Savez-vous qu'avec un simple smartphone, il est possible de reproduire les expériences de grandes figures de la science ? Dans cet article, nous vous proposons de réaliser 12 expériences conçues par des scientifiques de renom tels que Pythagore, Robert Boyle ou Albert Einstein. Ces expériences, accessibles à tous, ne nécessitent pas d'appareillage complexe. Êtes-vous prêts à découvrir le travail de nos prédécesseurs et à vous immerger dans des découvertes scientifiques fascinantes ? Préparez vos smartphones !
Table des matières
Pythagore et l'invention de la gamme - Galilée et le pendule - Toricelli et l'écoulement de l'eau - Newton et la gravitation - Leibniz et la conservation de l'énergie - Boyle et les ondes sonores - Einstein et l'expérience de pensée de l'ascenceur - Doppler et l'effet Doppler - Nollet et la mesure de la vitesse du son - Young et la théorie des couleurs - Delambre et la mesure du méridien - Von Helmotz et le résonateur
Pythagore et l'invention de la gamme
Un jour, en se promenant près d'une forge, on raconte que Pythagore fut frappé par les sons harmonieux produits par les marteaux frappant l'enclume. Intrigué, il remarqua que la hauteur des sons dépendait de la taille et du poids des marteaux. Il mena alors des expériences en suspendant différents poids à des cordes et en les frappant, découvrant que des rapports de poids spécifiques produisaient des sons harmonieux. Pythagore identifia trois intervalles musicaux fondamentaux : l'octave (rapport 1:2), la quinte (rapport 2:3) et la quarte (rapport 3:4). Ces intervalles formèrent la base de la gamme diatonique pythagoricienne.
Pythagore, l'un des plus grands génies de la Grèce antique (570-495 av. J.-C.), était mathématicien, philosophe, musicien et mystique. Fondateur du mouvement pythagoricien, il mettait l'accent sur les mathématiques, la musique et l'harmonie universelle. Ses contributions incluent le célèbre théorème de Pythagore, et son intérêt pour la musique l'a conduit à explorer les intervalles musicaux et le concept de "l'harmonie des sphères".
Pour faire une analyse semblable à celle de Pythagore et retrouver ses intuitions, nous vous proposons d'utiliser le synthétiseur de sons de l'application et de déterminer expérimentalement les accords de fréquences qui vous paraissent harmonieux. Essayez par exemple, en choisissant une fréquence de base de 600 hertz, puis en ajoutant une deuxième voie, identifiez les accords "harmoniques". Sont-ils ceux trouvés par Pythagore ? Les intervalles de Pythagore sonnent-ils différemment des autres accords ? Analysez ces accords avec l'oscilloscope de l'application pour comprendre pourquoi ils sont agréables à l'oreille. Pour en savoir plus sur les ondes sonores et les accords harmoniques, vous pouvez consulter notre article : Peut-on voir un son ?
Galilée et le pendule
Tout le monde connaît l'anecdote de Galilée et la chute des poids du haut de la tour de Pise, une structure penchée faisant partie de l'ensemble architectural de la cathédrale de Pise, chef-d'œuvre de l'architecture romane construite entre le XIe et le XIIe siècle. Une autre anecdote moins connue se déroule à l'intérieur de cette cathédrale. Alors qu'il était étudiant en médecine à l'université, Galilée remarqua une lampe suspendue se balançant durant un office religieux. Intrigué par le mouvement régulier de la lampe, il utilisa son pouls pour mesurer le temps entre les oscillations et constata que, quelle que soit l'amplitude du balancement, la période des oscillations restait remarquablement constante. Cette observation marqua le début de ses expériences avec des pendules, contribuant de manière significative à la physique classique, notamment à la mesure précise du temps et à l'élaboration de la théorie de la mécanique.
Cent ans plus tard, Christian Huyghens confirmera l'hypothèse de Galilée et donnera une modélisation du pendule simple dont la période des oscillations ne dépend que de la longueur du fil et de la gravité. Pour des petites oscillations : T = 2π * √(l/g) où T est la période en secondes, l est la longueur du fil en mètres et g est l'accélération due à la gravité en mètres par seconde carré.
