Comment se forme la buée...

Il y a quelques mois j'ai fait un dossier sur l'apparition des nuages pour la newsletter de mon équipe. Dans la vie de tous les jours, les enfants disent que la buée se forme quand le chaud rencontre le froid. Je vous propose ici de remettre le focus pour expliquer en physique dans quelles conditions la vapeur d'eau présente dans l'air se condense pour former de la buée ou un nuage.

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La composition de l'air

L'air est un mélange de plusieurs gaz. Entre 0 et 80 km d'altitude, seule la teneur en eau vapeur varie dans la composition de l'air. On décrit donc l'air en donnant d'une part la composition de l'air sec, et de l'autre, la quantité d'eau qu'il contient.

• L'air sec est constitué principalement de diazote (78%mol) et de dioxygène (21%mol). Le pourcent restant est composé d'argon, de dioxyde de carbone ainsi que d'autres gaz rares.
• L'air peut contenir de l'eau sous forme de vapeur invisible (il est transparent). La quantité maximale d'eau que peut contenir 1 m³ d'air dépend de sa température : plus l'air est chaud, plus il peut contenir d'eau sous forme de vapeur.

En général, l'air ne contient pas la quantité maximale d'eau vapeur, il en contient moins. On décrit la quantité d'eau vapeur présente dans l'air par le taux d'humidité qui est le rapport entre la quantité d'eau vapeur dans l'air sur la quantité maximale d'eau vapeur dans l'air. 

Quand l'air refroidit

Lorsque l'air refroidit, la quantité maximale d'eau qu'il peut contenir diminue. Par exemple, 1 m³ d'air à 20 °C avec un taux d'humidité de 50% contient 8,5 g d'eau vapeur. Si cet air est refroidit à 5°C, il ne pourra pas garder toute cette eau liquide. L'excédent (8,5 - 6,5 = 2 g) se condensera pour former des gouttelettes d'eau.

 

Les nuages et la buée : de l'air humide qui se refroidit

Les nuages comme le brouillard naissent tous du refroidissement d'une masse d'air dont le taux d'humidité était suffisamment élevé pour provoquer de la condensation à plus basse température.

La théorie de l'embarquement

Grâce à Twitter et à @FarbodSaraf j'ai découvert cette animation sur : "comment embarquer les passagers d'un vol le plus rapidement possible?". Et là, je suis en train d'attendre dans un aéroport, donc l'occasion se prête très bien à la rédaction de ce petit billet...

Remplir la cabine en commençant par le fond

D'un point de vue théorique, il parait tout à fait logique de faire rentrer d'abord les passagers du fond de l'avion, puis ceux du milieu, et enfin ceux des premières rangées. Tout à fait logique et c'est d'ailleurs ce que font de nombreuses compagnies. Oui mais... ça donne quoi en pratique?

Temps d'embarquement en fonction de la méthode choisie

Et bien le test a été fait, et en fait, l'expérience montre que c'est la méthode la plus longue pour embarquer les voyageurs! Au delà des considérations commerciales pour lesquelles les compagnies peuvent continuer à faire embarquer leurs passagers ainsi, cet exemple montre qu'il est impossible de savoir si une théorie décrit et prédit correctement ce qu'il se passe "en vrai" tant qu'une expérience n'a pas été réalisée!

Référence : http://mythresults.com/airplane-boarding 

Toutes les explications ne sont pas scientifiques

Un de ces soirs, j'étais avec une amie qui me racontait une histoire d'arbre. Elle me dit que quand on coupe les branches ça fait je-ne-sais-plus-quoi aux racines et que du coup ça améliore le sol. J'avoue que je ne comprenais pas tout. Pour elle, c'était un exemple de sciences, pour ma part, je n'en étais pas convaincue. Enfin, peut-être, ou peut-être pas. Avec ses explications, je n'étais pas capable de juger.

Elle a été très surprise : "si ça c'est pas des sciences, c'est quoi alors les sciences?".

