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L'effet Zeeman des configurations 3p^5 4p et 3p^5 5p de l'argon I

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(1)

L’EFFET ZEEMAN DES

CONFIGURATIONS

3 p5 4p

ET

3 p5 5 p

DE

L’ARGON

I. J. TERRIEN et H. DIJKSTRA.

Laboratoire

Physica,

à Amsterdam.

Sommaire - Avec un grand réseau de Rowland monté stigmatiquement, on a mesuré les décomposi-tions magnétiques des raies infrarouges 1s20142 p et des raies violettes 1s20143 p de l’argon I. Toutes les valeurs de g sont anormales et montrent que le couplage, comme on le savait déjà par la disposition des termes,

est un couplage intermédiaire. Contrairement à la règle de Preston les raies homologues 1s20142 p et 1s20143 p ont des décompositions différentes : les valeurs de g, lorsqu’on passe des termes 2p aux termes 3p, montrent que le changement de couplage avec le nombre quantique principal de l’électron p est une tendance vers le couplage (j-j). Une variation toute semblable s’observe lorsqu’on passe des termes 2p de l’argon aux mêmes termes 2p du Krypton ; ces derniers se raprochent beaucoup, par leurs énergies relatives et leurs valeurs de g, des termes 3p de l’argon.

Inglis et Johnson ont calculé l’influence, sur les termes et les valeurs de g, d’une interaction magnétique

spin-orbite

de chaque électron ajoutée au couplage R. S.; cette approximation, encore assez satisfaisante pour les termes 2p du néon, s’est montrée beaucoup moins bonne pour les termes 2p de l’argon.

Les

plaques photographiques

pour

l’infrarouge

nouvellement parues sur le marché ont rendu

possible

la

spectroscopie photographique jusqu’à

12.000 A.

Avec un

montage

à réseau très lumineux dans la

région infrarouge, Meggers

et liiess

(1),

Paschen et Ritschl

(2), Slevogt (1),

ont

photographié,

et classifié en

partie,

un certain nombre de

spectres.

Avec un

spectrographe

à

prisme

et une lame de

Lummer,

Béla

Pogany

(4)

a mesuré les

décompositions magnétiques

des termes des

configurations

et du

krypton

I.

Nous nous sommes

proposés

d’utiliser le

grand

ré-seau concave en

montage stigmatique (:5),

mis à notre

disposition

par M. le

professeur

Zeeman dans son

laboratoire,

à l’étude de l’effet Zeeman de

l’argon

dans

l’infrarouge,

afin de déterminer les valeurs

de ,q

des termes de la

configuration

3p5

~~

de

l’argon

1;

nous

avons par la suite étudié la

configuration

3 p5 5 1)

par la mesure des raies violettes.

Méthode

expérimentale. -

Le

réseau,

lorsque

toutefois il est

lumineux,

a des

avantages

intéressants

pour

l’investigation

de l’effet Zeeman dans

rinfra-rouge :

(1) Bur. Stand../. Research, 1932. 8, p. 393; 1932, 9, p. 121, 309; ~1933, 10, p. 139, i27, 669, 157, 821.

(2) cfer Physik., 1933, 18, p. 86 i.

(e) Z. Physik., 1933, 82, p. 92.

(4) Z. Physik,1933, 86, p. l29.

(5) Réseau de Rowland, rayon de 20 pieds, largeur utilisée de 12 cm, soit 10 000 traits environ. L’installation en montage

stigmatique est semblable à celle décrite par Meggers et Burns

(Sc. Pap. Bur. Stand.; 1922, 18, p. 491). Toute l’installation et

l’Plertroaimant reposent sur un bloc de béton indépendant de

, 250 tonnes, monté sur pilotis, et qui n’est influencé en rien par les vibrations du trafic de la rue et des machines du labora-toire.

On

peut

utiliser les raies violettes du fer dans le 2e ordre pour la mesure des

longueurs d’ondes,

et des

décompositions

de raies violettes connues pour la

mesure du

champ magnétique;

~° La

largeur

du

triplet

normal

d ~,,,

est

proportion-nelle à ):¿ et devient

plus grande.

