences et d'avoir les mêmespossibilités de cultiver pleinement leurs capacités etleurs talents.

Les perspectives et le contenuindiens et métis

Il est question de l'intégration aux programmesd'études des perspectives et du contenu indiens etmétis dans plusieurs documents, dont Directions,Five Year Action Plan for Native CurriculumDevelopment et Indian and Metis Education Policy


from Kindergarten to Grade XII. Ils s'accordenttous pour faire une recommandation capitale :

« Le ministère de l'Éducation de laSaskatchewan reconnaît le caractèreunique des Indiens et des Métis, et leurplace unique et légitime dans la sociétécontemporaine et historique. Le ministèrereconnaît que les programmes d'étudesdoivent être modifiés pour mieux répondreaux besoins des Indiens et des Métis et queces modifications seraient dans l'intérêt detous les élèves. »

L'inclusion des perspectives indiennes, métisses etinuites est dans l'intérêt de tous les élèves dans unesociété pluraliste. Voir sa culture représentée danstous les aspects du milieu scolaire permet auxenfants d'acquérir un sentiment positifd'appartenance au groupe. Le choix de ressourcesrelatives aux Indiens, aux Métis et aux Inuitsstimule chez les élèves autochtones des expériencessignificatives et développe chez tous les élèves uneattitude favorable à l'égard des Indiens, des Métis etdes Inuits. Cette prise de conscience de sa propreculture et de celle des autres favorise ledéveloppement d'une image de soi positive, favorisel'apprentissage, permet de mieux comprendre lasociété pluraliste qu'est le Canada et soutient lesdroits de la personne.

En Saskatchewan, les élèves indiens, métis et inuitsviennent de divers milieux socioculturels (GrandNord, milieu rural et milieu urbain). Leséducateurs et éducatrices ont besoin de cultiverleurs connaissances des autres cultures pour mieuxcomprendre cette diversité. Les enseignants etenseignantes des élèves d'origine autochtone sontavantagés lorsqu’ils ont des connaissances ensociolinguistique appliquée, en théorie del'apprentissage de la langue première et de lalangue seconde, et des variétés dites « standard » et« non standard » de l'anglais. Il faut que lesenseignants et enseignantes utilisent diversesstratégies d'enseignement qui tiennent compte desconnaissances, cultures, styles d'apprentissage etpoints forts des élèves autochtones. Pour une miseen œuvre efficace de tous les programmes d'études,il faut des adaptations qui seront sensibles auxbesoins de ces élèves.

En Saskatchewan, il incombe aux enseignants etenseignantes d'intégrer aux unités appropriéessuffisamment de contenu relatif aux Indiens, auxMétis et aux Inuits et de prévoir des ressources quiprésentent les perspectives authentiques de cespeuples autochtones. Les enseignants etenseignantes doivent également évaluer toutes les

ressources pour voir si elles contiennent despréjugés, et apprendre aux élèves à les dépister.

En résumé, le ministère de l'Éducation de laSaskatchewan s'attend à ce que les programmesd'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 laphilosophie indienne

tirés de l'Arbre sacré

Lors d'une conférence tenue à Lethbridge en Albertaen décembre 1982, des Anciens, des chefs spirituelset des professionnels indiens venus de toutes lesrégions du Canada ont défini les élémentsfondamentaux qu'ils considéraient communs àtoutes les philosophies indiennes du Canada. Ceséléments sont à la base des travaux entrepris àl'Université de Lethbridge, le Projet dedéveloppement des quatre mondes (« Four WorldsDevelopment Project »).

Bien que ces éléments philosophiques soient denature historique, ils continuent à faire partie de lavision du monde des peuples indiens et métis àl'époque contemporaine.

1. L'approche holistique. Tout est relié. Tout dansl'univers fait partie d'un tout unique. Tout estlié de certaine façon à autre chose. Il n'est doncpossible de comprendre une chose que si l'oncomprend comment cette chose est liée aureste.

2. L'évolution. Toute la création est en étatd'évolution constante. La seule chose qui soittoujours la même, c'est que tout passe par descycles de changements qui se répètent. Unesaison suit l'autre. Les êtres humains naissent,vivent leur vie, meurent et entrent dans lemonde des esprits. Tout évolue. Les chosessubissent deux sortes de changements, car leschoses se font (la formation) et elles se défont(la désagrégation). Ces deux sortes dechangements sont nécessaires et sont toujoursliées les unes aux autres.


3. Les changements arrivent par cycles ou selondes constantes. Ils n'arrivent pas au hasard ouaccidentellement. Il est parfois difficile de voiren quoi un changement donné est lié à tout lereste. Cette difficulté s'explique ordinairementpar le fait que notre point de vue (la situation àpartir de laquelle nous considérons lechangement) limite notre capacité de voirclairement.

4. Ce que l'on voit et ce que l'on ne voit pas. Lemonde physique est réel. Le monde spirituel estréel. Ce sont deux aspects de la même réalité.Et pourtant, ce sont des lois distinctes quirégissent l'un et l'autre. Toute violation des loisspirituelles peut affecter le monde physique.Toute violation des lois physiques peut affecterle monde spirituel. Une vie équilibrée respecteles lois de ces deux dimensions de la réalité.

5. Les êtres humains ont une dimensionspirituelle et une dimension physique.

Le cercle de l'Esprit

6. Les êtres humains peuvent toujours acquérirde nouveaux talents au prix d'efforts. Lepeureux peut devenir courageux, le faible, fortet intrépide, la personne insensible peutapprendre à se soucier des sentiments desautres et la personne matérialiste peut acquérirla capacité d'introspection et écouter sa voixintérieure. Le processus que l'être humainutilise pour développer ces nouvelles qualitéspeut être appelé « l'apprentissage véritable ».

7. Il existe quatre dimensions de « l'apprentissagevéritable ». Ces quatre aspects de la nature dechaque personne sont reflétés dans les quatrepoints cardinaux du cercle de l'Esprit. Cesquatre aspects de notre être se développent parl'exercice de la volonté. On ne pourra direqu'une personne a fait un apprentissagecomplet et harmonieux si ces quatredimensions de son être n'ont pas été impliquéesdans le processus.

8. La dimension spirituelle du développementhumain peut être envisagée comme unensemble de capacités liées entre elles.

La première, c'est la capacité d'être sensible àdes réalités qui n'ont pas d'existence matérielle,comme les rêves, les visions, les idéaux, lesenseignements, les objectifs et les théoriesspirituels, et d'intégrer ces réalités dans notrevie.

La deuxième, c'est la capacité d'accepter cesréalités comme le reflet (sous forme dereprésentation symbolique) d'un potentielinconnu ou non réalisé nous permettant defaire quelque chose ou d'être quelque chose deplus ou de différent de ce que nous sommes àl'heure actuelle.

La troisième, c'est la capacité d'exprimer cesréalités immatérielles à l'aide de symboles,comme ceux du langage, des arts ou desmathématiques.

La quatrième, c'est la capacité d'utiliser cetteexpression symbolique pour orienter notreaction future, c'est-à-dire nos efforts pourtransformer en réalité vivante ce quin'apparaissait auparavant que comme unepossibilité.

9. Les êtres humains doivent prendre une partactive à la réalisation de leur propre potentiel.

10. La porte que nous devons tous franchir, si nousvoulons nous dépasser, ou être différents, est laporte de la volonté. Il faut qu'une personnedécide de faire le voyage. La voie a une patienceinfinie. Elle sera toujours là pour ceux quidécident de la suivre.

11. Quiconque s'embarque pour le voyage dudéveloppement personnel (c'est-à-dire s'engageet respecte son engagement) recevra de l'aide.Des guides et des professeurs apparaîtront etdes protecteurs spirituels protégeront levoyageur. Le voyageur n'aura pas à subird'épreuves qu'il n'aura déjà la force desurmonter.

12. La seule cause d'échec du voyage sera si levoyageur manque aux enseignements del'Arbre sacré.

Reproduit avec l’autorisation de :

Four Worlds Development PressProjet de développement des quatre mondesUniversité de Lethbridge

le mental

le physique le spirituel

l'affectif


4401 University DriveLethbridge (Alberta) T1K 3M4

L'invitation des Anciens

Il existe dans toutes les cultures des individus quicontribuent de manière unique et précieuse parleurs connaissances à enrichir la société où ilsvivent. Ces connaissances peuvent prendre diversesformes et une fois qu'elles sont partagées avec lesélèves, elles entraînent ces derniers beaucoup plusloin que les ressources scolaires habituelles. Le rôlede renaissance, de maintien et de préservation descultures autochtones dépend largement des Anciens.La participation des Anciens au soutien des objectifsdes programmes d'études développe, chez les élèvesindiens, métis et inuits, une prise de consciencepositive de leur identité et contribue à améliorerleur image de soi. Les élèves non autochtonesapprennent à connaître, grâce à eux, les culturesautochtones et à y être plus sensibles, ce quifavorise inévitablement une éducation antiraciste.

Dans chaque communauté, le protocole qu'il fautsuivre, lorsqu'il s'agit de contacter un Ancien et delui transmettre une requête, varie. Vous pourriezdemander de l'aide à ce sujet au Bureau des chefs dedistrict, au Bureau du conseil tribal, au Conseil debande ou au Comité sur l'éducation d'une réserveprès de chez vous. Avant qu'un Ancien ne partageses connaissances, il est essentiel que vous et vosélèves complétiez le cycle des échanges, en offrant àvotre hôte un cadeau approprié, qui exprimeracombien vous respectez et appréciez lesconnaissances que cet Ancien va partager avec vouset vos élèves. Avant que celui-ci ne se rende dansvotre classe, il faudra vérifier la nature du cadeau àoffrir, car les traditions diffèrent selon lescommunautés autochtones. En outre, si votrecommission ou votre division scolaire rembourse lesfrais ou offre des honoraires, il serait égalementapproprié de le faire pour l'Ancien qui se rendradans votre classe.

Pour démarrer le processus de dialogue et departicipation, la première chose à faire est d'envoyerune lettre au Conseil de bande local demandant laparticipation de l'Ancien et indiquant le rôle qu'iljouera dans le programme. Le Conseil de bandepourra fournir le nom de personnes possédant lesconnaissances et les habiletés dont vous auriezbesoin. On recommande une consultation préalableavec l'Ancien, au cours de laquelle on lui fera partdes attentes et des résultats de l'apprentissage.

Partout dans la province, des centres d'accueil(« Friendship Centres ») sont actifs au niveau de lacommunauté et présentent souvent des ateliers et desactivités culturelles, en collaboration avec des Anciens etd'autres personnes-ressources reconnues. Lesenseignants et enseignantes et les écoles voudront peut-être contacter les organismes et institutions suivants :

Eber Hampton, PrésidentCollège indien fédéré de la SaskatchewanSalle 118, Collège OuestUniversité de Regina,Regina SK S4S 0A2Téléphone : 779-6209Télécopieur : [email protected]

Brenda Ahenakew, Directrice de l’éducationConseil tribal de SaskatoonBureau 200203, avenue PackhamSaskatoon SK S7N 4K5Téléphone : 956-6145Télécopieur : [email protected]

Larry Goldade, Directeur de l’éducationGrand Conseil de Prince AlbertCase postale 2350Prince Albert SK S6V 6Z1Téléphone : 953-7234Télécopieur : [email protected]

Hugh Reoch, Directeur de l’éducationConseil tribal de Touchwood/File Hills Qu’AppelleCase postale 985Fort Qu'Appelle SK S0G 2Y0Téléphone : 332-8224Télécopieur : 332-5597

Derrol LeBlanc, Directeur de l’éducationConseil tribal de Battleford1022, 102e RueNorth Battleford SK S9E 1A6Téléphone : 445-9400Télécopieur : 445-9022

Linda Pelly Landrie, PrésidenteCentre culturel indien de la Saskatchewan120, 33e Rue EstSaskatoon SK S7K 0S2


Téléphone : 244-1146Télécopieur : [email protected]

Anne Perry, Directrice administrativeThe Circle Project2 – 1102, 8e AvenueRegina SK S4R 1C9Téléphone : 347-7515Télécopieur : 347-7519

Karen Shmon, Directrice généraleInstitut Gabriel Dumont505, 23e Rue Est, 2e étageSaskatoon SK S7K 4K7Téléphone : 249-9403Télécopieur : [email protected]

Don Pinay, Directeur de l’éducationCentre éducatif du Conseil tribal de Yorkton21, promenade Bradbrooke NordYorkton SK S3N 3R1Téléphone : 782-3644Télécopieur : 786-6264

Les approches pédagogiques

Les facteurs de l'alphabétisme scientifique et lesapprentissages essentiels communs sont lesfondements des programmes d’études de sciences dela maternelle à la 12e année. Il faut donc que lesenseignants et enseignantes se servent denombreuses approches pédagogiques pour permettreà leurs élèves de développer les notions et lescapacités mentionnées dans ces programmesd’études. Le document intitulé Approchespédagogiques : Infrastructure pour la pratique del’enseignement (ministère de l'Éducation, 1993)permet de comprendre et d'utiliser différentesapproches pédagogiques. Le présent programmed'études va aider les enseignants et les enseignantesà utiliser toute une gamme d'approchespédagogiques. On trouvera des informations plusprécises sur la façon d'enseigner les sciences à l'aidede diverses stratégies dans le document intituléTeaching Science Through aScience-Technology-Society-Environment Approach: An Instructional Guide (Aikenhead, 1988).

Les verbes contenus dans les résultatsd'apprentissage des unités obligatoires suggèrentdiverses approches pédagogiques et ils indiquentplusieurs procédés d'investigation scientifique :• analyser• classifier• construire• débattre• démontrer• déterminer• développer• discuter• enquêter• estimer• évaluer• examiner• expliquer• exprimer• identifier• mesurer• préparer• rechercher• tester• utiliser


Enseignement, évaluation et buts des sciences

Stratégiesd'enseignement

Quelques méthodesd'enseignement importantespour l’enseignement dessciences (voir p. 22, Approchespédagogiques : Infrastructurepour la pratique del'enseignement)

Quelques méthodesd'évaluation qui ycorrespondent (voir p. 50,Évaluation de l'élève : manuelde l'enseignant)

Aspects des facteursde l'alphabétismescientifique (voir lap. 28 du présentprogramme)

Enseignement direct • Démonstrations• Exposé• Vue d'ensemble

• Évaluation individuelle,évaluation de groupe(auto-évaluation, co-évaluation)

• Items à réponse courte(tests et examens)

B, E

Enseignement indirect • Schéma conceptuel,formation de concepts,acquisition de concepts

• Enquête• Résolution de problèmes

• Évaluation individuelle,évaluation de groupe :présentations

• Tests oraux• Évaluation de la

performance• Travaux écrits

A à D

Apprentissageexpérientiel

• Expériences• Excursions• Élaboration de modèles• Simulations

• Évaluation individuelle,évaluation de groupe :

• évaluation de laperformance, travauxécrits

• Auto-évaluation, co-évaluation orale

• Habiletés techniques

B, C, E

Étude indépendante • Enseignement assisté parordinateur

• Comptes rendus (essais)• Devoirs• Projets de recherche

• Évaluation de laperformance

• Dossiers de l'élève• Présentations• Tests• Travaux écrits

Tous

Enseignementinteractif

• Remue-méninges• Apprentissage coopératif• Discussion• Groupes de laboratoire

• 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 deconsignation des données dans toutes les catégories.

Quelques variables de la pédagogie différenciée

Programme d'études• Concepts• Contenu• Ressources• Évaluation

Enseignement• Stratégies, méthodes et habiletés• Rythme individuel et échéances• Rétroaction, modification et

réflexion

Environnement pédagogique• Environnement en classe• Groupement• Soutien• Disposition de la classe

Physique 20, 30 – Introduction –- P. 15

L'apprentissage à base deressources

L'enseignement et l'apprentissage à base deressources permettent aux enseignantes et auxenseignants de favoriser considérablement laformation des attitudes et des capacités nécessairesà l'apprentissage autonome la vie durant.L'apprentissage à base de ressources exige que lepersonnel enseignant planifie des unités quiintègrent les ressources aux activités de la classe, etenseigne les démarches nécessaires pour découvrir,analyser et présenter l'information.

L'apprentissage à base de ressources fait utiliseraux 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 naturelset fabriqués, équipement de production, galeriesd'art, spectacles, enregistrements et personnes de lacommunauté.

L'apprentissage à base de ressources est axé surl'élève. Il lui permet de choisir, d'explorer et dedécouvrir. On encourage les élèves à faire des choixdans un environnement riche en ressources, oùleurs pensées et leurs sentiments sont respectés.

Les points suivants aideront l’enseignant oul’enseignante à tirer parti de l'enseignement et del'apprentissage à base de ressources :• discuter avec les élèves des objectifs de l'unité

ou de l'activité. Mettre en corrélation leshabiletés nécessaires à la recherche et lesactivités de l'unité pour que les habiletés soientenseignées et mises en pratique en mêmetemps. Collaborer avec l'enseignante oul'enseignant-bibliothécaire, le cas échéant;

• planifier longtemps à l'avance avec le personneldu centre de ressources pour s'assurer de ladisponibilité de ressources adéquates et pourprendre des décisions au sujet de la répartitionde l'enseignement;

• enseigner en utilisant diverses ressources pourmontrer aux élèves que, comme eux, vous faitesune recherche et que vous êtes constamment àla recherche de nouvelles sources deconnaissance. Discuter avec les élèves del'utilisation, au cours de la recherche, d'autresbibliothèques, de ministères, de musées etd'organismes divers de la communauté;

• demander à l'enseignante ou à l'enseignant-bibliothécaire, le cas échéant, de préparer deslistes de ressources et des bibliographies;

• encourager les élèves à demander de l'aide s'ilset elles en ont besoin lorsqu'ils font des activitésou des devoirs;

• aider à planifier des programmes de formationpour apprendre à bien utiliser les ressources, etparticiper à de tels programmes;

• faire commander régulièrement des ressourcesqui appuient les programmes d'études pourenrichir la collection du centre de ressources;

• souligner, au cours des entretiens avec lescollègues, la direction de l'école, les directeurs etdirectrices de l'éducation, le caractèreindispensable du centre de ressources et de sonpersonnel professionnel.

P. 16 – Physique 20, 30 – L’évaluation

L'évaluation

Pourquoi doit-il y avoirévaluation?

Les recherches pédagogiques actuelles portentessentiellement sur la mesure et l'évaluation. Il estdevenu évident, au fur et à mesure que les résultatsde ces recherches s'accumulent, qu'il est nécessairede juger d'une gamme plus vaste facteurs. Il existede nombreux moyens pour y parvenir. Ceux-cidoivent être choisis selon les résultats escomptés.

Le document Évaluation de l'élève : Manuel del'enseignant (ministère de l'Éducation de laSaskatchewan, 1993) traite des diverses formesd'évaluation. L'évaluation des élèves se fait surtoutpar la collecte et l'interprétation des données quiindiquent si l'élève progresse. Une évaluationcomplète tient compte aussi du programme et del'auto-évaluation de l'enseignant ou del'enseignante.

Pour élaborer un plan général d'évaluation,on peut se servir des renseignementscontenus dans les documents du ministère del'Éducation traitant de l'évaluation.

La démarche d'évaluation

L'évaluation n'est pas une démarcherigoureusement séquentielle, mais plutôt cyclique, àl'intérieur de laquelle on peut observer quatreétapes.

La préparation

Au cours de cette étape, on définit les objectifs del'évaluation (c'est-à-dire ce que l'on cherche àévaluer), le contexte de l'évaluation (diagnostique,formative ou sommative) et les critères dejugement; puis on sélectionne une méthoded'évaluation appropriée pour ces circonstances. Cesdécisions peuvent être prises en consultation avecl'élève.

La mesure

Au cours de cette étape, l'enseignant oul'enseignante élabore ou choisit des instruments demesure, les utilise et recueille des renseignementssur l'élève en regard des objectifs à évaluer. Ilorganise et analyse aussi les données pour faciliterleur interprétation, et ensuite il les compare à unpoint de référence.

L’enseignant ou l’enseignante doit tenir les élèvesau courant des objectifs évalués et des méthodesutilisées pour la collecte des données, et il doit lesévaluer dans le contexte de situations nonmenaçantes.

L'évaluation

Au cours de cette étape, l'enseignant oul'enseignante examine les données recueillies entenant compte de considérations pertinentes (lasituation particulière de l'élève, le programmed'études, le moment de l'année, la variété desressources, etc.) afin d'établir un jugement sur lesprogrès accomplis. L’analyse des données devraitamener à prendre une décision et à élaborer un pland'action, c'est-à-dire à planifier des activités et desleçons qui favoriseront de nouveaux progrès. Puis,l'enseignant ou l'enseignante fait part des progrèsdes élèves à ces derniers, aux parents et àl'administration.

La réflexion

L'enseignant ou l'enseignante réfléchit à l'efficacitédes étapes précédentes : la technique utiliséecorrespondait-elle aux objectifs à évaluer? A-t-ellepermis de mettre en évidence ce qu’il cherchait àobserver? Les difficultés de compréhension etd'expression en langue seconde ont-elles faussél'évaluation?

Cette étape devrait influencer les évaluationsultérieures : si l'enseignant ou l’enseignante se rendcompte qu'en effet, l'évaluation a été faussée par ladifficulté de l'élève à comprendre le français et à leparler, il peut revoir le choix du médium utilisé parl'élève au cours des activités d'évaluation (ce choixdevrait être guidé par les aptitudes particulières del'élève, et la décision sur le médium à utiliser peutêtre prise en concertation avec lui ou elle).

La réflexion devrait également porter surl'enseignement en général : dans le cas où lamajorité des élèves n’a pas réussi, il faut sequestionner sur la cause de cet échec. DansSciences : Programme cadre dans l'optique dutronc commun, on trouve des questions quiencouragent l'enseignant ou l'enseignante àréfléchir sur l'évaluation de l'élève, sur laplanification personnelle et sur la structure duprogramme d'études.

Ces quatre phases sont comprises dans la démarched'évaluation formative, diagnostique et sommative.Elles sont représentées dans la figure 3 :

Figure 3 - La démarche d'évaluation de l'élève

Physique 20, 30 – L’évaluation – P. 17

L'évaluation des progrès del'élève

On choisit des instruments de mesure précis pourrecueillir les renseignements sur la façon dont lesélèves atteignent les objectifs. L'instrument demesure utilisé dépend des connaissances, deshabiletés et de l'aisance à suivre une démarche dontdoivent faire preuve les élèves. La pertinence desinstruments repose donc sur le contenu, sur lesméthodes d'enseignement utilisées, sur le niveau dedéveloppement des élèves et sur ce que l'on souhaiteévaluer exactement. On doit aussi tenir compte del'environnement et de la culture des élèves.

On trouvera ci-dessous une liste de diversinstruments de mesure. Ce ne sont que dessuggestions, puisque c'est à l'enseignant ou àl'enseignante de faire preuve de jugementprofessionnel en déterminant ce qui répond le mieuxà l'objectif d'une évaluation donnée. Pour de plusamples renseignements sur les différentsinstruments de mesure et les types d'instrumentsqu'on peut utiliser pour recueillir et enregistrer desinformations sur les progrès des élèves, se référer àÉvaluation de l'élève : Manuel de l'enseignant(ministère de l'Éducation de la Saskatchewan,janvier 1993).

Liste de référence desméthodes d'évaluation

Méthodes d'organisation :Postes de travail, postes d'épreuvesÉvaluation individuelleÉvaluation de groupeContratsAuto-évaluation, co-évaluationDossiers de l'élèveMéthodes de consignation de données :Fiches anecdotiquesGrilles d'observationÉchelles d'appréciation

Activités continues de l'élève :Travaux écritsPrésentationsÉvaluation de la performanceDevoirs

Types de tests et examens :Tests orauxTests de performanceItems à réponse élaboréeItems à réponse courteItems de type appariementItems à choix multiplesItems de type vrai ou faux

L'évaluation de l'élève enphysique

Au début de l'année scolaire, les enseignants etenseignantes se trouvent face à de nouveaux élèves,même si ces derniers les connaissent ou seconnaissent déjà entre eux. Ils sont nouveaux dansla mesure où ils vont travailler avec des ressourcesdifférentes, d'un point de vue différent, dans le cadred'un système d'interaction en évolution. Lesfacteurs de l'alphabétisme scientifique et lesrésultats d'apprentissage du programme d'étudesdeviennent alors des critères d'évaluation. Ils sont àla portée de la majorité des élèves, mais il estparfois nécessaire de modifier les attentes et ladémarche pour certains élèves.

L'enseignant ou l'enseignante doit être conscientque les ressources destinées à un niveau spécifiqueet les tests standardisés reposent sur ce que l'onjuge « normal » ou moyen pour l’élève d’un grouped'âge donné, ou qu’ils sont souvent conçus pour unepartie bien précise de la société. L'enseignant oul'enseignante qui se sert de tests standardisésévalue comment un élève correspond à des normesculturelles dans une gamme d'habiletés très limitée.Il ou elle doit donc juger les résultats dans uncontexte bien précis. Certains élèves ne peuvent pasêtre jugés selon ces critères. C'est parfois le cas pourles enfants doués qui n'atteignent pas leurmaximum parce qu'on accepte qu'ils restent auniveau « moyen ». La pédagogie différenciéereconnaît qu'il faut tenir compte des besoins de tousles élèves si on veut qu'il y ait enseignement etapprentissage efficaces.

Pour évaluer les facteurs de l'alphabétismescientifique, il est recommandé de choisir desméthodes qui conviennent à la nature du facteur :connaissances (aspects A, B, D), valeurs (aspects Fet G) ou capacités (aspects C et E).


L’enseignant ou l’enseignante peut évaluer lesfacteurs de l'alphabétisme scientifique des aspects Aà E par la manipulation de connaissancesdéclaratives. Cependant, il arrive que seules lesconnaissances déclaratives sont évaluées; c'est parlà que pèchent la plupart des méthodes d'évaluationactuelles. Si on les examine de plus près, ons'aperçoit qu'elles ne testent souvent que lamémorisation ou l'application limitée de faits. Mêmelorsque l'évaluation va plus loin et semble inclureles habiletés, elle ne porte que trop souvent sur lamémorisation de faits. Les élèves méritent d'êtreévalués sur toutes les habiletés dont ils ou ellespeuvent faire preuve. C'est pourquoi le format del'évaluation doit refléter non seulement les diversstyles d'apprentissage des élèves, mais aussi lanature des capacités évaluées. On peut encouragerles élèves à effectuer leurs propres évaluations parrapport à leurs résultats antérieurs.

Lorsqu'on parle d'évaluation, il peut s'agird'évaluation orale, écrite ou pratique, ou d'unmélange des trois. Ce sont les exercices pratiquesqui permettent d'évaluer le mieux les habiletés etles connaissances scientifiques et techniques (aspectE). Par exemple, savoir lire la température sur unthermomètre n'est pas la même chose que savoircomment s'en servir pour mesurer la températuredésirée. La meilleure façon d'évaluer jusqu’àquel point l'élève peut accomplir une activitéest de l'observer lors de l’activité et de luiposer des questions pénétrantes. Une fois qu'ily a eu observation, on peut alors se servir de fichesanecdotiques, de grilles d'observation et d’échellesd'appréciation pour recueillir les données.

Du type d'activités et des questions poséesdépendent souvent les réponses des élèves. Si lesactivités et les questions sont limitées, les réponsesle seront aussi. Les activités et les questions qui nedemandent qu'un mot de réponse ou une phrasebrève ne testent que la mémorisation deconnaissances déclaratives. Si les élèves qui ontformulé un modèle dans un contexte précis pendantune activité scientifique retrouvent le mêmecontexte lors de l'évaluation, la réponse obtenuepourrait n'être qu'un test de connaissancesdéclaratives et non pas un test de connaissancesprocédurales et conditionnelles. Il faut donc quel'évaluation ait lieu dans des conditions différentes,pour que ces connaissances soient testées parrapport à une nouvelle série d'événements.

Bien enseigner consiste à savoir poser de bonnesquestions. Il faut éviter toute question à laquellel’élève ne peut répondre que par un seul mot. Il estpréférable de formuler des questions qui exigent unecertaine réflexion, des questions du type :« comment », « pourquoi », « expliquer ». On peut

aussi demander de résoudre des problèmes quidéveloppent la créativité et le raisonnementcritique. Des questions de ce genre poussent lesélèves à utiliser des processus mentaux de niveauélevé.

Il n'est pas nécessaire que l'évaluation se fasseuniquement sous forme écrite. On peut demander àl’élève d'interpréter un graphique ou unephotographie, ou de répondre oralement à unequestion. Un format varié répond mieux auxdifférents styles d'apprentissage des élèves.

L'évaluation sommative se fait non seulement à lafin de l'unité sous forme de test ou d’examen dont leformat est varié; elle comprend des activitéspratiques (pour refléter les connaissances et leshabiletés pratiques), l'interprétation de graphiqueset de photos ou des résolutions de problèmes.L’évaluation sommative se produit aussi tout aulong de l'unité sous forme d'activités.

Les tests ou les examens doivent inclure une variétéd'items afin de mieux évaluer toutes lesconnaissances (déclaratives, procédurales etconditionnelles). Les items à choix multiples, lesitems de type vrai ou faux, les items de type« bouche-trou » n'évaluent généralement que lasimple mémorisation des faits. Il faut donc se servirde ces items le moins possible et leur donner moinsd'importance dans la notation qu'à des items quiexigent des habiletés de traitement de l'information,tels que les items à réponse élaborée quiencouragent le raisonnement à un niveau plus élevéen impliquant les procédés d'investigationscientifique. Les élèves qui ont de la difficulté àrépondre par écrit aux items de test devraientpouvoir le faire oralement.

Les activités de l'élève sont aussi valables que lestests et les examens pour l’évaluation sommative.Les projets de recherche peuvent facilement servir àl'évaluation sommative, car ils permettentd’approfondir un sujet et demandent l'utilisation detoute une gamme d'habiletés. Si c'est un projet degroupe, on peut évaluer la participation individuelleen observant la façon dont les membres du groupeagissent entre eux et avec le reste de la classe, ou endemandant aux élèves de s'auto-évaluer. Il y a aussiles centres d'apprentissage qui permettent d’incluredans l'évaluation sommative la démarche utilisée etle produit obtenu par les élèves. Les postesd'épreuves sont particulièrement utiles, car ilspermettent aux élèves de montrer leurs habiletés.Pour une évaluation sommative, les présentationsorales, le journal de bord et les activités d’expo-sciences sont aussi à considérer.

Physique 20, 30 – L’évaluation – P. 19

Les valeurs sont difficiles à mesurer et à évaluer.Jusqu'ici, on ne considérait pas les valeurs commepartie intégrante du programme d’études. Lesparents et la société demandaient bien aux élèvesd'acquérir des comportements et des attitudesacceptables, mais cela se faisait selon un« programme caché » − l'influence des enseignantset enseignantes et de l'école. L'enseignant oul'enseignante doit encourager ouvertement, àl'heure actuelle, des attitudes et des valeursprécises. Il peut ainsi influencer précisément lesrésultats, qui doivent alors être évalués. Pour deplus amples informations sur les valeurs, on peutconsulter le chapitre 4 d’Introduction auxapprentissages essentiels communs : Manuel del'enseignant (ministère de l'Éducation de laSaskatchewan, 1988).

Il existe de bonnes raisons pour évaluer les attitudeset les valeurs et pour essayer d’encourager les élèvespar des méthodes d'enseignement efficaces et parune réflexion individuelle de l'élève. Étant donnéque les valeurs indiquées dans les facteurs F et G del'alphabétisme scientifique sont développées surplusieurs années, les enseignants et enseignantesdoivent présenter les mêmes valeurs chaque année,tout en les approfondissant chaque fois. Ceci aidel'élève à atteindre un niveau où la valeur fait partieintégrante de son caractère. Il est possible alorsqu'il continue à la développer dans sa vie adulte.Pendant leur scolarité, les élèves révèlent leursvaleurs et leurs attitudes dans leurs paroles, leursécrits et leurs actions. On peut se servir de ces troisaspects pour l'évaluation. Lorsqu'on remarque unevaleur ou une attitude, pourquoi ne pas la noter!

La consignation des données

Afin de faciliter la collecte des données reliées auxfacteurs de l'alphabétisme scientifique, le présentprogramme d’études offre des feuilles d'évaluation.Il y en a aussi dans les annexes du documentSciences : Programme cadre dans l'optique dutronc commun. Les enseignants et enseignantes lesadapteront à leurs besoins.

Les enseignants et enseignantes diffèrent souventdans leur façon de recueillir les données. Certainspréfèrent n'avoir qu'une seule feuille d'évaluationportant le nom de tous les élèves (ou d'un grouped'élèves) en haut de la page et la liste des critères àévaluer sur le côté. Ils remplissent alors la colonneappropriée lorsque l’élève fait preuve d’une habiletédonnée. L'enseignant ou l'enseignante doit alorstransférer certaines informations dans le dossierindividuel de l'élève.

D'autres enseignants et enseignantes préfèrentavoir une seule feuille d'évaluation par élève; cettefeuille se trouve dans le dossier de l'élève. Ellementionne les critères à évaluer sur le côté, et ellepeut indiquer en haut de la page les dates desévaluations. Une telle feuille individuelle illustreraainsi le développement de l'élève au cours de l'annéescolaire. Dans ce cas, l'enseignant ou l'enseignantedoit alors transférer les renseignements du dossierindividuel dans le livre de classe officiel,conformément aux règlements.

L'évaluation du programme

L'évaluation d'un programme consiste à recueillir età analyser systématiquement des informations surcertains aspects du programme afin de prendre unedécision, ou de communiquer avec d’autrespersonnes qui ont participé à la prise de décision.L'évaluation du programme peut se faire à deuxniveaux : d'une façon relativement simple, enclasse, ou d'une façon plus formelle, au niveau de laclasse, de l'école, de la division ou de la commissionscolaire.

Au niveau de la classe, on se sert de l'évaluation duprogramme pour déterminer si le programmeprésenté aux élèves répond à leurs besoins et auxbuts prescrits par la province. L'évaluation duprogramme ne se fait pas nécessairement à la fin,mais plutôt de façon continue. Par exemple, sil’enseignant ou l’enseignante s'aperçoit que lesélèves ne reçoivent pas bien certaines leçons, ouqu'ils et elles ne montrent pas les connaissancesvoulues par rapport à une unité d'étude, il devraits'interroger sur le problème et apporter deschangements. En évaluant leurs programmes auniveau de la classe, les enseignants et enseignantesdeviennent des praticiens et des praticiennesréfléchis. Les informations recueillies lors del'évaluation du programme aident les enseignants etenseignantes à planifier et à décider desaméliorations à apporter. La plupart desévaluations de programme au niveau de la classesont plutôt informelles, mais elles doivent être faitesde façon systématique. Elles doivent comprendrel'identification des problèmes, la collecte et l'analysedes informations, et la prise de décision.

L'évaluation formelle du programme doit se faireétape par étape. Il faut identifier le but del'évaluation, rédiger une proposition, recueillir etanalyser les informations, et transmettre lesrésultats de l'évaluation. L'initiative peut venir d'unenseignant ou d'une enseignante, d'un grouped'enseignants ou d'enseignantes, de l'administrationde l'école, du comité du personnel enseignant, detout le personnel, de la division ou de la commission


scolaire. Les évaluations se font généralement enéquipe pour bénéficier de l'expérience et des talentsde tous, et pour se partager le travail. On devraitentreprendre régulièrement des évaluationsformelles afin de s'assurer que les programmes sontà jour.

Pour faciliter les activités d'évaluation formelle d'unprogramme, le ministère de l'Éducation de laSaskatchewan a conçu un guide intituléSaskatchewan School-based Program EvaluationResource Book (1989), à utiliser avec un ensemblede documents pour le perfectionnementprofessionnel des enseignants et enseignantes. Deplus amples informations sur ces services de soutiensont disponibles au ministère de l'Éducation de laSaskatchewan, au secteur de l'évaluation.

L'évaluation du programmed'études

Dans les années 90, on a élaboré et implanté denouveaux programmes d'études en Saskatchewan.En conséquence, il faut savoir si ces nouveauxprogrammes d'études sont implantés de façonefficace et s'ils répondent aux besoins des élèves.Pour évaluer un programme au niveau provincial, ilfaut juger de l'efficacité des programmes d'étudesautorisés dans la province.

Pour déterminer si un programme d'études estadéquat, il faut recueillir les informations (phase demesure), donner son opinion et prendre desdécisions au sujet des informations recueillies(phase d'évaluation). La raison principale pourl'évaluation d'un programme d'études est de prévoirles améliorations à apporter. Cela peut vouloir direapporter des changements aux documents, fournirdes ressources ou offrir un stage deperfectionnement aux enseignants et enseignantes.Il est entendu que l'évaluation d'un programmed'études doit être un effort de collaboration entre lesprincipaux intervenants dans le domaine del'éducation de la province. Bien que l'évaluation desprogrammes incombe au ministère de l'Éducation,elle nécessite la participation d'organismes et deresponsables du domaine de l'éducation. Parexemple, on peut engager des contractuels pourélaborer des instruments de mesure, demander àdes enseignants ou enseignantes de concevoir destests de mesure, de les valider, de les faire passer,de les noter et d'interpréter les données. Lacoopération des commissions scolaires ou de laDivision scolaire francophone #310 sera nécessaire àla réussite du programme d'évaluation.

Pendant la phase de mesure, les informationsproviennent des élèves, du corps enseignant et de

l'administration de l'école. Les informations donnéespar les éducateurs et les éducatrices montrent dansquelle mesure le programme est implanté, ses forceset ses faiblesses, et les difficultés rencontrées lors del'utilisation. Les informations provenant des élèvesindiquent de quelle façon ils et elles atteignent lesobjectifs proposés, et fournissent des indices sur leurattitude par rapport au programme. Lesinformations des élèves sont recueillies grâce àdiverses méthodes : tests écrits (tests objectifs etouverts), tests de performance (tests pratiques),entrevues, sondages et observations.

Lors de la phase d'évaluation, les informationsobtenues doivent être interprétées par lesreprésentants des principaux groupes intervenanten éducation, dont le secteur des programmes et del'évaluation du ministère de l'Éducation de laSaskatchewan, et les enseignants et enseignantes.Les informations recueillies pendant la phase demesure sont examinées, et les recommandations,faites par un comité spécial, se rapportent auxdomaines dans lesquels on peut apporter desaméliorations. Ces recommandations sont ensuiteenvoyées aux groupes concernés, comme le secteurdes programmes et de l'enseignement, lescommissions scolaires, la Division scolairefrancophone #310, les écoles, les universités, et lesorganismes d'enseignement de la province.

Tous les programmes d'études provinciaux sontévalués. Pour les nouveaux programmes, lesévaluations sont faites une première fois pendantleur mise à l'essai et ensuite régulièrement, parrotation. L'évaluation des programmes est décritede façon plus approfondie dans le document intituléCurriculum Evaluation in Saskatchewan(Saskatchewan Education, 1991).

Physique 20, 30 – L'organisation du programme – P. 21

L'organisation duprogramme

Les installations etl'équipement

Les installations et l'équipement jouent un rôleimportant dans un cours de sciences. S'ils sontessentiels, la sécurité, elle, est vitale. Lesinstallations et l'équipement des écoles qui offrentdes cours de sciences au secondaire doivent êtreadéquats pour enseigner les sciences.

Étant donné que, dans ce programme, lesenseignants et enseignantes seront appelés à seservir de toute une gamme de stratégiesd'enseignement, il faudra que les installations seprêtent à diverses activités d'apprentissage. Il fautun laboratoire bien équipé, aménagé pour que lesélèves puissent s'y réunir en petits groupes pourdiscuter, pour faire des activités de laboratoire, enpetits groupes ou non, pour assister à des exposés ouà des cours magistraux, pour effectuer desrecherches, etc. On peut aussi combiner deux sallesou plus.

Un bon laboratoire de sciences (ou toute autreinstallation se prêtant à un cours de sciences) doitcomporter :• deux sorties, éloignées l'une de l'autre;• des dispositifs qui permettent de couper

automatiquement l'eau, le gaz naturel etl'électricité; ils doivent être facilementaccessibles et fonctionner simplement;

• un centre d'activités spacieux où les élèvespeuvent travailler sans se gêner ou sebousculer;

• un matériel de sécurité visible et accessible àtous;

• un système de ventilation qui maintient unepression négative dans le laboratoire;

• suffisamment de prises de courant pour ne pasavoir à utiliser de rallonges; les prises doiventêtre des prises de terre ou être protégéesindividuellement;

• un système d'éclairage de secours;• assez d'étagères pour ne pas avoir à empiler le

matériel, à moins que cela ne présente aucunrisque;

• un meuble séparé pour ranger les produitschimiques par catégories;

• un endroit pour ranger les ressourcesaudiovisuelles (les vidéocassettes etaudiocassettes), les cartes, les diapositives et lesrevues scientifiques;

• un endroit pour s'occuper des plantes ou desanimaux;

• un endroit pour ranger les travaux des élèves.

L’équipement qui est normalement mis à ladisposition des élèves du secondaire sera adéquatpour la majorité des activités de sciences. Ontrouvera facilement ce qui manque dans unmagasin de matériel scientifique.

L'équipement et les fournitures utilisés en sciencessont des ressources précieuses. Non seulement ilscoûtent de plus en plus cher, mais ils sontindispensables au bon déroulement des cours desciences. Un système d'inventaire efficace a saraison d'être. Il permet à l'enseignant ou àl'enseignante de n'être jamais à court defournitures, de ne pas commander quelque chosequi est déjà en stock, et de gagner du temps aumoment des commandes. Il permet de déterminerrapidement si on a tel ou tel produit. L'inventairepeut aussi être utile pour les assurances.

Outre l'inventaire, il faut aussi prêter attention àl'entretien et à l'entreposage. Si l'entretien est faitrégulièrement, le matériel sera prêt à servir à toutmoment, et il fonctionnera bien. Un espace derangement adéquat permet de conserverl'équipement en bon état et permet que, seules, lespersonnes autorisées s'en servent. Les élèvesapprennent ainsi que l'équipement et le matériel nesont pas des jouets et qu'un laboratoire n'est pasune salle de jeux.

La sécurité

La sécurité dans la salle de classe est d'unesuprême importance. On ne peut utiliser au mieuxles composantes de l'éducation — ressources,stratégies d'enseignement, installations — que dansune salle de classe ne présentant pas de danger. Lasécurité n'est pas qu'une question de bon sens.Pour pouvoir créer un environnementsécuritaire, l'enseignant ou l'enseignante doitêtre bien renseigné, conscient et prévoyant.La sécurité au laboratoire dépend aussi desélèves. Pour s'informer, lire les documentssuivants :

Safety in the secondary science classroom. —Washington : National Science TeachersAssociation, 1978

Adresse : 1742 Connecticut Avenue North West,Washington, D 20009.

P. 22 – Physique 20, 30 – L'organisation du programme

Prudent practices for handling hazardouschemicals in laboratories . — Washington, DC :National Academy Press, 1981

A guide to laboratory safety and chemicalmanagement in school science studyactivities. — Saskatchewan Environment andPublic Safety, 1987

Chaque école devra posséder un exemplaire deScience 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 sontsouvent offerts lors des congrès de professeurs desciences. On peut aussi trouver des conseils utilesdans les revues qui s'adressent à la profession. Lesenseignants et enseignantes peuvent égalementrecevoir d’autres points de vue sur la sécurité lorsd'échanges professionnels.

La prise de conscience s'apprend grâce auxenseignants et enseignantes qui insistent sur desmesures de sécurité visibles : extincteur, couvertureignifugée, douche oculaire, affiches sur la sécurité,« cours de sécurité » au début de l'année scolaire,accent mis sur les précautions à prendre avantchaque activité.

Il y a proaction lorsqu'on agit à partir de ce qu'onsait et de ce dont on est conscient. Six principes debase régissent l’organisation et le maintien d'unesalle de classe sans danger. L’enseignant oul’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 toutesles précautions voulues. Bien leur direégalement de ne pas oublier ces procédureslorsqu’ils font des expériences à la maison.

• Prévenir les accidents en surveillant de près lesélèves pendant toute la durée des activités.Faire remarquer que des comportementsinacceptables dans la salle de classe, et surtoutdans un laboratoire, peuvent mettre en dangertoutes les personnes présentes et détruire leclimat d'apprentissage pour toute la classe.

• Être au courant des allergies ou des problèmesmédicaux des élèves.

• Placer dans la classe des affiches sur lasécurité, qu’elles aient été achetées oufabriquées par les élèves.

• Suivre un cours de secourisme. Si le traitementd'une blessure dépasse le niveau de compétencesde l'enseignant ou de l'enseignante, attendrel'arrivée du médecin.

Il est impossible de dresser une liste complète detoutes les mesures de sécurité, car ce serait répéterce qui a été mentionné précédemment au risqued'oublier quelque chose d'important. Mais c'est fairepreuve de négligence que de ne rien faire. Ontrouvera ci-dessous une liste de points importantspour la sécurité. Cette liste ne diminue en rien laresponsabilité de l'enseignant ou de l'enseignantequi doit faire tout ce qui est en son pouvoir pourétablir un environnement sans danger.• Inspecter la salle de classe régulièrement, pour

s'assurer qu'elle ne présente pas de dangerpotentiel.

• Faire une exposition sur le babillard sur unthème spécifique relié à la sécurité.

• Instaurer une règle selon laquelle l'enseignantou l'enseignante doit être avisé de tout accidentqui survient pendant le cours.

• En cas d'accident sérieux, envoyer une personnechercher de l'aide auprès d'un expert, d'unprofessionnel ou d'une tierce personne. Puis,faire ce qui est nécessaire. C'est l'enseignant oul'enseignante qui est responsable de la situation.

• Se familiariser avec la politique de lacommission ou de la division scolaire en ce quiconcerne les accidents.

• Ne pas donner de conseils de nature médicale.• Déplacer la personne blessée aussi peu que

possible avant qu'une évaluation complète de lablessure n'ait été faite.

• Insister pour que les élèves fassent encore plusattention lorsqu'ils travaillent avec du feu dansla salle de classe.

• Imposer l'utilisation de lunettes de sécuritélorsque les élèves utilisent du feu, des produitschimiques corrosifs ou d'autres produitsdangereux.

• En cas d'incendie, la première responsabilité del'enseignant ou de l'enseignante est de fairesortir les élèves de la classe. Envoyer unepersonne spécifique donner l'alarme, puisévaluer la situation et agir en conséquence.

• Éviter de surcharger les étagères et les rebordsdes fenêtres.

• Toujours bien étiqueter les contenants desolides, de liquides et de solutions.

• Ne pas jeter de morceaux de verre avec lesautres déchets.

• Conseiller aux élèves de ne pas toucher, nigoûter, ni sentir les produits chimiques à moinsqu'on ne leur dise de le faire.

• Garder à portée de la main une trousse desecourisme à laquelle les élèves n'ont pas accès.Savoir comment s'en servir. Chaque laboratoiredoit en avoir une.

• Vérifier régulièrement les interrupteursautomatiques pour le gaz, l'électricité et l'eauafin de s'assurer qu'ils sont en bon état demarche.


• Vérifier régulièrement le bon fonctionnement dumatériel de sécurité : extincteurs, couverturesignifugées, douches oculaires, lunettes desécurité, hotte, bouchon antiprojections pour leséprouvettes et écran protecteur.

• Vérifier le bon état des fils électriques. Lesdébrancher en tenant bien la prise.

• S'assurer que les élèves portent des vêtementsde sécurité chaque fois que cela est nécessaire :lunettes de sécurité, tablier ou combinaison deprotection; s'assurer qu'ils et elles travaillentsous la hotte, etc.

• Demander aux élèves qui ont les cheveux longsde se les attacher. Demander à tous les élèvesde ne pas porter de vêtements amples ouflottants au laboratoire.

• Demander aux élèves de ne rien goûter, de nepas manger ni boire, et de ne pas mâcher degomme au laboratoire.

• Insister pour que les élèves suivent lesprocédures recommandées et n’en changent passans avoir parlé avec l'enseignant oul'enseignante.

• Demander aux élèves de remettre le matériel àsa place.

• Ne pas remettre les produits chimiques ou lessolutions dans leur contenant d'origine aprèsusage.

• Prélever toujours un liquide en se servant d'unepipette munie d'une poire. Ne pas aspirer leliquide.

• Ne jamais mélanger les acides ou les oxydants àdes composés chimiques contenant du chlore (p.ex. eau de Javel).

• Remplacer les thermomètres à mercure par desthermomètres à alcool.

• Remplacer les plaques d'amiante par desplaques métalliques ordinaires ou par desplaques de céramique.

• Surveiller de très près l'utilisation de liquidesbiologiques humains dans les expériences delaboratoire :° 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 contactavec les liquides corporels des autres élèves;

° n'utiliser que des lancettes à utilisationunique pour les prises de sang et ne lesutiliser qu'une seule fois;

° se débarrasser correctement des lancettesimmédiatement après usage;

° n'utiliser qu'une seule fois les tamponsd'alcool;

° s'assurer que les élèves se laventsoigneusement les mains au savon et à l'eauaprès avoir manipulé tout liquidebiologique.

• Mettre sous clé les spécimens, le matériel et lesinstruments de dissection, ainsi que les produitschimiques dont on se sert en biologie.

• Partir du principe selon lequel tout échantillonrecueilli à l'extérieur (eau de mare ou demarécage, plantes, sols, insectes) a étécontaminé par des agents pathogènes et letraiter comme tel.

• Ne jamais faire une culture d’agentspathogènes. Manipuler les récipients contenantdes bactéries inconnues comme s'ils étaientcontaminés par des agents pathogènes, jusqu'àpreuve du contraire.

• S'assurer du bon fonctionnement desautoclaves.

• S'assurer qu'il y a une bonne ventilation lorsqueles élèves utilisent des spécimens conservésdans du formol ou du formaldéhyde.

• Soigner correctement les animaux. Consulter,au besoin, un bon livre sur les soins à donneraux animaux.

• Mettre des gants en caoutchouc et manipulertrès soigneusement les hormones de croissancepour les plantes telles la colchicine, l'acideacétique d'indole, l'acide gibbérellique.

• Mettre sous clé tous les produits chimiques. Enrestreindre l'accès.

• Nettoyer rapidement et correctement toutdéversement de produits chimiques.

• Inspecter tous les contenants en verre (béchers,ballons, etc.) pour voir s'ils ne sont pas fêlés ouébréchés avant de s'en servir pour chauffer dessolutions ou des liquides corrosifs concentrés.

• De nombreuses plantes peuvent renfermer destoxines ou des allergènes. Demander aux élèvesde ne ni les goûter ni les toucher. Il incombe àl'enseignant ou à l'enseignante de sefamiliariser avec les lois fédérales, provincialeset municipales se rapportant à la faune et à laflore. En cas de doute, s'informer.

• Stocker les produits chimiques par groupes decomposés compatibles plutôt que par ordrealphabétique (on pourra ranger un groupe decomposés compatibles par ordre alphabétique).

• Garder sous clé l'équipement électrique(transformateurs électrostatiques, oscilloscopes,tubes à décharge, tubes de Crookes, tubes àeffets magnétiques, lasers, tubes à effetsfluorescents et sources de lumière ultraviolette).

• Les tubes à décharge produisent des rayons Xqui peuvent pénétrer dans le verre si on utilisedes voltages de plus de 10 000 volts.

• Les lasers peuvent abîmer la vue. Le cristallinde l'œil peut augmenter de 1 000 000 foisl'intensité de la lumière. Elle est donc d'autantplus forte pour la rétine. Pour minimiser lesrisques, n'utiliser que des lasers ne dépassantpas 0,5 mW :


° n'utiliser les lasers qu'à la lumière normalede façon à ce que les pupilles ne soient pasdilatées;

° s'écarter des faisceaux lumineux primairesou réfléchis;

° mettre les élèves en garde contre les refletsimprévus.

Les lentilles de contact

Le port de lentilles de contact peut créer desproblèmes, car elles retiennent la poussière et lesproduits chimiques. Les gaz et les vapeurs peuventcauser une irrigation excessive de l'œil et pénétrerdans le matériau souple de la lentille. Une blessuredue à des éclaboussures de produit chimique peutempirer s'il est difficile d'ôter rapidement la lentilleet d’administrer les premiers soins. Perdre oudéplacer une lentille à un moment crucial peutposer un problème de sécurité.

D'un autre côté, si on porte des lentilles de contactavec des lunettes de sécurité, on ne court pas plusde danger qu'avec des lunettes ordinaires. Leslentilles peuvent même empêcher certains produitsirritants de toucher la cornée, et protéger un peul'œil. The Saskatchewan Association of Optomitristsestime que si l'on porte de bonnes lunettes desécurité aérées, on ne court pas plus de risques dansun 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, etqu'ils aient une paire de lunettes au cas où ilsdevraient enlever leurs lentilles.

La sécurité au sens large

Généralement, quand on parle de sécurité, onentend sécurité physique, bien-être des personneset, à un moindre degré, sécurité de la propriétépersonnelle. Mais la sécurité peut très bien engloberle bien-être de la biosphère. Les composantes de labiosphère — faune, flore, terre, air et eau —méritent qu'on s'en préoccupe. La sécurité de notreplanète et notre avenir dépendent de nos actions etde notre enseignement, qu'il s'agisse de savoirquelles fleurs sauvages on peut cueillir ou de quellemanière se débarrasser des déchets toxiques dansles laboratoires des écoles secondaires.

En vertu de la Loi sur les produits dangereux, leSystème d'information sur les matières dangereuses

utilisées au travail (SIMDUT) régit l'entreposage etla manipulation de produits chimiques dans leslaboratoires de sciences. Toutes les commissionsscolaires et la Division scolaire francophone #310doivent se conformer aux dispositions de la loi.

Comment se débarrasser desproduits chimiques

Il faut prendre certaines précautions quand on sedébarrasse de produits chimiques :• Toujours diluer les produits chimiques liquides

et aqueux des catégories 1 et 2 avant de lesverser dans l'évier, puis faire couler l'eau defaçon à les diluer encore plus. Se référer àl’ouvrage : Guide to Laboratory Safety andChemical Management in School ScienceStudy Activities.

• Rincer les déchets solides avec de l'eau. Lesdéchets solides devront être jetés dans uncontenant spécial qui sera réservé à cet effet, etnon dans la corbeille à papier. Prévenir le ou laconcierge de l'existence de ce contenant spécialet l'assurer qu'il ne contient aucun matérieldangereux.

Si, pour une raison ou une autre, l'enseignant oul'enseignante remplace le produit recommandé parun autre, c'est lui qui doit faire des recherches surla toxicité de ce produit, sur les dangers potentielsqu'il présente et sur la manière convenable de s'endébarrasser.

Il faudra suivre les réglementations fédérales,provinciales et municipales sur l'étiquetage,l'entreposage et la manière de se débarrasser dessubstances dangereuses. Selon le Systèmed'information sur les matières dangereuses utiliséesau travail (SIMDUT) qui a été mis en place, toutemployé manipulant des substances dangereusesdoit suivre une formation offerte par son employeur.Contacter, pour plus d'information, le Centrecanadien d'hygiène et de sécurité au travail ou leministère Saskatchewan Labour.


Comment organiser uneexcursion

Une excursion réussie constitue une expérienced'apprentissage très valable qui permet aux élèvesd'appliquer à des situations « réelles » lesconnaissances acquises en classe. Des excursionsdonnent également aux élèves l'occasion d'apprendredirectement plutôt qu'indirectement, ce quiaméliore toujours l'apprentissage. Les excursionssont 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 aune politique spéciale à ce sujet. L'approche la plussimple est de traiter cette expérience comme s'ils'agissait de rédiger un article de journal, et desuivre le format habituel des questions pertinentes.

Pourquoi emmène-t-on la classe faire uneexcursion?• 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 enapplication?• 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 comportementdes 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 visiterl'endroit choisi auparavant?

• Les endroits où les diverses activités ont lieusont-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 aprèsl'excursion pour faire une récapitulation?

• Les dates choisies risquent-elles de poser desproblèmes?

• Faut-il des vêtements ou des fournituresspéciaux en raison de la date prévue?

• Des activités de remplacement sont-ellesprévues 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 del'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, ont-ils été choisis?

Ceci peut paraître beaucoup de travail, mais laplupart de ces choses devront être faites avant departir en excursion. Plus la planification seradétaillée, plus il y aura de chance que l'excursionsoit une réussite.

Une fois que le travail de préparation a été fait etque les approbations ont été obtenues au niveau del'administration, approcher les parents et les élèvesau sujet de l'excursion. Il est recommandé dedonner aux élèves une lettre pour leurs parents quidétaille l'excursion proposée : heure de départ et deretour, endroits visités, personnes responsables dela surveillance, vêtements nécessaires, repas prévu,matériel nécessaire, coût anticipé et activités deremplacement. La lettre peut également inclure unedemande d'aide aux parents et un formulaired'autorisation à rendre à l'enseignant ou à


l'enseignante. C'est une bonne idée que l'enseignantou l'enseignante et la direction signent la lettreavant de l'envoyer aux parents.

Un exemple de formulaire d'autorisation se trouve àla page 27. Il faut noter que ce formulaired'autorisation n'empêche ni l'enseignant ni lacommission ou la division scolaire d'être poursuivisen cas d'accident pendant l'excursion.


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. Cetteexcursion donnera à votre enfant l'occasion de bénéficier des expériences suivantes : (donner ici une brève listedes activités prévues).

Vous trouverez ci-joint un itinéraire et un horaire des activités prévues. Vous êtes priés de les lire attentivementet 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 besoinsspécifiques ou des problèmes d'ordre médical (par exemple des allergies), vous êtes priés de nous le fairesavoir. 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. Mercide votre collaboration.

Enseignant.e Directeur ou directrice de l'école ___________________________________

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------Je pourrai participer à l'excursion en tant que bénévoleoui 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 participerpleinement à cette excursion.

Date : ______________________________

Signature : ___________________________

P. 28 – Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique

Facteurs de l'alphabétisme scientifiqueAperçu global des programmes d’études de sciences

Table séquentielle des facteurs scientifiques qui sous-tendent les aspects de l’alphabétisme scientifique1

Aspects; facteurs Élémentaire Intermédiaire SecondaireM 1 2 3 4 5 6 7 8 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 Développement

Élémentaire Intermédiaire Secondaire

Physique 20, 30 – Facteurs de l'alphabétisme scientifique – P. 29

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 espace-

temps..................................................19. l’obtention d’un consensus.............…20. la définition opérationnelle...............21. la synthèse.........................................

D. Relations science-technologie-société-environnement

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...........................................



Élémentaire Intermédiaire SecondaireM 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

E. Habiletés scientifiques et techniques

1. savoir se servir d’instrumentsgrossissants........................................

2. savoir utiliser les environnementsnaturels..............................................

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. 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 scientifique..

9. apprécier les contributionsscientifiques........................................


Hart, E.P. — Science for Saskatchewan Schools : Proposed Directions : Field Study : Part B : A Framework for CurriculumDevelopment. — SIDRU, 1987. — Financé par le ministère de l’Éducation de la Saskatchewan. — Adaptation


Explication des facteurs quisous-tendent les aspects del'alphabétisme scientifique

A. Nature de la science

Une personne qui possède une culturescientifique générale comprend la nature dela science et des connaissances scientifiques.

La science est à la fois publique et privée. Lesvéritables expériences scientifiques fontdécouvrir aux élèves les aspects privés etintuitifs des investigations et des découvertesscientifiques, ainsi que les aspects publicsplus formels.

La science est par nature :

A1 Publique/privée D (M-12)

Elle repose sur des preuves développées en privé pardes individus ou des groupes; elles sont partagées enpublic avec d'autres. Ceci offre à d'autres individusl'occasion de tenter d'établir la validité et le sérieuxdes preuves.

Exemples :

Une fois que les scientifiques ont recueilli etorganisé des preuves corroborant leurs idées, ilspublient ces preuves et les méthodes qui ont permisde les obtenir pour que leurs collègues puissent entester la validité et le sérieux.

Lorsque Pons et Fleischman ont annoncé qu'ilsavaient découvert la fusion à froid, ils ont omis deprésenter certaines preuves et procédures pourpouvoir breveter leur découverte. Ils ont ainsi violéle principe de la divulgation publique.

A2 Historique D (M-12)

Les connaissances scientifiques du passé doiventêtre examinées dans leur contexte historique et nondénigrées à la lumière des connaissances actuelles.

Exemples :

Thompson, Rutheford, Bohr et les théoriciens desquanta se sont basés chaque fois sur les travaux deleurs prédécesseurs pour améliorer le modèle del'atome.

Les croisements sélectifs du maïs par les peuplesindiens d'Amérique du Nord ont produit une plantede grande qualité.

A3 Holistique D (M-12)

Toutes les branches des sciences sont liées.

Exemple :

La structure moléculaire est un sujet d'intérêt pourles physiciens, les chimistes et les biologistes.

A4 Reproductible I (M-2), D (3-12)1

Elle repose sur des preuves qui pourraient êtreobtenues par d'autres chercheurs dans un autreendroit et à un moment différent, mais dans desconditions semblables.

Toute procédure que l'on répète devrait produire lesmêmes résultats.

Exemple :

Tous les élèves d'un groupe font la même expérienceet découvrent des ressemblances entre leursrésultats.

A5 Empirique I (M-2), D (3-12)

Les connaissances scientifiques reposent surl'expérimentation ou l'observation.

Exemples :

On peut déterminer en laboratoire la force degravitation de la Terre.

Il faut toujours tester les théories scientifiques enprocédant 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'enseignanteutilise le terme ou le concept et expose les élèves aux phénomènes illustrant ou concernant le facteur. Il y a développementlorsque l'on encourage les élèves à employer correctement le terme ou le concept.


A6 Probabiliste I (2-8), D (9-12)

Elle ne permet pas de faire de prédiction absolue nide donner d'explication absolue.

Exemples :

L'orbitale d'un électron est l’endroit de l'espace oùon a les plus grandes chances de trouver unélectron.

Un météorologue annonce qu'il y a 20 % de chancequ'on ait de la pluie demain.

A7 Unique I (3-7), M (8-12)

La nature de la connaissance scientifique et lesprocédés qu'emploie la science pour parvenir à denouvelles connaissances sont différents de ceuxd'autres domaines de connaissances, comme laphilosophie.

Exemples :

Comparer les méthodes utilisées par lesmétéorologues pour prévoir la météo et celles dont seservent les éditeurs de l'Almanach du fermier.

Comparer l'approche expérimentale de Galilée pourétudier la vitesse à laquelle tombent des objetslégers et lourds et celle d'Aristote qui repose sur laseule raison.

A8 Expérimentale I (6), D (7-12)

Elle est sujette a des changements. Elle ne prétendpas être la vérité absolue et définitive. Cettecaractéristique ne diminue pas la valeur desconnaissances scientifiques aux yeux de la personnequi possède une véritable culture scientifique.

Exemple :

Au fur et à mesure que de nouvelles données sontdisponibles, les théories se modifient pour prendreen considération les anciennes données et lesnouvelles. C'est la raison pour laquelle on considèrela structure atomique de façon très différentemaintenant.

A9 Reliée à l'être humain/à la cultureI (6-9), D (10-12)

La science est un produit de l'humanité. Elle faitappel à l'imagination créatrice. Les connaissancessont déterminées par des concepts et à partir de cesconcepts qui sont les produits de la culture.

Exemples :

Certaines personnes mettent les vertébrés, surtoutles êtres humains, en haut de l'échelle del'évolution.

Grâce à la biotechnologie, on a pu éliminer l'acideérucique du canola. Ceci a permis de développer desvariétés améliorées d'huile de canola pour laconsommation humaine.

B. Concepts scientifiquesfondamentaux

La personne qui possède une certaine culturescientifique comprend et appliqueexactement les concepts, les principes, leslois et les théories scientifiques appropriésdans son interaction avec la société etl'environnement.

Les principaux concepts sont :

B1 Le changement D (M-12)

Le changement est le processus consistant à setransformer. Il peut s'effectuer en plusieurs étapes.

Exemples :

Un organisme se développe. C'est d'abord un œuf,puis il grandit et finit par mourir. Les rochessubissent l'action de l'érosion.

Les étoiles utilisent leur combustible et, de cettefaçon, subissent des modifications.

B2 L'interaction D (M-12)

Elle se produit lorsque deux choses ou pluss'influencent ou s'affectent mutuellement.

Exemple :

Des animaux vivant dans le même écosystèmedoivent se battre pour la nourriture et l'espace.

B3 L'ordre D (M-12)

C'est une séquence régulière qui existe dans lanature ou est imposée par la classification.

Exemples :

On peut identifier des structures cristallines par destechniques de diffraction en raison de l'arrangementrégulier de leurs atomes.Le tableau périodique des éléments montre l'ordredans lequel les éléments sont arrangés.


B4 L'organisme D (M-12)

C'est une chose vivante ou une chose qui vivaitautrefois.

Exemples :

Savoir si un virus est un organisme vivant ou nonest un sujet de recherche intéressant.

Des fossiles trouvés dans des roches sédimentairesprouvent l'existence d'organismes qui ont disparu ily a très longtemps.

B5 La perception D (M-12)

C'est l'interprétation par le cerveau de donnéessensorielles.

Exemple :

Le décalage horaire peut diminuer le jugement despilotes pendant le décollage et l'atterrissage.

B6 La symétrie D (M-12)

C'est la répétition d'un schème dans le cadre d'unestructure plus grande.

Exemple :

Certaines structures moléculaires et autresorganismes vivants montrent une symétrie.

B7 La force I (M-1), D (2-12)

C'est une poussée ou une traction.

Exemple :

Le poids d'un objet décroît avec l'altitude à laquelleil se trouve.

B8 La quantification I (M-1), D (2-12)

Les nombres peuvent être utilisés pour exprimerdes informations importantes.

Exemple :

On peut calculer la force d'attraction de deux objetsgrâce à la loi de la gravitation universelle formuléepar Newton.

B9 La reproduction des résultats I (M-2),D (3-12)

En faisant la même chose, on devrait obtenir lesmêmes résultats si toutes les conditions sontidentiques. C'est une caractéristique nécessaire del'expérimentation scientifique.

Exemple :

Si l'on fait chauffer un échantillon deparadichlorobenzène 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 prouveque des phénomènes naturels n'arrivent pas parhasard. Cela permet de faire des prédictions. Lathéorie du big bang a remis quelque peu en questionce principe.

Exemples :

L'accélération d'une charrette dépend de la forcenon équilibrée qu'on y applique.

Chaque événement a une cause. Il ne peut seproduire de lui-même.

B11 La prévisibilité I (M-3), D (4-12)

On peut identifier des motifs répétitifs dans lanature et à partir de ceux-ci on peut faire desinférences.

Exemple :

Lorsque du métal de sodium réagit au contact del'eau, la réaction fait virer le papier tournesol durouge au bleu.

B12 La conservation I (M-4), D (5-12)

Comprendre la nature limitée des ressourcesmondiales et la nécessité de les traiter avecprudence et parcimonie est le principe sous-jacent àla conservation.

Exemples :

Il est possible de réduire la quantité d'énergienécessaire pour chauffer une maison en hiver si onl'isole bien.

On peut concevoir des voitures plus petites et plusefficaces qui utiliseront moins de carburant.


B13 L'énergie et la matière I (1-2), D (3-12)

C'est la relation interchangeable et dépendanteentre l'énergie et la matière.

Exemple :

Lorsqu'une bougie brûle, une partie de l'énergie quise trouvait dans la cire est libérée sous forme dechaleur et de lumière.

B14 Le cycle I (1-2), D (3-12)

Certains événements ou certaines conditions serépètent.

Exemples :

Le cycle de l'eau, le cycle de l'azote et l'équilibresont des exemples de cycles.

Un des douze principes de la philosophie indienneest que le changement se produit selon un cycle ouun motif.

B15 Le modèle I (1-2), D ( 3-12)

C'est la représentation d'une structure réelle, d'unévénement réel, d'une classe d'événements réelspermettant de mieux comprendre les conceptsabstraits ou de faciliter la manipulation enréduisant l'échelle.

Exemple :

Watson et Crick ont créé un modèle de la moléculed'ADN pour permettre une meilleurecompréhension de la génétique.

B16 Le système I (1-2), D (3-12)

Un ensemble de parties reliées forme un système.

Exemple :

L'équilibre chimique ne peut s'établir que dans unsystème fermé.

B17 Le champ I (1-2), D (3-12)

Un champ est une région de l'espace influencée parun agent.

Exemples :

Deux objets ayant la même charge ont tendance àse repousser lorsqu'ils sont près l'un de l'autre.

Le Soleil est la source d'un champ de gravitationqui remplit l'espace. Ce champ influence lemouvement de la Terre.

B18 La population I (3), D (4-12)

C'est un groupe d'organismes qui partagent descaractéristiques communes.

Exemple :

Les biologistes qui s'occupent de la faune surveillentles cerfs de Virginie pour déterminer le nombre depermis de chasse à octroyer dans une zone donnée.

B19 La probabilité I (3-8), D (9-12)

C'est le degré relatif de certitude que l'on peutreconnaître si certains événements se passent àintervalles de temps donnés ou selon une séquencedonnée.

Exemple :

La probabilité d'être atteint de certains types decancer augmente avec l'exposition à de fortes dosesde radiation.

B20 La théorie I (3-9), D (10-12)

C'est un groupe de phrases, d'équations ou demodèles, ou une combinaison des trois, reliés entreeux et cohérents; ils permettent d'expliquer ungroupe relativement grand et divers de choses etd'événements.

Exemple :

Au fur et à mesure qu'on procède à de nouvellesexpériences, la théorie de l'atome évolue et seperfectionne.

B21 La justesse I (5-8), D (9-12)

C'est reconnaître que les mesures sont incertaineset qu'il est important d'utiliser correctement deschiffres significatifs.

Exemple :

Un chronomètre qui mesure au 1/10e de seconden’est pas l'instrument à utiliser pour déterminer ladurée de la décharge d'une étincelle.


B22 Les entités fondamentales I (6),D (7-12)

Ce sont des unités de structure ou de fonction surlesquelles on peut se baser pour expliquer certainsphénomènes.

Exemples :

La cellule est l'unité de base de la vie.

L'atome est l'unité de base de la matière.

B23 L'invariance I (6), D (7-12)

C'est le caractère de ce qui reste constant lorsqued'autres caractéristiques changent.

