Tout corps plongé dans un liquide ....

 Canette plongée dans l'aquarium

Expérimentation
A bout de bras, une canette pleine est plongée dans un aquarium.(heu ... canette remplie d'eau)
Que ressent-on ? ( aucune ivresse ...rappel :  la bière a été remplacée par de l'eau ) 


Aquarium et ballons baudruche: comment couler les ballons?
Mise en évidence  des notions d'alourdissement et de légèreté, de masse, de poussée. Archimède n'est pas loin.

Dynamomètre

Puis passage au dynamomètre qui permet de mesurer la poussée d’Archimède. La même expérimentation peut être réalisée avec une balance électronique.




Expérimentation chez YouTube

                                         Chez YouTube


 


Comment couler le ballon gonflé? 
 En l’alourdissant. Notions de masse et volume.

Soudure de l'extrémité de la pipette

Construction du ludion 

Pipette pasteur raccourcie, et fermée par soudure à l'extrémité avec un chalumeau. L'autre  ouverture reste ouverte. Même principe avec la paille. 

Ludion terminé

La pipette est lestée (étain). Un élastique évite le glissement du lest.

Stagiaire fasciné par un ludion

L'ensemble est plongé dans la  bouteille remplie à ras bord d'eau. La pression exercée sur les parois de la bouteille fait descendre la pipette: elle s’alourdit car elle se "charge" en eau. Sa masse vient d'augmenter. L'air se comprime et son volume diminue. La poussée d'Archimède décroit et l'objet descend. 
A l'inverse le relâchement de la pression fait remonter la pipette.
...  Petite expérience à la Majax pour impressionner son/sa fiancé(e)...et prouver que le stage est magique ...

Un essai ... ( ceci n'est pas un poisson d'avril )

Application
Cahier des charges: construire un objet poisson  qui puisse flotter, couler et se maintenir entre deux eaux... Càd partir de l'observation du vivant pour l'appliquer à un objet technique. ( biomimétisme, cf Leonardo )
Étape 1: dessiner individuellement l'objet poisson.
Étape 2 : mise en commun. Éliminer le non respect des charges et retenir LA bonne réponse.
Étape 3: réalisation de l'objet poisson

Expérimentation réussie

Construction: une poche souple (sac congélation) un ballon gonflable, un tuyau, du lest: le ballon est placé dans le sac, le sac est lesté de cailloux et eau. Le ballon est alimenté en air par un tuyau. L'ensemble est soigneusement scellé. Le ballon peut être gonflé avec une seringue ou à la bouche. Expérimentation réussie. ( le stagiaire jubile )

Usine élévatoire de Cournon.

L'usine élévatoire de Cournon permet d’alimenter l'agglomération de Clermont-Ferrand, et ses environs, en eau potable . 

( hum ... pas chaud ... )

L'usine élévatoire

L'eau est prélevée dans l'Allier, mais pas directement comme jadis .

Aujourd'hui , 71 puits ont été creusés sur les berges de l'Allier ; ils captent indirectement  l'eau de l'Allier  dans la nappe fluviale de la rivière. L'eau ainsi captée est naturellement filtrée par les sédiments et elle est pratiquement potable à ce stade.

Il fait de plus en plus froid, les stagiaires cherchent le soleil.

Les puits dans la nappe fluviale

Intérieur du puits de captage.

Un puits

L'eau des 71 puits est conduite dans une sous station. Des pompes envoient ensuite l'eau dans l'usine.
Température ressentie: 0° ... le stagiaire frissonne, grelotte , mais tient bon...

Les 3 pompes refoulantes de l'usine

De l'usine , 3 pompes de refoulement haute pression envoient l'eau jusqu'au sommet du puits de Bâne, 140 m plus haut, à 406 m d'altitude
 Par sécurité 2 lignes  HT alimentent l'usine. 

Le stagiaire apprécie la chaleur de l'endroit: il vient de passer de 0° à 20 °... Le choc est violent, certains sont émus...