Sur le coup j'ai pas compris. Après quelques jours, je crois que je comprends un peu mieux : à l'école les sciences ce sont des descriptions (on met des noms sur des choses) ou des explications (on nous explique comment ça marche). Et pour réussir à l'école, il faut croire ce que le prof de sciences raconte, même si ça ne semble pas toujours très logique ou très intuitif.

Une activité de sciences au collège

À ce compte là, cette histoire d'arbre, c'est autant des sciences que ce qu'on apprend en classe de physique!

Bah c'est quoi la différence alors? La différence réside dans la justification de ce que l'on raconte. En sciences il faut une cohérence interne (que ça soit logique), une cohérence externe (que ça soit cohérent avec les expériences) et qu'il y ait un consensus parmi les experts. Quand je suis élève je ne vois pas tout ce processus, l'administration a choisi des savoirs pour moi et je dois la croire sur parole. C'est surement plus pratique pour apprendre la théorie de l'atome, mais peut-être que comme le propose Osborne, on pourrait plus souvent insister sur la justification des savoirs que l'on enseigne en les comparant, par exemple, à des théories alternatives.

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

Une BD sur les physiciens des temps modernes

(en fait plutôt sur la physique chez Bobroff et Bouquet, mais c'est super chouette quand même! )
http://hebergement.u-psud.fr/supraconductivite/bd/index.html

Une super façon de présenter des sciences!

Une formation scientifique pour le monde du cheval

L'an dernier, j'ai participé à la mise en place d'une formation scientifique pour les professionnels et les amateurs du monde du cheval. L'idée est de réunir des enseignants-chercheurs qui travaillent sur le cheval (éthologie, médecine vétérinaire, agronomie, ... ) et des équitants qui n'ont habituellement pas accès à de l'information scientifique hors vulgarisation.
 
Il s'agit d'une formation sur 7 modules d'une semaine répartis sur une année civile. Le positionnement de cette formation est un peu différent de ce qui se fait d'habitude dans le monde du cheval : l'idée est de découvrir les résultats de la recherche, mais aussi de développer un esprit critique en comprenant comment fonctionne la recherche.

Voilà la présentation de cette formation telle qu'elle circule sur FB :

Comment améliorer les conditions de vie des chevaux que j'ai en charge ?
Quelles sont les dernières avancées scientifiques sur le bien-être du cheval (hébergement, alimentation, éducation, équipement, santé) ?

Comment faire le tri parmi la multitude d'informations qui circulent ?

Professionnel du cheval, cavalier de loisir, amateur ou éleveur, nous sommes tous concernés par ces questions! C'est pour vous permettre d'enrichir vos connaissances et d'exercer votre esprit critique que la formation  « Éthologie appliquée au cheval – des sciences à la pratique » a été mise en place à la Cense. L'équipe pédagogique est constituée d'intervenants d'horizons différents (chercheurs en éthologie, vétérinaires, soigneurs animaliers, ingénieurs agronomes...) et Hélène Roche, spécialiste de la vulgarisation en éthologie équine, vous accompagne dans vos apprentissages durant les 7 modules. De nombreux travaux pratiques vous permettront d'appliquer vos connaissances et de pratiquer des démarches scientifiques.

Plus d'informations sur le site du haras de la Cense www.lacense.com et sur la  page Facebook de la formation

J'interviens ponctuellement dans la formation scientifique avec ma casquette de chercheuse (thèse en physique, actuellement recherche en sciences de l'éducation) sur la partie "connaître les méthodes scientifiques / développer son esprit critique". J'y défends entre autre l'idée que les connaissances empiriques ont toute leur place dans le monde du cheval, mais que c'est malhonnête de vendre des choses comme étant scientifiquement prouvées quand ce n'est pas le cas. Petit à petit je souhaite que cette formation soit un laboratoire de développement de l'esprit critique et une brique dans le développement de recherches participatives.

