Les plus belles expériences de Physique

Bonsoir,



Il est bien connu que le Physicien est un homme qui passe son temps à faire des expériences. Si possible dans un laboratoire un peu mystérieux, avec des appareils au fonctionnement incompréhensible pour le commun des mortels. En tout cas, c'est comme ça qu'il est décrit par l'imagerie populaire.



Mais ce n'est pas toujours vrai dans les faits, et parfois le Physicien peut réaliser des expériences très simples, avec du matériel courant. Les conséquences de ces expériences peuvent par contre être beaucoup plus complexes, et même parfois être à l'origine d'une véritable révolution au niveau de notre manière de voir le monde.



Le but de ce fil est de présenter un certain nombre d'expériences qui ont marqué l'histoire des sciences d'une façon ou d'une autre.



Je vais commencer par une expérience assez intéressante, celle du Pendule de Foucault, pour faire plaisir à Pyrenne



A l'école, on apprend aux écoliers que ce n'est pas le Soleil qui tourne autour de la Terre, mais bien l'inverse. Et s'il est bien une connaissance partagée par de très nombreuses personnes, c'est bien celle-là. On a même tendance à penser que les Anciens étaient bien ignorants d'imaginer le contraire. Mais ce fait est-il aussi évident que cela ? Faisons l'expérience suivante : un bel après-midi ensoleillé, posons nous sur une chaise longue, une bière fraiche à portée de la main, et observons... Avons-nous l'impression d'être sur une boule qui tournoie sur elle-même telle une gigantesque toupie ? Personnellement, je n'ai pas cette impression (je viens à peine d'entamer ma première bière, peut-être qu'à la fin du pack... ). Par contre je vois le Soleil se déplacer dans le ciel. Si j'attends suffisamment longtemps, je le verrai faire une courbe dans le ciel, d'est en ouest. Comment prouver que c'est bien la Terre qui tourne, et pas le Soleil ?



Avant de répondre à cette question, je vais vous en poser une autre : savez-vous ce qu'est un pendule ? Plus exactement un pendule simple ? Comme son nom l'indique, le pendule simple est très simple : on prend un objet (par exemple une boule), et on l'attache au plafond à l'aide d'un fil. Si on écarte la boule de la verticale et qu'on lâche, le pendule va se mettre à osciller. On peut remarquer plusieurs choses :



* le pendule oscille dans un plan, à condition que l'on ait bien lâché la boule sans lui communiquer de mouvement sur le côté (sinon elle va décrire une ellipse).

* la période du pendule (le temps pour faire un aller-retour) est indépendante de la masse de la boule : le pendule battra à la même vitesse avec une bille ou une boule de pétanque.

* la période du pendule ne dépend pas de l'angle de lâcher, à condition que cet angle ne soit pas trop important.

* en un lieu donné, la période ne dépend que de la longueur du fil.



Toutes ces caractéristiques peuvent être retrouvées par l'étude physique du problème. Pour ceux qui sont intéressés par la mise en équation, ils peuvent aller voir l'article de Wikipédia, très complet et de très bon niveau.



Quel est le rapport avec notre problème ? Et bien, en 1851, un physicien nommé Foucault a construit un pendule géant qu'il a accroché sous le dôme du Panthéon : une sphère de 28 kg suspendue à un fil de 67 m de long ! Dans ces conditions la période est de 16,5 s environ : le pendule bat très lentement. Si on lance le pendule et que l'on observe son mouvement sur un temps assez long on s'aperçoit de quelque chose de surprenant : le plan d'oscillation du pendule tourne ! Physiquement, cela ne peut s'expliquer que par l'intervention d'une force qui ferait dévier le pendule. Or le pendule n'est soumis qu'à son poids (ainsi que la résistance de l'air, mais cette dernière ne peut que freiner puis stopper les oscillations, en aucun cas elle ne peut dévier la course du pendule). Fait encore plus surprenant : si on s'arrange pour lancer le pendule de telle façon que le plan d'oscillation passe par le Soleil, le plan d'oscillation semble suivre le mouvement du Soleil ! D'où l'explication du phénomène : ce n'est pas le plan d'oscillation qui tourne : il reste fixe (par rapport au Soleil), et c'est le Panthéon qui se déplace, en suivant la rotation de la Terre. On est donc parvenu à mettre en évidence la rotation de la Terre avec des moyens très simples. De plus le résultat est facilement visible par tout un chacun.



