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Le mouvement Oui

Insister sur la relativité du mouvement, on n'est jamais immobile que par rapport à une référentiel donné. Plusieurs objets qui tombent dans un champ de pesanteur dans le vide sont immobiles les uns par rapport aux autres, mais ils sont en mouvement uniformément accéléré. La Terre tombe en permanence sur le Soleil, mais la force centrifuge sur son orbite maintient l'orbite stable. Notre Galaxie tombe aussi vers notre voisine, la galaxie d'Andromède, à moins que ce ne soit elle qui tombe sur nous. Bon courage pour accrocher l'intérêt de vos élèves.

stabilisation de la température de l'eau Oui

Vos bacs ne sont pas en équilibre thermique avec l'air environnant, sans doute à cause de l'évaporation qui absorbe une quantité significative d'énergie. Pour que vous soyez en équilibre thermique avec l'air de la salle, il faudrait un taux d'humidité de 100%.

Lune Oui

De jour, on ne voit la lune que lorsqu'elle est loin du soleil. De jour comme de nuit on ne voit la lune que si elle est au-dessus de l'horizon, il y a donc des gens qui la voient de jour, d'autres de nuit. Si vous voyez la pleine lune à minuit, il est certain que dans l'autre hémisphère à midi, on ne la voit pas. Les heures de lever et coucher du soleil et de la Lune sont données en fonction de la longitude dans les tables d'éphémérides ou sur sur certaines petites stations météorologiques du commerce. Si la lune est trop proche du soleil, personne ne la voit, sauf en cas d'éclipse de soleil.

Force d'attraction du soleil sur la terre Oui

Bonjour Patrick B., je suis aussi Patrick B.
Deux corps de masse M et M' distants de la distance D s'attirent par une force F = G MM'/d2 (d2 pour d au carré, G constante universelle de gravitation)
Le corps de masse M' est soumis à une accélération gamma = F/M' (F = M' x gamma)
L'accélération subie par la masse M' est donc gamma = F/M' = G M/d2 indépendante de M'.

Expliquer le phénomène des saisons en ps-ms Oui

Je fais amende honorable pour ma réponse d'hier, un peu rapide. L'angle de l'axe de rotation de la Terre avec la perpendiculaire au plan de l'écliptique est 23° 27', et non 27° comme je l'ai écrit. Mieux qu'un schéma, une mappemonde dont l'angle de l'axe de rotation est correctement ajusté permet de toucher des yeux la variation des saisons. Une lampe placée dans le même plan horizontal et suffisamment éloignée pour que les rayons soient à peu près parallèles éclairera différemment le globe suivant que le pôle nord est dirigé vers le soleil (solstice d'été) ou dans la direction opposée (solstice d'hiver). C'est au solstice d'été, vers le 21 juin, que la journée est la plus longue et que les rayons frappent les surfaces de l'hémisphère nord avec la plus grande efficacité. A cause de l'inertie thermique de la croûte terrestre, c'est en juillet et en août que les températures sont, en moyenne, les plus élevées. C'est au solstice d'hiver, vers le 21 décembre, que les journées sont les plus courtes, et l'insolation est plus rasante. Pour la même raison, ce n'est qu'en janvier et en février que l'on subit les plus basses températures, en moyenne. Si l'axe de rotation de la Terre était perpendiculaire au plan de l'écliptique, il n'y aurait plus de saisons, et la vie serait bien monotone.

Expliquer le phénomène des saisons en ps-ms Oui

Les variations des saisons sont liées aux variations de la hauteur du soleil sur l'horizon. Si l'axe de rotation de la Terre était perpendiculaire au plan de l'écliptique, il est facile de voir sur un schema de la Terre et du Soleil que cette hauteur varierait avec la latitude mais serait la même toute l'année. En inclinant l'axe de rotation de la Terre de 27° environ, on constate que d'un côté du soleil un des hémisphères voit le soleil plus haut, l'autre hémisphère le voit plus bas. Lorsque la Terre passe de l'autre côté du Soleil, le premier hémisphère voit le Soleil plus bas et l'autre le voit plus haut. Le petit schema avec les deux images de la Terre de chaque côté du Soleil, l'axe incliné de 27°, parle de lui-même.
Un phénomène plus délicat à montrer : on dit souvent que la nuit tombe plus vite en hiver. C'est faux, elle tombe plus tôt, mais la durée du crépuscule ne dépend que de la latitude, pas de la saison.