Exemple :

La masse est conservée lors d'une réactionchimique.

B24 L'échelle I (6), D (7-12)

Elle implique un changement de dimension, ce quipeut affecter la manière dont un système opère.

Exemple :

Un avion en papier fait avec une feuille de cahiervolera différemment d'un avion en papier fait dansle même papier et sur le même modèle, mais avecune 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 décriredes objets et des événements.

Exemples :

Un être humain moyen a une extension dans unedirection d'environ 1,75 mètre et dans une autredirection d'environ 70 ans.

Selon la relativité générale, la gravité n'est pas uneforce mais une propriété de l'espace lui-même. C'estune courbure du temps et de l'espace causée par laprésence d'un objet.

B26 L'évolution I (6-8), D (9-12)

C'est une série de changements qui peuvent servir àexpliquer comment une chose en est arrivée à cequ'elle est ou en quoi elle va se transformer. Cetteévolution va en général du simple au complexe.

Exemple :

On considère que l'évolution des organismesprogresse par petits changements successifs. De lamême façon, les théories scientifiques subissent deschangements qui permettent d'incorporer lesnouvelles données au fur et à mesure qu'ellesdeviennent disponibles.

B27 L'amplification I (8), D (9-12)

C'est un accroissement de l'ampleur de certainsphénomènes perceptibles.

Exemple :

Un haut-parleur amplifie les sons.

B28 L'équilibre I (9), D (10-12)

C'est l'état dans lequel il ne s'opère ni changementau niveau macroscopique ni force nette sur lesystème.

Exemples :

Dans un équilibre chimique, il ne s'opère aucunchangement au niveau macroscopique.

Un levier de première classe, en équilibre statique,reste au repos. La somme de tous les moments desforces en action est zéro.

B29 Le gradient I (9), D (10-12)

C'est la description d'un schéma de variation. Cettedescription comprend l'ampleur et la direction duchangement.

Exemples :

On peut prédire la décroissance de l'intensité de lalumière au fur et à mesure qu'on s'éloigne de lasource lumineuse.

Sur une montagne, la meilleure direction pourconstruire une voie ferrée est celle où la pente est lamoindre.

B30 La résonance I (9), D (10-12)

C'est une action à l'intérieur d'un système qui causeune réaction similaire dans un autre système.

Exemples :

Une boîte en bois vide peut servir à amplifier le sond'un diapason.


En raison de la résonance mécanique, des vibrationssonores peuvent briser un verre à vin.

B31 La signifiance I (9), D (10-12)

C'est la croyance que certaines différences excèdentcelles qu'on pourrait croire causées par le hasardseulement.

Exemple :

L'analyse des données de Tycho Brahé a entraîné laformulation de la Première loi de Kepler.

B32 La validation

Exemple :

On se sert de la datation au carbone 14 pour vérifierl'authenticité des objets retrouvés dans des fouillesarchéologiques.

B33 L'entropie I (9-10), D (11-12)

C'est l'expression de l'aspect aléatoire, ou nonordonné, d'une collection d'objets. Elle ne peutjamais être réduite à un système fermé.

Exemple :

Lorsqu'on dissout du chlorure de sodium solide dansde l'eau, ses particules se dispersent au hasard.

C. Procédés d'investigationscientifique

La personne qui possède une culturescientifique générale se sert de procédéspropres à la science pour résoudre desproblèmes, prendre des décisions et mieuxcomprendre la société et l'environnement.

Des procédés plus complexes ou intégréscomprennent des procédés qui sont plusfondamentaux. Les capacités intellectuelless'acquièrent et se développent la vie durant,si bien que la maîtrise des procédésd'investigation scientifique peut faciliterl'apprentissage. Ceci permet d'obtenir descompétences de résolution de problèmes et detraitement de l'information qui dépassent deloin les programmes scolaires. La personnequi peut repérer l'information, la traiter,appliquer sa connaissance des principesscientifiques à l'analyse d'une question,identifier des valeurs et parvenir à unconsensus grâce aux méthodes d'évaluation

possède nécessairement les procédés qui sontà la base de l'investigation scientifique.

Ces procédés de base sont les suivants :

C1 La classification D (M-12)

C'est une méthode systématique dont on se sertpour imposer un ordre à un ensemble d'objets oud'événements.

Exemple :

On peut regrouper des animaux dans leurembranchement, ou arranger des éléments dans letableau périodique des éléments.

C2 La communication D (M-12)

C'est une méthode, parmi plusieurs, detransmission de l'information d'une personne à uneautre.

Exemple :

On peut citer comme exemple de communication larédaction de rapports ou la participation auxdiscussions en classe.

C3 L'observation et la description D (M-12)

Ce sont les démarches scientifiques les plusélémentaires, au cours desquelles on utilise ses senspour obtenir des renseignements sur sonenvironnement.

Exemple :

Lors d'une recherche, l'élève rédige un paragraphedans lequel il note la progression d'une réactionentre du cuivre brûlant et des vapeurs de soufre.

C4 La coopération D (M-12)

C'est travailler de façon productive au sein d'uneéquipe, pour atteindre les objectifs de l'équipe.

Exemple :

Les élèves doivent partager les responsabilités d'uneexpérience.


C5 La mesure D (M-12)

On utilise un instrument pour estimer une valeurquantitative liée à certaines caractéristiques d'unobjet ou d'un événement.

Exemple :

On peut déterminer la longueur d'une barre demétal au millimètre près si l'on utilise l'instrumentde mesure approprié.

C6 La mise en question I (M-1), D (2-12)

C'est soulever un problème ou une question pourfaciliter la recherche ou la discussion.

Exemple :

Un élève devrait être capable de créer des questionsdirigées au sujet d'événements observés. Lorsqu'ilobserve des oiseaux migrateurs, il devrait pouvoiraller plus avant dans la recherche grâce à desquestions telles que : « Pourquoi les oiseaux seréunissent-ils pour effectuer la migration? »,« Comment les oiseaux savent-ils où se rendre? »

C7 L'utilisation des nombres I (M-1),D (2-12)

C'est se servir de systèmes numériques (compter oumesurer) pour exprimer des idées, faire desobservations ou établir des relations.

Exemple :

Un litre contient 1 000 millilitres.

C8 La formulation d'hypothèses I (1-2),D (3-12)

C'est formuler une généralisation expérimentale quipeut servir à expliquer un assez grand nombred'événements, mais qui doit être vérifiée,immédiatement ou ultérieurement, par desexpériences.

Exemple :

Formuler une hypothèse, c'est par exemple faire desprédictions sur l'importance de diversescomposantes d'un pendule qui peuvent influencer sapériode.

C9 L'inférence I (1-2), D (3-12)

C'est donner une explication à partir de l'expériencequ'on possède d'une chose.

Exemple :

On peut inférer que des petits changements dans unmilieu peuvent affecter les populations lorsqu'onobserve que les marécages d'eau de mer n'abritentpas la même population d'insectes que lesmarécages d'eau douce.

C10 La prédiction I (1-2), D (3-12)

C'est se servir des informations que l'on possèdepour prévoir des résultats futurs.

Exemple :

Étant donné les résultats du calcul horaire de lapopulation dans une culture de levure, on pourraitprédire la population au bout de 5 heures.

C11 Le contrôle des variables I (1-2),D (3-12)

C'est identifier ou gérer les conditions qui peuventinfluencer une situation ou un événement.

Exemples :

Si on identifie tous les autres facteurs qui ont del'importance pour la croissance des plantes et si onles rend semblables (en les contrôlant), on peutobserver l'effet de l'acide gibbérellique.

Pour pouvoir vérifier l'effet d'un engrais sur lacroissance d'une plante, tous les facteurs quipeuvent être importants dans la croissance de cetteplante doivent être identifiés et contrôlés de façon àdéterminer l'effet de l'engrais.

C12 L'interprétation des données I (2),D (3-12)

C'est un procédé important basé sur la découverted'un modèle dans un ensemble de données. Ceprocédé peut mener à une généralisation.

Exemple :

Si on se base sur la similarité des périodes despendules de 100 g, 200 g et 300 g, on peut conclureque la masse du poids d'un pendule n'a aucun effetsur sa période.


C13 La création de modèles I (2-6), D (7-12)

Les modèles sont utilisés pour présenter un objet,un événement ou un mécanisme.

Exemple :

La description de l'interaction de forces par desvecteurs est un modèle.

C14 La résolution de problèmes I (3-8),D (9-12)

C'est poser des questions sur le monde naturel pourfaire progresser les connaissances scientifiques.C'est aussi se servir de ces dernières pour poserd'autres questions.

Exemple :

On se sert de ce qu'on sait de la génétique et de latechnique de la scission de l'ADN pour créer desbactéries productrices d'insuline.

C15 L'analyse I (3-5), D (6-12)

C'est examiner en quoi consistent les idées et lesconcepts scientifiques, afin de déterminer leuressence ou leur signification.

Exemples :

Pour déterminer si une hypothèse est défendable, ilfaut l'analyser.

Pour déterminer la séquence des acides aminés quiproduit l'insuline, il faut procéder à une analyse.

C16 L'expérimentation I (3-8), D (9-12)

C'est élaborer une série d'opérations destinées àrecueillir des données qui serviront à tester unehypothèse ou à répondre à une question.

Exemple :

Les fabricants d'automobiles procèdent à des testsde ceintures de sécurité.

C17 L'utilisation des mathématiques I (6), D(7-12)

Lorsqu'on utilise des mathématiques, les relationsnumériques ou spatiales sont exprimées en termesabstraits.

Exemple :

La trajectoire des projectiles peut être calculée grâceaux mathématiques.

C18 L'utilisation de la relation espace-tempsI (6-7), D (8-12)

C'est se servir de ces 2 critères pour décrirel'emplacement d'objets.

Exemple :

Décrire les chemins de migration du caribou de latoundra.

C19 L'obtention d'un consensus I (6-8),D (9-12)

C'est arriver à un accord quand il existe une variétéd'opinions.

Exemples :

Une discussion sur la manière de se débarrasser desdéchets toxiques, basée sur une recherche desélèves, leur donne l'occasion d'évaluer l'informationqu'ils possèdent.

À l'origine les scientifiques étaient divisés sur lafusion à froid. Après plusieurs conférences, ilsétaient toujours incapables de se mettre d'accordsur ce point. D'autres expériences se sont avéréesnécessaires.

C20 La définition opérationnelle I (7-9),D(10-12)

C'est définir une chose ou un événement en faisantune description physique ou en décrivant lesrésultats d'une procédure déterminée.

Exemple :

L'acide fait virer un papier tournesol bleu au rougeet a un goût acide.

C21 La synthèse I (9-10), D (11-12)

C'est combiner des parties en un tout complexe.

Exemples :

On peut produire des polymères en combinant desmonomères simples.

Une dissertation demande à l'élève de procéder à lasynthèse de toute une gamme de connaissances,attitudes, habiletés et démarches.


D. Relations science-technologie-société-environnement

La personne qui possède une culturescientifique générale comprend et appréciel'imbrication de la science et de latechnologie, ainsi que leurs rapports.

Certains facteurs qui entrent en jeu dans lesrelations entre la science, la technologie, la sociétéet l'environnement sont les suivants :

D1 La science et la technologie I (M-2),D (3-12)

La science et la technologie sont différentes, bienqu'elles se recoupent parfois et dépendent l'une del'autre. La science s'occupe d'ordonner lesconnaissances conceptuelles. La technologie s'occupede conception, de développement, ainsi que del'application des connaissances scientifiques outechnologiques, souvent pour répondre à des besoinssociaux et humains.

Exemple :

L'invention du microscope a conduit à de nouvellesdécouvertes sur les cellules.

D2 Le côté humain des scientifiques et destechnologues I (1-6), D (7-12)

Il se peut que, sortis de leur spécialité, lesscientifiques et les technologues ne maîtrisent pastous les (ou même certains) facteurs del'alphabétisme scientifique. Les carrièresscientifiques ou technologiques sont à la portée depresque tout le monde.

Exemple :

En faisant des recherches sur la vie de scientifiquescélèbres, les élèves peuvent commencer àcomprendre les éléments humains de la science etde la technologie.

D3 Les effets de la science et de latechnologie I (3-5), D (6-12)

Les développements scientifiques et technologiquesont des effets réels et directs sur la vie de tous.Certains de ces effets sont souhaitables; d'autres nele sont pas. Certains des effets souhaitables peuventavoir des effets secondaires indésirables. Il sembledonc qu'il existe essentiellement un principed'échange dans lequel des avantages sontaccompagnés d'inconvénients.

Exemple :

Comme notre société continue à accroître sademande en énergie et en biens de consommation, ily a de fortes chances pour que nous ayons unequalité de vie plus élevée, mais au prix d'une plusgrande détérioration de l'environnement.

D4 La science, la technologie etl'environnement I (3-5), D (6-12)

La science et la technologie peuvent être utiliséespour contrôler la qualité de l'environnement. Lasociété est capable de contrôler la qualité del'environnement et l'exploitation raisonnable desressources naturelles. Elle en a la responsabilité,pour que nous puissions, ainsi que ceux qui noussuivront, jouir d'une bonne qualité de vie.

Exemple :

Chacun devrait faire sa part et agir de manièreresponsable pour conserver l'énergie.

D5 Le manque de compréhension du public I(3-8), D (9-12)

Il existe un écart considérable entre lesconnaissances scientifiques et technologiques et lacompréhension du public. Il revient donc auxscientifiques, aux technologues et aux enseignantset enseignantes de faire tout leur possible pourréduire cet écart.

Exemples :

Certaines personnes croient à tort que l'irradiationrend les aliments radioactifs.

On croit souvent par erreur que le babeurre est uneboisson à teneur élevée en calories.

Selon la croyance populaire, la meilleure périodepour planter les pommes de terre au printemps estpendant la pleine lune.

Certaines personnes croient que la technologie n'estque de la science appliquée.

D6 Les ressources pour la science et latechnologie I (3-8), D (9-12)

Les recherches scientifiques et technologiquesactuelles exigent beaucoup de ressources, qu'ils'agisse de talent, de temps ou d'argent.


Exemple :

Les progrès faits dans l'exploration spatialedemandent les efforts collectifs de nombreusesnations qui travailleront ensemble pour trouver letemps, l'argent et les ressources nécessaires.

D7 La variété d'opinions I (3-9), D (10-12)

La pensée et les connaissances scientifiques peuventvenir appuyer des prises de positions opposées. Il estnormal que des scientifiques ou des technologuessoient en désaccord, bien qu'ils invoquent les mêmesthéories ou les mêmes données scientifiques.

Exemples :

Le débat qui a entouré la possibilité de la fusion àfroid est un bon exemple de cette variété d'opinions.

Il existe un débat à l'heure actuelle au sujet del'utilisation des techniques du brûlis contrôlé dansles parcs nationaux.

D8 Les limites de la science et de latechnologie I (6-8), D (9-12)

Ni la science ni la technologie ne peuvent garantirde solutions à un problème donné. En fait, trouverla solution ultime à un problème s'avèregénéralement impossible et il faut donc se contenterd'une solution partielle ou temporaire. On ne peutni légiférer, ni acheter, ni garantir par desressources illimitées de solution à un problème. Lascience et la technologie sont parfois impuissantes àrésoudre certains problèmes humains.

Exemple :

Les solutions que la technologie proposeactuellement pour l'entreposage des déchetsnucléaires présentent souvent des limitesconsidérables et ne sont au mieux que des solutionsà court terme, jusqu'à ce qu'on en trouve demeilleures.

D9 L'influence de la société sur la science etla technologie I (7-9), D (10-12)

La recherche scientifique et technologique estinfluencée par les besoins, les intérêts et le soutienfinancier de la société dans son ensemble.

Exemple :

La course à la Lune illustre comment les prioritéspeuvent déterminer la mesure dans laquelle l'étudede problèmes scientifiques et technologiques donnésest acceptée, et donc la mesure dans laquelle lasociété l'autorise.

D10 Le contrôle de la technologie par lasociété I (9), D (10-12)

Il ne peut y avoir de découvertes scientifiques sansliberté d'exploration. Toutefois, l'application desconnaissances scientifiques et de la technologie estdéterminée, en définitive, par la société dans sonensemble. Scientifiques et technologues ont laresponsabilité d'informer le public, c'est-à-dire ceuxet celles qui prennent les décisions finales, nonseulement des conséquences éventuelles de cesapplications, mais aussi des recherches qu'ellespeuvent occasionner.

Exemples :

La célèbre lettre d'Einstein au Président Roosevelt,dans laquelle il le met en garde contre les dangersdes armes nucléaires et où il mentionne ses opinionspacifistes, illustre bien le sens des responsabilitésque doivent avoir les scientifiques en tant quemembres de la société.

Les gouvernements doivent prendre des décisionspour ce qui est de l'appui et du financement desrecherches scientifiques importantes.

D11 La science, la technologie et les autresdomaines I (9), D (10-12)

Même si les connaissances et les méthodes quicaractérisent la science et la technologie ont leurcaractère propre, il existe de nombreux liens entreelles et les autres domaines de la connaissance et dela compréhension humaine.

Exemple :

Le principe de l'incertitude en sciences, le principede Verstehen en anthropologie, et l'effetd'Hawthorne en psychologie sociale expriment tousdes idées similaires dans leur domaine respectif.


E. Habiletés scientifiques ettechniques

La personne qui possède une culturescientifique générale a acquis de nombreuseshabiletés de manipulation reliées à la scienceet à la technologie.

On trouvera, ci-dessous, la liste de ces habiletés demanipulation sans lesquelles on ne peut fairepreuve d'alphabétisme scientifique.

E1 Savoir se servir d'instrumentsgrossissants D (M-12)

La personne utilise correctement des instrumentsgrossissants (microscope, télescope, loupe,rétroprojecteur).Exemples :

On doit se servir d’un microscope stéréoscopiquepour faire une dissection très poussée d'un lombric.

L'élève doit se servir d'un microphone pour fairepasser une annonce par le système de sonorisationde l'école.

E2 Savoir utiliser les environnementsnaturels D (M-12)

Les élèves utilisent à bon escient etraisonnablement les environnements naturels. Parexemple, ils ou elles recueillent, examinent etréintroduisent des spécimens.

Exemple :

Les élèves peuvent faire l'étude des bords d'un étangen observant et en décrivant une section donnée, àdes intervalles de deux semaines, pendant troismois. Après avoir recueilli des spécimens et lesavoir examinés, il et elles devraient les remettredans leur environnement naturel.

E3 Savoir utiliser le matériel prudemmentD (M-12)

Les élèves font preuve de prudence lorsqu'ils ou ellesmanipulent l'équipement au laboratoire, dans lasalle de classe et dans la vie de tous les jours.

Exemple :

Les élèves reconnaissent une situation où il leurfaut porter des lunettes protectrices et les portentavant qu'on le leur demande.E4 Savoir utiliser le matériel audiovisuel D

(M-12)

Les élèves se servent tout seuls de l'équipementaudiovisuel pour communiquer des informations(dessins, photographies, collage, télévision, radio,magnétoscope, rétroprojecteur, etc.)

Exemples :

Des élèves expliquent à l'enseignant ou àl'enseignante comment faire fonctionner lemagnétoscope.

Des élèves utilisent une caméra pour enregistrer unphénomène naturel.

E5 Savoir se servir d'un ordinateurD (M-12)

Les élèves se servent de l'ordinateur comme outild'analyse, pour accroître leur productivité et commeextension de l'esprit humain.

Exemples :

Les élèves utilisent des cellules photo-électriquesconnectées à une carte interface permettant àl'ordinateur d'être utilisé comme minuteur.

Les élèves entrent dans un réseau d'informationpour effectuer la recherche d'un terme dans unebase de données de produits chimiques.

Les élèves utilisent des logiciels informatiques poursimuler un événement naturel, ou un processusqu'il est peut-être trop dangereux ou peu pratiqued'effectuer en laboratoire.

E6 Savoir mesurer la distance I (M-1),D (2-12)

Les élèves mesurent correctement les distances àl'aide d'instruments ou de techniques appropriés,par exemple des règles, des mètres à mesurer, destélémètres ou une roue à lanterne.

Exemples :

L'élève détermine la longueur et la largeur d'unesalle à l'aide d'un mètre à mesurer.

On peut déterminer une grande distance grâce à latriangulation ou à la parallaxe.


E7 Savoir manipuler les instrumentsI (M-2), D (3-12)

Les élèves sont capables de manipuler certainsobjets avec habileté et dextérité.

Exemple :

Une élève se sert d'une éprouvette graduée pourmesurer 35 ml de liquide. Elle transfère ensuite leliquide dans un ballon et le chauffe.

E8 Savoir mesurer le temps I (1), D (2-12)

Les élèves mesurent correctement le temps à l'aided'instruments : montre, sablier ou tout instrumentqui montre des mouvements périodiques, etc.

Exemple :

Des élèves utilisent un chronomètre pour mesurerexactement de courtes périodes.

E9 Savoir mesurer le volume I (1), D (2-12)

Les élèves mesurent le volume directement à l'aidede contenants gradués. Ils ou elles peuventégalement le mesurer indirectement à partir decalculs tirés de relations mathématiques.

Exemples :

On lit le volume d'une éprouvette graduée au pointd'inflexion du ménisque.

Le principe d'Archimède sert à déterminer levolume d'un solide irrégulier.

E10 Savoir mesurer la température I (1),D (2-12)

Les élèves mesurent correctement la température àl'aide d'un thermomètre ou d'un thermocouple.

Exemple :

Il faut placer les thermomètres correctement si onveut mesurer correctement la température.

E11 Savoir mesurer la masse I (2), D (3-12)

Les élèves mesurent correctement la masse à l'aided'une balance à fléau ou en utilisant d'autrestechniques appropriées.

Exemple :

L'élève utilise une balance pour déterminer lamasse de l'objet, dans les limites de précision de labalance.

E12 Savoir se servir d'instrumentsélectroniques I (5-8), D (9-12)

Les élèves peuvent utiliser des instrumentsélectroniques qui mesurent des caractéristiquesphysiques ou chimiques, ou contrôlent des fonctionsbiologiques.

Exemple :

Il faut suivre le mode d'emploi lorsqu'on se sert d'uninstrument si on veut qu'il soit le plus précispossible (ex : ampèremètre, oscilloscope, pH-mètre,appareil photo).

E13 Savoir utiliser des relationsquantitatives I (5-9), D (10-12)

Les élèves utilisent correctement les expressionsmathématiques.

Exemples :

Pour calculer l'accélération instantanée, il fauttrouver l'inclinaison à un point sur un graphiquevitesse-temps.

L'élève calcule le volume d'un cube à partir de lalongueur d'une de ses faces.

F. Valeurs qui sous-tendent lascience

Une personne qui possède une culturescientifique générale interagit avec la sociétéet l'environnement d'une manière qui estcompatible avec les valeurs qui sous-tendentla science.

Ces valeurs sont les suivantes :

F1 Le besoin de savoir et de comprendreD (M-12)

Il y a un certain avantage à acquérir desconnaissances. Cette acquisition mérite qu'on yconsacre du temps et d'autres ressources.

Exemple :

Un groupe de quatre élèves demande à l'enseignantou à l'enseignante s'il leur est possible de faire un


projet d’expo-sciences sur un sujet qui les intéressetous.

F2 La mise en question D (M-12)

La mise en question est importante. Certainesquestions sont plus valables que d'autres, car ellesaboutissent à des recherches scientifiques et donc àune meilleure compréhension.

Exemple :

Les élèves posent des questions qui approfondissentce qui leur est présenté dans le cadre normal ducours ou dans leurs manuels.

F3 La recherche des données et de leursignification D (M-12)

L'acquisition et l'organisation des données sont à labase de théories qui, à leur tour, peuvent servir àexpliquer bien des choses ou des événements. Danscertains cas, ces données ont une applicationpratique immédiate qui sert à l'humanité. Lesdonnées peuvent permettre d'évaluer exactement unproblème ou une situation.

Exemple :

Lors d'une activité de défi-sciences, des élèvesposent une question sur un phénomène naturel.Elles conçoivent ensuite une expérience pouressayer de trouver la réponse. Elles contrôlent lesvariables qui peuvent influencer les résultats. Ellesnotent soigneusement leurs observations,recueillent et analysent les données pour testerl'hypothèse qu'elles sont en train d'étudier. Puiselles procèdent à de nouveaux tests.

F4 Le respect des environnements naturelsD (M-12)

Notre survie dépend de notre aptitude à préserverl'équilibre essentiel de la nature. Il existe unebeauté intrinsèque dans la nature.

Exemple :

Lors d'une excursion, tous les participants etparticipantes montrent par leurs actions qu'ilsrespectent les environnements naturels et toutes lescomposantes de l'écosystème.

F5 Le respect de la logique I (M-2), D (3-12)

Il est important de faire des inférences correctes etvalides. Il est essentiel de mettre en doute certainesconclusions ou actions.

Exemple :

Les erreurs de logique sont connues. Il faut doncétudier l'information d'un œil critique et la soupeserà l'aune de la logique.

F6 La prise en considération desconséquences I (M-5), D (6-12)

C'est un réexamen fréquent et profond des effetsqu'auront certaines actions.

Exemples :

Des démarches expérimentales peuvent affecter lerésultat d'une expérience.

Transporter du pétrole dans des pétroliers peutcauser une marée noire, entraînant desconséquences très graves pour l'environnement.

F7 Le besoin de vérifier I (3-5), D (6-12)

Il faut rendre publiques les données qui appuientune découverte. Il faut faire des tests empiriquespour évaluer la validité ou l'exactitude d'unedécouverte ou d'une assertion.

Exemple :

On examine de manière critique les rapports et lesrecherches dont les médias sont les auteurs et on lescompare à d'autres sources d'information avant deles accepter ou de les rejeter.

F8 La prise en considération des prémissesI (9), D (10-12)

Il faut réexaminer fréquemment les hypothèses debase qui orientent la ligne de recherche.

Exemples :

Lors d'une recherche en laboratoire sur le taux desréactions chimiques, il faut examiner le contrôle desvariables.

Il faut procéder à un examen critique des facteurs àl'étude lorsqu'on veut expliquer l'extinction desdinosaures.

G. Intérêts et attitudes en matièrescientifique

La personne qui possède une culturescientifique générale a une vision unique dela science, de la technologie, de la société etde l'environnement qui lui vient de sa


formation scientifique. Elle continue à seformer toute sa vie. Elle aura tendance à :

G1 S'intéresser à la science D (M-12)

L'élève s'intéresse de façon visible à tout ce qui atrait à la science.

Exemple :

Les élèves et les enseignants et enseignantes quipassent beaucoup de temps en dehors de la classe àdes projets d'expo-sciences montrent un intérêtcertain pour la science.

G2 Devenir plus confiant D (M-12)

L'élève éprouve de la satisfaction à participer à desrecherches scientifiques et à comprendre les rouagesde la science.

Exemple :

Les élèves et les enseignants appronfondissent leursconnaissances scientifiques en lisant des ouvragesscientifiques et aiment échanger avec d'autrespersonnes.

G3 Continuer d'étudier D (M-12)

L'élève a acquis des connaissances scientifiques etpoursuit des recherches d'ordre scientifique. Cesrecherches peuvent prendre plusieurs formes.

Exemple :

L'élève devient membre d'une société d'histoirenaturelle pour apprendre plus de choses sur lanature.

G4 Préférer les médias scientifiquesI (M-2), D (3-12)

L'élève choisit les médias les plus appropriés selonl'information dont il ou elle a besoin et son niveauactuel de compréhension.

Exemples :

Les élèves et les enseignants et enseignantes quiregardent des émissions scientifiques à la télévisionmontrent un intérêt certain pour la science.

Une élève qui fait des recherches pour un projetscientifique devra peut-être déterminer les sourcesd'information les plus appropriées. Son choix peut seporter sur des émissions télévisées, des articles dejournaux, des livres, des expositions ou des revuesscientifiques.

G5 Avoir un passe-temps scientifiqueI (3-5), D (6-12)

L'élève a un passe-temps dans un domainescientifique.

Exemple :

L'élève qui observe les oiseaux, qui s'intéresse àl'astronomie ou collectionne les coquillages montreun intérêt certain pour la science.

G6 Préférer les réponses scientifiquesI (3-5), D (6-12)

L'attitude des gens peut indiquer s'ils tentent ounon d'acquérir une culture scientifique générale.

Exemple :

Lors d'une élection, les électeurs et électricespeuvent prendre en considération les convictions descandidats et candidates en matièred'environnement.

G7 Envisager une carrière scientifiqueI (3-8), D (9-12)

L'élève songe à faire carrière ou à trouver un emploidans un domaine scientifique.

Exemple :

Les enseignants et enseignantes peuventencourager les élèves à s'intéresser à des domainesliés à la science, s'ils ou elles sont de bons modèles.

G8 Préférer les explications scientifiquesI (6-9), D (10-12)

L'élève préfère une explication scientifique à uneexplication non scientifique lorsque cela estapproprié. Il ou elle reconnaît également qu'il peut yavoir des circonstances dans lesquelles il n'est pasapproprié de choisir une explication scientifique.

Exemple :

En ayant recours à la logique lors d'un débat, lesélèves font preuve d'une pensée logique semblable àla pensée scientifique.


G9 Apprécier les contributions scientifiquesI (6-9), D (10-12)

L'élève tient en haute estime les scientifiques et lestechnologues qui ont fait des contributionssignifiantes à l'histoire de l'humanité.

Exemples :

Une personne porte un t-shirt à l'image d'un oud'une scientifique célèbre.

Certains élèves peuvent avoir énormément d'estimepour leur enseignant ou enseignante de sciences.

Instruments de mesure et feuilles de travail pour l'évaluation

Physique 20, 30 – Instruments de mesure – P. 49

Unité :_________________________________________Classe :____________________________________________________

Fiche anecdotique

Nom de l'élève : ___________________________________

Activité et date de l'observation Comportement observé Inférences/interprétationset plans d'action

1re

2e

3e

4e

P. 50 – Physique 20, 30 – Instruments de mesure

Unité :_________________________________________Classe :____________________________________________________

Fiche anecdotique - aperçu global


Grille d'observation

Nom des élèves

Critères ↓


Grille d'observation pour le travail de groupe

Unité :_________________________________________Classe :____________________________________________________

oui = 4 non = 7

Nom des élèves(groupes de deux)

écoute attentivement suit les directives collabore avec sonou sa partenaire

termine son travail communique enfrançais

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2


Échelle d'appréciation pour le travail de groupe

Unité :_________________________________________Classe :____________________________________________________


écoute attentivement suit lesdirectives

collabore avec sonou sa partenaire

termineson travail

communiqueen français

/20

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

Échelle : 4 = excellent 3 = bien2 = satisfaisant 1 = pas satisfaisant Total : 4 x 5 = 20


Échelle d'appréciation pour le travail coopératif

Date :

Critères à observer Total :

Nom des élèves :suit lesdirectives

collabore avecson ou sapartenaire

terminesontravail

communiqueen français

/16

Échelle : 4 = excellent 2 = satisfaisant3 = bien 1 = pas satisfaisant Total : 4 x 4 = 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 songroupe

a fait sa part du travail

a demandé de l'aide au besoin

a participé aux discussions dugroupe

a respecté le point de vue desautres

a contribué à inclure et àprésenter l'informationpertinente

a communiqué en français

oui = 4 non = 7


Auto-évaluation du travail coopératif à partager et à discuter avecl'enseignant.e

Membres du groupe :

________________________________________

Non Un peu Oui

Nous nous sommes tous entraidés

Chacun a fait sa part du travail

Nous avons demandé de l'aide aux autresmembres de notre groupe quand c'étaitnécessaire

Chacun a participé aux discussions de notregroupe

Nous avons respecté le point de vue desautres

Nous avons inclus l'information pertinente

Nous avons présenté cette informationd'une manière claire et précise

Nous avons communiqué en français


Tableau comparatif

Unité :_________________________________________Classe :____________________________________________________

Nom de l'élève : ___________________________________________

Similitudes

Différences


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 leurmodèle

______

______

______

______

______

______

______

______

______

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 =)

/36


Tableau d'observation − La projection

Titre de la vidéo ou du film : _______________________________________________

Nom des partenaires :

Points à observer ↓ Commentaires ↓

1.

2.

3.

4.

Les mots ou les expressionsqui n’ont pas été compris :


Grille d'observation pour l'expérience scientifique en groupes de deux

oui = 4 non = 7


font de bonnesobservations

font preuve deténacité dansleur travail

arrivent à desconclusionsjustes

respectent etrangent leurmatériel

ont découvert la méthode scientifiqueen suivant toutes les étapes de leurexpérience

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2


Échelle d'appréciation pour l'expérience scientifique en groupes de deux


font de bonnesobservations

font preuve deténacité dans leurtravail

arrivent à desconclusions justes

respectent etrangent lematériel Total : / 16

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

2

Échelle : 4 = excellent 2 = satisfaisant Total : 4 x 4 = 163 = bien 1 = pas satisfaisant


Grille d'observation − Collecte de données dans les cahiersd'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 parles élèves eux-mêmes lors d'une auto-évaluation. Elle peut servir pour évaluer des cahiersd'exercices, des collectes de données au laboratoire ou des rapports de laboratoire formelsécrits. L'enseignant ou l'enseignante doit informer les élèves des critères dès le début dutrimestre.


Carnet de bord scientifique pour noter et illustrer les observationslors des expériences

Unité : Classe :

Mon carnet de bord scientifique

Observations : (Nom)


Feuille d'observation

Feuille d'observation

Journée : ____________________________

Heure : ______________________________

Description écrite Dessin


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


Fiche pour la méthode scientifique :

Nom des élèves :_______________________________________________________

______________________________________________________

Problème (ou question) :

Hypothèse (ou prédiction) :

Matériel :

Procédure et observations :

Conclusion :


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 monenseignant.e aux dates suivantes :

• 1. Date : Heure :



D. Date d'échéance :

E. Date de ma présentation orale :

F. Signatures :

élève :

enseignant.e :


Grille d'observation : entretiens

Nom de l'élève :

Date Activité Commentaires


Auto-évaluationProjet 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

______________________________


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 supportssuivants :• illustrations• musique• tableaux• affiches• diapositives• effets sonores• maquette• invités• autre

______________________________________________________

oui = 4 non = 7


Échelle d'appréciationProjet 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 :


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

/20

3. L'originalité• l'élève a écrit dans ses propres mots• l'élève a fait une synthèse des informations tirées de plusieurs sources /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 3des supports suivants :• illustrations _____ • diapositives _____• musique _____ • effets sonores _____• tableaux _____ • maquette _____• affiches _____ • invités _____ /6

Total : /100


Facteurs de l'alphabétisme scientifique

Les listes de contrôle qui suivent peuvent être utilisées de plusieurs façons. Elle peuventservir 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 peutaussi s'en servir quand il se penche sur un sujet particulier. Une fois identifiés les facteursqui n'ont pas été abordés, il peut partir de cette information pour faire en sorte que d'ici lafin 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 lescritères de l'aspect A qu’il est conseillé d'incorporer aux échelles d'évaluation et aux listes de contrôle.


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


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 decontrôle, échelles d'évaluation et évaluation de la performance.


Aspect D – Relations science-technologie-société-environnement

Facteurs

1. la science et la technologie

2. le côté humain des scientifiques et destechnologues

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 latechnologie

10. le contrôle de la technologie par la société

11. la science, la technologie et les autresdomaines

N.B. Se référer aux annexes de Sciences : Programme cadre dans l'optique du tronc commun où se trouventles critères de l'aspect D qu’il est conseillé d'incorporer aux échelles d'évaluation et aux listes de contrôle.


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 lescritères de l'aspect E qu’il est conseillé d'incorporer aux échelles d'évaluation et aux listes de contrôle.


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 decontrôle, échelles d'évaluation et évaluation de la performance. Les annexes de Sciences : Programme cadredans 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 attitudesont changé?

Planification d’une unité

Physique 20, 30 – Planification d’une unité – P. 81

Planification d’une unitéCe guide de planification de l'unité vise à proposerquelques idées sur la manière d'élaborer des unitéspour les programmes de physique 20 et de physique30. Ce n'est essentiellement qu'une solutionparmi d'autres sur la façon de planifier une unité.Un grand nombre d'autres méthodes sont toutautant acceptables. Ce guide ne sous-entend pas queles enseignants et enseignantes doivent tousemprunter la même voie. Au contraire, il ouvre desavenues et donne des conseils à ceux qui souhaitentélargir le répertoire de leurs techniques deplanification.

Dans l’exemple ci-dessous, nous avons considéré quele processus de planification se faisait en six étapes.Et ces étapes ne sont pas nécessairement toutesdisjointes, un certain chevauchement pouvantexister entre elles.

Étape 1 : Bien connaître le programmed'études et les documents connexes

Réviser les sections du programme d'études quitraitent de l'évaluation, du tronc commun et autresinitiatives, des unités obligatoires et facultatives.Dans la partie sur les unités obligatoires etfacultatives, examiner des aspects tels que lesfacteurs de l'alphabétisme scientifique àdévelopper, certains des objectifs générauxdes sciences et des apprentissages essentielscommuns, les concepts clés, les résultatsd'apprentissage et les enseignements,activités et démonstrations suggérés.

Vous pourrez trouver des renseignementsimportants dans les documents connexes suivants :Sciences : Programme cadre de sciences dansl'optique du tronc commun et Sciences : Biologie20, 30 et Sciences : Chimie 20, 30. D'autresdocuments élaborés par le ministère de l'Éducationde la Saskatchewan pourront être consultés avecprofit pour avoir une description du tronc communet de plusieurs autres initiatives qui ont été misesde l'avant.

Étape 2 : Explorer les ressources qui sont à sadisposition pour l'enseignement de l'unité

Réviser l'information concernant les ressourcesdisponibles. Examiner les ressources dans leur senslarge; ne pas se limiter aux seuls documentsimprimés; faire le bilan de tout ce qui s'offre à vous: articles de laboratoire, matériel audiovisuel,personnes de la communauté, lieux d'intérêt àproximité. Se servir d'une diversité de ressources;consulter l’enseignant ou enseignante-bibliothécaire

et discuter avec lui ou elle des ressources qu'il fautpour élaborer l'unité.

Cette étape de la planification de l'unité estimportante. Elle doit être prévue bien longtempsavant l'enseignement proprement dit de l'unité, afind’avoir tout le temps pour rassembler les ressourcessupplémentaires nécessaires. Au moment del'élaboration de l'unité, envisager de procéder selonune approche pédagogique à base de ressources.

Étape 3 : Incorporer des démarchespédagogiques différentes

À mesure que la préparation de l'unité prendraforme, envisager des démarches pédagogiquesvariées qui sont axées sur les connaissancesessentielles, les aptitudes, les attitudes et lesvaleurs. Le recours à différentes stratégiesd'apprentissage ne peut qu'accroître la motivationdes élèves.

Utiliser une approche basée sur les activités danstoutes les facettes de l'unité. Développer desactivités intéressantes qui requièrent laparticipation active des élèves. Les activitésscientifiques sont pour les élèves une façond'apprendre très motivante. C'est la clé du succèsd'un bon programme d'études de sciences. Penser àinclure des « activités » autres que lestraditionnelles expériences de laboratoire. Lesrenseignements fournis au début du présentprogramme d'études sont autant de suggestions dece qui peut être inclus dans un programme d'étudesde science axé sur les activités.

Étape 4 : Élaborer différentes stratégiesd'évaluation acceptables

Les stratégies d'évaluation doivent être acceptablespour les types de démarches pédagogiques retenues.En faisant usage de différentes stratégiesd'évaluation, les enseignants et enseignantespourront recueillir plus d'informations afin d'étayerleur évaluation.

Vous trouverez plus de renseignements dans lasection consacrée à l'évaluation, qui commence à lapage 16. D'autres renseignements valables figurentdans Sciences : Programme cadre de sciences dansl'optique du tronc commun.

P. 82 – Physique 20, 30 – Planification d’une unité

Étape 5 : Analyser l'unité et déterminercomment incorporer les apprentissagesessentiels communs et les aspects del'alphabétisme scientifique

Cette étape du processus de planification de l'unitéexige une discussion détaillée. Si nécessaire, desparties du plan de l'unité devront être révisées etconsolidées afin de s'assurer que les apprentissagesessentiels communs et les aspects de l'alphabétismescientifique sont pris en compte dans le plan.

Il ne faut surtout pas croire que l'on peut sautercette étape en espérant que si l'unité a été bienplanifiée, on s'apercevra que les apprentissagesessentiels communs et les facteurs del'alphabétisme scientifique à développer ont été prisen compte comme par enchantement. Si laplanification s'est déroulée ainsi, sans prendre enconsidération cette importante étape, il se pourraque l'unité n'atteigne pas tout le potentiel qu'on esten droit d'espérer d'une planification intégrant lesapprentissages essentiels communs. En outre, sicertains facteurs de l'alphabétisme scientifique sontoubliés, il pourrait exister un déséquilibre quant àl'importance accordée à chacun des sept aspects del'alphabétisme scientifique.

Étape 6 : Modifier et réviser l'unité, aubesoin, afin de consolider les étapes 3 à 5

Après l'élaboration de l'unité, l'enseignant oul'enseignante devra se pencher sur son travail etévaluer l'importance accordée à chacune des étapes3 à 5. Il faudra sans doute choisir des activitésdifférentes, par exemple dans le but de développerdes facteurs de l'alphabétisme scientifique ou desapprentissages essentiels communs. Cela pourraentraîner la révision des approches pédagogiques etdes techniques d'évaluation qui avaient été retenuesdans la section de l'unité qui a été modifiée.

L'unité pourra subir des modifications à la lumièredes besoins particuliers des enseignants et desenseignantes. Du matériel de perfectionnementpourra être ajouté. De plus, il y aura peut-être lieude prévoir des cours de renforcement et derattrapage. La dimension adaptation du programmed'études est une considération primordiale qui doitintervenir dès la planification de l'unité.

Cette phase de réflexion doit se poursuivre mêmeaprès l'enseignement de l'unité, car il ne faudra pashésiter à remanier cette unité afin de corrigercertains problèmes qui seraient apparus. Uneévaluation formative pourra mettre en lumière lanécessité d'apporter des ajustements à l'unité.

Les suggestions des élèves au secondaire pourrontaider à améliorer l'unité. Des entrevues ou desquestionnaires distribués aux élèves à la fin del'unité permettront de recueillir des renseignementsprécieux. L'enseignant ou l'enseignante pourramettre à profit ces renseignements, ainsi que toutesles autres données pertinentes qu'il ou qu'elle auraobtenues, afin de perfectionner l'unité.


Unité modèleL'unité modèle que voici se présente comme uneunité intégrée qui aborde un projet d'envergure. Ilfaut compter entre quatre et six semaines pour lamener à bien. Elle couvre plusieurs des conceptsclés et des résultats d’apprentissage des troisunités obligatoires, et de l'unité facultative VII surl'électromagnétisme. L'application d'autresconcepts des unités obligatoires et facultativespourra avoir lieu dans d'autres unités intégrées dumême genre.

Les élèves doivent travailler à la conception et à laconstruction d'un mécanisme appelé un « RubeGoldberg », baptisé d'après un dessinateur debandes dessinées, aujourd'hui décédé, qui prenaitplaisir à dessiner des inventions mécaniquesinspirées d'un problème simple et à le complexifier àoutrance.

Par exemple, Rube Goldberg a déjà fait un croquisde ce qu'il croyait pouvoir être le réveille-matinparfait de l'ère technologique. Quand le Soleil se lèveet brille à travers une fenêtre, les rayons sontfocalisés par une loupe sur un brin de corde. Ce brinen cassant fait tomber un lourd sac de sable dansune écope qui bascule en ouvrant un vanne quilibère une boule de quille qui dévale un plan incliné.L'extrémité du lit est fixée à la boule enmouvement, qui, par l'intermédiaire d'un astucieuxsystème de poulies et de cordes, hisse le lit enposition verticale, poussant ainsi le dormeurdirectement dans ses souliers, se trouvantjustement au bon endroit sur le plancher.

La beauté de ce réveille-matin, c'est qu'il n'y a plusmoyen d'étirer de quelques minutes le moment de selever, puisque le lit étant à la verticale, il n'y plusde lit pour se recoucher! Il fallait y penser! Toutdispositif analogue qui constitue une satire du rôlede plus en plus envahissant de la technologie dansnos vies est affectueusement appelé un « RubeGoldberg » en l'honneur de ce caricaturiste de génie.

Les élèves qui ont déjà visité le West EdmontonMall ont pu voir quelques-unes des « sculpturescinétiques en mouvement perpétuel » que possède cecentre commercial. Le projet auquel nous convionsles élèves est semblable à ce type de sculptures.

Dans ce projet, le « Rube » que les élèves vontconstruire comprend des billes de roulementmétalliques qui descendent un plan incliné. Leparcours est conçu de telle sorte qu’il comporte desobstacles : un changement complet du sens du

mouvement de la bille, un circuit fermé complet,une chute libre d'au moins 2 cm. Ces spécificationssont fournies aux élèves au moment de l'exposé desgrandes lignes du projet lors de la première leçon.Le « Rube Goldberg » doit permettre à la bille deroulement d'être « recyclée », c'est-à-dire ramenée àson point de départ. Il faut donc prévoir unassemblage quelconque de moteurs, de poulies,d'engrenages et de câbles qui attrape la bille au basdu parcours et la remonte au sommet du dispositif.

Dans cette unité, on emprunte une démarche axéesur les activités. Les principaux instruments demesure employés seront des fiches anecdotiques, descontrats, des grilles d'observation, des échellesd'appréciation, des rapports écrits et des projets. Leprojet principal, soit la construction d'un « RubeGoldberg », est jalonné d'un certain nombre de pluspetits projets. Cette démarche assure que les élèvesreçoivent une rétroaction régulière pendant toute laprogression du projet.

Tout au long de cette unité, on fait appel à unegrande diversité de stratégies d'enseignement cléscomme les démonstrations, les discussions animéespar les élèves, le travail de groupe, l'apprentissageautonome, les activités de laboratoire et le défi-sciences. Ces stratégies sont structurées de sorteque l'élève obtient autant d'information qui lui estnécessaire à chaque phase du projet. Ensuite, il doitse saisir de cette information et l'appliquer à larésolution du problème global.

L'unité développe les apprentissages essentielscommuns que sont la créativité et le raisonnementcritique, l'initiation à la technologie etl'apprentissage autonome. Il est certain que d'autresapprentissages pourront être abordés, maisl'enseignement portera surtout sur les troisénumérés ci-dessus.

Les élèves seront divisés en groupes de quatre. Larépartition des élèves au sein des groupes seradictée par la dynamique de la classe. Les élèves quitravaillent bien entre eux ou qui peuvent s'entraiderseront regroupés. Il n'est peut-être pas très heureuxde grouper les élèves d'après leur réussite scolaire,en raison de la nature même de l'exercice. Onpourra constater, par exemple, qu'un élève moinsdoué pour les matières académiques s'avère unrouage important du groupe à cause de certainesaptitudes, comme l'habileté à construire et àassembler des choses.


Ceci illustre bien la nécessité de miser sur desapproches pédagogiques différentes, afin que lesélèves mettent en valeur leurs habiletésparticulières. Les élèves qui n'excellent pas dans lestravaux d'écriture peuvent apporter unecontribution essentielle dans un environnementd'enseignement coopératif.

Dans la première leçon, l'enseignant oul'enseignante fait comprendre aux élèves ce qu'onveut qu'ils apprennent, et il ou elle leur explique latâche proprement dite. La feuille de travail no 1 doitêtre employée. On y trouve les composantesobligatoires et facultatives que le projet doitcontenir. En plus de définir la tâche, cette ficheguide les élèves vers la rédaction d'un contrat pourleur proposition de conception, qui fait l'objet de ladeuxième leçon. Ainsi, les élèves se font une idéeclaire 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 ceprojet doivent être bien précises. Faire prendreconscience aux élèves que le travail de groupesuppose que chaque participant a des devoirs enversles autres membres du groupe. Chaque personne dugroupe a des talents propres qui pourront êtreexploités durant le projet. Il est aussi important desouligner que les garçons et les filles doivent avoirdes chances égales de participer à toutes les phasesdu projet. La finalité d'un travail de groupe estd'arriver à un résultat qui est supérieur à tout cequ'aurait pu réaliser un membre qui auraittravaillé tout seul. Dans une expérience de travailen groupe, chaque élève doit pouvoir réaliser qu'ilpeut être utile à d'autres membres du groupe.L'apprentissage devient une entreprise d'entraide.

Dans la deuxième leçon, les élèves soumettent leurproposition de conception préliminaire. Le résultatde ce travail doit être un rapport écrit qui comprendplusieurs parties. Durant la préparation d'uneproposition de conception, le groupe aura à déciderdu type de matériel qu'il emploiera dans son projetet des outils dont il aura besoin. On pourra poser àce point-ci une restriction : celle de n'utiliser que dumatériel et des outils bon marché et à portée de lamain. Autant que possible, il faudra que le matérielutilisé puisse être réutilisable. Les ventes-débarrassont à cet égard des occasions en or où les élèvespeuvent dénicher toutes sortes de choses pour leursprojets, comme du fil de cuivre, de vieux appareilsélectroménagers qu'ils pourront démanteler afin derécupérer les moteurs, de vieux tuyaux d’arrosage,des cintres, des éclairages de Noël.Dans la deuxième leçon, on donnera comme exercicede réaliser un schéma détaillé et provisoire. Cedessin devra illustrer le concept préliminaire duproduit fini. Ce dessin doit être une première

approximation de l'aspect du produit une foisterminé. À mesure que les élèves travailleront àleur projet, ils ne manqueront pas de découvrir deslacunes dans leur proposition de conceptionpréliminaire. Ils devront donc apporter descorrections à leur dessin. En outre, les élèvespourront, durant le déroulement du projet, ajouterdes éléments auxquels ils n'avaient pas pensé.

À la suite de ces deux leçons préliminaires, lesélèves se mettront vraiment à la tâche de réaliserleurs projets. À partir de là, l'enseignant oul'enseignante devra se contenter de jouer un rôle defacilitateur, donnant encouragements et conseils.Parfois, l'enseignant ou l'enseignante voudra fairedes suggestions aux élèves sur la façon de modifiercertains éléments de leurs « Rube Goldberg » afin deles améliorer. Cependant, le développement de lacréativité et du raisonnement critique chez lesélèves exige qu'on les laisse le plus souvent seulsface à leurs projets, sauf si la frustration ou l'ennuisemblent prendre le dessus.

À certains moments pendant le déroulement del'unité, l'enseignant ou l'enseignante éprouvera lebesoin de donner une mini-leçon de type plusmagistral afin de développer une aptitude oud'expliquer un concept important. Par exemple, oncroit qu'une mini-leçon serait utile pour montreraux élèves à se servir correctement d'un fer àsouder. Une autre pourrait aborder certains aspectsthéoriques comme le fonctionnement d'un électro-aimant ou comment installer un interrupteur àbascule dans un circuit électrique.

La section suivante donne plus de détails sur lesconcepts introduits dans cette unité. On y trouvedes échantillons de fiches de travail et un exempledes spécifications du projet. On trouve aussi unmodèle de mini-leçon qui peut venir s'insérer dansle déroulement de l'unité. Enfin, on suggèrequelques exemples d'instruments d'évaluation quiillustrent de quelles façons les élèves peuvent êtreévalués durant cette unité.

Une particularité de cette unité est la façon dont lesélèves sont regroupés. À mesure que progresserontles projets des élèves, un représentant de chaquegroupe sera appelé à venir faire une présentationofficielle devant un « Comité des brevets » constituéd'un élève de chacun des groupes et de l'enseignantou l'enseignante. Le Comité des brevets a le mandatd'approuver le projet, ce qui accorde au grouperequérant le droit de s'en servir. Les présentationsfaites devant le Comité des brevets doiventcomprendre une demande de brevet écrite, unexposé oral et un document de fond qui décrit lesconsidérations théoriques et pratiques dufonctionnement de cette invention. Dès qu'un


groupe possède le brevet d'une invention, aucunautre groupe ne peut s'en servir, sauf si le détenteurdu brevet consent à céder son brevet à un autregroupe en échange d'un autre brevet. Si un groupepartage son brevet avec un autre, il doit partager leprochain brevet avec un groupe différent; ceci afind'empêcher deux groupes de faire front commun etde supplanter les autres groupes.

Les membres du Comité des brevets changent, afinde donner à tous les élèves de chaque groupe lapossibilité de participer. Le Comité des brevets doits’assurer qu'aucun brevet déjà délivré n'a été piraté.Cette mesure vise à éviter qu'un groupe ne plagieles idées d'un autre groupe. Ce comité incite lesélèves à produire des. Le Comité des documentsécrits pendant tout le déroulement du projet brevetsa aussi le pouvoir d’examiner de près lespropositions de brevet pour certifier, d'une part, queles inventions sont sûres, et, d'autre part, que cesinventions n’ont pas déjà été brevetées. Seules lesinventions peuvent être brevetées. Les concepts etles idées restent du domaine public. En cas delitiges, l'enseignant ou l'enseignante ou un déléguéagira comme « avocat en brevets » et déposera un« avis juridique » sur la question.

À l'occasion, des membres du Comité des brevetspourront faire devant toute la classe desprésentations orales. Ces types de communicationseront comme des invitations lancées à la classepour qu'elle participe à un « congrès sur lesinventions ».

Une fois que les « Rube Goldberg » sont terminés,chaque groupe fait un exposé oral devant le reste dela classe et illustre le fonctionnement du mécanismeen expliquant au passage les concepts physiquesmis en œuvre. Chaque élève d'un même groupedevra fournir un devoir écrit à cette étape. Àd'autres moments durant le projet, des évaluationsde groupes et individuelles pourront être effectuées,dans le but de dépister les élèves qui ne participentpas à ce travail de groupe.

Les élèves devront être en mesure de mettre enpratique des concepts de physique assez avancés,s'ils veulent réussir à faire marcher leurs « RubeGoldberg ». Cette approche de l'enseignement de lacinématique, de la dynamique, de l'électricités'écarte de la démarche traditionnelle. Par exemplesi des élèves doivent apprendre à raccordercorrectement des moteurs électriques, ils étudientles circuits électriques, non pas pour les besoinsd'un cours théorique, mais parce qu'ils ont besoin deces connaissances pour faire marcher correctementleurs montages. La conception de cette unité reposesur l'approche science-technologie-société-environnement de l'enseignement des sciences.

Cette démarche est une façon particulièrementmotivante pour apprendre les concepts et leshabiletés relatives à la physique.

Vue d'ensemble de l'unité

Durant ce projet, les sujets suivants de physiqueseront développés :

Unité obligatoire IC. Distance et déplacementD. VitesseE. AccélérationF. Principes du mouvement de Newton

Unité obligatoire IIA. TravailB. PuissanceC. Énergie cinétiqueD. Énergie potentielle gravitationnelle

Unité obligatoire IIIC. Circuits électriques

Unité facultative VIIB. ÉlectromagnétismeC. Le principe du moteur

Objectifs des apprentissagesessentiels communs

L’élève sera capable de :

• Se servir de son imagination, de son intuition etde ses habiletés en vue d'évaluer des idées, desprocessus, des expériences et des objets dans descontextes significatifs (CRC)

• Développer une vision contemporaine de la

technologie (TEC) • Prendre les moyens de garder pour toujours le

goût de continuer à apprendre (AUT)


Facteurs de l'alphabétismescientifique à développer

A1 publique/privéeA3 holistiqueA7 uniqueA8 expérimentaleA9 reliée à l'être humain/à la culture

B2 l'interactionB7 la forceB10 la cause et l'effetB13 l'énergie et la matièreB14 le cycleB15 le modèleB16 le systèmeB29 le gradientC2 la communicationC4 la coopérationC6 la mise en questionC14 la résolution de problèmesC16 l'expérimentationC19 l'obtention d'un consensus

D1 la science et la technologieD3 les effets de la science et de la technologieD9 l'influence de la société sur la science et la

technologie

E3 savoir utiliser le matériel prudemmentE7 savoir manipuler les instruments

F2 la mise en questionF7 le besoin de vérifier

G1 s'intéresser à la scienceG2 devenir plus confiantG3 continuer d'étudier

Objectifs généraux et résultatsd'apprentissage

Voici les objectifs généraux et les résultatsd'apprentissage reliés à cette unité modèle. D'autresrésultats d’apprentissage peuvent être visés,suivant la manière dont chaque groupeentreprendra les projets. Les objectifs généraux sontindiqués en caractères gras.L’élève sera capable de :

• Montrer sa compréhension del'importance d'employer une méthodesystématique, organisée, logique etstructurée dans la résolution deproblèmes en physique

° Se montrer capable de déterminer et demanipuler diverses relations lors d’unerésolution de problèmes

° Interpréter et appliquer correctement desconcepts mathématiques comme les rapports,les proportions, les pourcentages

° Utiliser lors de la résolution de problèmes leraisonnement inductif et le raisonnementdéductif

° Montrer comment il est possible de trouverles mêmes résultats en empruntant destechniques de résolution équivalentes

° Prendre des risques calculés en s'écartant desnormes et des idées reçues

° Appliquer ses aptitudes à diverses tâches • Améliorer son habileté à résoudre des

problèmes en faisant des exercicesrépétés

° Résoudre des problèmes concernant le travail,la puissance et l'énergie

° Résoudre des problèmes concernant lescircuits électriques

° Résoudre des problèmes concernant lacinématique et la dynamique

• Faire preuve de minutie et de prudencedans 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 enéléments plus petits, donc plus faciles àtraiter° 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 latechnologie

° Trouver des expériences quotidiennes, dessituations réelles et des applications pratiquesqui mettent en œuvre les principes de lacinématique

° Donner des exemples, des illustrations ou desapplications des principes du mouvement deNewton

° Utiliser les principes du mouvement deNewton pour expliquer des phénomènescourants

° Indiquer des cas pour lesquels il estsouhaitable d’accroître ou de diminuer


l’intensité du frottement entre des surfaces encontact

° Suggérer des exemples pratiques illustrant lebesoin de comprendre en détail l'équilibre descorps

° Donner des exemples qui montrent de quellemanière l'énergie est transmise d'un objet àun autre pendant un travail

° Donner des exemples dans la nature decollisions élastiques et inélastiques

° Trouver des applications pratiques quimettent en œuvre les principes de l'électricitéet du magnétisme

Leçon 1

Vue d'ensemble de la leçon

Cette première leçon passe en revue le projet. C'està cette étape que l'on constitue les groupes. Lescontrats sont rédigés. Les composantes obligatoireset facultatives des projets sont exposées. On y décritaussi le processus de demande d'un brevet. Ondistribue aux élèves des formulaires de demande debrevet, à utiliser durant le projet. Les fichesd'activité de la leçon 1 peuvent être distribuées auxélèves.

Pour décrire un « Rube Goldberg », les enseignantsou enseignantes pourront obtenir un recueil desdessins de Rube Goldberg au moyen d'un prêtinterbibliothèque.

On recommande quatre élèves par groupe. Les deuxfiches de travail intitulées « Formulaire de demandede brevet » doivent servir à soumettre les inventionsau Comité des brevets afin d'obtenir uneapprobation. La seconde page du formulaire peutêtre photocopiée au verso de la première.

Les exemples de formulaires d'évaluation,reproduits à la fin de cette unité, pourront êtrediscutés en classe avec les élèves. Tous doivent biencomprendre quels instruments d'évaluation serontutilisés et comment les élèves seront évalués durantce cours.

Qui « détient » les droits des projets terminés?Discuter de cette question en classe au tout début etarriver à un consensus avec les élèves. Les projetsen cours pourront rester à l'école. Ceux terminésappartiendront à l’ensemble des membres du groupeou pourront être démantelés et mis au rancart. Ledémantèlement des meilleurs projets seraitvraiment dommage. Une « sculpture cinétique àmouvement perpétuel » peut valoir des milliers dedollars aux yeux d’un collectionneur. Certaines

galeries d'art pourront accepter d'exposer et mêmede vendre de telles œuvres.

Description du projet

En groupe de quatre, les élèves doivent dessiner etconstruire un « Rube Goldberg ». On doit trouverdans ce projet plusieurs éléments de conceptionobligatoires. On pourra aussi y inclure deséléments facultatifs.

Construire un système mécanique qui soulève desbilles métalliques à une hauteur verticale d'aumoins un mètre. Une fois à la hauteur voulue, lesbilles sont libérées sur un plan incliné qui lesramène au point de départ. Lors de leur trajet, ellespeuvent franchir plusieurs obstacles. Le dispositifau complet doit être transportable et doitfonctionner à la fois à partir d'énergie électrique etd'énergie mécanique.

Éléments de conception obligatoires

Un moteur électrique doit servir à soulever les billesverticalement. Un système d'engrenages ou depoulies qui économise l'énergie mécaniquenécessaire 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 billemétallique dans votre projet. Une telle bille possèdeune certaine masse, conduit l'électricité et estattirée par un aimant. Tel est l’ensemble decaractéristiques 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 aumoment où la bille passe à leur niveau dans lechemin de roulement;

• laisser la bille tomber et rebondir ou s'engagerdans un autre trajet;


• stocker les billes dans un réservoir, et quandleur poids excède un seuil préétabli, les billessont libérées du réservoir;

• insérer un dispositif d'aiguillage qui permet auxbilles d'emprunter différents trajets.

Seuls des objets bon marché et faciles à se procurersont permis dans le projet. Toutes les inventionsdoivent être approuvées et « brevetées » par unComité des brevets, où siègent l'enseignant oul'enseignante et un membre de chacun des groupes.


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 :

___________________________

___________________________

___________________________

___________________________


Leçon 2

Dès que les élèves ont bien saisi la nature du projet,chaque groupe doit élaborer des plans de conceptionpréliminaires qui représentent le projet à la fin desa réalisation. La feuille de travail intitulée« Proposition de conception de projet » peut servir àcet effet. La proposition de conception doitcomprendre un croquis du projet, illustrant l'unitécomplète assemblée. Des croquis plus détailléspourront représenter le moteur et le mécanismeemployés pour soulever les billes, ainsi que toutélément facultatif. Dès que le groupe aura élaboré laconception préliminaire de son projet sur la feuillede travail « Proposition de conception de projet », ildemandera des exemplaires du Formulaire dedemande de brevet pour les inventions qu'il feratout au long de l'accomplissement de son projet.

La « Proposition de conception de projet » doitmentionner explicitement le matériel et les outilsdont se serviront les élèves. L'enseignant oul'enseignante devra examiner ces listes avec soinafin de s'assurer que les élèves respectent lesconditions posées : seulement du matériel disponibleet bon marché. Certains outils électriques pourrontêtre nécessaires comme unfer à souder électrique, une perceuse électriqueportative. Il faudra veiller à ce que les élèvesn'utilisent aucun outil pouvant présenter desrisques. Si les élèves apportent des outils de chezeux, il faudra les inspecter avant d'autoriser leuremploi. Des mini-leçons pourront être intercaléesdurant le projet pour montrer comment se servir deces outils. Des mesures de sécurité devront êtresuivies scrupuleusement pendant que les élèvesconstruisent leur projet.

Les élèves doivent savoir que le brevet est délivré augroupe dont la demande de brevet aura été acceptéeen premier, et cela quel que soit celui qui a eu l'idée.Parfois un inventeur ne protège pas son inventionpar une demande de brevet et se fait supplanter parun autre qui, ayant eu la même idée plus tard, voitsa demande de brevet acceptée.

Le Comité des brevets a le mandat d'arbitrer lesdifférends au sujet des réclamations de brevet. Si lecomité ne parvient pas à trouver de compromis ausujet d'une controverse, il pourra décider d’avoirrecours à la médiation. L'enseignant oul'enseignante, qui est membre permanent ducomité, pourra agir à titre de médiateur.


Proposition de conception de projet Page 1

Date : Numéro du groupe :

Membres du groupe

- - - - - - - - - - - - - - - -

Schéma du « Rube Goldberg »

____________________________________

_____________________________________

____________________________________

_____________________________________



Schéma détaillé du moteur et du mécanisme de levage



Utiliser seulement du matériel facile à obtenir et bon marché. Le coût total consacré à l'achat de pièces ne doitpas 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. Lesmembres 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 :



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. Employerun 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 unbrevet, 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.


Exemples d'instruments d'évaluation

Vous trouverez à la fin de cette unité modèle desexemples d'instruments d'évaluation qui servironttout au long de ce projet. Remarquer le grandnombre de méthodes d'évaluation utilisées. Sciences: Programme cadre dans l'optique du tronccommun propose d'autres instruments d’évaluationet une description sur la façon de s'en servir.

Dès que la phase de conception est terminée, lesgroupes commencent à travailler sur leur projet. LeComité des brevets se réunit régulièrement afind'examiner les brevets qu'on lui soumet. Au début,le Comité des brevets devra revoir toutes lespropositions de conception de projet et les Formulesde demande de brevet d'accompagnement. La page 2de la « Proposition de conception de projet » et lesgrandes lignes du moteur et du mécanisme devrontêtre examinées attentivement. Si le Comité desbrevets constate des problèmes au sujet de laproposition ou relève des dangers, la conceptionpourra être modifiée. Le membre du groupe quisiège au comité informera les autres membres deson groupe des changements qu'ils devront apporterau projet.Les groupes devront alors imaginer de nouvellessolutions plus appropriées. Les formulaires« Proposition de conception de projet » utilisées à laleçon 2 devront être révisés, notamment si denouveaux outils ou matériaux sont nécessaires.

Parfois, un groupe peut faire breveter une inventiongéniale. Le Comité des brevets peut recommanderque le groupe prépare un exposé oral pour la classeau sujet de cette invention. Une fois que le groupeaura construit son dispositif, la classe pourra tenirun « congrès des inventions ». Les inventionsparticulièrement réussies seront décrites en détail.Les exposés oraux des élèves doivent faire état detoute l'information théorique de base qui aide àmieux décrire l'invention.

Les « Rube Goldberg » pourront être peints etdécorés afin de les rendre plus attrayants. Lesprojets pourront être exposés, s'il y a des vitrinesd'exposition dans l’école. Les rencontres parents-enseignants, les journées portes ouvertes et lesactivités spéciales constituent d'excellentesoccasions de montrer à tous ces réalisations.


Feuille d'auto-évaluation de l'élève — Participation du groupe

Date : Numéro du groupe : Nom :

Peu Moyennement Extrêmementsatisfait.e satisfait.e satisfait.e

1. Que penses-tu de la façon dont le groupe atravaillé ensemble?

1 2 3 4 5

2. Es-tu satisfait.e du partage desresponsabilités qui s'est fait entre chacundes membres du groupe?

1 2 3 4 5

3. Es-tu satisfait.e du leadership assuré par lesautres membres du groupe?

1 2 3 4 5

4. Es-tu satisfait.e de la façon dont les autresmembres du groupe ont évalué tes idées?

1 2 3 4 5

5. Es-tu satisfait.e de la façon dont les autresmembres du groupe ont respecté tes idées?

1 2 3 4 5

6. As-tu pu t’exprimer souvent et librement ausein du groupe?

1 2 3 4 5

7. Dans quelle mesure as-tu aidé le groupe àatteindre les buts fixés?

1 2 3 4 5

8. Es-tu satisfait.e de la façon dont le groupe aessayé de résoudre les difficultés qui sontsurvenues?

1 2 3 4 5


Auto-évaluation de l'élève — Participation au groupe


Réponds à chaque question. Tes réponses aideront l'enseignant ou l'enseignante à voir ce que tu as appris entravaillant 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?


Liste de contrôle de participation à l'activité

À remplir par l'élève ou l'enseignant.e


Tâche Critère Insatisfaisant Bien Excellent

Sécurité Utilise des méthodessûres et suit lesmesures de sécurité o o o

Marche à suivre Utilise une marche àsuivre acceptable pourl'activité o o o

Préparation Aide à rassemblerl'équipement et lematériel o o o

Nettoyage Aide à démonter et ànettoyer le matérielaprès l’activité o o o

Outils Travaille avec les outilsen respectant le moded'emploi o o o

Participation Participe activement auprojet o o o

Coopération Travaille encollaboration avec lesautres o o o

Comités des brevets Participe aux réunionsdu Comité des brevets o o o

Contribution Apporte unecontribution importanteau projet

o o o


Rapport d’étape du projet


Rarement Souvent Toujours

1. Les tâches sont réparties équitablement entre lesmembres.

m••••m••••m••••m••••m

2. Il y a dans le groupe un esprit d'entraide et desoutien.

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.______________________________________________

m••••m••••m••••m••••m

8.______________________________________________

m••••m••••m••••m••••m

9.______________________________________________

m••••m••••m••••m••••m

10._____________________________________________

m••••m••••m••••m••••m

11.______________________________________________

m••••m••••m••••m••••m

12._____________________________________________

m••••m••••m••••m••••m


13._____________________________________________ m••••m••••m••••m••••m


Liste de contrôle pour la demande de brevet


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 bienprésenté.

______________

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 faitbreveter. _____________

_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 :

_______________________________________________ ______________

_______________________________________________ ______________

_______________________________________________ ______________

_______________________________________________ ______________


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'enseignantet’expliquera comment interpréter les notes indiquées sur l'échelle. Tu trouveras au bas de la page des remarquesplus générales.

A. Organisation1 6+-----+-----+-----+-----+-----+

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.


Liste de contrôle pour l'évaluation du projet — Éléments deconception

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'énergiemécanique

______________

• exécute un cycle complet et est soulevée d'au moins 1 mètre par un moteurélectrique

______________

Éléments de conception facultatifs inclus

_______________________________________________________________________

______________

_______________________________________________________________________

______________

_______________________________________________________________________

______________

Note globale______________

____________________________

____________________________


Mini-leçon modèle

Description

Dans cette mini-leçon, l'enseignant ou l'enseignantea monté un exemple de circuit électrique qui illustrecomment incorporer un des éléments de conceptionobligatoire. (On fera une demande de brevet enremplissant le formulaire approprié. Les élèvespourront s’inspirer de la leçon, mais ne pourront seservir exactement du même circuit pour leursprojets. Les modifications devront être revues par leComité des brevets afin d'évaluer si cesmodifications justifient l'attribution d’un brevet.)

Apprentissages essentiels communsdéveloppés dans cette leçon



technologie (TEC)

Résultats d'apprentissage

• Décomposer des problèmes complexes enéléments 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

Matériel nécessaire

• 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 untronçon du parcours qu'emprunteront les billes

• Ampoule de torche électrique et support

Marche à suivre

Distribuer la feuille de travail « Sur la bonne voie »et le matériel dont les élèves auront besoin pourconstruire le tronçon du parcours et le circuit qui yest associé.

