Fiche professeur - Académie d'Orléans-Tours

Fiche professeur |THEME du programme : Comprendre |Sous-thème : Champs et forces | Approche de la notion de champ - scalaire ou vectoriel - :
Emergence historique, définition, exemples et représentations Type d'activité : Activité documentaire. Conditions de mise en ?uvre :
Une préparation de cette activité par les élèves eux-mêmes est préconisée
en amont de la séance, ce qui doit permettre de traiter l'intégralité de
l'activité documentaire proposée en une durée raisonnable. L'utilisation
des T.I.C.E. pour la recherche de cette activité requiert une séance à
effectif réduit. Cette activité documentaire peut constituer l'introduction
du sous-thème Champs et forces du thème Comprendre du programme de Physique-
Chimie de première S. Dans une première partie, les élèves découvrent à
l'aide du scalaire "pression" comment a pu émerger historiquement la notion
de champ de pression. Les travaux d'Evangelista Torricelli et la
description de James Maxwell du champ sont également proposés. Plus
largement, cette partie aborde un rôle possible, ici explicatif, du modèle
en sciences. Dans une deuxième partie, les élèves découvrent la différence
entre champ scalaire et champ vectoriel. Les documents utilisés sont
empruntés à la météorologie : le scalaire "température de l'air" et le
vecteur "vitesse instantanée du vent" ont été choisis. Enfin, les élèves
doivent réfléchir à l'écriture d'une définition possible du champ,
définition après laquelle de nombreux exemples de champs - scalaires ou
vectoriels - sont proposés. Dans une troisième et dernière partie, des
représentations possibles des deux types de champs sont abordées :
isocontours et isosurfaces - avec leurs propriétés - pour le champ
scalaire, lignes de champ - avec leurs propriétés- pour le champ
vectoriel. Là encore, les exemples utilisés sont variés : pression
atmosphérique, pluviosité, vitesse instantanée d'une particule dans un
fluide, champ magnétique. Enfin, quelques animations utilisant les T.I.C.E.
sont proposées.
Prérequis : - Caractéristiques d'un vecteur (direction, sens, valeur)
- Tracé d'un vecteur |NOTIONS ET CONTENUS |COMPETENCES ATTENDUES |
|Exemples de champs scalaires et |Recueillir et exploiter des |
|vectoriels : pression, température,|informations (météorologie, |
|vitesse dans un fluide |téléphone portable, etc.) sur un |
| |phénomène pour avoir un première |
| |approche de la notion de champ. |
| |Décrire le champ associé par des |
| |propriétés physiques qui se |
| |manifestent en un point de |
| |l'espace. |
| |Comprendre comment la notion de |
| |champ a émergé historiquement |
| |d'observations expérimentales. | Compétences transversales : Extraire et organiser de manière autonome des
informations utiles à partir d'un texte ou d'un schéma, utiliser les
T.I.C.E., rendre compte de façon écrite. Mots clés de recherche : scalaire, vecteur, champ, modèle, émergence
historique, représentations Provenance : Académie d'Orléans-Tours
Adresse du site académique : http://physique.ac-orleans-tours.fr/php5/site/
|Approche de la notion de champ - scalaire ou vectoriel - : |
|Emergence historique, définition, exemples et représentations |
Cette activité propose l'approche de la notion de champ en physique, qu'il
soit scalaire ou vectoriel. Répondre aux questions posées en utilisant
d'une part les documents sélectionnés et d'autre part, dans une moindre
mesure, ceux résultant de recherches personnelles.
Document n°1 : Emergence historique de la notion de champ de pression [1].
Ce texte est la transcription d'un extrait de la conférence "La richesse du
vide" de Jean Zinn-Justin, physicien théoricien, Directeur de recherche du
Cea.
