Pour la physique, mon manuscrit pour lycée.
Bonjour à tous,
je me permets de vous présenter mon manuscrit pour la physique au lycée. C'est dans le même esprit que mon livre de maths pour le lycée : http://www.les-mathematiques.net/phorum/read.php?18,1917320,1917320#msg-1917320
De la même façon que l'autre livre, l'idée c'est qu'il sera sous licence Creative Commons.
Je ne sais pas s'il faut mettre ce fil ici dans maths et physique, ou dans pédagogie.
Je le balance entre autre aussi pour kader2020 dans le vain espoir qu'il verra pourquoi son appareil ne pourra jamais marcher... :-D
Ouvert à tout commentaire constructif.
je me permets de vous présenter mon manuscrit pour la physique au lycée. C'est dans le même esprit que mon livre de maths pour le lycée : http://www.les-mathematiques.net/phorum/read.php?18,1917320,1917320#msg-1917320
De la même façon que l'autre livre, l'idée c'est qu'il sera sous licence Creative Commons.
Je ne sais pas s'il faut mettre ce fil ici dans maths et physique, ou dans pédagogie.
Je le balance entre autre aussi pour kader2020 dans le vain espoir qu'il verra pourquoi son appareil ne pourra jamais marcher... :-D
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Réponses
J'aime bien la démarche. J'ai lu une partie en diagonale. Il y a un problème lié au vocabulaire que je n'aime pas beaucoup, à partir de la page 26, je pense qu'à partir du moment où on parle de coordonnées choisies par l'observateur, il faut caser le mot référentiel et le mettre à la place du mot observateur au maximum. Ce n'est certes pas le but, mais il faudrait éviter une confusion, la notion de vitesse relative par rapport à un observateur n'ayant par exemple que peu de sens en relativité général (sauf si les objets sont suffisamment proche au regard de la courbure moyenne dans le coin).
Dans la foulée, page 27, cette histoire d'effet tunnel est fausse, il n'y a pas pas d'effet tunnel si le mur de potentiel est tellement fort que la fonction d'onde y est nulle (ça signifie un potentiel infini, ce qui est inconnu en pratique). Je ne me souviens pas bien du principe de fonctionnement de la jonction Josephson, mais ça doit y jouer un rôle et il est même assez probable qu'on ait déjà fait des mesures du champ magnétique autour d'une jonction M-I-M (avec un courant électrique circulant dedans) sans observer une quelconque aberration au niveau de la jonction.
En fait, dire ça, c'est un peu comme dire que les champs électromagnétiques sont nuls sous la parois sur laquelle il y a réflexion totale d'un rayonnement (le traitement mathématique est grosso modo le même). Si on tient à parler de "téléportation", il faut directement aller vers les trucs, plus fondamentaux, on pense en premier lieux à la notion de réduction, mais la notion de décohérence étant de plus en plus ancrée, il faut se tourner vers des trucs non-locaux, genre paradoxe EPR, mais personnellement, c'est une partie de la physique qui m'échappe complètement (et de ce que j'ai entendu dire, certains considéreraient qu'il est possible que ce soit plus des problèmes de "violation locale de la causalité" que de discontinuité à proprement parler).
Page 35-36: sachant qu'il est plus difficile de remettre en cause un postulat "implicite", ce qui peut bloquer plus tard l'apprentissage des théories plus modernes, je suis d'avis de rappeler que le cadre utilisé est celui de la géométrie euclidienne et que l'écoulement du temps est un paramètre absolu. Par ailleurs, j'aime l'idée sous-jacente du postulat 1 (postuler l'existence d'un référentiel galiléen pour montrer ensuite l'existence d'une classe de référentiel galiléen plutôt que de directement postuler l'existence de cette classe de référentiels), mais c'est justement le moment le plus opportun pour sortir l'expression "référentiel galiléen" qui est un fondement de la mécanique classique et de la relativité restreinte.
Merci pour les commentaires !
J'ai hésité. Ce qu'il faudrait alors faire, c'est "construire un référentiel", un truc avec des engins d'observation sur des cadrans etc... Mais le fait que tu le relèves veut dire qu'il y a qqc qui gène et je vais essayer de trouver un moyen de rendre cela plus clair.
Oui, je vois ce que tu veux dire: un paquet d'ondes passe bien de façon "continue" à travers une barrière en se coupant en deux. Je vais enlever cette remarque. J'avais autre chose en tête (essentiellement que la particule est virtuelle dans le puits de potentiel), mais il vaut mieux pas le dire là, tu as raison.