Vous pouvez montrer expérimentalement cette relation avec un smartphone. Fixez un crochet au plafond et attachez une longue corde avec un smartphone au bout, fixé dans une pochette en plastique, puis faites-le osciller. La période peut être mesurée de multiples manières grâce aux capteurs des smartphones, par exemple en mesurant l'accélération, les variations du champ magnétique par rapport à un aimant sur le sol ou la luminosité en placant le smartphone sur le sol et au bout du pendule une boule qui cache le détecteur. Si vous disposez d'un pendule de Newton, vérifiez la régularité des oscillations en mesurant le temps entre les chocs grâce à la mesure du niveau sonore.
Pour en savoir plus, vous pouvez découvrir toutes les expériences que nous proposons sur le thème du pendule avec un smartphone : Activités sur le pendule.
Toricelli et l'écoulement de l'eau
Evangelista Torricelli (1608-1647) était un mathématicien et physicien italien, principalement connu pour son invention du baromètre à mercure. Élève de Galileo Galilei, Torricelli a poursuivi ses travaux sur la pression atmosphérique et les fluides, développant des principes fondamentaux de la dynamique des fluides. À l'époque, les scientifiques ne comprenaient pas pourquoi les pompes à eau ne pouvaient pas soulever l'eau au-delà de 10 mètres. Torricelli a émis l'hypothèse que la pression de l'air exercée sur l'eau de la cuve fait équilibre à la colonne d'eau. Pour tester cette idée, il a rempli un tube de mercure, plus dense que l'eau, et l'a inversé dans un bassin de mercure. Une colonne de mercure de 76 cm est restée, créant le vide dans la partie supérieure, et était équivalent à une colonne d'eau de 10 m en tenant compte de la densité du mercure (13,6). Cette expérience a prouvé l'existence de la pression atmosphérique et du vide, posant ainsi les bases de la météorologie moderne et de la physique des fluides.
Une autre contribution du scientifique est la loi de Torricelli, qui explique que la vitesse d'écoulement d'un fluide par un orifice sous un réservoir est proportionnelle à la racine carrée de la hauteur du fluide au-dessus de l'orifice. La loi de Torricelli stipule que la vitesse d'écoulement d'un fluide par un orifice sous un réservoir est proportionnelle à la racine carrée de la hauteur du fluide au-dessus de l'orifice. Formellement, la vitesse v est donnée par v=√(2gh), où g est l'accélération de la pesanteur et h est la hauteur de la colonne de fluide. Cette loi découle des principes de conservation de l'énergie et de la dynamique des fluides, illustrant comment la pression et la hauteur influencent le débit d'écoulement.
Pour reproduire cette expérience, on peut réaliser l'expérience simple suivante : choisissez une bouteille d'eau et percez un trou près de son fond. Filmez ensuite la bouteille avec un smartphone pendant qu'elle se vide. Cette vidéo peut être analysée grâce à l'analyse cinématique pour observer la relation entre la hauteur de l'eau et la vitesse d'écoulement.
Newton et la gravitation
La découverte de la gravitation par Isaac Newton est l'une des légendes les plus célèbres de l'histoire de la science, souvent embellie par l'anecdote de la pomme tombant d'un arbre. Bien que cette histoire soit populaire, la véritable manière dont Newton a formulé sa théorie de la gravitation universelle est plus complexe et repose sur des années de recherches et d'observations minutieuses. Vers le milieu des années 1660, Newton était déjà profondément engagé dans l'étude de la physique et des mathématiques à l'Université de Cambridge. Lorsqu'une épidémie de peste força l'université à fermer en 1665, Newton retourna à Woolsthorpe, sa ville natale. C'est durant cette période de retraite forcée, connue comme son "annus mirabilis" ou année miraculeuse, qu'il commença à développer ses idées révolutionnaires en physique.