Il en est de même pour

l’élargissement

des raies par effet

thermique

ou

électrique,

mais le

grain

des

plaques infrarouges

étant

plus grossipr,

de

larges séparations magnétiques

sont

pourtant avantageuses;

31 Le 1,> que l’on

peut

séparer

devient

plus petit :

0’1 =

v/R;

,

4° La

dispersion

dans le

montage

stigmatique

aug-mente avec i~.

Le schéma bien connu du

montage

stigmatique

se voit sur la

figure

1 ;

la luminosité est

plus

grande,

mais la

dispersion plus petite

que dans le

montage

Rowland. Les

expositions

dans

l’infrarouge

ont été faites dans le

premier

ordre,

avec une

dispersion

de

4,95 À/mm,

et les

expositions

dans le violet dans le deuxième

ordre,

avec une

dispersion

de

2,47

Â/mm.

Le châssis

porte-plaque

C a une

largeur

de 40 cm et

permet

de

photographier

un intervalle de

longueurs

d’ondes de 1880 ~ dans le

premier

ordre et de 940 Â dans le second.

La source lumiîîeuse utilisée a

déjà

été décrite

(1) :

entre les

pièces

polaires coniques

N et S de

l’électro-aimant est

engagé

un tube muni de

quatre

fenêtres de verre ou de

quartz;

ce tube et les

pièces polaires

limi-tent

l’espace

dans

lequel

on introduit le gaz à étudier. Deux

petits disques

de

tungstène

isolés des

pièces

polaires

par du mica constituent les électrodes. La

décharge

est alimentée par du courant alternatif à haute

tension,

d’intensité 15 à 20

milliampères,

dans

(1) E. BACI et A LANDE, Zeeman und

AfuLtiplettstruktur,

1925, p. 129..,

(2)

l’argon

à une

pression

de 12 mm de mercure. Avec une

pression

et une intensité

plus

grandes,

les raies deviennent moins

fines,

tandis que l’intensité du spec-tre d’étincelle

augmente

par

rapport

au

spectre

d’arc.

Fig. 1. - Schéma de

montage pour l’étude de l’effet Zeeman des gaz.

M, miroir concave donnant un faisceau parallèle; R, réseau concave; C, châssis porte-plaque.

Avant une mesure, on pompe

plusieurs jours,

en allumant la

décharge

dans un courant

d’hydrogène

pur. Pendant les

expositions

dans

l’infrarouge, l’argon

était renouvelé toutes les deux

heures;

pendant

les

expositions

dans le

violet,

toutes les heures.

Le

champ

magnétique

est

produit

par un gros élec-troaimant Weiss

(Oerlikon, Zurich);

les

pièces polaires

coniques,

d’écartement

réglable,

sont terminées par une surface

plane

de 10 mm de diamètre. Le courant de 100

ampères,

sous une tension de 80

volts,

est fourni par un

générateur

situé dans la salle des machi-nes du

laboratoire;

il circule dans 500

spires

de tubes de cuivre autour de

chaque pôle;

les tubes sont refroi-dis par un courant

d’eau,

et sont pour cela divisés en 16

tronçons

réunis en

parallèle

par des raccords de caoutchouc. Le refroidissement est

parfaitement

effi-cace, et l’aimant

peut

être utilisé

pendant

une durée indéfinie.

L’intensité du

champ,

un peu

supérieure

à ~0 000 gauss, était déterminée par la

décomposition

des

raies

3~6~i,~~

et

3944,03

de

l’aluminium,

ou des

raies

1680,14

et

4722 J 6

du

zinc,

excitées flans l’entrefer par un trembleur

(arc

intermittent)

dans une

atmos-phère

d’hydrogène

raréfié

(2

cm de

pression).