>
Ben, comme j'ai dit que le temps en mécanique (Newtonienne), c'était un nombre réel, (donc un seul dans l'univers), cela me paraissait évident... Je reviens dessus p 130 en introduisant la relativité.
De rien et merci à toi, c'est vraiment cool de savoir que certains s'investissent autant pour partager aux plus jeunes une vision aussi constructive que possible du savoir scientifique.
En ce qui concerne l'effet tunnel, le coup du "découpage en deux" est une explication un peu désagréable, si on prend le modèle formel qu'on utilise en illustration (solution stationnaire vecteur propre de l'équation de Schrödinger sur un modèle 1D avec je ne sais plus quelle condition aux limite deux zones où le potentiel est plus bas que l'énergie de la particule et un mur entre les deux où le potentiel est plus haut), la particule reste "d'un seul tenant", c'est juste que dans la zone de haut potentiel son énergie cinétique est négative, donc l'impulsion imaginaire, la densité dans le mur s'écrit sous la forme de deux exponentielle et elle très basse dans les zones du mur loin des deux zones de bas potentiel. Mais là-dessus, passons, ce n'est pas du tout le sujet, juste l'illustration d'un propos.
En ce qui concerne la "construction du référentiel", je ne pense pas qu'il soit nécessaire d'essayer de parler de méthode de prise d'information, juste essayer de donner une définition de ce qu'est un référentiel. l'observateur a créé un repère et qu'il peut faire une correspondance entre ce qu'il voit et un modèle où chaque évènement (dans le sens point de l'espace-temps) est clairement identifié sur son repère à l'aide de variables (habituellement quatre). Cela dit, je ne sais pas comment les lycéens réagissent à une proposition trop générale.
En ce qui concerne ma dernière remarque, j'ai peut-être mal interprété le document, j'avais en tête que ce qui venait avant la partie dynamique de Newton était un peu comme un rappel des outils (théoriques) d'une description et qu'on rentrait avec cette partie dans le dur. Vu que j'ai une fâcheuse tendance à la lecture en diagonale (je suis un énorme flemmard), j'adore voir toute les considérations groupées (si possible sur la même page) quand je me lance, ça m'évite d'avoir à retourner en arrière pour avoir à pêcher les informations qui me manquaient. Cela dit, chaque lecteur est différent et ça ne vaut sûrement pas le coup de faire une modification pour ça.
Je suis très gêné par ta définition de la chimie p. 7 :
"C’est le domaine d’étude qui s’occupe des transformations de la matière quand on la mélange, chauffe, comprime,..."
Or ce ne sont que des opérations physiques et non chimiques. La fonte d'un glaçon, la fusion d'un lingot métallique répondent à cette définition.
En fait ces opérations sont utiles pour définir un composé chimique pur. Si on fait bouillir de l'eau et sûr l'on constate que la température est constante pendant toute l'opération, on a de fortes raisons de penser qu'on est en présence d'un corps chimique pur. Bien sûr, tant que d'autres épreuves ne nous donnent pas un avis contraire. Mais si on prend de l'eau de mer, la température augmente quelque peu pendant l'ébullition. Et si on mesure sa densité, on la trouve un peu supérieure à celle de l'eau pure. Sans compter, tout simplement, qu'elle possède un goût salé. On en tire la conclusion qu'il ne s'agit pas d'un corps pur. Et si on prend la peine de condenser la vapeur en la mettant en contact avec un corps plus froid, du verre par exemple, on retrouve quelque chose qui ressemble furieusement à notre eau pure.
Plus, au fond du ballon, un corps cristallin à saveur salée qu'on estimera, en première analyse, être du sel de cuisine pur ou relativement pur.
Ta définition couvre un mode opératoire permettant la caractérisation de corps chimiquement purs, et la séparation de corps chimiques différents. Attention, je n'ai pas écrit universellement, ça ne fonctionne pas obligatoirement pour tous corps.
Cette définition semble donc inopérante. Et comme il ne saurait être question de dire que la chimie est l'étude de l'interaction entre corps de nature chimique différente, il faut aller un peu plus loin. En première idée, interaction de corps possédant des caractéristiques physiques différentes. Mais cela ne suffit pas, le graphite et le diamant étant le même élément chimique pur.