Demander aux élèves de travailler avec leur groupepour assembler le parcours et le circuit.

Quand le circuit est terminé, demander aux élèvesd'apporter les variations suggérées dans leparagraphe « Expériences complémentaires » de lafeuille de travail « Sur la bonne voie ». Faire suivrepar une discussion et un « congrès des inventions »dans lesquels les groupes feront de brefs exposésdevant la classe pour expliquer leur circuit. LeComité des brevets devrait se réunir pour revoirtous les nouveaux formulaires de demande debrevet, pendant que les groupes se chargent denettoyer 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 untronçon du parcours qu'emprunteront les billes

• Ampoule de torche électrique et support

Instructions

Le schéma ci-dessous illustre un circuit électrique.Les lignes noires épaisses représentent un tronçondu trajet « sous tension ». Quand la bille de métalroule sur ce tronçon, une sonnerie se met enmarche.

Avec le matériel distribué à votre groupe, construirele tronçon et le circuit. Faire rouler la bille sur lecircuit afin de vérifier si tout

fonctionne bien. Mettre en application lessuggestions contenues dans le paragraphe« Expériences complémentaires. » (Soyez prêts àfaire breveter toute nouvelle idée que vous pourriezavoir.)

Montrer le câblage à l'enseignant ou à l'enseignanteavant de faire les branchements sur les piles ou surl'alimentation. Ne pas toucher les sections « soustension » du circuit après que la source d'électricitéa été connectée.

Expériences complémentaires

• Modifier le circuit afin de changer la durée duson émis par le bruiteur.

• Concevoir une méthode différente pour activeret désactiver la sonnerie.

• Changer le circuit afin de déclencher la sonneriedeux fois pendant que la bille roule.

• Faire en sorte que la sonnerie et l'ampoule semettent en marche en même temps.

• Voir si la sonnerie et l'ampoule ne pourraientpas s'allumer à des moments différents.

Schéma du circuit

Unités obligatoires et unités facultatives duprogramme d’études de Physique 20, 30

Physique 20

Unités obligatoires

I. La physique du quotidienII. Le mouvement ondulatoireIII. La lumièreIV. La chaleur

Unités facultatives

Une unité au choix :V. Le sonVI. L’optique

Physique 30


I. La cinématique et la dynamiqueII. L’énergie mécaniqueIII. L’électricitéIV. La physique nucléaire

Unités facultatives

Une unité au choix :V. Applications de la cinématique et de la

dynamiqueVI. La mécanique des fluidesVII. L’électromagnétismeVIII. La physique

Physique 20

Physique 20


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 ondes1. Terminologie des ondes2. Équation d'onde universelle3. Principe de superposition

B. Phénomènes ondulatoires1. Propagation, réflexion et réfraction2. Diffraction et autres phénomènes

ondulatoires

Unité III : La lumière (25 heures)

A. Caractéristiques de la lumière 1. Sources lumineuses et propagation de la lumière 2. Vitesse de la lumière

B. Réflexion1. Lois de la réflexion2. Miroirs plans3. Miroirs courbés

C. Réfraction1. Loi de Snell-Descartes2. Réflexion totale interne

Unité IV : La chaleur (15 heures)

A. Chaleur et température

B. Chaleur spécifique et chaleur latente

C. Thermodynamique

Unités facultatives (Une des unitéssuivantes au choix)

Unité V : Le son

A. Applications1. L'oreille humaine2. Autres applications

B. Propagation du son1. Production du son2. Vitesse du son

C. Caractéristiques du son1. Intensité2. Hauteur3. L'effet Doppler4. Harmoniques, résonance et interférence

Unité VI : L’optique

A. Applications1. La vision humaine2. Autres applications

B. Lentilles

C. Optique physique1. Phénomènes importants2. Rayonnement électromagnétique3. Couleurs

Physique 20 – La physique du quotidien : Introduction à la physique – P. 111

Unité obligatoire I : La physique du quotidien


« Qu'est-ce que la physique? Quels genres de chosesenseigne-t-on? J'espère que ce n'est pas trop difficile,comme me l'ont dit mes amis! Je suis craintif! Jen'ai jamais été très bon en maths! Ce sont mesparents qui veulent que je suive ce cours, mais je nesais pas pourquoi. Est-ce que ce cours est obligatoirepour que je puisse poser ma candidature à certainsprogrammes universitaires? »

Voilà des commentaires bien typiques de ce que l'onentend des élèves quand ils et elles abordent leprogramme d'études de la physique au secondaire.Leurs craintes et leurs incertitudes transparaissentdans ces remarques. Une introduction à la physiquedoit donc viser à faire comprendre aux élèves lanature de la physique et son importance. Les élèvesdoivent aussi être sensibilisés au fait que beaucoupde choses qu'ils et elles considèrent comme des« évidences » font appel à leur connaissanceimplicite de phénomènes physiques. Finalement, lesélèves doivent être initiés à la physique doucement,en misant sur une approche « sans douleur ». Enétudiant la physique dans la vie de tous les jours,les élèves vont finir par se rendre compte qu’elle estomniprésente et se convaincront qu’elle estimportante, essentielle et amusante.

« Après mes premières leçons de physique, je mesuis aperçu que la physique était vraiment trèsintéressante! Jamais je n'aurais imaginé que cepouvait être aussi amusant! J'ai appris beaucoupdans ce cours. La physique est présente partout,tout le temps! »

N.B. Cette unité et les autres unités obligatoirespeuvent être développées individuellement ou bienêtre fusionnées à d'autres unités obligatoires oufacultatives.


A1 publique/privéeA3 holistiqueA7 uniqueA9 reliée à l'être humain/à la culture

B2 l'interactionB10 la cause et l'effetB15 le modèle

C2 la communicationC3 l'observation et la descriptionC4 la coopérationC6 la mise en questionC12 l'interprétation des données

C13 la création de modèlesC15 l'analyseC16 l'expérimentation

D1 la science et la technologieD3 les effets de la science et de la technologieD4 la science, la technologie et l'environnementD9 l'influence de la société sur la science et la

technologieD10 le contrôle de la technologie par la société

E2 savoir utiliser les environnements naturelsE3 savoir utiliser le matériel prudemmentE7 savoir manipuler les instruments

F1 le besoin de savoir et de comprendreF2 la mise en question


Objectifs généraux de la physique etobjectifs des apprentissagesessentiels communs


• Reconnaître l'interrelation entre tous les objets

• Rechercher une organisation ou des relationsdans les données expérimentales

• Exploiter une large gamme de possibilités afind'accroître sa connaissance des principauxconcepts de physique (COM)


• Développer une vision contemporaine de latechnologie (TEC)

• Accéder à l'information (AUT)

P. 112 – Physique 20 – La physique du quotidien

A. Introduction à la physique

Concepts clés

La physique étudie les phénomènes naturels. Ellefait une description du monde, qui est unique etintrinsèquement cohérente.

Des sujets comme la mécanique, la chaleur, lecomportement des ondes, l'électricité et lemagnétisme et la physique des particulesélémentaires sont autant d'aspects importantsétudiés par la physique.

Diverses raisons expliquent l'apparition dedisciplines dans les sciences. Les scientifiquesconsacrent leurs travaux à des sujets précis. Lesuniversités et la communauté scientifique reconnueont mis sur pied des institutions compartimentées.

Mais tout est interrelié. Les distinctions et lafragmentation des grandes branches de la sciencesont souvent arbitraires et aboutissent à des vasesclos. Des sous-domaines à l'intérieur des disciplines(p. ex. biophysique, géophysique, etc.) se sontdéveloppés afin d'examiner certains sujets au moyende méthodes différentes.

L'observation est un élément essentiel de la science.En observant le monde autour de nous, desquestions fondamentales surgissent. Celles-cipeuvent mener à l'expérimentation, qui elle-même,en affinant les observations, déclenche une nouvellevague 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'estentièrement certaine. Tout est provisoire.



• Répondre à la question : « Qu'est-ce que laphysique? »

• 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

• Donner un exemple de situation dans laquelleune personne qui étudie la physique pourraitavoir besoin de connaissances traitées dansd'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

Enseignements, activités etdémonstrations suggérés

1. Élaborer une carte des concepts illustrantl'interaction entre les différentes disciplines.

Physique 20 – La physique du quotidien – P. 113

B. Découverte de la physique

Concepts clés

De nombreux objets à la maison et ailleurs mettenten application des phénomènes physiques. Laphysique est partout.

Il est très intéressant de comprendre les principesphysiques qui sous-tendent le fonctionnement de nosobjets familiers. C'est une recherche motivante ensoi et profitable.

En appliquant les principes de physique, on peutparvenir à résoudre certains types de problèmes quisurviennent à la maison ou ailleurs.

En examinant certains articles que l'on trouve à lamaison ou ailleurs, il est possible d'explorerquelques principes de physique.



• Se rendre compte qu'on assiste partout autourde 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 laphysique

• 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 découvrircomment ils fonctionnent

• Mettre en pratique d'importants principes de

physique afin de résoudre des problèmeshabituels qui surviennent à la maison ouailleurs

Enseignements, activités etdémonstrations suggérés

1. La première impression est primordiale. Lepremier jour de classe, éviter le plus possiblela manipulation de livres, la distribution deformulaires ou la paperasserie administrative.Commencer le cours par une démonstrationintéressante, par l'exposé d'un dilemme ou parune expérience cocasse qui suscitera l'intérêt

de la classe et gagnera les élèves au plaisir dela physique. Rien n'est plus décourageant quede voir les élèves abandonner le cours aprèsles premières semaines, parce qu'ils ou ellestrouvent que la physique, c'est « trop difficile »ou « trop ennuyant ». Convaincre les élèvesque la physique est une matière amusante.

Ne pas avoir peur de prendre des risquescalculés. Élargir sa palette d'aidespédagogiques en tentant régulièrement denouvelles choses. Certaines tentatives serontréussies, d'autres non. Garder ce qui a bienfonctionné et poursuivre sa quête.L’enseignement ne peut que s'améliorer avecle temps.

Faire des calembours et des farces durant lescours. Tirer avantage des événementsspéciaux et s’impliquer activement commemotivateur de l'esprit de l'école. Par exemple,lors de la « journée costumée », porter desvêtements extravagants. Convaincre les élèvesque vous êtes une personne comme les autres.Rire avec eux. Certains conserveront cetteimage plutôt que celle d'un enseignant oud'une enseignante. Décorer la salle de cours.Utiliser des accessoires. Accrocher unemascotte dans la classe. Laisser les élèvesmaquiller votre sarrau s'ils vous ledemandent.

Les enseignants et enseignantes peuventparvenir assez facilement à convaincre lesélèves que la physique est amusante. Pourcela, il suffit de leur montrer une personneheureuse 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 diversobjets de la maison (ou d'ailleurs), objets quisont reliés aux principes de physique. Cesobjets pourront être classés d'après lesprincipes que la physique tente d'examiner (p.ex. mécanique, chaleur, comportementondulatoire, électricité et magnétisme). Selonla décision de l'enseignant ou de l'enseignanteet des élèves, chaque groupe se consacrera àune ou à différentes classes d'objets. Commeexemples d'objets que les élèves peuventapporter en classe, mentionnons desustensiles de cuisine et des outils deconstruction qui illustrent des mécanismessimples et complexes, des appareilsélectriques qui servent à expliquer lesimportants principes de l'électricité et dumagnétisme, des appareils de chauffage et desmatériaux isolants, des dispositifs émettant


des sons, des instruments de musique, diverstypes de sources lumineuses, de l'équipementélectronique.

Plusieurs activités et projets sontenvisageables à partir de ces objets. Les élèvespourront chercher à expliquer les grandsprincipes physiques qui permettent à cesobjets de fonctionner. Il est possible deconstituer des groupes indépendants derecherche et d'enquête qui seront chargés detrouver des réponses aux intéressantesquestions qui pourraient surgir.

Des projets de groupe, élaborés de manière àénoncer et à répondre à des questionsspécifiques sur des appareils, devraient êtremis de l'avant. Les élèves devraient pouvoirsoulever d'intéressantes questions (p. ex.quelle marque d'ampoule incandescente de 100W émet la lumière la plus brillante, ou lalumière la plus « satinée », dure le pluslongtemps, est la plus « résistante », la pluséconomique, la plus efficace? Quels principesde physique sont mis en application dans une« brochette » d'ustensiles de cuisine?Comment fonctionne un aspirateur?)

Dès qu'une marche à suivre pourl'investigation des objets courants aura étéétablie, tout le cours pourra graviter autour dela recherche des explications de naturephysique qui sous-tendent nos objetsquotidiens. Il y aura lieu d'intégrer des sujets,particulièrement dans le cas d'appareils quiexploitent plusieurs importants principes dephysique. Des méthodes parallèlesd'évaluation du travail du groupe pourrontêtre mises de l'avant. On encouragel’enseignant ou l’enseignante à prendre desrisques calculés à tout moment du cours et àexpérimenter des approches pédagogiques etdes techniques d'évaluation innovatrices.

Cette unité convient particulièrement bien àun traitement des rapports entre la science, lasociété et la technologie. Le début du présentdocument mentionne quelques suggestions surla manière d'ordonner et d'intégrer cette unitéaux unités obligatoires et aux unitésfacultatives.

Physique 20 – La physique du quotidien – P. 115

C. Mesure et analyse desdonnées

Concepts clés

Un accord international sur le système d'unités demesure est essentiel afin de pouvoir mesurer etreprésenter une large gamme de grandeurs (ouquantités) physiques. Les scientifiques ont adopté lesystème de mesure international SI à cette fin.

Les unités de mesure fondamentales sont lalongueur (mètre), le temps (seconde), la masse(kilogramme), l'intensité de courant électrique(ampère), la température (kelvin), l'intensitélumineuse (candela) et la quantité de matière(mole). (On rencontrera dans certainesressources l’expression « unités "de base" » aulieu d’« unités de mesure fondamentales ».Adopter un usage et s’y tenir pendant tout leprogramme de Physique 20, 30.)

Les unités dérivées sont des combinaisons desunités fondamentales.

Un grand nombre d'unités du système SI sontexprimées en puissance de dix, ce qui simplifie lesconversions.

L'ordre de grandeur d'un nombre est ce nombrearrondi à la plus proche puissance de dix.

L'ordre de grandeur d'un nombre en notationscientifique ne doit être arrondi que si sa mantisseest supérieure à 3,16 (100,5 = 3,16).

Les préfixes sont utilisés dans le système SIcomme multiples des unités fondamentales etdérivées.

Toutes les mesures comprennent une valeur et uneunité. Certaines expriment aussi une direction.

La notation scientifique permet d'exprimer defaçon commode des nombres extrêmement grandsou extrêmement petits.

Chaque grandeur mesurée renferme uneincertitude.

L'incertitude est généralement donnée en valeurabsolue ou en pourcentage.

Les grandeurs mesurées doivent être expriméesavec un certain nombre de chiffres significatifs,qui représentent le mieux la précision de la mesure.

Quand on effectue des opérations mathématiquesavec des grandeurs mesurées, les réponses doiventcontenir un nombre de chiffres significatifscompatibles.

Dans nombre d'expériences, on mesure deuxvariables ou plus afin de discerner l'organisation oules rapports qui expliquent le comportement deschoses.

La physique a recours à différentes méthodes pourassembler et interpréter les données.

Les données groupées en tableaux, puis reportéessur des graphiques, sont souvent plus faciles àinterpréter.

Les ordinateurs sont des outils utiles pour traiter etanalyser des données.

La forme d'une courbe dans un graphique est uneindication de la relation entre les variables.

La lecture de données sur des graphiques est unehabileté essentielle pour interpréter l'informationchiffrée.

Deux techniques utiles pour interprétergraphiquement de l'information sontl'interpolation et l'extrapolation.



• Exprimer les grandeurs physiques au moyend'une valeur, de l'unité du SI appropriée et (aubesoin) d'une indication de la direction

• Reconnaître les avantages du système de mesureSI

• Faire la distinction entre unités fondamentaleset unités dérivées

• Appliquer correctement le système de mesure SI

• Reconnaître la limite de la précision desgrandeurs mesurées

• Exprimer les nombres selon la notationscientifique

• Exprimer les informations chiffrées avec lenombre exact de chiffres significatifs

• Trouver l'ordre de grandeur de grandeursphysiques


• Collecter des données expérimentales

• Reporter sur un graphique des informationschiffrées

• Interpréter les informations fournies par ungraphique

• Extrapoler et interpoler des données graphiques

Enseignements, activités et démonstrationssuggérés

1. Il est important d'enseigner chaque sujet en sebasant sur des activités expérimentales. Tousne sont pas d'accord avec cette approche, maisnombre d'enseignantes et d'enseignants dephysique expérimentés trouvent que cetteapproche est plus efficace que l'enseignementdu sujet pris isolément. Souligner les conceptsclés touchant la mesure et l'analyse desdonnées au moment où cela sera jugé le pluspropice.

2. S’entendre avec les collègues de l’école surl’utilisation des chiffres significatifs etl'incertitude des mesures. L'absence d'unenseignement uniformisé dans ces matièresjette souvent le trouble dans l'esprit desélèves. Différentes ressources pourront sebaser sur différentes règles pour exprimerl'incertitude d'une mesure. Parfois, lesressources ne sont pas normalisées pour ce quiconcerne la façon d'utiliser les chiffressignificatifs. Des réponses à des problèmes necontiennent pas le bon nombre de chiffressignificatifs. Des écarts sont souvent relevésentre le traitement de ce sujet en physique eten chimie. Voir aussi la suggestion suivante.

3. Les élèves trouvent souvent avec difficulté lebon nombre de chiffres significatifs dans laréponse d'une addition ou d'une soustraction.Insister sur le fait que la somme ou ladifférence contient le même nombre depositions après la virgule décimale quel'argument qui en compte le moins,contrairement à la multiplication et ladivision, dont la réponse contient autant dechiffres significatifs que son argument quien compte le moins. Par exemple :

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 lesconversions d'unités non SI. À l'occasion,toutefois, il pourra être utile et mêmesouhaitable de montrer aux élèves commentles effectuer. Il existe plusieurs situationspratiques où cela s'impose. On ne doit pasdemander aux élèves de mémoriser lescoefficients de conversion. Au contraire, ondoit s'assurer qu'ils savent où les trouverquand ils en auront besoin.

5. On devra vérifier l'homogénéité des unitésdérivées par rapport à d'autres unités dérivéesen comparant leurs dimensions. Parexemple l'unité de la vitesse, le km/h, est lequotient d'une longueur [L] par un temps [T],soit [L]/[T]. Les autres unités dérivées dontl'analyse des dimensions aboutit à un quotientd'une longueur par un temps doivent aussicaractériser des vitesses, comme le m/s ou lecm/min. En outre, pour que les équationssoient correctes, il faut que les dimensionssoient les mêmes dans le membre de gauche etdans le membre de droite.

6. Tenir compte des aptitudes et de la formationmathématique des élèves. Ne pas demanderaux élèves d'effectuer des tâches de collecte etd'analyse de données qui dépassent leursconnaissances en mathématique. Tenircompte que dans les programmes semestriels,il peut arriver que des élèves n'aient pasencore suivi les cours de mathématiquesnécessaires. Si c'est le cas, il faudra enseignercertaines notions et méthodes mathématiquesdans le cours de physique. Considérer qu'ils'agit d'un investissement pour l'avenir, etnon d’une perte de temps.

7. L'utilisation d'ordinateurs pour assembler ettraiter des données doit être autorisée pourfaciliter la tâche des élèves, et non pas pourles empêcher d'apprendre à faire cette tâchemanuellement.

Unité obligatoire II : Le mouvement ondulatoire

Physique 20 – Le mouvement ondulatoire – P. 117


L'observation du comportement d'une onde estfondamentale pour l'interprétation d'une foule dephénomènes physiques. D'autres sujets abordésailleurs dans le programme de Physique 20, commela lumière, le son, la chaleur sont plus faciles àmaîtriser si on a, au départ, une bonnecompréhension des ondes. C'est donc dire que lacompréhension des caractéristiques générales et ducomportement des ondes permet de dégager desconcepts fondamentaux qui reviennentcontinuellement dans le programme dePhysique 20.

Comprendre le comportement des ondes permetd'expliquer certains mécanismes de propagation del'énergie. On peut ainsi saisir le fonctionnementd'applications importantes dans lesquelles il y apropagation de l'énergie.

Un débat oppose les tenants de l'enseignement de lathéorie ondulatoire avant l'examen des applicationset les tenants de la démarche contraire. Certainsenseignants et enseignantes préfèrent examinerd'abord le comportement des ondes afin de dégagerun cadre conceptuel qui explique le transfertd'énergie. D'autres manifestent une préférence pourl'examen avant tout d'un phénomène ondulatoire etpour le développement d'un modèle explicatif basésur les observations réalisées. D'autres aussipréfèrent partir d'applications connues des élèves,afin de les motiver à pousser plus loin leursrecherches. Aucune de ces méthodes n'est en soimeilleure que l'autre. On recommande auxenseignants et enseignantes de faire l'essai dediverses approches, jusqu'à ce qu'ils ou elles aienttrouvé celles qui donnent les meilleurs résultats.


A4 reproductibleA5 empiriqueA7 unique

B2 l'interactionB3 l'ordreB9 la reproduction des résultatsB10 la cause et l'effetB13 l'énergie et la matièreB15 le modèleB20 la théorieB27 l'amplification

C1 la classificationC2 la communicationC3 l'observation et la description

C4 la coopérationC6 la mise en questionC8 la formulation d'hypothèsesC10 la prédictionC13 la création de modèlesC15 l'analyse

D9 l'influence de la société sur la science et latechnologie

E3 savoir utiliser le matériel prudemmentE5 savoir se servir d'un ordinateurE7 savoir manipuler les instruments

F2 la mise en questionF5 le respect de la logique

G1 s'intéresser à la scienceG8 préférer les explications scientifiques


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 laconnaissance des propriétés des ondes

• Prévoir le comportement des ondes dans des

situations similaires à celles étudiéesexpérimentalement

• Suggérer diverses applications sociales,

technologiques et environnementales pourlesquelles une compréhension du comportementdes 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 enscience 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

P. 118 – Physique 20 – Le mouvement ondulatoire

• Comprendre et utiliser la terminologie, lesstructures et les formes d'expression quicaractérisent la physique

• Consolider ses connaissances et sa

compréhension de la manière de calculer, demesurer, d'estimer et d'interpréter les donnéesmathématiques, déterminer le moment demettre ces habiletés et ces techniques en œuvreet savoir pourquoi ces processus conviennent aucadre de la physique (NUM)

• Se servir de son imagination, de son intuition et

de ses habiletés en vue d'évaluer des idées, desprocessus, des expériences et des objets dans descontextes significatifs (CRC)

A. Propriétés des ondes

1. Terminologie des ondes

Concepts clés

Une onde est un transfert d'énergie qui s'effectuesous la forme d'une perturbation dans un certainmilieu sans changement de la position à longterme du milieu.

Une onde possédant une courte durée est appeléeune impulsion.

Les ondes qui vibrent et se répètent cycliquementsont des exemples du mouvement périodique oudu mouvement harmonique.

Une oscillation complète est appelée un cycle.

Une vibration transversale se produit quand lavibration du milieu porteur est perpendiculaire à ladirection du transfert d'énergie. La positionmaximale et la position minimale d'une ondetransversale ont respectivement reçu le nom decrête et de creux.

Une vibration longitudinale se produit quand lavibration du milieu porteur est parallèle à ladirection du transfert d'énergie. Les vibrationslongitudinales sont des alternances decompressions et de raréfactions.

La fréquence (f) est une mesure du nombre decycles ayant lieu dans une unité de temps.

L'unité SI de la fréquence est le hertz (Hz). On voitaussi les unités s-1 et cycles/seconde.

Fréquence =

La période (T) est le temps qu'il faut pour effectuerun cycle complet.

Période et fréquence sont deux grandeursinversement proportionnelles l'une del'autre.

La période d'un pendule simple est donnée par :

T1

= ff1

= T

Nombre de cycles___Intervalle de temps

gl

2 = T π


où l est la longueur du pendule et g estl'accélération due à la gravité. (Cette équation n'estvraie que lorsque l'amplitude est faible.)

L'amplitude d'une onde est le déplacementmaximal par rapport à la position d'équilibre oude repos.

Deux sources d'ondes sont en phase si, à toutmoment, elles ont le même déplacement relatifmesuré à partir de leur point de repos et sepropagent dans la même direction. Si ces deuxconditions ne sont pas vérifiées, on dit que les deuxsources sont déphasées.

La longueur d'onde (λ) est la distance qui séparedeux crêtes ou deux creux consécutifs.

La longueur d'onde est la plus petite distance entredeux points identiques en phase (ou deux pointsayant des caractéristiques identiques).



• Définir les termes suivants : onde,perturbation, milieu, impulsion, vibration,cycle, mouvement périodique, mouvementharmonique simple, vibration transversale,vibration longitudinale, crête, creux,compression, raréfaction, fréquence, période,amplitude, phase, longueur d'onde

• Donner des exemples de mouvementpériodique

• Utiliser les bonnes unités pour la période et la

fréquence dans la résolution de problèmes etles études d'application

• Résoudre des problèmes faisant intervenir la

période, la fréquence et le mouvementondulatoire


1. Se servir d'un pendule simple pour illustrerles concepts de période et de fréquence.

2. Déterminer expérimentalement la fréquenceet la période d'un pendule simple ou d'autresobjets ayant un mouvement harmoniquesimple.

3. Mettre en marche une activité où il y auraobservation et enregistrement descaractéristiques d'ondes transversales,

longitudinales, de torsion agissant en unedimension.

On peut illustrer différents types d'ondes en seservant d'un ressort ou d'une corde. Il estpossible de mettre à profit des démonstrationsfaites au moyen de ces objets pour renforcerl'application de la bonne terminologie desondes.

4. Concevoir et conduire une expérience demesure de l'amplitude d'une onde à unedimension.

5. Réaliser un montage de démonstration quipermet aux élèves de déterminer si deux sourcesd'ondes (ou deux points de la forme d'onde)vibrent en phase.

2. Équation d'onde universelle

Concepts clés

L'équation d'onde universelle porte lequalificatif d'universelle parce qu'elle décrit tous lestypes d'ondes.

L'équation d'onde universelle sert dans diversproblèmes relatifs au mouvement ondulatoire.



• Expliquer le fait que l'équation d'onde universelledécrit tous les types d'ondes

• Appliquer l'équation d'onde universelle àdifférents genres de problèmes relatifs auxondes

3. Principe de superposition

Concepts clés

L'interférence des ondes se produit quand aumoins deux ondes agissent en même temps dans unmilieu.

Quand au moins deux ondes se rencontrent, laperturbation résultante en un point donné dans lemilieu est généralement déterminée par l'additiondu déplacement causé par chaque onde (Principede superposition).

λν f =


L'interférence constructive a lieu quand laperturbation résultante est supérieure à chacunedes perturbations individuelles qui la composent.

Quand le déplacement résultant est inférieur auxdéplacements individuels qui le composent,l'interférence est destructive.



• Définir les termes suivants : interférence,interférence constructive, interférencedestructive

• Énoncer le principe de superposition • Prédire la forme d'onde résultant, en un point

donné, de la rencontre de deux ondesvoyageant en sens inverse

• Illustrer, au moyen de schémas, de modèles ou

d'ordinateurs, l'interférence constructive etl'interférence destructive


1. Concevoir un programme informatique quimontre graphiquement la superposition desondes.

2. Concevoir un programme informatique quimontre les effets du changement de lafréquence et de l'amplitude sur des ondestransversales.

3. Introduire un signal audio dans unoscilloscope et examiner les formes d'onde quicorrespondent à différents types de sons et debruits.

4. Dessiner sur un papier quadrillé desimpulsions d'onde qui interfèrent et prédire laforme du déplacement résultant en un pointprécis.

5. Illustrer la forme d'interférence produite pardeux sources ponctuelles vibrant en phase ouen opposition de phase dans une cuve à ondes.

6. Poser la question suivante aux élèves :« Qu'advient-il de l'énergie associée aux ondesdans une situation d'interférencedestructive? »

7. Une application intéressante de l'interférencedestructive dans les ondes sonores s'observe

dans un nouveau type de silencieuxd'automobile. Ces nouveaux types desilencieux utilisent un capteur numériquepour détecter la fréquence des ondes sonoresgénérées par le système d'échappement. Uneautre onde est alors générée afin d'interférerdestructivement avec la première, ce quiréduit l'intensité du son provenant du systèmed'échappement. Ce type de silencieux devraitêtre sur le marché très bientôt.

De plus, certains collecteurs sont« syntonisés » au moyen d'une modification deleur longueur, ce qui délimite une régiond'interférence destructive à l'endroit del'émission du son par le véhicule. Le principede la résonance d'une colonne d'air à extrémitéouverte est mis à profit pour régler l'intensitédu son.


B. Phénomènes ondulatoires

1. Propagation, réflexion etréfraction

Concepts clés

Les ondes voyagent à vitesse constante dans unmilieu homogène. Un changement de milieu ouun changement dans les conditions du milieu agénéralement pour effet de modifier la vitesse del'onde.

Un changement de la vitesse d'une onde périodiquea pour conséquence de modifier de façoncorrespondante la longueur d'onde. En revanche, lafréquence d'une onde ne change pas après laproduction de l'onde.

Pour une fréquence donnée dans un même milieu,la longueur d'onde d'une onde varie directement enfonction de la vitesse.

λ α v

Dans un milieu fixe, dans lequel la vitesse d'uneonde est constante, la longueur d'onde varie enraison inverse de la fréquence. Un changement defréquence entraîne un changement correspondantde la longueur d'onde.

L'amplitude d'une onde dépend de la quantitéd'énergie transmise. Une diminution de l'amplituded'une onde (comme dans une impulsion qui parcourtun ressort) est le signe que de l'énergie s’estdissipée, principalement en raison des forces defrottement.Une réflexion à extrémité fixée produit uneimpulsion inversée.

On peut interpréter une amplitude plus petite pourl'impulsion réfléchie comme le signe que de l'énergiea été transférée à la frontière (p. ex. paramortissement).

Dans le cas d'une réflexion à extrémité libre, iln'y a pas inversion de l'impulsion.

Si une onde pendant son déplacement passe d'unmilieu à un autre, il y aura réflexion partielle (etréfraction) à la frontière entre les deux milieux.

Des ondes rectilignes dans une cuve à ondes quifrappent une barrière rectiligne respectent leslois de la réflexion.

L'angle d'incidence est égal à l'angle deréflexion. La direction de propagationincidente, la normale et la direction depropagation réfléchie sont coplanaires.

Quand des ondes circulaires dans l'eau frappentune paroi plane ou courbe, elles sont régies par leslois de la réflexion; le schéma d'ondes est alorsbeaucoup plus difficile à analyser.

Les ondes réfléchies par un réflecteurparabolique passent par le foyer principal. Celaa pour effet de concentrer l'énergie ondulatoire.Plusieurs applications importantes exploitent cephénomène.

Le comportement d'ondes circulaires ou rectilignesdans l'eau se prête particulièrement bien à uneobservation avec un stroboscope.

Quand une onde pénètre dans un milieu dans lequelsa vitesse de propagation est plus faible, sa longueurd'onde diminue. La relation entre la vitesse et lalongueur d'onde est :

Dans le cas d'un changement spécifique, le

rapportλλ

2

1 a une valeur constante.

(Un traitement plus détaillé de la loi de Snell-Descartes et du concept d'indice de réfraction peutavoir lieu ici ou dans l'unité obligatoire III,section C, qui concerne la réfraction.)



• 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

constante est que et que parce ff = v = vv

2

1

2

1 λλλ

f1

αλ


entraîne généralement une variation de lavitesse d'une onde se propageant dans cemilieu

• 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 lafrontière entre deux milieux

• Expliquer la relation entre vitesse et longueur

d'onde quand des ondes périodiques sontréfractées

• Expliquer le rapport entre fréquence et

longueur d'onde quand des ondes dans unmilieu fixe subissent un changement devitesse

• Énoncer les lois de la réflexion • Expliquer comment les lois de la réflexion

décrivent le comportement d'ondes rectilignesdans l'eau qui frappent une barrière droite

• Montrer sa compréhension de la propagation

des ondes, de leur réflexion et de leurréfraction en reliant ces phénomènes à desexpériences pratiques et quotidiennes

• Interpréter le rapport entre vitesse et

longueur d'onde quand les ondes sontréfractées

• Appliquer les techniques de résolution de

problèmes aux relations entre vitesse etlongueur d'onde pour des ondes réfractées


1. Les expériences bien connues avec la cuve àondes décrites dans la plupart des livres dephysique conviennent parfaitement à cettesection. Elles fournissent des exemplesconcrets du comportement ondulatoire.• Observer et décrire la propagation, la

réflexion et la réfraction de vaguelettesdans diverses conditions.

• Observer et décrire la réflexion d'ondesrectilignes et circulaires dans l'eau quifrappent des barrières droites et courbes.

• Examiner ce qui survient quand desondes sont réfléchies par un réflecteurparabolique.

• Faire une démonstration ou demanderaux élèves d'étudier la réflexion et laréfraction partielles d'une onde à unefrontière.

2. Observer et décrire la réflexion qui se produitdans un milieu unidimensionnel dont lesextrémités sont fixes et libres.

3. Proposer une explication plausible de ladiminution de l'amplitude que subit une ondequi se propage le long d'un ressort ou dans unautre milieu unidimensionnel.

4. L'appareil où des billes s’entrechoquent estutile pour étudier les transferts d'énergielongitudinale. Il montre comment une ondepeut se propager dans un milieu sans modifierle milieu.

5. Suspendre un ressort mou au plafond.Produire des impulsions transversales etlongitudinales dans le ressort. Comparer celaavec ce qui arrive quand les impulsions sontenvoyées dans un ressort placé à l'horizontalesur le plancher. (Les impulsions horizontalesd'onde transversale représentent une bonneanalogie de la polarisation.)

6. Générer une forme d'onde stationnaire dansune tasse d'eau (ou un autre objet) placée surune surface vibrante.

7. Observer et décrire le mouvement ondulatoirepériodique en se servant d'un stroboscope.

8. Demander aux élèves d'expliquer que le

rapport λλ

2

1 demeure constant quand un

milieu subit un changement spécifique.

9. Pour illustrer un mouvement ondulatoire detorsion, prendre une corde d'environ 4 mètresde longueur et y attacher des rubans tous les50 centimètres. Fixer l'une des extrémités dela corde. Imprimer à l'autre extrémité unetorsion rapide. Le mouvement résultant estillustré par le déplacement des rubans.

2. Diffraction et autres phénomènesondulatoires

Concepts clés

Dans un milieu dispersif, la vitesse des ondes


est fonction de la fréquence. Les ondes de fréquenceélevée sont réfractées selon une direction légèrementdifférente des ondes de fréquence moindre.

La diffraction est l'incurvation d'une onde quandelle passe autour de la bordure d'un obstacle. (Lesfentes sont des barrières à deux côtés.)

Les ondes dont la longueur d'onde est plus grandesont diffractées plus que celles dont la longueur estplus petite.

Quand des ondes franchissent une fente, ladiffraction est maximale quand la longueur d'ondeet la largeur de la fente sont du même ordre degrandeur.

Des vaguelettes produites par deux sourcesponctuelles vibrant en phase produisent un schémad'interférence symétrique dans lequel alternentdes lignes nodales et des zones d'interférenceconstructive.

Le schéma d'interférence change en fonction desretards de phase des deux sources ponctuelles.

La phase de deux phénomènes répétitifs ayant lamême fréquence est la fraction de la période d'unphénomène en avance ou en retard par rapport àl'autre phénomène.

En traçant des séries de cercles concentriquesuniformes (ou en élaborant une simulation surordinateur) représentant des ondes circulairesproduites par deux sources, on obtient un modèlequi aide à expliquer le schéma d'interférence d'ondescirculaires générées dans une cuve à ondes. Lesrégions où l'interférence est constructive et celles oùelle est destructive sont évidentes dans le modèle.

Dans un milieu unidimensionnel, en réglantl'amplitude et la longueur d'onde des ondesincidentes et réfléchies, on peut parvenir à réaliserun schéma d'interférence d'ondes stationnaires.

Si les ondes s'interpénètrent, un ensemble depoints nodaux et de crêtes (ou ventres) apparaît.

Les nœuds sont les zones où l'interférencedestructive est maximale. Ils sont distants l'un del'autre d'une demi-longueur d'onde des ondesd'interférence.

Les crêtes (ou ventres) sont les zones oùl'interférence constructive est maximale. La

distanceentredeuxcrêtes

est :

La distance entre une crête et un nœud est de :

La forme d'une onde stationnaire dans un milieu àune dimension a des nœuds à ses extrémités.

La distance entre les nœuds peut être modifiée enchangeant la fréquence de la source vibrante.

Les conditions suivantes sont nécessaires pour ques'établisse une onde stationnaire :• Deux ondes de même fréquence doivent être en

présence. L'une d'elles (ou même les deux) doitêtre une onde réfléchie.

• Il doit y avoir un nombre entier de demi-longueurs d'onde dans la forme d'ondecomplète.

Comme les extrémités fixes sont des nœuds, seulescertaines fréquences réalisent le modèled'interférence d'une onde stationnaire. Ce sont lesfréquences de résonance du milieu en question.

Les ondes possèdent d'autres propriétés comme ladiffusion et la polarisation. (Ces sujets peuventêtre traités ici ou bien dans la section traitant de lalumière.)

La compréhension du comportement ondulatoire abien servi l'humanité, qui a trouvé une grandediversité d'applications aussi bien sociales quetechnologiques ou expérimentales.



• Définir les termes suivants : diffraction,phase, ligne nodale, ligne de crêtes (ventres),schéma d'onde stationnaire, fréquence derésonance, dispersion, milieu dispersif,déphasage

• Expliquer pourquoi la vitesse des ondes dans unmilieu dispersif dépend de la fréquence

• Indiquer les deux conditions qui maximisentle degré de diffraction subie par des ondes

λ41

λ21


• Expliquer que, dans des ondes en interférence,les nœuds sont distants d'une demi-longueurd'onde

• Expliquer le schéma des ondes stationnairesen faisant référence aux zones d'interférenceconstructives et destructives

• Expliquer pourquoi les extrémités fixes d'uneonde stationnaire dans un milieuunidimensionnel sont toujours des nœuds del'onde

• Expliquer pourquoi seules certainesfréquences de résonance produisent des formesd'onde stationnaire

• Indiquer que les ondes possèdent d'autres

propriétés comme la diffusion et la polarisation


1. Observer et décrire la modification que subitle schéma d'interférence quand deux sourcesponctuelles vibrent avec des déphasagesdifférents.

2. Intercaler des barrières à une fente et à deuxfentes dans une cuve à ondes. Avec la barrièreà une fente, étudier les conditions pourlesquelles la diffraction est la plus prononcée.Avec la barrière à deux fentes, dessiner leschéma d'interférence au trait. Des élèvesvoudront peut-être rédiger une simulation surordinateur du schéma d'interférence à deuxfentes.

3. Observer à travers un polarisateur lesréflexions causées par l'eau, le verre, lasurface des plantes ou du métal. Regarder leciel à travers un polarisateur. Trouver dans leciel la position par rapport au Soleil où ledegré de polarisation est maximal.

4. Tourner deux polarisateurs, l'un vis-à-vis del'autre. Observer ce qui se produit. Placer unefeuille de cellophane ou de plastiquetransparent entre les deux polarisateurs.Éclairer par en-dessous avec unrétroprojecteur. Ceci reproduit un important

procédé industriel servant à examiner lescontraintes photo-élastiques.

5. Examiner une DEL à travers un polarisateur.Des élèves auront déjà sans doute expérimentéceci lors de l'observation d'une calculatricebrisée munie d’un afficheur à diodesélectroluminescentes.

6. Certains types de cristaux montrent desréseaux intéressants quand on les regardeavec une lumière plane polarisée. Pousser unpeu plus loin l'étude de ce phénomène.

7. Examiner d'autres applications des matériauxpolarisants.

8. Comparer les effets produits par lespolarisateurs plans et les polarisateurscirculaires.

9. Observer une forme d'onde stationnaire dansun milieu unidimensionnel comme une cordetendue. Changer la forme de l'ondestationnaire en modifiant la fréquence de lasource vibrante.

10. Construire un modèle graphique ou élaborerune simulation sur ordinateur qui pourraservir à analyser le schéma d'interférenceproduit par deux sources ponctuelles.

11. Lors d’une activité, observer et décrire leschéma d'interférence produit par deuxsources ponctuelles vibrant en phase.

12. Regarder à travers les barbes d'une plume unelumière artificielle. On devrait pouvoirobserver un modèle de diffraction. Une plumeblanche convient bien pour cette activité.

13. Observer et décrire le résultat du changementde la longueur d'onde ou de la largeur de lafente sur le modèle de diffraction dans unecuve à ondes ou dans un autre appareilapproprié.

Physique 20 – La lumière – P. 125

Unité obligatoire III : La lumière


Depuis toujours, l'homme est fasciné par lespropriétés et le comportement de la lumière. Etmême s'il en a appris beaucoup sur les réactions dela lumière, la nature fondamentale de cette dernièrereste un mystère.

La présente unité est sans doute la plus importantedu programme d'études de Physique 20. Elle débutepar un examen de certaines caractéristiquesimportantes de la lumière. Régulièrement, tout aulong de cette unité, nous rappellerons certainesapplications de la lumière.

Les principales composantes de cette unité traitentde l'optique géométrique. Les élèves aurontplusieurs occasions d'explorer les propriétés et lecomportement de la lumière.

L'unité obligatoire I qui traite de la physique duquotidien pourra aider à mettre l'étude de lalumière en perspective afin d'aborder d'autres sujetsd'investigation. Les enseignants et enseignantespeuvent faire des expériences en modifiant l'ordred'exposition de ce matériel, ou en essayant denouvelles approches pédagogiques ou de nouvellestechniques d'évaluation des élèves.


A2 historiqueA3 holistiqueA4 reproductibleA5 empiriqueA7 unique

B2 l'interactionB5 la perceptionB8 la quantificationB9 la reproduction des résultatsB10 la cause et l'effetB11 la prévisibilitéB20 la théorieB21 la justesseB24 l'échelleB27 l'amplificationB32 la validation

C3 l'observation et la descriptionC4 la coopérationC5 la mesureC7 l'utilisation des nombres

C9 l'inférenceC10 la prédictionC11 le contrôle des variablesC12 l'interprétation des donnéesC13 la création de modèlesC14 la résolution de problèmesC15 l'analyseC16 l'expérimentationC17 l'utilisation des mathématiquesC20 la définition opérationnelle

D1 la science et la technologieD8 les limites de la science et de la technologieD9 l'influence de la société sur la science et la

technologie

E3 savoir utiliser le matériel prudemmentE4 savoir utiliser le matériel audiovisuelE5 savoir se servir d'un ordinateurE7 savoir manipuler les instrumentsE13 savoir utiliser des relations quantitatives

F1 le besoin de savoir et de comprendreF2 la mise en questionF3 la recherche des données et de leur

significationF7 le besoin de vérifier

G1 s'intéresser à la scienceG2 devenir plus confiantG3 continuer d'étudierG4 préférer les médias scientifiquesG6 préférer les réponses scientifiquesG8 préférer les explications scientifiques



• Proposer des exemples tirés de ses expériences detous les jours qui illustrent le comportement dela 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 lalumière

• Apprécier l'importance de l'expérimentation en

science

P. 126 – Physique 20 – La lumière

• 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 nouvellestechnologies ont stimulé de nouveaux progrès etdécouvertes

• 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 artistiqueset créatives de l'homme

• Réaliser que s'intéresser à la science et à latechnologie peut aboutir à des carrières ou à despasse-temps passionnants

• Réaliser que les domaines de la science et de la

technologie sont ouverts à quiconque, quel quesoit son sexe, sa race ou sa religion

• Identifier les informations clés nécessaires à

l'étude d'un problème, composer des critères derecherche qui permettent de trouverl'information, scruter attentivementl'information et l'exploiter judicieusement en vued'approfondir ses connaissances, sacompréhension ou d'aider à la paix

• Mettre en pratique plusieurs façons de

développer sa connaissance des conceptsimportants de la physique (COM)

• Consolider sa compréhension de la physique en

appliquant sa connaissance des nombres et lesrelations entre eux (NUM)



• Bien saisir le fait que la technologie modèle la

société et que la société modèle la technologie(TEC)

• Se respecter et traiter les autres avec respect(VAL)

• Satisfaire ses propres exigences de formation

(AUT)


A. Caractéristiques de lalumière

1. Sources lumineuses etpropagation de la lumière

Concepts clés

Il importe d'examiner soigneusement lecomportement de la lumière avant de tenter d'enexpliquer la nature.

Les corps lumineux émettent de la lumière. Lescorps non lumineux n'en émettent pas. Enrevanche, les corps non lumineux réfléchissentgénéralement la lumière.

En modifiant l'état d'un objet non lumineux, onpeut réussir à en faire un objet lumineux.

Les corps incandescents émettent de la lumièrequand ils sont chauffés.

La lumière voyage en ligne droite (sauf en présenced'un fort champ gravitationnel). C'est ce qu'onappelle la propagation en ligne droite.

Le trajet suivi par la lumière est représenté par desrayons. (En réalité, ces rayons n'existent pas dansla nature. Ce sont des modèles géométriques quiservent à expliquer le comportement de la lumière.)

Un faisceau est un regroupement de rayons.

Les objets transparents sont perméables à lalumière (ils la laissent passer; ils peuvent enabsorber ou en réfléchir une partie). Les matériauxtranslucides diffusent et transmettent la lumière;de ce fait, les objets observés à travers eux sontembrouillés. Les matériaux opaques sontimperméables à la lumière (ils ne la laissent paspasser).

Les ombres apparaissent quand des objets opaquessont placés directement dans la trajectoire de lalumière. Une pleine ombre est appelée un côned'ombre. Une ombre partielle, un cône depénombre. Durant une éclipse solaire, l'éclipseest totale quand on peut observer un cône d'ombre.

L'intensité de la lumière rayonnant également danstoutes les directions à partir d’une source variecomme l'inverse du carré de la distance qui séparela source et l'observateur.

d

1 I

2α


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, côned'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 • Identifier des objets transparents, translucides

et opaques • Appliquer et comprendre la loi de l'inverse du

carré qui met en rapport l'intensité de lalumière et la distance de l'observateur


1. Concevoir une expérience destinée àdéterminer si la loi de l'inverse du carréénonçant que l'intensité de la lumière varie defaçon inverse par rapport au carré de ladistance de l'observateur s’applique aussi àune lumière dont la source est dans unréflecteur (p. ex. une lampe de poche) ou undiffuseur (p. ex. un abat-jour).

2. Employer un photomètre et différentes sourcesde lumière et effectuer une expérience qui apour but de déterminer l'intensité lumineuseet l'efficacité des ampoules électriques. (Unluxmètre pourra faire également l'affaire. Lamesure du rendement de sources lumineusespourra se révéler un exercice plus compliqué.Pour différentes sources lumineuses misessous une même tension, les élèves pourrontreporter l'intensité lumineuse en fonction ducourant. D'autres méthodes, comme la courbede l'intensité lumineuse en fonction de latempérature, peuvent être envisagées.Proposer ceci comme activité de défi-sciences.)

3. Faire la distinction entre une éclipse partielleet une éclipse totale. Faire un montage quipermettra aux élèves de visualiser ces deuxphénomènes.


4. Effectuer une activité dans laquelle onobservera des cônes d'ombre et des cônes depénombre. Transposer les observations à cequi se passe durant une éclipse.

2. Vitesse de la lumière

Concepts clés

Les essais de Galilée pour mesurer la vitesse de lalumière furent vains. La conception de ses appareilset les limites techniques de l’époque ne permettaientpas de mesurer précisément de courts intervalles detemps.

La méthode de Römer, qui utilisa des observationsprécises des éclipses d'une lune de Jupiter (Io) àdifférentes périodes de l'année, montra les écarts dedurée avant le début de l'éclipse. Huygens associaces écarts à la différence de distance que la lumièredoit parcourir pour atteindre la Terre. Il obtientainsi une estimation honnête de la vitesse de lalumière. (En réalité, l'interprétation de Huygensétait fautive. On a de plus soulevé le fait qu'il neconnaissait même pas le diamètre moyen de l'orbitede la Terre autour du Soleil pour réaliser sescalculs. Les écarts apparents entre les débuts deséclipses sont dus au mouvement relatif de la Terreet de Jupiter, selon que la Terre se dirige ous'éloigne de Jupiter à différents moments sur sonorbite. Certains livres de physique simplifient àoutrance ou interprètent faussement cetteexplication. La vraie raison déborde le cadre de cecours.)

Fizeau, Foucault et Michelson furent parmi lespremiers à obtenir une mesure passablement exactede la vitesse de la lumière au moyen d'appareillagesse trouvant sur la Terre.

Michelson a eu recours à un miroir octogonaltournant qui réfléchissait la lumière sur un miroirconcave situé 35 km plus loin. La lumière durantson trajet de retour du miroir concave interceptaitun autre miroir octogonal, et on ne pouvait observerla lumière que pour certaines vitesses de rotation dumiroir. (Pour permettre au miroir d'effectuer aumoins un huitième de révolution durant le trajetaller-retour de la lumière, il fallait que sa vitesse derotation soit légèrement supérieure à 32 000 tourspar minute.) À partir du trajet aller-retour de lalumière et de la vitesse de rotation du miroir, ilétait possible de déduire la vitesse de la lumière.

D'autres expériences plus récentes exploitant unetechnologie plus perfectionnée ont permis d'établiravec une plus grande précision la vitesse de la

lumière. La valeur acceptée de nos jours pour lavitesse de la lumière est environ3,00 x 108 m/s. (Quand on a besoin d'une plusgrande précision, on peut prendre la valeurc ≈ 2,997 924 562 ± 0,000 000 011 x 108 m/s.)

La vitesse de la lumière dans les liquides et lessolides 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 matériaudonné (v) est appelé l'indice de réfraction absolu(n) du matériau.

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 lentementdans l'air que dans le vide. Généralement, cettedifférence est négligeable, et on peut déterminerl'indice de réfraction d'un matériau en ne tenantpas compte de cette légère différence.

Plus l'indice de réfraction d'un matériau est élevé,plus la vitesse de propagation de la lumière estfaible.

Le rapport de l'indice de réfraction de la lumièredans un milieu à celui de l'indice d'un autre milieuest appelé indice de réfraction relatif.

Une année-lumière est la distance que parcourt lalumière durant une année.

L'unité astronomique (ua) est la longueur du demi-grand axe de l'orbite de la Terre.

1 ua = 1,50 x 1011 m

Le parsec, ou une seconde de parallaxe, est ladistance entre le Soleil et une étoile qui, vue de laTerre, 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 desunités du système SI.

1 année-lumière ≈ 9,44 x 1015 m

vc = n




• Définir les termes suivants : vitesse, indice deréfraction, indice de réfraction absolu, indicede réfraction relatif, année-lumière

• Décrire les méthodes employées par Galilée,

Römer et Michelson pour mesurer la vitessede 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 lesmatériaux

• Réaliser que l'indice de réfraction d'un certain

milieu peut être employé pour connaître lavitesse de la lumière dans ce milieu

• Appliquer la définition de l'indice de réfraction

absolu (ou la définition de l'indice deréfraction) à la résolution de problèmes

• Expliquer que la lumière se déplace plus

lentement dans l'air que dans le vide, maisque dans nombre de situations, la différenceest négligeable

• Réaliser que plus l'indice de réfraction est

élevé pour un certain milieu, plus la vitesse depropagation de la lumière dans ce milieu estfaible

• 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 lavitesse en mètre par seconde

• Expliquer pourquoi l'année-lumière est une

mesure de la distance en astronomie


1. Effectuer une activité ou bien se servird'expériences de la vie de tous les jours pourcomparer quantitativement la vitesse du son etla vitesse de la lumière.

2. Expliquer pourquoi il n'y a pas d'unité rattachéeà l'indice de réfraction. Montrer que si on tented'utiliser des unités dans l'équation de l'indice,celles-ci se simplifient.

3. Appliquer la définition de l'année-lumière afin deconvertir des mètres en années-lumière (ou viceversa).


B. Réflexion

1. Lois de la réflexion

Concepts clés

Par interface, on entend la surface de séparationentre deux milieux.

Un rayon lumineux est une trajectoire de lumièreayant la plus petite section transversale possible (lesrayons sont des objets théoriques).

Le rayon incident est défini comme celui qui sedirige vers une surface.

Le point d'incidence est l'endroit que frappe lerayon incident sur la surface.

La normale est une ligne géométrique tracéeperpendiculairement à la surface à partir du pointd'incidence.

Le rayon réfléchi est la partie du rayon incidentqui quitte la surface au point d'incidence.

L'angle d'incidence est l'angle entre le rayonincident et la normale. L'angle de réflexion estl'angle entre la normale et le rayon réfléchi.

Lois de la réflexion

• L'angle d'incidence est égal à l'angle deréflexion.

• Le rayon incident, la normale et le rayonréfléchi sont coplanaires.

La réflexion spéculaire (réflexion régulière)s'observe quand des rayons parallèles sont réfléchisparallèlement par une surface lisse.

Si la surface est rugueuse (à l'échellemicroscopique), les rayons incidents parallèles nesont plus parallèles après la réflexion. Il en résulteune réflexion diffuse (réflexion irrégulière).

Les lois de la réflexion sont valables pour laréflexion diffuse. Une surface irrégulière peut êtreconsidérée comme un assemblage d'un grandnombre de petites surfaces réfléchissantes planesorientées avec des angles légèrement différents.

L'éclairage indirect (ou diffus) donne lieu à desombres moins tranchées. Il fatigue moins les yeuxque l'éclairage direct, plus cru.

L'éclairage direct produit des zones de lumière etd'ombre plus marquées.



• Définir les termes suivants : interface, rayon,rayon incident, point d'incidence, normale,rayon réfléchi, angle d'incidence, angle deréflexion, réflexion spéculaire, réflexiondiffuse, 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)

• Énumérer certains genres de surfaces qui

produisent soit de la réflexion spéculaire soitde la réflexion diffuse

• Comparer les effets de l'éclairage direct et de

l'éclairage indirect • Résoudre des problèmes en appliquant les lois

de la réflexion


1. Montrer les différents effets produits parl'éclairage direct et l'éclairage indirect.Comparer la lumière fluorescente(probablement comme celle de la salle decours) à la lumière incandescente. En outre,montrer les effets différents que l'on obtientavec une ampoule incandescente claire et uneampoule incandescente « satinée ».

2. Donner des exemples qui illustrentl'utilisation judicieuse de l'éclairage direct etde l'éclairage indirect.

3. Indiquer quelques façons d'obtenir unéclairage diffus ou direct à partir de sourcesartificielles.

4. Tracer un diagramme de la réflexionspéculaire d'un rayon lumineux unique.

2. Miroirs plans

Concepts clés

Un miroir plan est une surface réfléchissanteplane qui réfléchit de façon spéculaire (régulière) lalumière.

Un miroir plan forme une image virtuelle. Lesrayons réfléchis par le miroir semblent provenir del'endroit où se trouve l'image virtuelle.


Dans un diagramme, une image virtuelle estgénéralement représentée par une flèche enpointillé.

Une image réelle (que forment d'autres systèmesoptiques) peut être focalisée sur un écran, tandisqu'une image virtuelle ne le peut pas.

Dans un diagramme, une image réelle estgénéralement représentée par une flèche à traitcontinu.

L'image dans un miroir plan est à la même distancederrière le miroir que la distance de l'objet devant lemiroir. Elle est aussi de la même taille que l'objet(grossissement de +1).

grossissement (g) = hauteur de l'imagehauteur de l'objet

où di est la distance de l'image au miroir, et do estla distance de l'objet au miroir. (N.B. Certainesressources parlent de p et de q au lieu de do et dedi, respectivement.)

L'équation du miroir pour un miroir plan devient,comme nous l'apprendrons dans la section suivante:

R est le rayon de courbure et f est la distance focale.

L'image qui se forme dans un miroir plan est dumême sens que l'objet, mais intervertielatéralement (ce qu'on appelle aussi danscertaines ressources « renversement gauche-droite »ou « interversion gauche-droite »).

Dans tout système optique, il y a quatrecaractéristiques que l'on doit préciser :grossissement, sens (même sens ou sens inversé),type (réel ou virtuel) et position.

Les tracés des rayons sont aussi des outilsimportants en optique géométrique.

Un tracé des rayons sert à illustrer la marchedes rayons dans un système optique.

Les tracés des rayons doivent toujours être libelléscorrectement. En plus, il faut dessiner proprement,précisément et employer la bonne échelle.

L'échelle employée dans un diagramme de tracé desrayons doit être mentionnée explicitement.

Les tracés des rayons permettent de résoudre avecprécision les problèmes d'optique. Les tracés desrayons sont utiles pour la vérification et permettentd'avoir un modèle de la situation. On les utiliseaussi pour la dérivation des formules et pour ledéveloppement de méthodes plus complexes del'analyse optique.

dd- =

HH =

0

i

o

i

1+ =m et d- = d 0, = 1

= d

1+

d

1

donc,

= fet = R

oiio ∞

∞∞

hauteur de l'imagehauteur de l'objet


On peut employer un tracé des rayons pourdéterminer les caractéristiques d'une image forméepar un miroir plan ou formée par d'autres systèmesoptiques.

Un trait continu sur un tracé des rayons indique latrajectoire du rayon lumineux.

Les flèches au bout des traits continus servent àmontrer le sens de propagation de la lumière.

Par convention, les rayons incidents sontgénéralement dessinés sur le tracé des rayonscomme se propageant de la gauche vers la droite.

Une ligne pointillée désigne une ligne deconstruction. Les rayons lumineux ne voyagent pasle long des lignes pointillées.

Quand deux miroirs plans sont assemblés à 90o,trois images virtuelles se forment.Géométriquement, l'objet et les trois images sontaux quatre coins d'un rectangle dont le centre est àl'intersection des deux miroirs. Deux réflexions seproduisent pour former l'image centrale.

Deux miroirs assemblés et formant un angle aiguproduisent un effet kaléidoscopique; il y a alorsformation de plusieurs images.

Deux miroirs formant un angle quelconque formentun nombre d'images donné par l'équation :

où θ est l'angle entre les miroirs et N est le nombred'images qui se forment.

Si θ = 0o (miroirs parallèles), N tend vers l'infini.(Cet effet peut parfois être observé dans les miroirsparallèles des salons de coiffure ou chez le barbier.)


L’élève sera capable de : • Définir les termes suivants : image réelle, image

virtuelle, miroir plan, grossissement, tracé desrayons

• 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 • Résoudre des problèmes en appliquant la formule

du grossissement

• Énoncer les quatre grandes caractéristiquesd'une image que l'on doit toujours considérerdans n'importe quel système optique

• Réaliser et expliquer l'importance des tracés desrayons en optique géométrique

• Montrer sa compréhension des principesimportants rattachés au dessin des tracés desrayons

• Dessiner des tracés de rayons afin d'analyser etde résoudre des problèmes d'optique

• Reconnaître que la résolution des problèmes enoptique demande de combiner des tracés derayons et l'application des équations

• Se servir des tracés de rayons, de concert avecd'autres méthodes expérimentales et théoriques,

1360o- = N

?


pour déterminer les caractéristiques d'uneimage dans un système optique

• Décrire l'emplacement et le nombre d'imagesformées par deux miroirs plans perpendiculaires

• Proposer certaines applications qui exploitent laproduction d'images multiples par deux miroirsou plus


1. Construire un kaléidoscope dans lequel l'angleentre les miroirs est réglable. Décrirecomment changent les motifs observés quandon varie l'angle entre les miroirs.

2. Étudier expérimentalement lescaractéristiques des images formées par unmiroir plan. Illustrer au moyen de tracés desrayons et expliquer pourquoi un miroir planproduit une image virtuelle.

3. Une bonne façon de dessiner des lignes droitessur un tableau consiste à se servir d'une cordede charpentier enduite de craie. On trouve descordes enduites de craie bleue ou rouge. Ellespermettent d'obtenir plus facilement destracés de rayons. Bien tendre la corde auxdeux extrémités et demander à un assistantde faire claquer la corde afin de laisser unemarque. Au lieu d'une corde de charpentier,prendre une corde normale et l'enduire depoussière de craie.

4. Suggérer des applications pratiques danslesquelles on peut observer l'interversionlatérale d'une image dans un miroir.

5. Mettre en évidence la différence entreinterversion latérale et interversion verticale.On peut facilement les confondre.

6. Prendre un miroir pleine hauteur. Sepositionner de telle façon que les élèves voientune de vos jambes devant le miroir. Le miroirdoit être suffisamment grand pour qu'il aillejusqu'à l’entrejambe. En vous appuyant sur lajambe cachée par le miroir, souleverlégèrement l’autre jambe et se pencher un peuvers l'avant. La réflexion dans le miroir créel'illusion que la jambe arrière est aussisoulevée : vous « lévitez » littéralement devantleurs yeux. Porter une cape; avec unventilateur, créer un courant d'air qui faitbattre la cape; étendre les bras, pour créerl'illusion de voler. Cette démonstration

connaîtra probablement un succèsretentissant si elle est menée habilement.

Comme activité de prolongement, discuter del'emploi des miroirs dans les effets de scène authéâtre et dans les illusions d'optique.

7. Montrer aux élèves comment utiliser lestracés de rayons comme outils de confirmationde la résolution numérique de problèmes.

8. Réaliser une activité dans laquelle on observele nombre d'images formées par deux miroirsformant un angle de 60o, de 45o et de 30o.Calculer le nombre d'images formées par deuxmiroirs formant entre eux un angle aigu.Confirmer que les nombres observéscorrespondent à ceux calculés avec la formule.

3. Miroirs courbés

Concepts clés

Un miroir courbé peut être considéré commel'assemblage d'un très grand nombre de petitsmiroirs plans orientés suivant des angleslégèrement différents. Les lois de la réflexions'appliquent toujours, quelle que soit la forme ou larégularité de la surface.

La surface d'un miroir sphérique est une partiede sphère.

La surface d'un miroir cylindrique a la formed'une partie de cylindre.

Un miroir convergent a une surfaceréfléchissante concave. Un miroir divergent aune surface réfléchissante convexe.

Le centre géométrique du miroir est appelé lesommet (V). Le centre d'une surface réfléchissantesphérique est appelé le centre de courbure (C).

L'axe principal est une droite que l'on dessine surun tracé des rayons lumineux. Cet axe passe par lesommet et le centre de courbure est perpendiculaireau plan focal.

Le rayon de courbure (R) est la distance entre lecentre de courbure et le miroir.

La distance entre le foyer principal (F) et lesommet a pour nom distance focale (f).

La relation entre la distance focale et le rayon decourbure est la suivante :


R = 2f

Le foyer principal (F) est un point sur l'axeprincipal duquel semblent venir les rayons incidentsparallèles à l'axe ou vers lequel ils semblentconverger.

Le foyer principal est soit réel ou virtuel.

Un point axial est un point se trouvant sur l'axeprincipal.

Les rayons paraxiaux sont les rayons qui formentun angle très faible avec l'axe principal et qui setiennent près de l'axe dans la distance entre l'objetet l'image.

Dans les miroirs sphériques et cylindriques, tous lesrayons incidents parallèles à l'axe principal neconvergent pas vers le foyer principal (ou nesemblent pas en être issus). Ceci est causé parl'aberration sphérique.

Une aberration est un effet optique qui cause unedégradation de la qualité de l'image.

En théorie, il existe une infinité d'aberrationsoptiques. Certaines des plus courantes sontl'aberration sphérique, l'aberration chromatique,l'astigmatisme et le coma.

Pour corriger l'aberration sphérique des miroirs, ona recours à des réflecteurs paraboliques. Unréflecteur 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 aberrationsdans un système optique, bien que les systèmessoient généralement étudiés pour éliminerspécifiquement un ou plusieurs types d'aberrations.

La conception des systèmes optiques recherche laminimisation des aberrations et la maximisation dela qualité de l'image.

Règles pour le tracé des rayons dans lesmiroirs convergents et divergents : lesremarques entre parenthèses concernentspécifiquement les miroirs divergents. Les règles n°1 et n° 2 s'appliquent seulement aux miroirsparaboliques.

• Règle n° 1 : Un rayon incident parallèle à l'axeprincipal est réfléchi de telle sorte qu'il passepar le foyer principal (le rayon semble être issudu foyer principal).

• Règle n° 2 : Un rayon incident qui passe par lefoyer principal (ou s'y dirige) est réfléchi de tellesorte qu'il devient parallèle à l'axe principal.

• Règle n° 3 : Un rayon incident qui passe par lecentre de courbure (ou s'y dirige) est réfléchispéculairement et reprend le même trajet.

Les règles n° 1 et n° 2 prises ensemble et la règle n°3 prise isolément illustrent le principe deréversibilité. Si un rayon lumineux suit un trajetparticulier dans un système optique, il suivra lemême trajet s'il voyage dans la direction opposée.

Les règles pour le tracé des rayons lumineuxpeuvent servir à déterminer les caractéristiquesd'une image formée par un miroir courbé.

L'objet, représenté par une flèche, est dessiné àl'échelle et est parallèle au miroir. Le pied de laflèche repose sur l'axe principal.

Des rayons importants sont tracés depuisl’extrémité de l'objet et sont réfléchis par le miroirconformément aux règles pour le tracé des rayonsqui s'appliquent aux miroirs courbés.

Les rayons représentent la lumière réfléchie par unobjet ou celle émise par l'objet.

Le point de convergence, réel ou apparent, desrayons de l’extrémité de l'objet correspond àl’extrémité de l'image dans ce système optique.

Ces deux points, l’extrémité de l'objet et l’extrémitéde l'image, forment une paire de pointsconjugués. Si un objet pouvait être placé à l'endroitde son image, son image serait située dans laposition originale de l'objet.

La position de l'image est obtenue en traçantseulement deux des trois rayons critiques. Letroisième est tracé à titre de confirmation (uneméthode importante).

Cette méthode a pour nom « méthode des rayonsparallèles ». (Ce cours ne traite pas de la méthodedes rayons obliques.)

La méthode des rayons parallèles n'est valable quepour les images formées par des rayons paraxiaux.

n miroir divergent produit toujours une imagevirtuelle 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 exactde l'image d'un miroir divergent. Un objet situéprès de l'infini forme une image sur le foyer


principal ou dans le plan focal. Cette remarque estaussi vraie pour les miroirs convergents.

Les caractéristiques de l'image produite par un miroir divergent dépendent de l'emplacement de l'objet. Letableau 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 Sens Type Emplacement

près de l'infini < -1 inversé réel en Fau-delà de C < -1 inversé réel entre F et Cen C -1 inversé réel en Centre F et C > -1 inversé réel au-delà de Centre F et V > +1 direct virtuel derrière le miroiren F non défini

(Ces caractéristiques devraient être confirmées expérimentalement et vérifiées avec des tracés des rayons etl'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 lahauteur de l'objet; Hi est la hauteur de l'image; gest le grossissement; do (ou p) est la distance entrel'objet et le sommet (ou la distance entre l'objet et lalentille); di (ou q) est la distance entre l'image et lesommet (ou la distance entre l'image et la lentille); fest la distance focale.

Grossissement linéaire : dd- =

HH = g

o

i

o

i

Puissance des miroirs et des lentilles (dans lesdioptres) :

fmètre1

= P

où f (mètre) est la distance

focale.

(Certains livres emploient le symbole D pour lapuissance.)

Miroir courbé et équation des lentilles :

2R

= fR2

= d

1+

d

1

io puisque

(Les équations s'appliquent aussi bien aux miroirsqu'aux lentilles. La dérivation des équations àpartir des triangles semblables est facultative.)

Forme de Newton

Les symboles employés sont les suivants : S0 est ladistance entre l'objet et le foyer principal; Si est ladistance entre l'image et le foyer principal.

S

f =

fS =

HH = g

o

i

o

i (Les dérivations sont

facultatives.)

SiSo = f 2


L'une ou l'autre de ces formes d'équations (Gauss ouNewton) peut être exposée avec différentesressources approuvées, mais les deux systèmes nedoivent pas être employés indifféremment. La formede Gauss est préférable, mais l'emploi desréciproques pourra se révéler trop difficiled'application pour certains élèves. Les fractionspeuvent être converties immédiatement en valeursdécimales en vue de simplifier les calculs. S0 = do -f et Si = di - f peuvent être utilisées, si vous levoulez, pour démontrer l'équivalence entre les deuxformes d'équations.

Voici les conventions de signes à respecter pourles équations des lentilles :

1. La distance focale (f) est positive pour lesmiroirs et les lentilles convergentes; elle estnégative pour les divergentes.

2. La distance objet (do) est positive. (Elle estnégative quand il s'agit d'un objet virtuel.)

3. La distance image (di) est positive pour toutesles images réelles et négative pour toutes lesimages virtuelles.

4. Les hauteurs (Ho et Hi) sont positives si ellessont mesurées de bas en haut à partir de l'axeprincipal; elles sont négatives si elles sontmesurées de haut en bas.

5. Le grossissement (g) est positif si l'image estdans le même sens que l'objet il est négatifquand l'image est inversée.

Les conventions de signes sont indispensables pourobtenir les bonnes réponses quand on applique leséquations des miroirs. Elles sont nécessaires àcause des différents types de caractéristiquesd'image que l'on observe avec les miroirs courbésdans différentes situations.

Les équations, les tracés des rayons et lestechniques expérimentales sont des méthodescomplémentaires qu'on utilise pour trouver lescaractéristiques des images des systèmes optiques.