Je cherche aussi à ce que cette formation ne soit pas un lieu d'échanges descendant où des chercheurs tout puissant diffusent la bonne parole à des stagiaires définis par leur manque de connaissances. Mais ça, c'est plus difficile du fait des nombreux intervenants...

Grains de batisseurs

La semaine dernière nous avons eu un séminaire présentation de l'équipe d'amaco, qui cherche le lien entre étudiants, chercheurs en sciences de la matière et professionnels du bâtiments. 

Dans le cadre d'une exposition au palais de la découverte, ils ont réalisé un très beau livre ainsi qu'un certain nombre de jolies vidéos contre intuitives de physique que vous pouvez retrouver à cette adresse : 

http://www.youtube.com/user/GrainsDeBatisseurs/videos

Van de Graaf, mise en route!

Notre Van de Graaf et son plumeau

Il y a quelques mois j'ai commandé pour les manips de cours un van de Graaf de démonstration chez Jeulin, je l'ai reçu un peu avant Noël, et j'ai commencé à jouer avec... Grosse déception, ça marchait pas du tout.... bouhhh!

Pour une description du van de Graaf et des trucs fun qu'on peut faire avec, voir par exemple cette vidéo :

http://www.youtube.com/watch?v=EsZQS2GOMQE

Mais la vidéo qui m'a aidé à connaître mon ami pour jouer avec le VdG, c'est celle du national stem centre :
Vidéo d'explication du VdG


Je vous présente mon nouvel ami :

Le sèche cheveux de salon

J'ai donc laissé tourné le van de Graaf 5 minutes à petite vitesse avec le chauffage à fond à une vingtaine de centimètres, et miracle, les cheveux du plumeau ont commencé à s'éloigner les uns de autres... Oh yeah!!

En mettant le chauffage contre les faux cheveux, on a encore progressé...

En résumé :

1. Régler les balais à 1 ou 2mm de la courroie
2. Bien sécher la courroie (et le plumeau ou..) avec un chauffage ou mieux avec un sèche cheveux
3. Connecter la base du Van de Graaf (prise à laquelle on connecte la sphère de déchargement ) à la Terre, c'est à dire à un objet métallique en contact avec le sol.

Et avec tout ça ça devrait être bon! Nous il nous reste un pépin : pourquoi ça accumule moins de charges quand ça tourne plus vite? That's the question!

La résistance au darwinisme : croyances et raisonnements

Gérald Bronner

Voilà, on est en cours de didactique, et on parle des conceptions, et de l'évolution... Et je me souviens d'une conférence géniale qu'on avait eu à l'ENS en 2008 par Gérald Bronner, sur pourquoi on croyait que les américains étaient plus bêtes que nous avec leur créationnisme alors que nous on ne valait guère mieux avec notre finalisme. 

Après une heure de recherche, j'ai retrouvé le lien vers la page web de l'ENS correspondant, et de la vidéo. 

Enjoy!

Qu'est ce qu'une théorie scientifique?

je vous propose de regarder cette courte vidéo qui est plutôt bien faite! 

http://www.universcience.tv/video-scientifique-ou-pas--3233.html

Les battements du temps

Le dernier livre de Jean-Claude Ameisen tiré de son émission radiophonique sur les épaules de Darwin sur France Inter est sorti récemment, et je l'ai emmené en vacances. Je retrouve les émissions que j'avais déjà entendues (légère frustration de déjà en connaître un peu le contenu, et puis plaisir de lire ce qui m'avait échappé et de l'avoir noir sur blanc), je découvre celles que je n'avais jamais entendues. 

Le charme de découvrir le fonctionnement du monde et du cerveau est toujours là, les passages littéraires et les innombrables citations de Quignard, Borges et les autres qui me perdent mais qui ravissent surement les lecteurs les plus littéraires ; (ce qui n'arrange pas ma tendance naturelle à sauter tous les passages en italique!). 

Enfin, la bibliographie bien détaillée, articles de recherche, livres etc qui permettent de retrouver toutes les études citées et qui flattent mon côté apprentie-chercheure.

