Fiche pédagogique pour le Billotron

Fiche pédagogique pour le Billotron
Version pour le collège - classe de 4e et 3e
(Olivier LOPEZ, Julien GIBELIN et Arnaud CHAPON, LPC Caen)
Table des matières
Préambule : …...................................................................................................................... 1
Contexte : ..............................................................................................................................1
Objectifs disciplinaires :..........................................................................................................2
Objectifs socle commun des connaissances et des compétences :.......................................3
Objectifs en terme d'orientation professionnelle :.................................................................4
Outils pédagogiques :.............................................................................................................5
Les intervenants :...................................................................................................................5
La mise en œuvre :.................................................................................................................5
Évaluation du projet :.............................................................................................................6
Sources :.................................................................................................................................6
Interventions réalisées : …................................................................................................... 6
Contacts : …......................................................................................................................... 6
Annexe 1 : Description du billotron........................................................................................7
Préambule :
Ce document a été en majeure partie rédigé par Fatma Hommet, documentaliste au
collège Dumont d'Urville de Condé sur Noireau (14). Nous tenons à la remercier pour son
aide précieuse quant à l'élaboration de ce document.
Contexte :
L'association « Relais d’sciences » et la Fondation Musée Schlumberger ont lancé en
2010 le concours « Têtes chercheuses ». Il s'agit d'un concours visant à encourager et
soutenir les équipes de recherche de Basse-Normandie dans la réalisation de projets de
médiation scientifique.
Le laboratoire lauréat en 2010 est le LPC (Laboratoire de Physique Corpusculaire) de
Caen, avec la réalisation d'un dispositif, le « Billotron » qui permet d'expliquer la
constitution de la matière.
Le “Billotron” reproduit l’expérience fondatrice de Rutherford (1911) qui a ouvert la voie
de la physique nucléaire en démontrant l’existence d’un noyau au cœur de l’atome. Il
permet donc d'illustrer les recherches menées en physique nucléaire et plus généralement
dans le domaine de la physique subatomique et la structure de la matière.
Le “Billotron” a été présenté en avant-première à l'occasion de la fête de la science, au
Parc des Expositions de Caen, les 23 et 24 octobre 2010. Depuis, il a vocation à être
présenté durant les 3 ans qui viennent auprès des établissements scolaires (collèges et
lycées) qui le souhaitent. Pour cela, un planning a été mis en place par l'équipe du LPC
Caen avec un rythme d'une présentation par mois durant l'année scolaire soit environ 8 à
9 créneaux disponibles entre Septembre et Juin. Un contact est accessible sur le site de
Relais d'Sciences (www.relais-sciences.org) ainsi que sur le site du LPC Caen (www.lpccaen.in2p3.fr). Vous y trouverez un numéro de téléphone ainsi qu'une adresse électronique
permettant de prendre contact avec l'équipe Billotron du LPC.
Fiche Billotron collège
1
Des présentations d'un format d'une heure à 1 heure 30 sont prévues suivant le niveau
des élèves (collège, classes de 4e et 3e, ou lycée). Un maximum de 30 à 35 élèves est
recommandé durant la présentation. Suivant le nombre de classes ou groupes envisagés,
une intervention totale d'une demie journée à une journée peut être définie. Ceci est bien
sur à discuter avec l'équipe du LPC Caen.
La fiche pédagogique présentée ici concerne la partie collège, soit des élèves de 4e et
3e. Une seconde fiche destinée aux lycées (2nde à Terminale) est cours d'élaboration et
devrait être disponible avant la fin Mars 2011.
Objectifs disciplinaires :
Ci-dessous sont présentées les parties des programmes de physique-Chimie et de
technologie du collège pour lesquelles le Billotron peut apporter des éclairages, des
illustrations de certaines notions ou phénomènes vus en classe.
Physique Chimie
Classe de 3e
Illustration avec le Billotron
A- La chimie, science de la transformation de
la matière .
Constituants de l'atome : noyau et électron
Structure lacunaire de la matière
Les atomes et les molécules sont électriquement
neutres ; l'électron et les ions sont chargés
électriquement.
Remarque : en 3e il n'est pas demandé à l'élève de
donner la composition du noyau.
Le
Billotron
permet
d'illustrer
le
phénomène de diffusion d'une particule
sur un objet quelconque. Il permet de
comprendre l'expérience historique de
Rutherford, qui, en 1911, permit de
démontrer l'existence du noyau de
l'atome grâce à l'étude de la dispersion
de particules de radioactivité alpha sur
une feuille d'Or.