• Définir les termes suivants : miroir convergent,surface concave, miroir divergent, surfaceconvexe, sommet, axe principal, plan focal,centre de courbure, rayon de courbure, distancefocale, rayons parallèles, point axial, foyerprincipal, miroir sphérique, miroir cylindrique,

aberration, aberration sphérique, miroirparabolique, 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'axeprincipal et les points critiques situés sur l'axeprincipal 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 decourbure d'un miroir courbé

• Mettre en pratique les règles pour le tracé des

rayons dans les miroirs convergents etdivergents (méthode des rayons parallèles) :placer un objet sur l'axe principal et localiser laposition de l'image et trouver d'autrescaractéristiques 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 derayons et les équations

• Observer et expliquer que la position de l'image,

tant dans un miroir convergent que dans unmiroir divergent, dépend de la position de l'objet

• Observer et expliquer que, sauf pour la position

de l'image, toutes les autres caractéristiquesd'une image formée dans un miroir divergentsont indépendantes de la position de l'objet

• Observer et expliquer qu'une image formée dans

un miroir convergent dépend de la position del'objet

• Résoudre des problèmes en appliquant les

équations des miroirs


• Appliquer correctement la convention des signesdans les équations des miroirs durant larésolution de problèmes

• Réaliser que le tracé des rayons et l'emploi des

équations sont des techniques qui découlent desrésultats de l'expérimentation


1. Effectuer une activité qui étudie la formationdes images dans les miroirs convergents et lesmiroirs divergents.

Monter un miroir concave à l'extrémité d'unbanc optique. Trouver les positions des imagesd'un objet éclairé placé à différentes distancesdu miroir. Décrire les caractéristiques del'image pour tous les cas possibles. Tracer lesrayons pour chacun des cas possibles.

Déterminer la distance focale du miroir. (Lasource lumineuse doit être légèrement excentréesi l'image est entre le miroir et l'objet éclairé;sinon l'écran qui sert à repérer l'image bloquerala lumière qui se propage de l'objet vers lemiroir. Une autre manière d’éviter ceci estd'employer un écran percé d'un trou au centreet de le couvrir d'une pellicule transparente oud'un écran mince.)

Répéter la même opération pour un miroirconvexe; décrire les caractéristiques de l'imageet comparer les résultats avec ceux obtenuspour le miroir concave.

2. Déterminer expérimentalement lescaractéristiques d'une image formée dans unmiroir convergent. Les vérifier en traçant lesrayons ou en utilisant les équations.

Un banc optique peut servir à développer leséquations des lentilles. C'est une excellenteoccasion pour les élèves de renforcer leurcapacité à appliquer leurs connaissances del'analyse graphique et numérique.

3. Expliquer la nécessité de recourir à uneconvention des signes quand on résout desproblèmes au moyen des équations des lentilles.

4. Dans la forme de Gauss, les formules suivantespermettent d’éviter de manipuler des grandeursréciproques dans les équations des lentilles :

À titre d'activité d'enrichissement, demander auxmeilleurs élèves d'essayer de dériver ces relations.

f-qqf = p,

f-ppf = q

q+ppq = f

f-d

fd = d,f-d

fd = d

d+ddd = f

i

i0

o

oi

i0

i0

⋅⋅

⋅


C. Réfraction

1. Loi de Snell-Descartes

Concepts clés

La réfraction est l'inflexion de la lumière qui seproduit à la frontière (surface de réparation)entre deux milieux ayant des indices de réfractiondifférents. La réfraction est causée par unchangement de la vitesse de la lumière quand celle-ci quitte un milieu pour pénétrer dans un autre.

La frontière est la surface qui sépare un milieu d'unautre milieu.

À la frontière, un rayon incident peut subir uneréflexion partielle ou, dans certaines situations,une réflexion totale interne.

Si le rayon incident frappe la surface selon lanormale à cette dernière, il n'y a pas d'inflexion.

Le rayon incident est le rayon qui se dirige versla surface de séparation. Il frappe la frontière aupoint d'incidence. Le rayon réfracté est le rayonqui s'éloigne de la frontière en s'enfonçant dans lesecond milieu.

Le rayon réfléchi est le rayon qui subit uneréflexion partielle (ou totale) à la surface deséparation. La normale est une ligne deconstruction tracée perpendiculairement à lafrontière au point d'incidence.

L'angle d'incidence (i) est l'angle entre le rayonincident et la normale. L'angle de réflexion (r) estl'angle entre la normale et le rayon réfléchi.

L'angle de réfraction (R) est l'angle entre lanormale et le rayon réfracté.

Certains livres utilisent le symbole r pour désignerl'angle de réfraction. L'utilisation du même symbolepour désigner l'angle de réflexion et l'angle deréfraction est une pratique qui porteà confusion et ilest fortement recommandé de s'en abstenir.

Il y a réflexion et réfraction quand la lumière frappe unmilieu plus réfractif.

Lois de la réfraction :

1. Le rapport des sinus des angles d'incidence et deréfraction est une constante (loi de Snell-Descartes). (Le rapport est constant pour unelongueur d'onde particulière et pour une paireprécise de matériaux.)

2. Les rayons incident et réfracté sont de part etd'autre de la normale au point d'incidence.

3. Le rayon incident, la normale et le rayonréfracté sont coplanaires.

Loi de Snell-Descartes : n = Ri

sinsin

où n est une

constante.

(La constante est le rapport des vitesses de lalumière dans les deux milieux.)

Forme générale : nn =

1

2

2

1

θθ

sinsin

(L'indice de réfraction absolu pour un milieu connuest ainsi défini : n = c/v, où c est la vitesse de lalumière dans le vide, v est la vitesse de la lumièredans le milieu. En outre, le rapport n2/n1 est appeléindice de réfraction relatif.)L'indice 1 est généralement attribué au milieuparcouru par le rayon incident, l'indice 2 au milieudu rayon réfracté. L'équation est valable quel quesoit le sens de propagation de la lumière entre lesdeux milieux (c’est-à-dire que le principe de laréversibilité s'applique ici).

θθ 2211

2

1

1

2

n = nvv =

nn = n

sinsinbienou


Si la lumière voyage d'un milieu moins réfringentvers un milieu plus réfringent (c.-à-d. n2 > n1), lerayon réfracté sera infléchi vers la normale.

Le terme densité optique, que l'on rencontreparfois, est trompeur et il est à éviter. Il n'y aaucun rapport entre la densité de masse d'un milieuet sa soi-disant densité optique. Par exemple, lebenzène et l'huile de maïs qui surnagent, ont desindices de réfraction supérieurs à celui de l'eau. Ladensité optique se réfère à la transparence du milieuet n'a aucun rapport avec l'indice de réfraction.

Les expériences de Newton ont mis en évidence ladispersion de la lumière solaire en un spectre (etsa recombinaison en lumière blanche). Lalumière du Soleil est un mélange de plusieurscomposantes de différentes longueurs d'onde.

Un milieu dispersif est un milieu dans lequel desrayonnements lumineux de différentes longueursd'onde ont différents indices de réfraction. Parexemple, le verre crown est un milieu dispersifpuisque l'indice de réfraction de la lumière violettedans ce contenant est supérieur à celui de lalumière rouge. Cette propriété produit l'aberrationchromatique. (Les fabricants de verre optiquespécifient généralement l'indice de réfraction de laraie D de la lumière jaune du sodium.)

La lumière qui passe dans un prismerectangulaire peut subir une déviation latérale.Dans un prisme à côtés non parallèles, la déviationest décrite par l'angle de déviation entre le rayonincident entrant dans le prisme et l'angle de sortiedu prisme.

On trouve de nombreux exemples de réfraction et deréflexion interne totale dans des phénomènescourants et des applications pratiques. (Les élèvesdevront en découvrir et en analyser plusieurs eux-mêmes.)



• Définir les termes suivants : réfraction,frontière, surface de séparation, réflexionpartielle, point d'incidence, rayon réfracté, anglede réfraction, spectre, dispersion, milieudispersif, aberration chromatique, déviationlatérale, 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 pasinfléchi

• Dessiner et annoter un diagramme qui illustre

le trajet des rayons lumineux quand se produitune 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 deréfraction relatif d'un milieu par rapport àl'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 lephénomène de la réfraction de la lumière


1. Effectuer une activité destinée à étudier laréfraction de la lumière.

2. Illustrer au moyen d'expériences le fait que lalumière solaire, quand elle pénètre dans unmilieu dispersif comme un prisme, subit unedispersion.

3. Expliquer ou employer les techniquesexpérimentales utilisées par Newton pourétudier la dispersion de la lumière solaire parun prisme et la recombinaison du spectre.

4. Effectuer une activité destinée à étudier ladéviation latérale de la lumière dans un prismerectangulaire.

5. En se servant d'un prisme en verre équilatéralou d'un autre appareil, déterminer l'indice deréfraction d'un type de verre ou d'un autremilieu.

6. Concevoir une expérience destinée à déterminerl'indice de réfraction dans une diversité desubstances solides et liquides. Certains élèvespourront construire des cubes ou des prismes enplexiglas qu'ils rempliront de différents liquidestransparents afin d'étudier la réfraction.

7. Concevoir une expérience destinée à étudier laconcentration d'une solution de sucre et sonindice de réfraction.


8. Verser lentement de l'eau renfermant unesuspension colloïdale sur une couche de cristauxde sucre au fond d'un aquarium, en s’efforçantde ne pas créer trop de turbulence dans l'eau.Attendre que se forme un gradient deconcentration dans la solution de sucre. Prédirece qui se produira quand un faisceau de lumièreéclairera la solution. Diriger un faisceau àtravers la surface. Expliquer la trajectoirecourbée du faisceau dans le liquide.

9. Un faisceau laser constitue une excellentesource de lumière servant à diversesdémonstrations en optique. La technologiemoderne a réduit la taille et le prix de cettesource de lumière. Envisager d'en acheter unpour le laboratoire de sciences.

2. Réflexion totale interne

Concepts clés

Un rayon incident qui frappe la surface séparant unmilieu plus réfringent et un milieu moins réfringentselon un angle supérieur à l'angle limite subit uneréflexion totale interne.

La réflexion totale n'est possible que si la lumière sepropage d'un milieu plus réfringent vers un milieumoins réfringent (c.-à-d. n2 < n1).

À mesure que l'angle d'incidence croît, l'angle deréfraction se rapproche de 90o.

L'angle limite est l'angle d'incidence pour lequell'angle de réfraction est 90o. Pour cet angle, le rayonréfracté repart parallèlement à la surface deséparation.

Le rayon incident subit une réflexion totale internequand l'angle d'incidence est supérieur à l'anglelimite.

Si l'angle d'incidence est inférieur ou égal à l'anglecritique, le rayon réfracté est dévié en s'éloignant dela normale (à condition que n2 < n1).

Un indice de réfraction relatif élevé (le rapportn2/n1) se traduit par un angle limite plus petit.

L'angle limite (ic) peut être déterminé à partir de laforme générale de la loi de Snell-DescartesPour l'angle limite, <R = 90o, sin R = 1 et



• Définir les termes suivants : réflexion totaleinterne, angle limite

• Résoudre des problèmes concernant la réfraction

de la lumière • Réaliser qu'il existe des situations où se produit

la réflexion totale • Déterminer l'angle limite pour la lumière qui

traverse un certain milieu pour se rendre dansun autre

• 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 réfractionplus faible, si l'angle d'incidence est inférieur àl'angle limite, égal à l'angle limite ou supérieurà l'angle limite


1. Démontrer la réflexion totale interne. Certainsélèves n'auront peut-être pas réalisé qu'ils ontdéjà vu ce phénomène auparavant.

2. Demander aux élèves, en groupe ouindividuellement, d'explorer l'application de lafibre optique dans les systèmes decommunication.

nn = i

1 = 90

nn =

90i

1

2c

1

2c

sin donc,

sin

sinsin

o

o

Physique 20 – La chaleur – P. 141

Unité obligatoire IV : La chaleur


Le transfert de chaleur et d'énergie était unphénomène bien compris bien avant que soitdéveloppée la théorie cinétique moléculaire. Lamaximisation du rendement dans lestransformations énergétiques a joué un rôleessentiel dans le développement d'une sociétéfortement industrialisée durant la Révolutionindustrielle.

La présente unité traite du rapport entre chaleur ettempérature, de la chaleur latente, de la chaleurspécifique et des principes de la thermodynamique.Il est conseillé d'éviter un traitement qui insisteraittrop sur les relations mathématiques. C'est toutparticulièrement le cas de la section sur lathermodynamique, qui devrait être traitée de façondescriptive. L'accent dans cette unité portera sur ledéveloppement descriptif de la théorie cinétiquemoléculaire et sur la réalisation de travaux quipermettent d'acquérir des connaissances de base encalorimétrie.

La différence entre énergie thermique ettempérature jette souvent la confusion parmi lesélèves. Il faut l'exposer précisément dans cettesection et s'efforcer de renforcer sa compréhension.


A1 publique/privéeA2 historiqueA5 empiriqueA9 reliée à l'être humain/à la culture

B2 l'interactionB9 la reproduction des résultatsB10 la cause et l'effetB11 la prévisibilitéB13 l'énergie et la matièreB15 le modèleB20 la théorieB29 le gradient

C2 la communicationC4 la coopérationC5 la mesureC6 la mise en questionC8 la formulation d'hypothèsesC9 l'inférenceC14 la résolution de problèmesC15 l'analyse

D1 la science et la technologieD3 les effets de la science et de la technologieD4 la science, la technologie et l'environnementD5 le manque de compréhension du publicD6 les ressources pour la science et la technologie

E3 savoir utiliser le matériel prudemmentE10 savoir mesurer la température

F3 la recherche des données et de leursignification

F5 le respect de la logiqueF7 le besoin de vérifier




• Montrer sa compréhension de la théoriecinétique moléculaire

• 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 minutieusesau cours des expériences

• Réaliser les rôles essentiels des analyses

quantitative et qualitative des données dans lesrecherches 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 principauxconcepts de physique (COM)

P. 142 – Physique 20 – La chaleur

• Prendre conscience de l'utilisation exacte et

erronée des concepts mathématiques dans la viede tous les jours (NUM)




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 modèlepratique pour décrire l'énergie thermique, lachaleur et la température.

Certaines théories reposent sur des postulats. Unpostulat est un énoncé que la communautéscientifique accepte comme étant vrai.

Voici les grands postulats de la théorie cinétiquemoléculaire :

• 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 etremplir des récipients de n'importe quelletaille.

• Le mouvement moléculaire est aléatoire. • Le mouvement moléculaire est très actif dans

les gaz, un peu moins dans les liquides etencore 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, sauflors d'une collision.

À mesure que l'on collecte des informations enscience, on élabore de nouvelles théories, ou ondéveloppe, confirme ou rejette les théoriesexistantes.

Plusieurs phénomènes observables viennent étayerla théorie cinétique moléculaire.

Une théorie est un réseau d'idées ou un domainede connaissances abstraites qui tente d'expliquer laraison d'être de certains phénomènes. Un principe


ou une loi est un énoncé de conditionsparticulières ou de relations qui existent dans lanature.

En science, les modèles sont utiles pour illustrerdes concepts théoriques ou complexes.

L'énergie thermique est la moyenne des énergiespotentielle et cinétique que possèdent les atomes etles molécules qui se déplacent de façon aléatoire.

La chaleur est transférée par convection,conduction ou rayonnement.

La chaleur est l'énergie thermique transférée d'unobjet à un autre par suite d'une différence detempérature. Certains documents ne font pas dedistinction entre chaleur et énergie thermique. Iln'est pas nécessaire de faire autant ressortir ladifférence entre chaleur et énergie thermique que ladifférence entre chaleur et température.

Qchaleur = ∆ Ethermique

L'énergie thermique se mesure en joules.

Il n'existe pas de méthode de mesure directe de lachaleur. Il faut recourir à des méthodes indirectes.

La température est une mesure de l'énergiecinétique moyenne des molécules d'une substance.

La température peut être mesurée avec unthermomètre.

Une façon d'étalonner un thermomètre estd'exploiter la dilatation et la contractionthermiques qui se produisent dans un type desubstance connue.

Les thermomètres sont limités par les propriétésphysiques de la substance avec laquelle on lesfabrique (p. ex. : un thermomètre à alcool a peud'utilité au-delà du point d'ébullition de l'alcool, etun thermomètre au mercure est inutilisable sous lepoint de congélation du mercure.)

L'échelle en degré Celsius est de pratique courantepour la mesure des températures. Cette échelle a étéétalonnée en exploitant les propriétés physiques del'eau pure. Le point de congélation normal de l'eau aété fixé arbitrairement à 0 oC et le point d'ébullitionnormal de l'eau a été fixé arbitrairement à 100 oC.Des traits de graduation linéaire indiquent desvariations égales sur l'échelle.

L'échelle de Kelvin, dite aussi échelle absolue, acomme point fixe 0 K le zéro absolu (-273,5 oC). La

température croît sur cette échelle comme surl'échelle en degrés Celsius (1 K = 1 oC).

Pour passer des degrés Celsius aux degrés Kelvin,on utilise la formule :

K = oC + 273

La dilatation thermique n'est pas la même pourtoutes les substances.

La dilatation linéaire d'un solide dépend de salongueur initiale, du changement de température etdu type de matériau employé.

Pour la plupart des solides, leur dilatation linéaireest directement proportionnelle au changement detempérature ∆ T. La variation de la longueur ∆ Lest aussi proportionnelle à la longueur initiale (Lo) :

∆ L = α Lo ∆ T

α est appelé le coefficient de dilatation linéaireet il est mesuré en oC-1 ou en K-1.

Le coefficient de dilatation linéaire est différentselon le matériau. (Pour un certain matériau, lesvaleurs de a pour différentes fourchettes detempératures varient tellement peu que l'on peutconsidérer que c'est une constante, sauf dans les casoù on veut une précision extrême.)

La dilatation thermique des matériaux doit êtreprise en considération lors de la conception decertains types de structures.

La dilatation volumique est un aspect trèsimportant dans les gaz. (Il est de la plus hauteimportance de réaliser les risques d'accidents quepeut provoquer un accroissement de la pressiondans des contenants fermés.)



• Définir les termes suivants : énergiethermique, chaleur, température, convection,conduction, rayonnement, dilatationthermique, dilatation linéaire, coefficient dedilatation 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, lamodifier ou la rejeter pour lui substituer une


théorie prédisant mieux les preuvesexpérimentales

• Décrire la différence entre une théorie et une

loi • Donner un exemple de phénomène observable

qui vient étayer la théorie cinétiquemoléculaire

• 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 êtreétalonné 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'unmatériau

• Énoncer les bonnes unités du coefficient dedilatation linéaire

• Réaliser que le coefficient de dilatation linéaire

dépend des propriétés physiques exclusives desdiverses substances

• Suggérer certaines applications dans lesquelles

la compréhension de la dilatation thermiquepourrait être extrêmement utile

• Reconnaître des situations pouvant présenter

des risques à cause de la dilatation thermiquedes matériaux, particulièrement quand ladilatation de gaz dans un récipient fermés'accompagne d'une élévation de la pression

• Résoudre des problèmes relatifs à la chaleur, à

la température et à la dilatation thermique


1. Examiner qualitativement l'équivalentmécanique de la chaleur. Placer une quantitéd'eau que vous aurez mesurée dans uncontenant de crème glacée ou dans un autregrand récipient. Au moyen d'un batteurélectrique, agiter l'eau pendant une période detemps donnée. Enregistrer la températurefinale de l'eau.

Cette activité peut également servir dans leprogramme de Physique 30, section destransformations d'énergie. Calculer l'énergiefournie au batteur. Calculer l'énergietransmise à l'eau. Déterminer l’efficacité de cesystème pour chauffer l'eau. Utiliser unbatteur électrique dans un calorimètre pourvoir si le rendement change. Les élèvespourront se lancer dans un projet « compétitif »dans lequel les équipes s'efforcent de dessinerl'appareil qui élève le plus rapidement latempérature d'une quantité connue d'eauchambrée à une température finale spécifiée,en fournissant seulement de l'énergiemécanique au système.

2. Placer une balle d'acier dans un cylindre encarton. Sceller les deux extrémités. Agitervigoureusement le tube pendant quelquesminutes. Retirer la balle et la placer dansl'eau. Mesurer la température de l'eau. Cetteactivité convient bien quand on traite de sujetscomme les transformations, la chaleurspécifique et les principes de lathermodynamique.

3. Étudier diverses conceptions de maisonssolaires actives et passives.

4. Effectuer une activité basée sur un modèledestiné à examiner les divers postulats de lathéorie cinétique moléculaire.

5. Expliquer que le thermomètre fonctionne enexploitant certaines propriétés physiquesuniques à la substance utilisée pour lefabriquer.

6. Donner quelques exemples de la façon dont lesmodèles permettent d'exprimer concrètementdes idées abstraites.

7. Étudier la valeur isolante et le prix dedifférents types de matériaux isolants


commerciaux. Comparer le coût pour isoler unesurface donnée d'après la valeur RPI dedifférents isolants.

8. Demander aux élèves de se convaincre del'importance de la dilatation thermique danscertaines applications.

9. Placer un tube capillaire fin et unthermomètre dans un bouchon à deuxouvertures. Sceller le bouchon et le placer surun erlenmeyer rempli d'eau colorée. Chaufferdoucement le liquide. (Attention : Ne paslaisser bouillir l'eau, la pression pourraitcroître dans la fiole.) Enregistrer la hauteur dela colonne de liquide en fonction de latempérature. Calculer le coefficient dedilatation du volume dans le liquide.

10. Concevoir un dispositif d'amplification aveclequel vous pouvez mesurer les petitesdilatations des solides ou des liquides enfonction de la température. (Une solutionpossible consiste à encastrer une tige de fer àune extrémité et d'appuyer l'autre sur unrouleau. Fixer selon l'axe du rouleau un longpointeur ou un miroir qui réfléchit un faisceaulumineux sur une échelle de mesure distante,comme dans un galvanomètre à miroir.)

11. Un radiomètre de Crookes est un appareil trèsbon marché qui illustre la transformation de lalumière en chaleur. L'énergie dûe aurayonnement fait tourner les ailettes setrouvant à l'intérieur du tube à vide.

12. Examiner diverses façons de concevoir lesroutes, les immeubles et d'autres ouvrages afinde prendre en considération la dilatation et lacontraction des volumes.

13. Prendre deux boîtes métalliques ayant descouvercles qui se vissent. Dans chaquecouvercle, percer un trou suffisamment grandpour y insérer un bouchon de caoutchoucretenant un thermomètre. Vaporiser de lapeinture noire sur une des boîtes et laisserl'autre avec son fini brillant. Placer les deuxrécipients au soleil et enregistrer lechangement de température avec le temps. Àtitre de variante, placer une quantité connued'eau dans chaque récipient, en s’assurant quela température initiale est la même dans lesdeux contenants. Ensuite, les mettre au soleilet enregistrer le changement de températureavec le temps. Autre expérience possible :remplir chaque boîte d'eau chaude et comparerle refroidissement de la boîte brillante à cellepeinte en noir.

14. Comparer la chaleur de combustion de diverstypes d'huiles en se servant de « uncandles »ces petits anneaux de plastique garnis d'unemèche qui flotte sur l'huile. Chauffer unéchantillon d'eau de poids déterminé à l'avanceavec une quantité d'huile connue. En sefondant sur le changement de température del'eau, déterminer la chaleur de combustion del'huile.

15. Étudier la flamme d'un brûleur Bunsen avecun petit thermocouple connecté à unampèremètre sensible. Interpréter lesrésultats. La température de la flamme n’estpas la même partout.

La flamme peut aussi être étudiée avec desbâtonnets de bois placés horizontalement àdifférentes hauteurs. L'aspect duroussissement sur les bâtonnets sertd'indication des différentes zones detempérature dans la flamme. Placer uneallumette dans la flamme. À certains endroitsdans la flamme, le bois de l'allumettecommence à brûler avant que la tête s'allume,ce qui est le signe que certaines zones de laflamme sont plus chaudes que d'autres.


B. Chaleur spécifique etchaleur latente

Concepts clés

La chaleur spécifique (ou capacité thermiquemassique) (c) est la quantité de chaleur nécessairepour élever d'un degré la température d'une unitéde masse d'une substance.

TmQ = c∆

ou bien Tmc = Q ∆∆

où ∆Q est le changement de la quantité de chaleuren joules, m est la masse en kg, c est la chaleurspécifique en J/(kg oC) et ∆T est le changement detempérature en oC ou en K.

L'unité dérivée de c, la chaleur spécifique, est leJ/(kg oC).

La chaleur spécifique d'une substance est fonctionde sa structure moléculaire et de sa phase.

La chaleur latente spécifique d'une substanceest la quantité de chaleur nécessaire pour entraînerle changement de phase d'une unité de masse de lasubstance.

EL = ml où EL est la chaleur transférée en joules, mest la masse en kilogrammes et l est la chaleurlatente en joules par kilogramme.

L'unité SI de la chaleur latente spécifique est leJ/kg.

La chaleur latente de fusion est la quantitéd'énergie thermique dégagée par 1 kg de substancesolide (p. ex. quand elle fond) sans qu'il y aitchangement de température.

La chaleur latente de vaporisation est laquantité d'énergie thermique nécessaire pourtransformer à l'état de vapeur 1 kg d'une substancesans qu'il y ait changement de température.

L'eau possède l'une des chaleurs latentes de fusiondes 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 dilatationa pour effet de diminuer la densité, ce qui fait que laglace flotte sur l'eau. De plus, l'eau possède unecapacité d'une chaleur spécifique plus élevée que lesautres liquides.

Les caractéristiques physiques uniques de l'eau ontdonné lieu à plusieurs applications intéressantes etessentielles. Exposer plusieurs de cescaractéristiques. Chaque fois que cela est possible,suggérer certaines conséquences de cescaractéristiques de l'eau sur l'environnement.



• Définir les termes suivants : chaleur spécifique(ou capacité thermique massique), chaleurlatente 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 propriétésphysiques de l'eau


1. Effectuer une activité destinée à trouver lachaleur spécifique d'une substance. Voir lepoint suivant qui propose une méthode.

2. Mesure un volume d'eau froide. Placer l'eaudans un calorimètre. Mesurer sa températureinitiale. Chauffer un objet métallique de masseconnue dans un bécher d'eau bouillante assezlongtemps pour que l'objet en métal atteigne latempérature d'ébullition de l'eau. (Au momentoù l'objet métallique est déposé dans l'eaubouillante, il se peut que l'ébullition cesse.Attendre que l'eau se soit remise à bouillir).Avant de transférer le métal dans lecalorimètre, l’attacher au moyen d’une ficelle.L'utilisation de longues pinces métalliques pourtransférer l'objet pourrait avoir un effet surl'échange de chaleur. Transférer l'objetmétallique dans le calorimètre. Enregistrer latempérature de l'eau dans le calorimètre aprèsle transfert de chaleur. Déterminer la chaleurspécifique du métal. Répéter l’opération avecdifférents métaux. À partir des résultats


expérimentaux, élaborer qualitativement leprincipe de l'échange de chaleur, objet de lasection C sur la thermodynamique.

3. Effectuer une activité destinée à étudier lachaleur latente spécifique de fusion (ou lachaleur latente spécifique de vaporisation, oules deux) d'une substance précise.

Répéter l'expérience précédente avec de la glaceafin de trouver la chaleur latente spécifique dela glace.

4. Fournir aux élèves quelques caractéristiquesuniques de l'eau et voir comment elles ontrendu possible l'apparition de la vie sur notreplanète. Par exemple mener une séance deremue-méninges afin de trouver ce quiarriverait si l'eau d'un grand lac gelait de parten part en hiver ou si l'eau gelait à unetempérature inférieure à 0 °C.

5. Supposer qu'une personne boive une tasse decafé. Concevoir une expérience destinée àdéterminer s'il est préférable d’ajouter le lait(ou la crème) au café et d'attendre cinqminutes, ou de laisser le café noir se refroidirpendant cinq minutes avant de verser le lait(ou la crème). Dans quelle situation, le cafésera-t-il le plus froid au bout de cinq minutes?D'autres variables, comme le type decontenant, la température initiale du café ou letype de café (café obtenu au percolateur, infuséou instantané), doivent être contrôlées.

6. Prendre trois échantillons de métaux différents,mais de même masse; les chauffer ensembledans l'eau jusqu'à ce que chacun d'eux aitatteint la température d'ébullition de l'eau.Avec soin, retirer chacun de ces échantillons etles déposer sur une feuille de cire. Les laisser serefroidir. Observer la profondeur à laquelles'enfonce chaque échantillon dans la cire. Lemétal ayant la chaleur spécifique la plus élevéefera fondre une plus grande quantité de cire ets'enfoncera plus profondément. Se servir decette expérience comme démonstration simpleet efficace ou bien comme activité de groupepour renforcer le concept.

7. Lors d'une séance de remue-méninges,suggérer certaines façons d'exploiter, par lebiais d’applications intéressantes et pratiques,les caractéristiques physiques uniques de l'eau.

8. La chaleur perdue dans les procédés industrielscause parfois de la pollution thermique.Rechercher des solutions qui utilisent la chaleurperdue, au lieu de la libérer dans la nature.

Tracer un schéma conceptuel qui établisse unlien entre cette activité et le programme deBiologie 20.

9. Concevoir un chauffe-eau solaire passif. Il fautque la solution choisie optimise la quantitéd'énergie thermique que peut absorber unequantité donnée d'eau. Comparer l'efficacité dessolutions élaborées par différents groupes.


C. Thermodynamique

Concepts clés

N.B. Le traitement de cette section sur lathermodynamique doit être descriptif. Untraitement mathématique rigoureux du sujet ne faitpas partie des objectifs visés.

Il y a transfert de chaleur quand on permet à dessubstances se trouvant à des températuresdifférentes de se mélanger.

Quelle que soit la transformation d'énergie, laquantité d'énergie totale demeure constante. C'estce qu'on appelle le principe de la conservation del'énergie.

Quand on permet à deux substances se trouvant àdes températures différentes de se mélanger, lachaleur se propage de la substance la plus chaude àcelle la plus froide. La quantité de chaleur cédée parla substance la plus chaude est gagnée par lasubstance la plus froide, si aucune déperditiond'énergie ne se produit dans le milieu ambiant. Letransfert d'énergie se poursuit jusqu'à ce que lesdeux substances aient atteint la même température.C'est ce qu'on appelle le principe de l'échange dechaleur.

Énergie thermique perdue = énergie thermiquegagnée

EH(perdue) = EH(gagnée)

Pour étudier l'échange de chaleur, il faut concevoirune expérience dont les conditions sontrigoureusement contrôlées afin d'éviter que de lachaleur s'échappe dans le milieu ambiant.

Un calorimètre est un récipient isolé qui sert àmesurer précisément la quantité de chaleuréchangée.

Le contrôle rigoureux des variables et des conditionsexpérimentales, des mesures précises et une analysequantitative des données sont des techniquesexpérimentales importantes que l'on met en œuvreen physique.

Dans les recherches scientifiques, l'analysequantitative et l'analyse qualitative desdonnées expérimentales ont toutes les deux un rôleimportant à jouer.

Deux systèmes en équilibre thermique avec untroisième sont aussi en équilibre thermique l'unavec l'autre. (Principe zéro de la thermodynamique).

La quantité de chaleur transférée à un systèmeéquivaut au travail fait par le système auquels’ajoute le changement de l'énergie interne dusystème (premier principe de la thermodynamiqueou principe de la conservation de l'énergie.)

Un moteur thermique, comme une machine àvapeur, est un dispositif qui convertit de l'énergiethermique en travail mécanique.

Le sens naturel de la propagation de la chaleur estdu plus chaud vers le plus froid (deuxième principede la thermodynamique).

Quand l'énergie est convertie d'une forme en uneautre, la capacité d'effectuer du travail ne peutqu'être perdue; elle ne sera jamais gagnée. End’autres termes, aucun dispositif ne transfèrecomplètement sa chaleur en travail. Pour cetteraison, il est impossible de réaliser un moteurthermique parfait. (Une pompe à chaleurthermique a besoin de travail pour faire passer del'énergie thermique d'une basse température à unetempérature plus élevée. Ainsi, le second principe dela thermodynamique fixe des limites aux possibilitésde transformation de la chaleur en travail.)

L'entropie d'une substance pure et monocristallineest zéro au zéro absolu (troisième principe de lathermodynamique).

Aussi bien du point de vue pratique que théorique,le zéro absolu est impossible à atteindre. (Certainslivres de physique appellent ce fait le « troisièmeprincipe de la thermodynamique ».)

À mesure que l'on s'approche du zéro absolu, ildevient plus difficile d'avancer de sorte qu'il estimpossible de jamais l'atteindre.

Par définition, le zéro absolu est la température àlaquelle toute activité moléculaire cesse. Mais lamécanique quantique (principe d'incertituded'Heisenberg) énonce que même au zéro absolu, ildoit y avoir une certaine énergie. Mais comme il ya de l'énergie, ce n'est donc pas, par définition, lezéro absolu. Le point où l'énergie est nulle estinatteignable, d'où l'impossibilité de se trouver auzéro absolu.




• Définir les termes suivants : calorimètre,moteur thermique, pompe à chaleur

• Énoncer le principe de la conservation de

l'énergie • Donner un exemple pratique qui illustre le

principe de la conservation de l'énergie • 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 lathermodynamique

• 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 plusde difficulté à s’en approcher, à tel point que lezéro absolu est, en réalité, impossible àatteindre


1. Mettre de l'eau dans une fiole de Franklin etl’amener à ébullition. Retirer la fiole de lasource de chaleur. Avec des gants de cuisine,placer un thermomètre dans un bouchon à uneouverture. Inverser et retenir la fiole.

Placer de la glace sur le fond de la fiole. Dèsque la glace est ajoutée, l'eau se remet àbouillir. Les températures lues sur lethermomètre confirment que l'eau n'est plus àson point d'ébullition normale.

(Attention : Il peut être dangereux de réalisercette activité avec un flacon de verre deFlorence ordinaire. Il peut y avoir des sectionsde contrainte dans le verre et une implosionpourrait survenir. Employer des fioles deFranklin à verre épais que l'on peut se procurerauprès des distributeurs de produitsscientifiques. Pour cette activité, porter desverres de sécurité et se placer derrière un écranprotecteur.)

2. Effectuer une activité destinée à illustrer leprincipe de la conservation de l'énergie.

3. Effectuer une activité destinée à explorer leprincipe de l'échange de chaleur.

4. Étudier ou faire des recherches sur l'histoire dela machine à vapeur et montrer comment cetteinnovation technologique a eu des répercussionssociales majeures.

P. 150 – Physique 20 – Le son

Unité facultative V : Le son


L'étude du son fournit des exemples tangibles ducomportement des ondes. Il s'agit d'un sujetintéressant à approfondir.

Les applications du son, particulièrement laphysique de l'ouïe, constituent l'essentiel de cetteunité. Les élèves doivent apprendre ce qui permetaux êtres humains de percevoir le son. Des sujetscomplémentaires pourront aborder les mécanismesqui permettent aux animaux de percevoir le son.


A3 holistiqueA7 uniqueA9 reliée à l'être humain/à la culture

B2 l'interactionB5 la perceptionB10 la cause et l'effetB14 le cycleB27 l'amplificationB30 la résonance

C3 l'observation et la descriptionC6 la mise en questionC9 l'inférenceC12 l'interprétation des donnéesC14 la résolution de problèmesC15 l'analyseC16 l'expérimentationC20 la définition opérationnelle

D3 les effets de la science et de la technologieD4 la science, la technologie et l'environnementD5 le manque de compréhension du publicD10 le contrôle de la technologie par la société

E1 savoir se servir d'instruments grossissantsE4 savoir utiliser le matériel audiovisuel

F1 le besoin de savoir et de comprendreF2 la mise en questionF4 le respect des environnements naturels

G1 s'intéresser à la scienceG2 devenir plus confiantG3 continuer d'étudierG4 préférer les médias scientifiques



• Cerner des domaines d'étude, développer des butsd'apprentissage, identifier et mener à bien destâches, accroître sa capacité de gestion du tempsafin de respecter les échéances imposées

• Étudier expérimentalement les caractéristiques

du son • Apprécier l'apport des sciences et de la

technologie dans l'explication des phénomènessonores

• 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 • Réaliser qu'une compréhension des principes de

base de la physique peut aider à mieux expliquerdes expériences courantes et des situations de lavie quotidienne

• Exploiter une large gamme de possibilités afin

d'accroître sa connaissance des principauxconcepts du son (COM)

• Renforcer sa compréhension de la physique grâce

à l'application de la connaissance des nombres etdes rapports existant entre eux (NUM)

• Comprendre comment, en physique, on acquiert

la connaissance, on l'évalue, on la perfectionne eton la modifie (CRC)

• Développer une façon d'apprécier la valeur et les

limites de la technologie dans la société (TEC) • Prendre les moyens de garder pour toujours le

goût d'élargir ses connaissances en physique(AUT)

Physique 20 – Le son – P. 151

A. Applications

1. L'oreille humaine

Concepts clés

Les ondes sonores se propagent dans le conduitauditif jusqu'à la membrane tympanique(membrane du tympan). Les fréquences entre20 Hz et 20 000 Hz sont audibles. Le canal auditifpeut réagir (résonner) et amplifier une gammede fréquences allant de 2 000 Hz à 5 500 Hz par unfacteur d'au moins 10.

Les compressions et les raréfactions de l'airatteignent le tympan et produisent un changementde pression entre l'oreille externe et l'oreillemoyenne. La trompe d'Eustache aide à maintenirl'oreille moyenne à la pression atmosphérique.

La différence de pression entre l'onde sonore quipercute la face extérieure du tympan et la pressionatmosphérique normale à l'intérieur de la caisse dutympan fait vibrer la membrane du tympan.

Dans l'oreille moyenne, les vibrations se propagentpar l'intermédiaire de trois petits osselets (lemarteau, l'enclume et l'étrier) jusqu'aucolimaçon. Les osselets se comportent comme unechaîne mécanique qui amplifie la force fournie parla membrane du tympan sur le marteau. Lafenêtre ovale du colimaçon est plus petite que lamembrane du tympan. Ceci a pour effet d'accentuerl'amplification de la vibration du son.

Les canaux semi-circulaires agissent comme deminuscules accéléromètres. En outre, ilspermettent de régler l'équilibre en réagissant àl'effet de la gravité et aux changements del'accélération. Les petites structures en forme decils (cellules ciliées) vibrent à différentes fréquences.Les vibrations stimulent des neurones quiproduisent des impulsions électriques acheminéespar le nerf auditif jusqu'au cerveau, qui en faitl'interprétation.



• Définir les termes suivants : conduit auditif,membrane tympanique (membrane dutympan), colimaçon, nerf auditif, tromped'Eustache

• Indiquer les principes physiques qui

interviennent dans l'audition : amplification,

leviers, accéléromètres, résonance, ondeslongitudinales et pression

• Expliquer le processus physique qui entre en

jeu quand les signaux sonores sont transmisde l'oreille externe à l'oreille moyenne


1. Faire une recherche pour trouver les seuilsadmissibles de l'intensité sonore dansdifférents lieux de travail. Trouver pourquoices règlements ont été imposés. Quelleinstance est responsable de leur mise envigueur et de leur application? Exposer dumatériel de sécurité qui aide à garder lesniveaux sonores à des seuils acceptables.

2. Dessiner les différentes parties de l'oreille.

3. Sensibiliser les élèves aux conséquences liées àune déficience auditive. Si possible, inviter unepersonne ayant une telle déficience ou bieninviter une personne qui travaille avec deshandicapés auditifs à expliquer comment cespersonnes réussissent à s'adapter.

2. Autres applications

Parmi les applications qui figurent dans la colonnede droite, en traiter au moins trois. Cesapplications peuvent être traitées séparément oumieux encore, intégrées aux autres concepts cléstouchant le son. Tout au long de l'unité facultativeV sur le son, il y aura l'occasion d'exposer desapplications apparentées. Ce sujet permettra peut-être de mettre les élèves sur la voie del'apprentissage autonome.

Il est difficile d'entrevoir ce que seront dans l'avenirles nouvelles applications et les nouveauxdéveloppements relatifs au son. À mesure que lesprogrès en science et en technologie ferontapparaître de telles applications, on encourage lesenseignants et enseignantes à les ajouter à la listesuivante.

L’enseignant de physique choisira les connaissanceset les concepts qui seront développés dans l'étude deces applications. Cependant, quel que soit le degréde développement de l'application, il faudra toujoursétablir un lien entre l'application et lecomportement des ondes et d'autres phénomènesphysiques importants.


En outre, l'étude en physique de ces applications etd'autres applications doit mettre l'accent surl’approche science-technologie-société-environnement (approche STSE) du nouveauprogramme. Chaque fois que l'occasion se présentede renforcer les rapports qui existent entre lascience, la technologie, la société et l’environnement(l’aspect D de l’alphabétisme scientifique), lesenseignants et enseignantes doivent la saisir.

Il est recommandé d'exposer le contexte historiquede ces applications et perfectionnements, afind'insérer l'étude de la physique dans un cadre socialet historique. Les élèves doivent aussi êtresensibilisés au fait que de nombreuses réalisationsremarquables en science et dans d'autres champs dela connaissance humaine sont l’œuvre de solitairesqui ont bouleversé les idées reçues et les normesacceptées et gagné leur point malgré la critique etl'opposition.

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.

(D'autres applications du son peuvent s’ajouter àcette liste.)

B. Propagation du son

1. Production du son

Concepts clés

Le son se caractérise par un comportementondulatoire.

Le son est produit par une source de vibrations.

La vibration entraîne des changements depression à proximité de la source vibrante.

Les changements de pression produisent des ondeslongitudinales, qui sont une combinaison derégions de haute pression (compression), derégions de pression normale de l'air et de régions debasse pression (raréfactions).

Le son ne peut pas se propager dans le vide.

Le son se propage dans différents types de solides,de liquides et de gaz.

Quand survient un écho, le son voyage de la sourceà la surface réfléchissante et revient.

La réverbération est la répétition d'un écho dansdes espaces fermés.

Plusieurs principes peuvent être appliqués afind'amortir le son, ainsi que d'autres formesd'énergie :

• Transférer l'énergie dans un milieu qui propagedifficilement le son.

• Augmenter la distance qui sépare la source du

récepteur. L'intensité du son diminue à mesureque l'onde s'éloigne de la source.

Parmi les dispositifs d'amortissement courants,mentionnons les silencieux, les estacades flottantes,les amortisseurs de suspension, le matérield'absorption acoustique et les résistancesélectriques.



• 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 lasource vibrante

• Expliquer que les changements de pression

engendrent une série d'ondes sonoreslongitudinales 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 cesdeux notions

• Indiquer deux importants principes

d'amortissement • Donner des exemples de types de mécanismes

d'amortissement


1. Placer un ballon partiellement gonflé sous unecloche en verre. Coller avec du ruban adhésifune punaise à l'intérieur de la cloche. Scellerla cloche et enlever l'air avec une pompe àvide. À mesure que la pression de l'air baissedans la cloche, le volume du ballon augmente,conformément à la loi de Boyle-Mariotte. Leballon éclate dès qu'il touche la pointe de lapunaise. La vibration est transmise par lapunaise et les parois de la cloche. Le son de ladéflagration n'est pas audible, ce qui met bienen lumière le fait que le son ne se propage pasdans le vide.

2. Se servir de sonneries électriques conçuesexpressément pour être placées sous la clochede verre pour illustrer le même phénomène.Cependant, on n'observe pas une variation dela pression quand diminue le volume d'air.Ajouter de la crème à raser sous la clocheavant de faire le vide. À mesure que l'air estretiré de la cloche, des bulles de mousse seforment. Faire attention de ne pas laisser lamousse prendre trop d'expansion, car elle

pourrait se répandre sur la sonnerie et dansl'appareillage de la pompe à vide.

3. Organiser la classe en groupes de quatre oucinq élèves. Chaque groupe joue une séquencemusicale, essentiellement sur des instrumentsmaison. Par exemple, l’élèven° 1 peut fabriquer un xylophone en versantdifférentes quantités d'eau dans des bouteillesde soda. L’élève n° 2 construit un instrumentà vent « spécial » en enroulant un tuyaud'aspirateur. Chaque groupe doit avoir aumoins un instrument à corde, un instrumentà vent et un instrument à percussion.Certains membres du groupe pourront jouerplus d'un instrument pendant le « concert ».

Les groupes pourront être évalués d'aprèsl'originalité et la qualité des instrumentsfabriqués, la qualité du son et l'étendue dessons reproduits, ainsi que d'après les qualitésesthétiques et le répertoire joué. Laisser lesélèves donner leurs points de vue sur lescritères qui serviront à l'évaluation de leursprojets.

Les styles musicaux pourront varier duragtime au rock'n roll en passant par leclassique. Les musiciens pourront porter uncostume de circonstance [p. ex. canotier pourle dixieland, bleus de travail pour le folklore(bluegrass), etc.]. Mettre les groupes au défi demonter un spectacle encore plus coloré enajoutant des effets de lumière. Pour cela, ilspourront employer le matériel du laboratoirede physique.

4. Demander aux élèves d'effectuer une recherchesur les instruments de musique dont seservent les peuplades indiennes, les Métis, lesUkrainiens, etc.

5. Inviter des groupes de musiciens à venir faireune démonstration et à parler de leursinstruments.

6. Conduire une séance de remue-méninges quiévoque les difficultés pratiques découlant dufait que dans l'espace, il n'y a pas de son (leson ne se propage pas dans le vide).

7. Étudier les sons que produisent des peauxd'animaux employées comme membranes detambour. Trouver l'effet sur le son quand lapeau est plus ou moins tendue. Essayer dechauffer la peau à différents endroits et voir sila qualité du son produit est affectée. Voircomment la taille et la forme de la caisse dutambour affectent le son produit.


8. Donner quelques exemples montrant que leson se propage dans les solides, les liquides etles gaz. Mettre les élèves au défi de concevoirdes projets qui illustrent ce fait.

9. Les femmes inuites font des chants de gorgeappelés katadjait en langue inuktituk. Deuxfemmes s'embrassent et reproduisent des sonsqu’elles trouvent dans leur environnement.

Demander aux élèves de faire des recherchessur cette forme d'art. Si possible, inviter desartistes qui chante de la sorte ou bien visionnerune vidéo.

2. Vitesse du son

Concepts clés

La vitesse du son varie selon le milieu dans lequelil se propage. Généralement, le son voyage plusrapidement dans les solides que dans les liquides, etplus lentement dans les gaz.

La température de l'air (ou d'autres gaz) influencela vitesse du son.

La vitesse du son dans l'air (qui est préciseseulement pour une gamme restreinte detempératures) est déterminée par :

v = (331 + 0,610t) m/s, où t est la température endegrés Celsius ou v = (20,0 ms-1K-½ T ) m/s où Test la température en Kelvin.

Parce que la vitesse du son est moindre que celle dela lumière, on parvient assez facilement à effectuerdes expériences qui mesurent la vitesse du son.

Historiquement, la vitesse du son a été mesuréeavec précision bien avant la vitesse de la lumière.



• Expliquer que la vitesse du son varie selon lemilieu où se produit la propagation

• Édicter une règle générale ayant trait à la

vitesse du son dans les solides, les liquides etles gaz

• Énoncer que la température de l'air (ou de tout

autre gaz) a une influence sur la vitesse duson 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 milieudonné

• Suggérer une procédure expérimentale qui

permettrait de mesurer la vitesse du son


1. En employant une colonne d'air réglable etplusieurs diapasons de fréquences différentes,déterminer la vitesse du son dans l'air par destechniques de résonance. Si une colonne d'eausert à régler la hauteur d'une colonne d'air àextrémité fermée, on obtient de meilleursrésultats quand on laisse l'eau atteindre latempérature de la pièce avant de procéder àl'expérience.

2. On peut improviser la fabrication de colonnesde résonance en employant des tubes de cartonpour le courrier ou des protège-bâton de golf enplastique. Pour que la colonne soit réglable,suspendre à un crochet une masse et ladescendre dans le tube. Il faut que la massesoit enroulée dans plusieurs couches de rubanadhésif afin que son diamètre soit à peineinférieur à celui du tube.

3. Pour montrer que la vitesse du son changeavec le gaz, remplir plusieurs ballons de diversgaz - hélium, oxygène, bioxyde de carbone - oude tout autre gaz disponible ou pouvant êtreproduit.

Fixer un sifflet ou un klaxon à l'extrémité desballons et laisser le gaz s'échapper. Répéterl'expérience pour différents gaz. Enregistrerles sons produits et les écouter afind'approfondir l’analyse. Lors de l’utilisation


des gaz comme l'hydrogène ou l'acétylène, nepas mettre les ballons près d'une source dechaleur.

4. Essayer de trouver des exceptions à la règlegénérale voulant que le son se propage plusvite dans les liquides que dans les gaz, et plusvite dans les solides que dans les liquides.

5. Déterminer expérimentalement la vitesse duson dans l'air en recourant à une techniqued'échosondage, à une colonne d'air enrésonance et à toute autre méthode acceptable.

6. Si vous disposez d'hélium, faire ladémonstration du changement de la hauteurdu son qui se produit quand on inhale le gaz etque l'on parle. Ce tour que l’on faisait dans lessalons du XIXe siècle amusera beaucoup lesélèves. Demander aux élèves d'expliquerpourquoi il y a changement de la hauteur duson. (Surtout ne pas inhaler ce gaz à partird'un récipient pressurisé. Injecter plutôt unpeu de gaz dans un ballon et inhaler le gaz duballon. Ne jamais employer d'hydrogène pourfaire ce truc.)

7. L'équation de Newton-Laplace qui donne la

vitesse du son dans un gaz estργP = v , où P

est la pression, ρ la densité et γ le rapport de lachaleur spécifique du gaz à pression constanteà la chaleur spécifique à volume constant.

c

c = v

pγ

Gamma (γ) vaut environ 1,67 pour les gazmonoatomiques, 1,40 pour les gazdiatomiques, 1,30 pour les gaz triatomiques etvarie entre 1,2 et 1,1 pour les gazpolyatomiques.

En appliquant la loi des gaz parfaits,l'équation de la vitesse du son dans un gazdevient :

MRT =

mkT = v γγ

,

où v est la vitesse, γ le rapport des chaleursspécifiques, T la température en Kelvin, k laconstante de Boltzman, m la masse d'unemolécule, R la constante des gaz parfaits et Mle poids moléculaire du gaz.

La vitesse du son dans un gaz est fonction dela température, du poids moléculaire, de la

structure moléculaire, mais aucunement de lapression du gaz.

Pour un gaz donné T v α .


C. Caractéristiques du son

1. Intensité

Concepts clés

Les termes intensité et force du son sont parfoisemployés sans distinction.

L'intensité du son est une mesure du taux moyen deflux sonore par unité d'aire qui traverse une surfaceperpendiculaire à la propagation des sons.

intensité = énergie/temps aire

= puissance aire

Un watt par mètre carré est une valeur tropconsidérable pour mesurer la large gamme despetites intensités sonores audibles à l'oreillehumaine. Son emploi résulte en des valeurs peucommodes.

Pour cette raison, on a défini des unités quimesurent le niveau de l'intensité sonore (le bel et ledécibel).

Une augmentation de 1 bel correspond à unemultiplication par 10 de l'intensité.

L'intensité exprimée en bels se calcule ainsi :

I

I = B

olog ,

où I est l'intensité exprimée en W/m2 etIo = 10-12 W/m2 (le seuil présumé d'audibilité pourl'oreille humaine).

L'intensité exprimée en décibels se calcule ainsi :

I

I10 = dB

olog

Les échelles du bel et du décibel sontlogarithmiques.

Un accroissement de 10 dB correspond à unemultiplication 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 doublerl'intensité. Un accroissement de 1 dB, ce quicorrespond environ à une intensité 25 % plus élevée,produit un niveau à peine audible.Une intensité sonore de 0 dB représente le seuild'audibilité pour l'être humain, soit une intensitéde 10-12 W/m2 (Io). Le seuil de douleur se situe entre

120 dB et 130 dB, selon la sensibilité à la douleur dela personne.

Pour trouver la variation en décibels entre deuxintensités I 1 et I 2 , on applique la formule :

II = db

2

1log10∆

La perception de l'intensité minimale chez leshumains varie avec la fréquence. Le seuild'audibilité le plus faible se produit à une fréquencede 4 000 Hz pour les personnes ayant une grandeacuité auditive. La sensibilité de l'oreille humaineest la meilleure entre 1 000 et 5 000 Hz.

La sensibilité auditive des animaux et l'étendue dessons qu'ils peuvent produire dépendent de l’espèce.

Il est utile de savoir estimer l'intensitéapproximative des sons émis par diverses sourcessonores.

Pour mesurer avec exactitude les intensités sonores,on a recours à des instruments spéciaux. On lesinstalle à une distance standard (généralement 1mètre) de la source que l'on étudie.

L'intensité du son diminue avec la distance quisépare la personne de la source. On a observé uneloi de l'inverse du carré :

Les sons très forts, comme ceux d'une explosion,peuvent percer la membrane du tympan.

Les intensités sonores de 90 dB (ou mêmeinférieures quand il s'agit d'une exposition répétitiveou prolongée) peuvent causer des dommagespermanents à l'ouïe. Les intensités plus élevées nepeuvent être soutenues que pendant une courtedurée avant que les dommages surviennent. Cesdommages sont en général irréparables et se fontgénéralement sentir au début par une perted'audition à certaines fréquences, puis s'accentuentjusqu'à la surdité totale.

Une sensation de « bourdonnement » dans lesoreilles (comme après un concert rock très fort) estun signe que la personne a peut-être subi une perted'audition permanente. L'exposition continue à detels niveaux sonores peut aggraver les dommages àl'ouïe.

Il n'y a que très peu de récepteurs de la douleurdans l'oreille pour nous avertir d'une atténuationauditive graduelle pouvant résulter de l'exposition àcertains niveaux de bruit.

d

1 I

2α

énergie/tempsaire


On recommande aux personnes qui travaillent dansun milieu très bruyant de porter des protecteursd'oreilles. Dans certains cas, le port de cesprotecteurs est obligatoire.

Les protecteurs d'oreilles ne peuvent pas protégeradéquatement de certains bruits intenses qui sepropagent à travers le squelette jusqu'à l'oreillemoyenne (p. ex. outils motorisés à percussion,machinerie lourde).

Les pertes d'audition ont tendance à s'accentueravec l'âge et le milieu ambiant. Des études ontmontré que les habitants de certaines régions dumonde industrialisé sont susceptibles de connaître,en vieillissant, une perte d'audition importante.

Les prothèses auditives et les progrès de lamédecine peuvent venir en aide aux personnesayant certaines pertes d'audition. Les recherchesfutures sur l'audition devraient amener desperfectionnements qui profiteront aux personnesayant des troubles de l'ouïe.

La pollution par le bruit est une menacesérieuse à la qualité de la vie. L'industrialisation etl'utilisation de nouvelles technologies ont aggravé leproblème.

La pollution par le bruit n'est pas un problèmepropre aux zones urbaines. Dans les régionsrurales, l'outillage agricole et la machinerie lourdepeuvent entraîner des pertes d'audition.

Certains prétendent que la pollution par le bruitentraîne un stress élevé chez les êtres humains.Les animaux peuvent éprouver un stress de mêmenature. On peut dire que le bruit contribue à unecertaine forme de dommage écologique.



• 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 10sur l'échelle des dB

• Comparer les échelles logarithmiques et les

échelles linéaires

• Indiquer que 0 dB a été fixé arbitrairement defaçon à correspondre au seuil de l'audition chezl'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 lafréquence

• Estimer l'intensité approximative des sons

émanant de différentes sources sonores • Réaliser que l'intensité du son diminue avec la

distance • Expliquer pourquoi certains instruments de

mesure de l'intensité du son doivent êtreplacés à une distance standard de la sourcesonore étudiée

• Interpréter les lois de l'inverse du carré, dont

la diminution de l'intensité d'une sourcesonore en fonction de la distance est uneillustration

• 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'acuitéauditive

• Expliquer que l'intensité d'un son, comme sa

durée, détermine le degré du dommage auditif

• Prendre conscience que les dommages auditifssont le plus souvent irréversibles

• Réaliser que la perte d'audition partielle

commence par certaines fréquences, puiss'étend à d'autres fréquences jusqu'à la surditétotale

• Réaliser que la sensation de

« bourdonnement » dans les oreilles est unsigne qu'il peut s'être produit des dommagesauditifs permanents

• Savoir qu'il y a peu de récepteurs de la douleur

dans les oreilles qui avertissent d'une perted'audition

• Réaliser qu'une perte d'audition est souvent

irréversible


• Expliquer que des protecteurs d'oreilles

peuvent aider à protéger les oreilles des bruitstrop intenses

• Se rendre compte que les protecteurs d'oreilles

ne sont d'aucun secours contre les bruits quivoyagent dans le squelette jusqu'à l'oreillemoyenne

• 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 courentplus de risque, avec l’âge, de connaître despertes 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 personnesayant 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 autantdans 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


1. Laisser les élèves se convaincre que leséchelles en unités appelées « bel » (B) et« décibel » (dB) ont été inventées parce quel'oreille n'est sensible qu'à de petitesintensités, qui, exprimées en W/m2, ont desvaleurs très petites. En outre, l'oreille réagit àune étendue d'intensités de sons qui couvrepresque 14 ordres de grandeur (mais il faut unchangement de 25 % de l'intensité pour qu'onpuisse le percevoir).

2. Donner un exemple pratique qui montre que lasensibilité de l'audition varie selon les espècesd'animaux. Faire une démonstration de ceci ouinviter des chasseurs et des trappeurs à parlerde leur expérience.

3. Diriger une séance de remue-méninges afin desuggérer des façons de se protéger contre lesintensités sonores très élevées.

4. Expliquer que la sensibilité de l'ouïe etl'étendue des sons produits varient d'uneespèce animale à l'autre.

5. Laisser les élèves formuler une hypothèseexpliquant pourquoi la perte d'audition avecl'âge tend à être plus importante danscertaines régions développées du globe.

6. Appuyer ou réfuter l'énoncé suivant : « Lapollution par le bruit contribue à diversesformes de dommages écologiques. »

7. Examiner les répercussions que la pollutionpar le bruit a sur les animaux ou les peuplesdes communautés du nord.

8. Montrer comment un changement entre deuxintensités s’exprime ainsi :

Exemple : si une source émettant un son de 50dB double en intensité, l'intensité du sondevient :

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 del'intensité produit une augmentation de 3 dB.

II = dB

2

1log10∆


2. Hauteur

Concepts clés

La hauteur est une qualité du son qui décrit lafréquence des ondes sonores.

L'étendue normale d'audition de l'être humaincouvre environ de 20 Hz à 20 000 Hz.

Les fréquences inférieures à 20 Hz sont appeléesinfrasonores et celles au-dessus de 20 000 Hz sontappelées ultrasonores.

Les infrasons et les ultrasons sont exploités danscertaines applications importantes.

Quand on double la fréquence, on élève la hauteurdu son d'un octave (sur l'échelle des physiciens ousur l'échelle à tempérament égal des musiciens).

Seuls certains appareils spéciaux (p. ex. : lesdiapasons) sont capables de produire des sons à uneseule fréquence. (Quand on le frappe, le diapasonproduit des harmoniques, mais elles s'éteignentrapidement.)



• Définir les termes suivants : hauteur,infrasonore, ultrasonore

• Expliquer que la hauteur est un terme

employé pour indiquer la fréquence des ondessonores

• Préciser l'étendue des fréquences audibles par

l'être humain • Indiquer certaines applications importantes

dans lesquelles sont exploités les sonsultrasonores et infrasonores

• Expliquer que doubler la fréquence correspond

à élever la hauteur du son d'un octave • Expliquer que seuls certains dispositifs,

comme les diapasons, sont capables deproduire des sons ayant une seule fréquence


1. Préciser les qualités d'un diapason enexaminant le diagramme sonore sur l'écrand'un oscilloscope. Comparer le son de cediapason à d'autres sons produits par desinstruments de musique ou à du bruit.

2. Enregistrer le son produit par un diapason.Avec un oscilloscope raccordé à unmicrophone, comparer le son du diapason etcelui enregistré. Est-ce que la qualité sonore del'enregistrement correspond exactement à celledu diapason?

3. L'effet Doppler

Concepts clés

Quand une source d'ondes se déplace par rapport àun observateur (ou quand un observateur se déplacepar rapport à une source), un décalage apparentde la fréquence apparaît.

Si la distance entre l'observateur et la sources'accroît, la fréquence semble apparemmentdiminuer, alors que la fréquence sembleapparemment augmenter quand la distance entrel'observateur et la source décroît.

La relation qui exprime le décalage Doppler pourune source en mouvement est :

où f2 est la fréquence apparente, f1 la fréquenceréelle émise par la source, v la vitesse du son dansle milieu de propagation, vs la vitesse de la sourcedans le milieu (affectée du signe « moins » si lasource se déplace vers l'observateur).

La formule qui décrit le décalage Doppler pour unobservateur en mouvement est :

où fo est la fréquence observée, fs la fréquence de lasource, v la vitesse du son, vo la vitesse del'observateur (affectée du signe moins sil'observateur s'éloigne de la source).

vvv

f = fs

12 ±,

vvv

f = f oso

±


Les deux relations précédentes décrivant le décalageDoppler peuvent être combinées :

où les variables ont la même signification queprécédemment. Les signes supérieurs dans chaquecas correspondent à une source et un observateurqui se rapprochent; les signes inférieurscorrespondent au cas où ils s'éloignent.

L'effet Doppler explique la modification apparente dela hauteur du son quand passe une automobile.

Un effet analogue (décalage Doppler-Fizeau pour lalumière) permet de mesurer la vitesse relative d'uneétoile par rapport à la Terre. Le décalage vers lerouge du spectre d'une étoile est un indice que ladistance entre l'étoile que l'on observe et la Terreaugmente.

Le décalage Doppler-Fizeau pour la lumière décritun changement de longueur d'onde et non unemodification de la fréquence comme pour le son.

Les radars à ondes courtes exploitent le principe dudécalage Doppler-Fizeau. Une modification de lafréquence entre des impulsions émises et réfléchiespermet de calculer la vitesse relative.



• Expliquer que lorsqu'une source émettant desondes sonores se déplace par rapport à unobservateur (ou quand un observateur sedéplace par rapport à une source), on observeun décalage apparent de la fréquence

• Expliquer qu'apparemment la fréquence

décroît quand la distance entre la source etl'observateur augmente

• Expliquer qu'apparemment la fréquence

s'accroît quand la distance entre la source etl'observateur diminue


formules mathématiques qui décrivent ledécalage Doppler

• Décrire une situation ou une application quifait intervenir l'effet Doppler

• Trouver des exemples pratiques et des

expériences courantes qui illustrent l'effetDoppler


1. Essayer d'obtenir auprès de la police locale uneprésentation de l'équipement radar et unedescription de son fonctionnement.

2. Les élèves pourront s’intéresser à faire desrecherches sur la technologie des avions furtifs(antiradar), la détection radar et les méthodesde brouillage radar.

3. Se servir d'une caméra vidéo pour enregistrerun véhicule qui klaxonne, d'abord quand il estimmobile et ensuite quand il passe devant lacaméra sur la route. Voilà une excellenteillustration de l'effet Doppler-Fizeau.

4. Pousser les recherches afin d'aborderl'importance de l'effet Doppler-Fizeau pour lesastronomes.

5. Les idées exposées dans cette unité pourrontservir à l'enrichissement au moment del'enseignement de la lumière. Noter toutefoisque l'effet Doppler-Fizeau pour la lumièredécrit une modification de la longueur d'onde,et non une modification de la fréquence commec’est le cas pour les sons.

Le décalage Doppler-Fizeau pour les ondeslumineuses s’exprime ainsi :

où c est la vitesse de la lumière, v est lavitesse de la source lumineuse (p. ex. uneétoile) et est considérée positive si la sources'éloigne, λ est la longueur d'onde si v est nulle(longueur d'onde d'émission) et ∆λ est lamodification de la longueur d'onde causée parv.

λ + ∆λ est la longueur d'onde observée.

Si v <<c, on a :

±

±

vv1

vv1

f = fs

0

so ,

1-

cv

-1

cv

+1 =

λλ∆

,


c = v,cv ⋅∆∴≈∆

λλ

λλ

,

ce qui nous permet de trouver la vitesse del'étoile.Si l'objet s'éloigne, la longueur d'onde sedéplace vers une valeur plus élevée (dérivevers le rouge). Si l'objet se rapproche, lalongueur d'onde se déplace vers une valeurmoins élevée (dérive vers le violet).

Étant donné que la plupart des objets stellairessont décalés vers le rouge, cela suppose quel'univers est en expansion. Cette constatationappuie la théorie du big-bang.

Noter que contrairement au décalage Dopplerpour le son, celui pour la lumière estindifférent au fait que c'est la source oul'observateur qui est en mouvement. La seulechose qui importe est la vitesse relative.

4. Harmoniques, résonance etinterférence

Concepts clés

Chaque objet possède sa fréquence de vibrationpropre ou naturelle.

Une force périodique qui agit à la mêmefréquence que la fréquence naturelle de vibrationd'un objet peut le faire vibrer. C'est ce qu'on appellela résonance mécanique.

La force et l'objet affecté doivent être en contactpour que se produise la résonance mécanique.

La résonance mécanique peut aller jusqu'à briserdes objets.

Une compréhension des causes et des effets de larésonance mécanique est essentielle pour bienchoisir et calculer les matériaux à utiliser dans desapplications particulières.

Dans certaines applications, particulièrement engénie civil et en génie mécanique, unecompréhension de la résonance mécanique estessentielle pour empêcher l'écroulement desouvrages.

La fréquence la plus basse qui produit un systèmed'ondes stationnaires dans un milieu à unedimension est appelée la fréquencefondamentale.

Des fréquences plus élevées produisent aussi dessystèmes d'ondes stationnaires. La deuxièmeharmonique (la première étant la fondamentale)d'une corde fixée aux deux extrémités a un nœud aucentre de la corde ainsi qu'aux deux extrémités. Safréquence est deux fois celle de la fréquencefondamentale.

Les harmoniques sont des multiples de lafréquence fondamentale (2f, 3f, 4f, ...). Lafondamentale est appelée la premièreharmonique.

Les instruments de musique produisent une séried'harmoniques supérieures qui se superposent à lafondamentale. Ceci a pour effet de donner unequalité unique et distincte aux sons provenant dedifférentes sources.

Les courbes visualisées sur les oscilloscopes mettenten évidence les différences entre l'intensité, lafréquence et les harmoniques des sons.

Les diagrammes des oscilloscopes aident à faire ladistinction entre les caractéristiques d'un sonmusical et celles d'un bruit.

(Si vous ne disposez pas d'un oscilloscope, vouspourrez vous servir de croquis de courbesvisualisées sur un oscilloscope.)

La fréquence d'une corde vibrante est déterminéepar la longueur de la corde, sa tension, son diamètreet la masse volumique du matériau.

La fréquence (f) varie comme l'inverse de lalongueur de la corde (L) :

La fréquence varie également comme l'inverse dudiamètre de la corde (d) :

La fréquence est proportionnelle à la racine carréede la tension dans la corde (T) :

LL =

ff,

L1

f1

2

2

1 α

dd =

ff,

d1

f1

2

2

1 α


La fréquence est inversement proportionnelle à laracine carrée de la densité de la corde (r) :

Ces équations peuvent être combinées pour donner :

où f est la fréquence fondamentale de la corde.

Les instruments de musique à cordes sont fabriquésafin de tenir compte de la physique des cordesvibrantes.

Les figures d'interférence des ondesstationnaires aident à illustrer la résonancedans les colonnes d'air.

Une colonne d'air de longueur fixe entre enrésonance à certaines fréquences.

Une colonne d'air variable peut être réglée àdifférentes longueurs afin d'entrer en résonancepour une fréquence spécifique de la source.

Pour une longueur de résonance, l'intensité duson qui quitte la colonne d'air est maximale.

Pour qu'une colonne d'air soit en résonance, il fautqu'il y ait un ventre de l'onde à l'extrémité où le sons'échappe.

Dans le cas d'une colonne d'air fermée, la longueurde résonance la plus courte pour une fréquencedonnée du son est ¼λ. Les autres longueurs derésonance progressent par accroissement de ½λ(c'est-à-dire sont des multiples entiers impairs deλ/4).

Dans le cas d'une colonne d'air ouverte, la longueurde résonance la plus courte pour une fréquencedonnée du son est ½λ. Les autres longueurs derésonance progressent par accroissements de ½λ(c'est-à-dire sont des multiples entiers de λ/2).

Les instruments de musique à vent sont fabriquéspour tenir compte de la physique des colonnes d'air.

Les boîtes de résonance, les tablettes sonores et lesinstruments musicaux amplifient le son.

Les branches d'un diapason produisent une figured'interférence. Quand les branches se rapprochent,elles créent une compression entre elles et uneraréfaction derrière. L'effet inverse a lieu quand lesbranches s'éloignent l'une de l'autre. Deux groupesd'ondes sont générés par le diapason. Chacun est enopposition de phase par rapport à l'autre. Lesrégions de l'interférence destructive se propagentsuivant la diagonale des branches en vibration. Parconséquent, on peut entendre un changement del'intensité du son quand on fait tourner un diapasonprès de l’oreille.

La réverbération du son dans une salle peut créerdes régions dans lesquelles la différence du niveaude l'intensité sonore peut être une source d'ennui.

Deux sources sonores qui vibrent à des fréquencestrès légèrement différentes (environ 5 à 10 Hz)donnent lieu à une série de battements.

Ce qu'on entend est apparemment une fréquence,qui est la moyenne de deux fréquences (f1 + f2)/2 etdont l'intensité augmente et diminue à unefréquence égale à la fréquence de battementf1 - f2.

La fréquence de battement est fonction de ladifférence de fréquence des deux sources.

fréquence de battement = f1 - f2

Les musiciens peuvent exploiter leur connaissancedu battement pour accorder les instruments demusique.