Bref, encore un bon moment de passé au contact du livre, dématérialisé cette fois ci, mais c'est une autre histoire!

Le sens des rayons lumineux

S'il parait évident que les rayons lumineux sont émis par une source lumineuse et entrent dans nos yeux, il semble moins évident que les objets quelconques émettent eux aussi des rayons lumineux. En effet,  l'histoire de la physique a mis plus d'un millénaire à se convaincre que les yeux n'émettaient pas de rayons lumineux, ne touchaient pas les objets, chez les enfants, il s'agit d'une conception qui reste ancrée assez tard. Cette conception affleure dans certaines de nos expressions (fusiller du regard, regard perçant), l'acte de regarder nous rendant actif et non passif. Vous vous souvenez peut être d'ailleurs de l'époque où vous pensiez que les rayons lumineux sortaient des yeux?

Chez les grands, cette conception a apparemment disparu. Tous mes étudiants me répondront qu'ils savent évidemment que les rayons partent des objets et que l'on parle alors de sources lumineuses secondaires (ce qui n'est pas évident à faire comprendre aux enfants du primaire). Mais au travers d'un exercice sur les lois de la réfraction, j'ai pu retrouver cette conception enfouie chez certains étudiants, elle agissait alors comme un obstacle à la compréhension de l'exercice. Je pense que connaître au préalable l'existence de cet obstacle m'a permis de repérer la source de la difficulté et d'aider l'étudiant à raisonner sur cet exercice. 

L'exercice en question :

On considère un amateur de poisson dans un sous marin rempli d'air observant un joli petit poisson nageant dans l'eau. 

1. Le poisson peut il se cacher du sous-marinier?
2. Le sous-marinier peut-il se cacher du poisson? 
3. Est-ce choquant que l'un puisse se cacher de l'autre mais que la réciproque ne soit pas vraie?

Pour répondre à cet exercice, il faut se demander la marche des rayons lumineux quand l'homme voit le poisson (et chercher les conditions de réfraction limite/réflexion totale). Pour cela on dit : 

Quand l'homme regarde le poisson, les rayons vont.... 

... 

du poisson à l'homme, donc de l'eau à l'air, donc le rayon s'écarte de la normale, donc il existe un angle de réflexion totale.

Et chez certains étudiants, spontanément, les rayons vont de l'air dans l'eau... évidemment quand on pointe le doigt sur le problème ils réalisent de suite, mais cette conception encore un peu enfouie s'est révélée ici un vrai obstacle à leur compréhension du problème...

Situations problèmes : l'image de Mickey

L'une des premières choses qui m'a parlé quand je me suis intéressée à la didactique, ce sont les conceptions naïves et les situations problèmes. Je vais illustrer sur un exemple que je trouve parlant : l'image de Mickey et la demi-lentille. 

Mickey a été croisé avec un chat...

Voilà la situation : 

Avec une lentille convergente, on fait l'image de mickey sur un écran. Qu'observe-t-on si on cache la moitié gauche de la lentille? 

1. On observe la moitié gauche de Mickey (côté sans la queue)
2. On observe la moitié droite de Mickey (côté avec la queue)
3. On observe le même Mickey qu'avant
4. On n'observe plus de Mickey 

J'ai posé cette question à mes élèves de prépa capes de physique-chimie le jour de leur rentrée, et j'ai eu une réponse plate : 25% de la promo a choisi la réponse 1, 25% la 2, 25% la réponse 3, et évidemment 25% la réponse 4. Si je pose cette question à des étudiants en thèse de physique qui ne font plus d'optique depuis plusieurs années, les réponses sont un poil meilleures.

La bonne réponse est la réponse 3. 