On peut s'arrêter là et dire que l'expérience de Foucault a été l'une des premières preuves du fait que la Terre tournait sur elle-même. Mais en fait, cette expérience soulève plus de questions qu'elle n'en résout. Car tout est relatif, comme le disait Galilée bien avant Einstein. Dire que le Soleil tourne autour de la Terre est tout à fait correct si on choisit la Terre comme référentiel. Mais est-ce bien judicieux de prendre la Terre comme référentiel d'étude ? On a vu que non, car dans le référentiel terrestre, le mouvement du plan d'oscillation du pendule ne s'explique que si on fait intervenir une force supplémentaire (la force de Coriolis) dont l'origine est justement la rotation de la Terre sur elle-même. Un référentiel plus judicieux est de prendre un référentiel géocentrique : le centre du repère est la Terre, et les axes ne sont plus solidaires de la Terre (i.e. ils ne tournent plus avec elle), ils pointent vers des étoiles fixes. Dans ce référentiel, le plan d'oscillation du pendule est fixe, et pointe tout le temps vers le Soleil. Chouette ! On a trouvé le bon référentiel ! Et ben non... Car en fait, si on attend suffisamment longtemps, on va s'apercevoir que le plan d'oscillation n'est pas rigoureusement fixe, et qu'il va tourner, pas vite certes, mais tourner quand même. Il va donc s'écarter peu à peu du Soleil. Que se passe-t-il ? Et bien on a oublié un autre mouvement : celui de la Terre autour du Soleil. La Terre tourne autour du Soleil en un an. Si le temps d'observation n'est pas négligeable devant une année, on ne peut plus faire abstraction de ce mouvement.



Que faire alors ? C'est simple, on change de référentiel, et on choisit un référentiel héliocentrique : le centre est le Soleil, et les axes pointent vers des étoiles fixes : le plan d'oscillation ne bouge plus, ça y est, et si le pendule pointe vers une étoile, il continuera de pointer vers elle. Le repère absolu. Et ben, non... Toujours pas... Car si on attend longtemps, très longtemps, on va s'apercevoir que le plan d'oscillation bouge par rapport aux étoiles fixes. Très très très lentement, mais quand même. Tout simplement parce que les étoiles ne sont pas fixes les unes par rapport aux autres : elles tournent toutes autour du centre de notre Galaxie. Par contre le temps mis pour faire un tour complet peut être très long : notre Soleil met environ 200 millions d'années pour faire un tour. Autant dire que sur la durée d'une vie humaine, le référentiel héliocentrique peut être considéré comme satisfaisant. Mais dans l'absolu, ce n'est toujours pas bon.



Un meilleur référentiel serait le référentiel galactocentrique : centre au centre de la Galaxie, et les axes qui pointent vers des galaxies lointaines. Mais comme les galaxies sont toutes en mouvement les unes par rapport aux autres, ça ne marchera qu'un temps. Plus l'objet de référence sera éloigné, plus longtemps ça marchera, mais ce ne sera jamais valable éternellement. En gros, on ne pourra jamais trouver un référentiel absolu, c'est-à-dire un référentiel où les lois de la mécanique s'expriment le plus simplement possible (les physiciens parlent de référentiel galiléen). Tout simplement parce que tout mouvement ne peut se définir que par rapport à un objet, et que tous les objets de l'Univers se déplacent les uns par rapport aux autres.



Les implications de l'expérience de Foucault sont donc beaucoup plus importantes que la simple vérification de la rotation de la Terre sur elle-même. C'est la vérification expérimentale de la non-existence d'un cadre de référence spatial absolu, problème qui turlupinait déjà Newton lorsqu'il peaufinait sa théorie. Un peu plus tard, Einstein montrera qu'il n'existe pas non plus de cadre de référence temporel absolu. Tout est vraiment relatif...



A lire : Pendule de Foucault sur Wikipédia

Ainsi que le très bon roman d'Umberto Eco mettant en scène ce pendule.