• Définir les termes suivants : fréquence devibration propre ou naturelle, résonancemécanique, 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 devibration d'un objet peut faire vibrer cet objet

• Expliquer que la force d'entraînement

périodique et que l'objet affecté doivent venir encontact pour que la résonance mécaniquesurvienne

T

T = ff,T f

2

1

2

1 α

ρ

ρ

ρα

1

2

2

1 = ff,

1 f

d

T2L1

= f2⋅ρ


• 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 partirde ses connaissances en résonance mécanique

• Expliquer que la résonance mécanique est un

critère qu'on doit prendre en considération dansla conception et la sélection des matériauxdestinés à une application particulière

• Énoncer que la fréquence fondamentale est la

fréquence la plus faible capable de produire unsystème d'ondes stationnaires dans un milieuunidimensionnel

• 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 harmoniquepaire), mais seulement des harmoniquesimpaires

• Énoncer que la fréquence des harmoniques est

un multiple entier de la fréquence fondamentale

• Indiquer différentes variables qui influencent lafréquence générée par une corde vibrante


formules mathématiques qui donnent lafréquence des cordes vibrantes

• Réaliser que la conception des instruments de

musique repose sur des principes physiquesimportants

• Mentionner de quelle façon la compréhension

des figures d'interférence des ondesstationnaires aide à expliquer la résonance dansdes colonnes d'air

• Énoncer qu'une colonne d'air entrera en

résonance si des fréquences sonores précises latraversent

• Réaliser qu'il y a résonance si un ventre de

l'onde coïncide avec l'extrémité de la colonned'air qui émet le son

• Expliquer qu'une colonne d'air réglable peut

être mise en résonance pour plusieurs

longueurs possibles du tube à partir d'unemême fréquence sonore

• Résoudre des problèmes touchant la résonance

du son dans des colonnes d'air ouvertes et descolonnes 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 peutaffecter la qualité du son émis

• Expliquer que des battements se produisent

quand deux sources sonores vibrent à desfréquences légèrement différentes

• Expliquer que la fréquence des battements

dépend de l'écart de fréquence entre les deuxsources sonores

• Résoudre des problèmes en appliquant ses

connaissances de la fréquence des battements


1. Un appareil très pratique qu'on devrait avoirdans un laboratoire est une paire de diapasonssynchronisés rattachés à des boîtes derésonance. Si l'on serre les branches de l'un desdiapasons, on modifie légèrement la hauteur duson, ce qui produit des battements très audibles.Les boîtes de résonance peuvent aussi servir àmontrer que si un des diapasons est frappé etque l'autre diapason est devant les extrémitésouvertes des boîtes de résonance, ce dernier semet à vibrer puisqu'il a la même fréquence derésonance.

Une solution de remplacement bon marché pourles diapasons synchronisés est l'utilisation dedeux diapasons de même fréquence. Employerun élastique pour serrer les branches d'un desdiapasons afin d'abaisser la hauteur du son etde produire des battements. Poser les pieds desdeux diapasons sur la caisse de son d'uninstrument à cordes, comme une guitare. Ceciamplifie le son. Une conséquence intéressantede ceci est que certaines cordes de la guitarecommenceront à vibrer.

2. Placer soigneusement un tube vide sur une desbranches en vibration d'un diapason. Tourner lediapason. Remarquer que l'on n'entend rien quisemble indiquer une interférence. Ceci illustrele fait que la figure d'interférence produit parun diapason est le résultat de l'effet combiné desondes émises par les deux branches.


3. Observer un système d'ondes stationnaires dansun milieu unidimensionnel, en faire le croquis,déterminer le nombre de longueurs d'ondereprésentées dans le système, marquer unnœud et un ventre et identifier les harmoniquesque l'on trouve dans le système.

4. Donner un exemple d'objet qui se brise à causede la résonance mécanique.

Montrer aux élèves un film documentaire surl’effondrement du pont de Tacona Narrows.Montrer comment la résonance mécanique dansles structures peut entraîner leur détérioration.

5. Construire un sonomètre en ancrant l'extrémitéd'un fil à une table. Faire passer le fil dans unepoulie fixée à une table et suspendre des poids àl'extrémité libre du fil. Le fait de changer depoids augmente ou diminue la tension dans lefil, ce qui affecte la hauteur du son. Si vousdisposez d'un tensiomètre à rayon, mesurer latension du fil. Comparer la tension mesurée à latension calculée au moyen de l'analyse dumontage de la poulie.

6. Expliquer pourquoi les mêmes fréquencesproduites par des instruments de musiquedivers donnent lieu à des sons différents.

7. Demander aux élèves d'apporter desinstruments à cordes en classe. Examiner lesinstruments afin de voir comment la physiquedu son est exploitée. Tenter de montrercomment certains facteurs affectent lafréquence d’une corde.

8. Effectuer une activité destinée à déterminerl'effet de la longueur, de la tension, de la densitéou du diamètre sur la fréquence d'une cordevibrante.

9. Montrer de quelles façons sont indiquées sur lestracés d'oscilloscope les caractéristiques desdivers sons (fréquence, intensité etharmoniques).

10. Examiner des courbes d'oscilloscope afin derelever les caractéristiques qui distinguent lebruit et la musique.

11. Déterminer expérimentalement à quelleslongueurs d'onde des colonnes d'air réglablesfermées et ouvertes entrent en résonance pourune certaine fréquence sonore qui les traverse.

12. Demander aux élèves de prédire ce qui pourraitarriver si, lors de la conception et de la sélectiondes matériaux servant à une application, on netenait pas compte du phénomène de larésonance mécanique.

13. Effectuer une activité destinée à étudier lesbattements produits par deux sources vibrant àdes fréquences légèrement différentes.

14. Effectuer une activité qui illustre une façond'accorder les instruments de musique.

15. Déterminer expérimentalement les fréquencesdu son que vous pouvez utiliser pour mettre enrésonance des colonnes d'air de longueur fixeouvertes ou fermées.

16. Un inventeur canadien a conçu un nouveautype de sifflet de sport qui produit un sonstrident sans le tournoiement d'une bille dans lacage du sifflet. À titre d'activité intéressante, lesélèves pourront apporter une grande diversité desifflets et examiner leur conception et les sonsqu'ils produisent.

17. Effectuer une activité destinée à étudier lafigure d'interférence produite par un diapasonen vibration ou d'autres objets.

18. Faire le croquis de systèmes d'ondesstationnaires dans un milieu unidimensionnel,pour la fondamentale et pour au moins uneharmonique.

19. Étudier l'étendue de l'ouïe chez les animaux. Àl’aide d'un générateur de fréquences audio régléà des fréquences dépassant l'étendue de l'ouïe del'homme, déterminer si les animaux réagissentà ces sons.

Utiliser un sifflet à ultrasons pour montrerqu'un chien entend des sons qui ont desfréquences supérieures à l'étendue normale del'ouïe humaine

Unité facultative VI : L’optique

A. Applications

1. La vision humaine

Concepts clés

La cornée est un corps convexe qui a pour effet deréfracter la lumière à la surface de l'œil.

Physique 20 – L’optique – P. 165

Le cristallin, dont la courbure est contrôlée par lesmuscles ciliaires et les ligaments suspenseurs(zonule de Zinn), accentue la réfraction subie parla lumière. Le cristallin de l'œil est une lentilleconvergente.

Le changement de la forme du cristallin, appeléaccommodation, permet de voir distinctement desobjets situés à des distances différentes. Plus lecristallin est convexe, plus la longueur focale estcourte.

Le punctum proximum (environ 25 cm, chez lesadultes ayant une vision normale) est la distanceminimale à laquelle on peut placer un objet qui seravu distinctement par accommodation de l'œil.

L'iris, situé derrière l'humeur aqueuse et devantle cristallin, se dilate ou se contracte afin demodifier l'ouverture de la pupille.

La taille de la pupille règle la quantité de lumièrequi entre dans l'œil. (Si on double le rayon de lapupille, on laisse entrer quatre fois plus de lumièredans l'œil.)

L'humeur vitrée derrière le cristallin aide àmaintenir la forme de l'œil.

La surface blanche fibreuse du globe oculaires'appelle la sclérotique.

La rétine est une zone sensible à la lumière situéeà l'arrière de l'œil. Elle est constituée de différentstypes de récepteurs lumineux appelés bâtonnets etcônes. Les bâtonnets sont sensibles à la lumièrediffuse et ne réagissent pas à la couleur.

Les cônes (situés près de la fovea) sont sensibles àla lumière intense et à la couleur. (La théorie deYoung-Helmholtz, qui affirme qu'il y a des cônesdifférents pour chacune des trois couleursprimaires, peut être utile, mais échoue quand il

s'agit d'expliquer certaines choses, notamment laconstance de la couleur.)

Une image se forme sur la rétine. Cette image estinversée, réelle et réduite. L'aptitude de l'œil àformer une image sur la surface courbée de la rétineest un facteur extrêmement important de la visionchez l'homme.

La tache aveugle, située là où le nerf optique etl'œil se rencontrent, ne renferme aucunphotorécepteur.

Le nerf optique transmet des impulsions aucerveau. Il y a croisement. Le nerf optique de l’œildroit envoie de l'information à l'hémisphère gauchedu cerveau et vice versa.

Généralement, un œil domine pour ce qui est ducontrôle de la perspective. Les deux yeux sontnécessaires (vision binoculaire) pour percevoircorrectement l'effet de la profondeur.

En dépit des médiocres qualités optiques de l'œilhumain (si on le compare à d'autres types delentilles et de systèmes optiques), le cerveau estcapable de faire les corrections et les ajustements.Pour l'instant, on n'a pas réussi à construire desystème optique qui se rapproche des qualitésexceptionnelles de la vision humaine.

Certaines affections de la vision chez l'hommepeuvent être corrigées.

Ce qui suit n'est donné qu'à titre d'information etconcerne les défauts de la vision chez l'homme. Cesinformations ne figurent pas dans certainesressources clés.

La myopie (difficulté à voir de loin) est l'incapacitéde l'œil à mettre au point les objets éloignés sur larétine. Le cristallin est trop convexe, ou le globe del'œil est trop long pour permettre une bonne miseau point. L'image se forme devant la rétine. Lalumière frappant la rétine n'est plus au point, elleest diffuse. Des ménisques divergents (verres oulentilles cornéennes) peuvent corriger ce problème.

L'hypermétropie (le contraire de la myopie) estl'inaptitude de l'œil à mettre au point les objetsrapprochés. Le cristallin est trop aplati ou le globede l'œil est trop court. Habituellement, l'image seforme derrière la rétine. Évidemment, l'image ne seforme pas là, étant donné que les rayons lumineuxconvergents frappent la rétine en premier. Certainstextes de physique illustrent cet effetincorrectement en montrant les rayons quitraversent le fond de l'œil pour aller produirel'image derrière la rétine. Il faudrait se servir delignes en pointillés derrière la rétine afin de signalerle fait que les rayons ne peuvent pas vraiment serendre à cet endroit. Des ménisques convergentspeuvent corriger ce problème.

La diminution du pouvoir d'accommodationdu cristallin, observée généralement chez lespersonnes âgées, est causée par une perteprogressive de l'élasticité du cristallin. Elle produitla presbytie (une forme d'hypermétropie). Desménisques convergents corrigent ce problème. Lavision éloignée n'est généralement pas affectée. Lespersonnes portent fréquemment des lunettes

P. 166 – Physique 20 – L’optique

bifocales spéciales ayant des lentilles convergentesdans la moitié inférieure de la monture, de sorte quel'œil regarde dans cette lentille (pour lire parexemple) afin de mettre au point les objetsrapprochés.

L'astigmatisme apparaît si la cornée ou lecristallin n'est pas rigoureusement sphérique. Lalumière provenant de plans différents ne peut êtremise au point simultanément. On dépistel’astigmatisme avec une roue à rayon numérotée.On peut corriger ce défaut en portant des verresdont les lentilles ont différents rayons de courburespour différents plans (verres cylindriques).

Le daltonisme résulte de l'incapacité de distinguerentre certaines couleurs, comme le rouge et le vert.Il est rare qu’une personne ne voie les choses qu’engris. Ces troubles de la vue sont avant touthéréditaires. Les hommes sont plus affectés que lesfemmes. On ne connaît pas pour l'instant detraitement qui corrigerait le daltonisme.

Certains animaux ne voient pas les couleurs. Leurrétine ne contient pas de cônes.

Les cataractes apparaissent suite à une opacitéprogressive du cristallin. Elles sont plus fréquenteschez les personnes âgées, mais l'âge n'est pas laseule cause. Des interventions chirurgicalespeuvent remplacer le cristallin par une lentilleinteroculaire fabriquée dans un matériausynthétique. Les lentilles artificielles ne peuventaccommoder les objets rapprochés et éloignés; c'estpourquoi les personnes portent généralement desverres à double foyer ou à triple foyer après uneopération de la cataracte.


L’élève sera capable de : • Définir les termes suivants : accommodation,

punctum proximum • Décrire la fonction des parties qui constituent

l'œil humain : cornée, cristallin, musclesciliaires, ligaments suspenseurs, iris, humeuraqueuse, 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

• Expliquer pourquoi la vision binoculaire estnécessaire pour percevoir la profondeur dechamp

• Expliquer la différence entre des verres

correcteurs réguliers, des verres à double foyeret des verres à triple foyer


1. Effectuer une activité destinée à examiner lavue à l’aide d’échelles optométriques etd’échelles chromatiques.

2. Désigner sur un schéma les principales partiesde l'œil humain.

3. Effectuer une activité destinée à observer lesconséquences de la « tache aveugle » et lesdifférences de perspective formées par l'œildominant.

4. Entreprendre une recherche sur les troubles dela vision chez l'être humain et indiquer lesfaçons de les corriger.

5. Expliquer comment l'image se forme sur larétine en appliquant sa connaissance deslentilles et de la réfraction.

6. Expliquer comment un changement de la formedu cristallin, par accommodation, modifie lalongueur focale.

7. Les élèves doivent prendre conscience de lanécessité de porter des lunettes de protection etde respecter les consignes de sécurité dans unlaboratoire, et dans d'autres milieux présentantdes risques. Comme activité, les élèves pourrontproduire une vidéo sur la sécurité en laboratoireà l'intention des élèves plus jeunes. Ils et ellesdevront porter une attention spéciale à laprotection adéquate des yeux et aux situationspouvant entraîner des blessures aux yeux.

8. On trouve souvent chez l’optométriste unschéma de l'œil, ainsi que différentes échelles demesure (comme les échelles chromatiques).Demander à emprunter ce matériel. Parfois,l’optométriste accepte de venir parler aux élèvesde son travail et des possibilités de carrière dansson domaine.

2. Autres applications

Parmi les applications suivantes, en traiter aumoins six. Ces applications peuvent être traitées


séparément, bien qu’il soit préférable de les intégreraux autres concepts clés touchant la lumière dansl'unité obligatoire III. Tout au long de l'unité VI surl'optique, vous aurez l'occasion d'exposer desapplications apparentées. Ce sujet permettra delancer les élèves dans des activités d'apprentissageautonomes.

Il est difficile d'entrevoir ce que seront dans l'avenirles nouveaux développements et les nouvellesapplications relatifs à l'optique. À mesure que lesprogrès en science et en technologie ferontapparaître de nouvelles applications, on encourageles enseignants et enseignantes à les ajouter à laliste suivante.

L’enseignant ou l’enseignante de physique choisirales connaissances et les concepts à développer.Cependant, quel que soit le degré de développementde l'application, il faudra toujours établir un lienentre l'application et le comportement de la lumière,et les autres phénomènes de physique.

En outre, l'étude de ces applications et d'autresapplications doit mettre l'accent sur l’approchescience–technologie–société–environnement(approche STSE) du nouveau programme. Chaquefois que l'occasion se présente de renforcerl’approche STSE (Aspect D de l’alphabétismescientifique), les enseignants et enseignantesdoivent la saisir.

On recommande d'exposer le contexte historique deces applications, afin d'insérer l'étude de la physiquedans un cadre social et historique. Les élèvesdoivent aussi être sensibilisés au fait que denombreuses réalisations remarquables en science etdans d'autres disciplines de la connaissancehumaine sont l’œuvre de solitaires qui ontbouleversé les idées reçues et les normes acceptéesde leur époque et gagné leur point malgré la critiqueet l'opposition.

Les applications sont énumérées par ordrealphabétique et sont en général traitées dans denombreuses ressources de physique destinées auniveau secondaire.

D'autres applications de la lumière pourront venirs’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;

• 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;


• télescopes;• télévision;• température de la couleur;• ultraviolet;• verres à double foyer;• verres de contact;• vision binoculaire;• vision des animaux.


1. Se procurer un œil de vache à l'abattoir local.Avec des instruments de dissection, découperl'œil et examiner le système optique. Concevoirune expérience destinée à déterminer lalongueur focale du cristallin. Coordonner cetteactivité avec le programme de biologie ens'entendant avec l'enseignant ou l'enseignantede biologie. Cette activité aborde des aspectsintéressants à la fois pour la physique et pour labiologie.

2. Construire un sténopé. Mener des expériencesdestinées à déterminer le temps d'expositionnécessaire dans telles conditions d'éclairagepour telles sensibilités de pellicule.

3. Entreprendre une recherche sur l'histoire de laphotographie ou sur certains aspects de laphotographie; présenter les grands personnageset les faits marquants.

4. Distribuer une liste d'applications sur lalumière et demander aux élèves de faire unerecherche sur un des sujets. Ils pourronttravailler en groupes ou individuellement.

5. Concevoir et construire un réflecteur solaire quiservira à faire sécher du poisson et de la viande.

6. Répartir les élèves en groupes. Leur donner desprojets de recherche. Leur donner l’occasiond'étudier une des applications énumérées surcette page et sur la page précédente.


B. Lentilles

Concepts clés

Les lentilles sont des surfaces courbées ou bien untrès grand nombre de surfaces planes légèrementdécalées (p. ex. lentilles de Fresnel).

Les lentilles convergentes (lentilles positives)sont plus épaisses au centre que sur les bords.

Les lentilles divergentes (lentilles négatives) sontplus épaisses sur les bords qu'au centre.

N.B. Le programme de Physique 20 n'aborde queles lentilles simples minces. Prendre note aussi queles expressions « concave » et « convexe » associéesaux lentilles peuvent prêter à confusion. Unménisque possède à la fois une face concave et uneface convexe, mais c'est l'épaisseur du centre parrapport à celle des bords qui détermine sespropriétés divergentes ou convergentes.

Le centre optique (O) d'une lentille se trouve enson centre géométrique.

L'axe principal est une ligne de constructiontracée perpendiculairement à la lentille et qui passepar le centre optique.

Les rayons parallèles à l'axe principal convergentquand ils traversent une lentille convergente etdivergent quand ils traversent une lentilledivergente.

Le foyer principal (F) est un point de l'axeprincipal où la lumière est concentrée (dans le casd'une lentille convergente) et où elle semble sedisperser (dans le cas d'une lentille divergente). Ilexiste deux foyers équidistants de part et d'autre dela lentille, du fait que la lumière réagit de la mêmemanière quand elle voyage dans un sens ou dans unautre (principe de la réversibilité). Les deux foyers,F et F’, sont appelés respectivement le foyerprincipal primaire et le foyer principalsecondaire. F, appelé aussi parfois point focalprimaire, se voit à droite d'une lentille convergenteet à gauche d'une lentille divergente. Par ailleurs,F’, le point focal secondaire, est à l'opposé du pointprincipal dans chaque type de lentille.

Les tracés des rayons servent à montrer la marchedes rayons dans une lentille.

Les tracés des rayons aident à trouver lescaractéristiques de l'image formée par une lentille.

Par convention, les rayons incidents sont illustréssur un diagramme de la gauche vers la droite.Généralement, on dessine une ligne en pointilléspassant par le centre optique de la lentille etperpendiculaire à l'axe principal.

Les rayons doivent toujours être dessinés et annotésavec précision, et tracés à la bonne échelle.

La distance focale est la distance entre le foyerprincipal et le centre optique de la lentille.

Le plan focal est un plan imaginaireperpendiculaire à l'axe principal au point focal. Lesrayons parallèles qui traversent une lentilleconvergente convergent en un certain point du planfocal.

Les rayons lumineux incidents sont réfractés deuxfois par une lentille : une fois à chaque frontière.Une réflexion partielle peut également se produire.Dans les systèmes optiques, la réflexion partielle estun effet indésirable. On peut la minimiser enemployant des revêtements anti-reflets. Les lentillestraitées avec des revêtements anti-refletsfournissent une image de qualité supérieure.

Afin de simplifier la représentation des tracés desrayons, la réfraction des rayons incidents estillustrée sur la ligne de construction qui passe parle centre optique de la lentille. Pour une lentillemince, ceci constitue une approximationraisonnable, étant donné que le déplacement latéralest assez faible.

Les rayons lumineux qui ont parcouru une grandedistance sont réellement parallèles.

Les lentilles peuvent former des images réelles oudes images virtuelles.

Les règles pour tracer le trajet des rayons lumineuxpour les lentilles convergentes et divergentespeuvent être mises à profit pour déterminer lescaractéristiques de l'image formée par une lentille.

Une lentille divergente forme toujours une imagevirtuelle de sens direct, dont les dimensions sontréduites. L’image se trouve plus près de la lentilleque l'objet, entre le point focal (F) et la lentille.

Pour corriger l'aberration sphérique deslentilles, on a recours à des lentillesachromatiques. On peut corriger l'aberrationsphérique des lentilles en recourant à deslentilles asphériques ou en combinant des lentillesminces qui annulent les aberrations. Des lentillesachromatiques, conçues pour corriger uneaberration chromatique à certaines longueurs


d'onde, peuvent aussi réduire l'aberrationsphérique. Les défauts des lentilles portent le nomd'aberrations. Ces dernières diminuent la qualitéde l'image formée par le système optique. Leslentilles entrent en jeu dans de nombreusesapplications pratiques. (Vous devrez en étudierplusieurs.)

Un système optique peut être un assemblage demiroirs, de lentilles, de prismes et d'autres genresde dispositifs optiques.

Une image formée par la composante d'un systèmeoptique peut devenir l'objet pour une autrecomposante du système optique.

Les caractéristiques de l'image produite par une lentille convergente dépendent de l'emplacement de l'objet. Letableau résume les caractéristiques des images produites par une lentille convergente d'après la position del'objet.

Caractéristiques de l'image

Position de l'objet Grossissement Sens Type Emplacement

près de l'infini < -1 inversé réel en Fau-delà de 2F < -1 inversé réel entre F et 2Fen 2F -1 inversé réel en 2Fentre 2F et F > -1 inversé réel au-delà de 2Fentre F et O > +1 direct virtuel même côté que l'objeten F non défini

(Ces caractéristiques devraient être confirmées expérimentalement et vérifiées par des tracés de rayon etl'application des équations. Dissuader ceux qui voudraient les apprendre par cœur.)

Règles pour tracer le trajet des rayons pourles lentilles convergentes et les lentillesdivergentes

N.B. Les remarques entre parenthèses concernentspécifiquement les lentilles divergentes.

1. Un rayon incident parallèle à l'axe principal estréfléchi de sorte qu'il passe par le foyer réfracté(le rayon semble être issu du foyer (F)principal).

2. Un rayon incident qui passe par le foyersecondaire (F’) (ou s'y dirige) est réfracté afind'être parallèle à l'axe principal.

3. Un rayon incident qui passe par le centreoptique de la lentille continue son trajetrectiligne.



• Définir les termes suivants : lentilleconvergente (positive), lentille divergente(négative), centre optique, axe principal, foyerprincipal, distance focale, plan focal, lentillesachromatiques, objet virtuel

• 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'axeprincipal et les points critiques situés sur l'axeprincipal

• Tracer des diagrammes clairs, bien annotés,

précis et à l'échelle pour des lentilles mincessimples

• Mettre en pratique les règles pour tracer les

rayons dans les lentilles convergentes etdivergentes (méthode des rayons parallèles) afinde placer un objet sur l'axe principal et delocaliser la position et d'autres caractéristiquesde l'image


• Employer le tracé des rayons pour interpréterles caractéristiques d'une image formée par unelentille

• Montrer sa compréhension de l'importance

d'une procédure de vérification et savoir lamettre en œuvre

• Réaliser que, même si les rayons lumineux sont

réfractés sur deux surfaces par une lentille, onpeut, pour le cas des lentilles minces, considérerque les rayons incidents sont réfractés à la lignede construction qui passe par le centre optiquede la lentille

•

Images formées par une lentille convergente

Expliquer pourquoi les rayons lumineux provenantde très loin sont effectivement parallèles quand ilsatteignent la lentille (ou tout autre système optique) • Résoudre des problèmes relatifs à l'optique des

lentilles en appliquant les équations deslentilles, les tracés des rayons et d'autresméthodes

• 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


Enseignement, activité et démonstrationsuggérés

1. Effectuer une activité destinée à étudier laformation d'une image dans des lentillesconvergentes et divergentes.

2. Placer une source lumineuse, une lentilleconvergente et un écran sur un support.Déterminer la position de l'image quand ladistance entre l'objet et la lentille varie.Trouver la distance focale et la puissance de lalentille. Déterminer le grossissement pourdifférentes positions. Répéter l’opération pourplusieurs lentilles positives. Tracer les rayonscorrespondant à chaque cas. Énoncer lescaractéristiques des images pour chaque cas.Comme défi supplémentaire, répéter enutilisant deux lentilles combinées.

3. Monter une lentille convergente et une lentilledivergente sur un banc optique. Observer desobjets éloignés en regardant à travers leslentilles dans les deux sens. Régler la distanceentre les lentilles.

4. Le montage décrit au point 3 est à l'origine despremières expériences qui ont permis dedévelopper les premiers télescopes optiques.Demander aux élèves de faire une recherchepersonnelle sur l'historique du télescope.

5. Comparer les télescopes de Galilée et de Keplerdu point de vue des caractéristiques des images.Utiliser les tracés des rayons et les donnéesobtenues par expérimentation et montrercomment l'image est formée dans chaquetélescope.

6. Concevoir diverses activités et démonstrationsutilisant des boîtes à rayons.

7. Employer des ordinateurs comme outilsd'analyse pour résoudre des problèmes, faire dessimulations et s’initier à de nouvellesperspectives de la micro-informatique.

8. Un modèle de simulation de la réfraction de lalumière du Soleil dans l'atmosphère suppose lapréparation dans un bécher d'une solutionconstituée d'environ 900 ml d'eau, de 5 g dethiosulfate de sodium et de 5 ml d'acidechlorhydrique concentrée. N.B. Verser toujoursl'acide dans l'eau, jamais le contraire. Cet acideest relativement inoffensif dans l'eau, mais àl'état concentré, il est très corrosif.

Une solution colloïdale de soufre se forme.Diriger la lumière d'une torche vers lecontenant. À angle droit du faisceau, vouspourrez voir une lumière bleue réfractée.Employer un écran blanc afin d'examinerdiverses régions du faisceau. Les couleursapparaîtront blanche, jaune et rouge. Vousverrez aussi des régions entièrement noires.

Cette démonstration est utile pour fairecomprendre les couchers de Soleil et l'effetTyndall. Conserver la solution, la placer dansun ballon florentin afin de simuler la réfractiondans les lentilles.


C. Optique physique

1. Phénomènes importants

Concepts clés

On peut recourir à un modèle mécanique quiillustre le passage d'ondes transversales dans desfentes verticales et horizontales, afin de se faire uneidée de la polarisation de la lumière.

Un filtre polarisant ne laisse passer que lesondes lumineuses polarisées dans un plan. (Ontrouve également des polarisateurs circulaires.) Lalumière qui ne passe pas est absorbée par le filtre.

Deux filtres polarisants décalés de 90o l'un parrapport à l'autre empêchent toute transmission delumière.

Certains types de cristaux (calcite, tourmaline, etc.)sont des polarisateurs naturels.

Des matériaux synthétiques de polarisation(hérapathite) sont employés dans plusieursapplications. (Vous devrez en étudier un certainnombre.)

Certaines surfaces réfléchissantes (verres, eau, etc.)polarisent la lumière. La diffusion de la lumière duSoleil dans l'atmosphère provoque de la polarisation.

La lumière subit une diffraction quand ellecontourne une bordure bien découpée (ou passe dansde petites ouvertures).

En raison des petites longueurs d'onde de lalumière, la diffraction de la lumière est plusprononcée quand la fente à travers laquelle passe lalumière est étroite, tout en étant du même ordre degrandeur que les longueurs d'onde.

La figure de diffraction produite par une simplefente comprend une région centrale brillante(maximum central) suivie de régions obscures dechaque côté, puis de régions un peu moins claires(maximums secondaires) dont l'intensitédiminue à mesure qu'on s'éloigne du centre.

L'espacement entre les régions obscures estconstant. La largeur du maximum central estenviron deux fois la largeur des maximumssecondaires, qui sont presque équidistants.

La largeur totale d'une figure de diffraction estinversement proportionnelle à la largeur de la fente.

L'expérience des deux fentes de Young vientappuyer la théorie de la nature ondulatoire de lalumière, contrairement à sa nature corpusculaire.

Dans l'expérience de Young, les deux sourcesponctuelles de lumière sont en phase. Une série debandes brillantes et sombres (frangesd'interférence) s'observe sur la figured'interférence.

Les bandes foncées sont les régions de l'interférencedestructive, et les régions brillantes, celles del'interférence constructive. Chaque fente produitune petite figure de diffraction. Ces deux figuresinterfèrent l'une avec l'autre, produisant ainsi desfranges brillantes également espacées, superposéessur la figure de la fente simple en arrière-plan.L'espacement entre les franges brillantes estinversement proportionnel à la distance entre lesfentes, d.

La différence de marche est la différence entre ladistance parcourue par la lumière pour chaquefente. On peut l'exprimer en longueurs d'onde.

La relation entre la longueur d'onde (λ), la distanceentre les franges brillantes sur l'écran (∆x), laséparation des fentes (d) et la distanceperpendiculaire entre la fente et l'écran (L), pourune figure d'interférence est :

ou l'équivalent si on prend la nième ligne nodale :

où x est la distance du maximum central à la nième

ligne nodale (minimum) mesurée à partir de labissectrice droite. L'équation n'est exacte quelorsque x <<L, de sorte que sin θ ≈ tg θ. Parexemple, si L = 5x, l'erreur est d’environ 2 %.

L'interféromètre de Michelson a recours à undiviseur de faisceaux pour séparer un faisceau delumière monochromatique dont chaque partieemprunte un trajet différent. La différence de trajetpeut être réglée, ce qui permet de produire undécalage appréciable du système de franges.

Un réseau de diffraction est utilisé pour produiredes systèmes de franges intéressants.

∆

Ld

x = λ

,21-n

Lxd

=

λ


Un réseau de diffraction est une surface(transparente) sur laquelle sont tracésd'innombrables petits sillons très rapprochés. Letrès grand nombre de sillons a pour effet de réduireen une ligne étroite la largeur des maximumsd'interférence (franges brillantes). L'intervalle entreles sillons sépare grandement les lignes formées.Les très petits sillons dispersent fortement la figurede diffraction d'arrière-plan. Tout ce qui restevisible est le maximum central.



• Définir les termes suivants : polarisation, filtrepolarisant, maximum central, maximumssecondaires, franges d'interférence, différence detrajet, 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 lumièreest plus prononcée quand la fente est étroite,tout en étant du même ordre de grandeur que laou 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 lathéorie 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 distanceperpendiculaire entre les fentes et l'écran

• Expliquer de quelle manière l'interféromètre de

Michelson produit une figure d'interférence


1. Auparavant, une onde transversale était définiecomme une onde dont les particules de sonmilieu porteur vibrent perpendiculairement à ladirection de déplacement des ondes. Comme lesondes lumineuses n'ont pas de milieu,demander aux élèves ce qui vibre.

2. Reproduire expérimentalement les résultats del'expérience à double fente de Young.

3. Observer ce qui arrive quand on regarde àtravers un filtre polarisant et à travers unepaire de filtres polarisants.

4. Observer la figure de diffraction qui résulted'un faisceau lumineux passant dans une fenteou qui contourne une bordure nette.

5. Comparer les résultats observés quand onregarde une source lumineuse à travers unefente simple et une fente double.

6. Effectuer une activité consistant à observerplusieurs sources de lumière à travers unensemble de fentes à diffraction.

7. Placer un ensemble de fentes à diffractiondevant un faisceau laser. Observer la figure dediffraction qui apparaît sur la paroi éloignée.(Attention : Ne jamais regarder directement lalumière d'un laser. Surveiller les réflexionsimprévues. Informer les élèves de cetteimportante précaution.) En prenant la largeurde la fente, la distance à la paroi et toute autremesure nécessaire, déterminer la longueurd'onde du faisceau laser.

Noter qu'avec un bon ensemble de fentes àdiffraction, l'intervalle entre les frangesbrillantes sera de l'ordre de 20o. Donc,l'hypothèse à l'origine de la formule de la doublefente, soit sin θ = tg θ, n'est pas valide.

nL

xd = λ


L'équation devient donc x+Ln

xd =

22λ

L'équation de base d'un réseau de diffraction est:

8. L'expérience peut aussi être réalisée en seservant d'une source de lumière incandescenteayant un filament droit, comme une ampoulede vitrine. On peut tailler avec des lames derasoir des fentes simples, doubles et multiplessur le côté émulsionné de pellicules 35 mmsurexposée. (Certains élèves en arts industrielsdisposent souvent d'une bonne quantité depellicules surexposées.) On peut aussi peinturerdes lames de microscope en noir, mais cetteméthode est salissante, et le temps consacré aunoircissement des lames serait mieux employéà la réalisation de l'expérience et à l'analyse desrésultats.

2. Rayonnement électromagnétique

Concepts clés

Maxwell a prédit que les ondesélectromagnétiques pouvaient être produites pardes charges électriques en vibration. On aégalement prédit que les ondes transversalesvoyageaient à la vitesse de la lumière.

Les expériences de Newton avec des prismes et deslentilles ont mis en évidence la dispersion de lalumière blanche en un spectre, et larecombinaison ultérieure des composants de cespectre en lumière blanche. La lumièremonochromatique ne peut être dispersée nirecombinée.

La lumière monochromatique est composée d'uneseule longueur d'onde et par conséquent n'a qu'uneseule couleur. Un laser génère ce type de lumière.(La lumière laser est également cohérente. Lesphotons émis sont tous en phase.)

Le spectre obtenu en décomposant la lumière solaireest continu. (Il contient en outre des raies deFraunhoffer causées par de l'absorption à certaineslongueurs d'onde.)

D’autres sources de lumière sont capables deproduire un spectre de raies discontinues ou debandes, appelé spectre d'absorption et comprenantdes raies discrètes ou des bandes causées par desémissions à certaines longueurs d'onde (p. ex.hydrogène atomique, hélium, néon). Ces exemplesne correspondent qu'à des spectres de raies. Pourobtenir des spectres de bandes, il faut avoir un gazmoléculaire.

Un gaz excité émettra un spectre de raies (ou debandes). Les longueurs d'onde émises sontcaractéristiques du gaz et peuvent servir àl'identifier (un spectre d'émission).

Si un gaz non excité s’interpose entre une sourcelumineuse et un observateur, ce dernier verra unspectre continu comprenant des bandes ou des raiesnoires à certaines longueurs d'onde. Les longueursd'onde qui sont absentes sont les mêmeslongueurs d'onde qui seront réémises par ce gazs'il est excité. Ces longueurs d'onde ont étéabsorbées par le gaz (donc un spectre d'absorption).Un spectre d'absorption peut aussi permettre deconnaître la composition d'un gaz.

La lumière visible est formée de longueurs d'ondeallant d'environ 400 à 750 nm. La lumière violetteest celle dont les longueurs d'onde sont les pluspetites, entre 400 et 450 nm. La lumière rougepossède les longueurs d'onde les plus grandes, entre610 et 750 nm.

La lumière infrarouge, dont les longueurs d'ondesont tout juste supérieures à celles de la région durouge, et la lumière utltraviolette, dont leslongueurs d'onde sont tout juste inférieures à cellesde la région violette, sont deux types derayonnements électromagnétiques imperceptibles àl'œil humain.

Les micro-ondes et les ondes radio sont deux typesde rayonnements électromagnétiques ayant degrandes longueurs d'onde.

Parmi les rayonnements électromagnétiques decourtes longueurs d'onde, mentionnons les rayonsX, les rayons gamma et les rayons cosmiques.

Les termes « rayons cosmiques » désignent desparticules très énergétiques d'origine extraterrestrequi atteignent la Terre. Ce sont principalement desparticules chargées voyageant à très grandevitesse, et formées en partie de photons de hauteénergie (rayonnements électromagnétiques).

L'énergie d'un rayonnement électromagnétique estfonction de sa fréquence. Le rayonnementélectromagnétique de haute fréquence possède une

θλ sinnd =


plus grande quantité d'énergie. N.B. Une lumièrevisible de haute intensité peut fournir plus d'énergieque des rayons X de faible intensité, et cela, mêmesi les photons d'un rayonnement X sont« individuellement » plus énergétiques que lesphotons de la lumière visible.

Le spectre électromagnétique est un ensemblecontinu de rayonnements électromagnétiques allantdes ondes radio aux rayons cosmiques. La naturephysique du rayonnement reste inchangée dans toutle spectre. La fréquence, la longueur d'onde etl'énergie associée sont les seuls paramètres quivarient tout au long du spectre.


L’élève sera capable de : • Définir les termes suivants : spectre

électromagnétique, rayonnementélectromagnétique, lumière monochromatique,spectre continu, spectre de raies, lumièrevisible, lumière infrarouge, lumièreultraviolette

• 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 lumièreultraviolette

• Décrire des régions du spectre

électromagnétique de part et d'autre du spectrevisible et mentionner plusieurs applications quis'en servent

• Expliquer que les différentes régions du spectre

électromagnétique se distinguent d'après leurfréquence, leur longueur d'onde et l'énergieassociée


1. Comme projet de recherche, les élèves étudientcomment un four micro-onde cuit les aliments.La découverte de l'effet des micro-ondes sur lesaliments, exemple de « l'effet de sérendipité »,pourra servir à montrer certains aspectsimportants de la nature de la science.

2. Dans le projet SHARP (répéteur fixe à hautealtitude), élaboré par le ministère desCommunications, un avion propulsé par micro-ondes agit comme un répéteur detélécommunications. Les élèves pourrontpoursuivre leurs recherches sur ce projet. Pouren savoir plus, se reporter au document qui setrouve dans le centre de ressources de l’école :Technologie et innovation dans l'industrie auCanada : une trousse d'information àl'intention des enseignants et enseignantes desciences.

3. Laisser les élèves concevoir une activitédestinée à examiner la dispersion de la lumièreà travers un prisme.

4. Décrire, refaire certaines expériences deNewton sur l'étude de la nature de la lumière,ou bien trouver des élèves qui voudraientreproduire ces expériences.

5. Observer et comparer des spectres continus etdes spectres discontinus.

6. Donner des exemples qui illustrent que lesprédictions en science sont conditionnées par lavérification expérimentale. Sans la vérificationexpérimentale, la science n'existeraitprobablement pas.

7. Examiner les caractéristiques de divers typesd'objets sous un éclairage ultraviolet. Certainstypes de minéraux, de tissus, de peintures etmême certains insectes revêtent une apparenceintéressante quand on les observe sous unesource de lumière ultraviolette.


3. Couleurs

Concepts clés

La lumière blanche contient au moins troiscouleurs additives primaires : le rouge, le vertet le bleu.

Une surface semble noire si elle absorbe toute lalumière qui la frappe.

En combinant du rouge, du vert et du bleu clair (oudeux de ces couleurs) à différentes intensités, onproduit une large palette d'autres couleurs (théorieadditive de la lumière).

Le cyan, le magenta et le jaune sont appeléscouleurs secondaires. Chacune renferme deuxcouleurs primaires et l'absence totale de latroisième, la couleur complémentaire.

Les objets non lumineux ont une couleur du faitqu'ils réfléchissent la lumière à certaines longueursd'onde, absorbent la lumière à des longueurs d'ondedifférentes et transmettent la lumière sousd'autres longueurs d'onde. Les longueurs d'onderéfléchies et transmises se composent pour produirela couleur résultante, p. ex. mélange de peintures(théorie soustractive de la lumière).

Un filtre absorbe et transmet de façon sélective lalumière. (Cette définition englobe d'autres filtresque les filtres couleur, p. ex. filtre rouge, filtre u.v.,filtre polarisant, etc.)

Deux couleurs primaires qui se chevauchentpeuvent (en théorie) bloquer presque toute lalumière visible. Un filtre de couleur primaire quichevauche un filtre de sa couleur complémentairebloque (en théorie) toute lumière visible. (Enthéorie, car il est extrêmement difficile de fabriquerdes filtres ayant une valeur de coupure de latransmission à une certaine longueur d'onde. Laplupart des filtres de couleur laissent « passer » unecertaine lumière des autres longueurs d'onde.)

Deux filtres de couleurs secondaires netransmettront qu'une des couleurs primaires.

La théorie des couleurs est essentielle en art, enphotographie, en impression quadrichromie et dansd'autres applications. (Plusieurs applicationsdevront être discutées et explorées. Il y a aussipossibilité d’intégrer ces applications à d'autresdomaines.)

Le tableau ci-dessous récapitule les relations entrecouleurs primaires et secondaires de la lumière. Ce

tableau n'est valable que pour le mélange additif descouleurs. Il ne s'applique pas aux pigments.

Couleur Comprend Manque

Rouge rouge vert, bleu

Vert vert rouge, bleu

Bleu bleu rouge, vert

Cyan vert, bleu rouge

magenta rouge, bleu vert

jaune rouge, vert bleu

Ce tableau devra être rempli expérimentalement.Des nuanciers de couleurs circulaires pourrontservir à illustrer les rapports entre couleursprimaires et couleurs secondaires.



• Définir les termes suivants : couleurs primairesadditives, couleurs secondaires, filtre, couleurscomplémentaires, filtre couleur

• Désigner les trois couleurs primaires additives • Expliquer que la « lumière blanche » est

constituée d'au moins trois couleurs primairesadditives

• Expliquer que généralement les objets non

lumineux semblent avoir une certaine couleurparce qu'ils réfléchissent la lumière à deslongueurs d'onde qui se combinent pour donnerla couleur observée

• 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 produitune large palette d'autres couleurs

• Proposer des applications de la théorie additive

de la lumière


• Désigner les trois couleurs secondaires de lalumière

• Donner des exemples illustrant ce qui est

absorbé et ce qui est transmis par différentstypes de filtres

• Proposer certaines applications importantes de

la théorie de la couleur


1. Enregistrer la mire de la télévision couleur survidéocassette. La visionner en classe. Notercomment les couleurs de la mire peuvent servirà développer un tableau récapitulant lesrapports entre couleurs primaires et couleurssecondaires, comme celui de la page 176.

2. Créer expérimentalement un tableau ou unnuancier circulaire qui fait voir les rapportsentre les couleurs primaires et les couleurssecondaires.

3. Prendre trois projecteurs de diapositives. Placerdifférents types de filtres de couleur primairedans la lumière projetée par chaque appareil.Observer ce qui se produit quand la lumièrefiltrée arrive sur l'écran blanc. Répéterl’opération avec des filtres de couleurssecondaires.

Utiliser du papier de différentes couleurs etexaminer ce qui se passe quand la lumièrefiltrée et ses combinaisons frappent les surfacescolorées.

4. À l’aide d’une source de lumière, d’un prismetriangulaire et d’une lentille convergente,illustrer la décomposition de la lumière blancheen un spectre (quand elle passe dans le prisme),et la recomposition en lumière blanche (quandles composantes du spectre passent dans lalentille).

5. Observer ce qui arrive quand une couleursecondaire se combine à sa couleurcomplémentaire primaire.

6. Effectuer des activités destinées à observer cequi se produit quand deux filtres de couleursprimaires se chevauchent, et ce qui arrivequand deux filtres de couleurs secondaires sesuperposent.

7. Observer le spectre complet de diverses sourcesde lumière à travers un réseau de diffraction ouun spectromètre. Employer des lampes de

lampadaire au sodium (jaune) et au mercure(bleu-blanc).

8. Extraire de la chlorophylle d'une plante verte(ou de feuilles de choux rouge ou d'un coleus pourobtenir des résultats intéressants) et étudier lespectre d'absorption.

Préparer la solution de chlorophylle, hacher lesfeuilles en petits morceaux. Placer ces morceauxdans un mortier et ajouter de l'alcool chaud.Broyer le mélange feuille-alcool avec un pilon.Décanter la solution. Laisser l'alcool s'évaporerquelque temps afin d'augmenter la concentrationde la solution.

9. Une séparation au moyen de papier ou de lachromatographie à colonne pourra être appliquéeaux échantillons préparés. À partir des résultats,les élèves expliquent pourquoi les plantes onttelle couleur au soleil.

10. À partir des considérations précédentes,concevoir une expérience destinée à déterminerde quelle façon les plantes réagissent auxcouleurs et aux types de lumières artificielles.

11. Faire des recherches sur les couleurs desplantes et de leurs fleurs dans desenvironnements différents. Comment leurscouleurs leur permettent-elles de s'adapter et desurvivre?

Des activités de cette nature aident les élèves àréaliser que la physique est imbriquée auxautres sciences, à un point tel que cela necompte plus de savoir que l'on « travaille » enphysique ou en chimie ou en biologie. Les élèvesont l’occasion de mesurer l'association intimeentre les différentes branches de la science.

12. Si votre agrandisseur de chambre noire possèdeun porte-filtre de couleur, montrer aux élèves cequi change dans l'image obtenue à partir d'unnégatif ou sur une diapositive projetée sur laplaque de l'agrandisseur quand on remplace lefiltre.

Vous trouverez là une bonne activitéd’enrichissement en faisant porter la discussionsur l'application de la théorie des couleurs à laphotographie couleur. C'est aussi un projet derecherche intéressant que les élèves pourronteffectuer individuellement ou en petits groupes.

13. À l’aide d’un simple spectroscope ou d’unspectromètre, exécuter des tests de coloration deflamme afin d'analyser les caractéristiquesspectrales de différentes solutions chimiques.


Développer cette activité en conjonction avec leprogramme de Chimie 20.

14. Illustrer le fait que certains objets nonlumineux semblent avoir une couleur préciseparce qu'ils transmettent la lumière à unecertaine longueur d'onde (p. ex. certainscolorants textiles d'aniline).

Physique 30

Physique 30 – P. 181

Physique 30


Unité I : La cinématique et la dynamique(30 heures)

A. Comprendre le mouvementB. Quantités scalaires et vectoriellesC. Distance et déplacementD. Vitesse et vecteur vitesseE. AccélérationF. Les principes du mouvement de Newton

Unité II : L’énergie mécanique (10 heures)

A. TravailB. PuissanceC. Énergie cinétiqueD. Énergie potentielle gravitationnelle

Unité III : L’électricité (20 heures)

A. ApplicationsB. Courant et différence de potentiel

1. Courant2. Différence de potentiel électrique3. La loi d'Ohm

C. Circuits électriques1. Les lois de Kirchhoff2. Circuit en série et circuit en parallèle

D. Puissance et énergie électriques

Unité IV : La physique nucléaire (15 heures)

A. Radioactivité naturelleB. Fission nucléaireC. Réacteurs nucléaires

Physique 30

Unités facultatives (Une des une unitésuivantes au choix)

Unité V : Les applications de la cinématiqueet de la dynamique

A. Quantité de mouvement1. Impulsion et quantité de mouvement2. La loi de la conservation de la quantité de

mouvementB. Forces de frottementC. Mouvement d'un projectileD. Mouvement circulaire uniformeE. Gravitation universelle

Unité VI : La mécanique des fluides

A. DensitéB. PressionC. Le principe de PascalD. Le principe d'ArchimèdeE. Le principe de Bernoulli

Unité VII : L’électromagnétisme

A. MagnétismeB. ÉlectromagnétismeC. Le principe du moteurD. Induction électromagnétique

Unité VIII : La physique atomique

A. Théorie atomiqueB. Demi-vie et désintégration radioactiveC. Fusion nucléaireD. ApplicationsE. Physique

P. 182 – Physique 30 – La cinématique et la dynamique

Unité obligatoire I : La cinématique et ladynamique


La cinématique s'intéresse à la description dumouvement, sans considérer les forces quiengendrent le mouvement. La dynamique, aucontraire, s'intéresse à la fois à la description dumouvement et aux forces qui le provoquent. Unecompréhension de la cinématique et de ladynamique est essentielle en physique.

La cinématique à une dimension a comme objetd'étude le mouvement sur une droite. C'est le cas leplus élémentaire. La direction de déplacement d'unobjet est limitée. Les grandeurs vectorielles sontintroduites. Il importe de bien marquer la différenceentre vecteurs et scalaires.

Dans le programme de Physique 30, on aborde aussila cinématique à plus d'une dimension. Les élèvesdevraient pouvoir appliquer les concepts de lacinématique et de la dynamique au moins à desobjets dans un plan (deux dimensions). L'enseignantou l'enseignante prendra la décision d’aborder ounon la cinématique et la dynamique à troisdimensions en fonction des besoins et des capacitésdes élèves.

Le principal point de la section F est de fairecomprendre les principes du mouvement de Newton.On devra exposer de nombreuses applications etexemples pratiques des principes de Newton afin derenforcer les concepts principaux.

« Le temps consacré au développement dela compréhension est un facteur critique.Durant les leçons, on doit prendre tout letemps nécessaire pour que les incohérencesmises en lumière par un nouveau résultatexpérimental soient bien saisies. Il faut laisseraux élèves le temps de systématisermentalement leurs acquis. Se dépêcher depasser à la leçon suivante écourte le tempsconsacré à réfléchir sur les conséquences de laleçon du moment. Nous avons constaté qu'engénéral, les enseignants ou enseignantes dephysique passent trois jours à enseigner lesprincipes de Newton et de deux à troissemaines à faire des exercices portant sur cesprincipes. En revanche, on s’est aperçu que sion prend cinq jours pour

bien approfondir les idées, et cela même si lesélèves passent moins de temps à travailler avecles équations, la compréhension des idéesessentielles à la fin du premier ou du secondsemestre est meilleure, autant du point de vuestatistique que pédagogique. En prenant letemps d'enseigner soigneusement les concepts,on a relevé que deux fois plus d'élèvesparvenaient à répondre à de difficiles questionsconceptuelles1. »

Facteurs de l'alphabétismescientifiques à développer

A4 reproductibleA5 empiriqueA7 unique

B8 la quantificationB9 la reproduction des résultatsB11 la prévisibilitéB21 la justesseB33 l'entropie

C5 la mesureC7 l'utilisation des nombresC9 l'inférenceC10 la prédictionC12 l'interprétation des donnéesC14 la résolution de problèmesC15 l'analyseC17 l'utilisation des mathématiquesC20 la définition opérationnelleC21 la synthèse

D1 la science et la technologieD8 les limites de la science et de la technologie

E3 savoir utiliser le matériel prudemmentE6 savoir mesurer la distanceE8 savoir mesurer le tempsE13 savoir utiliser les relations quantitatives

F2 la mise en questionF3 la recherche des données et de leur

significationF4 le respect des environnements naturelsF7 le besoin de vérifier

G1 s'intéresser à la science

Physique 30 – La cinématique et la dynamique – P. 183

G3 continuer d'étudierG6 préférer les réponses scientifiquesG8 préférer les explications scientifiquesG9 apprécier les contributions scientifiques



• Comprendre l'importance de recourir à uneapproche systématique, organisée, logique etstructurée lors de la résolution de problèmes encinématique

• 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 lacinématique

• Évaluer des perfectionnements technologiques

du point de vue de leur bien-fondé, de leursavantages économiques, de leurs incidences surla santé et de leur impact sur l'environnement

• Faire une analyse de risque qui explore l'impact

de la technologie sur la société et surl'environnement



• Comprendre comment on acquiert, on évalue,

on raffine et on remplace les connaissances enphysique (CRC)

• Approfondir sa connaissance et sa

compréhension de la façon de calculer, demesurer, d'estimer et d'interpréter des donnéesmathématiques; apprendre quand mettre àprofit ces habiletés et ces techniques etexpliquer pourquoi ces procédés sont utilisésdans le cadre particulier de la physique (NUM)

• Accéder à de l'information (AUT)

1. J. A. Minstrell. – « Teaching Science for Understanding ».– Toward the Thinking Curriculum : Current CognitiveResearch. – 1989 ASCD Yearbook, 1989


A. Comprendre le mouvement

Concepts clés

La résolution de problèmes en physique doitemprunter une démarche systématique, organiséeet logique. Il est très utile de développer uneapproche structurée qui permette de résoudren'importe quel type de problème en science.

Le mouvement est relatif à la position del'observateur. Des observateurs dans différentsrepères de référence percevront tout à faitdifféremment le mouvement d'un objet.

Un objet est en mouvement si sa position changepar rapport à l’observateur.

On mesure le mouvement sur une période donnée.

Un objet qui subit un mouvement périodique (p. ex.un pendule, un chronographe, un stroboscope) peutservir à mesurer le temps, et on peut l'étalonnerd'après une base de temps standard.

Le mouvement peut être uniforme ou nonuniforme.



• Définir les termes suivants : mouvementuniforme, 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


1. Souligner la distinction entre position etdéplacement. Souvent, on confond les deux.Comparer le changement de position et lechangement de déplacement.

2. Un stroboscope est un outil intéressant quisert à observer le mouvement. Un mouvement

périodique rapide s’analyse au moyen d'unstroboscope ou d'un autre appareil de mêmetype.

3. Étalonner un pendule par rapport à unemontre. Calculer la période et la fréquenced'un pendule. Utiliser le pendule étalonnépour trouver le temps que prend unévénement à se produire, comme le temps quemet le sable d’un sablier à s'écoulercomplètement.

4. Observer un mouvement périodique avec unstroboscope.

5. Comparer des objets en mouvement et desobjets au repos, en se plaçant du point de vuede plusieurs observateurs.

6. Étalonner expérimentalement un objet quisubit un mouvement périodique (p. ex. unpendule, un chronographe, un stroboscope).Mesurer le temps avec l'objet.

7. Étalonner des chronographes en vue d'uneutilisation ultérieure dans des expériencesd'analyse du mouvement.

8. Diverses expériences stroboscopiques peuventêtre effectuées. Voici quelques suggestions :• Utiliser un moteur avec une cuve à ondes

et mettre en vibration une ou deux sourcesponctuelles afin de produire des ondescirculaires. Examiner les systèmes d'ondesde la cuve à ondes avec un stroboscope.

• Coller un morceau de ruban gommé surune des pales d'un ventilateur électrique.Cette pale sert alors de référence.Observer l'hélice du ventilateur avec unstroboscope. Expliquer les différentsmodèles de pales de ventilation. Se servird'un stroboscope électronique variable ouconnecter le ventilateur à un rhéostat afinde régler la vitesse de rotation des pales.

• Connecter un stroboscope manuel à unmoteur. (Faire tourner à vitesse constanteun tel stroboscope est difficile).Photographier, avec une ouverture dediaphragme donnée, un objet enmouvement situé derrière le stroboscope.

Sinon, utiliser un stroboscopeélectronique. Une pellicule polaroïd estbien utile dans cette application. Unecertaine pratique sera nécessaire pourobtenir une bonne exposition et desconditions d'éclairage optimales. Lapellicule polaroïd a l'avantage de fournirrapidement l'image que l'on pourra


analyser sans délais. Employer des objetsen chute libre ou qui rebondissent.Analyser les résultats dans la partie decette unité traitant du mouvement.

9. Suspendre une masse à un ressort. Laisser lamasse osciller verticalement. Déterminer lecoefficient de rigidité du ressort, en plaçantdifférentes charges à l'extrémité du ressort eten traçant la courbe de la force en fonction del'allongement. Déterminer si la période dépendde l'amplitude ou de la masse de la charge.Tracer la période en fonction de la racinecarrée de la masse afin d’exprimer la formuledu mouvement harmonique simple. Tracer lapériode en fonction de l'inverse de la racinecarrée du coefficient de rigidité.

L'expression générale pour la période d'unmouvement harmonique simple est :

Comparer l'énergie potentielle du ressort aubas de l'oscillation à son énergie potentielleau haut de l'oscillation (deux points oùl'énergie cinétique est nulle) afin de vérifier laloi de la conservation de l'énergie. Cette tâcheexige une mesure exacte du trajet.

L'énergie potentielle élastique du ressort estdonnée par :

où x est l'allongement du ressort.

10. Pour les expériences d'analyse du mouvement,un éclateur et un papier thermique spécialdonnent de bons résultats; cependant, lesmarques de perforation sur le papierd'enregistrement ne sont pas faciles à lire.Des minuteries à cellules photo-électriques etdes chronomètres électroniques sont chers,mais pratiques.

11. Demander aux élèves d'apporter une grandediversité de jouets en classe. Chaque jouet doitêtre choisi d'après un principe de physiquequ'il illustre. Les principes doivent concernerle mouvement du jouet ou d'autrescaractéristiques importantes. En groupes, lesélèves examineront les jouets et préparerontune communication orale destinée à la classe;

dans cette communication, ils feront ladémonstration du fonctionnement du jouet etmettront en évidence les principes de physiquequi entrent en jeu.

Voici certaines suggestions de jouets : toupies,toupies auto-inversantes, Slinkies, aimants,cubes de construction, gyroscopes, canardsplongeurs, petites hélices , kaléidoscopes,loupes, klaxons, sifflets, balles magiques, yo-yo, frisbees, boomerangs, puzzles àmouvement (comme ceux où on doit fairepénétrer des billes dans des trous), patins àroues alignées, planches à roulettes, objetsgonflables, Culbuto (dont le centre de gravitéest très bas), ventouses, véhicules téléguidés,robots, modèles réduits d'aviontélécommandés. Dissuader les élèvesd’apporter des jouets de guerre pour cetteactivité. Surveiller les jouets à projectiles quipourraient être dangereux.

La plupart de ces jouets ont des pointscommuns. Tous utilisent de l'énergie.D'autres réalisent une conversion d'énergied'une forme à une autre.

Cette activité devrait connaître ungrand succès en classe. Elle pourra faireréaliser à certains élèves que la physique estprésente autour de nous. Si une telle activité alieu au tout début des cours, elle pourraitdéclencher chez des élèves un vif intérêt pourla physique.

m/k2 = T π

kx21

= E 2)(élastiquep


B. Quantités scalaires etvectorielles

Concepts clés

Les quantités vectorielles possèdent unegrandeur et une direction. La grandeurs'exprime sous forme d'un chiffre et d'une unité.

Les quantités scalaires ne possèdent qu'unegrandeur.

Parmi les quantités vectorielles, mentionnons laposition, le déplacement, le vecteur-vitesse,l'accélération, la force, le poids et la quantité demouvement.

La direction d'un vecteur se caractérise par unelettre entre crochets qui suit la grandeur(p. ex. 12 km [N]).

Les quantités scalaires sont des quantités physiquescomme la masse, le temps, la distance, la vitesse, letravail et l'énergie.

Sur un diagramme, les quantités vectorielles sontreprésentées par un segment de droite orienté,dessiné à l'échelle dans des coordonnées deréférence qui indiquent la direction.

Le début d'un vecteur est appelé l’origine et la finest appelé l'extrémité du vecteur.

Des vecteurs équivalents ont la même grandeuret la même direction.

Des vecteurs colinéaires peuvent êtreadditionnés algébriquement ou graphiquement. Levecteur résultant est la réponse d'une additionvectorielle. L'addition graphique de vecteursnécessite un diagramme clair, précis et à l'échelle.

Des vecteurs non colinéaires existent dans plusd'une dimension.

Plusieurs applications importantes de lacinématique et de la dynamique exigent unecompréhension des vecteurs.

La somme de deux vecteurs quelconques (ou plus)peut être effectuée graphiquement oualgébriquement.

On additionne des vecteurs en joignant l'origined'un vecteur à l'extrémité d'un autre vecteur sur undiagramme clair, précis et tracé à l'échelle.

La somme vectorielle de deux vecteurs ou plus estappelée le vecteur résultant.

Le vecteur résultant débute à l'origine du premiervecteur et aboutit à l'extrémité du dernier vecteurde l'addition.

Pour obtenir un vecteur négatif, on inverse ladirection. Un vecteur négatif a la direction contraired'un vecteur positif.

La grandeur et la direction d'un vecteur résultantpeuvent être données, exactement comme pourn'importe quelle autre quantité vectorielle.

Pour soustraire un vecteur d'un autre, la mêmerègle que pour une dimension s'applique : changerla direction du vecteur à soustraire et faire uneaddition vectorielle normale.

Les opérations vectorielles et scalaires donnent desrésultats tout à fait différents. Il ne faut surtout pasles confondre.

Il faudra probablement renforcer les conceptsmathématiques suivants.

Pour deux vecteurs perpendiculaires :

c2 = a2 + b2 (théorème de Pythagore)

b+a = c 22

Les relations trigonométriques :

ab =

ca =

cb = ?tg?cos?sin

Les vecteurs sont indépendants les uns des autres.


La somme vectorielle de deux vecteursperpendiculaires s’obtient mathématiquement aumoyen du théorème de Pythagore et de relationstrigonométriques.

On peut considérer un vecteur comme la résultantede deux composantes généralement (mais pasobligatoirement) perpendiculaires l'une à l'autre (p.ex. une composante horizontale et une composanteverticale, ou une composante selon x et unecomposante selon y).

La méthode pour déterminer les valeurs effectivesdes vecteurs constitutifs s'appelle ladécomposition des vecteurs.

Les composantes des vecteurs sont déterminées aumoyen de méthodes graphiques ou analytiques.

Les méthodes graphiques dans la résolution desproblèmes de vecteurs aident à conceptualiser dessituations abstraites et constituent une premièreapproximation acceptable des méthodes analytiquesou mathématiques.

Les méthodes mathématiques pour déterminer lescomposantes vectorielles font appel au théorème dePythagore, à la trigonométrie et à d'autres conceptsmathématiques importants.

Une bonne compréhension des mathématiques estessentielle à l'étude de la physique. De nombreuxconcepts importants de physique sont fondés sur desrapports mathématiques déduits del'expérimentation ou de considérations théoriques.

La somme vectorielle de deux vecteurs obliques (nonperpendiculaires) peut s'obtenir au moyen de laméthode des composantes vectorielles. Chacun desvecteurs est décomposé en composantesperpendiculaires. Puis, chaque composante estadditionnée séparément au moyen de l'additionvectorielle à une dimension. Les sommesrésultantes pour les composantes sont ensuiteadditionnées en appliquant les règles d'addition devecteurs perpendiculaires afin d'obtenir le vecteurrésultant. Cette méthode se justifie quand onadditionne plus de deux vecteurs.

Pour un vecteur F faisant un angle θ (où θ estmesuré dans le sens inverse des aiguilles d'unemontre à partir de l'axe positif des x), la composanteF dans la direction des x est donnée par Fx = Fcosθ,et la composante de F selon la direction des y estdonnée par Fy = Fsinθ.

Pour obtenir les composantes résultantes deplusieurs vecteurs que l'on additionne, déterminerles composantes x et y.

Les sommes nettes des composantes en x et en ysont respectivement :

∑∑

==

Ryy

Rxx

FFFF

La grandeur du vecteur résultant est :

∑ ∑+= 22 )()( yxR FFF

La direction du vecteur résultant est :

=

∑

∑

x

yR F

FArctg?

Les termes tg inverse ou tg-1 sont utilisables tantque :

tgtg

1 1- ≠



• Définir les termes suivants : quantitévectorielle, 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 diagrammesà l'échelle

• Additionner deux ou plusieurs vecteurs

colinéaires algébriquement et graphiquement envue de déterminer le vecteur résultant

• Identifier des vecteurs colinéaires et non

colinéaires • Identifier des vecteurs équivalents • Résoudre des problèmes faisant intervenir des

vecteurs colinéaires


• Reconnaître que des situations faisantintervenir des vecteurs peuvent être analyséesgraphiquement ou analytiquement

• Réaliser que les méthodes graphiques de

résolution des problèmes vectoriels aident àconceptualiser des situations abstraites etconstituent une première approximation desméthodes 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 quemathématiquement, pour tout ensemble dedeux vecteurs ou plus agissant dans un mêmeplan

• Comprendre que, pour spécifier des quantités

vectorielles, il faut mentionner la grandeur et ladirection

• Reconnaître des situations qui nécessitent

l'application des méthodes vectorielles et mettreen 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 relationstrigonométriques, pour résoudre des problèmesvectoriels

• Décomposer un vecteur en deux composantes

vectorielles indépendantes (valeurs efficaces) • Déterminer le vecteur résultant de deux

vecteurs perpendiculaires ou plus agissant dansun même plan, en recourant à la méthode descomposantes vectorielles

• Réaliser que des techniques équivalentes de

résolution de problèmes faisant intervenir desvecteurs permettent de confirmer les résultats

• Résoudre une diversité de problèmes en

physique faisant intervenir des vecteursbidimensionnels


1. La somme de deux vecteurs obliques secalcule au moyen de la loi des sinus et de la loides cosinus.

Il faudra probablement renforcer les conceptsmathématiques suivants.

Pour deux vecteurs obliques :

La loi des sinus :

La loi des cosinus :

(Utiliser cette méthode pour la vérification.Insister sur la méthode des composantesvectorielles.)

2. L’expérience classique des « collisions en deuxdimensions » est une excellente activitépermettant d'analyser des vecteurs obliquesen deux dimensions. Elle illustre également laconservation de la quantité de mouvement etla conservation de l'énergie cinétique dans lescollisions élastiques. Consulter des manuelsde laboratoire pour avoir plus de détails. Seprocurer auprès de différents distributeurs deproduits de laboratoire l’appareil à chemincourbe peu coûteux et les serre-joints en Cnécessaires pour effectuer cette expérience.

3. Se servir d'une table de forces (appelée aussi« appareil des moments ») ou de trois balancesà ressort et appliquer des forces à un objetselon différents angles sans que l'objet semette en mouvement. Enregistrer la grandeuret la direction des forces appliquées. Analyserles vecteurs forces. Tirer des conclusions àpartir de ces résultats.

La grandeur et la direction de deux des forcesagissant sur l'objet de l'expérience étantconnues, prédire la grandeur et la directiond'une troisième force nécessaire pourconserver l'équilibre statique. Confirmerexpérimentalement sa prédiction. Justifiertout écart, si petit soit-il, par rapport auxprédictions.

Un ensemble semblable d'expériences peuts’effectuer sur un appareil à forces nonconcourantes.

Cc =

Bb =

Aa sinsinsin

)2AB(cosc-B+A = C 222


4. Pour étudier les collisions dans un appareil àdeux dimensions ou dans de courtes sectionsde pôles à rideau ou de moules semi-circulaires, ancrer l'appareil à un bord detable avec des serre-joints en C. Les élèvestravaillent par groupes de trois ou quatre àdes postes de travail. Chaque groupe reçoit uncontenant à œufs et des sphères de masse etde diamètre différents.

L'objet de l'exercice est d'apprendre, tout ens’amusant, certains aspects du mouvementd'un projectile. Numéroter les alvéoles ducontenant à œufs de 1 à 6, en attribuant lesnuméros les plus élevés aux alvéoles ducentre. Les élèves obtiennent des points quandils réussissent à lancer la balle dans lesalvéoles.

Placer les contenants en avant ou en arrièrepar rapport à la ligne du plancher où lesballes tomberont. Selon la masse et lediamètre de la balle, les élèves déterminent àquel endroit de la pente les balles devront êtreplacées pour atterrir dans les alvéoles quidonnent le plus de points.

Les équipes pourront entrer en compétition,en plaçant le contenant en carton à différentsendroits et en utilisant chacune une balledifférente. Le contenant peut être placén'importe où : depuis le dessous de la pentejusqu'à la distance maximale que peuventatteindre les balles en roulant sur la pente.Avant de jouer, les équipes devront observerde quelle façon les balles tombent et effectuerdes mesures afin de connaître l'endroit où telleballe atterrit en fonction de sa position initialesur la pente.

5. Utiliser un mince fil métallique, coupé etsoudé selon diverses formes géométriques(cube, tétraèdre, octaèdre, etc.). Tremper lesfigures solides dans une solution savonneuse(en ajoutant un peu de glycérine pour produiredes pellicules de savon plus résistantes).

6. Effectuer une activité destinée à analyserdeux vecteurs ou plus agissant en deuxdimensions.

Les bulles épouseront les formes ayant la pluspetite aire possible d'une figure fondamentale(bulles de Plateau). Des franges d'interférenceapparaîtront sur la pellicule savonneuse. Uneanalyse qualitative des forces en action sur lesbulles de savon pourra être faite.


C. Distance et déplacement

Concepts clés

La position d'un objet est son emplacement parrapport à un point de référence. La position estune quantité scalaire.

Le déplacement )d(r

∆ est le changement de la

position (d) d'un objet selon une direction spécifiée.Le déplacement est une quantité vectorielle. Elle nese réfère pas à un point. N.B. Certaines ressourcesemploient la lettre s pour représenter ledéplacement.

Des déplacements équivalents peuvent avoirdiverses origines. Toutefois, ils doivent posséder lamême grandeur et la même direction.

La distance (d), mesure de longueur, est unequantité scalaire qui ne possède pas de direction.

L'unité SI pour la position, la distance et ledéplacement est le mètre (m).

En une dimension, le déplacement peut êtredéterminé au moyen d'une droite numérotée.

L'addition de vecteurs à une dimension sur unedroite numérotée, graphiquement oualgébriquement, produit le vecteur de déplacementrésultant.

Pour soustraire un vecteur d'un autre, on change ladirection du vecteur à retrancher et on procèdeensuite comme pour une addition normale.

Un vecteur négatif est orienté dans la directionopposée d'un vecteur positif.

Un vecteur peut être multiplié par une quantitéscalaire, ce qui produit une quantité vectorielleayant la même direction que le vecteur original.



• Définir les termes suivants : position, point deréférence, droite numérotée, déplacement,déplacements équivalents, distance, vecteurnégatif

• Faire la distinction entre position, déplacement

et distance • Spécifier une position sur une droite numérotée

à partir d'un point d'origine arbitraire

• Indiquer des vecteurs de déplacementéquivalents

• Dessiner à l'échelle des vecteurs de déplacement • Additionner des vecteurs de déplacement

algébriquement et graphiquement • Déterminer le déplacement d'un objet sur un

graphique du vecteur vitesse en fonction dutemps ou sur un graphique de la position enfonction 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 quantitésphysiques

• Employer les bonnes unités SI et leur préfixes

correspondants


1. Effectuer une activité destinée à déterminer laposition d'objets par rapport à un point deréférence sur une droite numérotée.

2. À l'aide d'une carte routière, déterminer ladistance sur une autoroute et le déplacementd’un point à un autre. Demander aux élèvesd'indiquer la pertinence de cette informationpour celui qui conduit ou qui vole entre cesdeux points.


D. Vitesse et vecteur vitesse

Concepts clés

La vitesse (v) est définie comme la distanceparcourue par un objet par unité de temps.

écoulé tempsparcourue distance

vitesse =

L'unité SI de la vitesse est le m/s (mètre parseconde).

La vitesse est une quantité scalaire.