Fabrication du bioxyde de chlore

Les réservoirs d'eau à 460 m d'altitude

Dans l'usine les eaux sont purifiées au bioxyde de chlore , fabriqué sur place.
Entendu : ...ça sent la piscine  !
Les réservoirs installés sur le Puy de Bâne (460 m d'altitude),  au-dessus de Cournon, ont une capacité de 40 000 m3. Ils vont permettre la distribution de l'eau sur Clermont-Ferrand et environs.

 460 m : température ressentie: -3°  
Conséquences: capuches, casquettes,   mains dans les poches, nez rouges ... le stagiaire résiste toujours...

Arrivée de l'eau dans les réservoirs

A ce stade l'eau est prête à être distribuée.

100 db à l'intérieur ... le stagiaire frigorifié et sourd ... titube...

Conclusion de la journée et moralité  : l'eau s'élève ... le stagiaire s'écroule ...

Voir la suite : modélisation de l'usine et de la distribution de l'eau 

Modéliser la distribution de l'eau

Les leçons de Marie Curie

Coin matos et ressources : pour avoir des tuyaux transparents : MAAG TECHNIC 37, rue Newton au Brezet. Carte des réseaux de distribution à demander auprès des syndicats de distribution.  Les leçons de Marie Curie à récupérer sur internet.
Le site Hypothèse.be rubrique eau

Partie 1 : une démarche pour comprendre la distribution de l’eau.

1Les vases communicants.

1.1 Questions de départ (qu’il faut formuler correctement)

D’où vient l’eau du robinet ?

è Recueil des représentations des élèves sur une affiche

1.2 Situations expérimentales :

a) comment positionner le réservoir pour que l’eau coule à tous les étages

 - dans un premier temps demander de dessiner les hypothèses (résultats attendus sur une fiche)

Insister sur le fait que la manipulation qui suit doit être rigoureusement conforme à la situations dessinée

Les élèves expérimentent avec le matériel  Faire observer que dans la position la plus haute du réservoir, il faut boucher le tube si l’on ne veut pas qu’il déborde.

b) Comment l’eau va-t-elle se répartir dans le dispositif

Intérêt d’utiliser 2 dispositifs : un avec un gros tube rigide, l’autre avec un long tube souple
Principe des vases communicants ; dans le second dispositif, on peut relever le tuyau sans modifier le niveau dans les réservoirs.

1.3 Faire la synthèse : demander par un schéma de répondre à la question de départ.

introduction du château d’eau (point d’eau en hauteur), du système de pompage et de distribution vers les maison (tuyau flexibles qui suivent le relief)

2Affiner la représentation des élèves

2.1 La notion de pression et du rôle de l’air

A partir des schémas élèves, on formule une nouvelle question :

Est-ce que les châteaux d’eau ont tous un toit ou pas ? Quelle est l’utilité de ce toit ?

Utiliser une bouteille bouchée.

Si je perce la bouteille, que se passe-t-il ? à problématisation sur la présence d’un toit. Mais la présence du toit empêcherait de faire couler l’eau.  Il faut donc un système d’arrivée d’air.
Trouver une solution : ouvrir le bouchon

2.2D’autres questions émergent.

Est-ce que la surface du réservoir va augmenter la pression ; est-ce que les tailles de tuyaux peuvent varier…

2.3Modifier les schémas en prenant en compte la notion de coût d’une installation

Comment peut-on modifier le système pour qu’il coûte le moins cher (présence de pompes, réseaux de tuyaux)

3.    Exploitation des connaissances pour réaliser d’autres projets.

Maquettes, schémas : Faire des Fontaines permanentes ; des écluses ; maquette de distribution d’eau en prenant en compte les paramètres physiques et économiques, transformer de l’eau dans une paille, vider un récipient en utilisant le principe de siphonage.

Partie 2 : quelques notions théoriques sur la démarche scientifique et le travail en groupe.