« ... Nous avons tous une notion intuitive du vide au sens d'absence
d'objets matériels visibles : une pièce est vide. Mais depuis des temps
sans doute très lointains, il a été remarqué que tout espace vide est
encore rempli d'air, un des quatre éléments avec la terre, le feu et l'eau
de différentes civilisations dont la civilisation grecque. En fait, la
notion de vide dépend de nos connaissances : le vide est l'absence de ce
que nous savons pouvoir exister. Aux quatre éléments classiques, Aristote
(( 384 ; - 322) a d'ailleurs proposé d'en rajouter un cinquième, l'éther,
la substance des choses immuables comme le ciel et les astres, et affirmé
l'impossibilité du vide car la nature a horreur du vide. Ce qu'Aristote a
ainsi énoncé a été ensuite considéré comme une vérité absolue jusqu'à la
Renaissance et même plus tard. Ainsi une forme d'éther servait à expliquer
pourquoi l'eau monte dans un puits quand on pompe [...] En voulant
construire une fontaine de 12 m de haut à Florence, on découvrit que l'eau
ne pouvait pas monter plus haut que 10 m 30. Torricelli, en 1643
reproduisit l'expérience avec du mercure dans un tube de 1 m, trouva une
hauteur de 76 cm et conclut à l'existence d'un vide dans la partie
supérieure. Il exprime l'idée que nous vivons au fond d'un océan d'air.
Ainsi vers cette époque la notion de champ de pression émerge ... ». Document n°2 : Maxwell et la notion de champ [2].
Ce texte est extrait du livre "Un siècle de Physique" de Thierry Lombry,
journaliste scientifique.
« ... En 1861, Maxwell créa le concept fondamental du "champ". Par champ,
il désignait une perturbation de l'espace qui, en chaque point, est un
potentiel de force indépendant des corps qui pouvaient s'y trouver. "Le
champ disait-il crée une toile à travers tout le ciel". Son effet peut être
gravitationnel lorsque cette force est liée à la Terre, électrique autour
d'une charge ou magnétique autour d'un courant électrique. Ces champs
évoluent dans le temps et sont à l'origine de l'existence des ondes. En
dehors des champs, il n'y a pas de force. C'est la raison pour laquelle en
dehors du champ électromagnétique d'une station de radiodiffusion, on ne
capte plus du tout ses émissions ... ». 1) Qu'appelait-on il y a très longtemps les quatre éléments ? 2) Qu'appelle-t-on aujourd'hui élément ? 3) Pour quelle raison principale la notion d'élément a-t-elle évolué avec
le temps ? 4) Pourquoi le cinquième élément appelé éther a-t-il été rajouté ? 5) A l'aide de recherches personnelles :
a) Schématiser l'expérience de Torricelli.
b) Quelles sont les deux notions physiques que l'expérience de
Torricelli a permis de mettre en évidence ? 6) Comment historiquement le modèle du champ émerge-t-elle (et plus
largement tout modèle en sciences) ? 7) Expliquer le rôle explicatif du modèle du champ donné par Maxwell. Documents n°3a et 3b : Approche graphique de la notion de champ scalaire
[3]. Document n°3a Document n°3b
Documents n°4 : Approche graphique de la notion de champ vectoriel [4].
[pic]
8) Que représente le document n°3a ? Le document n°3b ? Le document n°4 ? 9) A propos des documents n°3 : a) On peut dire qu'à chaque point de l'espace, on associe un scalaire.
Expliquer en définissant entre autre le mot scalaire. b) Pour un point donné de l'espace, de quoi peut dépendre ici ce
scalaire ? 10) A propos du document n°4 : a) On peut dire qu'à chaque point de l'espace, on associe un vecteur.
Expliquer en quoi le document n°4 est plus riche que les documents
n°3 en rappelant entre autres les caractéristiques d'un vecteur. b) Pour un point donné de l'espace, de quoi pourrait dépendre ici ce
vecteur ? 11) A ce stade de l'activité, proposer une définition possible de la notion
de champ en physique. 12) Un champ, scalaire ou vectoriel, peut être uniforme sur toute une
région de l'espace. Rechercher la signification du mot uniforme. 13) Un champ, scalaire ou vectoriel, peut être permanent en un point de
l'espace. Rechercher la signification du mot permanent. 14) Compléter le tableau ci-dessous dans lequel sont répertoriés quelques
exemples de champs. |Nom du champ |Nature du champ : scalaire ou |
| |vectoriel |
|Température | |
|Vitesse | |
|Pression | |
|Pluviosité ou précipitation | |
|Pesanteur | |
|Concentration molaire d'un polluant| |
|donné dans l'atmosphère | |
|Electrique | |
|Altitude | |
|Magnétique | |
|Masse volumique | |
|Potentiel électrique | | Document n°5 : Représentation d'un champ scalaire à l'aide d'isocontours :
Exempl