Un objet a une vitesse constante s'il parcourt lamême distance pendant des périodes de tempségales.

Une vitesse constante est un exemple demouvement uniforme.

La vitesse moyenne (v(moy)) est la distance totaleparcourue pendant un intervalle de temps, diviséepar cet intervalle de temps.

écoulé tempsparcourue totale distance

moyenne vitesse =

Td

= v(moy) ∆∆

La vitesse instantanée est la vitesse scalaire d'unobjet à un instant précis.

Le vecteur vitesse )v(r est le déplacement d'un

objet (changement de la position) par unité detemps.

écoulé tempstdéplacemen

vitesse vecteur =

L'unité SI du vecteur vitesse est le m/s.

Le vecteur vitesse est, comme son nom l'indique,une quantité vectorielle.

Un objet possède un vecteur vitesse constant s’ilparcourt la même distance pendant les mêmesintervalles de temps.

Un vecteur vitesse constant est un exemple demouvement uniforme.

Le vecteur vitesse moyen )v( (moy)r

est le

déplacement total d'un objet durant un certainintervalle de temps, divisé par cet intervalle detemps.

Le vecteur vitesse instantané est la vitessealgébrique instantanée dans une direction indiquée.

Un graphique de la position en fonction du temps ouun graphique du déplacement en fonction du tempssert à analyser le mouvement d'un objet en unedimension. La pente donne le vecteur vitesse del'objet. La pente d'un segment de courbe entre deuxpoints du graphique fournit le vecteur vitessemoyen durant cet intervalle. La pente de latangente à la courbe en un moment précis donne levecteur vitesse instantané à ce moment précis.

La pente se calcule en divisant le changement deposition par le changement de temps sur ungraphique de la position en fonction du temps.

12

12

ttdd

v−−

=

rrr

En général, la pente d'une section linéaire sur ungraphique s'obtient ainsi :

Les unités employées pour exprimer la pentedoivent être dérivées d'après les grandeursphysiques reportées sur le graphique.

=t

d = v∆

td

= v∆∆

rr

td =

t)d-d(

= v 12(moy)

∆∆

∆r

rrr

xy

=

)x-x()y-y(

=

horizontaltdéplacemenverticaltdéplacemen =m

12

12

∆∆




• Définir les termes suivants : vitesse, vecteurvitesse, 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 levecteur vitesse instantané; la vitesse, la vitessemoyenne 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 vecteurvitesse

• Dessiner, pour un objet en mouvement, le

graphique de la position en fonction du temps oudu déplacement en fonction du temps

• Interpréter le type de mouvement décrit par un

graphique du déplacement en fonction du tempsou 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 enfonction du temps pour déterminer la position àcertains instants

• Analyser des graphiques de la position en

fonction du temps ou du déplacement enfonction du temps pour déterminer le vecteurvitesse, le vecteur vitesse moyen et le vecteurvitesse 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 grandeursphysiques reportées sur un graphique


1. Dans le présent programme d'études, onreprésente la vitesse et le vecteur vitesserespectivement par v et v

ret cela en raison de

la typographie et des polices dont nousdisposons.Employer la lettre minuscule v (ASCII 118)pour la vitesse et la lettre minuscule v pourindiquer le vecteur vitesse. Avec untraitement de texte, mettre le vecteur en grassi la flèche de surlignement ne peut êtreutilisée.

2. Effectuer une activité destinée à analyser lavitesse ou le vecteur vitesse d'un corps enmouvement. Voici quelques exemples : larandonnée en vélo, l’équitation ou d'autresconceptions expérimentales plus courantesmettant en jeu des objets en mouvementconnectés à une bande d'enregistrement et unchronographe.

3. Lire les cadrans, les compteurs et les échellesde tout genre que l'on trouve dans plusieursinstruments de mesure.


E. Accélération

Concepts clés

L'accélération (ar

) est le taux de changement duvecteur vitesse d'un objet.

accélération = changement du vecteur vitessetemps écoulé

L'accélération est une quantité vectorielle.

L'unité SI de l'accélération est le (m/s)/s ou m/s2.

Un objet subit une accélération constante ouuniforme si le changement de sa vitesse (à partird'ici vitesse est employée dans le sens de vecteur

vitesse) est le même pendant tout intervalle detemps égal.

L'accélération moyenne (a (moy)r ) est le

changement de la vitesse d'un objet ( vr

∆ ) durant letemps écoulé (t).

L'accélération d'un objet à un moment précis estappelée l'accélération instantanée.

Le graphique de la vitesse en fonction du temps sertà analyser le mouvement d'un objet. La pentecorrespond à l'accélération de l'objet. L'aire sous lacourbe indique le déplacement. La pente du segmentde droite qui relie deux points de la courbe fournitl'accélération moyenne durant cet intervalle. Enfin,dans un graphique de la vitesse vectorielle en

fonction du temps, l'accélération instantanée estégale à la pente de la tangente à la courbe au pointcorrespondant.

On obtient la pente d'un graphique de la vitesse enfonction du temps en divisant la variation de lavitesse par la variation du temps.

L'accélération négative est parfois appeléedécélération.

Un objet se déplaçant à vitesse constante a uneaccélération nulle.

Voici quelques équations utiles concernant lemouvement uniformément accéléré :

Un graphique de la vitesse en fonction du tempssert à montrer que :

On peut aussi se reporter à ce graphique pourdériver les équations caractéristiques dumouvement uniformément accéléré. N.B. Utiliserl'analyse graphique chaque fois que cela est possible

Dans les problèmes sur le mouvementuniformément accéléré, une analyse attentive desdonnées initiales aide à trouver l’équation qu’il faututiliser.

Un objet qui descend en roulant sur un plan inclinéa une accélération constante. La pente du planincliné détermine la grandeur de l'accélération.

t-tv-v =

tv

= a

12

12rr

rr

∆∆

t-tv-v =a

tv

= a

12

12(moy)

(moy)

rrr

rr

∆∆

tv

=a

)t-t()v-v(

=a12

12

∆∆

rr

rrr

)tv+v( = d

2ad+v = v

ta+tv = d

ta+v = v

fi21

2i

2f

221

i

if

rrr

rrr

rrr)v+v( = v fi2

1(moy)

rrr




• 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 • Déterminer la vitesse moyenne d'un objet

graphiquement et analytiquement • 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 • Analyser des graphiques de la vitesse en

fonction du temps afin de déterminerl'accélération, l'accélération moyenne etl'accélération instantanée

• Analyser des graphiques de la vitesse en

fonction du temps afin de déterminer ledéplacement d'un objet pendant des intervallesde temps spécifiés

• Interpréter des graphiques de la vitesse en

fonction du temps afin de déterminer la vitessed'un objet à des instants précis

• Obtenir des accélérations instantanées à partir

de graphiques de la vitesse en fonction du tempset reporter ces accélérations sur un graphiqueen fonction du temps

• Comprendre que les équations du mouvement

uniformément accéléré peuvent être dérivées àpartir de principes fondamentaux

• Résoudre des problèmes relatifs à l'accélération

en se servant des équations du mouvementuniformément accéléré

• Utiliser un graphique de la vitesse en fonction

du temps pour tracer un graphique dudéplacement en fonction du temps et un autrede l'accélération en fonction du temps

• 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 conceptsmathématiques

• Citer des expériences familières et des

applications pratiques qui mettent en œuvrel'accélération


1. Asservir la bande d'un chronographe à lamasse d'un pendule. Laisser le pendule sebalancer d'un demi-cycle complet, d'unextrême à l'autre. Obtenir le graphique de lavitesse en fonction du temps à partir desdonnées enregistrées sur la bande.Déterminer les points d'inflexion sur legraphique. Trouver la ou les positions de lamasse pour lesquelles l'accélération estmaximale.

2. Construire un accéléromètre qui servira àétudier le mouvement accéléré. Plusieursconceptions sont envisageables :• Placer une plaque de verre obliquement

dans une cuve et remplir d'eau l'espacecunéiforme ainsi formé.

Un accéléromètre à surface liquide mesuredirectement l'accélération. Si la longueur del'accéléromètre est de 19,6 cm, la hauteur du liquideau-dessus ou au-dessous de la position de repos donnel'accélération en m/s2.


• Accéléromètre inertiel. L'aiguille sur l'échelleétalonnée se déplace dans le sens opposé à celuide l'accélération.

• Accéléromètre pour bocal Mason

• Combinaison d'un accéléromètre et d'unpenndule montés face à face en périphérie d’unplateau de service tournant. Quand l'appareilest en rotation, la masse du pendule balancevers l'extérieur du plateau et la masse du pot deconfiture vers l'intérieur. Les élèves doiventessayer d'expliquer le comportement aberrantdes deux masses.

3. Effectuer une activité destinée à analyser lemouvement d'un objet soumis à uneaccélération uniforme.

4. Pour les expériences avec des plans inclinés,employer des gorges en bois demi-ronds, quel'on trouve chez les marchands de bois, et desbilles d'acier. Des « courses » pourront êtreorganisées en plaçant les gorges à différentsangles. Si la moulure est

suffisamment longue, la courber. Comparer lemouvement d'une bille qui suit un trajetcourbe et celui d'une bille qui suit un trajetrectiligne. Même si la plus courte distanceentre deux points est la ligne droite, la billequi suit le trajet le plus long et le moinsrectiligne va plus vite. Voilà une anomalie quiintrigue.

5. Faire rouler en bas d'un plan incliné une boîtede métal cylindrique. Demander aux élèves deprédire ce qui arriverait si une boîteidentique, mais remplie de sable, roulait enbas du plan en même temps que la boîte vide.Les élèves qui comprennent bien le conceptselon lequel la masse d'un objet n'a aucuneinfluence sur son accélération lorsqu'il est enchute libre, devraient pouvoir prédire que lesdeux objets arriveront au bas du plan enmême temps. Laisser les deux boîtes rouler enmême temps. Comme ces deux cylindres ontdes moments d'inertie différents, la boîtepleine de sable accélérera plus vite et arriverala première au bas du plan (et à une vitessesupérieure). Ce résultat confronte les élèves àune intéressante anomalie au sujet dumouvement.


F. Principes du mouvement deNewton

Concepts clés

L'inertie est la propriété d'un objet de résister àtout changement par rapport à son état de repos ouà son mouvement.

L'inertie est fonction de la masse. La masse est unemesure de l'inertie d'un objet.

Galilée a mis en doute les concepts aristotéliciens dumouvement en se livrant à des expériences.

Le premier principe de Newton (principe d'inertie deGalilée) résume les découvertes de Galilée surl'inertie, découvertes qui découlaient de ses« expériences abstraites » réalisées en appliquant unraisonnement déductif.

Une force nette est la résultante de toutes lesforces agissant sur un objet. L'équilibre n’existe quesi la force nette est nulle (il faut aussi que lemoment résultant soit nul).

Une force est non équilibrée quand la résultantede toutes les forces agissant sur un objet n'est paségale à zéro.

Si aucune force non équilibrée ne s'exerce sur unobjet, sa vitesse demeure constante (p. ex. elle restenulle si elle est nulle, ou reste rectiligne et uniformesi elle l'est au départ).

Si toutes les forces agissant sur un objet s'annulentmutuellement, le vecteur résultant est zéro etaucune force non équilibrée n'affecte ce corps. Cetobjet est en équilibre.

Un objet au repos sur une table voit son poidsannulé par une force normale que lui applique latable. Renforcer ce concept par d’autres exemplesd'objets en équilibre statique.

Si un objet est en mouvement à vitesse constante (etcela inclut la possibilité d'être au repos), on doitconclure que toutes les forces agissant sur l'objetsont équilibrées. La force nette est nulle.

Plusieurs applications pratiques du premierprincipe de Newton sont évidentes dans la viecourante.

L'inertie sert à illustrer la façon dont les objets onttendance à résister à un changement par rapport àleur état de repos ou à leur mouvement.

Quand on analyse des situations où plus d'une forces’exerce sur un objet, il est extrêmement utile dereprésenter cette situation au moyen d'undiagramme du corps libéré (DCL). Par additionvectorielle, on détermine la force nette.

Quand une force nette s’exerce sur un objet, elleimprime à l'objet une accélération ayant la mêmedirection qu'elle. (Deuxième principe de Newton.)

L'accélération est directement proportionnelle à laforce dans le cas d'une masse constante :

L'accélération est inversement proportionnelle à lamasse quand la force est constante :

Si un objet accélère, il doit y avoir une force netteagissant sur cet objet dans la direction del'accélération.

La relation entre les unités SI de la force et lesunités fondamentales correspondantes peut êtremise en lumière grâce au deuxième principe deNewton.

(p. ex. 1 N = 1 kg m/s2)

Le troisième principe de Newton stipule que pourtoute force d'action existe une force de réaction demême intensité et de sens opposé à celui de la forced'action. Ce principe peut être illustré au moyend'un très grand nombre d'exemples.

Les forces existent en paires. Si un objet A exerceune force sur un objet B, l'objet B exerce alors uneforce sur l'objet A, de même grandeur et de sensopposé.

En physique, il y a toujours plus d'une façon derésoudre les problèmes. Aucune méthode n'estfondamentalement supérieure à l'autre, bien quecertaines se prêtent mieux à des situationsspécifiques.

Pour résoudre des problèmes concernant les forceset le mouvement, les méthodes géométriques faisantappel aux diagrammes vectoriels, à la trigonométrieet à la méthode des composantes vectorielles sont

am = Frr

F arr

α

m1

a αr


des façons différentes de trouver les mêmesrésultats.

La résolution de nombreux problèmes pratiquesrehausse la compétence et approfondit lacompréhension de l'interaction des forces avec lesobjets.

Les diagrammes du corps libéré sont utiles dansl'analyse de l'équilibre statique.

Les architectes, les ingénieurs et les personnestravaillant dans d’autres disciplines connexes ontbesoin de maîtriser les principes du mouvement deNewton afin de concevoir du matériel performant.



• Définir les termes suivants : inertie,diagramme du corps libéré, force non équilibrée,force nette, masse inerte

• 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 deNewton

• Expliquer ce que signifie une force non

équilibrée • Analyser, au moyen du diagramme du corps

libéré, des situations mettant en jeu des forceséquilibrées et des forces non équilibrées agissantsur divers objets

• Réaliser l'importance des diagrammes du corps

libéré dans l'analyse des problèmes de physiquequi touchent la statique et la dynamique

• Donner des exemples pratiques qui mettent en

évidence la nécessité de maîtriser lacompréhension des principes du mouvement deNewton

• Donner des exemples pratiques dans lesquels

l'addition vectorielle en une ou deux dimensionsexplique des applications mettant en jeu lesprincipes du mouvement de Newton

• Résoudre des problèmes relatifs aux principesdu mouvement de Newton

• Prédire la direction de l'accélération d'un objet,si la direction de la force non équilibrée estconnue

• Prédire la direction de la force non équilibrée

agissant sur l’objet, quand la direction del'accélération est connue

• Interpréter le sens des relations directes et des

relations inverses, comme celles que l'on trouvedans le deuxième principe de Newton

• Comprendre la relation qui existe entre l'unité

SI de la force et les unités fondamentalescorrespondantes

Expliquer comment on peut déterminer la masseinerte d'un objet


1. En se servant d'une balance simple (dont lesbras du fléau sont égaux), déterminer lamasse gravitationnelle de plusieurs objets.Placer les objets sur une balance inertiellenon chargée. Déterminer la période de labalance inertielle pour chacun des objetsmesurés. Tracer la période de la masse inerteen fonction de la masse gravitationnelle.Prédire la masse gravitationnelle d'un nouvelobjet après avoir déterminé sa masse inertepar interpolation ou extrapolation sur legraphique. Formuler une conclusion généraleau sujet de la relation entre la masse inerte etla masse gravitationnelle.

2. Comparer l'approche d'Aristote et celle deGalilée en ce qui concerne l'étude dumouvement.

3. Décrire les « expériences abstraites »imaginées par Galilée pour mettre en lumièrele principe de l'inertie.

4. Une façon intéressante de se faire une idée dumoment d'inertie est de construire desmobiles. Pour chaque bras du mobile, lasomme des moments doit être nulle afin quel’équilibre statique se maintienne. Ce conceptdoit être respecté pour obtenir un mobile bienéquilibré. Chaque mobile pourrait être associéà un thème. Par exemple, l'un d'eux pourraêtre consacré aux récipiendaires du prix Nobelet à leurs réalisations. Un autre pourraitillustrer les unités communes ou les préfixesdu système SI. Suspendre et exposer lesmobiles.


5. Charger une balance inertielle avec un lingot.Mesurer la période. Supporter le lingot desorte qu'il soit au-dessus ou au-dessous de laplate-forme. Mesurer de nouveau la période etcomparer les résultats. Étendre ce conceptafin de déterminer si le fonctionnement d'unebalance inertielle repose sur la gravité.

6. Les chaussures de sport sont conçuesdifféremment selon le sport que l'on veutpratiquer. Faire une recherche sur laconception des différentes chaussures de sport.Trouver les lois de physique qui entrent en jeudans chaque sport et expliquer comment lesconcepteurs de chaussures adaptent leurproduit pour optimiser la performance dansun sport particulier.

Une activité connexe consiste à analyser selonles mêmes critères d'autres types de matérielde sport.

Beaucoup d'efforts ont été consacrés àl'exploitation des concepts scientifiques afind'analyser et d'améliorer les performancesathlétiques. Certains exemples sont l'analysesanguine de l'acide lactique qui s'accumule àproximité du seuil anaérobique, ladétermination de la concentration maximalede CO2 et le dépistage des agents masquantset de dopage qui rehaussent la performance.Entreprendre une recherche sur cesinnovations en sciences sportives.

7. Effectuer une activité destinée à comparer lamasse inerte et la masse gravitationnelle deplusieurs objets. À l’aide d'une balanceinertielle, d’une balance à double fléau et dedifférentes masses, étudier la relation entreune masse inerte et une massegravitationnelle.

8. Une masse inerte se mesure en déterminantl'accélération d'un objet. Le principe del'équivalence laisse entendre que la masseinerte et la masse gravitationnelle (ou massepesante) sont identiques. Une autre façond'énoncer la chose est d'affirmer qu'il estimpossible de distinguer entre la gravité etl'accélération.

9. Asservir un chariot dynamique à unchronographe (les élèves pourront trouveramusant d'employer une planche à roulettesau lieu d'un chariot dynamique). Appliquerune force constante sur le chariot. Analyser lemouvement. Changer la grandeur de la forceou changer la masse du chariot (ou bien lesdeux) et analyser le mouvement. Comparer les

résultats et formuler des généralisationstouchant les facteurs qui ont une incidencesur le taux d'accélération du chariot.

Avec les planches à roulettes, respecter lesconsignes de sécurité. Porter un casque et del’équipement de protection.

10. Si des élèves s'intéressent à des maquettes defusée, ou bien s'il y a un club à proximité,mettre sur pied un projet de classe, de groupeou individuel. Organiser le lancement d'unemaquette de fusée. (Attention : vérifier avec leministère des Transports les règlementsconcernant l'utilisation de sites autorisés ainsique les autres exigences.)

11. Concevoir une expérience qui vise àdéterminer la résistance à la rupture dedivers types de fil à pêche. Comparer le pointde rupture avec les spécifications dufabriquant.

12. À l'extérieur, demander à un élève de se tenirsur une planche à roulettes ou sur une plate-forme tournante. Une feuille de papier decouleur posée à même le sol représente le« marbre ». Demander à l’élève qui est lelanceur (lui aussi monté sur une planche àroulettes) d'envoyer la balle au-dessus dumarbre. Le frappeur tente de faire contactavec la balle, comme au baseball. Observer leprincipe de l'action-réaction en œuvre sur lelanceur et le frappeur. Dans cette expérienceet dans l'activité suivante, s’assurer que lesélèves portent de l'équipement de protectioncomme des protège-coudes et un casque.

Le mouvement de rotation devrait être discutébrièvement en conjonction avec cette activité.

13. Sur une plate-forme en rotation, maintenir àbout de bras une paire d'haltères. Demander àun assistant de faire tourner la plate-forme.Ramener les haltères le long du corps.Demander aux élèves d'expliquer le fortchangement de la vitesse de rotation quandvous ramenez les haltères vers vous. Faire lerapport entre cette constatation et lechangement de vitesse d'un patineur ou d'unepatineuse artistique lors de l’exécution d’unepirouette. Cette activité aide à expliquer laconservation du moment cinétique. Mêmeremarque que précédemment sur le port devêtements protecteurs.

14. Déterminer la masse d'un mètre à mesurer.Situer le centre de gravité du mètre entrouvant les points d'équilibre sur ses deux


faces planes. Appuyer le mètre sur un troncde cône en un point différent du centre degravité. Placer une simple masse en un pointquelconque du mètre afin qu'il reste enéquilibre statique. Discuter le concept de lasomme de tous les moments qui doivents'annuler pour que l'objet conserve sonéquilibre statique.

Faire plusieurs essais en appuyant le mètre àdifférents endroits et en utilisant différentspoids. Répéter en plaçant plusieurs masses àdifférents endroits. Risquer des prédictionspour d'autres expériences et tester l'exactitudedes prédictions.

15. Démontrer le paradoxe du centre de gravité.Coller une masse à proximité d'une desextrémités d'un mètre à mesurer. Tenter demaintenir en équilibre le bâton en lesoutenant avec un doigt à une extrémité,d'abord avec l'extrémité pesante en bas, etensuite en haut.

Les élèves doivent savoir que plus le centre degravité d'un objet est bas, plus il est stable.Cependant, dans le paradoxe, le mètre àmesurer est plus facile à garder en équilibrequand la masse est plus proche de l'extrémitédu haut. Cette démonstration devraitpermettre de lancer une intéressantediscussion sur l’équilibre et la stabilité.

16. L'activité suivante peut servir à explorer laconstruction d'un tipi traditionnel. Lesmatériaux nécessaires sont 15 tiges de lataille 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-dentsronds, des ciseaux, un crayon et du rubangommé.

Assembler les tiges conformément au schémade la page suivante. Attacher avec du fil.Découper une couverture en tissu. Coudre lacouverture. Décorer la couverture et l’attacherà la structure. Souvent, les décorations destipis sont inspirées par des visions et desrêves.

Décider de l'emplacement de la porte.Découper une ouverture pour la porte. Déciderde l'orientation du tipi en fonction de ladirection du vent dominant. Demander auxélèves d'expliquer pourquoi un tipi est unestructure stable par vent fort.

Examiner les courants de convection àl'intérieur du tipi. Ceci aide à expliquerpourquoi un feu reste allumé dans un tipi.

Si les élèves sont intéressés à poursuivre cesujet, leur faire construire une réplique d'untipi grandeur nature.


Un tipi

Physique 30 – L’énergie mécanique – P. 201

Unité obligatoire II : L’énergie mécanique

Vue d'ensemble

Le travail, l'énergie et la puissance, sujets de cetteunité, sont essentiels à tout programme d'études dephysique au secondaire. Ces sujets sont traités icien adoptant la perspective selon laquelle l'énergieest une ressource. D'autres points de vue pourtraiter les concepts de cette unité sont possibles, etcertains livres de physique les ont retenus. Le faitde considérer que l'énergie est une ressource placeles concepts de l'énergie mécanique dans le cadre del’approche STSE. Ainsi, les élèves trouvent-ils cesconcepts plus pertinents et plus intéressants àétudier.

Une approche possible à retenir lors de laplanification de cette unité obligatoire est d'intégrerle thème de l'énergie tout au long de l'ensemble desunités obligatoires. Il serait même possible de s'enservir comme thème sous-tendant la totalité ducours. Grâce à cette approche, on assure lacontinuité qui fait comprendre pour quelle raisoncette unité obligatoire est primordiale à l'étude de laphysique.


A3 holistiqueA4 reproductibleA5 empiriqueA7 unique

B2 l'interactionB3 l'ordreB9 la reproduction des résultatsB11 la prévisibilitéB23 l'invarianceB33 l'entropie

C4 la coopérationC5 la mesureC7 l'utilisation des nombresC8 la formulation d'hypothèsesC9 l'inférenceC10 la prédictionC12 l'interprétation des donnéesC15 l'analyseC20 la définition opérationnelleC21 la synthèse

D1 la science et la technologieD3 les effets de la science et de la technologieD4 la science, la technologie et l'environnementD8 les limites de la science et de la technologie

E3 savoir utiliser le matériel prudemmentE7 savoir manipuler les instrumentsE8 savoir mesurer le tempsE11 savoir mesurer la masseE13 savoir utiliser des relations quantitatives

F3 la recherche des données et de leursignification

F5 le respect de la logique

G1 s'intéresser à la scienceG3 continuer d'étudier



• Prendre conscience des questionsenvironnementales et s'y sensibiliser

• Réaliser l'importance d'acquérir unecompréhension de l'énergie

• Reconnaître que différentes cultures

n’envisagent pas pareillement les mêmesquestions

• Réaliser l'impact de la science et de la

technologie sur d'autres règnes • S'efforcer, à titre de personne possédant une

culture scientifique générale, de modelerl'opinion publique

• Réaliser l'impact de la technologie sur les styles

de vie de l'être humain et sur l’environnement • Se servir de son imagination, de son intuition et


• Renforcer sa compréhension des nombres et des

rapports entre eux grâce à des applicationstraitées dans l'étude de la physique (NUM)

• Développer son appréciation de la valeur et des

limites de la technologie dans la société (TEC) • Comprendre et utiliser le vocabulaire, les

structures et les formes d'expression propres àla physique (COM)

P. 202 – Physique 30 – L’énergie mécanique

• Devenir une personne compatissante,

sympathique et impartiale qui apporte unecontribution positive à la société en tantqu’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 forceappliquée par le déplacement d'un objet selon ladirection de cette force appliquée.

Seule la composante de la force appliquée qui agitdans la même direction que le déplacement (d

r)

contribue à la quantité de travail fournie à un objet.

L'unité de travail est le newton-mètre (N·m). Unjoule (J) est la quantité de travail effectuée quandune force appliquée d'un newton produit undéplacement 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 duproduit de deux quantités vectorielles.

Tant que la force appliquée et le déplacement ont lamême direction, on peut ignorer la direction dansles calculs du travail. Ceci est possible parce que lecalcul du travail fait intervenir un produit scalairede deux vecteurs. Certains manuels scolaireseffectuent implicitement ce calcul et n'emploient pasle signe vectoriel dans l'équation du travail.

Le travail est positif quand la force appliquée etle déplacement ont le même sens.

dF = Wrr

.detpar formé anglel' est ?où?cosrrrr

FdF=W∴


Le travail est négatif quand la force appliquée etle déplacement ont des sens opposés.

Le travail positif peut s’additionner au travailnégatif pour donner le travail net.

Le travail peut être déterminé graphiquement entrouvant l'aire sous la courbe de la force appliquéeen fonction du déplacement.

L'énergie est la capacité de produire un travail.Quand du travail est accompli, de l'énergie a ététransmise d'un objet à un autre.

W = ∆E

Une transformation d'énergie survient quand del'énergie est convertie d'une forme à une autre.

Quand a lieu une transformation d'énergie, toutel'énergie disponible n'est pas utilisée pour produiredu travail utile. Une partie de celle-ci esttransformée en chaleur ou en une autre formed'énergie.

La maximisation du rendement durant unetransformation d'énergie est l'exploitation au mieuxde l'énergie disponible. Cette opération contribue àla conservation des ressources naturelles.



• 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 aitdéplacement;

° le déplacement est perpendiculaire à uneforce appliquée;

° un objet se déplace sans qu'il y ait une forcequi s’exerce sur lui.

• Déterminer la composante d'une force appliquéequi agit dans la même direction que ledéplacement

• Exprimer les unités fondamentales SI et lesunités dérivées pour le travail, l'énergie etd’autres grandeurs reliées à la physique

• Énoncer que le travail est une quantité scalaire

• Calculer graphiquement le travail à partird'une courbe de la force appliquée en fonction dudéplacement

• Donner des exemples qui illustrent comment

l'énergie est transférée d'un objet à un autrependant la production d'un travail

• Réaliser que, lors d'une transformation

d'énergie, toute l'énergie disponible n'est pastransformée en travail utile. Une certainepartie de l'énergie est convertie en chaleur ou end'autres types d'énergie

• Résoudre des problèmes relatifs au travail et à

l'énergie


1. Demander à la classe de concevoir etd’effectuer une expérience destinée à comparerla quantité de travail produite sur un objetque l'on élève verticalement, ou que l'onmonte sur un plan incliné jusqu'à la mêmehauteur verticale.

2. Souder des crochets à l'intérieur et à mi-hauteur d'une boîte de conserve vide. Attacherun lourd écrou de métal ou une rondelle à unebande élastique et relier la bande auxcrochets. Faire rouler la boîte sur le plancher.Après s’être arrêtée, elle repart dans le sensopposé. Les élèves doivent déterminer d'oùprovient l'énergie qui fait rouler la boîte dansle sens inverse. Leurs prédictions seront plussurprenantes si vous fermez les extrémités dela boîte, afin de cacher ce qui se passe àl'intérieur.

3. Demander aux élèves de monter différentssystèmes de poulies. Effectuer diversesactivités destinées à déterminer la forceappliquée requise pour soulever différentspoids à vitesse constante. Déterminer letravail en entrée et le travail de sortie.Discuter le rendement de chaque système depoulies. Discuter l'idée d'une économiemécanique découlant de l'utilisation decertains systèmes de poulies.


B. Puissance

Concepts clés

La puissance (P) est la vitesse à laquelle untravail est accompli. On peut aussi considérer quec'est le rythme auquel l'énergie est consommée.

L'unité SI de la puissance est le watt (W).

1 W = 1 J/s

Les préfixes dans le système de mesure SI jouent lerôle de multiples.

Le kilowatt est l'unité la plus courante pourmesurer la puissance.

1 kW = 1 x 103 W

L’expression employée pour décrire la puissanceproduite par un objet en mouvement est :

P = F(vmoy)

Pour exprimer la puissance, on emploie souvent leterme « cheval » (« chevaux »). L'unité non SI pourexprimer cette puissance est le cheval-vapeur quivaut 736 watts.



• 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, danscertaines applications, il est essentiel deconnaître des unités non SI de mesure

• Résoudre des problèmes relatifs au travail, à la

puissance et à l'énergie


1. Les élèves peuvent mesurer le temps quemettent leurs camarades à monter desescaliers en courant. Le poids des participantssera déterminé par un pèse-personne.(Certains élèves peuvent hésiter à dévoilerleur poids aux autres.) Comparer la puissancede sortie de différentes personnes. Une brèvepériode de réchauffement est recommandéeafin d'éviter les blessures.

2. Comparer la puissance fournie par diverstypes de systèmes biologiques ou mécaniques.Intégrer cette activité au programme debiologie.

3. Comparer, dans le cadre d'une expérience, lapuissance de systèmes différents.

tE

= P

E = Wt

W = P

∆∆


C. Énergie cinétique

Concepts clés

Un objet a une énergie cinétique de masse (Ec)s'il est en mouvement. L'expression « énergiecinétique de masse » s’emploie pour distinguer entrel'énergie cinétique totale d'un objet à l'échellemacroscopique et l'énergie cinétique des moléculesindividuelles à l'échelle moléculaire.

L'unité de l'énergie cinétique est, comme pour lesautres formes d'énergie, le joule.

L'énergie cinétique et la quantité de mouvementsont deux grandeurs qui sont conservées durant unecollision élastique. Une collision élastique estune collision durant laquelle il n'y a pas dechangement d'énergie. Les molécules du gaz idéalsubissent des collisions élastiques.

La plupart des collisions qui se produisent dans lanature, à l'exception de celles survenant à l'échellemicroscopique, sont des collisions inélastiques .Une certaine quantité d'énergie se dissipe quand lesobjets entrent en contact. Cette énergie dissipéepeut donner lieu à de la chaleur, du son, de lalumière ou d'autres formes d'énergie. Elle peutégalement produire une déformation physiquepermanente des objets en collision. La quantité demouvement est conservée, comme dans n'importequelle collision.



• Définir les termes suivants : énergie cinétiquede masse, collision élastique, collisioninélastique

• Distinguer entre une collision élastique et une

collision inélastique • Montrer comment les unités fondamentales de

l'énergie cinétique ou de l'énergie potentiellesont reliées aux unités dérivées (J) de l'énergie

• Résoudre des problèmes relatifs à l'énergie

cinétique

• Trouver dans la nature des exemples de

collisions élastiques et de collisions inélastiques


1. Effectuer une activité destinée à étudier laconservation de l'énergie cinétique et de laquantité de mouvement dans une collisionélastique.

2. Étudier expérimentalement le changement del'énergie cinétique et la conservation de laquantité de mouvement dans une collisioninélastique. À partir de ces résultats et deceux de l'activité précédente, récapituler lesdifférences entre les collisions élastiques et lescollisions inélastiques.

mv21

= E 2c

mN =)s/mkg( = J 22

⋅1 11


D. Énergie potentiellegravitationnelle

Concepts clés

L'énergie potentielle gravitationnelle (Eg) estl'énergie emmagasinée, du fait de la position d'unobjet par rapport au niveau du sol ou par rapportà un autre niveau de référence arbitraire appeléniveau de base.

Eg = mgh

1 J = 1 kg·m/s2·m

= 1 N·m

Quand un objet est soulevé verticalement, le travailfourni à l'objet donne lieu à une énergie potentiellegravitationnelle.

Quand un objet est relâché d'une certaine hauteur,il perd son énergie potentielle gravitationnelle pourgagner de l'énergie cinétique, de sorte que lechangement net d'énergie est nul. L'énergiemécanique totale, soit la somme de l'énergiecinétique et de l'énergie potentielle gravitationnelle,demeure inchangée. (Principe de la conservation del'énergie



• Définir les termes suivants : énergie potentiellegravitationnelle, 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 uneaugmentation de l'énergie potentiellegravitationnelle

• Résoudre des problèmes relatifs à l'énergie

potentielle gravitationnelle, et concernant larelation entre l’énergie cinétique et l’énergiemécanique totale


1. Attacher un pendule à un support au boutd'une table. Utiliser un fil pour retenir unelourde masse. Placer une lame de rasoiraiguisée au-dessus de la masse quand elle esten position de repos. (Autre montage possible :employer une torche sécuritaire et alimentéeau propane. Elle coupera le fil de façon plusgraduelle. Attention de ne pas se brûler.) Tirerla masse d'un côté. Déterminer son énergiepotentielle par rapport à sa position de repos.Relâcher la masse. Au moment où la lame derasoir (ou la torche) sectionne le fil, la massepoursuit sa trajectoire balistique jusqu'au sol.

Sur le plancher, à l'endroit où la masse devraitatterrir, placer une feuille de papier blanc avecun papier carbone par derrière afind'enregistrer le point d'atterrissage de lamasse. (C’est le moment d’essayer lesnouveaux papiers « sans carbone » ou« autocopiant ».)

Utiliser les déplacements horizontaux etverticaux de la masse pour connaître la vitessehorizontale initiale (celle de sa trajectoirebalistique) au point de libération de la masse.Une fois cette vitesse horizontale connue,établir l'énergie cinétique de la masse dupendule au point le plus bas de la trajectoiredu pendule. Comparer l'énergie potentielleinitiale du pendule et l'énergie cinétique aupoint le plus bas de sa trajectoire.

2. L'activité précédente peut être refaite avec unelame de rasoir qui sectionne le fil avant que lamasse atteigne sa position de repos. Cettesituation est légèrement plus difficile àanalyser, puisque la masse-projectile s'échappeavec une vitesse initiale ayant une composanteverticale et une composante horizontale. Lavitesse instantanée de la masse au point delibération doit être déterminée.


Si le projectile est lancé de sorte que l'anglesous l'horizontale soit (θ), les meilleurs élèvespourront parvenir à déduire la relation :

?cos

?tg 2

2

vddd x

xy r

rrr

+=

Calculer l'énergie potentielle initiale de lamasse, ainsi que l'énergie potentielle etl'énergie cinétique à l'instant de la séparation.Démontrer que l'énergie mécanique estconservée.

3. Attacher un yo-yo à un dynamomètre. Laisserle yo-yo monter et redescendre. Pendant sonmouvement, observer le pointeur de l'échellegraduée du dynamomètre. Tenter de trouverce qui arrive au poids apparent du yo-yopendant son mouvement. (Les changementsdu poids apparent sont dus à la transformationde l’énergie potentielle et de l’énergiecinétique.) Autre activité possible pourillustrer la même chose : la roue de Maxwell.

4. Un chronographe peut déterminer la vitessed'un objet en chute libre juste avant qu'ilpercute le sol. L'énergie cinétique peut alorsêtre comparée à l'énergie potentiellegravitationnelle initiale de l'objet, en fonctionde la hauteur de sa chute.

5. Effectuer une activité destinée à étudier larelation entre l’énergie cinétique, l’énergiepotentielle gravitationnelle et l’énergiemécanique totale d'un objet tombantverticalement ou se déplaçant suivant uneautre trajectoire.

P. 208 – Physique 30 – L’électricité

Unité obligatoire III : L’électricité

Vue d'ensemble

Les sujets traités dans cette unité sont lesapplications de l'électricité, le courant et ladifférence de potentiel, les circuits électriques, lapuissance et l'énergie électrique. Les applicationsmettant en œuvre l'électricité, traitées dans lasection A, forment le corpus de base sur lequels'appuient les autres sujets abordés dans cetteunité. L'unité facultative VII pourra servir deprolongement à cette unité obligatoire.


A4 reproductibleA6 probabilisteA7 uniqueA9 reliée à l'être humain/à la culture

B2 l'interactionB9 la reproduction des résultatsB10 la cause et l'effetB12 la conservationB14 le cycleB17 le champB20 la théorieB22 les entités fondamentales

C2 la communicationC8 la formulation d'hypothèsesC10 la prédictionC12 l'interprétation des donnéesC15 l'analyseC16 l'expérimentationC17 l'utilisation des mathématiques

D3 les effets de la science et de la technologieD5 le manque de compréhension du publicD9 l'influence de la société sur la science et la

technologie

E3 savoir utiliser le matériel prudemmentE12 savoir se servir d'instruments électroniquesE13 savoir utiliser des relations quantitatives



G2 devenir plus confiantG3 continuer d'étudierG6 préférer les réponses scientifiques

G8 préférer les explications scientifiques



• Interpréter les renseignements qui apparaissentsur des schémas de circuits électriques

• Montrer sa capacité à déduire et à manipulerun grand nombre de formules lors de larésolution de problèmes

• Appliquer sa connaissance des concepts surl'électricité à des expériences courantes et à desréalisations pratiques

• Réaliser l'importance de la sécurité lors del’utilisation d'équipement électrique

• Effectuer une diversité d'activités axées surl'étude de l'électricité

• Trouver des façons de conserver l'énergieélectrique

• Se pencher sur les conséquences d'uneaugmentation de la consommation del'électricité dans l'avenir

• Faire appel à la déduction et à l'induction dansla résolution de problèmes de physique

• Comprendre et se servir de la terminologie, desstructures, des formes et des expressions quisont propres à la physique (COM)

• Comprendre l'utilisation correcte et l’utilisationabusive des concepts mathématiques dans la viequotidienne (NUM)



• Reconnaître la valeur et les limites de latechnologie dans la société (TEC)

• Satisfaire ses propres objectifs d'apprentissage(AUT)

Physique 30 – L’électricité – P. 209

• Se traiter soi et traiter les autres, avec respect(VAL)

A. Applications

Concepts clés

Parmi les applications suivantes, en traiter aumoins trois. Ces applications peuvent être traitéesséparément, ou de préférence intégrées aux autresconcepts clés touchant l'électricité. Tout au long dessections B, C et D de l'unité obligatoire III, vousaurez l'occasion d'exposer des applicationsapparentées. Ce sujet permettra de lancer les élèvesdans des activités d'apprentissage autonome.

Il est difficile d'entrevoir ce que seront dans l'avenirles nouveaux développements et les nouvellesapplications relatifs à l'électricité. À mesure que lesprogrès en science et en technologie ferontapparaître de telles applications, on encourage lesenseignants et enseignantes à les ajouter à la listeci-contre.

L'enseignant ou l'enseignante de physique choisirales connaissances et les concepts qui serontdéveloppés. Cependant, quel que soit le degré dedéveloppement de l'application, il faudra toujoursétablir un lien entre l'application, et lecomportement de l'électricité et les autresphénomènes de physique.

En outre, l'étude de ces applications et d'autresapplications doit mettre l'accent sur l’approchescience-technologie-société-environnement (approcheSTSE) du nouveau programme. Les enseignants etenseignantes doivent saisir toute occasion derenforcer les relations STSE (Aspect D del’alphabétisme scientifique).

On recommande d'exposer le contexte historique deces applications et perfectionnements afin d'insérerl'étude de la physique dans un cadre social ethistorique. Les élèves doivent aussi être sensibilisésau fait que de nombreuses réalisationsremarquables en science et dans d'autres disciplinesde la connaissance humaine sont l'œuvre desolitaires qui ont bouleversé les idées reçues et lesnormes acceptées et gagné leur point malgré lacritique 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.


• 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.


1. Rechercher les principes de physique entranten jeu dans la machine à photocopier. Passeren revue le système optique, les circuitsélectriques, 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 enchoisir un ou plusieurs reliés et en faire uneanalyse détaillée. Si l’on dispose d'unphotocopieur à l’école, il pourra servird'excellent point de départ pour cetterecherche. Tenter d'organiser une « visite » duphotocopieur quand un technicien d'expérienceest en train de l'entretenir et est prêt àexpliquer aux élèves le fonctionnement de lamachine.

2. Construire un thermocouple élémentaire ouutiliser un produit commercial afin d'étudierla quantité de courant que peut produire ungradient de température entre une régionchaude et une région froide.

3. Concevoir une série d'expériences destinées àtester des piles et à comparer leur rendement.Examiner en particulier les facteurs suivants :rapport qualité/prix, énergie de coupure à lafin de la vie de la pile et efficacité dans desconditions froides.

4. Concevoir une expérience destinée à comparerle rendement économique d'une ampouleélectrique « longue durée » à celui d'autresmarques ayant le même wattage.

5. Étudier les nouvelles ampoules dites « à grandrendement ». Concevoir des expériencesdestinées à comparer leur rendement.

6. Laisser les élèves recourir au centre deressources afin d'étudier les prises de terre.Expliquer les circonstances dans lesquelles on

s'en sert. Voir si un électricien peut parler deces dispositifs et d'autres sujets se rapportantà l'électricité.

7. Entreprendre une recherche sur lesprincipales méthodes pour produire del'énergie électrique en Saskatchewan etailleurs au Canada. Indiquer les avantages etles inconvénients de chacune, en relevant leurimpact sur l'environnement. Laisser les élèveschoisir la méthode la plus valable. Ils doiventêtre prêts à défendre leur point de vue.

Ou bien, organiser un débat durant lequelchaque équipe défend ou s'oppose à unecertaine méthode de génération d'électricité.

Est-ce que votre choix de la filière la plusvalable pour produire de l'électricité, établie aucours de ces activités, serait le même si vousappreniez qu'une centrale de productiond'électricité allait être construite dans votrelocalité? Quelles en seraient les conséquencespour les personnes, l'environnement etl'économie de la région?

Discuter du syndrome « d’accord, mais pasdans ma cour », que l'on constate dès quecertaines personnes apprennent que l'on vaconstruire une centrale électrique près del'endroit où elles demeurent.

Contacter SaskPower (Saskatchewan PowerCorporation) afin d'obtenir des publicationsrécentes sur l'électricité.


B. Courant et différence depotentiel

1. Courant

Concepts clés

La grandeur de la charge d'un simple proton ou d’unélectron est appelée la charge élémentaire, e.

e = 1,602 x 10-19 C, où C = 1 coulomb.

La loi fondamentale de l'électrostatiquestipule que :

Les charges électriques opposées s'attirent,tandis que les charges semblables serepoussent. Les objets chargés attirentcertains objets neutres.

Une charge d'un coulomb (C) représente unexcédent ou un déficit de 6,24 x 1018 électrons.

La relation entre la quantité de charge (Q) sur unobjet 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 deconduction fermé comprenant une source d'énergieélectrique, un conducteur et une charge (ouutilisation) qui consomme l'énergie électrique.

Un courant électrique est la vitesse d'écoulementdes charges à travers la section transversale d'unconducteur. Par convention, on considère que lecourant est un flux de charges positives.

L'unité fondamentale SI de l'intensité du courantest l'ampère (A). 1 A = 1 C/s

où I est l'intensité du courant, Q est la quantité decharge et t le temps.

Un ampèremètre est un appareil qui mesurel'intensité du courant dans un circuit électrique. Ondoit raccorder celui-ci en série dans le circuit. Sarésistance interne doit être faible.

Un galvanomètre mesure de très faibles intensitésde courant électrique.Il faut représenter les circuits électriques par desschémas clairs et précis. On utilise aussi des

schémas fonctionnels et des représentationsgraphiques.

Un schéma est un plan ou un dessin quireprésente, au moyen de symboles, les composantsdu circuit et les relations entre eux.

Par convention, sur les schémas, on emploie dessymboles pour représenter divers éléments.

Les schémas illustrent comment sont raccordés leséléments d'un circuit électrique.

Les schémas sont utiles pour le dépannage et laréparation des circuits électriques. Ils servent aussià la conception de nouveaux circuits.

Le mouvement des charges dans le courantcontinu (CC) ne change pas de sens.

Le mouvement des charges dans le courantalternatif (CA) change de sens périodiquement.



• Définir les termes suivants : chargeélémentaire, circuit électrique, courantélectrique, ampèremètre, schéma, courantcontinu, 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'unobjet 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 mesurel'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

tQ = I


• Expliquer la différence entre le courant continuet le courant alternatif


1. Montrer comment utiliser un ampèremètrepour mesurer l'intensité du courant dans uncircuit électrique.

2. Fixer un tube à arc progressif (échelle deJacob) à une alimentation à haute tension.Observer l'ascension de l'arc dans le tube.Fermer le tube afin de produire des oxydesd'azote. Aspirer le gaz du tube et le dissoudredans l'eau. Tester le pH. Comparer celui-ci àcelui de l'eau du robinet.

Cette activité montre comment les éclairsproduisent des nitrates qui stimulent lacroissance des plantes. L'ozone produit dansl'air pourra aussi se trouver en concentrationappréciable. Relier cette activité auprogramme de biologie.

D'autres démonstrations intéressantespeuvent s’effectuer, si l'appareillage est surplace. Les bobines de Tesla, les générateursVan de Graff et les machines de Wimshurstsont des appareils qu'il est bon d'avoir pour leprogramme de Physique 30.

3. Frotter un tube fluorescent avec un morceaud'emballage de sandwich transparent. Ildevrait briller dans le noir quand on le frotte.Un tube fluorescent placé dans un four micro-onde doit se mettre à briller.

Placer une des broches d'un tube fluorescentprès d'une bobine de Tesla. Il brillera. Certainsélèves s'interrogeront sur le fait que l'on neprend pas de décharge électrique quand ontient le tube fluorescent près de la bobine deTesla. Des tubes spectrum pourront égalementfaire l'affaire.

Placer une ampoule incandescente de 60 Wprès d'une bobine de Tesla. Demander auxélèves d'observer la décharge qui se produit àl'intérieur de l'ampoule.

4. Si la gravitation universelle a été traitée avecles élèves, introduire la force de Coulomb. Lesélèves devraient être en mesure de reconnaîtrel'analogie entre les deux lois.

F kq qr

= 1 2

2

où F est la force entre les deux charges, q1 etq2, qui sont séparées par la distance r.

La constante de Coulomb est :

(k) = 8,987 Nm2/C2

2. Différence de potentiel électrique

Concepts clés

Un champ électrique est une région de l'espaceoù s'exerce une force sur une charge d'essaiélectrique.

Les lignes de force électriques représentent ladirection suivant laquelle se déplace la charged'essai dans un champ électrique. Par convention,elles partent d’objets chargés positivement etaboutissent aux objets chargés négativement.

Une charge dans un champ électrique subit leseffets d'une force électrique.

Un travail est effectué par le champ électrique, si laforce électrique agissant sur la charge entraîne sondéplacement d'un point vers un autre. Ces deuxpoints n'ont pas le même potentiel électrique.

La grandeur du travail effectué sur une charge parun champ électrique est une mesure de la différencede potentiel.


La différence de potentiel électrique (V) est letravail effectué par unité de charge quand un objetchargé se déplace entre deux points dans un champélectrique.

Le volt (V) est l'unité utilisée pour mesurer ladifférence de potentiel électrique. N.B. Les élèvesconfondent souvent l'abréviation V servant àexprimer l'unité (volt) et le symbole qui désigne ladifférence de potentiel électrique. On doit soulignerle fait que parfois le même symbole sert à indiquerdes réalités différentes. Vous pouvez illustrer ceci enprésentant d'autres exemples.

Lors de la résolution de problèmes, les élèvesdoivent être en mesure de développer chacune desrelations suivantes. (Il existe d'autres relations,mais celles-ci sont les plus employées.)

Une différence de potentiel électrique doit existerpour qu'un courant circule dans un circuitélectrique.

Pendant que la charge se déplace d'un point à unautre d’un circuit électrique, il y a dégagementd'énergie. Ceci a pour effet de diminuer le potentielélectrique. La diminution du potentiel électriqueimplique qu'il y a une différence de potentielélectrique entre les deux points. (Le terme différencede potentiel électrique doit être préféré à celui de« tension ».)

Le potentiel de la Terre est fixé arbitrairement àzéro.

Un objet connecté directement au sol est mis à laterre.

Une masse peut être un plan commun de tensionnulle par rapport au reste du circuit. C'est ce qu'onappelle parfois la masse du châssis.

Le potentiel en un point quelconque d’un champélectrique peut être positif ou négatif par rapport àla terre, selon la nature de la charge.

Un voltmètre sert à mesurer la différence depotentiel électrique entre deux points d’un circuitélectrique. Il est raccordé en parallèle aux bornes dela charge du circuit. Il possède une très granderésistance interne.

Dans un circuit à courant continu, l'ampèremètreet le voltmètre doivent être raccordés de sortequ'une certaine borne de l'appareil de mesure puisseêtre identifiée comme étant la même borne que cellede la source de différence de potentiel.

Sur les instruments multicalibres, on utilise enpremier le calibre le plus élevé, puis on passeprogressivement aux calibres plus faibles. (Lesnouveaux appareils électroniques exploitentdifférentes méthodes.) Un mauvais raccordementpeut endommager les appareils de mesure.Résultats d'apprentissage


• Définir les termes suivants : champ électrique,charge d'essai positive, lignes de force du champélectrique, masse du châssis, différence depotentiel électrique

• Indiquer la convention employée pour

représenter les lignes de force dans un champélectrique

• 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 forceélectrique a pour effet de déplacer la charge d'unpoint à un autre

• Expliquer que la grandeur du travail effectué

pour déplacer la charge est une mesure de ladifférence de potentiel entre deux points

• Indiquer et appliquer correctement les unités

employées pour mesurer la différence depotentiel électrique

• Réaliser que certains symboles en physiquepeuvent parfois représenter des réalitésdifférentes dans des contextes différents

• Résoudre des problèmes relatifs à la différence

de potentiel électrique

QW = V

Itmad

= V

ItFd

= V

ItW = V

QFd

= V

QW = V 1 volt = 1 joule/coulomb

1 volt = 1 (newton·mètre)/coulomb

1 volt = 1 joule/(ampère·seconde)

1 volt = 1 newton·mètre)/(ampère·seconde)

1 volt = 1 (kg·m 2 /s 2 )/(A·s)


• Illustrer les relations qui existent entre desunités fondamentales et des unités dérivées dephysique

• Réaliser qu'une diminution d'énergie, durant ledéplacement d'une charge dans un circuit, setraduit 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 potentielnégative

• Nommer l’instrument qui sert à mesurer la

différence de potentiel électrique dans un circuitélectrique

• Montrer comment raccorder un voltmètre à un

circuit électrique • Expliquer comment les bornes d'un voltmètre et

d'un ampèremètre doivent être reliées dans uncircuit électrique

• Développer différentes relations durant la

résolution de problèmes sur la différence depotentiel électrique


1. Montrer qu'il n'y a pas de courant dans uncircuit électrique à moins qu'il existe unedifférence de potentiel.

2. Concevoir et effectuer une activité destinée àétudier la différence de potentiel électrique.

3. Montrer comment entretenir et utiliserl'équipement. Montrer les précautions àrespecter quand on travaille avec del'équipement électrique. Mettre l'accent sur lesmesures de sécurité à prendre quand on sesert de l'électricité.

4. En Europe, le courant alternatif est du240 V à la fréquence de 50 Hz. Demander auxélèves d’expliquer pourquoi la norme enEurope diffère de celle utilisée en Amérique duNord. Quels sont les avantages et lesinconvénients du système européen? Quelsgenres de difficultés peuvent rencontrer lesvoyageurs quand ils se rendent dans desendroits où la norme de distribution del'électricité est différente? Quelle mesure doit-on prendre si on emporte en Europe de

l'équipement électrique fabriqué en Amériquedu Nord?

5. Actuellement, des recherches sont en courspour déterminer si le fait de demeurer près delignes de transmission à haute tension nepourrait pas affecter la santé. Étudier desrapports ou des articles scientifiques quitraitent de la question.

6. Une cellule électrochimique illustre le fait quel'énergie chimique peut être convertie enénergie électrique.

Réaliser une cellule électrochimique. Reliercette activité à l'unité sur l’oxydation-réduction du programme de Chimie 30.

(Pour obtenir des détails sur les produitschimiques et les électrodes à utiliser, et sur lamanière de connecter les cellules, consulter unlivre de chimie. Une façon de faire consiste àconnecter un fil de cuivre à l’extrémité d'uneampoule de torche, et un ruban de magnésiumà l'autre extrémité. Maintenir l'ampoule avecdes pinces et la mettre dans une solution deHCL 3 M. Raccorder les électrodes à uneampoule avec du fil de cuivre. Quand lesélectrodes entrent en contact avec les produitschimiques, l'ampoule s'allume.)

Ayant démontré que l'électricité traverse cecircuit, enlever l'ampoule et connecter unvoltmètre-ampèremètre. Prendre des mesures.Voir si la tension ou l'intensité du courantdépend de la surface des électrodes en contactavec les solutions chimiques, ou de laconcentration de la température des solutions.Étudier la question qualitativement.


3. Loi d'Ohm

Concepts clés

L'augmentation de la résistance dans un circuitdiminue la conductance du circuit. Résistance etconductance sont en relation inverse.

Quand la différence de potentiel s'accroît aux bornesd'un matériau du circuit, la circulation du courantdans cet élément s'accroît aussi. Un graphique dela différence de potentiel en fonction du courantpour un matériau donné illustre bien cetteconstatation. (Ceci n'est pas vrai pour tous lesmatériaux.)

La loi d'Ohm stipule que la différence de potentielentre deux points quelconques d'un conducteur estdirectement proportionnelle au courant qui traversele conducteur. (La loi d'Ohm n'est vérifiée que dansles matériaux ohmiques. Les matériaux nonohmiques ne manifestent pas une telle relation deproportionnalité directe.)

V α I, V = IR (loi d'Ohm)

où R est la résistance exprimée en ohm.

1 ohm = 1 volt/ampère

Le symbole employé pour désigner l'ohm est lalettre grecque oméga (Ω).

La résistance d'un composant résistif (résistance)dépend de la longueur, de la section transversale, dela température et de la résistivité du matériau.

La résistance est directement proportionnelle à lalongueur du conducteur (L). La résistance variecomme l'inverse de sa section transversale (A).

La résistance croît généralement avec latempérature. Certains matériaux manifestent unesupraconduction (leur résistance chute à zéro)aux basses températures. La température à laquelleles matériaux deviennent supraconducteurs estvariable.

La résistance dépend de la résistivité (ρ ) dumatériau. La résistivité est définie comme larésistance d'un cylindre du matériau d'un mètre delongueur et de 1 m2 de section transversale.

=

AL

?R

Elle est mesurée en Ωm2/m. Certains manuelsscolaires utilisent le symbole Ωm.)



• Définir les termes suivants : résistance,conductance, supraconduction, résistivité

• Réaliser qu'il existe une relation entre ladifférence de potentiel et le courant encirculation dans un circuit

• Énoncer la loi d'Ohm

• Résoudre des problèmes électriques enappliquant la loi d'Ohm

• Exprimer la résistance avec les bonnes unités etle bon symbole

• Identifier quatre facteurs qui influencent larésistance d'un élément résistif cylindrique

• Exprimer les relations de proportionnalité desfacteurs qui affectent la résistance d'un élémentrésistif cylindrique

• Exprimer la résistivité d'un matériau avec lesbonnes unités et le bon symbole

• Résoudre des problèmes concernant les facteursqui influencent la résistance d'un élémentrésistif cylindrique


1. Étudier expérimentalement la loi d'Ohm. Tracerun graphique qui montre la relation entre ladifférence de potentiel et le courant dans lecircuit.

2. Connecter un thermistor à un voltmètre, à unampèremètre multicalibre et à une sourced'alimentation continue. Placer le thermistordans de l'eau glacée. Chauffer lentement l'eau etenregistrer les lectures du cadran électriquepour différentes températures, jusqu'àl'ébullition de l'eau. Calculer la résistance àdifférentes températures. Tracer la résistanceen fonction de la température absolue etanalyser les résultats afin de déterminer s'il n'ya qu'un seul coefficient thermique pour larésistance.


Comme projet à long terme, placer unthermistor dans des courants d'air et mesurerles effets. Développer une technique pourmesurer la vitesse du vent et l'humiditérelative; consigner les résultats. Chercher touterelation qui pourrait se dégager des résultats.

C. Circuits électriques

1. Lois de Kirchhoff

Concepts clés

Les lois de Kirchhoff sont des applications de deuxlois de la conservation fondamentales : celle de laconservation de l'énergie et celle de la conservationde la charge.

Dans tout nœud d'un circuit électrique, l'intensitétotale du courant qui arrive dans le nœud est lamême que celle qui quitte le nœud (loi des nœuds deKirchhoff ou première loi de Kirchhoff).

La somme algébrique des différences de potentieldans un circuit complet doit être nulle (loi desmailles de Kirchhoff ou seconde loi de Kirchhoff).

Les lois de Kirchhoff sont utiles pour biencomprendre le transfert d'énergie à travers uncircuit électrique. Elles sont aussi pratiques pouranalyser les circuits électriques.


L'élève sera capable de :

• Réaliser que les lois de Kirchhoff sont desapplications de la loi de la conservation del'énergie et de la loi de la conservation de lacharge

• 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 deKirchhoff


1. Dans un réseau continu, étudier les rapportsentre la résistance, la différence de potentiel etle courant. Le réseau doit comprendre au moinsdeux charges en parallèle montées en série à aumoins une autre charge. Consigner les mesuresdu courant et du potentiel électrique dans leséléments du circuit. Régler la tension de lasource et recommencer l'opération.


À partir des résultats trouvés, chercher lesrapports existants entre le courant, le potentielélectrique et la résistance dans les éléments duréseau.

2. Circuit en série et circuit enparallèle

Un circuit en série fournit un trajet unique pourle passage des électrons.

Le courant dans toutes les pièces d'un circuit ensérie a la même intensité. Pour n chargesraccordées en série, on a :

Is = I1 = I2 =… = In

La somme des chutes de différences de potentielautour du circuit en série est égale à la somme deshausses de différences de potentiel produites par lesforces électromotrices appliquées.

Vs = V1 + V2 + … + Vn

La résistance totale dans un circuit en série estégale à la somme de toutes les résistancesindividuelles.

Rs = R1 + R2 + … + Rn

Un circuit en parallèle offre plusieurs trajetspour le passage du courant.

Le courant total dans un circuit en parallèle estégal à la somme des courants passant dans lesdifférentes branches du circuit. Pour n chargesraccordées en parallèle, on a :

Ip = I1 + I2 + … + In

La chute de tension aux bornes de chaque branchedu circuit en parallèle est la même :

Vp = V1 = V2 = … = Vn

On peut considérer qu'une résistanceéquivalente consiste en une seule résistance quiremplace deux ou plusieurs résistances.

La résistance équivalente dans un circuit enparallèle s'obtient au moyen de la formule :

R

1++

R

1+

R

1 =

R

1

n21q)(...

é

Les relations données ci-dessus peuvent être aussidémontrées en appliquant la loi d'Ohm et les lois deKirchhoff.

La plupart des circuits électriques combinent desmontages en série et des montages en parallèle. Laloi d'Ohm et les lois de Kirchhoff sont utiles pouranalyser ces types de circuits.



• 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, ladifférence de potentiel et la résistance dans lescircuits en série et dans les circuits en parallèle

• Déterminer la valeur de la résistance

équivalente que l'on peut substituer à deux ouplusieurs résistances montées en série

• Appliquer sa compréhension de la résistance

équivalente à la résolution de problèmes • Réaliser l'importance des lois d'Ohm et des lois

de Kirchhoff dans l'analyse des circuitsélectriques


1. Effectuer une activité destinée à étudierl'intensité du courant, la différence de potentielet la résistance dans les circuits en série et dansles circuits en parallèle.

2. En hiver, montrer comment survolter unebatterie d'automobile. En classe, étudier lesraisons pour lesquelles il faut que la batterie àplat soit connectée en parallèle à la batterie desurvoltage. S'assurer que les batteries d'autosont raccordées correctement. Une connexiondéfectueuse peut provoquer une explosion.

3. Comparer les valeurs théoriques de l'intensitédu courant, de la différence de potentiel et de larésistance dans un circuit avec les valeursmesurées. Expliquer tout écart entre les


grandeurs théoriques et les grandeursexpérimentales.

4. Les élèves devraient essayer de déduire laformule suivante pour deux résistances enparallèle :

Dans le cas d'élèves qui ont de la difficulté avecles fonctions réciproques, la formule ci-dessus« un produit divisé par une somme » serapréférable. Elle n'est valable que pour deuxrésistances. Quand il y a plus de deuxrésistances en parallèle, il devient trop complexe

de tenter de déduire une formule semblable afind'éviter les fonctions réciproques. Utiliser deuxrésistances à la fois et appliquer la formule ci-dessus.

D. Puissance et énergieélectrique

Concepts clés

Dans un circuit électrique, la puissance (P) est letaux de consommation d'énergie.

L'unité dérivée de la puissance est le watt.

1 watt = 1 joule/seconde

Les relations suivantes s'appliquent à la puissancedans 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

1 watt = 1 volt2/ohm

La puissance nominale affichée sur certainsappareils électriques sert de base pour comparer lecoût d'utilisation de ces appareils (ce qui ne tientpas compte du rendement).

L'énergie consommée par un appareil électriquedépend de sa puissance nominale et de la durée deson utilisation.

E = Pt

Le joule est une unité trop petite pour mesurer laconsommation d'énergie électrique. Une unité pluscourante 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 J1 kW·h = 3,6 MJ

tE

= P

RV = P

2

R+RRR = R

21

21q)(

⋅é


On peut calculer le coût d'utilisation de l'électricitési on connaît la quantité d'énergie employée. N.B.Certains livres de physique simplifient à outrancece calcul. Ils passent sous silence tout ce quiconcerne la tarification de base, la redevanced'abonnement, les frais minimums de base facturésquelle que soit la consommation, la tarificationprogressive ou les escomptes accordés auxindustries et autres « grands utilisateurs ». Pour enarriver à un calcul précis du compte d'électricité,vérifier avec la compagnie d'électricité, car les tarifschangent de temps en temps.

La demande d'énergie électrique a augmenté defaçon draconienne dans les dernières années.

Il est important de conserver l'énergie électrique.Cela économise de l'argent au consommateur etréduit la pression imposée à l'environnement.

Certains pays offrent des « escomptes » à ceux quiconsomment une grande quantité d'énergieélectrique, alors que d'autres facturent unesurcharge à ceux qui consomment au-delà d'uncertain seuil. Il s'agit là de deux politiques defacturation différentes.

L'électricité provient de différentes sources auCanada. Chaque méthode de production a desrépercussions particulières sur l'environnement.Étudier la situation en Saskatchewan.



• 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 faireun achat judicieux

• Expliquer pourquoi le joule n'est pas employénormalement comme unité de mesure de laconsommation de puissance électrique

• Indiquer deux unités de mesure employées

couramment pour la consommation d'énergieélectrique

• Résoudre des problèmes relatifs à l'énergie dansles 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 déterminercelle qui est la plus souhaitable et celle qui est lamoins souhaitable

• Suggérer de nouvelles méthodes de production

d'électricité qui pourraient être viables dansl'avenir

• Comprendre la surcharge des circuits dans une

maison (rôle des disjoncteurs et des fusibles)


1. Comparer l'énergie consommée pendant unecertaine période par des appareils électriques àla puissance nominale de ces appareils.

2. Demander aux élèves de concevoir et de mener àbien une activité destinée à calculer le coût del'électricité pour une maison « type » de laSaskatchewan pendant une certaine période.

3. Connecter une alimentation à un petit moteurélectrique. Raccorder un ampèremètre, unvoltmètre et un rhéostat au circuit. Monter lemoteur de façon qu'il soulève de petites massesverticalement. Soulever les masses, consignerles mesures des appareils de mesure et compterle temps nécessaire pour soulever les masses.Déterminer l'énergie électrique fournie aumoteur : E(en) = VIt. Calculer l'énergie restituéepar le moteur en se basant sur le changementde l'énergie potentielle de l'objet soulevé :E(sor) = mgh.

Déterminer le rendement du moteur :

rendement 100 E

E

(en)

(sor) x=


Recommencer l'opération pour diverses chargesou différentes positions du pointeur du rhéostat.Déterminer si le rendement dépend de cesfacteurs.

Débrancher l'alimentation. Laisser tomber lesmasses au sol. Relever les valeurs surl'ampèremètre et le voltmètre. Si l’on observedes valeurs sur le cadran, expliquer d'où vient laforce électromotrice. Si une charge plus lourdeest employée, ce qui fait tourner plusrapidement le moteur non branché, demanderaux élèves de prédire et d'observer ce que lecadran de l'ampèremètre et le cadran duvoltmètre diront.

4. Comparer le coût de l'électricité ou la politiquede tarification en Saskatchewan avec ce quiexiste dans d'autres provinces ou pays.

5. Comparer les politiques de tarification quiappliquent des escomptes ou des surprimes.Évaluer les motifs qui justifient ces différentespolitiques.

6. Avec un calorimètre électrique branché dans uncircuit, enregistrer le changement detempérature dans le circuit au bout d'un certaintemps. Enregistrer les lectures du courant et dupotentiel électrique dans le circuit. Déterminerl'énergie électrique équivalente à la chaleurproduite. Comparer les valeurs expérimentalesaux valeurs acceptées et expliquer les écarts.

À la place du calorimètre, ou en plus de celui-ci,brancher une bouilloire. Il est possibled'effectuer une intéressante comparaison durendement de chacun des appareils.

7. Installer un vélo à dix, douze ou quatorzevitesses sur des rouleaux d'exercice. (Demanderaux élèves ou à des passionnés de vélo s'ils enont. Sinon, utiliser une bicyclette stationnaire,un ergomètre, ou même un jeu de rouesd'exercice monté sans trop de résistance sous laroue arrière.)

Installer une dynamo et un projecteur sur unebicyclette. Connecter un voltmètre et unampèremètre au circuit. Demander à des élèvesde pédaler à toute vitesse (se réchauffercorrectement avant).

Mesurer le courant et la différence de potentielafin de déterminer la puissance électrique

maximale produite. Comparer ceci au rythmequ'il faut maintenir pour fournir une certainepuissance de sortie pendant une période pluslongue. (En moyenne, on peut produire 75 watts.)

Si on dispose de moniteurs cardiaques, destéthoscopes ou de sphygmomanomètres,mesurer à intervalles réguliers le rythmecardiaque. Surveiller la tension sanguine, latempérature de la peau ou d'autres « signesvitaux ». Se servir de ces données commeindicateurs possibles de la capacité aérobique.Demander aux élèves de faire une recherche surla façon dont sont menés les tests médicaux.Intégrer cette activité au cours d'éducationphysique. Visiter un hôpital où l'on effectue destests sur le stress. Trouver comment fonctionneun électrocardiographe ou unélectroencéphalographe. Cette activité peuts'intégrer à l'unité sur les organes des animaux(Biologie 30).

Discuter des transformations d'énergie quiaboutissent à la production d'énergie électrique.Si la bicyclette peut être amenée à l'extérieur,imaginer une activité destinée à calculer letravail effectué pour faire rouler la bicyclette surune certaine distance en terrain plat. (Les élèvespourront imaginer cette expérience. Il ne s'agitpas ici d'une expérience simple. Plusieursvariables sont en jeu.)

Physique 30 – La physique nucléaire – P. 221

Unité obligatoire IV : La physique nucléaire

Vue d'ensemble

L'emploi de l'énergie nucléaire à des fins civiles estcertainement l'un des sujets les plus controversés etprobablement l'un de ceux qui véhicule le plusd'idées erronées sur la physique. Il faut essayer decombler le manque d'information du public, afind'avoir des personnes possédant une culturescientifique générale qui prendront des décisionséclairées concernant l'énergie nucléaire. Onpourrait insister sur le fait que la compréhension del'énergie nucléaire est une exigence essentielle pourtous les élèves.

Pour prendre des décisions éclairées, une personnedoit posséder des connaissances solides qui luipermettent de se forger une idée précise duproblème. Cette unité obligatoire permet aux élèvesde bien comprendre la question de l'énergienucléaire afin d'en parler et d'en discuterintelligemment. Par conséquent, les activitésessentielles de cette unité obligatoire, au coursdesquelles les élèves explorent et discutentl'utilisation des réacteurs nucléaires, sont reportéesà la fin après que les élèves ont acquis lesconnaissances nécessaires pour prendre desdécisions en connaissance de cause et apporter desarguments persuasifs.