@+



(Modifié par Kweeky le 08-05-2008 à 01:22)

Bonjour,

Une autre jolie expérience de Physique, qui montre que sans utiliser de matériel hyper sophistiqué on peut avoir accès à des résultats étonnants, à condition de manipuler avec rigueur. Je vais vous présenter l'expérience de Cavendish (1798). Le but premier de cette expérience était de déterminer expérimentalement la valeur de la constante universelle de gravitation.

Question : cékoidonc, la constante universelle de gravitation ? Pour y répondre, je vais être obligé de présenter une formule. Promis, ce sera la seule .

A la fin du XVIIème siècle, Isaac Newton, en observant les pommes qui tombent des pommiers et la Terre qui tourne autour de la Terre, découvre un fait étonnant : tous les objets s'attirent, et ce d'autant plus qu'ils sont massifs et qu'ils sont proches. Cela se traduit mathématiquement de la façon suivante :



Cette formule veut dire qu'un objet A (dont la masse est mA) va attirer un objet B (de masse mB) situé à une distance d avec une force dont l'intensité sera égale à F. Le nombre G est une constante qui permet d'avoir les bons résultats numériques avec le jeu d'unités choisies. C'est cette constante que permet de déterminer l'expérience de Cavendish.

A priori, on se dit que la détermination de G est assez simple : on prend deux objets dont les masses sont connues, on les place à une distance déterminée, et on mesure la force. Le problème est que la force d'attraction gravitationnelle est extrêmement faible. C'est même la plus faible de toutes les forces de la Nature. Si on passe un aimant au dessus d'un clou, le clou saute pour se coller à l'aimant : un aimant de quelques dizaines de grammes permet à vaincre l'attraction de la Terre entière. La force magnétique est incommensurablement plus forte que la force d'attraction gravitationnelle. Elle nous semble pourtant très forte, cette attraction gravitationnelle : on se fait très mal quand on tombe. Cela est dû au fait que lorsque nous tombons, nous sommes attirés par un objet très très très massif : la Terre (environ 6 000 000 000 000 000 000 000 000 kg !!!). Par contre, pour des objets de masse usuelle, la force d'attraction est insignifiante : si on se place à un mètre d'une autre personne, on ne ressent aucune force d'attraction (parfois si, mais cet effet n'a alors que peu de chose à voir avec la gravitation ). La faiblesse de cette force explique que les premières tentatives pour mesurer G ne furent pas convaincantes.

Cavendish a utilisé pour son expérience un dispositif appelé pendule de torsion : voir la description sur Wikipédia. Cavendish plaça aux extrémités de la tige de son pendule deux petites boules métalliques de masse connue. Lorsque le pendule est dans sa position d'équilibre, si on approche de façon symétrique deux grosses boules (dont la masse est aussi connue), le pendule va s'écarter un peu de sa position d'équilibre. En effet, les petites boules vont subir l'attraction gravitationnelle due aux grosses boules : voir le schéma sur Wikipédia. La mesure de l'angle que fait alors le pendule avec sa position d'équilibre nous permet de déterminer la force d'attraction entre les petites et les grosses boules. Comme nous connaissons la distance et les différentes masse, nous pouvons alors calculer G. Dans la réalité, la mesure ne se fait pas en statique, mais en dynamique pour plus de précision : on laisse osciller le pendule de torsion en l'absence et en présence des grosses boules. L'étude des oscillations du pendule permet de déterminer G.

On peut maintenant se poser une autre question : quel est l'intérêt de tout cela pour le quidam ? Nous avons déterminé expérimentalement la valeur d'une constante universelle utilisée seulement par les physiciens. Et alors ? Et bien la connaissance de G permet de faire une opération impossible autrement : si on la force avec laquelle la Terre attire un objet de masse donnée, on peut tout simplement déterminer la masse de la Terre ! C'est pourquoi cette expérience historique a été qualifiée "d'expérience de pesée de la Terre".

Il est aussi intéressant de noter que Coulomb a utilisé un dispositif semblable pour étudier la force électrique.

@+

A lire :
L'expérience de Cavendish sur Wikipédia.
Pesons la Terre sur le site du Palais de la Découverte. (avec une vidéo montrant l'expérience reproduite avec l'aide des moyens modernes).




(Modifié par Kweeky le 12-05-2008 à 19:21)