ARTheque - STEF - ENS Cachan | L'ordinateur dans la didactique de la physique moderne

L'ORDINATEUR DANS LA DIDACTIQUE

DE LA PHYSIQUE MODERNE

Nidia BERGOMI et Guido VEGNI DipanimentodiFisica, UniversitàdiMilano - Italie

MOTS-CLES PHYSIQUE - PHYSIQUE MODERNE - DIDACTIQUE - ORDINATEUR

LOOICŒL.

RESUME: Exposition des travaux réalisés au département de physique de l'Université des études de Milan qui montrent l'usage de l'ordinateur dans la didactique de la physique.

Nous avons fait quatre logiciels de physique moderne. Nous présentons ici comment nous avons travaillé, nos objectifs et les caractéristiques du software produit.

SUMMARY : We present here the researches undertaken at the department of physics of the University of Milan about the use of computerinteaching physics.

We have developed software on four subjets of modem physics, whose objectives and characteristics are here described.

1 INTRODUCTION

Neuf Universités italiennes s'occupent de la préparation de logiciels pour la didactique de la Physique avec l'ordinateur.

Ici nous présentons les travaux de l'Université de Milan;les personnes qui s'occupent de cela sont: le prof. Guido Vegni du Dep. de Physique de l'Université de Milan,

le prof. Nidia Bergomi d'un lycée scientifique

des jeunes qui préparent une thèse pour le diplôme de fin d'études Universitaires

2 DESCRIPTION

Nous avons choisi des sujets de Physique "moderne" et les avons traités au niveau de jeunes de l' âge 17-20 ans: c'est à dire étudiants du lycée et des premières années des facultés scientifiques de l'Université.

Ce logiciel peut être même utilisé par les enseignants de l'école secondaire inférieure (vos collèges) - en Italie où peuvent enseigner la physique même ceux qui ont la maîtrise en biologie ou en mathématiques etc.- pour avoir connaissance de la physique moderne.

Tous les logiciels sont interactifs: l'étudiant doit utiliser le stylo et le papier: il doit répondre aux questions proposées, faire des graphiques (diagramme). Certaines fois, s'il ne répond pas ou s'il fait des fautes, le programme s'arrête et l'étudiant doit revoir le sujet qu'il n'a pas compris. Lorsqu'il répond correctement, le programme continue.

Nous avons utilisé presque toujours la simulation, mais nous pensons que les élèves doivent être préparés par leurs enseignants à cette méthode de travail.

Toutefois nous pensons que l'ordinateur ne doit pas remplacer le laboratoire de Physique, mais doit le compléter: seulement s'il n'est pas possible faire une expérience ou si l'expérience est très longue on peut utiliser l'ordinateur sans les travaux pratiques.

Chaque paquet se compose d'un floppy disk, d'un guide pour l'étudiant et d'un guide pour l'enseignant.

Les sujets traités sont: - l'effet photoélectrique,

- l'expérience de Compton et Simon sur la diffusion des photons, - la découverte du positron,

-le muon,

Ces logiciels sont différents l'un de l'autre, non seulement par le contenu mais aussi par le développement du sujet.

Pour préparer ces logiciels nous avons travaillé ainsi:

- par l'effet photoélectrique nous avons fait toutes les expériences décrites,

- par les autres, qui simulent les expériences historiques, nous avons cherché et étudié dans les moindres détails les articles originaux.

Nous allons décrire ces progranunes en détail.

3. L'EFFET PHOTO· ELECTRIQUE

3.1 Latable des matières

1.Ce qu'est l'effet photoélectrique 2. La première loi

3. Description de l'appareil électrique 4. Description de l'appareil optique 5. Simulation de l'experience 6. Deuxième et troisième loi 7. Questions

3.2 Description

Dans le 1er chapitre on fait une simulation: on fait voir que la lumière peut décharger un métal seulement s'il a des charges négatives.