Schéma didactique de Edith Saltiel (la Main à la Pâte)

Conseil N°1 : on commence par travailler en groupe sur des situations tranquilles (ne pas forcément commencer par les sciences)

Conseil N°2 : le travail en groupe commence toujours par une démarche individuelle

Conseil N°3 : regrouper ensemble les groupes ou élèves qui arrivent aux même conclusions. à argumenter sur le pourquoi a-t-on raison ?

Conseil N°4 : reformer de nouveaux groupes en mélangeant les représentants des différentes solutions à favoriser un échange contradictoire

Conseil N°5 : reformer le groupe de départ afin de formuler une solution et une seule

Le travail en groupe demande à ce que l’enseignant ait très soigneusement constitué ses groupes. Ne jamais faire un groupe avec un bon élève (qui aurait le rôle de tuteur)

Voir les systèmes de rotation des groupes proposés par Mérieux sur le site de la main à la pâte.
6 minutes pour 6

Marie Curie

              

               Lundi 3 décembre, Françoise FERNANDEZ nous présente la biographie de  Marie Curie,

femme  d’exception, qui a dédié sa vie à la science et a su affronter les préjugés de son époque

pour mener à bien ses travaux. 

Avec passion et humour, ce professeur va  nous exposer la vie d’une héroïne d’exception, si peu présente dans les manuels scolaires si ce n’est qu’a travers les recherches de son mari, Pierre Curie. 

                                                                

            Marie Curie de son vrai nom, Maria SKLODOWSKA  est née à Varsovie en 1867, dans une famille d’enseignants. C’est une jeune fille patriote, polyglotte, dans un pays où l’occupation russe se fait de plus en plus oppressante.

Son enfance est marquée par des problèmes financiers et surtout par le décès de sa sœur puis de sa mère toutes deux emportées par  la tuberculose.  

Pour subvenir à ses besoins et aider sa sœur Bronia à devenir médecin, Maria occupe un poste de préceptrice ; dans cette famille accueillante d’agronomes, elle découvre une bibliothèque impressionnante qui   fera naître en elle une formidable passion pour les  sciences.

Lorsque Bronia acquiert son indépendance financière, elle invite Maria à la rejoindre en France  .Assoiffée de connaissances, cette dernière entre à la Sorbonne , son  parcours sera  admirable et exceptionnel (licence de physique puis de maths).

Quelques années plus tard, Maria croise la route de Pierre Curie (fils de médecin, enseignant en physique –chimie), qui devient son mari et avec qui elle a deux filles Irène et Eve. Toute leur vie est vouée à la science. Soutenue par ce dernier, Marie CURIE poursuit ses études et sera reçue première à l’agrégation de physique.

            Le couple  consacre tout son temps aux rayonnements naturels de l’uranium dans un petit hangar à peine chauffé, transformé en laboratoire. Ils découvrent le polonium et le radium mais ne déposent aucun brevet et continuent de travailler dans des conditions extrêmement difficiles. Leurs travaux sont tout de même couronnés de succès, puisqu’en 1903, Marie CURIE est la première femme à obtenir le prix Nobel de physique.

En 1906, Pierre Curie  meurt renversée par une voiture à cheval ; le courage et la détermination de Marie prennent le dessus sur son désespoir puisque quelques mois plus tard elle  reprend le poste de son mari à la Sorbonne.

Elle se moque de son apparence physique, des convenances sociales, son seul combat restant la science ! Elle poursuit donc ses recherches sur le radium et obtient le prix Nobel de chimie en 1911, puis fonde un laboratoire d’étude de la radioactivité.

           

            Pendant la première guerre mondiale, Marie Curie met ses recherches au service de la santé en organisant un service mobile de radiographie pour soigner les blessés. Elle met alors en place une formation en radiologie.