Quel rapport entre l'oeil et un appareil photo ? Oui

Un opticien célèbre a dit "Si j'avais reçu un œil en tant qu'appareil photographique, je le renverrai aussitôt au fabriquant à cause de ses défauts". Je ne suis pas d'accord avec cette critique. L'œil est un instrument remarquable, malgré ses aberrations (nous sommes tous plus ou moins astigmates) et ses maladies. Sa durée de vie dépasse celle de tous les appareils photographiques que j'ai eus.

Comme l'appareil photographique, l'œil comporte un objectif formé par le cristallin et la cornée. Dans l'appareil photographique, la mise au point s'effectue par déplacement de lentilles, dans l'œil, c'est la déformation du cristallin qui permet de mettre au point, chez un oeil jeune, de 20 ou 30 cm à l'infini.

L'œil et l'appareil photographique sont munis d'un diaphragme ajustable, l'iris,  qui permet de s'adapter aux conditions d'éclairement.

L'appareil photographique est doté d'une surface sensible dont la sensibilité est ajustable : mosaïque de détecteurs à semi-conducteurs (CCD ou charge coupled device) dans les appareils numériques ou pellicule au nitrate d'argent. Une grande différence : l'appareil photographique est capable d'intégrer la lumière faible sur de longues durées, la rétine peut améliorer sa sensibilité en restant environ une demi-heure dans l'obscurité mais ne peut changer sa constante de temps de l'ordre du dixième de seconde (les bâtonnets sur la périphérie de la rétine sont toutefois plus rapides que les cônes au centre du champ de vision).

Un objectif photographique peut être équipé de lentilles supplémentaires pour la macrophotographie ou le très grand champ, l'oeil peut s'améliorer avec des lunettes, une loupe, un microscope, des jumelles ou un télescope.

Enfin on peut dire que la qualité d'image de l'œil n'est bonne que dans un champ assez restreint, mais ce défaut est compensé par la mobilité de cet imageur qui balaye systématiquement l'environnement.

Les nuages noirs sont-ils plus pollués que les nuages blancs ? Oui

Les nuages sont constitués de fines gouttelettes d'eau en suspension dans l'air. Ils diffusent dans toutes les directions la lumière issue du Soleil. Quand les nuages sont peu épais ils apparaissent blancs sur le fond bleu du ciel. Quand ces nuages sont plus épais, les couches supérieures portent ombre sur les couches inférieures qui apparaissent plus sombres. D'où toute la série des gris pouvant devenir très sombres qui caractérisent certains ciels. Il est arrivé qu'un gros cumulonimbus de plusieurs kilomètres d'épaisseur assombrisse le ciel au point de rallumer l'éclairage publique en milieu de journée. J'ai lu dans la presse que, ce jour-là, le facteur de transmission de la lumière solaire au niveau du sol n'était que de 1 sur dix mille. Les nuages les plus noirs ne sont donc pas pollués, mais ils peuvent devenir un obstacle très efficace à la propagation de la lumière du Soleil.

Pourquoi le miroir inverse-t-il la droite et la gauche, et pas le haut et le bas ? Oui

Le problème posé est un problème mathématique plus qu'optique. En optique géométrique, tout est dit avec la propagation rectiligne avant et après la réflexion, et la loi de Descartes i = r (rayons incident et réfléchi sont dans un même plan perpendiculaire au miroir, et l'angle du rayon incident avec la normale au miroir est égal à l'angle de la normale au miroir avec le rayon réfléchi).

De ces axiomes résulte que tous les rayons issus d'un même point source proviennent, après réflexion sur le miroir, du point image symétrique du point source par rapport au miroir. Un miroir plan est donc un système stigmatique qui donne d'un objet une image symétrique de l'objet par rapport à un plan.