Pour répondre que l'on voit toujours le même Mickey (juste un peu moins lumineux), il faut avoir bien compris plusieurs choses : 

• De tout point de l'objet partent des rayons dans toutes les directions
• Tous les rayons partant du chat-souris sont triés par la lentille pour former l'image sur l'écran, l'image ne se propage pas en bloc (conception des images-écorces de Lucrèce) 
• Donc il reste toujours suffisamment de rayons qui traversent la lentille pour faire l'image du chat-souris sur l'écran. 

C'est à dire qu'il faut que l'enseignement de la physique ait au préalable permis de remettre en cause certaines conceptions de l'apprenant, et pour ça l'enseignement : définition - propriété - théorème - exo d'application ne permet pas toujours d'atteindre le but recherché.  L’ingénierie didactique a donc développé un certain nombre de situations-problèmes permettant de mettre en défaut les conceptions naïves identifiées par la communauté de la didactique chez les apprenants d'une discipline (ici les élèves apprenant la physique) en les confrontant à certaines situations dans lesquelles elles ne sont plus effectives. 

Ce que je présente là me semble un peu en deçà de ce qui est réellement une situation problème dans la littérature didactique, mais pour le moment c'est ce que j'ai compris et que j'utilise.  J'aime bien le côté QCM pour faire sortir les conceptions naïves.

J'ai utilisé quelques autres situations didactiques trouvées dans la littérature (Image sur un écran : que se passe-t-il quand on enlève la lentille? ), et puis j'en ai conçu quelques autres, parfois à mon insu (le rétroprojecteur et les images virtuelles).

Légendes urbaines!

Il y a une légende qui veut qu'un chercheur qui réfère un autre chercheur, ou pire qui rapporte une thèse, fasse une jaunisse si ses articles ne sont pas cités dans le travail qu'il a à référer. 

...

Il m'aura fallu attendre la fin de ma troisième année de thèse pour découvrir la triste véracité de cette légende, encore valable quand le dit chercheur est mondialement reconnu et est à l'avant-veille de prendre sa retraite!

Un M2 de plus

Comme je m'ennuie un peu en cette rentrée, que je me lève à 6h tous les matins et que ça ne suffit pas à abattre la pile des dossiers urgents, je me suis lancée dans l'aventure d'un deuxième M2 (oui, j'en ai déjà un répondant au doux nom de Physique : concepts et application). Mais comme j'entends déjà maman râler, je vous rassure tout de suite, comme je suis quelqu'un de très raisonnable, je vais prendre 2 ans pour valider ce master. 

Au programme :

• Histoire et philosophie des sciences
• Didactique des sciences
• Sciences et sociétés : comprendre et communiquer les questions socialement vives
• Méthodologie de la recherche en didactique
• Didactique de la physique
• Anglais (pour passer un diplôme d'anglais niveau B2 nécessaire à la validation du master)
• Stage de recherche et mémoire

En vert ce que je fais cette année, sachant que je compte faire le mémoire sur 2 ans. La difficulté est que j'ai beaucoup de cours/TP qui sont sur les heures d'enseignement de ce master, il faudra donc qu'avec les power-point des intervenants je me fasse ma sauce...

Sur le blog, je vais essayer de tenir à jour quelques petites notes pour partager ce que j'apprends!

Les savanturiers... et Cédric Villani

J'écoute France Inter... Et j'adore cette émission...
Surtout aujourd'hui... :)

 Vous pouvez retrouver les émissions ici : 

www.franceinter.fr/emission-les-savanturiers

Mathématicien et communicant...
Au bon sens du terme
Et en plus sur la photo, c'est de la physique derrière ;)

Causalité et corrélation

Du difficile métier de prof d'esprit critique... 

Merci Cendrine pour l'image!