La fameuse histoire de la pomme suggère que Newton fut inspiré à formuler sa théorie de la gravitation après avoir vu une pomme tomber d'un arbre. Selon des récits rapportés par William Stukeley, un ami de Newton, et John Conduitt, son beau-fils, Newton leur a raconté que l'incident de la pomme l'avait fait réfléchir à la nature de la force qui faisait tomber la pomme perpendiculairement au sol. Cependant, la vraie percée de Newton ne fut pas simplement de réaliser que les objets tombent vers la Terre, mais plutôt de généraliser cette attraction pour comprendre que tous les corps dans l'univers s'attirent mutuellement. Newton commença à penser que la même force qui faisait tomber la pomme était aussi responsable du maintien des planètes en orbite autour du Soleil. Il formula sa loi de la gravitation universelle, qui stipule que chaque particule de matière dans l'univers attire chaque autre particule avec une force directement proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance entre leurs centres. Ces travaux furent publiés en 1687 dans son œuvre majeure, les "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica" (Principes mathématiques de la philosophie naturelle), qui établissent les fondements de la mécanique classique.
Pour mieux comprendre la gravité, on peut laisser tomber son smartphone à la place de la pomme. Une telle expérience permettra de faire rapidement une estimation de g en mesurant la durée de la chute d'une certaine hauteur. Bien sûr, il faut s'assurer que le smartphone tombe sur une surface molle et mesurer précisément la hauteur et le temps écoulé lors de la chute. Suivez le protocole d'activité suivant qui décrit la marche à suivre : Mesure de g.
Leibniz et la conservation de l'énergie
Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) était un polymathe allemand, reconnu pour ses contributions significatives à la philosophie, aux mathématiques, à la logique, à la théologie et aux sciences. Né à Leipzig dans une famille de juristes, Leibniz montra dès son jeune âge une intelligence remarquable et une curiosité insatiable pour divers domaines du savoir. Polyglotte, il maîtrisait plusieurs langues, dont le latin, le grec, le français et l'allemand, et possédait des notions en anglais, en italien et en néerlandais. Cet intérêt pour les langues le poussa à proposer des idées pour améliorer l'efficacité de la communication humaine, notamment en travaillant sur le développement d'une langue universelle, ou "caractéristique universelle", basée sur un système logique de symboles permettant de représenter des concepts. Il pensait que cette langue universelle pourrait non seulement faciliter la communication entre les différents peuples, mais également aider à résoudre des différends philosophiques ou scientifiques en clarifiant les concepts. Malgré ses efforts et ses recherches approfondies, il ne réussit jamais à mettre en œuvre cette idée.
Leibniz n'était pas convaincu de la vision cartésienne selon laquelle la quantité de mouvement (le produit de la masse et de la vitesse) était conservée dans les collisions. Il observa que cette théorie ne tenait pas compte de toutes les observations expérimentales, notamment celles des collisions élastiques, où la somme des produits de la masse et de la vitesse semblait varier. Pour résoudre cette incohérence, Leibniz proposa le concept de "vis viva" (force vive), qu'il définissait comme le produit de la masse et du carré de la vitesse (mv² ). Il démontra que dans un système isolé, la somme de ces vis viva se conservait, même si la quantité de mouvement ne le faisait pas nécessairement. Cette idée novatrice jeta les bases de notre compréhension moderne de l'énergie cinétique, en mettant en lumière l'importance de la conservation de l'énergie dans les phénomènes mécaniques.
De nombreuses expériences peuvent être réalisées avec un smartphone pour illustrer la conservation de l'énergie lors de chocs. Pour faire cette étude au mieux, utilisez le module cinématique de l'application FizziQ. Avec un smartphone, filmez un choc élastique puis un choc inélastique, et étudiez les lois de conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie. On trouvera sur le site fizziq.org une vidéo qui permettra de faire des mesures précises : Collision.
Boyle et les ondes sonores
Robert Boyle (1627-1691), chimiste et physicien irlandais, est considéré comme l'un des fondateurs de la chimie moderne. Il est surtout connu pour la loi de Boyle, qui décrit la relation inverse entre la pression et le volume d'un gaz à température constante. Ses expériences avec une pompe à vide ont démontré l'importance de la pression atmosphérique et ont jeté les bases de la chimie physique. L'une de ses expériences les plus célèbres impliquait une tortue placée dans une chambre à vide pour observer les effets du vide sur un organisme vivant. Boyle et son assistant, Robert Hooke, ont noté que, à mesure qu'ils retiraient l'air de la chambre, la tortue devenait de plus en plus inactive. Ils ont rapidement réintroduit l'air avant que la tortue ne subisse des dommages permanents, démontrant ainsi de manière spectaculaire l'importance de l'air pour la survie des êtres vivants.