Quand on mélange des substances, alors on obtient, éventuellement en changeant aussi les conditions physiques de température et de pression, des éventuellement des réactions chimiques, non ? On peut discuter si l'étude des changements physiques d'état d'une substance appartient à la physique ou à la chimie. Je ne saurais pas comment "induire des changements chimiques", autres qu'en mélangeant, et en changeant les conditions physiques.
Mais si tu peux suggérer une meilleure définition courte, je suis preneur !
Il y avait "mélange" quand-même ?
Le problème est qu'il est difficile d'éviter l'autoréférence, de parler de corps chimiques et de réactions chimiques.
Sauf à introduire d'emblée atomes et molécules.
Adapter la définition de wikipedia me semble une piste de travail.
Science de la nature étudiant la matière et ses transformations chimiques. Sa démarche consiste à :
- établir la liste des éléments chimiques, corps, liquides ou gaz purs constitués d'atomes tous identiques,
- étudier leurs associations par liaisons chimiques, qui engendrent des molécules plus complexes constituées d'atomes des éléments de départ,
- les processus permettant de passer des éléments chimiques à la molécule, ou de molécules différentes à d'autres, nouvelles, sont appelés réactions chimiques.
Je ne reprends pas les points 2 et 3 de wiki.
On a ainsi accepté une définition-ouroboros, qui se mord la queue, autoréférentielle, mais qui dépasse ce défaut en décrivant l'interaction des objets dont on parle (mais pas ces objets eux-mêmes). Si on le souhaite, on peut y introduire que tout élément et tout produit chimique possède des propriétés physiques qui le caractérisent, température de fusion, masse volumique, etc.
De toute façon, est-il vraiment utile de produire pour le collège et le lycée une définition académiquement parfaite ou quasi ? Dans un esprit didactique, ne peut-on envisager de se contenter d'une présentation provisoire satisfaisante dans un premier temps, pour ultérieurement en souligner et préciser les limitations, les petites insuffisances ?
"C'est le domaine d'étude qui s'occupe des transformations des substances quand on les mélange et éventuellement, quand on les chauffe, comprime ...."
Le but n'est pas d'être précis mais court.
Oui, mais à mon sens il faudrait être suffisamment précis pour ne pas inclure une foule de phénomènes qui relèvent de la physique et non de la chimie. Faire fondre un glaçon ou couler un lingot de fer, en les chauffant, respecte ta définition, sans être des réactions chimiques. Mélanger de l'eau et du sucre également.
Si on privilégie la concision, on peut parler de transformation de la nature des substances. On évite ainsi d'avoir à introduire atomes, molécules et réactions. Mais on est resté tellement vague qu'on n'a en réalité rien défini.
Tu restes maître de ton texte.
Une autre question.
Je ne vais pas rouvrir le fichier pour en donner les pages. Quand tu discutes en mécanique les référentiels, en privilégiant plutôt le terme observateur, tu reviens fréquemment à la notion d'isomorphisme. Je dois avoir mal compris, je crois que tu entends par là le lien entre la réalité physique du monde et l'image théorique que le physicien élabore pour en rendre compte. Pour moi, il s'agit de modélisation, d'établir un modèle. Alors qu'un isomorphisme est une notion purement théorique, un lien entre deux ensembles mathématiques de loi interne différente, une façon de les faire "se comporter" de manière similaire, pour faciliter l'étude de l'un avec ce que l'on sait déjà de l'autre.
Donc, à moins que je n'aie tout compris de travers, pourquoi introduire un terme qui peut rebuter et effrayer le lecteur, lycéen ou parent, dans une acceptation étrangère à son champ sémantique habituel ? Apporter de la confusion, le lecteur tentant d'apprivoiser le néologisme (pour lui) dans une situation qui n'est pas celle pour laquelle il a été conçu ? Sous réserve, je le répète, que je ne me plante pas.
Bonne journée.
Dans le même genre, une bonne méthode pour étudier l'électro-magnétisme classique est d'introduire une "charge d'épreuve" et de voir ce que cette charge va mesurer (ne pas confondre avec : va être consciente de mesurer). L'important est: les différentes conclusions sont cohérentes entre elles.
Cordialement, Pierre.
Je ne vois pas bien l'opposition entre ta formulation et la mienne. Employer ce "le" collectif, tout comme on dit le législateur pour ne pas avoir à écrire les députés et les sénateurs, quelle différence avec le pluriel ?
