De la physique en peu de temps et à peu de frais : des démos pour quelques dollars
Vous n’avez pas besoin d’un énorme collisionneur de particules pour faire de la physique très intéressante.
par La physique est partout. Elle attend seulement qu’on l’étudie.
Lorsque plus de 40 enseignants du secondaire venus du monde entier se sont réunis à l’Institut Périmètre pour l’atelier annuel EinsteinPlus, nous les avons mis au défi de faire des démonstrations de physique en peu de temps et à peu de frais.
Ils ont sauté sur l’occasion. Voyez leurs démonstrations à quelques dollars :
Inspirés par ces enseignants, nous avons créé quelques recettes rapides et à peu de frais que vous pouvez essayer chez vous. Les enfants, demandez de l’aide à un adulte!
Cliquez sur les images ci-dessous pour les agrandir, ou téléchargez le fichier PDF à grande résolution de toutes les recettes.
De plus, envoyez-nous vos propres démos à quelques dollars. Envoyez-les par Twitter. Postez-les sur notre page Facebook. Ou envoyez-les par courriel à outreach@perimeterinstitute.ca! Nous allons diffuser nos démos préférées (en citant le nom de leurs auteurs) dans des ateliers et ressources pédagogiques à venir, ainsi que dans les médias sociaux.
Fabrication d’un électroaimant
Matériel nécessaire :
- Pile de 9 volts
- Fil de cuivre isolé, dont l’isolant a été enlevé aux extrémités
- Gros clou en fer
- Agrafes ou petits trombones
Marche à suivre :
Enroulez étroitement le fil de cuivre autour du clou et branchez les extrémités du fil aux bornes de la pile. Le fil doit toujours être enroulé dans le même sens. Essayez de ramasser les agrafes ou les trombones.
Que se passe-t-il?
Le courant électrique (produit par la pile) génère un champ magnétique. L’enroulement du fil concentre ce champ magnétique, qui aligne les atomes du clou. Par conséquent, lorsque le courant passe, le clou se comporte comme un aimant.
Mesure du diamètre du Soleil
Matériel nécessaire :
- Feuille de carton (qui peut être de format lettre)
- Feuille de papier blanc
- Morceau de papier d’aluminium (3 cm × 3 cm)
- Ruban gommé
- Ciseaux
- Règle
Marche à suivre :
Découpez un carré de 2 cm de côté au centre du carton. Fixez une « fenêtre » de papier d’aluminium avec du ruban gommé. Percez un petit trou au centre du papier d’aluminium. Tenez le carton de telle sorte que la lumière du soleil traverse le petit trou et éclaire le papier blanc placé derrière (en mettant le papier le plus loin possible du carton).
Mesurez le diamètre du cercle éclairé sur le papier (ce diamètre est noté X). Mesurez la distance entre le papier et le trou au centre du papier d’aluminium (cette distance est notée Y). Vous avez aussi besoin de connaître la distance entre la Terre et le Soleil (149 600 000 km).
Faites le calcul : (X ÷ Y) × (149 600 000) = Diamètre du Soleil!
Énergie d’un photon
Matériel nécessaire :
- Autocollants qui luisent dans l’obscurité
- DEL bleue
- DEL rouge
Marche à suivre :
Projetez la lumière des DEL sur les autocollants, en commençant par la couleur de basse fréquence (rouge). Qu’observez-vous? Faites ensuite la même chose avec la couleur de haute fréquence (bleue). Observez-vous une différence? Laquelle?
Que se passe-t-il?
L’énergie de la lumière est déterminée par sa fréquence. La lumière rouge a une fréquence plus basse et une énergie plus faible que la lumière bleue. La lumière rouge n’a pas assez d’énergie pour faire luire les autocollants, alors que la lumière bleue possède suffisamment d’énergie. Le lien entre la couleur et la fréquence a été découvert au début des années 1900 et a contribué au lancement de la physique quantique.