A la fin de la guerre, elle se rend au Etats-Unis grâce à une journaliste anglaise qui l’aidera à obtenir 1 g d’uranium. La reconnaissance internationale de Marie Curie est incontestable. Elle  transmet sa passion à sa fille Irène qui prend sa succession. La santé de Marie Curie se dégrade, elle perd la vue, la manipulation d’éléments radioactifs n’étant pas étrangers à son état…elle meurt en 1934.

Chercheuse passionnée, symbole de courage, d’humanisme et de ténacité, les cendres de Marie Curie seront transférées en 1995 au Panthéon, monument dédié aux « Grands Hommes de la Nation » …

                                                                                                

Les travaux pratiques sur la radioactivité

D'abord espérons que nos parents d'élèves ne tombent pas sur ce genre de photo.

L'après-midi est partagé en deux TP.

1/ Mise en évidence d'un rayonnement avec un compteur à scintillation et mesure d'un spectre.

Vaste programme me direz-vous ! Il faut le dire je n'ai pas tout compris: ni les tenants, ni les aboutissants.

Cet appareil est un détecteur à scintillation. Il est relié à un ordinateur qui utilise un logiciel nommé CASSYLAB. Il permet de déterminer le spectre d'une source inconnu et l'on parvient grâce à différentes mesures à connaître le matériau employé.
Mais ceci me dépasse complètement, je ne vais donc pas au-delà dans les explications.
Je me retrouve dans la situation d'un élève qui ne comprend rien à rien: position inconfortable pour un enseignant...

2/ Mise en situation d'expérimentation.

Si nous ne comprenons pas tout par contre ce TP permet de travailler la démarche d'investigation.

 

Au travail

 

Voici le compteur

 

L'attente

Nous allons faire varier les paramètres ( distance, matériaux) en faisant attention de n'en changer qu'un seul à la fois. Pour chaque expérimentation, nous essayons d'émettre des hypothèses puis nous vérifions et mettons en commun.

Ces deux jours aux Cézeaux nous auront permis de découvrir le bâtiment de physique du campus et de côtoyer des enseignants chercheurs. Nous avons échangé également avec les trois professeurs de collège qui étaient avec nous.

Les rayons cosmiques

Le rayonnement cosmique  a été découvert en 1912 par Victor Hess. Sa principale source est le Soleil par l'intermédiaire des vents solaires qui créent des aurores polaires. Ailleurs sur Terre, le champ magnétique terrestre nous en protège. L'autre source est liée à l'explosion d'étoiles (Supernova) qui expulse de la matière à grande vitesse dans toutes les directions : les poussières d'étoiles. Cela se produit 1 à 2 fois par siècle dans notre galaxie.

Les rayons cosmiques ont des trajectoires complexes à cause des nombreux champs magnétiques baignant notre galaxie. En approchant de la Terre, ils entrent en collision avec les noyaux atomiques présents dans la haute atmosphère. Cela produit un phénomène appelé gerbe atmosphérique (particules en cascade) découvert par Pierre Auger en 1938. 

On estime le flux moyen des rayons cosmiques au niveau du sol à 180 particules/m2/s .

Les muons qui traversent l'atmosphère et pénètrent le sol seraient l'une des sources de mutation génétique naturelle.

La détection des muons qui remontent par la Terre peut aussi se faire sous l'eau. 

L'arche cosmique permet de capter les signaux des muons qui la traversent.

Scintillateur: Partie du capteur qui reçoit les photons (lumière) libérés par les muons. Ceux-ci sont canalisés vers le photomultiplicateur qui les transforment en impulsion électriques.

Le photomultiplicateur permet d'amplifier les signaux des muons et de les transformer en impulsions électriques.











Image floue (désolé l'émotion sans doute) d'un capteur permettant la tomographie des volcans : Sorte de radiographie des volcans utilisant les rayons cosmiques.