C'est toujours un plaisir de te lire, avec ton bon sens et tes connaissances.
Amicalement
Bof, quand on fond un glaçon, on a aussi transformé la nature de la substance. D'ailleurs, ce sont des transformations physiques, étudiés par des chimistes :-D On trouve souvent les propriétés physiques en fonction de la température dans des bouquins de chimistes. Donc oui, substance, c'est sans doute mieux, mais je ne vais pas trop pinailler, ce n'était pas le but là.
Ah, non, c'est une étape plus tard. Dans le paradigme que je présente dans ce texte, le physicien a déjà postulé, s'il se trouve dans le cadre de la physique classique Newtonienne, que l'espace est une structure mathématique: un espace Euclidien. L'isomorphisme dont je parle, est un isomorphisme entre cet espace Euclidien et la structure $\R^3$ comme espace vectoriel, l'espace des coordonnées avec base canonique.
Ça me rappelait mes souvenirs de collégien, quand on a passé un temps fou à mettre en place un isomorphisme entre le plan $\Pi$, le plan Euclidien, et puis $\R^2$, pour introduire des coordonnées cartésiennes sur le plan.
Une structure Euclidienne n'a pas d'axes, ni d'origine. Un isomorphisme avec $\R^3$ n'est rien d'autre que de mettre l'origine et les axes, mais on peut imaginer pleins d'isomorphismes: ce sont tous les systèmes cartésiens possibles sur la structure Euclidienne de départ. Le terme Euclidien indique qu'on y a quand même conservation du produit scalaire.
J'ai passé une bonne partie de mon existence de collégien sur cela (en version 2D).
J'avoue que j'avais en tête qu'on aurait lu mon texte sur les structures mathématiques (que j'ai posté quelque part au milieu du fil sur mon texte de maths pour le lycée), mais j'ai juste besoin de dire qu'il y ait une relation 1 - 1 entre la structure de l'espace, et l'espace des coordonnées (donc les triplets de réels), qui conserve distances et angles (produit scalaire). C'est cette relation 1 - 1 que j'appelle "isomorphisme". C'est le fait d'assigner des coordonnées aux points de l'espace qui est déjà postulé être une structure mathématique.
Dans mon approche, cette modélisation est déjà faite en disant "cadre Newtonien". L'espace est déjà (modélisé par) une structure mathématique: un espace Euclidien.
Ici, on passe de cette structure à l'espace des coordonnées.
" On trouve souvent les propriétés physiques en fonction de la température dans des bouquins de chimistes".
Oui, mais cela reflète-t-il leur ambition de revendiquer ces phénomènes comme relevant de la chimie ? N'est-ce pas plutôt un outil généraliste pour déterminer si un corps est pur ou non ? L'eau bout, sous une pression d'une atmosphère, à 100 °C. J'en déduis donc que si je mesure 101,5 °C, je ne suis pas en présence d'eau pure. En conséquence je vais installer un dispositif de condensation pour récupérer l'eau distillée, et poursuivre l'ébullition jusqu'à obtenir un résidu solide que je tenterai d'analyser. Alors la physique a été utile (indispensable) à l'analyse chimique.
Bien, j'avais donc mal interprété l'introduction de cet isomorphisme. Est-il vraiment utile ? Ne complique-t-il pas les choses au détriment d'une compréhension fluide et épurée de la physique par le lecteur ? Pour caricaturer un peu, est-ce que tu ne privilégies pas ton plaisir personnel, et non l'intérêt de ton lecteur, une compréhension saine et profonde du fonctionnement de la physique ?
Passe un bon dimanche.
"La chimie est le domaine d'étude qui s'occupe des choses que font les chimistes" alors :-D
Il est vrai que la seule raison d'être de cet univers physique, c'est mon propre plaisir, donc oui. B-)
Mais à part cela, je pensais que, justement, c'est très utile dans une certaine façon de comprendre la physique, façon que j'essaie de transmettre dans ce texte. Il y a d'autres façons de voir la physique bien sûr, mais je veux transmettre la mienne, simplement parce que je pense que c'est la meilleure. Si je ne pensais pas que c'est la meilleure, je ne l'adopterais pas. C'est comme ça pour toute "opinion" d'ailleurs. Mais comme je me considère comme un physicien qui a, à sa façon, bien compris la physique, je veux la transmettre. Je ne clame pas l'exclusivité ! Mais c'est une façon dont je trouve qu'elle marche pas si mal, et si un lycéen peut adopter cette vision, je crois qu'il se débrouillera bien. De nouveau, sans prétention d'exclusivité, il y a sans doute d'autres façons de bien se débrouiller aussi, mais je sais que la mienne fonctionne.