La droite et la gauche ne sont pas plus changées dans cette image que le haut et le bas : votre main droite est face à son image, votre main gauche face à la sienne, le haut est en haut et le bas en bas. Mais l'image est virtuelle et n'est pas superposable à l'objet si celui-ci ne possède pas de symétrie par rapport à un plan. C'est ainsi et l'on n'y peut rien.

Si le haut et le bas étaient échangés, l'image et l'objet seraient identiques et donc superposables; il ne s'agirait plus d'une symétrie par rapport à un plan, mais d'une symétrie par rapport à un point. C'est, avec un stigmatisme approché, la symétrie d'un objectif de grandissement unité.

Pourquoi un objet partiellement plongé dans l'eau semble-t-il brisé ? Oui

Dans l'eau, la lumière va moins vite que dans l'air. Il en résulte qu'une onde plane qui passe de l'air dans l'eau subit une cassure si elle est oblique par rapport au plan d'eau. Le rayon lumineux, perpendiculaire à cette onde, subit la même cassure. Ce sont les lois de Descartes qui régissent ces phénomènes (sin (i) = n sin (r), où i et r sont les angles du rayon incident et réfracté et n est l'indice de réfraction du milieu) et une simple construction géométrique montre que l'objet vu dans le prolongement des rayons lumineux dans l'air paraît déplacé par rapport à sa position réelle si le rayon provient d'un point situé dans l'eau.

Vous trouverez des compléments sur cette page du site La main à la pâte

Une expérience de chromatographie Oui

Vous avez fait ce que l'on appelle une analyse chromatographique. Différentes substances chimiques liquides diffusent à des vitesses différentes dans un milieu poreux comme le papier filtre lorsque leurs molécules sont de masses différentes. Ce procédé est utilisé par les industriels avec des outils adaptés. Lorsque le noir est obtenu par mélange de différents colorants qui absorbent différents domaines du spectre visibles, ces colorants apparaissent ainsi, révélant leurs couleurs, lorsqu'ils diffusent à vitesses différentes.

Lorsque les couleurs n'apparaissent pas, cela peut signifier que le noir est obtenu avec une seule molécule, mais il se pourrait aussi que plusieurs molécules de même masse moléculaire diffusent à la même vitesse.

Pourquoi une vitre ne décompose-t-elle pas la lumière comme un prisme ? Oui

Dans un prisme, les dispersions provoquées par les réfractions sur les deux faces du prisme s'ajoutent, et il faut pourtant regarder assez loin du prisme pour observer les couleurs de l'arc-en-ciel. La largeur d'une fente source fine, parallèle à l'arête du prisme, peut améliorer le dispositif.
Dans une lame à faces parallèles la deuxième réfraction annule la dispersion de la première. La dispersion n'agit donc que sur l'épaisseur de la vitre. Allez donc voir un arc en ciel à quelques millimètres à la sortie d'un prisme !

Pour plus de détails, voir la réponse de P. Chavel.

La couleur du feu Oui

Le feu, c'est beaucoup de phénomènes très différents.

C'est la flamme d'un bec de gaz dans laquelle une réaction chimique très exothermique (= qui libère de la chaleur) excite les électrons dans les molécules formées, lesquelles électrons reviennent au repos en émettant de la lumière. Les couleurs peuvent être spectaculaires si l'on introduit dans la flamme certains éléments tels que les métaux alcalins (sodium jaune, calcium rouge), les métaux alcalino-terreux (baryum vert)... Ces propriétés sont spectaculairement exploitées dans les feux d'artifice, mais on peut aussi faire de belles expériences avec un bec Bunsen et un pulvérisateur de solutions salines.

Le feu dont il est plus facile de parler est le feu de bois, dont les couleurs vont du rouge sombre à ce que l'on pourrait qualifier de blanc, mais il existe une infinité de "blancs".