A1 publique/privéeA3 holistiqueA4 reproductibleA6 probabilisteA7 uniqueA8 expérimentale

B1 le changementB2 l'interactionB4 l'organismeB11 la prévisibilitéB15 le modèleB16 le systèmeB19 la probabilitéB20 la théorieB22 les entités fondamentales

C1 la classificationC6 la mise en question

C8 la formulation d'hypothèses

C9 l'inférence

C13 la création de modèlesC20 la définition opérationnelle

D1 la science et la technologieD2 le côté humain des scientifiques et des

technologuesD3 les effets de la science et de la technologieD4 la science, la technologie et l'environnementD5 le manque de compréhension du publicD7 la variété d'opinionD8 les limites de la science et de la technologieD9 l'influence de la société sur la science et la

technologieD10 le contrôle de la technologie par la société

E3 savoir utiliser le matériel prudemmentE4 savoir utiliser le matériel audiovisuelE5 savoir se servir d'un ordinateur

F2 la mise en questionF4 le respect des environnements naturelsF6 la prise en considération des conséquencesF8 la prise en considération des prémisses

G1 s'intéresser à la scienceG2 devenir plus confiantG3 continuer d'étudierG6 préférer les réponses scientifiquesG8 préférer les explications scientifiquesG9 apprécier les contributions scientifiques

Objectifs généraux de la physique etdes apprentissages essentielscommuns


• Réaliser que lorsqu'un modèle scientifiquen'explique pas un certain phénomène, il faut quela théorie sous-jacente soit révisée ou rejetée enfaveur de théories plus exactes

• Réaliser que les êtres humains sont

continuellement exposés à des rayonnementsd'origine naturelle ou causés par les activitéshumaines

• Réaliser le danger potentiel que représente

l'exposition du corps et de matériel génétique auxrayonnements

• Comprendre comment une controverse peut

apparaître si des scientifiques ou le public ontdes opinions contradictoires sur une questionscientifique

P. 222 – Physique 30 – La physique nucléaire

• Réaliser que les scientifiques ont le devoir

d'informer la société sur les abus réels oupossibles effectués au nom de la science

• Reconnaître que les scientifiques ont l'obligation

morale de veiller à ce que leurs découvertesservent 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 longterme des rayonnements

• Défendre une position qui approuve ou

désapprouve l'utilisation de l'énergie nucléaire àdes 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 principauxconcepts 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 développementstechnologiques (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 dessels d'uranium brouillaient une plaquephotographique. Il cherchait à établir un lien entreles rayons X et la fluorescence au moyen de cristauxde sulfate de potassium d'uranium.

La radioactivité est la désintégration spontanéede noyaux atomiques instables, accompagnéed'émission de particules ou de rayonnementsélectromagnétiques.

Pierre et Marie Curie étudièrent les minérauxd'uranium par séparation chimique. Ilsdécouvrirent que la pechblende et la chalcosite,des minéraux naturels, manifestaient une activitéhautement radioactive due à la présence deplutonium et de radium.

Tous les éléments que l'on trouve dans la nature etqui possèdent un numéro atomique de 83 ou plus, demême que certains isotopes de quelques élémentsplus légers, sont radioactifs.

À partir des travaux de Rutherford, de Soddy et deVillard, on est parvenu à identifier trois types derayonnement.

Les particules alpha (α) sont des noyauxd'hélium formés de deux protons et de deuxneutrons. Elles sont déviées légèrement par unchamp magnétique ou électrique. Leur pouvoir depénétration est très faible; on réussit à les arrêteravec une mince feuille de papier d'aluminium.

Les particules bêta (β) sont des électrons capablesde se propager à des vitesses proches de celle de lalumière. Leur faible masse fait en sorte qu'elles sontdéviées considérablement dans un champ électriqueou magnétique, dans le sens opposé de la déviationdes particules alpha. Leur grande vitesse leurprocure un pouvoir de pénétration supérieur à celuides particules alpha. Certaines particules bêtapeuvent s'enfoncer de quelques centimètres dans del'aluminium. Certains textes désignent cesparticules sous le nom de « particules bêtanégatives » afin de les distinguer des particules bêtapositives — les positrons.

Les émissions de particules alpha et les émissionsde particules bêta modifient la composition dunoyau.


Les rayons gamma (γ) sont des rayonnementsélectromagnétiques de haute énergie dont lalongueur d'onde est courte. Les rayons gamma,contrairement aux particules alpha et bêta, nechangent pas la composition du nucléide. Leurpouvoir de pénétration extrêmement élevé : ilspeuvent s'enfoncer dans au moins 30 centimètres deplomb.

Tous les nucléides radioactifs ont en commun lescaractéristiques suivantes :• Leurs rayonnements affectent l'émulsion d'une

pellicule photographique, ionisent les moléculesde l'air ambiant, rendent fluorescents certainscomposés et provoquent des effets biologiquesspéciaux.

• Ils subissent une désintégration radioactive.

La radioactivité est un phénomène que l'on observedans certaines sources naturelles et dans deséléments produits artificiellement.

Les êtres humains sont sans arrêt soumis à desrayonnements d'origine naturelle ou d'origineartificielle, c'est-à-dire dus aux activités del'homme. Il faut s'efforcer de minimiser l'expositionaux rayonnements, mais il est impensable de laréduire à zéro.

Voici certains symboles employés couramment pourdésigner les particules subatomiques :

(Un positron est une particule identique à l'électron, maisdont la charge est positive. C'est un exemple« d'antimatière ».)

La radioactivité est indécelable par nos sens. Il fautemployer des détecteurs spéciaux. C'est parce qu'onne peut l'identifier avec nos sens que la

radioactivité est si pernicieuse. Une personne peut yêtre exposée sans le savoir pendant de longuespériodes. Les rayonnements affectent les tissusvivants et le matériel génétique.

Plusieurs dispositifs ont été mis au point pourdéceler la radioactivité, dont le plus ancien est uneplaque photographique vierge placée au voisinage dela source à analyser. Parmi les autres appareils,mentionnons la chambre à brouillard (Wilson), lesélectroscopes, les chambres d'ionisation, le compteurde Geiger-Muller, les chambres à bulles liquides etélectroniques, les détecteurs de scintillation(spinthariscope) et les dispositifs à semiconducteurs.

La dosimètre est la mesure de la dose derayonnement et l'étude de ses effets sur lesorganismes vivants.

On utilise plusieurs unités pour mesurer lesrayonnements.

La dose absorbée correspond à la quantitéd'énergie qui se trouve dans un kilogramme dematière pendant la durée d'exposition. Elle estexprimée en gray (Gy).

1 Gy = 1 J/kg = 100 rad(Le rad n'est pas une unité SI, mais son emploi estgénéralisé.)

Les dommages biologiques subis par un organismes'appellent la dose équivalente, exprimée ensieverts (Sv).

1 Sv = 100 rem = 105 mrem(rem -- rad équivalent pour l'homme)

La dose équivalente (Sv) = dose absorbée (Gy) x unfacteur de qualité (Q).

Le facteur de qualité est un chiffre attribuéà chaque type de rayonnement afin d'en décrire leseffets biologiques.

Q ≈ 1 pour β et γQ ≈ 1 - 2 pour les protons, selon leur énergieQ ≈ 3 - 10 pour les neutrons, selon leur énergieQ ≈ 5 - 20 pour les particules a, selon l’endroitoù elles frappent (l'organe).

L'effet de la radiation absorbée sur les tissusvivants est variable. En outre, les scientifiques nes'accordent pas sur les effets cumulatifs d'une faibleexposition aux rayonnements. Pour ces raisons,aucune période d'exposition à des

positrone ou

bêta)particule électron ( e ou

P proton H ou

n neutron

+01

-0-1

11

11

10

ß

ß

+

(photon)gammarayons

alpha)(particuleouHe 42

γ

α


émissions radioactives ne doit être considéréecomme sûre pour l'être humain ou les autresorganismes vivants. Des recherches additionnellessont nécessaires pour connaître les effets biologiquesà long terme des rayonnements.

Le becquerel (Bq) est l'activité que produit unesource radioactive quand elle est le siège d'unedésintégration par seconde.

1 Bq = 1 désintégration par seconde

On utilise souvent le kBq et le MBq pourcaractériser la radioactivité d'une source. Cetteunité ne fait pas de distinction entre les effets desdivers types de rayonnement.

1 curie (Ci) = 3,7 x 1010 Bq



• Définir les termes suivants : radioactivité,isotopes, particules alpha, particules bêta,rayons gamma, dosimétrie, dose absorbée, doseéquivalente, 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 sourcesartificielles

• Prendre conscience que les êtres humains sont

toujours exposés à des rayonnements émis pardifférentes sources

• Reconnaître que même si l'exposition aux

rayonnements est inévitable, il faut chercher partous les moyens à la minimiser

• Énoncer une généralisation sur les éléments

radioactifs, généralisation basée sur le numéroatomique 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 desparticules alpha, des particules bêta et desrayons gamma

• Indiquer les caractéristiques communes à tousles nucléides radioactifs

• Identifier et interpréter les symboles les plus

courants des particules subatomiques • Montrer comment on utilise correctement

certains symboles fréquents des particulessubatomiques

• Reconnaître que la radioactivité est indécelable

par les sens • Nommer des conséquences importantes

découlant du fait que la radioactivité estindécelable 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 faibleexposition à un rayonnement

• Comprendre qu'aucune période d'exposition à des

émissions radioactives ne doit être considéréecomme sûre pour l'être humain ou les autresorganismes vivants

• Utiliser correctement les unités SI et les unités

dérivées, ainsi que leurs préfixes • Constater que l'on utilise couramment des unités

non SI


1. Les élèves devraient effectuer une rechercheplus approfondie sur un instrument dedétection des rayonnements. Beaucoup d'autresconcepts clés de cette unité se prêtent très bienà des stratégies d'apprentissage autonome.


2. La formule employée pour représenter unélectron peut porter à confusion.

e10

−

Dans la plupart des cas, l'indice désigne le

nombre de protons (p. ex. C614 ). Pour l'électron,

ce nombre correspond à la charge. Certainsélèves pourront en déduire fautivement qu'ils'agit d'un « proton négatif ». Clarifier cetteconvention symbolique.

B. Fission nucléaire

Concepts clés

Un neutron peut être capturé par le noyau d'atomeslourds. Le noyau devient alors instable et se sépare.D'autres neutrons sont libérés au moment de ladivision du noyau.

La fission est le terme employé pour parler de ladivision de noyaux lourds en deux ou plusieursnucléides.

Les neutrons lents sont plus facilement capturéspar le noyau. Un modérateur est un milieu qui apour rôle de ralentir la vitesse des neutrons.

Font d'excellents modérateurs le graphite, l'eaulourde et le béryllium, car ils ralentissent lesneutrons sans les absorber.

Les neutrons libérés par la fission se propagent trèsrapidement en l'absence d'un modérateur.

Une très grande quantité d'énergie est libéréequand un atome subit une fission (~ 200 MeV).

Dans une réaction de fission type, l'énergie dégagéese répartit ainsi : 170 MeV en énergie cinétique desfragments de la fission, 5 MeV en énergie cinétiquedes neutrons, 15 MeV en énergie dans des particulesbêta et des rayons gamma et 10 MeV en énergiedans les antineutrinos.

Un exemple de fission type est :

MeV 200+n 2+Kr+Ba U +n 1036

9014456

23592

10 →

La masse n'est pas conservée dans une réaction defission nucléaire. Les produits de la fission ont unemasse légèrement inférieure à la masse de départ;on parle de défaut de la masse nucléaire. Cedéfaut sert à connaître l'énergie de liaisonnucléaire qui assure la cohérence du noyau pluslourd 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 peutêtre calculée en trouvant la différence entre lamasse de l'atome de départ et du neutron, et celledes atomes produits et des neutrons émis, puis enconvertissant cette « perte » de masse en énergie aumoyen de E = mc2.

Les neutrons libérés quand un atome subit unefission peuvent être capturés par d'autres noyauxqui pourront aussi se diviser, si ces neutrons sontralentis par un modérateur.


Une réaction de fission entretenue de cette manièreproduit ce qu'on appelle une réaction en chaîne.

Le minerai d'uranium naturel renferme environ 0,7% d'uranium 235. Pour augmenter la probabilitéd'entretenir une réaction en chaîne d'uranium, ilfaut accroître la proportion relative de l'isotope

U92235

dans le minerai par le biais d'une opération

d'enrichissement.

Un réacteur nucléaire parvient à contrôler uneréaction en chaîne. La chaleur produite par laréaction sert à entraîner des turbines et à produirede l'électricité (Voir la section C ci-après.)

Les barres de commande, faites d'un matériaucomme le cadmium, servent à absorber les neutronset permettent de contrôler le rythme de la réactionen chaîne dans un réacteur nucléaire.

Une masse critique de matériau fissible est laquantité minimale de masse qui produit uneexplosion nucléaire. Pour entretenir une réactionnucléaire en chaîne, il faut plus de matériau que lamasse critique.

Une bombe atomique explose quand deux ouplusieurs masses sous-critiques de matériau fissiblesont rapprochées très rapidement. Des explosifschimiques sont utilisés pour projeter les masses lesunes contre les autres et pour constituer une massesupérieure à la masse critique.

Les dégâts causés par une bombe atomique sontdévastateurs. La force explosive d'un tel engin semesure en mégatonnes d'explosifs conventionnelsqu'il faudrait pour produire des résultatscomparables.

Les armes nucléaires produisent une contaminationradioactive de l'environnement. Pour cette raisonentre autres, un certain nombre de pays ont banniles essais dans l'atmosphère de ces armes.

Les premières bombes atomiques, mises au point ettestées aux États-Unis dans le cadre du projetManhattan durant la Seconde Guerre mondiale,furent lâchées sur les villes japonaises deHiroshima et de Nagasaki en 1945. Elles tuèrentplus de 110 000 personnes et beaucoup d'autresvivent depuis avec de graves séquelles. Le Japoncapitula immédiatement après l'explosion de cesbombes, ce qui mit fin à la guerre.

Leo Szilard, qui participa à la construction de lapremière bombe, avait suggéré que l'on teste labombe devant des observateurs internationauxavant son utilisation militaire, afin de donner auJapon l'occasion de se rendre avant que l'inévitable

se produise. La question de savoir si on aurait dû,oui ou non, utiliser la bombe demeure encoreaujourd'hui un sujet de controverse.

De nos jours, l'arsenal des superpuissances contientune telle quantité d'armes nucléaires que, selon unscénario, si un grand nombre de celles-ci explosaienten même temps, notre planète deviendraitinhabitable. Les sociétés d'aujourd'hui prennent deplus en plus conscience de ce risque.

Les scientifiques devraient-ils faire campagne afinde faire comprendre que les armes nucléaires sontimmorales? Est-ce que ce genre d'armes ne menacepas toute vie sur Terre? Voilà autant de questionsqui demandent réflexion.

Est-ce qu'une société plus ouverte à la culturescientifique contribuerait à réduire la menace desarmes nucléaires? Est-ce que les conséquences desarmes nucléaires peuvent dissuader les peuples des'en servir pour régler des conflits territoriaux?



• Définir les termes suivants : fission, modérateur,défaut de masse nucléaire, réaction en chaîne,enrichissement, barres de commande, réacteurnucléaire, masse critique

• Décrire ce qui se passe durant une réaction de

fission • Savoir que des neutrons lents sont capturés plus

facilement par les noyaux atomiques • Donner un exemple de substance qui peut

convenir comme modérateur • 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 • Comparer la quantité d'énergie dégagée durant

une réaction de fission à la quantité d'énergiedégagée durant la combustion d'un combustiblefossile type

• Expliquer pourquoi les neutrons libérés durant

une réaction de fission peuvent contribuer àentretenir une réaction en chaîne

• Expliquer pourquoi l'enrichissement est employé

durant la préparation des combustiblesnucléaires


• Reconnaître qu'il faut une masse supérieure à lamasse critique de matériau fissible pour réaliserune 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 lesarmes nucléaires


1. Disposer des dominos de façon à ce qu'ilssimulent une réaction nucléaire en chaîne. Lepremier domino frappe le deuxième, qui luifrappe le troisième et le quatrième, qui, eux,frappent les suivants, etc.

Redisposer les dominos pour qu'ils représententune réaction nucléaire entretenue et contrôlée,comme ce qui se passe dans un réacteurnucléaire.

2. L'énergie libérée durant une fission peut aussiêtre calculée en partant des énergies de liaisonmoyenne. Si un élément où A ~ 240 (avec uneénergie 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 8,5MeV), l'énergie libérée est le nombre denucléons multiplié par le changement del'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 sereporter à la section « Controverses dans le domainedes sciences » de Sciences : Programme cadre dansl'optique du tronc commun avant de traiter ce quisuit.)

Concepts clés

Le réacteur CANDU (Canadian deuteriumuranium) utilise de l'uranium, façonné en pastillesde combustible d'oxyde d'uranium, à partirdesquelles on produit de l'électricité. (Unecomparaison entre le réacteur CANDU et d'autresréacteurs pourra constituer un prolongementintéressant à cette étude.)

La Saskatchewan recèle de nombreux gisements deminerai d'uranium, que l'on raffine en vue de leurutilisation dans les réacteurs nucléaires.

Les pastilles de combustible d'oxyde d'uraniumraffiné sont empilées dans des crayons cylindriques.Ces crayons sont organisés en grappes decombustibles qui sont insérées dans des tubes deforce spéciaux et glissées dans le réacteur.

La cuve du réacteur est appelée calandre.

Les réacteurs nucléaires n'explosent pas comme unebombe nucléaire. Dans le pire des scénarios, le casd'une fusion du cœur, une masse critique decombustible n'est jamais présente et le combustiblese consume dans le sol. Cela a des conséquencesdésastreuses, et il peut y avoir des morts et desdommages environnementaux.

Le rechargement de combustible se fait en retirantles grappes de combustible des tubes de force et enles remplaçant par de nouvelles grappes. Dans unréacteur CANDU, cette opération peut être réaliséesans qu'il y ait interruption du réacteur.

L'eau lourde est la substance qui sert demodérateur dans un réacteur CANDU. L'eau lourdecontient du deutérium, un isotope de l'atomed'hydrogène ayant un neutron nucléaire. En outre,l'eau lourde transfère la chaleur entre lecombustible et l'échangeur de chaleur que l'onutilise pour chauffer de l'eau ordinaire et pourproduire de la vapeur.

La vapeur dégagée entraîne des turbines raccordéesà des alternateurs.


Les condensateurs transforment la vapeur en eauafin de pouvoir la retourner au générateur devapeur.

Certains experts croient que le réacteur CANDU estplus sûr que les autres types de réacteursnucléaires existants.

Si un excès de chaleur se développe dans lacalandre, l'eau lourde sera purgée, ce qui causel'arrêt de la réaction en chaîne, puisqu'il n'y a plusde modérateur.

Les partisans de l'énergie nucléaire croient qu'ils'agit d'une manière sûre et efficace de produire del'énergie. Face à une demande accrue d'énergie etaux problèmes qui se rattachent à la combustiondes combustibles fossiles (précipitations acides eteffet de serre), ils considèrent que l'exploitation del'énergie nucléaire est une nécessité.

L'énergie nucléaire permet d'éviter certainsproblèmes propres à la production hydroélectrique.L'inondation des terres pour construire des barragescrée des tensions sociales et environnementales.

L'exploitation de l'énergie nucléaire élimine lebesoin de transporter de l'énergie sur de longuesdistances, car les usines nucléaires peuvent êtreconstruites assez près des endroits de consommationde l'énergie.

L'énergie nucléaire ne produit que peu de déchetspar volume. Les matériaux radioactifs peuvent êtrestockés en un seul endroit où il est plus facile de lescontrôler. Des métaux nocifs (comme l'arsenic, leplomb et le mercure), les gaz toxiques, le dioxyde decarbone et les cendres volantes ne sont pas libérésdans la nature.

Ceux qui s'opposent à l'énergie nucléaire fontsouvent valoir divers problèmes concernant sonutilisation. L'opposition à l'exploitation de l'énergienucléaire a pris des proportions telles, ces dernièresannées, que mêmes certains réacteurs ont étéfermés. D'autres réacteurs en projet ont été reportésou n'ont jamais été terminés en raison des pressionspolitiques et sociales exercées par des groupesantinucléaires. Le débat reste engagé.

La catastrophe nucléaire de Tchernobyl vientjustifier bien des craintes au sujet de la prétenduesécurité des réacteurs nucléaires, particulièrementsi ces prétentions proviennent des porte-parole del'industrie qui ont si souvent vanté la rigueur descontrôles et des règlements.

Les réacteurs CANDU doivent être construits àproximité de vastes plans d'eau douce. L'eau douce

circule dans les condenseurs. La chaleur en excèsest retournée à la source. Cette élévation de latempérature réduit la teneur en oxygène dans l'eau,créant ainsi un stress environnemental sur nombred'organismes vivants. L'eau chauffée offre,cependant, des possibilités d'aquaculture à l'échellecommerciale, en rendant possible l'élevage d'espècestropicales dans des régions aux eaux froides. Lachaleur dégagée pourrait servir aussi à chauffer desserres ou comme source de chaleur pour d'autresapplications.

Les opposants laissent entendre que la sécurité dansles mines est un enjeu important de l'exploitation del'énergie nucléaire. Le minerai est légèrementradioactif. Il se trouve souvent du radon (gaz) dansla mine. Les résidus miniers rejetés contiennentdes traces d'uranium. Ces déchets peuventcontaminer la nappe phréatique et causer desdommages environnementaux au sol dans lequel ilssont enfouis.

Le cycle complet, allant de l'extraction ducombustible au stockage des déchets nucléaires,porte le nom de cycle du combustible nucléaire.

Le combustible nucléaire épuisé est à la fois chaudet radioactif. On l'entrepose sous l'eau dans degrandes piscines de refroidissement parfois jusqu'àdeux ans, pour qu'il perde de sa chaleur. Certainscombustibles épuisés peuvent conserver leurradioactivité pendant des milliers d'années. Ceciinquiète nombre de personnes.

Le stockage du combustible épuisé est une questionlitigieuse qui inquiète ceux qui cherchent à protégerl'environnement. Aucune solution parfaite n'aencore été proposée pour éliminer les déchets. Lespropositions actuelles de gestion des déchets ne sontque des solutions à court terme en attendant ledéveloppement de méthodes permanentes.

Le stockage des déchets dans des mines de selsouterraines semble être une solution viable. Lesformations géologiques du bouclier canadien sontune autre possibilité. La zone envisagée pour lestockage des déchets doit être sèche et située endehors des régions à activité sismique et volcanique.

Le déclassement des réacteurs nucléaires, à la finde leur « vie utile », est un autre enjeu soulevéfréquemment par ceux qui s'opposent àl'exploitation de l'énergie nucléaire.

L'un des déchets des centrales nucléaires est leplutonium. Il est bien connu que cet élémentprovoque le cancer, même à très petites doses. Deplus, cette substance entre dans la fabrication desarmes nucléaires. Certains s'opposent à l'utilisation


de réacteurs nucléaires, parce que cela dote certainspays du pouvoir de produire des armes nucléaires.Une anecdote significative est le fait que la premièrebombe atomique de l'Inde a été mise au point grâceà la technologie CANDU. Cette bombe a étéfabriquée malgré les engagements contractuelssignés par l'Inde, selon lesquels elle n'utiliserait pasla technologie CANDU à des fins autres quepacifiques.)

L'emploi de l'énergie nucléaire est source decontroverse. Il est nécessaire d'avoir de bonnesconnaissances pour choisir son camp dans le débatet d'être en mesure de peser le pour et lecontre. Une fois qu'une personne a pris unedécision concernant l'énergie nucléaire, elle doitavoir une attitude responsable et tenter depersuader les autres d'épouser la même conviction.

Les arguments évoqués pour accepter ou refuserl'énergie nucléaire doivent reposer sur la raison ?et non sur l'émotion. Il faut faire preuved'impartialité et écouter les arguments soulevés parles tenants de l'opinion contraire.

On constate que, depuis la révolution industrielle, lasource principale d'énergie a varié avec le temps, enfonction des impératifs économiques, dudéveloppement technologique et d'autres facteurs.Certains facteurs, toujours aussi actuels, sont àconsidérer quand on cherche à déterminer la formed'énergie qui sera la plus avantageuse dans l'avenir.

La protection de l'environnement est unepréoccupation majeure quand il s'agit de prendredes décisions. Les solutions de rechange doiventaussi être évaluées à la lumière de leursrépercussions sur l'environnement.

Une stratégie de première importance est depromouvoir l'économie d'énergie. Au lieu deconsommer de plus en plus d'énergie au détrimentde l'environnement et des ressources disponibles, lescitoyens, les institutions et les gouvernements ontl'obligation de chercher des façons d'économiserl'énergie. Si chacun s'efforce d'utiliserjudicieusement l'énergie, les ressources existantess'épuiseront plus lentement et l'environnementsubira moins de dommages. Est-il encore possible deconnaître un développement durable?



• Décrire le fonctionnement d'un réacteurnucléaire

• Indiquer le type de combustible employé dans un

réacteur nucléaire • Esquisser le cycle de vie du combustible

nucléaire, depuis l'extraction du minerai brutjusqu'à l'entreposage des matériaux épuisés

• Reconnaître le rôle joué par la Saskatchewan et

le Canada sur la scène de la technologienucléaire

• 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 nucléairesCANDU

• Indiquer certaines fonctions de sécurité qui ont

été conçues pour le système de réacteurnucléaire 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 del'exploitation de l'énergie nucléaire

• Suggérer que certaines questions

environnementales touchant les méthodes deproduction de l'électricité autres que nucléairespourraient être escamotées si on utilise l'énergienucléaire

• En se basant sur les connaissances acquises

dans les pages précédentes, opter pour uneposition pour ou contre l'exploitation de l'énergienucléaire à des fins pacifiques

• Défendre une position pour ou contre

l'exploitation de l'énergie nucléaire à des finspacifiques


l'exploitation de l'énergie nucléaire à des finsmilitaires



1. Le nombre et la diversité des projets derecherche sur le sujet abondent. Par exemple,les élèves peuvent comparer la conception dedifférents réacteurs à fission en usage ou endéveloppement dans le monde.

2. Demander aux élèves d'écrire à différentsorganismes afin d'obtenir de la documentationsur l'énergie nucléaire. En groupes, ils et ellesexaminent minutieusement les écrits obtenusafin de trouver, s'il y a lieu, le parti pris.

3. Faire des recherches sur des questionsactuelles concernant l'emploi de réacteursnucléaires. Ceci aidera à établir des liens entreles aspects technologiques, environnementauxet sociaux qui interviennent dans l'étude de laphysique.

4. Est-ce que le sujet A-3 « L'uranium » deSciences : Programme d'études pour la 10eannée a servi? Réviser ces objectifs. S'inspirerde : Les ressources naturelles de laSaskatchewan : L'uranium

Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique – P. 231

Unité facultative V : Les applications de lacinématique et de la dynamique


Cette unité facultative constitue un prolongementde l'unité obligatoire I : la cinématique et ladynamique. Elle approfondit les concepts de force etde mouvement.

La loi de la conservation de la quantité demouvement est l'un des principes les plusfondamentaux de physique. Elle sert à prédire cequ'il advient à deux ou plusieurs objets d'unsystème quand ils entrent en collision ou explosent.Elle est valable pour toute interaction entre objets,qu'il y ait ou non conservation de l'énergiecinétique. Il est même justifié de supposer que laquantité totale de mouvement de l'univers estconstante.

On doit insister dans cette unité sur les activités etla résolution des problèmes.


A2 historiqueA4 reproductibleA5 empiriqueA7 unique

B2 l’interactionB7 la forceB9 la reproduction des résultatsB10 la cause et l'effetB11 la prévisibilitéB21 la justesseB28 l'équilibreB32 la validation

C3 l'observation et la descriptionC8 la formulation d'hypothèsesC9 l'inférenceC10 la prédictionC11 le contrôle des variablesC12 l'interprétation des donnéesC14 la résolution de problèmesC15 l'analyseC17 l'utilisation des mathématiquesC18 l'utilisation de la relation espace-tempsC20 la définition opérationnelleC21 la synthèse

D1 la science et la technologie

D5 le manque de compréhension du publicD8 les limites de la science et de la technologie

E6 savoir mesurer la distanceE7 savoir manipuler les instrumentsE11 savoir mesurer la masseE13 savoir utiliser les relations quantitatives

F5 le respect de la logiqueF6 la prise en considération des conséquencesF7 le besoin de vérifierF8 la prise en considération des prémisses

G2 devenir plus confiantG6 préférer les réponses scientifiquesG8 préférer les explications scientifiques



• Améliorer par la pratique son aptitude àrésoudre 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 oralet l'écoute

• Donner des exemples qui illustrent comment des

développements scientifiques et technologiquesrépondent 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)

P. 232 – Physique 30 – Les applications de la cinématique et de la dynamique



• Comprendre comment on acquiert, on évalue, on

raffine et on remplace les connaissances enphysique (CRC)

• Approfondir ses connaissances et sa

compréhension de la façon de calculer, demesurer, d'estimer et d'interpréter des donnéesmathématiques; apprendre quand mettre à profitces habiletés et ces techniques et expliquerpourquoi ces procédés sont appliqués dans lecadre particulier de la physique (NUM)

A. Quantité de mouvement

1. Impulsion et quantité demouvement

Concepts clés

La quantité de mouvement )p(r

d'un objet en

mouvement s'exprime par la formule :

Les unités de quantité de mouvement sont lekg·m/s.

N·s, les unités d'impulsion, sont utilisables sansdistinction.

La quantité de mouvement est une grandeurvectorielle. Sa direction est toujours la même quecelle de la vitesse.

L'impulsion est une grandeur vectorielle agissantdans la même direction que la force qui est àl'origine de l'impulsion.

Les unités d'impulsion sont N·s.

L'aire sous la courbe de la force en fonction dutemps peut servir à déterminer l'impulsion (à lacondition que la direction de la force produisantl'impulsion ne soit pas variable).

Une impulsion agissant sur un objet a pour effet dechanger la quantité de mouvement : p

r∆ .

v 1-v 2 = v

vm = tF

tF = impulsion

p = impulsion

rrr

rr

r

r

∆

∆∆

∆

∆

:est forceuned'impulsionL'

ptFrr

∆=∆ )v - vm( 12

rr=

vm = prr




• Définir les termes suivants : quantité demouvement, 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 lavitesse dans une situation donnée

• Réaliser que l'impulsion subie par un objet

produit un changement de la quantité demouvement

• Énoncer la relation entre l'impulsion d'une force

s'exerçant sur un objet et la variation de laquantité de mouvement


1. Effectuer une ou plusieurs activités destinées àétudier la loi de la conservation de la quantitéde mouvement en une et en deux dimensions.

2. Charger deux chariots propulsés par unressort face à face sur une surface plane.Installer des masses différentes sur chaquechariot. Attacher un chronographe sur chaquechariot. Amorcer les chronographes. Appuyersur la détente des deux chariots. Déterminer lavitesse de chaque chariot après la « détente ».Calculer la masse de chaque chariot.Déterminer la quantité de mouvement dechaque chariot. Comparer la quantité demouvement totale avant et après la« détente ».

3. Représenter sur un graphique la force enfonction du temps, afin d'établir l'impulsionpour une situation donnée.

4. Demander à deux élèves, se tenant sur desplanches à roulettes, de se mettre face à face.Un élève lance un ballon thérapeutique (ou unballon de basket-ball) à l'autre. Décrirequalitativement ce qui se passe. Répéterplusieurs fois avec des élèves de différentspoids. Variante : demander aux deux élèves dese placer à proximité l'un de l'autre et de sepousser l'un l'autre, de façon à partir endirections opposées. Un des élèves pousse et

l'autre résiste simplement. Répéterl'expérience, cette fois-ci en intervertissant lesrôles. Demander aux élèves de décrire ce qui sepasse et de déterminer si le choix du pousseura une incidence quelconque.

Employer des casques, des protège-genoux etdes protège-coudes avec les planches àroulettes.

5. Fixer un chariot dynamique (ou une planche àroulettes) à un chronographe sur une surfaceplane. Mettre le chariot en mouvement. Avecsoin, laisser tomber une brique sur le chariot.Trouver le changement de la quantité demouvement verticale et horizontale de labrique. Trouver le changement de la quantitéde mouvement horizontale du chariot. Est-ceque la quantité de mouvement est conservée?

Changer la masse du chariot dynamique.Répéter l'expérience. Prédire la vitesse finaledu chariot. Vérifier la prédiction par rapportaux résultats expérimentaux.

6. Se servir de rondelles de glace carbonique, d'unbanc pneumatique linéaire ou d'une tablepneumatique afin d'étudier qualitativement lescollisions entre objets de masse différente.(Essayer d'obtenir auprès du club de curling oude l'aréna l'autorisation d'effectuer desexpériences qui se déroulent sur la glace. Lesélèves pourront travailler en groupes dansdifférents coins de la patinoire. Les principesde la physique qui interviennent en curlingpeuvent être un sujet d'étude captivant.)

Concevoir diverses expériences qui montrent cequi se passe dans les collisions élastiques et lescollisions inélastiques. Demander aux élèvesd'élaborer une certaine méthode d'analyse desdonnées (p. ex. enregistrement vidéo,photographique, stroboscopique, photographiede ralenti, chronographes, chronomètres,marques sur papier sans carbone, traitementd'images numériques, etc.). En recourant àl'analyse vectorielle, examiner en détail lescollisions, rechercher les portraits communs etles généralisations possibles. Ce type d'activitéest parfait pour favoriser le développement del'esprit critique et de la créativité; de plus,l'apprentissage autonome renferme despossibilités intéressantes. Dans le cadre decertaines activités, il convient mieux que les« recettes de cuisine » qui décrivent tout letravail pratique à faire.

7. Pour construire un pendule balistique bonmarché, prendre un bloc de fer ou une brique.


L'attacher avec des cordes à un support deplafond solide. Faire une marque verticale surle côté du bloc avec une plume. Fixer de la pâteà modeler sur le côté du bloc avec des ficelles.Un lourd pendule peut être attaché au plafondprès du pendule balistique, de manière que lependule pendant son oscillation vienne frapperle bloc. Avec une carabine à air comprimé,bien calée, tirer dans la pâte à modeler. (Leport de verres de sécurité est obligatoire.)

Attention : L'utilisation d'arcs ou d'armes quitirent des projectiles à haute vitesse n'estrecommandée que sous la stricte surveillanced'un enseignant ou d'une enseignante etseulement dans des conditions expérimentalescontrôlées.

8. Demander aux élèves d'apporter divers typesde balles en classe. Imaginer une expériencedestinée à déterminer le facteur de restitutiondes balles. Une solution consiste à employer unmètre comme échelle de référence. Laissertomber une balle d'une hauteur fixe, commeun mètre, et mesurer la hauteur de rebond surl'échelle. Il s'agit d'une façon de connaître lefacteur de restitution. Il y a une relation entrele rapport des vitesses avant et après le rebondsur la surface et le rapport du déplacementfinal au déplacement initial si les balles sontlancées verticalement. Une balle qui rebondittrès haut a un facteur de restitution depresque 1; en revanche, si la balle rebondittrès peu, le facteur de restitution est très prèsde zéro.

Tenter de répondre questions suivantes :Qu'arrive-t-il si la balle est lâchée d'unehauteur initiale différente? Est-ce que lerapport du déplacement final au déplacementinitial est constant? Comment varie ce rapportd'un type de balle à un autre? Comment variece rapport si on change la pression internedans un ballon de basket-ball? Pour un type deballe donné (balle de tennis, de golf, etc.), est-ceque certaines marques rebondissent mieux qued'autres? Les élèves pourront imaginerd'autres questions de même nature. Ils et ellesdevraient émettre une hypothèse et imaginerdes expériences qui permettent de vérifier cettehypothèse.

9. Demander aux élèves d'apporter des toupies.Ils et elles peuvent examiner qualitativementles toupies en identifiant les caractèrescommuns comme la forme, la répartition de lamasse, l'emplacement du centre de gravité.Les moments d'inertie, la conservation dumoment cinétique, la précession et

l'accélération angulaire sont des points àaborder.

10. Prendre une roue avant de bicyclette et latenir verticalement de part et d'autre dumoyeu. Faire tourner la roue. Essayer de fairepivoter la roue jusqu'à ce que son moyeu soitvertical. Faire remarquer l'effet gyroscopique.Utiliser d'autres gyroscopes pour illustrer cequi se produit.

Comme variation sur ce thème, attacher uneextrémité du moyeu de la roue à un fil fixé auplafond. La roue au complet se comportecomme un pendule oscillant. Laisser lependule osciller. Observer son comportement.Tourner la roue et la maintenir en positionverticale, puis la relâcher pour qu'elle sebalance d'un côté et de l'autre. Répéterl'opération, cette fois-ci en mettant au départla roue en rotation dans le plan horizontal.Pourquoi est-il plus facile de garder sonéquilibre sur une bicyclette en mouvement quesur une bicyclette à l'arrêt?

N.B. L'effet gyroscopique des roues en rotationne contribue que très peu à la stabilitésupplémentaire d'une bicyclette enmouvement.

2. La loi de la conservation de laquantité de mouvement

Concepts clés

La quantité de mouvement totale )p( totalr d'un

système isolé est immuable (loi de la conservationde la quantité de mouvement). Autrement dit, laquantité de mouvement initial d'un système isoléest égale à la quantité de mouvement finale.

Un système isolé est un système sur lequel n'agitaucune force extérieure.


La quantité de mouvement est conservée, qu'il y aitou non des interactions à l'intérieur du système quis'exercent en une dimension ou plus.

0 = pr

∆

p = p s)è(apr total(avant) totalrr

p = p t'

trr

Le signe ' indique que la quantité de mouvementdésignée est celle existant après l'interaction.

Pour deux objets de masses différentes qui entrenten collision :

p + p = p + p 2'1'

21rrrr

ou bien, vm + vm = vm + vm 22'

1'

12211rrrr

Le centre de masse d'un système isolé est unpoint spécial qui obéit au premier principe deNewton. Pour le système de référence de ce centre,la quantité de mouvement totale du système estnulle.



• 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 principesfondamentaux de physique

• Réaliser que la quantité de mouvement est

conservée dans un système isolé à une ouplusieurs dimensions


relations mathématiques de la loi de laconservation de la quantité de mouvement

• Reconnaître l'importance du centre de masse

d'un système isolé


1. Analyser des photographies stroboscopiquesafin de confirmer que la quantité demouvement est conservée dans un systèmeisolé, comme quand des boules de billards'entrechoquent.


B. Forces de frottement

Concepts clés

Les forces de frottement s'opposent aumouvement.

Les forces de frottement agissent dans le senscontraire à un éventuel mouvement qui pourrait seproduire.

Une force est nécessaire pour vaincre lefrottement statique et pour initier lemouvement.

Il faut une force plus grande pour sortir un corps deson état de repos que pour le maintenir en marcheaprès le déclenchement du mouvement.

Pour un objet au repos, plus la force appliquée croît,plus le frottement augmente, et ce jusqu'au momentoù on atteint la force de frottement statiquelimite (Fs). Un accroissement de la force au-delà decette limite met l'objet en mouvement.

Les forces de frottement qui s'opposent aumouvement des objets sont causées par lefrottement cinétique.

Il existe différentes méthodes pour réduire ouaugmenter le frottement entre des surfaces encontact. Telle application détermine généralementles méthodes qui sont les plus efficaces.

Une surface exerce sur les objets placés sur elle uneforce normale dirigée vers le haut (désignée FN ouR dans certains manuels scolaires).

Sur les surfaces horizontales, cette force normales'oppose à la force de la pesanteur. Sur un planincliné, la force normale s'oppose à la force de lapesanteur agissant sur le plan :

mg cos θ

où θ est l'angle entre le plan incliné et l'horizontale.

On peut considérer que ces forces sont concouranteset agissent au centre de masse de l'objet. Lesforces dont les lignes d'action convergent vers unmême point sont dites concourantes.

Le coefficient de frottement cinétique (µc ) peutêtre déterminé expérimentalement si on mesure laforce nécessaire pour déplacer un objet à vitesseconstante sur une surface donnée.

La force de frottement cinétique (Fc) sur unobjet est directement proportionnelle à la forcenormale qu'exerce la surface sur l'objet.

F = F

F F

Ncc

Nc

µ

a

où cF est la force due à la force de frottement, µc estle coefficient de frottement cinétique et F N est la

force normale. À strictement parler, cette équationn'est plus vraie aux grandes vitesses.

Un coefficient est une grandeur scalaire sansunités.

Le coefficient de frottement statique s)(µ estun paramètre essentiel pour déterminer la forceminimale qui agit juste au moment où lemouvement est imminent.

La force minimale nécessaire pour amorcer lemouvement est égale à la force de frottementstatique maximale.

où SF est la force de frottement statique, Sµ est le

coefficient de frottement statique et NF est la force

normale.

Le coefficient de frottement statique est supérieurau coefficient de frottement cinétique. N.B.Signalons quelques rares exceptions, comme Téflonsur Téflon, où µs = µc.

Les coefficients de frottement sont fonction, entreautres, de la nature des matériaux constituant lessurfaces en contact, de la température, de la phase,de l'aire de contact.



• Définir les termes suivants : force de frottementstatique limite, frottement statique, frottementcinétique, force normale, centre de masse,coefficient, coefficient de frottement cinétique,force de frottement, coefficient de frottementstatique, frottement statique, forcesconcourantes

• Expliquer que les forces de frottement ont une

action qui s'oppose au mouvement

NSS Fµ F ≤


• Donner des exemples d'objets en mouvement quifinissent par s'arrêter du fait du frottement

• Expliquer qu'une force suffisante doit être

appliquée à un objet pour que ce dernier se metteen mouvement

• Donner des exemples de situations où il est

souhaitable d'augmenter ou de réduire lefrottement 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 lapesanteur pour qu'un objet conserve son étatd'équilibre

• Expliquer que la structure porteuse d'un objet

doit être capable de produire une force normalequi contrebalance la force qui agit sur elle du faitde la pesanteur de l'objet; sinon la structures'effondre

• Dessiner des schémas de corps libéré afin

d'illustrer les forces agissant simultanément aucentre de gravité d'un objet

• Résoudre des problèmes relatifs au frottement

cinétique et au frottement statique • Comparer les forces de frottement statique et de

frottement cinétique qui s'exercent sur un objet


1. Montrer l'effet du frottement sur les objets. Ilpourra s'ensuivre une discussion sur lapossibilité de construire une machine enmouvement perpétuel. Si le frottement pouvaitêtre éliminé totalement, ou s'il n'y avait pas deperte de chaleur dans les conversionsd'énergie, le mouvement perpétuel pourraitalors être une réalité.

Rappeler les tentatives faites dans le passépour construire une machine en mouvementperpétuel.

2. Étudier les effets du frottement statique et dufrottement cinétique sur différents objets.

3. Déterminer expérimentalement le coefficientde frottement statique ou cinétique qui s'exercesur un objet dans diverses circonstances.

4. Placer un bloc de bois sur une planche.Incliner lentement la planche à une extrémitéjusqu'à ce que le bloc commence à glisser.Noter l'angle du plan incliné au moment où lebloc commence sa glissade. Dessiner unschéma du corps libéré montrant les forcesagissant sur le bloc.

Répéter l'opération avec un bloc reposant surson côté le plus mince. Savonner le bloc etrecommencer. Coller une pièce de papierabrasif sur le bloc et recommencer.

5. Effectuer une recherche portant sur l'anciennepratique qui consiste à enduire de gras animalles patins des traîneaux pour réduire lefrottement.

6. Passer un ficelle attachée à un bloc dans unepoulie située en haut d'un plan incliné. Placerdes poids à l'extrémité libre de la ficelle jusqu'àce que le bloc se mette à monter suite à unelégère poussée. Répéter l'opération enchangeant l'angle du plan incliné et enchangeant l'état des surfaces entre le bloc et leplan incliné. Déduire de l'analyse des résultatsune relation pour le coefficient de frottement deglissement.

7. Effectuer une expérience destinée à tester leseffets de différents types de cire sur les skis defond, les skis de descente ou les patins detraîneau. Des variables comme lescaractéristiques et la température de la neige,la température de l'air, l'humidité relativedoivent être contrôlées afin de déterminer lescires qui conviennent dans certainesconditions.

Un groupe d'élèves pourra entreprendre unerecherche sur les types de cires qui serventpour le ski de fond, le ski de descente et faireun exposé devant la classe.

8. Attacher un dynamomètre à l'extrémité d'uneboîte vide. Déterminer la force nécessaire pourmettre la boîte en mouvement et celle pour lagarder en mouvement à vitesse constante.Placer des objets à l'intérieur de la boîte pouren augmenter le poids. Répéter l'expérience.Formuler des généralisations concernant lescoefficients de frottement statique et cinétique.

9. Dans les sports de compétition, on consacrebeaucoup d'efforts pour réduire la résistance de


l'air. Parmi ces sports, mentionnons le ski dedescente, le cyclisme, le patinage de vitesse etla descente en traîneau.

Les élèves pourront entreprendre unerecherche sur les moyens de réduire les forcesde frottement dans ces sports.

Répartir la classe en groupes. Chaque groupepourra faire une recherche sur un sujetdifférent et ensuite faire un exposé oral devantla classe.

10. Étudier de quelle façon on peut couper lesextrémités d'un travois pour réduire lefrottement.

C. Mouvement balistique

Concepts clés

Quand il n'y a pas de résistance de l'air, les objetstombent avec une accélération constante, sanségard à leur masse. Cette accélération est appeléeaccélération due à la pesanteur. Elle estdésignée par le symbole g

r. C'est une quantité

vectorielle. Des études récentes tendent à prouverque la masse aurait une légère influence sur le tauxd'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 changelégèrement selon l'endroit où on se trouve sur Terre.

La grandeur gr

est généralement différente sur lesautres corps célestes.

Quelle que soit la façon dont on projette un objet, cedernier subit une accélération vers le bas dont lavaleur est proche de 9,8 m/s2 au voisinage de lasurface de la Terre.

La valeur gr

peut être déterminéeexpérimentalement. Une méthode possible consisteà mesurer la période d'un pendule oscillant à faibleamplitude. L'équation utilisée est uneapproximation, valide seulement quand l'angle dedéplacement θ (en radians) » sin θ .

Quand les corps en chute libre subissent larésistance de l'air, ils tombent plus lentementque s'ils étaient dans le vide.

Divers facteurs ont une influence sur la résistancede l'air d'un corps en chute libre. Dans un milieucomme l'air, les corps en chute libre finissent paratteindre une vitesse terminale.

La vitesse terminale des objets diffère; elle dépendde facteurs comme la masse, la forme, la taille et latexture de la surface.

)Tl)/((4 = g

l/g2 = T22π

π

ou


Voici certaines équations utiles qui décrivent unedescente en chute libre :

Un projectile est un objet qui est lancé ou projetédans l'air. (Dans cette section, on suppose que leseffets imputables à la résistance de l'air sontnégligeables pour les projectiles se propageant àpetite vitesse dans l'air.)

Le chemin que parcourt un projectile durant sondéplacement est appelé trajectoire.

Un projectile qui est lancé (ou tiré) horizontalementà partir d'une certaine hauteur décrit unetrajectoire parabolique qui se termine sur le sol.Il faut au projectile le même temps pour atteindre lesol que si on le laissait tomber sans vitesse initiale.

La forme de la trajectoire d'un projectile, commecelle de tout autre objet en mouvement, est établiepar rapport au système de référence del'observateur. Des observateurs situés dans dessystèmes de référence différents décrivent un mêmeobjet en mouvement de manière différente.

Pour analyser le mouvement balistique, il est utiled'analyser séparément les composantes verticale (y)et horizontale (x) de la vitesse et du déplacement.

Horizontalement, un projectile se déplace à vitesseconstante.

Verticalement, un projectile se déplace comme unobjet qui est en chute libre.

Le mouvement horizontal d'un projectile dépend dela composante horizontale de sa vitesseinitiale )v( ix

r.

Le déplacement horizontal )d( x

r d'un projectile par

rapport au sol peut être déterminé en employant lacomposante horizontale de la vitesse et le temps devol (t).

Le mouvement vertical d'un projectile est fonctionde la composante verticale de la vitesse initiale et del'accélération due à la pesanteur.

Le mouvement vertical d'un projectile peut êtredéterminé au moyen des équations du mouvementd'un corps en chute libre en considérant lescomposantes verticales des vecteurs et l'accélérationde la pesanteur.

)tv + v(21

= d

dg2 + v = v

tg21

+ tv = d

tg + v = v

fiy

yi2

f2

2iy

if

yy

yy

y

yy

rrr

rrr

rrr

rrr

Un projectile lancé à partir du sol selon une certainangle de tir (θ, mesuré par rapport au sol)différent de 90o aura une trajectoire parabolique.

Le déplacement vertical maximal d'un projectile tiréà partir du sol est atteint à la moitié du temps devol total. Quand le projectile est à sa positionverticale maximale, la composante verticale de sonvecteur vitesse est nulle.

Pour obtenir le déplacement vertical maximal d'unprojectile ayant une vitesse initiale de grandeurconstante, il faut tirer l'objet directement vers lehaut, à un angle de 90o. Dans ces conditions, letemps de vol est aussi maximal. (Les équations 1 et4 ci-dessous correspondent à un maximum dans lecas où θ = 90o.)

Pour un projectile tiré depuis le niveau du sol etayant une vitesse initiale constante, la portéemaximale (déplacement horizontal maximal) estréalisée quand le projectile est lancé à un angle de45o. Dans les situations où le poids du projectile estsemblable à la force appliquée, la portée estmaximale pour les angles de tir inférieurs à 45o.(L'équation 2 ci-dessous correspond à un maximumdans le cas où θ = 45o.)

Si la grandeur de la vitesse initiale est constante,les projectiles tirés depuis le niveau du sol à desangles de tir de (45o - θ) et de (45o + θ), où

)tv + v(21 = d

dg2 + v = v

tg21

+ tv = d

tg + v = v

fi

2i

2f

2i

if

rrr

r

rrr

rrr

tv = d ix x

rr


0 < θ < 45o, ont la même portée. Le projectile tiré àun angle de (45o + θ) atteindra une élévationmaximale supérieure et restera en vol pluslongtemps que celui tiré à un angle de (45o - θ).

Les équations de base du mouvement balistiquepour un objet lancé à une certaine vitesse initiale

)v( ir

et à un angle q positif par rapport à

l'horizontale sont :



• Définir les termes suivants : accélération due àla 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 chutelibre dans le vide

• Énoncer la valeur approximative de

l'accélération due à la pesanteur pour un objet enchute libre près de la surface de la Terre

• Énoncer qu'un objet qui tombe, à partir de l'état

de repos, est soumis à une accélération vers lebas

• 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 • Résoudre des problèmes relatifs à des corps en

chute libre au moyen des équations dumouvement uniformément accéléré

• Savoir que le mouvement d'un projectile peut

être analysé en traitant indépendamment lescomposantes 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 mouvementhorizontal d'un projectile

• Appliquer les équations de la cinématique pour

une accélération constante à l'analyse dumouvement vertical d'un projectile

• Résoudre une diversité de problèmes concernant

le mouvement balistique


1. Analyser expérimentalement le mouvementd'un objet en chute libre.

2. Au moyen d'un pendule, déterminer lagrandeur de l'accélération due à la pesanteur àproximité de la surface de la Terre enemployant les relations :

3. Observer le mouvement de différents objets enchute libre et relever toutes les différencesappréciables.

4. Effectuer une activité destinée à comparer letemps que prennent deux objets situés à lamême hauteur pour atteindre le sol, si l'un estlâché verticalement et que l'autre est lancéhorizontalement. Enregistrer les résultats surbande vidéo afin de pouvoir mieux observer lerésultat.

5. Utiliser des photographies stroboscopiques oudes illustrations pour analyser le mouvementde deux objets situés à la même hauteur misen mouvement simultanément, un lâchéverticalement et un autre projetéhorizontalement.

6. Étudier les effets que la masse, la forme et latexture superficielle ont sur le mouvementd'objets en chute libre.

7. Déterminer expérimentalement la trajectoired'un projectile.

)Tl)/((4 = g

l/g2 = T22π

π

ou


Utiliser un tuyau d'arrosage muni d'unpistolet à jet mince et former avec le jet unetrajectoire courbe. À l'extérieur, se servir d'untuyau d'arrosage et marquer à la craie sur lebord d'un mur de briques l'endroit où frappel'eau. Analyser la courbe. Tracer les pointsenregistrés sur un graphique à l'échelle etdéduire une relation qui donne lesdéplacements vertical et horizontal de latrajectoire courbe. Si l’on a le logiciel adéquat,saisir les données correspondant auxdéplacements vertical et horizontal de latrajectoire balistique et effectuer une analysegraphique des résultats.

8. Une procédure équivalente à la précédenteconsiste à placer des feuilles de papier blanc etde papier carbone sur un grand panneau decontreplaqué ou sur un tableau noir portatif.Incliner le panneau et lui donner un certainangle. Faire rouler une lourde bille d'acier surle plan incliné du panneau le long d'un trajetcourbe. Le papier carbone enregistre sur lepapier blanc le trajet de la bille, de sorte qu’ilest possible d’en faire l'analyse. Pour obtenirdes données d'analyse, mesurer lesdéplacements vertical et horizontal sur lacourbe.

On peut trouver comme résultat une courbeparabolique exprimée par la relation y = kx2,puisque le déplacement vertical (dy) s'exprimeainsi :

9. Comparer la portée, la hauteur verticalemaximale et la durée totale du vol de deuxprojectiles ayant la même vitesse initiale maistirés à des angles de (45o - θ) et de(45o + θ), où 0 < θ < 45o.

Lancer en l'air une rondelle pneumatique ouune rondelle de glace carbonique à partir d'unplan incliné, de façon à ce qu'elle suive unetrajectoire courbe. Placer des marqueurs lelong de la trajectoire et à des intervalles detemps réguliers. Analyser la trajectoirebalistique de cette simulation.

11. Au moyen d'un chronographe et d'un ruban,laisser tomber des masses initialement aurepos. Analyser les résultats. Dresser untableau des données. Dessiner la courbe du

déplacement en fonction du temps et la courbede la vitesse en fonction du temps. Au moyende la courbe de la vitesse en fonction du temps,déterminer l'accélération de la masse en chutelibre. Répéter cette expérience pour différentesmasses. Effectuer des expériences semblablesen faisant rouler des chariots sur des plansinclinés. Déduire la relation entre la pente duplan incliné et l'accélération du chariot.Disposer une masse supplémentaire sur lechariot et comparer l'accélération le long d'unplan incliné pour un chariot lourd et unchariot léger.

12. Employer une table pneumatique et desrondelles, ou des rondelles de glace carbonique.Les faire descendre d'un léger plan incliné.(Des rondelles à ballon d'air et des billes deplastique pour réduire le frottementconstituent une solution bon marché.)Employer un métronome, un pendule ou touteautre minuterie étalonnée afin de compter letemps nécessaire à la rondelle pour parcourirtoute la distance sur la surface. Pendant ledéplacement de la rondelle, marquer àintervalles de temps réguliers la position decelle-ci. (Certaines tables pneumatiquessophistiquées comprennent des dispositifscomme des éclateurs ou des « blinkies ».) Àpartir des résultats, déduire l'accélération de larondelle.

13. Placer une pièce de monnaie et une plumedans un tube à vide. Aspirer l'air du tube avecune pompe à vide. Inverser le tube afind'observer la vitesse de chute relative des deuxobjets dans le tube. Laisser l'air revenir dansle tube. Inverser une nouvelle fois le tube afind'illustrer l'effet de la résistance de l'air surdifférents objets.

14. Laisser tomber des billes dans une longuecolonne de verre remplie d'un liquide visqueux.Observer les écarts entre les vitesses dedescente. Comparer en laissant tomber lesmêmes objets dans l'air. Tenir compte detoutes les différences de comportement. Cettedémonstration peut servir à illustrer les effetsde la poussée d'Archimède sur des objets endéplacement dans des fluides.

15. Déterminer le déplacement vertical parcourupar un objet durant des intervalles égaux de0,20 seconde pour une durée totale de1 seconde. Mesurer un morceau de ficelleayant cette longueur et attacher des rondellesà la ficelle aux endroits correspondant à cesdéplacements, en commençant par le bas. (Sion peut se mettre à un balcon ou sur une

v2gd

= d 2x

2x

y


surface en porte à faux sûre, on pourra utiliserune plus grande longueur de ficelle et placerles rondelles à des endroits correspondant à deplus longs intervalles de temps.) Prédire le sonque l’on entendra quand la ficelle tombe. Lesrondelles frappent le sol à intervalles réguliers,même si elles ne sont pas espacées également.Ceci illustre bien le fait que pendant qu'unobjet accélère, il parcourt plus de distancependant un même intervalle de temps.

16. Autre problème intéressant à explorer :pourquoi la cime des arbres se brise-t-ellequand l'arbre tombe? Un phénomène similaires'observe quand s'effondre une cheminée.Certaines sections le long d'un objet solidesubissent une plus grande accélération ques'ils tombaient en chute libre.

Pour illustrer ce fait, fixer avec du rubangommé un bécher en plastique de 100 ml à unbâton d'un mètre. Placer une balle dans lebécher. Retenir le bâton par une extrémité, desorte qu'il se comporte comme une charnièrequand il tombe. Laisser tomber le mètre etobserver attentivement la balle. Répéter enplaçant le bécher à un autre endroit. Oumieux, préparer d'avance plusieurs mètresavec des béchers afin d'effectuer lescomparaisons plus rapidement. Arrivé à unecertaine position, le bécher va tomber plusrapidement que la balle. La balle va retomberdans le bécher quand le bâton arrive à laposition horizontale. Répéter l'opération enemployant des balles de différentes masses,afin de montrer que ces résultats se produisentquelle que soit la masse de la balle.

17. Au moyen d'un appareil spécial avec pendule,comme celui illustré ci-dessous, il est possiblede déduire expérimentalement la valeur de g sil'angle de déplacement est petit.

Quand la ficelle se brise, le pendule est libéréet la balle tombe. Le papier carbone sur le brasdu pendule marque l'endroit où la balle et lebras du pendule se frappent. Si on connaît le

déplacement vertical parcouru par la balle, onpeut déterminer le temps du déplacement.Cette durée est égale à un quart de la périodedu pendule, si on suppose que l'on connaît lapériode du pendule.

Comme la sphère amorce sa chute à partir dela position de repos ,0) = ( iv

r son déplacement

est de :

4T = t

t

d2 = g,tg

21

= d2

2

ou

donc

rrrr

18. Un autre appareil qui permet de trouver g estle pendule de Kater. Il possède deux poids, unlourd et un léger, attachés à un axe rigide detelle façon qu'il est possible de régler ladistance séparant les deux poids. À la hauteurde chaque poids se trouve un couteau; lependule peut osciller sur un support muralappuyé sur le couteau du haut ou celui du bas.Quand la période est la même lorsque lependule oscille par rapport à l'arrête du hautet l'arrête du bas, le module de g peut êtretrouvé par :

π2l/T2

où l est l'écart entre les deux arrêtes decouteau et T est la période du pendule.

Au lieu de régler la position des poids, menerl'expérience en ajustant un couteau. Ungraphique de la période du pendule en fonctionde la position du couteau donne la grandeur del'accélération due à la pesanteur.

Le pendule composé est une autre variante dumême thème et on peut s'en servir pourtrouver g. Un pendule fixé à un support àressort pouvant osciller en même tempslatéralement et verticalement est une autreapproche possible. Certains pendulesintéressants augmentent la motivation del'élève.

Une autre variante est le pendule à « g »variable, dans lequel l'axe de l'angled'oscillation peut être modifié.


19. Pour illustrer les effets de la résistance de l'airsur des objets en chute libre, tenir un morceaude papier et une balle à la même hauteur.Lâcher simultanément les deux objets. Larésistance de l'air empêche la feuille de tomberau même rythme.

Prendre la feuille de papier et la chiffonnerpour en faire une boule. Lâcher de nouveau lesdeux objets. Cette fois-ci, le papier et la balletombent presque à la même vitesse, puisque larésistance de l'air sur la feuille a été réduite.

Une autre façon de réduire la résistance del'air sur une feuille de papier est de la placersur la couverture d'un livre et de laisser le touttomber. Le papier reste sur le livre pendant lachute. Cette observation peut conduire à unediscussion sur le principe de Bernoulli.

20. Lancer des épis de maïs illustre l'importancedes principes du mouvement balistique et del'aérodynamique. Les fléchettes dans ce jeusont des épis de maïs munis de plumes. Cesfléchettes sont lancées violemment au sol versune cible circulaire. La dimension de la cible etla distance de la cible peuvent être modifiées,en fonction de l'habileté des participants.

Le but du jeu est de placer le plus de fléchettespossibles dans la cible. Ne pas utiliser defléchettes métalliques pour cette activité, caron pourrait blesser quelqu'un.

21. Divers jeux de tir à l'arc conviennent bien pourillustrer les principes du mouvementbalistique et de l'aérodynamique. Il faut êtreprudent quand on se sert d'arcs.

22. Faire des simulations sur ordinateur afind'analyser le mouvement balistique.

23. Étudier comment le mouvement balistique estappliqué dans la chasse.

24. Demander aux élèves d'obtenir des articles desport (p. ex. balles de golf, ballons de football,de soccer). Ces articles pourront être lancés,bottés ou frappés durant une activité ayantlieu à l'extérieur. En mesurant le déplacementhorizontal et le temps de vol, les élèvesparviennent à calculer les vitesses initialesdans les deux directions (verticale ethorizontale), ainsi que l'angle de tir.

25. Placer un morceau de papier sous un livre.Laisser tomber le papier et le livre de lahauteur de la taille. Prédire ce qui arriverait sila feuille était sur le livre plutôt que dessous.Répéter. Expliquer les résultats.


D. Mouvement circulaireuniforme

Concepts clés

tv

a∆∆

=r

r

)(

(

12

1)2

tt

vv

−

−=

rr

Si un objet se déplace à vitesse constante ensuivant un trajet circulaire, le vecteur vitessechange du fait que, même si la grandeur de lavitesse demeure constante, sa direction changecontinuellement.

Le vecteur vitesse est orienté le long de la tangenteau cercle, dans le sens où l'objet aurait tendance àaller si subitement on le libérait.

L'accélération agit dans la même direction que lavariation de la vitesse.

L'accélération est dite accélération centripète.Elle agit toujours vers l'intérieur, en direction ducentre du cercle, comme la variation de la vitesse,perpendiculaire au vecteur vitesse.

L'accélération instantanée )a( instr

en un pointquelconque de la trajectoire circulaire est :

∆∆

→∆ tv

= a lim0t

inst

rr

La grandeur de l'accélération centripète s'exprimeainsi :

Rf4 =

T

R4 =

Rv = a

22

2

2

2

c

π

π

où R est le rayon du cercle, T est la période derévolution, f est la fréquence de révolution et ac estla grandeur de l'accélération centripète.

L'indice c sert à rappeler la nature vectorielle del'accélération. Sa direction change constamment àmesure que l'objet passe d'un point à un autre surla trajectoire circulaire.

D'après le second principe de Newton :

am = Frr

La force agit dans la même direction quel'accélération.

La force, orientée vers le centre du cercle, estappelée force centripète.

Rmv = F

2

c

D'autres relations peuvent être obtenues ensubstituant les équations qui décriventl'accélération centripète dans l'équation du secondprincipe de Newton :

).mRf4 = F),TmR)/((4 = F 22c

22c ππ ou

Il est important que les élèves abandonnent toutefausse 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'uneboucle, pour que l'objet fasse une boucle complèteest :

gR = v

Pour mettre un satellite en orbite, celui-ci doit sedéplacer de façon à ce que la force de la gravitationqui agit sur lui (son poids) soit contrebalancée par laforce centripète qui le maintient dans unetrajectoire circulaire.

La vitesse orbitale ne dépend pas de la masse dusatellite.



• Définir les termes suivants : accélérationcentripète, force centripète

• Expliquer pourquoi un objet voyageant le long

d'une trajectoire circulaire à vitesse constanteest soumis à une variation de vitesse

• Illustrer les directions du vecteur vitesse, duvecteur de l'accélération centripète et du vecteurde la force centripète dans le cas d'un objet enmouvement situé à un point particulier d'unetrajectoire circulaire

• Au moyen d'un diagramme vectoriel, illustrer unchangement de vitesse quand la grandeur de lavitesse reste la même, mais que la directionchange


• Constater que si un objet en mouvement suivantune trajectoire circulaire est subitement relâché,il continue à se mouvoir dans la direction duvecteur vitesse, sauf si une force extérieure agitsur lui

• Expliquer que l'accélération centripète agit dans

la même direction que le changement de lavitesse

• Expliquer que la force centripète agit dans la

même direction que l'accélération centripète • Résoudre des problèmes sur le mouvement

circulaire en utilisant des relationsmathématiques pour l'accélération centripète etla force centripète

• Réaliser que pour placer un satellite en orbite, le

mouvement de celui-ci doit être tel que la forcede la gravité agissant sur lui (son poids) sert deforce centripète nécessaire pour entretenir sonmouvement

• Expliquer que la vitesse orbitale d'un satellite ne

dépend pas de la masse du satellite • Décrire quelques applications pratiques des

satellites


1. À partir des paramètres des satellitesterrestres (dont l'un est la période derévolution de l'objet autour de la Terre), ou deceux de la Lune considérée comme un satellitede la Terre, déterminer la masse de la Terre.Supposer que les satellites parcourent desorbites circulaires et que la Terre estsphérique. À partir de l'apogée (distance laplus grande) et du périgée (distance la plusprès), déterminer le rayon moyen de la Terre.Calculer la masse de la Terre au moyen de :

GT

R4 = m 2

32

tπ

Se reporter à la section suivante sur lagravitation universelle.

2. Enfiler une ficelle dans un mince tube de verrede 15 cm. Attacher un bouchon de caoutchoucà une extrémité de la ficelle et des rondelles àl'autre extrémité. Faire tourner le bouchon decaoutchouc, en gardant sa vitesse constante.Enregistrer le rayon et le nombre de rondellesà l'autre extrémité. Changer le nombre de

rondelles, faire plusieurs tests. Varier le rayonde révolution et déterminer la période.Enregistrer la durée de 10 révolutions, puisdiviser par 10 pour obtenir la période. Déduireles relations entre la force, la masse, le rayonet la vitesse pour un mouvement circulaireuniforme.

Il est préférable de chercher ces relations aumoyen de données plutôt que de vérifier que :

3. On a imaginé plusieurs applications pratiquesqui font appel aux satellites. Décrire plusieursapplications. Insister sur les relations science-technologie-société-environnement. Certainsbesoins des sociétés ont servi de déclencheurs àla « conquête de l'espace ». L'exploitation del'espace à des fins politiques, économiques etmilitaires de même que les projets decoopération internationale sont un phénomènesocial et politique essentiel qui illustre dequelle manière la science et la technologie sontinfluencées par les motivations humaines.

4. Utiliser un pendule de Foucault pour faire lapreuve de la rotation de la Terre. Un pendulede Foucault est composé d'un poids très lourdsolidement boulonné au plafond par un fil.(Certains pendules plus sophistiqués relâchentdu sable pendant qu'ils oscillent.) Le pland'inertie du pendule reste toujours le même.Pendant l'oscillation du pendule, marquer surle sol le trajet qu'il parcourt. Le pendule doitêtre presque exempt de frottement, afin depouvoir osciller pendant au moins une demi-heure. Au bout de la demi-heure, relever lechangement apparent de la directiond'oscillation du pendule par rapport à la Terre.Des observations précises démontreront que lavitesse de rotation du plan d'oscillation dupendule est presque égale à la vitesse derotation de la Terre.

5. Montrer aux élèves comment calculer lagrandeur de la vitesse nécessaire pour garderun satellite en orbite autour de la Terre à unehauteur donnée. Relier cette activité à lagravitation universelle.

Rmv = F

2

c


E. Gravitation universelle

Concepts clés

Un champ est une région de l'espace où un objetpeut exercer à distance son influence sur un autreobjet.

Une force est une poussée ou une tractionappliquée à un objet.

Une force est appliquée par un champ agissant surun autre champ semblable.

Une force appliquée sur un objet a tendance àchanger la forme ou le mouvement de l'objet.

On reconnaît quatre grandes forces (ou interactions)fondamentales dans la nature : la force de lagravitation, la force électromagnétique, l'interactionnucléaire faible et l'interaction nucléaire forte. Lesscientifiques sont à la recherche actuellement d'unecinquième 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/s2

L'intensité du champ gravitationnel est laforce agissant sur une masse de 1 kg. Elle estmesurée en N/kg.

La masse (m) dépend de la quantité de matière quiconstitue l'objet. L'unité fondamentale de la masseen SI est le kilogramme.

La masse d'un objet est indépendante de l'intensitédu champ gravitationnel.

La masse peut être déterminée au moyen d'unebalance à bras égaux, en effectuant descomparaisons avec des masses étalons. Au mêmeendroit dans un champ extérieur, deux objets demême masse ont le même poids.

Le poids est la force qu'un champ gravitationnelexerce sur un objet. Les termes poids, force de lapesanteur et force gravitationnelle sont parfoisutilisés comme synonymes.

Le poids est une grandeur vectorielle.

À la surface de la Terre, le poids d'un objet agit versle bas en direction du centre de la Terre.

L'altitude et la latitude ont une influence surl'intensité du champ gravitationnel à la surface dela Terre.

Des changements dans la composition de la croûteterrestre agissent sur l'intensité du champgravitationnel.

L'unité SI du poids est le newton (N). Le poids d'unobjet peut être établi au moyen de la formule :

La masse gravitationnelle peut être déduite dupoids d'un objet dans un champ gravitationnelconnu.

Le poids d'un objet dépend de son emplacement parrapport à un ou plusieurs corps célestes.

La force de la gravitation met en jeu les champsgravitationnels d'objets ayant une action les uns surles autres.

Un dynamomètre sert à mesurer un poids. Latension dans le ressort et la force de la gravitationsont en équilibre.

La force de la gravitation entre deux masses varieproportionnellement comme le produit des masses etinversement comme le carré de la distance entreelles.

Les forces de gravitation que subissent deux objetssont de même grandeur, mais de sens opposés.

Pour une séparation donnée, on a :

Si les masses demeurent constantes et si b(l'ordonnée à l'origine) = 0 (p. ex. F = k(1/d2) + b), ona :

La loi universelle de la gravitation de Newtonpeut être exprimée ainsi :

dmGm = F

221

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 estla distance entre les masses.

gm = F g

rr

mm F 21α

dd =

FF ,

d

1 F

21

22

2

12

ouα


La valeur de G, la constante de la gravitation,est :

6,67 x 10-11 Nm2/kg2.

La valeur numérique de G est fonction des unitésfondamentales employées.