Dans le 2èmeon présente des métaux différents avec une charge négative: les étudiants envoient un rayon et de ce rayon ils peuvent changer la fréquence et pour chaque fréquence on peut varier l'intensité du faisceau. On arrive

à

Dans le 3èmeet le4èmeon décrit les appareils électriques et optiques que les étudiants utiliseront dans la simulation.On a fait la reproduction d'un appareil réel qui se trouve dans le laboratoire de Physique. L'usage de l'appareil réel est très délicat: il demande une grande quantité de temps puisque un seul étudiant, à la fois, peut l'utiliser.

Dans le 5è mechapitre l'étudiant doit fixer une fréquenceà la fois, varier le potentiel et mesurer le courant correspondant. Il doit lire soit le potentiel, soit le courant sur un ampèremètre et sur un voltmètre qui sont simulés sur l'écran et faire un graphique.

Dans le 6ème_{chapitre on étudie les graphique obtenus et on trouve les autres lois de l'effet.} Au 7è_{me chapitre on arrive de chaque partie ou directement. Il y a deux types de réponses aux}

questions: l'élève peut choisir entre plusieurs réponses ou donner sa réponse.

3.3 Considération

Nous avons pensé que ce programme peut être utilisé directement, mais il peut être mieux utilisé après le laboratoire.

Lelangage est le basic

4 EXPERIENCE DE COMPTON ET SIMON

Ce logiciel et les suivants ont un caractère historique: ils reproduisent les expériences qui ont permis de grandes découvertes.

4.1 La table des matières 1.Théorie de l'effet Compton

2. Généralité sur l'expérience de Compton et Simon 3.Description de l'expérience originale

a. Procédure originale

b. Analyse des photographies originales c. Considérations sur les résultats 4.Différents chemins des électrons 5.Introductionàla simulation 6.Simulation

4.2 Description

Le1erchapitre traite la théorie de l'effet Compton: il permet de connaître cette théorie.

Dans le2 èmeet le3èmeon a décrit l'expérience originale: les appareils que Compton et Simon ont utilisés, les essais qu'ils ont faits. On a reproduit les photographies obtenues par ces physiciens pendant plusieurs années de travail, et les histogrammes qui représentent les résultats obtenus et la confIrmation de la théorie. C'est un chapitre très important parqu'ilprésente tout ce que l'étudiant doit faire ensuite.

On sait que l'effet Compton est: un photon frappe un électron au repos. L'électron et le photon bougent sur des trajectoires différentes: la trace de l'électron est visible, mais non celle du photon. Lorsque ce photon frappera un électron, nous verrons la trace. Alors il faut reconnaître les traces: celle du premier électron et celle du photon. Dans leSèmechapitre on enseigne à les reconnaître.

Dans le6èmeon donne toutes les informations pour le travail successif.

Dans le7èmeon fait la simulation. L'étudiant considère plusieurs événements (au moins 50), choisit une longueur d'onde et l'ordinateur présente une situation: l'élève doit mesurer des angles et les confronter avec la formule de Debye, et après faire un histogramme et déduire la théorie.

La mesure des angles peut être faite de différents façons: avec le goniomètre qui est sur l'écran, ou on peut lire les calculs que l'ordinateur a faits, ou imprimer ce qu'on voit sur l'écran et faire le calcul sur le papier. Si l'étudiant a bien travaillé et a fait de bonnes mesures,il trouvera presque les mêmes résultats que Compton.

Ily a une différence entre l'expérience originale et celte-ci: dans la réalité un photon frappe un électron une fois sur mille, ici on peut choisir d'avoir un choc toutes les fois.

Dans ce programme on peut choisir un developpement complet du sujet ou un résumé.

5 LA DECOUVERTE DU POSITRON

5.1 Table des matières 1. Préliminaires historiques

a But du programme b. Introduction historique

2. Préparationàla simulation

a. Mouvement des particules chargées b. Appareils expérimentaux

3. Ionisation

4. La découverte du positron a. Expérience de Anderson

b. Expérience de Blackett- Occhialini c. Origine du positron

5. Simulation

5.3Description

Le1erchapitre est très général: une brève introduction présente comment on a traité les sujets de ce travail; après on parle des temps dans lequels on a fait cette decouverte.