Les

plaques photographiqîies

employées

par nous

sont les

plaques

Ilford

Infrared,

Eastman Pi et

Ri,

Agfa 730

et 810. La

région

de sensibilité des

plaques

Eastman

R 1,

Agfa

810,

et Ilford est à peu

près

la

même;

les deux

premières

soit un peu

plus rapides

et ont un

grain plus

fin;

mais

l’avantage

des

plaques

Ilford est

qu’elles

n’ont pas besoin d’être

hypersensi-bilisées : cette

opération

ne réussit pas

toujours,

sur-tout

lorsque

les

plaques

deviennent

âgées

de

quelques

mois. Comme

révélateur,

nous avons

préféré

la formule à l’élon recommandée par

Eastman,

qui

donne des

pla-ques

plus

claires que le révélateur ordinaire au métol. Les

décompositions

magnétiques

ont été mesurées sur les

photogrammes

faits au moyen du

microphoto-mètre

enregistreur

Zeiss. Il semble bien que les mesures de différents clichés concordent mieux par cette mé-thode que par la mesure directe du cliché sous le

com-parateur.

La durée

d’exposition

dans

l’infrarouge

était de 20 à 24 heures. La

température

du réseau était maintenue constante

pendant

ce

temps

avec des écarts maximum de

il-- 01,03,

au moyen d’une

régulation automatique

de la

température

de la salle

(~).

La durée

d’exposition

dans le violet était de 12

heures;

les raies

d’étincelle

étaient alors dans cette

région

fortement

surexposées,

et les bandes des

impuretés

du gaz venaient sur la

plaque

avec

plus

ou moins d’intensité. De là vient que les mesures dans le violet sont moins exactes que dans le rouge, où les clichés étaient

parfaitements

purs.

Résultats des mesures. - Le

spectre

d’arc de

l’argon

est un des mieux connus et des

plus

complète-ment

analysés

(2).

Rappelons

seulement

l’origine

des raies les

plus

intenses que nous avons étudiées. La couche extérieure de l’atome normal est la couche

complète

3~6,

état L’un de ces six électrons

peut

passer à

l’orbite 4s,

4~,

ou 5p :

on a

ainsi,

soit la

configuration

3p5,

As,

qui

donne lieu à 4 termes nolés

(notation

de

Paschen)

1 s~, 1 s4, 1 s3 et 1 s2 dans l’ordre

des

énergies

croissantes,

soit la

configuration 3 p:¡, 4 p,

qui

donne lieu à 10 termes notés

2 pi o, 2j~,... ~~~,

dans l’ordre des

énergies

croissantes,

soit la

configuration

3 p~,

5 p

dont les 10 termes sont notés

3 p;,

avec l’indice i du terme

correspondant

2p, :

1 ordre des indices n’est

plus

exactement l’ordre des

énergies.

Les termes

analogues

des autres gaz rares sont notés selon les mêmes

règles.

Les termes de

l’argon

ont des valeurs du

quantum

j indiquées

par le tableau

I,

qui

donne aussi la nota-(1) La température du réseau R est contrôlée par un couple thermoélectrique et un galvanomètre G (fig. 1). dont le spot lumineux, sur une échelle graduée en dixième de degré, permet d’apprécier facilement le centième de degré.

(3)

tion liussel-Sztunders

lluelquelois

utilisée. Les raies que nous avons étucliées

proviennent

des transitions

T.~BLEAU I. - l’erînes des

configurations

et,

3 pa. np

de

l’argon,

notation de

Paschen.,

nolaUon

Rllssel-Saunders,

et valeurs de

j.

Résultats : termes

2 p.

- Le facteur de

décomposi-tion du terme s~, seul terme s

ou /

ait la

valeur 2,

et du terme p,,, seul

terme p

oÙ i

Etit la ;alcur

;j,

est

indé-pendant

du

couplage;

sa valeur

théorique

est

~= 1,50

pour le terme sj, ce que nons avons vérifié

exacte-ment,

et

g =1,33

pour le terme ce que nous avons vérifié

approximativement.

Les termes s3, }J1 et p5,

j

=

0,

ne sont pas

décomposés

dans le

champ

magné-tique.

Les termes s2

et s,~

ont

déjà

été étudiés

(1) ;

nous

avons retrouvé les mêmes valeurs de g,

1,10

et

1,40.

Dans le tableau II

figurent

les

décompositions

mesu-rées de

chaque

raie,

la valeur

de 9

qu’on

en déduit pour le terme pi, et la

décomposition

calculée avec cette valeur de g. La

polarisation

des

composantes

a été déterminée pour les

plus

intenses de ces raies.