À partir de cette constatation, Boyle a mené de nombreuses expériences, notamment sur la propagation des sons. Il a montré que le son ne peut se propager dans le vide en plaçant une horloge à carillon dans une cloche de verre reliée à une pompe à vide. En retirant progressivement l'air de la cloche, il a observé que le son de l'horloge devenait de plus en plus faible jusqu'à devenir inaudible lorsque le vide était presque complet. Cette expérience a prouvé que le son nécessite un milieu matériel, comme l'air, pour se propager, confirmant que le vide est un isolant acoustique efficace et illustrant les principes de la transmission des ondes sonores.
Vous pouvez reproduire une telle expérience en utilisant un bocal dans lequel vous pouvez diminuer la pression atmosphérique, comme ceux utilisés pour conserver des aliments, ou mieux encore, une cloche à vide de laboratoire. Placez un smartphone émettant un son d'intensité constante dans le bocal, ce smartphone servant également à mesurer la pression atmosphérique (les smartphones Apple comportent des capteurs de pression atmosphérique). À l'extérieur de la cloche, mesurez l'intensité sonore avec un autre smartphone. En diminuant progressivement la pression dans la cloche, mesurez la baisse de l'intensité sonore. Vous vérifierez ainsi que l'intensité sonore diminue logarithmiquement à mesure que la pression dans la cloche diminue.
Einstein et l'expérience de pensée de l'ascenceur
Une expérience de pensée est un scénario hypothétique utilisé pour explorer les conséquences d'un principe ou d'une théorie en l'absence d'expérimentation physique réelle. Elle consiste à raisonner sur un problème en utilisant uniquement l'imagination et la connaissance des lois physiques, sans nécessiter de preuves empiriques ou d'exécution pratique. Employées dans divers domaines, y compris la physique, la philosophie, les mathématiques et l'éthique, les expériences de pensée servent d'outils puissants pour conceptualiser des idées, remettre en question les notions existantes et stimuler l'exploration intellectuelle. Albert Einstein, l'un des utilisateurs les plus éminents des expériences de pensée, les a largement utilisées pour développer ses théories révolutionnaires en physique, notamment les théories de la relativité restreinte et générale. Ces expériences lui ont permis de visualiser des problèmes complexes et des paradoxes en physique, difficiles ou impossibles à tester avec la technologie de son époque.
L'une des expériences de pensée les plus célèbres d'Einstein concerne la théorie de la relativité générale : l'expérience de l'ascenseur. Einstein s'imaginait à l'intérieur d'un ascenseur fermé dans l'espace profond, qui accélère vers le haut. Une balle lâchée dans l'ascenseur semble tomber vers le sol de manière similaire à l'attraction gravitationnelle de la Terre. En contraste, un ascenseur stationnaire près d'une planète subit un effet similaire dû à la gravité. L'essence de cette expérience est que, dans les limites de l'ascenseur, on ne peut pas distinguer entre les effets de la gravité et l'accélération pure.
Pour réaliser cette expérience, placez un smartphone sur une table et ouvrez l’instrument de mesure Accélération absolue de l'application FizziQ. Vous verrez apparaître la valeur de 9,80 m/s², correspondant à l'accélération de la pesanteur. Ensuite, placez un matelas par terre, ou utilisez un lit moelleux, appuyez sur le bouton enregistrer, puis lancez le smartphone pour qu'il décrive une parabole et retombe sur le matelas. Après avoir arrêté l'enregistrement et ajouté les données au cahier d'expérience, vous constaterez que pendant toute la période en l’air, l’accélération mesurée est nulle. Bien que le smartphone soit en chute libre, et donc que sa vitesse verticale varie pour un observateur placé sur terre, le smartphone lui-même ne perçoit aucune force, il est en apesanteur.
Cette expérience reproduit exactement l'expérience de pensée de l'ascenseur d'Einstein. Le smartphone est équivalent à un ascenseur qui tombe avec la même accélération que la gravité. À l'intérieur du smartphone, l'accéléromètre ne peut pas détecter s'il est en chute libre ou si la gravité est nulle. Pour lui, comme pour la personne présente dans l'ascenseur, la gravité est équivalente à une accélération.