Bateau propulsé au savon
Matériel nécessaire :
- Barquette en mousse de polystyrène (comme celles utilisées pour empaqueter de la viande)
- Plaque à pâtisserie (ou tôle à biscuits) remplie d’eau
- Un peu de savon à vaisselle liquide
- Cure-dent
Marche à suivre :
Découpez la mousse de polystyrène pour lui donner la forme illustrée, d’une longueur de 4 à 5 cm. Trempez le cure-dent dans le savon liquide, puis badigeonnez de savon les côtés de l’encoche découpée à l’arrière du bateau. Mettez le bateau avec précaution sur l’eau contenue dans la plaque à pâtisserie et laissez-le aller! Pour recommencer, vous devrez vider la plaque à pâtisserie et y remettre de l’eau claire.
Que se passe-t-il?
Le savon est un surfactant — c’est-à-dire qu’il abaisse la tension superficielle de l’eau. Cet abaissement de la tension superficielle crée une force suffisante pour propulser le bateau sur l’eau.
Force centripète
Matériel nécessaire :
- Seau en plastique
- Corde solide
- 1 verre d’eau
- Du courage!
Marche à suivre :
Fixez la corde à l’anse du seau et versez 1 verre d’eau dans celui-ci. Veillez à choisir un seau qui ne soit pas trop lourd. Tenez la corde de manière à ce que le seau pende à environ la hauteur de vos genoux. Faites tourner le seau dans un mouvement circulaire au-dessus de votre tête. Si vous le faites tourner assez rapidement, l’eau semblera défier la gravité!
Que se passe-t-il?
Pourquoi l’eau reste-t-elle dans le seau au lieu de tomber et de vous tremper? Tout comme le seau, l’eau cherche à voyager en ligne droite, mais la tension dans la corde les fait tourner tous les deux en rond.
Déviation d’un filet d’eau
Matériel nécessaire :
- Peigne en nylon
- Robinet d’eau courante
Marche à suivre :
Ouvrez le robinet de manière à ce que s’écoule un mince filet d’eau. Faites passer plusieurs fois le peigne dans vos cheveux. Amenez ensuite lentement le peigne près du filet d’eau, à environ 10 cm sous le robinet. Que se constatez-vous lorsque le peigne est proche du filet d’eau?
Que se passe-t-il?
L’électricité statique est l’accumulation d’une charge électrique dans un objet. Lorsque vous faites passer le peigne dans vos cheveux, des électrons s’accumulent sur le peigne, lui donnant une charge négative. D’autre part, l’eau est chargée positivement. Étant donné leurs charges opposées, le peigne et l’eau s’attirent mutuellement, mais seule l’eau peut dévier de sa course.
Conservation du moment angulaire
Matériel nécessaire :
- 2 boîtes (pleines) de soupe en conserve
- 1 chaise de bureau pivotante
- 1 ami
Marche à suivre :
Assoyez-vous sur une chaise de bureau pivotante, en maintenant vos pieds de façon sécuritaire au-dessus du sol. Étendez vos bras parallèlement au sol. Demandez à un ami de faire tourner la chaise. Ramenez vos bras vers le corps. Que se passe-t-il? Essayez de nouveau, mais en tenant cette fois une boîte de soupe dans chaque main. Que constatez-vous maintenant?
Que se passe-t-il?
Cette expérience illustre la conservation du moment angulaire. Vous tournez plus vite lorsque vous ramenez vos bras vers le corps, à la manière d’un patineur artistique. Le moment angulaire d’un objet se calcule en multipliant sa vitesse de rotation par son moment d’inertie (qui dépend de la manière dont sa masse est répartie). Lorsque vos bras sont étendus, une masse plus grande est loin de l’axe de rotation, et le moment d’inertie est plus élevé.
Le moment d’inertie diminue lorsque vous ramenez vos bras vers le corps. Newton a conclu que le moment angulaire doit demeurer constant, de sorte que la vitesse de rotation doit compenser le changement de moment d’inertie.
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