TABLEAU II. -

I)écomposition

des raies s

- 2p

de

l’argon

et valeurs de g.

Lorsque

la

décomposition

n’est pas entièrement

ré-solue,

nous avons choisi la valeur de g de

façon

à amener le centre

d’intensité,

calculé

d’après

l’intensité

théorique,

à coïncider avec le sommet de la courbe

photométrique

du groupe de

composantes

non résolu.

Lorsque

la

largeur

de ce groupe

dépasse

le

pouvoir

séparateur

effectivement atteint

(0,2

normal),

ce

qui

arrive surtout dans le cas de trois

composantes

c

d’intensité

décroissante,

nous

supprimons

de ce calcul la

composante

extrême la

plus

faible, qui

est

trop

éloi-gnée

pour

pouvoir

déplacer

le sommet de la courbe

photométrique ;

cette

composante

est d’ailleurs sou-vent un peu au-dessous du noircissement normal de

la

plaque photographique,

Le terme n’a pu être

étudié,

les raies en combi-naison avec ce terme étant

trop

loin dans

Finira rouge.

Précision et

pouvoir

réparateur. --

Les mesures

reproduites

dans le tableau II montrent que deux

com-posantes d’égale

intensité distantes de

0,2

d~ normal sont

séparées

dans la

région

i.6U0 À,

(voir

~,

7635,

$5 - P6);

la raie intense

)B Si t 5,

s.~; - p,, dont la

décom-position, indépendante

du

couplage,

est

(U) (U,1 i ) (U, 33)

1 ; 1,17 ; 1,33 ;

1,50; 1,67,

et dont les

composantes

sont distantes de

0,17

d),

normal,

sans ètre nettement

(4)

442

décomposition

en 15

composantes.

Dans un

champ

de 40 000 gauss, à 7635

~,

dt, normal

-- 1,09À,

le

pouvoir

de résolution effectivement atteint est donc

supérieur

à

7635/(0,2

X

1,09)

= 35 000. Le réseau que nous avons

employé

a dans le

premier

ordre un

pouvoir

de réso-lution

théorique

de 70000

qu’il

est

capable

d’atteindre

effectivement ;

mais les raffinements nécessaires au-raient encore

allongé

la durée

d’exposition

et rendu

plus

difficile le

réglage

de la

température.

Les écarts de

pointé

d’une même

composante

sur différents clichés étant presque

toujours

inférieurs à

0,01

d~,

normal,

l’erreur sur une

valeur g

doit être inférieure à

O,OI.

Règle

de la somme des ~.2013 Pour les trois

termes 2p

où y

=

2,

cette

règle

est

parfaitement

vérifiée

(Ta-bleau

III).

Pour les termes

oû j

=

1,

dont trois seule-ment ont été

atteints,

elle

peut

servir à déterminer la

valeur

de g

du

quatrième ternie }110 :

()==:1,99.

TABLEAC III. ~-- Valeurs

-2p

:=Cte.

Termes

3p ;.

-- Nous avons étendu les mesures au

multiplet

suivant

(termes3 Pi)

par l’étude des raies

vio-lettes

1 S,’

-

3pi,,

mais avec une

précision

diminuée par les nombreuses raies très intenses du

spectre

d’étin-celle et par les bandes dûes aux

impuretés qui

inter-fèrent souvent avec les raies étudiées. Le tableau IV résume les

résultats;

nous donnons dans la dernière colonne la valeur la

plus probable

de g pour

chaque

terme.

TABLEAU IV. -

Décomposition

des rai(,s 1 s -

3 p

de

l’argon

et valeurs de g.

Les

quatre

premiers

termes ont le même

quantum

j

=z 1 -

l’incertitude surg y est de l’ordre de 1 pour

100;

lgobs

=

4,97,

au lieu de

2:gthé.==

5.

Les trois termes suivants ont pour

quantum

interne

j ~ ~;

l’incertitude sur

gyest plus

grande;

Ègobs = 3, 69,

au lieu de

gthés.

=

,6i.