Première lecture : quelques réflexions sur l'enseignement des sciences

Dereck Hodson

Le premier article que j'ai lu est un article de D. Hodson, qui était chercheur à l'OISE (au Canada) jusqu'en 2008, intitulé : What count as good science education? C'est article assez simple à lire fait une sorte de bilan des bonnes pratiques de l'enseignement des science. Pour cela l'équipe enseignante doit construire/penser un curriculum décrivant : 

• but de l'enseignement des sciences qui va être proposé
• Sélectionner et former des futurs ingénieurs?
• Apporter de la culture scientifique à tous?
• Le contenu. Dans l'apprentissage des sciences, la didactique a amené à distinguer 3 buts distincts qui ne sont pas toujours clairement conscients pour les enseignants : 
• Apprendre des sciences : c'est à dire faire du disciplinaire
• Apprendre autour des sciences :épistémologie, histoire des sciences, relations entre science et société
• Apprendre à faire des sciences : démarche expérimentale
• Les méthodes d'apprentissage qui vont être mises en œuvre. Ici l'auteur explique différents exemples, mais ça n'est pas très clair, et je ne suis pas sure qu'il soit exhaustif...
  
• Cours magistral, construit et cohérent
• Discovery learning : à la mode dans les années 60-70 mais qui s'est révélé peu efficace
• Inquiry learning : démarche expérimental/projets expérimentaux
• Activités autour du langage : discussions, débats... 
• Démonstration ex cathedra par l'enseignant
• Activités liés à l'informatique
• Recherche de documentation
  
• L'évaluation des élèves : cette partie n'est pas développée dans cet article
  
• L'évaluation des enseignements : cette partie n'est pas non plus développée dans cet article. 

J'ai l'impression qu'il y a un relatif consensus sur la nécessité d'un curriculum cohérent dans une formation, et que l'apprentissage des sciences ne se résume pas à l'apprentissage de connaissances disciplinaires dans les sciences. Pour le reste, c'est encore assez flou. 

Je n'ai pas développé ici 2 autres points développés dans l'article :

• La nécessité de faire émerger les connaissances naïves des étudiants (ce qui fera l'objet d'un prochain article)
• Toutes les choses auxquelles on ne pense pas mais qu'apportent les approches expérimentales en sciences ('hands and mind on')

Didactique des sciences...

La didactique est l'étude des questions posées par l'enseignement et l'acquisition des connaissances dans les différentes disciplines scolaires, voilà la belle définition de Wikipédia. 

Depuis quelques temps je commence à m'intéresser à cette discipline. En effet, quand il s'agit de parler d'école, de comment enseigner, on a tous plein de grandes et de belles idées plus ou moins liées à notre passé d'élève, à nos expériences... Et du coup, comme je n'aime pas trop avoir l'impression de  réinventer l'eau tiède, j'ai choisi de rencontrer A.T., une didacticienne de la physique directrice de recherche au CNRS, que j'ai trouvée très intéressante. Elle m'a passé quelques revues à lire suite à notre discussion. C'était un peu ardu car le style est très différent de celui utilisé dans les sciences dures : c'est plus compliqué de savoir ce qui a réellement été démontré, ce qui est le point de vue de l'auteur, mais globalement c'était très intéressant, ça soulève de bonnes questions, et ça m'a donné envie d'en lire davantage. Les études que j'ai lues étaient assez ciblées sur la physique et les sciences expérimentales qui sont les plus proches de mes préoccupations actuelles. Je pense donc profiter du support du blog pour partager un peu mes lectures et mes interrogations à ce sujet...

Avez-vous déjà vu un arc en ciel?

Oui, parce que Lewin, il fait la différence entre voir et regarder. (to see and to look)...  J'ai regardé le cours de Lewin hier, et aujourd'hui, sur le site de météo-lyon je tombe sur cette magnifique photo! 

Donc vous devriez voir ... :

1. Qu'il y a 2 arcs-en-ciels
2. Que celui de l'intérieur ça va du bleu au rouge, alors que celui de l'extérieur, ça va du rouge au bleu....
3. Que c'est très lumineux sous l'arc en ciel, et très sombre entre les 2 arcs en ciel... 

 Et si vous vous demandez pourquoi, je vous conseille de visionner le très bon cours de Walter Lewin sur comment rendre l'enseignement vivant...