C- De la gravitation... à l'énergie mécanique
C1 : Interaction gravitationnelle : notion de
gravitation : pourquoi les planètes gravitent-elles
autour du Soleil et les satellites autour de la Terre ?
C2 : Energie cinétique et sécurité routière : la
relation donnant l'énergie cinétique d'un solide en
translation est Ec= ½ mv2
L'énergie cinétique se mesure en Joules (J).
La gravitation est une interaction
attractive, qui peut aussi être modélisée
par le billotron. Le Billotron permet de
visualiser les trajectoires empruntées par
les billes dans le potentiel attractif
(hyperboles pour celles qui s'échappent
et ellipses pour celles capturées)
Classe de 4e
Illustration avec le Billotron
C. La lumière : couleurs, images, vitesse
C1. Lumières colorées et couleur des objets
La couleur perçue lorsqu'on observe un objet
dépend de l'objet lui-même et de la lumière qui
l'éclaire.
C2. Que se passe-t-il quand la lumière
traverse une lentille ?
Lentilles, foyers, images : comment obtient-on une
image à l'aide d'une lentille convergente ?
Lentille convergente, lentille divergente.
La vision résulte de la formation d'une image sur la
rétine, interprétée par le cerveau.
C'est également le phénomène de
diffusion (de la lumière) qui est à
l'origine de la vision.
Les notions de convergence et de
divergence d'une lentille peuvent être
illustrées
par
des
potentiels
respectivement attractif et répulsif qui
agissent alors comme des lentilles
divergente et convergente
Technologie1
1 Programme de Technologie de 3e : http://media.eduscol.education.fr/file/special_6/53/1/Programme_technologie_33531.pdf
Fiche Billotron collège
2
Classe de 3e
Illustration avec le Billotron
1. L'analyse et la conception de l'objet
technique : Formaliser une description du
besoin, point de départ du projet. Énoncer sous
forme graphique les fonctions que l'objet technique
doit satisfaire.
Dresser une liste de contraintes que l'objet
technique doit respecter.
Le projet « Têtes chercheuses ».
Quels besoins exprimés par Relais
d'sciences et le musée Shlumberger ?
Quelles contraintes à respecter pour
la réalisation du Billotron ? Comment
bâtir le cahier des charges ?
6- Les processus de réalisation d'un objet Le projet de conception et de
technique :
réalisation du Billotron :
Propriétés des matériaux et procédés de réalisation,
contraintes liées aux procédés et modes de
– Prototypage
réalisation, contraintes liées aux procédés de
– Logiciel CAO
contrôle et de validation.
– Machines outils
Planning de réalisation (concevoir le planning de
– Les
personnes
impliquées
réalisation du prototype)
(compétences, temps investi...)
Processus de réalisation
Antériorités et ordonnancement (conduire la
réalisation du prototype)
Objectifs socle commun des connaissances et des compétences :
Depuis 2006, en application de la loi pour l'avenir d'avril 2005, le socle commun
composé de sept grandes compétences, définit ce qu'aucun élève ne doit ignorer en fin de
scolarité obligatoire. Ci-dessous les compétences qui peuvent être travaillées avec les
élèves à travers le projet « A vos billes ».
Compétence du socle commun2
Illustration avec le Billotron
Compétence 3 :Les principaux éléments
de mathématiques et la culture
scientifique et technologique :
« A l'issue de la scolarité obligatoire, tout élève
doit avoir une représentation cohérente du
monde reposant sur des connaissances.
Chacun doit donc :
• savoir que l'Univers est structuré :
• du
niveau
microscopique
(atomes, molécules, cellules du
vivant) ;
• au
niveau
macroscopique
(planètes, étoiles, galaxies) ; »
• savoir que l'Univers, la matière,
les organismes vivants baignent
dans
une
multitude
d'interactions et de signaux,
notamment lumineux, qui se
propagent et agissent à distance
;
• savoir que l'énergie, perceptible dans
Le billotron permet aux élèves de s'immerger
dans
une
expérience
de
physique
fondamentale subatomique et d'explorer
les différents aspects de la démarche du
chercheur.
Il permet d'illustrer la méthode employée par
le chercheur pour accéder à l'infiniment
petit en abordant l'ensemble des processus
mis en jeu dans une expérience de Physique
nucléaire :
- accélération de particules (projectiles)
- réaction nucléaire (diffusion)
- principe de détection (collecteurs) et
validité de la mesure (incertitude)
- interprétation et analyse des résultats
(comparaison
théorie
–
expérience).
