La durée de vie des neutrons

Illustration de l'article

Bonne surprise en ouvrant le "Pour la science" d'octobre 2016 reçu au congrès de l'Union des Professeurs de Physique-Chimie cette semaine. Un article sur les neutrons (pourtant pas mon domaine de prédilection) super compréhensible où les héros sont les incertitudes de mesure.

  http://www.pourlascience.fr/ewb_pages/a/article-l-enigme-de-la-duree-de-vie-du-neutron-37523.php

Deux types d'expériences différentes cherchent à mesurer la durée de vie des neutrons. Dans l'une des expérience, on piège des neutrons dans une bouteille, on attend, et on compte ce qu'il reste. Dans l'autre expérience, on envoie un faisceau de neutrons dans un piège EM à protons. Au bout d'un certain temps, on coupe le piège et on compte les protons issus de la désintégration des neutrons. 

Ces deux expériences ont été répliquées par des groupes de recherche différents avec des résultats cohérents. Mais, aux incertitudes de mesure près, ces résultats ne sont pas cohérents entre les deux méthodes!
Erreur systématique dans l'une, ou l'autre, ou les deux méthodes? Théorie à modifier?

L'avenir nous donnera la réponse mais cet article me semble une très bonne base pour construire une analyse de documents en physique autour des incertitudes de mesure. Ou pour introduire un cours sur le sujet avec une question d'actualité... 

Bonne fin de semaine,
Aude

Seules les mesures conduisent aux incertitudes...

Revue cosinus

L'enseignement des incertitudes de mesure est un enjeu de l'enseignement de la physique expérimentale en L1. Des travaux montrent que malgré une pratique régulière des incertitudes par les étudiants lors des TPs, ils éprouvent des difficultés à interpréter leurs mesures[1]. En particulier, certains pensent qu'il est possible de connaître la valeur d'une grandeur physique avec une précision infinie [2] .  

L'analyse de 6 énoncés de travaux pratiques destinés à des étudiants de L1 montre que l'énoncé demande régulièrement aux étudiants de faire des mesures et de calculer l'incertitude associée. Cependant, dans un certain nombre de cas, cette mesure n'est pas réutilisée et ne sert à rien. La mesure est donc réalisée pour le plaisir de mesurer, ce qui contribue surement au fait que les étudiants considèrent le calcul des incertitudes comme une simple activité normative. 

De plus, lorsque les mesures sont utilisées pour être comparées à d'autres valeurs, seules les valeurs obtenues par les expériences des étudiants sont assorties d'incertitudes et exprimées sous la forme d'un intervalle. Les données de l'énoncé, des constructeurs sont fournies sans incertitude, sous la forme d'un point, C=100nF et puis c'est tout. Cette inégalité de traitement peut très certainement contribuer à renforcer la croyance des étudiants dans le fait que l'on puisse connaître la valeur d'une grandeur physique avec une précision infinie. 

Nous avons soumis ces résultats pour une présentation orale au prochain congrès de l'ESERA, la grand messe de la didactique en Europe. 

Références : 

[1] Séré, M., Journeaux, R., & Larcher, C. (1993). Learning the statistical analysis of measurement errors. International Journal of Science Education, 15(4), 427–438.

[2] Allie, S., Buffler, A., Campbell, B., & Lubben, F. (1998). First‐year physics students’ perceptions of the quality of experimental measurements. International Journal of Science Education, 20(4),447–459. 

Mesure et incertitude au lycée

Dans les nouveaux programmes de physique-chimie de lycée, on demande que les futurs bacheliers aient des connaissances minimales sur la théorie probabiliste de la mesure. Il faut par exemple qu'ils sachent construire une incertitude composée à partir de l'estimation de différentes incertitudes, en appliquant une formule qu'ils n'ont pas à connaître. Dans le programme on ne trouve pas réellement de réflexion épistémologique sur la nature de la mesure, hormis une petite discussion sur l'inexistence de la valeur vraie en physique.

Ces connaissances arrivent dans les programmes à la suite d'une réflexion internationale sur l'estimation des incertitudes sur la mesure menée depuis les années 1970 et qui a conclu sur un ensemble de recommandations internationales qui ont été traduites en français en 1995 (GUM). L'idée est de modéliser la mesure dans un cadre probabiliste et donc d'abandonner les idées stériles de valeur vraie et d'erreur de mesure pour centrer la discussion sur l'incertitude de mesure et l'interprétation du résultat d'une mesure.

Dans les documents d'accompagnement du programme téléchargeable sur eduscol, la réflexion épistémologique n'est pas plus poussée, par contre les développements mathématiques sont très proches de ceux du GUM, et en particulier la propagation des incertitudes utilise la différenciation partielle et non la différenciation logarithmique. 

Dans les livres de terminales S, tout au moins le Nathan, ce sujet est très mal traité, en insistant en particulier sur la définition de concepts qui n'existent pas comme valeur vraie, l'erreur. Outre le fait qu'introduire ces notions ne soit pas  nécessaire, il est contre productif en entretenant les misconceptions des élèves (et de certains enseignants) sur la mesure comme l'ont montré par exemple les chercheurs de l'équipe de Buffler, Allie et Luben, ainsi que la réflexion de J. Treinier dans l'article de BUP du vol 105 (janvier 2011).

De plus, la formule proposée pour évaluer la propagation des incertitudes est "fausse", ou tout au moins pas en accord avec le cadre théorique proposé. Bref, on est encore loin d'un enseignement moderne didactique et pédagogique de la mesure!