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 massegravitationnelle en un certain point de l'espace

• Indiquer pourquoi on trouve des intensités du

champ gravitationnel légèrement différentes àdivers endroits sur Terre

• Comparer le poids d'un objet donné à différents

endroits de l'espace et sur différents corpscélestes

• Résoudre des problèmes relatifs à la force

gravitationnelle • Interpréter le sens de relations proportionnelles

et inversement proportionnelles au carré de ladistance, comme on en trouve dans la loi de lagravitation universelle de Newton

• Déterminer la force gravitationnelle à laquelle

est soumis un objet à différentes distancesmesurées à partir du centre de la Terre, force

gravitationnelle exprimée en multiples du rayonde la Terre

• Expliquer comment la masse gravitationnelle

d'un objet dans un champ gravitationnel peutêtre déterminée


1. Indiquer ce qui différencie une loi et unethéorie. Les élèves pourront tenir une séancede remue-méninges et produire des affiches oubabillards qui montrent visuellement ladifférence entre une loi et une théorie.

2. Les dérivations intéressent en général unepetite poignée d'élèves, et il ne faut pas pousserla théorie trop loin. En particulier, ladérivation de la loi universelle de la gravitationde Newton à partir des lois de Kepler va bienau-delà de la portée de ce cours. Cependant,c'est un défi à proposer aux élèves les plusbrillants; c'est là une façon d'adapter lamatière afin de répondre à leurs besoins.

P. 248 – Physique 30 – La mécanique des fluides

Unité facultative VI : La mécanique des fluides


Nombre de phénomènes courants s'expliquent aumoyen des principes de la mécanique des fluides.Cette unité facultative traite de la massevolumique, de la pression et de trois principesimportants de la mécanique des fluides : le principede Pascal, le principe d'Archimède et le principe deBernoulli.

La mécanique des fluides est un sujet d'étude trèsintéressant, si on l'aborde dans une optiquedescriptive en insistant sur la compréhension desconcepts contenus dans ses grands principes. Onrecommande de ne pas se lancer dans l'étude d'unsujet très abstrait et qui implique des relationsmathématiques complexes. Les élèves doiventacquérir une compréhension conceptuelle de lamécanique des fluides par le biais d'expériencespratiques. Les activités explorant les principes sous-jacents à la mécanique des fluides devront êtreprivilégiées.

Dans les cours de sciences d'autrefois, la question dela masse volumique était abordée à l'intermédiaire.Un grand nombre d'élèves éprouvaient de ladifficulté à comprendre ce sujet, en raison de sonniveau d'abstraction élevé. Les élèves, pour saisir leconcept de masse volumique, doivent pouvoirraisonner avec les proportions. Souvent, les élèvesn'ont pas atteint un niveau de préparation suffisantavant le secondaire pour comprendre la massevolumique. De plus, le rapport mathématique entremasse volumique, masse et volume est une relationque les jeunes élèves ont de la difficulté à saisir.Voilà les principaux motifs qui ont amené letransfert de cette matière dans le programme desciences au secondaire. En Physique 30, la massevolumique est un sujet que les élèves apprennentrapidement et sans grands efforts. Intuitivement,les élèves possèdent déjà une certainecompréhension de la masse volumique.


A1 publique/privéeA4 reproductibleA5 empirique

B2 l’interactionB9 la reproduction des résultats

B11 la prévisibilité

B13 l’énergie et la matièreB23 l'invarianceB29 le gradient

C2 la communicationC4 la coopérationC5 la mesureC9 l'inférenceC12 l'interprétation des donnéesC15 l'analyseC16 l’expérimentationC17 l'utilisation des mathématiquesC20 la définition opérationnelle

D8 les limites de la science et de la technologie

E1 savoir se servir d’instruments grossissantsE7 savoir manipuler les instrumentsE9 savoir mesurer le volumeE11 savoir mesurer la masse

F2 la mise en questionF3 la recherche des données et de leur


G1 s’intéresser à la scienceG2 devenir plus confiantG9 apprécier les contributions scientifiques



• Accomplir diverses activités relatives à lamécanique des fluides

• Expliquer un grand nombre de phénomènes

communs en appliquant les principes de lamécanique des fluides

• Résoudre des problèmes relatifs à la mécanique

des fluides • Reconnaître l'importance de comprendre les

principes de base de physique pour parvenir àexpliquer des expériences de la vie de tous lesjours

• Approfondir ses connaissances et sa

compréhension de la façon de calculer, demesurer, d'estimer et d'interpréter des donnéesmathématiques; apprendre quand mettre à profitces habiletés et ces techniques et expliquer

Physique 30 – La mécanique des fluides – P. 249

pourquoi ces procédés sont appliqués dans lecadre particulier de la physique (NUM)




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 propriétécaractéristique de la matière.

La masse volumique d'une substance est définiecomme la masse par unité de volume.

L'unité SI de la masse volumique est le kg/m3. Lesunités g/cm3 sont aussi très courantes, surtout enchimie.

La densité d'un corps, appelée également massespécifique, est le rapport de la masse volumique dece 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.

Pour toute substance à une température donnée, lacourbe de la masse en fonction du volume est unedroite. La pente de celle-ci correspond à la massevolumique de la substance.



• 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


1. Déterminer expérimentalement la massevolumique d'un objet.

Vm = ?

eaul’ de volumique massecorps du volumique masse

= densité


2. Effectuer une activité destinée à identifier unesubstance inconnue, en comparant sa massevolumique à celle de substances connues.

3. Demander aux élèves de calculer la masse et levolume d'une certaine substance. Tracer legraphique de la masse en fonction du volume.Déterminer la masse volumique de l'objet enmesurant la pente de cette droite.

4. Concevoir et réaliser une expérience destinée àdéterminer les densités de diverses substances.Rédiger un programme, saisir des donnéesexpérimentales, traiter l'information etimprimer les résultats sous forme de tableaupeuvent constituer un défi supplémentaire pourcertains élèves.

B. Pression

Concepts clés

La pression (P) est la force agissantperpendiculairement à une aire donnée.

La pression est une grandeur scalaire qui semanifeste 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 enmillibars.

1 mb = 0,10 kPa1 Pa = 1 N/m2, 1 kPa = 1 x 103 Pa

Un pascal est une valeur de pression relativementpetite, équivalente grosso modo à la pression exercéepar un billet de cinq dollars sur une surface plane.

La pression atmosphérique normale vaut1,013 x 105 Pa ou 101,3 kPa.

La pression atmosphérique diminue quand ons'élève en altitude.

La pression atmosphérique normale soutient unecolonne de mercure de 760 mm de hauteur, ce qu'onexprime par 760 mm de Hg ou 760 torr. Unbaromètre sert à mesurer la pressionatmosphérique.

La pression (P) exercée par un fluide incompressibleest directement proportionnelle à la profondeur dufluide (h), sa masse volumique )?( et l'intensité duchamp gravitationnel (g). La pression estindépendante du volume total ou de la forme durécipient.

?ghP =

La pression absolue (Pabs) est la pressionmesurée en référence à une pression nulle. Lapression manométrique (PG) est une mesure dela différence entre la pression absolue et la pressionatmosphérique (Patm).

Pabs = PG + Patm

AF

= P




• Définir les termes suivants : pression, pressionatmosphérique standard, baromètre, pressionabsolue, 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 deconventions reconnues de tous (p. ex. la colonnede mercure de Torricelli employée pour mesurerla pression atmosphérique)

• Résoudre des problèmes relatifs à la pression

dans les fluides • Faire la distinction entre la pression absolue et

la pression manométrique


1. Concevoir un manomètre en U qui servira àtester la pression qui s'exerce sur un objetdans un liquide immergé à différentesprofondeurs. Comparer les résultats obtenusavec de l'eau du robinet et avec un autreliquide (eau salée).

2. Effectuer une activité destinée à estimer lapression exercée par divers objets; mesurer oucalculer la pression réelle afin d'apprécier lavraisemblance des estimations.

3. Imaginer une expérience destinée à étudier larelation entre la pression de l'air dans un pneude bicyclette et la surface de contact entre lepneu et le sol. Observer sur une feuille blanchede légères différences dans les empreintesquand on roule ou quand on fait du sur-place.

Comme défi supplémentaire, les élèvespourront essayer de connaître les effets de lapression de l'air sur la résistance de roulementd'un pneu de bicyclette gonflé. Une partie dudéfi posé par cet exercice est d'envisager unmontage expérimental qui fournira desdonnées significatives.

4. Percer de petites ouvertures à différenteshauteurs dans une boîte de métal. Perforer cestrous avec un clou. Faire attention aux

aspérités de métal. Placer la boîte sous unrobinet et faire couler de l'eau dans la boîte detelle sorte qu'un régime à l'état constants'établisse quand l'eau qui arrive dans la boîteégale l'eau qui en sort (dans un lavabo). Cetteexpérience illustre la différence entre équilibreet régime à l'état constant.

Mesurer la distance horizontale entre les trouspar où s'écoule l'eau et le lavabo. (Mouvementbalistique! Il y a là des possibilitésintéressantes d'intégration à d'autres sujets dephysique.) Tenter de déduire une relation entrela hauteur de la colonne d'eau au-dessus dutrou et la force exercée sur l'eau quand ellesort de la boîte. Ceci montre que la pressioncroît avec la profondeur dans l'eau.

5. Effectuer les mesures des aires nécessairespour déterminer la pression exercée sur leplancher par un soulier à semelle plate et unsoulier à talon haut. Comparer cela à lapression exercée quand on chausse des skis defond ou des raquettes. Se servir de cesconstatations pour expliquer le principe defonctionnement des skis de fond et desraquettes.

6. Placer un bouchon à un trou sur une bouteillede soda. Introduire une paille dans le bouchon.Demander à un élève d'aspirer une gorgée. Ilest impossible de boire ainsi, car en bouchantl'intérieur de la bouteille, on réduit la pressioninterne.

Variante : prendre un bouchon à deux trous;obturer avec le doigt le trou sans paille tandisque l'on essaie d'aspirer du liquide avec lapaille. Quand on libère le trou, on parvient àaspirer du liquide normalement avec la paille.

7. Utiliser un tube de plastique épais (1 cm dediamètre) et fixer un ballon à chaqueextrémité. Un des ballons est partiellementgonflé, et l'autre est presque complètementplein. Avant toute chose, demander aux élèvesde prédire ce qui devrait arriver. La plupartd'entre eux diront que l'air s'écoule du ballon leplus plein vers le ballon moins gonflé afind'égaliser la pression. En réalité, le ballon leplus petit perdra son air au profit de l'autreafin de minimiser l'aire de la surface.

Si l'un des ballons reste dégonflé, les élèvess'imagineront sans doute que c'est parce que ceballon n'est pas aussi élastique du fait qu'il adéjà été étiré lorsqu'on l'a gonflé. Si on dégonfledoucement le ballon plein, le ballon vide vas'emplir, et celui qui était plein restera vide. Il


est très difficile de développer le concept de cequi se passe dans cette démonstration.

8. Si les élèves aiment les effets spectaculaires,voici une expérience dont ils et ellesraffoleront : l'expérience du lit de clous.Confectionner un lit de clous en plantantd'innombrables clous, espacés également,dans une planche suffisamment longue etlarge pour qu'une personne puisse s'y couchersur le dos.

Une personne peut se coucher sans risque surun lit de clous, puisque son poids est répartisur la totalité du lit de clous. La pression enchaque point est relativement petite (faire descalculs au préalable afin de confirmer ceci etde convaincre les sceptiques de la sécurité decette manœuvre). Une variante consiste àconstruire un second lit de clous, superposé aupremier. L'enseignant ou l'enseignante secouche sur le lit du dessous. Ensuite, placer unbloc de béton sur le lit de clous du haut et lebriser avec une masse.

Attention : Cette démonstration doit êtreeffectuée par l'enseignant ou l'enseignante sousune stricte surveillance. Il y a des risques deblessures si un clou dépasse ou si quelqu'unglisse et tombe sur le lit en appliquant tout sonpoids sur une petite superficie de son corps!Faire extrêmement attention. Il serait sage deconfier la masse à un autre enseignant ouenseignante plutôt qu'à un élève!

9. Attacher deux lourdes masses à une corde depiano. Suspendre les masses en faisant passerla corde sur un bloc de glace. La corde ferafondre la glace à cause de l'augmentation de lapression. Une fois que la corde a traversé laglace, on peut observer dans la glace la ligneregelée par où est passée la corde.

10 Employer un jeu d'hémisphères deMagdebourg, et les raccorder à une pompe àvide. Retirer l'air de l'intérieur. Une fois quepresque tout l'air a été enlevé et que lapression extérieure excède la pressionintérieure, il est très difficile de séparer leshémisphères.

Des ventouses en caoutchouc sont aussidisponibles. Une solution équivalente bonmarché et qui illustre la même chose consisteà coller face contre face deux débouchoirs àventouse de même diamètre. Les appliquerl'un à l'autre. Il est très difficile ensuite de lesséparer.

Dans une démonstration classique on chauffeun récipient d'alcool pour duplicateur vide, onle scelle et on laisse la pression d'air déformerle récipient. Ces types de récipients ne sontplus très fréquents dans les écoles de nos jours.Une solution de remplacement est d'employerde petites boîtes à jus en carton munies d'unepaille collée sur le côté. Chauffer le contenantvide en y versant de l'eau chaude. Vider l'eau,boucher le trou avec du ruban adhésif.

11. Placer des ballons non gonflés tous les 30 cm àla périphérie d'une table rectangulaire.Renverser une autre table sur la première, etfaire en sorte que les embouts des ballonsdépassent du bord des tables. Inviter un élèveà s'asseoir au centre de la table qui est àl'envers. Prendre autant de volontaires qu'il ya de ballons. Tous les volontaires gonflent lesballons en même temps, dans le but de voir sion peut soulever la table renversée et lapersonne qui y est assise.

12. Placer un épais ruban de plomb sur le bordd'un bureau. Au moins 10 cm du ruban deplomb doivent dépasser du bureau. Observerl'aspect du métal au bout d'une heure.

Le plomb sous l'action de son propre poids fléchit et tombe


C. Principe de Pascal

Concepts clés

La pression qu'exerce un fluide confiné se transmetégalement à chaque partie du liquide et aux paroisdu 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 comprendrel'hydraulique, l'étude de la transmission des forcespar l'intermédiaire de fluides.

Dans un élévateur hydraulique, une force (F)appliquée à un piston d'entrée ayant une petite airede surface (Aen) est transmise à un piston de sortieayant une aire de surface beaucoup plus grande(Asor). Il n'y a pas de perte de pression entre lespistons d'entrée et de sortie (dans la mesure où onnéglige le frottement). Il en résulte que la force desortie (Fsor) est bien supérieure à la force d'entrée(Fen).

AF =

AF

P = P

(en)

(en)

(sor)

(sor)

(en)(sor) Pascal)de(principe

En raison de la conservation de l'énergie et de

d F = Wrr

⋅ , le petit piston doit se déplacer d'unedistance proportionnellement plus longue, d.

Ou bien, le volume déplacé étant constant :

Le gain mécanique d'un élévateur hydraulique secalcule ainsi :



• 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


1. Étudier expérimentalement la pression dansdes liquides. Les élèves doivent poser leproblème qui doit être étudiéexpérimentalement. Voir s'ils réussiront àmener à bien leurs propres montagesexpérimentaux.

2. Apporter en classe un carburateurd'automobile usagé. (Certains élèves peuventen obtenir.) Examiner le Venturi. Explorer lesprincipes de fonctionnement du carburateur.

3. Prendre un tuyau d'aspirateur et le fairetourner en l'air afin de produire un soncurieux. La classe doit tenter d'expliquer dequelle manière le son est produit.

4. Tailler des blocs de bois en leur donnantdifférentes formes. Prédire leur orientationquand ils flottent sur l'eau. Les blocs auxformes irrégulières peuvent avoir une drôle deposture quand ils flottent. Rechercher larelation entre l'orientation à l'équilibre, laforme du bloc et le centre de gravité. Cetteactivité permet de comprendre comment onformule des prévisions en physique.

dF = dF sorsorenen ⋅⋅

Ad = Ad sorsorenen ⋅⋅

A

A = F

F =mécaniquegain(en)

(sor)

(en)

(sor)


D. Principe d'Archimède

Concepts clés

Un objet immergé dans un fluide est soumis à uneforce appelée la poussée d'Archimède. Lapression sous l'objet est supérieure à la pression au-dessus. La force résultante sur l'objet est orientéevers le haut, dans le sens opposé à la pesanteur.

Le changement apparent de poids (ou ladiminution de poids) d'un objet immergés'explique par la poussée d'Archimède. La pousséed'Archimède sur un objet dans un gaz estnégligeable dans la majorité des applications.

Quand un objet est partiellement ou totalementimmergé, la poussée d'Archimède (ou la diminutionapparente de poids) est égale au poids du fluidedéplacé (principe d'Archimède).

Le poids apparent est égal au poids réel moins lapoussée d'Archimède.

Un objet flottant déplace un volume de fluide égal àson poids. La poussée d'Archimède est égale aupoids de l'objet.

Un objet flottant a une masse volumique moyenneinférieure à la masse volumique du fluide qui lesoutient.



• Définir les termes suivants : pousséed'Archimède, poids apparent

• Énoncer le principe d'Archimède • Expliquer les facteurs qui doivent être pris en

considération pour déterminer qu'un objetflottera ou non

• Résoudre des problèmes faisant intervenir le

principe d'Archimède


1. Effectuer une activité destinée à mesurer lepoids d'un objet dans l'air et le poids du mêmeobjet dans un liquide. Mesurer le poids defluide déplacé par l'objet immergé et analyserles mesures.

2. Déterminer le poids d'un petit objet de métal.Placer l'objet dans une boîte munie d'un tropplein. Recueillir dans un cylindre gradué letrop plein d'eau qui se déverse de la boîte.Employer un agent mouillant dans l'eau pourbriser la tension superficielle et obtenir ainsides mesures plus précises du volume déplacé.

Enregistrer le poids de l'objet une foisimmergé, en le fixant à un dynamomètre.Déterminer le poids du liquide déplacé et lecomparer au poids apparent de l'objet immergéqui résulte de la poussée d'Archimède. La pertede poids de l'objet immergé doit égaler le poidsd'eau déplacée.

Répéter l'opération avec un objet qui flotte.Examiner attentivement de quelle façon secompare la perte apparente de poids d'un objetflottant et le poids du liquide déplacé.

3. Les fabricants de vins se servent d'unhydromètre pour mesurer la densité initiale dumoût. Si besoin est, ils ajoutent du sucre. Ladensité initiale détermine le rendement d'alcoolqu'on peut espérer. Le type de levure employéeet la tolérance à l'alcool de la levure peuventlimiter le rendement potentiel.

Effectuer une activité destinée à étudier ladensité de solutions sucrées ayant desconcentrations différentes.

Faire des recherches sur le vin (fabrication ethistoire). La fermentation alcoolique remonteau septième millénaire avant Jésus-Christ. Levin est important pour des raisonsscientifiques, sociales, techniques, historiqueset économiques.

En groupes de deux, fabriquer de petitesquantités de vin. Élaborer un ensemble decritères d'après lesquels sera jugée la qualitédu vin. Après la fabrication du vin et levieillissement nécessaire, les enseignants etenseignantes pourront se porter volontairespour goûter le produit final.

Cette activité est à envisager avec beaucoup detact. Obtenir avant tout l'approbation de ladirection de l'école.


E. Principe de Bernoulli

Concepts clés

Le profilage vise la réduction de la turbulencequi apparaît quand s'écoule un fluide. Dans unécoulement profilé ou laminaire, le fluide agitcomme s'il était formé de minces couches de fluide.L'échange entre les couches est minimal dans unécoulement laminaire.

Quand il y a turbulence, il apparaît destourbillons et des remous. La turbulence a pourconséquence d'ajouter une traînée supplémentaireaux objets qui se déplacent dans un fluide.

L'étude des forces et des pressions qui modifient lemouvement des fluides s'appellel'hydrodynamique. L'étude d'objets profilés dansl'air s'appelle l'aérodynamique.

Un fluide incompressible et non visqueux qui semeut dans une zone ayant une section transversalenon constante (A) subit un changement de vitesse(v). Le produit de A × v est une constante.

P1A1v1 = P2A2v2

Si le fluide est incompressible P1 = P2 de sorte queces valeurs s'annulent, ce qui donne :

A1v1 = A2v2 (équation de continuité)

Pour que la vitesse change, il faut qu'il y ait unchangement de la force. Un changement de la forceimplique un changement de pression.

La pression latérale exercée par un fluideincompressible varie comme la raison inverse ducarré de la vitesse du fluide (principe de Bernoulli)

L'équation de Bernoulli :

Pour la statique des fluides, on a :

v = 0



• 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 nonconstante subit un changement de vitesse

• Identifier la relation de cause à effet entre le

changement de vitesse dans un fluide et lechangement 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


1. Faire des recherches sur l'hélice à pas variableou sur d'autres inventions appartenant audomaine de l'aviation. Expliquer les principesphysiques qui interviennent.

2. Souffler dans une paille entre deux balles deping-pong suspendues au plafond par desficelles. Expliquer ce qui se passe. Avant decommencer à souffler dans les pailles,demander aux élèves de prédire ce qui va sepasser.

3. Garder une balle de ping-pong en suspensiondans le courant d'air causé par un séchoir àcheveux. Incliner le séchoir jusqu'à ce que laballe tombe. Mesurer l'angle. Accélérer lavitesse du séchoir. Voir si l'angle de tombée dela balle est différent.

4. Souffler dans le goulot d'un entonnoir. Placerune balle de ping-pong dans la coupe del'entonnoir. Observer ce qui se passe. Tenterd'expliquer l'observation.

5. Souffler sur une bandelette de papier.Expliquer la « portance » créée sur labandelette de papier.

constantev?21

+ P 0 = gh?

,

constante =gh +v?21

+P

2

2

quesortede

paschangenehauteurlaSi

ρ

)h-hg(?- = P-P

gh?+P = gh?+P

1212

2211

→

∴


6. Organiser un concours d'avions en papier.Préciser les critères d'après lesquels leconcours sera jugé (matériaux employés, duréedu vol, portée du vol). Dans le cadre de ceprojet, les élèves écriront un rapport surl'aérodynamique du vol.

7. Étudier l'art et la science de la descente desrapides en canot. De nombreuses idéestouchant la mécanique des fluides, lacinématique et la dynamique peuvent êtreabordées dans cette application captivante. Parexemple, les canoéistes chevronnés doiventsavoir anticiper l'état des rapides en aval, lesformations rocheuses et les forts courants.

Physique 30 – L’électromagnétisme – P. 257

Unité facultative VII : L’électromagnétisme

Vue d'ensemble

Les liens qui unissent électricité et magnétismesont les fils conducteurs de cette unité facultative.Cette unité peut être considérée comme unprolongement de l'unité obligatoire III. Elle présentedes notions supplémentaires nécessaires pour lasection C de l'unité obligatoire IV, qui traite desréacteurs nucléaires. Le principe du moteur (effetélectromoteur) aide les élèves à se faire unemeilleure idée des techniques de production del'électricité, quel que soit le type d'énergie qui sert àfaire tourner les alternateurs.


A4 reproductibleA7 uniqueA9 reliée à l'être humain/à la culture

B2 l'interactionB9 la reproduction des résultatsB10 la cause et l'effetB14 le cycleB17 le champB22 les entités fondamentales

C2 la communicationC8 la formulation d'hypothèsesC10 la prédictionC12 l'interprétation des donnéesC15 l'analyse

D3 les effets de la science et de la technologieD5 la manque de compréhension du publicD9 l'influence de la société sur la science et la

technologie

E3 savoir utiliser le matériel prudemmentE12 savoir se servir d'instruments électroniques



G2 devenir plus confiantG3 continuer d'étudierG6 préférer les réponses scientifiquesG8 préférer les explications scientifiques



• Explorer les liens entre l'électricité et lemagnétisme

• Appliquer sa compréhension des concepts

d'électricité et de magnétisme à l'explicationd'expériences communes et d'applicationspratiques

• 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 caractérisentla physique (COM)



• Apprécier la valeur et les limites de la

technologie dans la société (TEC) • Satisfaire à ses besoins de connaissance (AUT)

P. 258 – Physique 30 – L’électromagnétisme

A. Magnétisme

Concepts clés

Les ressemblances entre l'électricité et lemagnétisme ont poussé les scientifiques à postulerque les propriétés magnétiques pourraient bien êtrele résultat d'interactions entre des charges enmouvement.

Les substances qui peuvent par induction deveniraimantées quand elles sont dans un champmagnétique sont appelées ferromagnétiques. Lesmatériaux ferromagnétiques doux perdent leuraimantation dès qu'on les retire du champmagnétique. Les matériaux ferromagnétiquesdurs peuvent retenir leur caractère magnétique, cequi les destine particulièrement à la fabrication desélectro-aimants.

Une boussole est un aimant qui s'aligne de lui-même 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 magnétiquefait l'objet de recherches.)

Les pôles de même nature se repoussent. Les pôlesde nature opposée s'attirent. (Loi des pôlesmagnétiques)

Un champ magnétique est une région de l'espaceoù on peut déceler une force magnétique.

Le champ magnétique est le plus intense aux pôlesde l'aimant.

Les lignes d'induction magnétique sont unefaçon de représenter un champ magnétique.

Par convention, les lignes d'induction magnétiquevont du pôle magnétique nord au pôle magnétiquesud à l'extérieur de l'aimant (et du sud vers le nordà l'intérieur de l'aimant).

Les lignes d'induction magnétique forment uneboucle fermée. Jamais elles ne se coupent.

Les pôles magnétiques de la Terre ne coïncident pasavec les pôles géographiques. L'angle entre le pôlenord géographique et le pôle nord magnétique estappelé la déclinaison magnétique.

L'angle de déclinaison dépend de l'emplacementde l'observation sur la Terre.

Le champ magnétique terrestre n'est pas parallèle àla surface terrestre. L'angle d'inclinaisonmagnétique est la mesure de la déviation deslignes d'induction magnétique par rapport au planhorizontal. Cet angle varie selon l'emplacement del'observateur sur la surface de la Terre.

L'angle d'inclinaison magnétique est très importantau voisinage des pôles magnétiques de la Terre, cequi rend la navigation ardue.

Le champ magnétique de la Terre dérive trèslégèrement avec le temps. Les plaques tectoniquesexpliquent ce phénomène.

Les gisements de minerai dans la Terre peuventinfluencer l'intensité du champ magnétiqueterrestre.

Les unités d'intensité du champ magnétique sont leweber/m2, appelé le tesla. Une unité plus familièrecorrespondant à la même chose est le N/(A⋅m).



• Définir les termes suivants : ferromagnétique,ferromagnétique doux, ferromagnétique dur,boussole, champ magnétique, ligne d'inductionmagnétique, pôle magnétique nord, angle dedéclinaison, pôle magnétique sud, angled'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 enscience

• 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 etd'applications pratiques


• Étudier d'importantes applications des aimantsdans les appareillages technologiques


1. Effectuer une activité destinée à étudier lechamp magnétique au voisinage d'un aimant.

2. Illustrer les conventions que l'on utilise pourindiquer la direction des lignes d'inductionmagnétique.

3. Mentionner les conséquences qu'ont sur lanavigation l'écart entre l'emplacement dupôle géographique et l'emplacement du pôlemagnétique, et l'angle d'inclinaisonmagnétique.

B. Électromagnétisme

Concepts clés

Oersted a découvert qu'un champ magnétiqueapparaissait dans la région où se trouvait unconducteur traversé par un courant électrique.

Le sens des lignes d'induction magnétique dépendde la direction du flux d'électrons dans leconducteur.

Le champ magnétique forme une série de cerclesconcentriques autour du conducteur rectiligne.

L'intensité du champ magnétique diminue quandon s'éloigne du conducteur proportionnellement àl'inverse de la distance radiale. À une distancedonnée du conducteur, l'intensité du champmagnétique croît proportionnellement à l'intensitédu courant dans le conducteur.

La règle d'Ampère (appelée aussi règle de la maindroite) décrit le sens du champ magnétique autourd'un conducteur rectiligne. Si l'on tient leconducteur dans la main droite en prenant soin quele pouce soit dirigé dans le sens du courant, lesautres doigts s'enroulent autour du conducteur dansle même sens que les lignes d'induction du champ.

L'intensité du champ magnétique autour d'unconducteur peut être amplifiée si on fait une boucleavec le conducteur. Un grand nombre de boucles,appelées spires, forment une bobine ou solénoïde(appelé aussi hélice).

Le champ magnétique à distance d'un solénoïderessemble au champ qui se forme à distance d'unebarre aimantée. À l'intérieur du solénoïde, les lignesd'induction du champ magnétique sont rectiligneset également espacées.

La règle d'Ampère (règle de la main droite pour unsolénoïde) affirme que si on saisit un solénoïde de lamain droite et que les doigts s'enroulent dans ladirection du courant, le pouce désigne le pôle nordmagnétique du noyau. Les lignes d'inductionmagnétique pointent du sud au nord à l'intérieur dunoyau, soit dans la direction indiquée par le pouce.

L'intensité du champ magnétique augmenteconsidérablement si on utilise comme noyau pour lesolénoïde un matériau possédant une hauteperméabilité magnétique.

La perméabilité magnétique (µ) est le rapport del'intensité du champ magnétique pour un matériaude noyau donné à l'intensité du champ magnétique


dans le vide, c.-à-d. quand il n'y a pas de matériaupour le noyau.

Les matériaux ferromagnétiques possèdent uneperméabilité magnétique très élevée.

L'intensité du champ magnétique (F) d'un solénoïdevarie directement avec le courant (F α I) et est aussidirectement proportionnelle au nombre de spires (N)par unité de longueur (F α N). I est le courant.



• Définir les termes suivants : perméabilitémagnétique, ferromagnétique

• Mentionner que la direction du champ

magnétique autour d'un conducteur traversé parun courant est fonction du sens de circulation ducourant dans le conducteur

• Illustrer le fait que le champ magnétique autour

d'un conducteur traversé par un courant seprésente comme une série de cerclesconcentriques

• Réaliser qu'en s'éloignant d'un conducteur

l'intensité du champ magnétique décroît enproportion

• Énoncer la règle d'Ampère (appelée aussi règle de

la main droite) telle qu'elle s'applique à unconducteur rectiligne

• Recourir à la règle de la main droite pour

déterminer la direction des lignes d'inductionmagnétique ou la direction du courant dans unconducteur rectiligne

• Expliquer que l'intensité du champ magnétique

peut augmenter si on fait une boucle avec leconducteur

• 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 unsolénoïde

• Appliquer la règle de la main droite à un

solénoïde afin de déterminer le sens du courantdans la bobine ou la polarité magnétique de labobine

• Réaliser que l'intensité du champ magnétique

d'un solénoïde s'accroît considérablement si onemploie un noyau de haute perméabilitémagnétique

• Indiquer les facteurs qui jouent un rôle surl'intensité du champ magnétique d'un solénoïde

• Expliquer le fonctionnement d'applications

pratiques en utilisant ses connaissances del'électromagnétisme

• Résoudre des problèmes relatifs à

l'électromagnétisme


1. Démontrer que l'intensité du champmagnétique s'accroît si on fait une boucle avecle conducteur.

2. Montrer aux élèves que l'intensité du champmagnétique d'un solénoïdes s'accroîtconsidérablement si on emploie un noyau ayantune haute perméabilité magnétique.

3. Étudier expérimentalement le champmagnétique d'un conducteur rectiligne ou d'unsolénoïde.

4. Prendre un tube à rayons cathodiques ou untube de Crookes et placer un aimant àproximité. Observer ce qui se produit. Inverserle sens du champ magnétique et recommencer.Comparer ce qui se passe à chaque fois. Est-ceque la déviation du faisceau concorde avec laprédiction de la règle de la main droite pour lecas de l'effet électromoteur? Attention : cetappareil produit des rayons X.

Si on a un montage mieux contrôlé, on peutdéterminer le rapport de la charge à la massed'un électron.

5. Imaginer une expérience destinée à déterminerles facteurs qui affectent l'intensité du champmagnétique d'un solénoïde.

6. Suspendre un aimant par une ficelle dans de laglycérine, du miel ou tout autre fluide clair etvisqueux. Parsemer doucement de la limaille defer sur le liquide. La limaille demeure ensuspension, s'organisant d'elle-même selon unmotif tridimensionnel sous l'effet du champmagnétique. Reproduire sous forme de dessin lemotif du champ magnétique. Comme il estdifficile de retirer la limaille de fer de l'aimant,envelopper l'aimant dans un sac de plastique àsandwich avant l'expérience. S’il est possibled’utiliser un électro-aimant pour cettedémonstration, il sera plus facile de retirer lalimaille de fer, et en plus il sera possibled’illustrer la disparition du champ magnétique


quand le courant dans l'électro-aimant estcoupé.

Pour obtenir la représentation d'un champmagnétique bidimensionnel, disposer unaimant sous un morceau de papier ou unacétate. Disperser de la limaille de fer sur lafeuille ou l'acétate. La figure correspondante duchamp devrait être visible. Employer deuxaimants sous la feuille pour illustrer larépulsion et l'attraction des lignes d'inductionmagnétique.

7. Placer dans un pot une très fine suspensioncolloïdale de limaille de fer dans de l'huile.Tenir un aimant à l'extérieur du pot et joueravec la boule métallique qui se forme contre laparoi du pot.

8. Demander aux élèves de faire des recherchessur le sens de l'orientation et de la migrationdes animaux et se baser pou cela sur laprésence de magnétite dans leurs cellules.Chercher des façons de relier cette activité à dessujets de biologie traitant des systèmesanimaux ou de l'évolution.

9. Un jeu de deux aimants cobalt-néodymium encéramique cristallin peut être utile enlaboratoire, parce que ces aimants sont trèspuissants et mettent en lumière les propriétésde substances magnétiques comme le crayon decarbone ou du papier couvert de graphite(comme dans le cas d'une feuille photocopiée).

10. Employer un cherche-clous magnétique pourmontrer comment on localise des objetsmétalliques situés à l'intérieur d'un mur.

11. Les ressources mises à la disposition desélèves n'emploient pas toutesnécessairement des conventionscohérentes pour définir le courant. Dansle présent programme d'études, onaccepte le sens de circulation« conventionnel » du courant. Le courantest considéré comme étant formé decharges positives, même si en réalité lesélectrons se déplacent dans le sensinverse.

Si les ressources à la disposition des élèvesindiquent que le courant est un flux d'électrons,toutes les références à la règle de la main droitedoivent désigner la règle de la main gauche.Noter de plus qu'il peut y avoir desincohérences entre ce qu'on trouve dans lesressources de physique et celles de chimie.Inutile de préciser que les élèves trouvent ces

définitions du courant (et les différencescorrespondantes des signes) trèsembrouillantes.


C. Le principe du moteur (oul'effet électromoteur)

Concepts clés

Quand un conducteur traversé par un courant estsitué dans un champ magnétique externeperpendiculaire au conducteur, le conducteur estsoumis à une force perpendiculaire à la fois à lui-même et au champ magnétique (effetélectromoteur).

La règle de la main droite pour un conducteurpermet de connaître la direction de la force agissantsur le conducteur. Si le pouce droit indique le sensdu courant dans le conducteur et que les autresdoigts pointent dans le sens du champ magnétiqueextérieur, la direction de la force sur le conducteurest celle d'une perpendiculaire qui part de la paumede la main droite.

Le principe du moteur permet d'obtenir unedéfinition précise de l'ampère. Un ampère est laquantité de courant que doit parcourir deuxconducteurs rectilignes parallèles espacés d'unmètre dans le vide et sur lesquels agit une force de 2x 10-7 newton par mètre linéaire.

Les appareils de mesure électriques analogiques(comme le galvanomètre, l'ampèremètre, levoltmètre) mettent à profit le principe du moteur.

Les moteurs électriques sont des applications del'effet électromoteur. Un moteur électrique estconstitué d'un aimant inducteur extérieurpermanent (stator) et d'un équipage mobileconducteur en forme de bobine (rotor) libre detourner dans l'aimant inducteur. Des balais et uncollecteur (ayant des aspects différents selon que lecourant fourni à l'induit est continu ou alternatif)connectent l'induit à une source de tensionextérieure.

La vitesse de rotation d'un moteur est fonction del'intensité du courant qui le parcourt, du nombred'enroulements dans l'induit, de l'intensité del'aimant d'induit et de la charge mécanique fixée àl'arbre.



• Énoncer le principe du moteur • Énoncer la règle de la main droite qui permet de

trouver la force sur un conducteur

• Appliquer la règle de la main droite pour la forcesur un conducteur afin de trouver la direction dela force qui s'exerce sur le conducteur, ladirection du champ magnétique extérieur, ou lesens du courant qui traverse le conducteur

• Expliquer le fonctionnement d'applications

pratiques à partir de ses connaissances duprincipe 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


Enseignements, activités et démonstrations suggérés

1. Construire de petits moteurs électriques à partir de pièces bon marché. Apporter des modifications à laconception en vue d'obtenir une plus grande vitesse de rotation du rotor, ou de développer le couple maximalsur l'arbre. Le schéma ci-dessous illustre un montage rudimentaire qui n'exige pas un appareillagecompliqué.

Matériel utilisé : trombones, fil isolé de calibre 22 à 30, piles sèches de 1,5 volt ou alimentations, fils deraccord munis de pinces crocodiles, barreaux aimantés.

Enrouler le fil autour d'un tube à essai de 15 mlou d'un crayon afin d'obtenir une bobine bienronde. Une fois le fil isolé, le poser sur unesurface plane et dénuder le fil d'un côté àchacune des extrémités. S'assurer que le fil aété raclé sur le même côté à chaque extrémité.C'est un détail très important. Les parties du filnon exposées agissent comme un collecteur. Ildoit y avoir coupure périodique du courantquand la bobine tourne.

Demander aux élèves de tester les variables quipourraient affecter le fonctionnement dumoteur, comme le nombre d'enroulements de fildans le rotor, la position et la polarité desbarreaux aimantés, l'intensité des aimants(s'il y en a plusieurs de disponible), le courantet la tension de l'alimentation (ou dans le cas depiles, y a-t-il une différence quand on lesraccorde en série ou en parallèle?), le calibre etla longueur du fil isolé employé.

2. Expliquer comment l'effet électromoteur sert àélaborer une définition précise de l'ampère.

3. Si le terme force électromotrice est employé,bien expliquer que ce n'est pas une force, maisune énergie par unité de charge. Mieux encore,éviter de faire référence à ce terme quiembrouille les élèves.

P. 264 - Physique 30 – L’électromagnétisme

D. Inductionélectromagnétique

Concepts clés

Faraday et Henry découvrirent qu'une tension peutêtre induite dans un conducteur quand un champmagnétique extérieur se déplace relativement auconducteur. Un courant apparaîtra si le circuit estfermé.

Quand un champ magnétique dans la région d'unconducteur est en mouvement, ou que sa grandeurvarie, ses lignes d'induction se déplacent à traversle conducteur et un courant électrique est induitdans ce dernier, s'il fait partie d'un circuit fermé.

Le courant induit est un produit vectoriel desvecteurs déplacement du conducteur et du champmagnétique. Le courant est proportionnel à sin θo, θest l'angle entre la direction du conducteur et ladirection du champ. Le courant maximal serainduit quand θ = 90o (perpendiculaire), et l'intensitédu courant passe de ce maximum à θ = 90o à zéroquand θ = 0o.

L'induction électromagnétique provoque unchangement temporaire du champ magnétiqueextérieur. Une interaction apparaît entre unchamp induit (résultant du passage du courantinduit dans le conducteur) et le champ inducteur.

Le champ magnétique induit s'oppose auchangement du champ inducteur. Ces deuxchamps ont la même direction si le champinducteur est décroissant (loi de Lenz).

La loi de Lenz est conforme à la loi de laconservation de l'énergie. De l'énergie mécaniquedoit être fournie de l'extérieur pour produire uneénergie électrique induite.



• Définir les termes suivants : induire, champinduit, 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 duconducteur est perpendiculaire au champmagnétique extérieur

• Expliquer que l'interaction entre les champsmagnétiques induit et inducteur donne lieu à unchangement temporaire du champ magnétiqueextérieur

• 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'inductionélectromagnétique.


1. Employer un anneau de Faraday, ou tout autreappareil, pour montrer l'inductionélectromagnétique. Les déplacements d'unconducteur entre les mâchoires d'un aimant enfer à cheval, ou l'enfoncement et le retrait d'unbarreau aimanté dans un solénoïde raccordé àun galvanomètre donnent l'occasion d'observercette induction.

2. Connecter une bobine sans noyau à ungalvanomètre. Enfoncer et retirer un barreauaimanté dans la bobine. Lire le courant sur legalvanomètre. Inverser le sens du champmagnétique du barreau aimanté etrecommencer.

Connecter un galvanomètre à une bobinesecondaire. Placer un électro-aimant agissantcomme bobine primaire dans la bobinesecondaire. Fermer le circuit de la bobineprimaire. Observer la lecture sur legalvanomètre (le courant dans le secondaire).

3. Montrer comment s'utilise un allumeurpiézoélectrique sans rien mentionner de sonfonctionnement. Demander aux élèves detravailler en groupes. Chaque groupe discuterade ce gadget et tentera d'expliquer sonfonctionnement. Les groupes peuvent ensuitepartager leurs hypothèses, et voir quel groupe aémis l'hypothèse la plus intéressante.Évidemment, le groupe qui propose unehypothèse doit imaginer des expériencesdestinées à faire la preuve de son idée.

L'objet de l'exercice n'est pas tant d'étudierl'effet piézoélectrique que de confronter lesélèves à un phénomène qui leur est inconnu,l'effet piézoélectrique, et de tenter de l'expliquer.Les élèves apprendront ainsi que la curiosité etle désir de rechercher les causes sous-jacentes àun phénomène naturel sont des élémentsessentiels du travail en physique.

P. 266 – Physique 30 – La physique atomique

Unité facultative VIII : La physique atomique

Vue d'ensemble

L'emploi de l'énergie nucléaire à des fins civiles estcertainement l'un des sujets les plus controversés etprobablement l'un de ceux qui véhicule le plusd'idées erronées sur la physique. Il faut essayer decombler le manque d'information du public, afind'avoir des personnes possédant une culturescientifique générale qui prendront des décisionséclairées concernant l'énergie nucléaire. On peutinsister sur le fait que la compréhension de l'énergienucléaire est une exigence essentielle pour tous lesélèves.

Pour prendre des décisions éclairées, une personnedoit posséder des connaissances solides qui luipermettent de se forger une idée précise duproblème. Cette unité facultative vise à servir decomplément à l'unité obligatoire IV.

Des connaissances plus vastes et une meilleureinformation rendront les élèves les plus aptes à seformer des opinions et à débattre de l'exploitation del'énergie nucléaire.

Les recherches en physique moderne sepoursuivent. La section E « Physiquecontemporaine » offre aux enseignants etenseignantes et aux élèves la possibilité d'examinerplus avant les résultats de ces recherches. À causede la nature actuelle et changeante de cette matière,nous laissons aux enseignants et enseignantes etaux élèves le soin de son développement. Certainesdirectives sont fournies, mais les enseignants etenseignantes peuvent développer le sujet E enfonction de leurs champs d'intérêt personnels.


A1 publique/privéeA3 holistiqueA4 reproductibleA6 probabilisteA7 unique

B2 l'interactionB11 la prévisibilitéB15 le modèleB19 la probabilitéB20 la théorieB22 les entités fondamentales

C1 la classificationC6 la mise en question

C8 la formulation d'hypothèsesC9 l'inférenceC13 la création de modèles

D1 la science et la technologieD2 le côté humain des scientifiques et des

technologuesD3 les effets de la science et de la technologieD4 la science, la technologie et l'environnementD5 le manque de compréhension du publicD7 la variété d'opinionD8 les limites de la science et de la technologieD9 l'influence de la société sur la science et la

technologie

E4 savoir utiliser le matériel audiovisuelE5 savoir se servir d'un ordinateur

F2 le mise en questionF4 le respect des environnements naturelsF6 la prise en considération des conséquencesF8 la prise en considération des prémisses

G1 s'intéresser à la scienceG2 devenir plus confiantG3 continuer d'étudierG9 apprécier les contributions scientifiques



• Réaliser que la physique est une activitéhumaine 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 oupossibles effectués au nom de la science

• Se rendre compte qu'il faut des recherches plus

poussées sur le bien-fondé de l'exploitation del'énergie nucléaire

• Reconnaître que les êtres humains sont

constamment soumis à diverses formes derayonnement

• Reconnaître que l'exposition à la radioactivité est

inévitable, mais qu'il est possible de la réduireau minimum

Physique 30 – La physique atomique – P. 267

• Prendre conscience des risques possibles associésà certains types d'irradiation

• Évaluer si certaines positions relatives à

l'exploitation de l'énergie nucléaire reposent surune bonne connaissance de la physique

• Reconnaître la nécessité d'être informé des faits

et des questions qui entourent l'exploitation del'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 principauxconcepts 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 développementstechnologiques (TEC)

• Développer cher soi un désir d'apprendre qui

durera toute la vie. (AUT)

A. Théorie atomique

Concepts clés

Les expériences de Rutherford avec des feuilles d'or,qu'il réalisa en collaboration avec Geiger etMarsden, permettent de conclure à la présence d'unnoyau qui diffuse des particules alpha. La répulsionde certaines particules alpha suggère que le noyauest positif et qu'il renferme des protons.

Des travaux ultérieurs menés par Chadwickrévélèrent l'existence de neutrons dans le noyau del'atome.

Le numéro atomique signale le nombre deprotons dans le noyau. Dans le cas d'un atomeneutre, c'est aussi le nombre d'électrons autour dunoyau.

En soustrayant le numéro atomique de la masseatomique, on obtient le nombre de neutrons dans lenoyau.

Les isotopes sont des atomes d'un même élément(ils ont le même nombre de protons ou numéroatomique), dont le nombre de neutrons dans lenoyau diffère. Les isotopes d'un élément possèdentdes propriétés chimiques équivalentes.

Les isotopes radioactifs sont appelés radio-isotopes.

La plupart des éléments du tableau périodique deséléments ont plusieurs isotopes, qui se trouvent enproportions variables dans un élément donné.

La masse atomique moyenne d'un élément tientcompte des proportions relatives des isotopes quel'on trouve dans la nature.

Une interaction nucléaire de liaison garde lacohésion du noyau. Le défaut de massenucléaire, soit l'écart entre la masse du noyau etla somme des masses de ses constituants, s'expliquepar l'énergie nucléaire de liaison qui gardeensemble le noyau.

Le défaut de masse sert à calculer la valeur del'énergie nucléaire de liaison si on applique laformule E = mc2.

L'énergie de liaison moyenne par nucléon estune mesure de la stabilité nucléaire. Plus cetteénergie moyenne est élevée, plus le noyau est stable.

Le modèle atomique de Bohr représente les électronsen mouvement sur des orbites circulaires discrètes,


bien caractérisées. Les électrons ne peuvent occuperqu'un certain nombre d'orbites permises. Pourqu'un électron occupe une orbite permise, il faut quesoit disponible une certaine quantité d'énergie.

Chaque orbite reçoit un nombre quantique, lesnombres les plus petits étant attribués aux orbitesles plus proches du noyau. Chaque orbite ne peutcontenir qu'un nombre maximal spécifié d'électrons.Dans des conditions normales, les électronsoccupent les orbites de plus faible énergie, soit cellesqui se trouvent près du noyau. En absorbant del'énergie supplémentaire, les électrons peuventgravir les orbites supérieures. En revenant à leursorbites initiales de moindre énergie, les électronsrestituent cette énergie.

Le modèle atomique de Bohr a proposé uneexplication au spectre d'émission que produisentl'hydrogène et d'autres gaz.

Les photons sont des particules qui aident àdécrire la dualité onde-particule de la lumière.L'énergie d'un photon est fonction de sa fréquence.Leur existence permet d'expliquer l'effet photo-électrique, car eux seuls ont suffisamment d'énergiepour extraire un électron de la surface éclairée.

ν h = E

où E est l'énergie du photon en J, ν est la fréquencedu photon en Hz et h est la constante de Planck quivaut 6,626 x 10-34 J/Hz.

La théorie quantique fournit un cadremathématique qui permet de comprendre la naturede l'atome.

La théorie quantique décrit une région au voisinagedu noyau où il y a le maximum de probabilité delocaliser un électron. Ces « nuages » orbitaux ontdes formes assez inhabituelles et intéressantes.



• Définir les termes suivants : numéro atomique,isotope, radio-isotopes, interaction nucléaire deliaison, énergie moyenne de liaison, défaut demasse 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 deneutrons dans le noyau d'un atome

• Savoir que les isotopes d'un élément ont des

propriétés chimiques semblables, et despropriétés physiques différentes

• Donner un exemple d'élément qui renferme des

isotopes et montrer comment ces isotopesdiffèrent les uns des autres

• Expliquer que la masse atomique moyenne d'un

élément est le résultat de la prise enconsidération des proportions relatives de sesisotopes 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 certainsphénomènes physiques, alors que les autresmodèles 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 etd'autres principes physiques importants que lesthéories antérieures ne réussissaient pas àinterpréter

• Mentionner que la théorie quantique décrit une

région au voisinage du noyau où l'électron a laprobabilité maximale de se trouver

• Donner des descriptions d'orbites électroniques

fournies par la théorie quantique



Attention : On recommande de ne pas faired'expériences avec des produits radioactifs.Avoir recours à des simulations, à desmodèles informatiques ou à du matérielpédagogique audiovisuel. Des sources trèsfaibles de rayonnements ionisants pourrontêtre employées si les simulations ne suffisentpas. Cependant, il faut procéder avec desprécautions infinies. Il est aussi trèsimportant d'étiqueter précisément lessources radioactives et de les entreposerdans un endroit sûr à tout point de vue.

1. Employer un tube à gaz ou un tube à rayonscathodiques, branché à une alimentation hautetension. Montrer ce qui se passe quand lefaisceau interagit avec : a) un rayon lumineuxqui frappe le faisceau perpendiculairement; b)un objet portant une charge statique; et c) unchamp magnétique.

Attention : Il faut redoubler de prudencequand on emploie une alimentation hautetension. De plus, les tubes à gaz peuventémettre des rayons X nocifs. Les enseignantset enseignantes doivent faire cesdémonstrations mais en utilisant toutes lesmesures de sécurité nécessaires. La découverteinattendue de rayons X par Röntgen peut êtrereproduite en plaçant un objet fluorescent prèsd'un tube à gaz. Une feuille non exposée de 4po sur 5 po d'une pellicule polaroïd 57 (ISO3000) placée à proximité durant une périodeprolongée devrait parvenir à prouver ceci.

3. Préparer 30 petits cubes dont toutes les facessont colorées en vert et 30 autres cubes dontcinq faces sont en bleu et une face en rouge.Les 30 cubes à faces bleues représentent lesnucléides radioactifs après la désintégration.Brasser les cubes bleu-rouge et les laisser sedisperser sur une surface plane. Toutes lesfaces rouges correspondent aux nucléides quiont subi une désintégration. Compter lenombre de faces rouges à chaque essai.Enregistrer les résultats. Remplacer les cubesdont la face rouge est vers vous par un cubevert (correspondant à un noyau descendantstable). Brasser et disperser les cubes àplusieurs reprises. À chaque fois, le nombretotal de cubes doit être de 30.

Enregistrer toutes les observations. Dessinerune courbe de désintégration nucléaire entraçant le nombre de faces bleues en fonction

du nombre d'essais. D'après les résultats,déterminer la demi-vie de l'échantillon.

Existe-t-il un modèle statistique qui prédise lademi-vie? Quel est l'effet de la taille del'échantillon sur la courbe de désintégration etla demi-vie? (Commencer avec 20 cubes bleu-rouge au lieu de 30 utilisés pour le premieressai. Répéter le test.)

Pour obtenir des résultats statistiquementprobants, employer au moins 30 cubes.

3. Rechercher les effets biologiques desrayonnements ionisants. Cette activité peutentrer dans le cadre de Biologie 30.

4. Élaborer un rapport sur le vent solaire, lerésultat de l'activité des éruptions solaires, lesaurores boréales et autres phénomènes relatifsaux rayons cosmiques.

5. L'effet photo-électrique et l'effet Compton ontcontribué à donner naissance à la théoriequantique. Faire des recherches sur les deuxphénomènes. Expliquer pourquoi les théoriesacceptées à l'époque ne réussissaient pas à lesexpliquer.

6. Si un groupe d'élèves possède une certaineconnaissance pratique de la programmation, ilpourra rédiger un programme informatique quisimule une désintégration radioactive.


B. Demi-vie et désintégrationradioactive

Concepts clés

La transmutation décrit le processus par lequel lenoyau d'un atome radioactif subit unedésintégration qui produit un atome et un nombredifférent de protons, et cela jusqu'à ce qu'onaboutisse à un noyau stable.

Une particule alpha (c'est-à-dire un noyau d'hélium)est libérée durant la désintégration alpha d'unesubstance radioactive. Un élément de masse plusfaible est alors produit. On a donc :

He + Th U 42

23490

23892 →

Dans l'exemple ci-dessus, l'uranium 238 libère uneparticule alpha de son noyau, ce qui le transformeen du thorium 234. La masse n'est pas conservée.Le nombre de masse atomique (ou nombre denucléons ou nombre de baryons), lui, est conservé.

La désintégration bêta (désintégration bêtanégative) survient quand une particule bêta(négative) est libérée du noyau (c'est-à-dire unélectron). On a donc :

e +Pa Th 01-

23491

23490 →

Dans l'exemple précédent, le thorium 234 libère uneparticule bêta, ce qui produit du protactinium 234.La masse ici aussi n'est pas conservée dans unedésintégration bêta. Le nombre de nucléons estconservé.

Dans une désintégration bêta, la particule bêtalibérée provient du noyau de l'atome, il ne s'agit pasd'un électron orbital. Il y a perte d'un neutron quis'est transformé en un proton et un neutron.

En général, si X est le noyau parent et Y le noyaudescendant :

Pour la désintégration alpha, on a :

eHYX 42

4A2Z

AZ +→ −

−

La désintégration alpha ne peut avoir lieu que si MX

> My + MHe. Les masses atomiques de He et de Ysont inférieures à la masse de l'atome parent X. Lamasse « perdue » a été convertie en énergie(E = mc2) que l'on trouve sous forme d'énergiecinétique de la particule alpha.

Pour une désintégration bêta, on a :

veYX 01

AAZ ++→ −+1Z

(En réalité, un antineutrino est aussi produit lorsd'une émission bêta.)

MY < MX

La masse apparaît comme l'énergie cinétique del'électron.

Un neutrino est une particule « inventée » afin derespecter la conservation de l'énergie, de la quantitéde mouvement et du moment cinétique dans unedésintégration bêta. Il est dépourvu de masse, decharge et n'a pratiquement aucune interaction avecla matière. Il voyage à la vitesse de la lumière ettransporte de l'énergie et de la quantité demouvement.

Durant une transmutation nucléaire, de l'énergieest libérée.

Une série de transmutations nucléaires a lieujusqu'à ce qu'on aboutisse à un noyau stable. Lasérie d'étapes de la transmutation est appelée sérieradioactive (ou famille radioactive).

La désintégration gamma est la libération del'énergie excédentaire stockée dans le noyau. Danscette désintégration, il n'y a pas de transmutation.Cependant, la désintégration gamma accompagnesouvent une famille radioactive alpha ou bêta.

La désintégration gamma a lieu quand un noyau« excité » (excité par un photon ou une particule debombardement, ou bien c'est un produit dedésintégration dans un état excité) revient à sonétat fondamental. Un noyau excité est plus lourdque lorsqu'il est dans son état fondamental; ladifférence de masse est égale à l'équivalent masse del'énergie du rayon gamma émis.

γ + X X 00

AZ

*AZ →Soit,

(L'astérisque désigne un noyau « excité ».)


Les diagrammes des nucléides, qui représententle numéro atomique en fonction du nombre deneutrons, servent en physique nucléaire à illustrerune série radioactive.

Le rayonnement de fond est émis par diversessources radioactives. Les rayons cosmiques quipénètrent dans l'atmosphère de la Terre etproviennent de l'espace extra-atmosphériquecomptent pour 25 % du rayonnement de fond (celadépend de l'altitude).

On trouve dans le milieu ambiant de minusculessources de radioactivité naturelles (p. ex. le sol,l'air, l'eau potable, les matériaux de construction,les aliments) et elles contribuent toutes aurayonnement de fond.

Chaque nucléide radioactif est le siège d'uneradioactivité qui lui est propre et qui se produit à untaux de désintégration caractéristique. Le taux dedésintégration radioactive dépend du changementd'énergie qui accompagne la transformation, maisce n'est pas une relation proportionnelle.

Le taux d'émission radioactive d'un nucléideradioactif est directement proportionnel à laquantité de matériau radioactif présent.

0 e t -N N A

???

==

où A est l'activité en Bq, N est le nombre de noyauxradioactifs, N0 est le nombre initial de noyauxradioactifs à t = 0, λ est la constante dedésintégration et t est le temps.

La constante de désintégration (λ) mesure letaux auquel le nucléide se désintègre par émissionsradioactives.

La moyenne, ou durée de vie moyenne d'unnucléide, est de :

Le taux de désintégration d'un nucléide radioactifest mesuré par sa demi-vie.

La demi-vie ( )12

T est le temps qu'il faut pour que

la moitié des atomes se trouvant au début dans unéchantillon soit désintégrée.

Si la demi-vie d'un nucléide radioactif est connue, laconstante de désintégration peut se calculer ainsi :

où N0 est le nombre de noyaux au départ, Nt est lenombre 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 désintégrationradioactive est basée sur les statistiques, lesprobabilités et sur l'examen du comportement d'ungrand nombre de situations individuelles. On nepeut pas déterminer quand tel noyau subira unedésintégration; cependant il est possible de préciserle temps qu'il faudra pour qu'une certaineproportion des noyaux de l'échantillon soitdésintégrée.



• Définir les termes suivants : transmutation,désintégration alpha, désintégration bêta,désintégration gamma, neutrino, série (oufamille) radioactive, diagrammes des nucléides,rayonnement de fond, constante dedésintégration, demi-vie

• Comprendre en quoi consiste la transmutation

nucléaire • Constater que, dans une série de désintégrations

radioactives, il y a des transmutations tant quele 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 del'atome et n'est pas un électron orbital. Un desneutrons disparaît après sa transformation enun proton et un électron

τλ

= 1

eN = N

T

0,693 =

t)(-t

21

0?

?


• Énoncer une généralisation sur la désintégrationalpha et bêta

• Identifier une désintégration alpha, bêta et

gamma à partir d'expressions généralisées oud'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 cohérencedu noyau en la comparant au défaut de massenucléaire que l'on constate dans une réactionnucléaire

• 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 nucléairepartiellement équilibrée

• Interpréter l'information sur une série

radioactive nucléaire que l'on trouve dans undiagramme des nucléides

• Expliquer l'origine et le domaine d'action du

rayonnement de fond • Réaliser que le « bruit », lorsqu'on essaie

d'observer ou de mesurer d'importantsphénomènes physiques, gêne parfois

• Réaliser que chaque nucléide radioactif a une

radioactivité qui se manifeste à un taux qui luiest caractéristique

• Réaliser que le taux de désintégration radioactive

d'un certain nucléide est relié au changementd'énergie qui survient dans la transformation (ilexiste un lien entre eux, mais ils ne dépendentpas mutuellement l'un de l'autre)

• Expliquer que le taux de désintégration

radioactive est directement proportionnel à laquantité de matière radioactive présente

• Réaliser que la constante de désintégration

mesure le taux de désintégration radioactive

• Réaliser que le taux de désintégration d'un

nucléide radioactif peut aussi être mesuré etexprimé par la demi-vie de ce nucléide et sadurée 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 échantillonradioactif subira une désintégration

• Reconnaître qu'il est possible de déterminer le

temps nécessaire pour qu'une certaine proportiondes noyaux d'un échantillon radioactif soitdésintégrée

• Réaliser que les relations se basent sur la

désintégration radioactive, sur les statistiques etla probabilité et sur l'examen du comportementd'un grand nombre de situations individuelles


1. Présenter l'emploi de la notation :

Z représente le nombre de protons, A est lenombre de nucléons (le nombre de protons plusle nombre de neutrons), X est le symbolechimique de l'élément désigné.

2. Au lieu d'employer l'équation :

eN = N t) (-0t

λ

de la page 270, employer, pour éviterl’utilisation des fonctions exponentielles :

3. Armer une bonne douzaine de pièges à souriset les déposer dans un contenant transparent(p. ex. un aquarium) en prenant soin de ne pas

ZA X

t 0

tT

N = N12

12


les actionner. Placer avec précaution deuxballes de ping-pong sur le bras comprimé dechaque piège à souris. Dès que les préparatifssont terminés, lancer une balle de ping-pongdans le récipient et le refermer rapidement.Observer cette simulation d'une réaction enchaîne, dans laquelle les balles de ping-pongjouent le rôle des neutrons.

4. Voici une simulation d'une désintégrationnucléaire. Chauffer un éclateur à maïs. Mettreenviron 20 grains dans l'éclateur. Marquerquelques grains avec un crayon marqueur afinde les distinguer des autres. Faire éclater lemaïs. Noter le temps qu'il faut pour qu'ungrain colorié éclate. Si on n'utilise quequelques grains, on est certain que la machinene sera pas envahie par le maïs soufflé.

Répéter le test avec de nouveaux grains.

Est-il possible de prédire le temps exact qu'ungrain coloré mettra pour éclater? Est-ilpossible de déterminer le temps qu'il faut pourque presque tous les grains? Pourrait-oncalculer la « demi-vie » ou la « constante dedésintégration » du maïs à éclater? Est-ce queces paramètres varient avec la marque demaïs à éclater?

5. Présenter l'absorption du rayonnement :

où N 0 est le nombre de rayons incidentsatteignant l'absorbeur, Nx est le nombre derayons qui pénètrent dans l'absorbeur, x estl'épaisseur de l'absorbeur et µ est le coefficientd'absorption d'un certain matériau, pour uncertain rayonnement ayant une énergiespécifique.

Des calculs simples montrent que, pour uneépaisseur donnée, 50 % du rayonnement eststoppé. Si on double l'épaisseur, on n'arrête pasles 50 % restants mais seulement la moitié,soit 25 %. Il y a en donc 25 % qui passentencore.

eN = N x -0x

µ


C. Fusion nucléaire

Concepts clés

La fusion nucléaire se produit quand deux petitsnoyaux s'agglomèrent pour n'en former plus qu'un.Une grande quantité d'énergie est libérée pendantune fusion.

La fusion nucléaire est la réaction qu'entretient leSoleil et les étoiles.

On croit que la fusion dans le Soleil se produit parétapes.

Quatre protons donnent un atome de 24He, deuxpositrons et deux neutrinos. Les deux premièresétapes indiquées ci-dessous ont lieu deux fois avantque se produise la troisième étape :

H2 HeHeHe

HeHH

veHHH

1

1

4

2

3

2

3

2

32

21

11

0

0

0

1

2

1

1

1

1

1

+→+

→+

++→++

La fusion dans les étoiles produit tous les élémentschimiques que l'on trouve sur la Terre.

La lumière du Soleil est l'énergie libérée par lesréactions de fusion qui ont lieu au sein du Soleil.

L'observation des caractéristiques spectrales desétoiles permet de mieux comprendre la fusion.

D'après ce que l'on sait, la fusion ne pourrait seproduire qu'à des températures extrêmementélevées, d'où le nom de réaction thermonucléaireque l'on donne à la fusion.

L'utilisation de la fusion nucléaire à des finscommerciales fait actuellement l'objet derecherches.

Une réaction qui pourrait conduire à une fusioncontrôlée est :

La fusion a le potentiel de devenir une sourced'énergie abondante. Le combustible employé pourla fusion est à portée de la main.

Le deutérium 12H peut être extrait de l'eau.(Environ 0,015 % de l'hydrogène dans l'eau existesous forme de deutérium.) Le tritium (13H) doit êtrefabriqué, car il n'existe pas en quantité suffisantedans la nature.

Le tritium est radioactif (émission bêta), sa demi-vieest de 12,3 années. De plus, c'est une substancetoxique.

Les réactions de fusion complète ne produisent pasde substances ayant une longue durée de vie. De laradioactivité induite apparaît dans la cuve duréacteur en raison du flux de protons. Le tritium estradioactif et assez toxique.

L'entretien d'une réaction nucléaire estenvisageable si on amène les réactifs à un état detrès haute température appelé plasma. Lesparticules plasma peuvent être retenues dans unchamp magnétique. Ce principe est appelé leconfinement magnétique. Le rôle duconfinement magnétique est de prévenir les pertesde chaleur, et non d'empêcher la vaporisation desparois de la cuve de confinement comme on le croità tort.

Une autre technique pour entretenir une réactionde fusion est le confinement inertiel, dans lequelune pastille de combustible contenant les réactifs dela fusion est bombardée par une source de hauteénergie comme un laser ou un faisceau d'électrons.

La bombe à fusion, mise au point et testée au débutdes années 1950, a été la première application de lafusion nucléaire.



• Définir les termes suivants : fusion,thermonucléaire, plasma, confinementmagnétique, 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 destempératures extrêmement élevées

• Mentionner que les réactions de fusion ne

produisent pas de déchets persistants

MeV 17,6 + n + He H + H 10

42

31

21 →


• Constater que le combustible nécessaire pourcauser 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 reporterà « Controverses dans le domaine des sciences » deSciences : Programme cadre dans l'optique dutronc commun avant de traiter cette section.)

Choisir dans les applications suivantes les sujetsqui seront traités. Le détail du traitement accordéà ces applications détermine le nombre de sujets quipourront être traités. Ces applications peuvent êtretraitées séparément ou mieux encore, intégrées auxconcepts clés touchant l'énergie nucléaire exposésdans cette unité facultative et dans l'unitéobligatoire IV. Tout au long de la présente unité,l'enseignant ou l'enseignante aura l'occasiond'exposer des applications apparentées. Ce sujetpermettra de lancer les élèves dans des activitésd'apprentissage autonome.

Il est difficile d'entrevoir ce que seront dans l'avenirles nouvelles applications et les nouveauxdéveloppements relatifs à l'énergie nucléaire. Àmesure que les progrès en science et en technologieferont apparaître de nouvelles applications, onencourage les enseignants et enseignantes à lesajouter à la liste ci-dessous.

L'enseignant ou l'enseignante de physique choisirales connaissances et les concepts qui serontdéveloppés dans l'étude de ces applications.Cependant, quel que soit le degré de développementde l'application, il faudra toujours établir un lienentre l'application et le comportement de la matièreet d'autres phénomènes physiques importants.

En outre, l'étude en physique de ces applications etd'autres applications doit mettre l'accent sur ledéveloppement de l'approche science-technologie-société-environnement (approche STSE) du nouveauprogramme. Les enseignants et enseignantesdoivent saisir chaque occasion de renforcer lesrapports STSE (Aspect D de l'alphabétismescientifique).

On recommande d'exposer le contexte historique deces applications et perfectionnements, afin d'insérerl'étude de la physique dans un cadre social ethistorique. Les élèves doivent aussi se rendrecompte que de nombreuses réalisationsremarquables en science et dans d'autres disciplinesde la connaissance humaine sont l'œuvre desolitaires qui ont bouleversé les idées reçues et lesnormes acceptées malgré la critique et l'opposition.

• Datation radioactive des artefactsarchéologiques, des formations géologiques, desfossiles, etc.


• 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'unitéobligatoire IV. Sujet idéal pour des projets derecherche par les élèves. Noter qu'il fautchoisir au moins une autre applicationd'utilisation de l'énergie nucléaire si l'onretient cette unité facultative.

• Analyse des avantages et des inconvénients del'exploitation de l'énergie nucléaire.



• Décrire une application de l'énergie nucléaireautre 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'énergienucléaire

• 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 appuyerleur position

• Mentionner les critiques formulées concernant

l'emploi de l'énergie nucléaire

• Évoquer les préoccupations touchantl'environnement qui sont soulevées au sujet del'exploitation de l'énergie nucléaire

• Opter pour une position pour ou contre

l'exploitation de l'énergie nucléaire dans cetteapplication


l'exploitation de l'énergie nucléaire dans cetteapplication


1. Identifier la suite d'événements qui s'estproduite au moment des accidents de ThreeMiles Island, Chernobyl ou autres.

Dans quelle mesure l'accident pourrait-il êtreattribuable à une « erreur humaine ».

2. Diriger un débat (officiel ou officieux) afin derégler les importantes questions touchantl'énergie nucléaire.

3. Faire un sondage sur une question touchantl'exploitation de l'énergie nucléaire. Cetteactivité est une bonne occasion d'exposer auxélèves les grands principes sur la conceptiond'une recherche.

4. Demander aux élèves de se procurer de ladocumentation sur l'application de l'énergienucléaire. Ils pourront écrire à différentsorganismes et agences. Rassembler aussi desarticles de journaux et de revues, desémissions vidéo, des brochures, des bulletinsd'information, etc.

Examiner minutieusement le matérielrecueilli. Quelles sont les positions et leshypothèses sous-jacentes à ces textes? Relève-t-on un parti pris évident? Est-ce que lesdocuments donnent un portrait équilibré despositions, ou bien un point de vue particulierprime-t-il?

Élaborer une série de questions de ce genre afind'évaluer ce matériel.


E. Physique contemporaine

Cette section, développée par les enseignants et lesenseignantes, permet aux élèves d'explorer dessujets de la physique contemporaine qui les attirent.À mesure que de nouvelles découvertesapparaîtront, les incorporer dans cette section.

Le terme « contemporaine » peut prêter à confusion,puisque des théories, comme la théorie de larelativité restreinte, ne sont pas des nouveautés.

Parmi les sujets qui peuvent être explorés danscette section, mentionnons les particulesélémentaires, les accélérateurs de particules, laclassification des particules élémentaires, lesquarks, la théorie de la relativité restreinte, lamécanique quantique, les lasers, l'électronique del'état solide et des modèles de l'atome. Lesenseignants et enseignantes ont tout le loisir dedévelopper cette liste. Exposer au moins un sujet leplus complètement possible en tenant compte dutemps disponible.



• Réaliser qu'en physique on fait chaque jour denouvelles 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 enphysique

• Reconnaître l'importance du rôle que joue la

technologie dans les orientations de la science