Utilisation d'une simulation numérique
2 Le socle commun des connaissances et compétences pour le collège : http://eduscol.education.fr/pid23410­
cid47411/introduction.html
Fiche Billotron collège
3
le mouvement, peut revêtir
formes
différentes
et
transformer de l'une à l'autre ;
des
se
Capacités :
L'étude des sciences expérimentales
développe les capacités inductives et
déductives de l'intelligence sous ses
différentes formes.
L'élève doit être capable :
• de pratiquer une démarche
scientifique:
• savoir observer, questionner,
formuler une hypothèse et la
valider, argumenter,
modéliser de façon
élémentaire ;
• comprendre le lien entre les
phénomènes de la nature et le
langage mathématique qui s'y
applique et aide à les décrire ;
• de manipuler et d'expérimenter en
éprouvant la résistance du réel :
• participer à la conception d'un
protocole et le mettre en
œuvre en utilisant les outils
appropriés, y compris
informatiques ;
• développer des habiletés
manuelles, être familiarisé avec
certains gestes techniques ;
• percevoir la différence entre
réalité et simulation ;
• de comprendre qu'un effet peut
avoir plusieurs causes agissant
simultanément, de percevoir qu'il peut
exister des causes non apparentes ou
inconnues ; »
Le
but
est
d'illustrer
la
démarche
scientifique
en
l'appliquant
à
une
expérience. Cette expérience est réalisée en
direct avec les élèves sous la direction de
l'animateur.
Sonder les objets subatomiques permet de
comprendre la structure de la matière :
atomes > noyaux > nucléons > quarks
En effet, bien que l'Univers se soit construit à
partir
des
particules
les
plus
élémentaires, l'Homme s'interroge depuis
toujours sur la composition de la matière.
Le billotron permet d'illustrer les techniques
employées pour mener de telles recherches
aussi bien en physique
du solide
(matériaux) qu'en physique atomique et
subatomique (noyaux et particules). Ceci
permet d'évoquer les recherches actuelles
menées en physique fondamentale dans ces
différents domaines (ex. LHC au CERN,
SPIRAL2 à Caen, etc...)
Objectifs en terme d'orientation professionnelle :
La classe de troisième est importante pour l'orientation des élèves. Il s'agit de les aider
à préciser leur projet personnel et de les préparer aux voies de formation ultérieures. Au
terme de la classe de troisième, les élèves doivent choisir parmi les trois voies
d'orientation : la seconde générale et technologique, la seconde professionnelle (pour
préparer le baccalauréat professionnel en trois ans), ou la première année du cycle de
deux ans conduisant à une spécialité de certificat d'aptitude professionnelle (CAP).
La rencontre avec l'équipe des chercheurs du LPC est une opportunité pour les élèves
qui peuvent questionner les intervenants sur leurs parcours et les métiers qu'ils exercent.
Objectif Classe de 3e
Fiche Billotron collège
Intervention possible avec les concepteurs du
Billotron
4
Parcours
de
découverte
des
métiers et des formations3 :
« Permettre
à
chaque
élève
d’identifier le lien entre son travail
scolaire du moment et l’itinéraire de
formation qu’il construit, ouvrir son
horizon personnel au-delà des seules
représentations des métiers et des
formations rencontrées dans la famille
ou le quartier, étayer son ambition
individuelle
par
une
familiarité
acquise avec le système de formation,
construire des connaissances et des
attitudes actives pour préparer ses
choix [….]
Témoignage d'un doctorant sur son parcours scolaire,
universitaire. - Pourquoi avoir choisi cette voie :hasard,
intérêt pour une discipline scientifique... ? Quand a-t-il
décidé de s'orienter en filière scientifique?Qu'est ce
qu'une thèse ? En quoi consiste le travail de
doctorant ? Quels débouchés ?
Témoignage
d'un
enseignant
(Maitre
de
Conférences ) : Maître de conférence à l'université ? Le
métier ? Quel parcours scolaire et universitaire ?
Témoignage d'un chargé de recherches (CNRS) :
Chargé de recherches ? Quelle différence avec le
métier de maître de conférences? Compétences
requises ? Qualités ? Difficultés ? Intérêt ?...
Outils pédagogiques :
–
–
–
–
La machine « Billotron »
Panneaux explicatifs réalisés par Relais d'sciences
Simulation 3D de la trajectoire des billes dans le Billotron (ordinateur)
De la part de l'établissement : un support papier (jeux, questions...) peut être envisagé
afin d'impliquer les élèves dans le processus d'investigation et pour préparer en amont
l'intervention du LPC.