Dansle2éme, avec des explications, mais surtout avec des exercices on étudie le mouvement des particules chargées dans un champ magnétique. On décrit aussi les principes pour le fonctionnement du compteur Geiger et de la chambre de Wilson et on présente des exemples de traces trouvées entre 1930 et 1940.

Dans le 3èmechapitre on présente, d'une façon élémentaire, les principaux mécanismes de j' ionisation: ce sujet n'est pas traitéà fond dans les leçons de Physique de l'école secondaire maisilest très important pour comprendre ce qui se passe pendant la simulation de l'expérience.

Dans le 4ème_{il y a seulement de la théorie: sont décrites les expériences et les différences entre celles de} Andersen et de Occhialini. On parle même de la théorie de Dirac pour l'origine du positron.

Dans le 5ème _{il y a la panie la plus importante. L'étudiant doit construire son appareil} expérimental, c'est à dire, ildoit choisir:l'intensité du champ B dans la chambre de Wilson, s'il veux les septums de plomb ou non. Après, l'ordinateur présente random une situation qui peut être intéressante ou non et l'étudiant peut décider de la changer. Si c'est un situation acceptable, il faut mesurer le rayon du cercie auquel la trace appartient, faire une ypothèse sur la nature de la particule qui a produit cette trace. On a décidé de considérer seulement trois types de particule: électron, positron et proton. L'étudiant doit aussi calculer l'énergie de la particule.

5.4Remarques

Ce programme présente une caractéristique: l' enseignant peut savoir ce qu' a fait l'étudiant. C'est-à- direilpeut savoir les chapitres, la succession d'eux, les exercices faits et les fautes parce que l'ordinateur mémorise tout.

6 LE MUON: DECOUVERTE ET DESINTEGRATION 6.1 Introduction

Puisqu' on ne peut parler de décroissance du muon sans la relativité, la première partie de ce logiciel s'en occupe. Cette partie est indépendante du reste du programme et peut être utilisé lorsqu'on étudie la relativité restrainte.

6.2Tablesdes matières

1. Relativité restreinte a.Introduction

b.Postulats de la relativité restreinte c.La simultanéité

d.Contraction des longueurs et dilatation des durées e.TransformationsdeLorentz

2. La découverte du muon a.Ionisation

b.La découverte du muon 3. La désintégration du muon

a.Prévisions théoriques

b.La théorie de la décroissance exponentielle c.Absorption anomale

=appareil expérimental

=

=

=

6.3 Description

Dans le 1erchapitre on utilise la méthodologie du "problem solving" et beaucoupd'animation. Il n'est pas possible de voir directement ce qui se passe lorsqu'onvoit quelque chose en deux repères différents: ici on montre comment on voit le même phénomèneen un repère en repos et en un repère en mouvement. Certains de ces paragraphes servent à rappeler desconnaissances que les étudiants doivent déjà avoir.

La première partie du 2ème_{chapitre est la même que}lepositron.

Dans la seconde on montre des traces et on explique pourquoi ces traces ne sont pas d'un proton ou d'un positron etc. mais doivent être d'une particule qui est encoreinconnue.

Dans le3ème chapitre on doit étudier le phénomène. Il faut considérer les deuxcas: la décroissance

du muon quand il est en vol et lorsque il est à repos.

Après avoir donné de brèves indications sur la théorie de Yukawa on explique la théorie mathématique de la décroissance exponentielle: les étudiants doiventbien comprendre ce qu'ils verront

On montre l'appareil de Rossi et Hall pour révéler les muons et on explique son usage: ensuite l' élève doit relever le numéro de muons qui se désintègrent à deux différentes altitudes et calculer la durée de vie.

Pour la décroissance au repos on montre l'appareil de Rasetti: après l'ordinateur présente 20 situations oùilya ou il n'ya pas de désintégrations intéressantes: l'élève doit les reconnaître. Après, pour avoir une statistique, l'ordinateur, selon les réponses de l'élève, fait les calculs avec 5000 situations et on calcule la demi-vie.

Lelangage utilisé dans ces logiciels est le Turbopascal: pour les dessins nous avons utilisé le Turbographics.