Pour en savoir plus vous pouvez consulter nos deux articles sur le sujet : un article consacrée à la gravité, et un article expliquant comment fonctionne un accéléromètre.
Doppler et l'effet Doppler
En 1842, Christian Doppler, un physicien autrichien, propose une nouvelle théorie sur le décalage de la fréquence d'une onde lorsque la source se déplace par rapport à l'observateur. Sa théorie est accueillie avec un grand scepticisme par la communauté scientifique, principalement parce que les moyens de déplacement de l'époque ne permettaient pas de démontrer clairement ce que la théorie prédisait. Cependant, une preuve irréfutable de la théorie de Doppler est apportée en 1845 par le météorologue Buys-Ballot. Il organise une expérience spectaculaire en plaçant des musiciens sur une plateforme d'un train lancé à 70 km/h, leur faisant jouer une note constante. Les personnes le long du trajet ont pu constater le changement de fréquence des sons émis par l'orchestre lorsque le train passait devant elles, confirmant que l'effet Doppler n'était pas une illusion.
La fréquence d'une onde, qu'elle soit sonore ou lumineuse, est affectée par le mouvement de la source par rapport à l'observateur. Ce décalage de fréquence est directement proportionnel à la vitesse, selon l'équation : Δf = f * Vmobile / Vonde, où Vmobile est la vitesse du mobile et Vonde est la vitesse de l'onde.
Aujourd'hui, l'effet Doppler est utilisé dans de nombreuses technologies, telles que le radar météorologique, l'imagerie médicale, ainsi que pour le contrôle et la sécurité. Il s'est révélé être un outil précieux pour les astronomes, leur permettant de comprendre les mouvements célestes et de découvrir de nouveaux objets comme les exoplanètes. Des humbles débuts dans le laboratoire de Doppler jusqu'aux observatoires modernes scrutant les profondeurs de l'espace, l'effet Doppler a façonné notre compréhension de l'univers, nous offrant des fenêtres sur le mouvement et la composition des corps célestes.
De nombreuses expériences peuvent être réalisées avec un smartphone pour mettre en évidence et vérifier expérimentalement la loi de Doppler. Pour cela, on peut utiliser le synthétiseur sonore des smartphones pour générer des sons et mesurer la fréquence des sons grâce au microphone. Ces expériences permettent de démontrer concrètement le décalage de fréquence observé lorsque la source sonore est en mouvement par rapport à l'observateur. Vous trouverez 5 expériences à réaliser sur ce sujet en suivant ce lien : https://www.fizziq.org/post/experiment-doppler-effect
Nollet et la mesure de la vitesse du son
Jean-Antoine Nollet (1700-1770), également connu sous le nom de l'Abbé Nollet, était un physicien et prêtre français renommé pour ses contributions à l'étude de l'électricité et de l'acoustique. Né à Pimprez, Nollet commença sa carrière en théologie avant de se tourner vers les sciences naturelles. Il devint membre de l'Académie des Sciences et enseigna la physique expérimentale au Collège de Navarre à Paris. Nollet est surtout connu pour ses travaux sur l'électricité. Il fut l'un des premiers à démontrer les effets de l'électricité statique et à populariser les expériences électriques en Europe. Il inventa l'électromètre, un appareil pour mesurer la charge électrique, et réalisa des démonstrations publiques spectaculaires qui captivèrent l'imagination de son époque.
En 1738, l'Académie des Sciences chargea Nollet de déterminer avec précision la vitesse du son. Utilisant la topographie du bassin parisien, Nollet plaça un canon sur la tour de Montlhéry, avec des observateurs postés sur la butte Montmartre, à 28 kilomètres de là. De nuit, ils chronométrèrent le temps écoulé entre la vue du flash lumineux et l'écoute du "BANG" d'un coup de canon. La lumière du coup de feu étant perçue presque instantanément, ils mesurèrent ensuite le temps nécessaire pour entendre le son. Nollet calcula la vitesse du son en utilisant la distance et le temps mesuré, rapportant une vitesse de 337,2 mètres par seconde à l'Académie des Sciences. Cette valeur, très proche de la mesure moderne (environ 343 m/s à 20°C), démontra la précision et la rigueur de sa méthode scientifique. Son expérience marqua un tournant dans l'étude des ondes sonores et reste un exemple marquant de l'application pratique des principes scientifiques.