Et ma façon de voir la physique, c'est justement, que les "objets de la nature" sont (modélisés par) une structure mathématique, qui construit donc un "monde imaginaire" qu'on essaie de faire correspondre aux "choses dans le vrai univers physique". En d'autres termes, on invente un monde imaginaire, mathématique, et on invente des règles de correspondance avec "le vrai monde physique", et cette activité, c'est "faire de la physique".
Les différentes théories physiques sont donc:
1) une structure mathématique
2) une façon de faire correspondre les éléments de cette structure avec des choses physiques, dont les observations.
La difficulté/subtilité.... du cadre Newtonien, c'est justement qu'il y ait un espace Euclidien qui est "l'espace physique", mais que nous n'avons aucune observation qui serait liée directement à cet espace. Les seuls observations qu'on puisse faire, ce sont des observations de distances et d'angles entre des particules, elles, observables, et postulées d'occuper un "point dans l'espace physique Euclidien".
Ainsi, on aurait, à un instant donné, des points observables de cet espace Euclidien, matérialisés par donc, des particules observables. Il suffit d'en avoir 3 non alignées, et on peut construire un isomorphisme unique entre cet espace Euclidien dépourvu de référentiel, et l'espace R^3. A partir de là, cet isomorphisme est bien défini, et donne donc des coordonnées à chaque "point de l'espace physique, postulé d'être un espace Euclidien". On fait donc de la géométrie Euclidienne.
Le problème qu'il faut faire comprendre, à mon avis, c'est que, à un autre moment, on ne peut pas affirmer que les particules utilisées pour établir un référentiel, "occupent le même point de l'espace Euclidien qu'avant". C.à.d. ils ont pu "bouger de façon absolue". Alors, si ces particules occupent maintenant d'autres points de l'espace Euclidien, le référentiel qu'on va construire dessus, donc l'isomorphisme Euclidien, sera un autre isomorphisme que "celui d'avant".
Le point de l'espace absolu que le premier isomorphisme faisait arriver sur (2,4,5) sera projeté, par le deuxième isomorphisme, sur d'autres coordonnées, comme (5,6,2) par exemple. On ne peut donc pas "mélanger les coordonnées des isomorphismes successifs" simplement, et penser qu'on se trouve dans l'espace absolu. Quand on le fait, on le fait seulement dans son propre R^3, et pas dans l'espace absolu. Comparer des points dans R^3 qui correspondent à des moments différents, est donc autre chose que comparer "les points de l'espace absolu".
Chez Newton, justement, il y avait bien un "espace absolu" et cette idée en est centrale. Pour Newton, une particule peut très bien être "au repos absolu", il suffit que cette particule reste au même point absolu pour des moments différents. Mais nous ne pouvons jamais le savoir, car nous ne pouvons pas savoir que notre isomorphisme à 3 heures, est le même isomorphisme que celui qu'on utilise à 6 heures, c.à.d. que les points de l'espace absolu auront les mêmes images (les mêmes coordonnées, les mêmes éléments de R^3) à 3 heures et à 6 heures. Alors, nous ne pouvons pas, en comparant les coordonnées d'un point dans ces deux isomorphismes, savoir si on parle "du même point de l'espace". Comme on n'y a pas accès, on ne peut donc pas parler "du mouvement d'une particule dans l'espace". On peut seulement parler du "mouvement d'une particule dans mon propre R^3". Ce mouvement sera dont totalement différent pour chaque observateur (= entité qui définit les isomorphismes successifs).
Pour moi, c'est essentiel pour comprendre que les notions de mouvement ne peuvent être que relatifs, c.à.d. dans l'espace des coordonnées, et pas dans l'espace absolu. Ils existent dans l'espace absolu, mais on n'y a pas accès expérimentalement. C'est le fil rouge dans la partie sur le monde Newtonien, et justement, je crois que c'en est le plus important pour comprendre cette physique.
Bon, le fait que je dois taper un long post veut dire que ça ne passe pas dans mon texte. Il faudra le retravailler...
A toi aussi :-)