Les intervenants :
•
•
•
Olivier Lopez, Chargé de Recherches CNRS
Arnaud Chapon, Doctorant
Julien Gibelin, Maitre de Conférences UCBN
Si un projet visant à présenter le Billotron aux classes de 3e technologique est prévu,
l'intervention de l'ingénieur chargé de sa conception pourrait être envisagée :
•
Hugues de Préaumont, Ingénieur bureau d'étude / mécanique
La mise en œuvre :
L'équipe du LPC propose de se déplacer au collège pour venir présenter le Billotron aux
élèves. Le Billotron est transportable sans trop de difficultés mais veillez à privilégier un
accès facile (portes larges de dimension supérieures à 90 cm, peu de marches à
monter,...). Les ateliers peuvent se dérouler au CDI ou en classe (au choix des
professeurs). Les chercheurs du LPC souhaitent que les interventions soient groupées sur
un créneau (matinée, après-midi, journée) pour des raisons de déplacement.
Une participation aux frais de déplacement et de mobilisation des animateurs du
LPC Caen (2 ou 3 personnes sur une demi-journée voire une journée) est demandée à
l'établissement; il s'agit d'un forfait fixe de 150€, quelle que soit la distance entre
l'établissement et le laboratoire situé à Caen.
Remarque : Le Billotron ne peut être mis à la disposition des élèves en accès libre et cela
pour deux raisons :
3 Bulletin officiel n°n° 29 du 17 juillet 2008 : http://www.education.gouv.fr/bo/2008/29/MENE0800552C.htm
Fiche Billotron collège
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•
Il s'agit d'un objet fragile (pièces en mouvement, axe pour faire tourner les billes...)
•
Sans la présence d'un adulte pour guider les élèves, l'objet ne présente pas
réellement d'intérêt. L'adulte guide l'élève dans sa démarche d'interrogation, de
formulation d'hypothèses...(démarche scientifique).
Evaluation
Evaluation du projet :
Quelques indicateurs pourront ensuite être retenus par l'établissement pour l'évaluation
de l'intervention :
•
•
•
Nombre d'enseignants impliqués dans le projet.
Retours des intervenants
Évolution du pourcentage d'élèves souhaitant se diriger vers
scientifiques en fin de troisième pour l'année scolaire 2010-2011.
des
filières
Sources :
• Caen magazine n° 105 octrobre 2010, page 7.
• Magazine connexion, septembre 2010 : http://www.connexions-normandie.fr/le-lpc-tetechercheuse-de-la-culture-scientifique/5350/
• Site internet de Relais d'sciences : http://www.relais-sciences.org/
• Le concours « Têtes chercheuses » : http://www.relais-sciences.org/fds/index.php?
page=tetes_chercheuses
• Interview « Ces noyaux qui rayonnent » réalisée en novembre 2009 à l'occasion de la
fête de la science avec Mr Olivier Lopez, chercheur du LPC, responsable du projet
Billotron : http://www.relais-sciences.org/fds/index.php?page=web_tv_23
Interventions réalisées dans des établissements scolaires
–
collège Dumont d'Urville de Condé sur Noireau : classes de 4e et 3e (7 Janvier
2011), contact : Fatma Hommet (documentaliste)
–
lycée Jean Rostand de Caen : classes de 2nde et TS (22 Février 2011), contact :
Frédérique Arnoux (professeur de physique-chimie)
Contacts
Pour tout renseignement, veuillez contacter :
Olivier LOPEZ
Téléphone : 02 31 45 29 62
E-mail : [email protected]
Fiche Billotron collège
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Annexe 1 : Description du billotron
Dimensions : 1 mètre de diamètre
Matériau(x) utilisés : Plexiglass
Il s'agit d'une table en plexiglass, ronde avec un « toboggan » pour le départ des billes.
Au centre de la table il y a le « potentiel » et en périphérie les réceptacles qui conduisent
les billes vers le réservoir final qui représente la dispersion des billes.
Source : http://www.relais­sciences.org/fds/index.php?
page=tetes_chercheuses
La découverte du noyau par Rutherford en 1911 :
En 2011, c'est le 100e anniversaire de la découverte du noyau atomique par Ernest
Rutherford.
Ernet Rutherford
1871-1973
(Source :
www.wikipedia.fr)
schéma de principe de l'expérience Rutherford
(source : http://www.laradioactivite.com/fr/site/pages/lexperiencederutherford.htm)
Fiche Billotron collège
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