On peut facilement reproduire cette expérience en classe ou à la maison avec deux smartphones équipés de l'application FizziQ. Pour cela, utilisez les chronomètres acoustiques de l'application, qui permettent de mesurer le temps écoulé entre deux événements sonores. Placez les deux smartphones côte à côte et déclenchez les chronomètres en battant des mains. Ensuite, déplacez l'un des deux téléphones d'une distance d'au moins 5 mètres et claquez à nouveau des mains près de l'autre téléphone. Les chronomètres s'arrêtent et la vitesse du son peut être calculée en divisant la distance par la différence de temps entre les deux chronomètres. Pour réaliser cette expérience, suivez le lien suivant : mesure de la vitesse du son
Young et la théorie des couleurs
Thomas Young, physicien et polymathe britannique, est célèbre pour ses travaux révolutionnaires sur la théorie des couleurs et la vision trichromatique. Au début du XIXe siècle, Young s'intéressa à la manière dont l'œil humain perçoit les couleurs. En 1801, il proposa que la vision des couleurs repose sur trois types de récepteurs dans l'œil, chacun étant sensible à l'une des trois couleurs primaires : rouge, vert et bleu. Pour tester sa théorie, Young utilisa des filtres colorés et des sources lumineuses de différentes longueurs d'onde. Il démontra que la combinaison de ces trois couleurs de base pouvait reproduire toutes les autres couleurs perceptibles par l'œil humain. Par exemple, en combinant les lumières rouge et verte, il pouvait créer du jaune ; en combinant le bleu et le rouge, il obtenait du magenta ; et en combinant les trois, il obtenait du blanc.
Il fallut plus de 150 ans avant que l'existence de cellules sensibles à trois différentes gammes de longueurs d'onde (les plus sensibles au vert-jaune, au vert-bleu et au bleu – et non au rouge, vert et bleu) soit confirmée. Ces cellules furent identifiées en 1956 par Gunnar Svaetichin. En 1983, cette découverte fut validée dans les rétines humaines lors d'une expérience menée par Herbert Dartnall, James Bowmaker et John Mollon, qui obtinrent des lectures microspectrophotométriques des cônes individuels des yeux humains. Cette découverte a eu une profonde influence sur la science de l'optique, la compréhension de la perception visuelle, et a également été fondamentale pour le développement de technologies modernes telles que les écrans de télévision et d'ordinateur, qui utilisent des pixels rouges, verts et bleus pour afficher une gamme complète de couleurs.
Pour reproduire expérimentalement l'expérience de Thomas Young avec un smartphone, suivez l'expérience suivante : en utilisant l'instrument Couleur de l'application FizziQ, visez une couleur puis ajoutez cette mesure au cahier d'expérience. Cette mesure vous donnera la quantité des couleurs primaires rouge, vert et bleu qui composent cette couleur. En utilisant le Synthétiseur de couleur dans les Outils avec les quantités déterminées par le spectre, vous pouvez alors reconstruire cette couleur. Quelle que soit la couleur, elle peut être recomposée à partir des trois couleurs principales. Les trois couleurs primaires, mélangées, suffisent donc pour créer n'importe quelle couleur que nous percevons.
Delambre et la mesure du méridien
En 1790, l'Assemblée nationale française décide d'établir un système de mesure unique, utilisant la Terre comme référence. Le mètre est alors défini comme la dix millionième partie du quart du méridien terrestre. Pierre Méchain et Jean-Baptiste Delambre, astronomes et mathématiciens, sont chargés de mesurer ce méridien en 1792, afin d'établir une estimation la plus précise possible de la distance entre Dunkerque et Barcelone.