La

règle

de la somme

des y

est donc encore vérifiée, dans les limites des erreurs

(5)

-Remarques

théoriques. -

Dans le

spectre

des gaz rares, le

couplage

n’est ni le

couplage

(ls)de

Russel-Saunders,

ni le

couplage

( j j),

mais un

cou-plage

«

intermédiaire » ;

la

désignation

de termes

S, P,...

est

plus

trompeuse

qu’utile;

les valeurs

de g

sont « anormales », c’est-à-dire

qu’elles

ne sont pas données par la formule de Landé

qui

suppose le

couplage

(1 s).

De la nature du

cou-plage

dépendent

à la fois les

énergies

rela-tives des

termes,

et la

décomposition

de chacun d’eux dans le

champ magnétique,

c’est-à-dire les valeurs

de ,q.

L’e‘fet

Zeeman,

comme

l’analyse

des

termes,

permet

donc d’étudier ce

couplage.

Dans le cas des

quatre

termes

(termes lsi)

de la

configuration

3

~e.~s

de

l’argon,

on sait

exprimer

la variation du

couplage

en fonction d’un seul

para-mètre,

dont la valeur fixe à la fois les

énergies

relatives des termes et les valeurs

de g (1).

Fig 2. -

Photogrammes montrant en particulier la différence,

contrairement à la règle de Preston, entre deux raies consé-cutives de la série 1 si -

l1P; (’=).

Dans le cas des dix termes de

la configuration

3p5. np

de

l’argon,

le

couplage

change

avec le nombre

quantique

ii,

comme le montre le schéma des termes A. et A.

3pi

(fig. 3) ;

ce

changement

est mis aussi en évidence par la variation des facteurs de

décomposition magnétique

Fig. 3. - Termes des configurations 3p5 4p (termes A 2 p) et 3pb5p (termes A 3p) de l’argon

5p (termes 2p) du Krypton. Chaque terme est représenté par un chiffre égal à sa valeur de j.

Les éChelle3 sont différentes. On voit la différence de couplage entre A2p et A3p, et l’analogie de A3p et Kr2p.

Fig. 4. - Valeur de g calculée dans les couplages extrêmes

( j j)

et (Ls) pour

les nombres

quantiques

1, s, jl, /2 et J indiqués, et valeurs mesurées pour les termes A 3p et A2p. Les termes correspondants sont reliés par un trait continu

pour J -- 4, ponctué pour J ~ 2.

quand

on passe d’un terme

2p,.

au terme corre

spondant 3p;.

Sur la

figure

4 sont

portées

en

ordon-nées,

pour chacun des termes

dési-gnés

par leur

numéro,

les valeurs

due 9

calculées dans le

couplage

(1 s)

à

droite,

daiis le

couplage

à

gauche,

et entre les deux les valeurs mesurées pour les termes

2p¡

et

:ipi.

On y voit clairement que

lorsque

le nombre

quantique ïî

augmente,

les terme })3, ]14-

et Pi

manifestent une transition du

cou-plage

(ls)

au

couplage

(jj) ;

cette transition est moins claire pour les

autres termes.

Pour la même

configuration

du néon

(termes

2p;), Inglis

et

Gins-burg (3)

ont pu

calculer,

avec une

approximation

moyenne de 5 pour

100,

les valeurs

dey

en fonction des

énergies

relatives des termes. Ils utilisent la théorie des

systèmes

à deux électrons

(la

couche

incom-plète

pe

jouant

un rôle

analogue

à celui d’un seul

électron),

en par-ticulier les travaux de

Slater,

John-(1) V. HousTON, Phys. Rev, 1929, 33, 297.

0. LAPORTE et D. R. lxoGLIS; Phy.ç. Rev., 1930 35, 1.337. BAKKER, loe. cit.

(’~) lousremercions àI . Van der Z,vaal, chef du service technique, des soins qu’il a apportés à la reproduction des photogrammes ainsi qu’à la confection des figures.

(6)

-son et

Inglis

(’).