Un électroscope

La radioactivité

Invisible pour les êtres vivants, la radioactivité peut faire peur ou susciter l'intérêt, elle n'en demeure pas moins un phénomène naturel.
Nous voilà engagés dans le monde de l'infiniment petit!
1. Quelques bases

L'atome contient un noyau et des électrons.
Le noyau contient des protons (charge électrique positive) et des neutrons (sans charge électrique).
protons + neutrons = nucléons
ex:      12
             6 C carbone stable   (12 : nombre de nucléons, 6 : nombre de protons)

"isotopes"  (non stables)          13                  14
                                               6 C          6 C (fameux carbone 14)

La chimie (et donc la biologie) ne fait pas la différence entre les "isotopes".
Lorsque le noyau n'est pas stable, l'atome excité a trop de masse ou trop d'énergie (souvent trop de neutrons).
Albert Einstein nous le dirait simplement par la "célébrissime" formule:
                        

E=mc²

Un "isotope" déséquilibré se transforme pour "maigrir": 

c'est la radioactivité.

Il y a trois types de radioactivité:

• Alpha : perte de 2 protons soit 4 nucléons
• Bêta :  perte d'un électron
• Gamma :  perte de particules (aussi appelée perte d'énergie).

Les particules Alpha ont une pénétration très faible dans l'air : une simple feuille de papier parvient à les arrêter. Les particules Bêta ont un faible pouvoir pénétrant, elles parcourent plusieurs mètres dans l'air : une feuille d'aluminium arrête leur progression. Les particules Gamma ont un très grand pouvoir pénétrant, elles parcourent des centaines de mètres et pénètrent les organismes : une forte épaisseur de béton ou d'acier est nécessaire pour les arrêter.
Les rayonnements ionisants possèdent l'énergie nécessaire à l'arrachement d'un ou plusieurs électrons aux atomes ou aux molécules qu'ils pénètrent.
La période radioactive T est très importante pour saisir l'ampleur du phénomène car elle correspond au temps nécessaire pour diviser par 2 la radioactivité. Cela revient à dire qu'il faut 10 périodes pour diviser la radioactivité par 1 000 (exactement par 1 024).

ex:  T = 5 730 ans pour le carbone14

       T = 4,5 milliards d'années pour l'Uranium 238

L'activité est exprimée en becquerel (Bq) et correspond au nombre de désintégrations par seconde.

Pour les fruits et légumes, l'activité est d'environ 100 Bq/kg. 

C'est la même chose pour les humains, soit 5 000 Bq pour une personne de 50 kg.

En France, l'activité moyenne du sol est de 2 000 Bq/kg, elle atteint 8 000 Bq/kg sur les sols granitiques en Auvergne.

Supprimer toute radioactivité naturelle est impossible! 

2.  Notion de dose

La dose absorbée est la quantité de radiation absorbée par la matière. Elle est exprimée en Gray (Gy).

Pour les êtres vivants, on prend en compte les différents types de radioactivité et on l'exprime en sievert (Sv). 1 Sv = 1 J/kg. 

Quels risques ? pour quelle dose?

Plus la dose reçue est élevée plus les dégâts sont importants, plus la durée d'exposition est élevée plus les dégâts sont importants. 

La dose létale est de 5 Sv (DL50) elle correspond à la dose mortelle pour la moitié des sujets.

Le Radon est un gaz rare radioactif, sa présence est importante sur les sols granitiques (notamment dans le Massif central). Il y est certes dangereux mais n'empêche pas d'y avoir des centenaires! 

3. Quelques apports de la radioactivité

La radioactivité naturelle:

La datation au carbone14 uniquement pour les organismes de moins de 50 000 ans.

La datation de roches sédimentaires pour encadrer l'âge d'un fossile (ex Lucy)

La radioactivité artificielle:

Les rayonnements ionisants sont particulièrement utilisés en médecine dans le domaine de l'imagerie médicale, de la radiothérapie ou de la chimiothérapie.
Le cobalt 60 produit dans les centrales nucléaires trouve des applications en médecine ou dans l'industrie.