Il s'ensuit pour les deux scientifiques une aventure de sept années. La période de la Terreur révolutionnaire rendait les déplacements périlleux, surtout avec un appareil de mesure inhabituel, le cercle répétiteur. Delambre a souvent dû faire face à des gardes nationaux méfiants et peu coopératifs, ce qui l'a empêché de travailler pendant une année entière. Méchain, au départ plus chanceux, a vu ses efforts compliqués en 1793 lorsque l'Espagne a déclaré la guerre à la France. Cette situation politique tendue a entravé ses travaux et ses déplacements. De plus, Méchain a découvert une anomalie de quelques secondes d'arc dans ses mesures, ce qui l'a poussé à cacher ses résultats par crainte de discrédit. Ces défis logistiques, politiques et personnels ont sérieusement compliqué la mission de définir le mètre comme la dix millionième partie du quart du méridien terrestre. En 1799, ils déterminent finalement la longueur du mètre à 0,513074 toise. Méchain, confronté à une anomalie dans ses mesures, choisit cependant de les dissimuler. Leurs travaux posent les bases de la définition du mètre moderne.
La triangulation est l'outil mathématique de base qu'ont utilisés les deux scientifiques. C'est une méthode géométrique utilisée pour déterminer la position précise d'un point en mesurant les angles à partir de deux points de référence fixes et connus. Ce procédé repose sur la création de triangles pour lesquels les distances entre les points peuvent être calculées en utilisant les lois de la trigonométrie. En pratique, on commence par mesurer une ligne de base entre deux points fixes, puis on mesure les angles entre cette ligne de base et un troisième point visible. À partir de ces mesures, la distance au troisième point peut être calculée. En répétant ce processus, une série de triangles est formée, permettant de cartographier de vastes zones avec une grande précision.
Un exercice de triangulation peut être réalisé simplement en utilisant le théodolite de l'application FizziQ. Cet exercice permet, par exemple, de calculer des distances qui sont trop grandes ou sur lesquelles se trouvent des obstacles, rendant la mesure directe impossible.Pour en savoir plus sur la triangulation avec FizziQ, on peut consulter la video : la triangulation avec FizziQ.
Von Helmotz et le résonateur
Hermann von Helmholtz est un scientifique allemand célèbre pour ses contributions dans de nombreux domaines, notamment la physique, la physiologie et la psychologie. Une anecdote particulièrement intéressante concernant Helmholtz se rapporte à son invention du résonateur de Helmholtz, développé pour identifier les différentes fréquences des sons produits par divers instruments de musique.
Dans sa quête pour comprendre comment les humains perçoivent les sons, Helmholtz conçut une série de sphères de différentes tailles avec des ouvertures étroites. Ces sphères, appelées résonateurs de Helmholtz, étaient destinées à vibrer en résonance avec des fréquences spécifiques. Helmholtz utilisait ces résonateurs en les plaçant près de son oreille pour écouter les sons produits par différents instruments. Chaque résonateur était calibré pour amplifier une fréquence particulière, permettant à Helmholtz d'analyser très précisément le spectre sonore de la musique.
Vous pouvez facilement construire un résonateur de Helmholtz à l'aide d'un tube à essai. En soufflant au-dessus du tube, un son est émis dont la fréquence est propre à la géométrie du tube. Pour un tube fermé, la fréquence fondamentale de résonance est : f₀ = c/(4.L+1,6.D) où L est la longueur du tube, D le diamètre du tube. Grâce au fréquencemètre de l'application FizziQ, vous pouvez vérifier que la fréquence du son émis correspond bien au calcul de la fréquence de résonance du tube.
Une autre expérience amusante consiste à mesurer la fréquence du "pop" émis lorsqu'on ouvre une bouteille de vin. Cette fréquence dépend de la cavité entre le liquide et le bouchon. La fréquence théorique du son peut également être calculée et vérifiée avec les outils appropriés. Essayez avec la vidéo suivante : Ouverture d'une bouteille de vin.
Conclusion
Partir à la découverte des scientifiques et des expériences qu'ils ont réalisés permet de faire vivre la science et ses progrès. Grâce au smartphone et à la tablette, les élèves peuvent réaliser rapidement des expériences qui leur permet de rentrer dans la peau de grand scientifiques et des problématiques qu'ils essayeintde résoudre. Ces activités non seulement enrichissent la compréhension scientifique des élèves, mais elles rendent également l'apprentissage interactif et engageant. Pour en savoir plus sur l'utilisation en classe de sciences des smartphones ou des tablettes, vous pouvez lire notre article sur le sujet : Utiliser FizziQ en classe.
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