Construire et comprendre un modèle mathématique
Texte extrait de « L’eau au quotidien » de Michel Laguës (ed : O Jacob)
L’anecdote provient d’un professeur de physique du début du siècle ; L’étudiant se nommait Niels Bohr (Prix Nobel Physique en 1922) et l’arbitre (narrateur) Ernst Rutherford (Prix Nobel Chimie en 1908).
J’ai reçu un coup de fil d’un collègue à propos d’un de ses étudiants qui avait passé un examen. Le collègue voulait lui mettre zéro mais l’étudiant estimait qu’il avait bien répondu. Il avait donc décidé de me prendre comme arbitre impartial. La question était : « Montrez comment il est possible de déterminer la hauteur d’un immeuble à l’aide d’un baromètre ».
L’étudiant avait répondu : « On attache le baromètre à une corde et on le fait glisser jusqu’au sol depuis le toit de l’immeuble, on le remonte, on mesure la longueur de la corde qui donne la hauteur de l’immeuble. »
L’étudiant avait raison, mais d’un autre côté, on ne pouvait pas lui donner une bonne note : il serait reçu à un examen de physique sans avoir démontré ses connaissances en physique. J’ai proposé de lui donner une nouvelle chance en lui permettant de proposer une autre réponse en six minutes, à condition qu’il fasse usage de ses connaissances en physique. Au bout de cinq minutes, il n’avait encore rien écrit. Je lui ai demandé s’il voulait abandonner mais il me dit qu’il avait beaucoup de réponses possibles et qu’il cherchait la meilleure. Dans la minute qui suivit, il se hâta de répondre : « On place le baromètre à la hauteur du toit. On le laisse tomber en l’on chronomètre son temps de chute. On en déduit la hauteur de l’immeuble à partir de la loi de chute des corps : h = ½ g.t² ». J’ai alors demandé à mon collègue s’il était satisfait, il me répondit que non mais qu’il abandonnait et mettait une bonne note à l’étudiant. Pour ma part, j’était curieux de savoir quelles autres possibilités avait envisagées l’étudiant. « Eh bien, me dit-il, il y a plusieurs façons de procéder. On place le baromètre dehors un jour de soleil, on mesure la longueur de son ombre et la longueur de l’ombre de l’immeuble ; on en déduit sa hauteur en proportion avec le baromètre ». Et encore, lui dis-je ? « Il existe une méthode simple : on monte les étages de l’immeuble en portant sur les murs une marque chaque fois que l’on s’élève de la hauteur du baromètre. On compte ensuite les marques et on multiplie par la hauteur du baromètre. Bien sûr, si vous voulez une méthode plus sophistiquée, vous pouvez aussi suspendre le baromètre placé au ras du sol à une corde et le balancer depuis le toit de l’immeuble. En mesurant sa période et en utilisant la formule du pendule simple, vous pouvez en tirer la valeur de la hauteur de l’immeuble ».
En conclusion il ajouta : « Il y a encore d’autres façons d’utiliser le baromètre pour déterminer la hauteur de l’immeuble. La plus efficace est sans doute d’aller frapper à la porte du concierge et lui dire « j’ai pour vous un superbe baromètre si vous me dites quelle est la hauteur de l’immeuble » ».
L'évaluation de la hauteur du Lycée le Corbusier réalisée par la classe de 2nde 5
en utilisant une technique de visée est h = 17 m.
Le baromètre utilisé mesure 62 cm. On se demande quels auraient été les résultats des mesures lors de l'évaluation de la hauteur du lycée Le Corbusier, en mettant en œuvre quelques-unes des différentes techniques décrites par l’étudiant et celle suggérée par l'examinateur ?
- Mesure de la durée de chute libre du baromètre
- Mesure de la période du pendule simple réalisé avec le baromètre suspendu à une corde de la terrasse jusqu’au ras du sol
- Mesure de la variation de pression entre le sol et le toit du lycée
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Travail à faire Utiliser le tableur excel et son assistant graphique visualiser les modèles mathématiques des trois lois physiques :
Prévoir numériquement et/ou graphiquement la valeur du paramètre à mesurer lors de l'évaluation de la hauteur du lycée. Prévoir la valeur du paramètre à mesurer lors de l'évaluation de la hauteur de la tour Eiffel (320 m). Question subsidiaire : le "produit en croix" peut-il être utilisé pour cette dernière prévision ? Pourquoi ? Rédiger en quelques lignes sur word la réponse à cette question |
Loi de la chute des corps 5Une chute libre est une chute au cours de laquelle l’objet n’est soumis qu’à son poids. Newton a montré que dans le vide la vitesse de chute ne dépend pas de la masse : tous les objets mettent le même temps pour parcourir la même distance : la loi physique qui lie la distance parcourue h à la durée de la chute t est : h = ½ g . t² h en m ; g en N/kg ; t en s g est la constante de pesanteur g = 9,8 N/kg à Paris. Cette loi est approximativement valable aussi dans l’air pour des objets peu sensibles au frottement de l’air (objets lisses, sphériques, objets lourds)
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Loi du pendule simple 5Un pendule simple est un objet suspendu à un fil inextensible. La taille de l’objet est faible comparée à la taille du fil, par contre la masse du fil est négligeable face à celle de l’objet. Pour des petites oscillations peu amorties, la durée d’un aller-retour de la masse est constante. Cette durée T est appelée la période d’oscillations. On peut vérifier que la période d’oscillation d’un pendule simple ne dépend que de la longueur du fil (et pas de sa masse) : la loi physique qui lie la période d’oscillation T à la longueur du fil L est : T = 2p. racine carrée (L/g) T en s ; L en m ; g en N/kg g est la constante de pesanteur g = 9,8 N/kg à Paris. |
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Variation de la pression avec l'altitude 5Un baromètre mesure la pression atmosphérique P. Celle-ci diminue avec l'altitude h, sa valeur est divisée par 2, chaque fois que l'on s'élève de 5 000 mètres. La pression atmosphérique se mesure en Pascal (Pa). La pression atmosphérique normale au niveau du sol est de 1013 hPa (ou 1,013.EE5 Pa)
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