Le

principe

de la méthode est le suivant :

moyennant

certaines

simplification (on

né-glige

l’interaction

magnétique

du

spin

d’un électron sur le moment orbital des autres

éloctroii,,;),

le calcul des

énergies

des termes n’introduit

qu’un petit

nombre de

quantil,és

non calculables : trois

grandeurs

a,

~,

8,

combinaisons linéaires des

intégrales

radiales de

Slater

qui expriment l’énergie

d’interaction

électrosta,-tique,

et deux

grandeurs

ai et az

qui expriment

l’éner-gie

d’interaction

magnétique (/, s)

de la couche

~o

d’une

part,

et de l’électron np d’autre

part.

Si la théorie est suffisamment

approchée,

on

peut

trouver

empirique-ment les valeurs de ces

cinq grandeurs

considérées comme

paramètres

de

façon

à retrouver les

énergies

connues des termes. Ces

paramètres

étant connus, on sait ensuite calculer les g.

C’est ce que nous avons

essayé

d’appliquer

à la

con-figuration

3

p~

~~

(termes 2pi)

de

l’argon ;

l’approxi-motion obtenue est

beaucoup

moins

bonne;

nous

don-nons dans le tableau V un des

systèmes

de valeurs de termes que nous avons calculés

(~),

ainsi que les va-leurs

observées;

le terme

2 pg

(j -- 3)

est

pris

comme

origine.

TABLEAU V. - Termes

2p

de

l’argon,

valeur et cal-voir la

signification

détaillée des

paramètres

dans

Inglis

et

Ginsburg,

et

Inglis

et Johnson

(loc.

cil.) Les

paramètres magnétiques

correspondants

du néon

(termes

~~)

sont ai _-__ 40 et a2 - - 403.

(1) SLATER.

Phye.

Rev., 1929, 34, 1293. ,

Phys. Rev.. 1931, 38, 1630.

lNGLis et Phys. Rev., 1931, 38,’16!~2.

2). L’équation séculaire développée des quatre termes p. p.

.i

= i donnée par Johnson

(Phys.

Rev., 9931, 38, i63i.) contient plusieurs erreurs. Je n’ai trouvé d’autre erreur dans les matrices concernant la configuration p. p. que celle déjà signalée par Inglis et Ginsburg (loc. cit.) : dans la matrice p; p. i = 2,

rem-placer ai -

a., par a, + a., ; dans l’équation séculaire qui en découle

supprimer

le terme + 2 ai az.

L’erreur moyenne est de

t 20,

au lieu de 36 pour le néon. Corrélativement les valeurs de g calculées ont des erreurs de l’ordre de 20 pour 100. Cette théorie est donc de peu d’intérêt ici. Son succès

approximatif

au cas des termes

2p

du néon

peut

d’ailleurs être

plus

apparent

que

réel,

comme le montre une remarque

d’Inglis

et

Ginsburg :

« Nous ne pouvons pas être sûrs

qu’un paramètre

ainsi calculé ne

représente

réellement que l’interaction

qu’il

est censé

représenter...

les para-mètres

magnétiques

calculés pour cette

configuration

à

partir

d’atomes tout à fait semblables diffèrent de ceux

qui

ont été déterminés ci.dessus. » Il faut donc conclure que, sauf clans les cas les

plus simples,

nous ne savons pas encore

quelle

relation

quantitative

existe entre les

énergies

des termes et les facteurs de

décom-position magnétique.

TABLEAU VI. -

Comparaison

des valeurs de g de

l’argon

(termes

3 p)

et du

krypton

(termes 2 p).

Lps termes de

chaque

colonne se

correspondent, malgré

la

différence

de nota/ion.

La relation entre ces deux groupes de données est

frappante lorsqu’on

compare la

configuration

3p:).

5p

de

l’argon (termes

31)i)

et la

configuration 4p,’~.5p

du

Krypton (termes

2pi).

La

figure

3 montre

l’analogie

dans la

disposition

relative des

termes ;

corrélativement les valeurs

de 9

des termes

correspondants

diffèrent peu. Les valeurs

de 9

du

Krypton qui figurent

au

ta-bleaii Yl ont été mesurées par B.

Pogany

Nous sommes heureux

d’exprimer

ici notre recon-naissance à M. le Professeur P. Zeeman pour l’intérêt

qu’il

nous a

témoigné

au cours de ce travail.

(1). B. POGANY. Z. 1933 86, 129.

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