En effet c'est un des paradoxes de la physique que la définition du blanc en matière de spectre lumineux repose sur le rayonnement dit du "corps noir". Le corps noir est un corps qui absorbe toute la lumière incidente. Pour maintenir son équilibre thermodynamique, un tel corps réémet un rayonnement au spectre bien défini, qui est le même pour tous les corps, ne dépend que de la température de l'émetteur et s'appelle le rayonnement du corps noir. C'est une des plus belles révolutions scientifiques que l'établissement par Planck à la fin du XIXe siècle et au début du XXe des formules mathématiques décrivant le rayonnement du corps noir grâce aux quanta, formules qui devaient aboutir aux développements de la théorie quantique.

Pour résumer, un corps noir rayonne dans toutes les fréquences, mais la puissance émise et la fréquence du maximum d'émission sont d'autant plus grandes que le corps est chaud. Aucun corps ne saurait, par simple incandescence, rayonner plus que le corps noir. A la température ordinaire, le corps noir n'émet que dans l'infrarouge lointain. Il est invisible pour notre oeil dans la plus parfaite obscurité. Le rouge sombre apparaît dans l'obscurité dès -30 °C. C'est la température d'une cigarette sur laquelle on ne tire pas. Quand on tire sur la cigarette, la température augmente jusque vers 300 °C, l'intensité de l'émission augmente et la couleur passe du rouge au jaune, certains diront au blanc (fumer est très dangereux pour la santé).

Le rayonnement solaire est celui d'un corps incandescent à la température de 6 000 °C environ. Il est très intense, mais surtout très décalé vers les courtes longueurs d'onde, avec un maximum d'émission dans le jaune (ce n'est pas un hasard si c'est la couleur pour laquelle l'oeil à son maximum de sensibilité et sa meilleure sensibilité chromatique), mais d'autres étoiles sont beaucoup plus chaudes et nous apparaissent bleues, surtout lorsqu'elles sont proches d'une étoile plus froide.

C'est encore un paradoxe de la physique que les étoiles "froides" soient rouges, et les chaudes soient "bleues". Pour notre il, les couleurs chaudes sont le rouge et l'orange parce que ce sont les couleurs habituelles de nos sources thermiques. Le bleu et l'ultraviolet sont qualifiés parfois de "lumières froides", parce qu'elles sont obtenues à partir de procédés non thermiques.
Mais les étoiles chaudes sont des émetteurs extrêmement puissants dans le bleu et l'ultraviolet. Déjà notre soleil nous envoie beaucoup de rayonnement ultraviolet, heureusement absorbé par l'atmosphère.

Lorsque vous voyez dans un vaste paysage le reflet du Soleil dans une vitre, vous ne recevez que 8% du rayonnement incident. Essayez d'imaginer qu'il s'agit d'un four recelant un corps en fusion et vous sentirez alors à quel point le Soleil est chaud !

Dans un feu de bois, les températures sont très variables : l'émission va du rouge au jaune clair, avec des intensités liées à la couleur. Dans la flamme, ce sont de très petites particules de poussière qui, portées à haute température, rayonnent par incandescence. Vous retrouverez à peu près les mêmes couleurs dans l'éruption d'un volcan de type hawaïen, c'est-à-dire aux laves relativement fluides, et qui offrent toute une gamme de températures du même ordre que celles d'un feu de bois.

La flamme de bougie est organisée pour émettre un maximum de poussières de carbone qui, chauffées, rayonnent par incandescence. Mais attention : la flamme de bougie pas plus que le feu de bois ne sont des corps noirs parfaits, et l'application des lois de Planck à leur rayonnement n'est qu'une première approximation.

Merci d'avoir posé la question !

Comment les savants font-ils pour être sûrs de leurs affirmations ? Oui

Comment êtes-vous si sure que les savants sont si sûrs de leurs affirmations ? La question devrait être posée à un philosophe plutôt qu'à un scientifique, mais voici la réponse d'un métrologue, complétée par celle d'un physicien.

Réponse du métrologue :
Les théories scientifiques sont initiées et vérifiées par l'observation et la mesure. Toute mesure est entachée d'incertitudes et rien n'est plus difficile que d'évaluer ces incertitudes (je ne parle pas des erreurs qui peuvent et doivent être corrigées). Tout résultat est donc donné avec une probabilité de rentrer dans une fourchette. Tant que l'expérience ne peut pas la mettre en défaut, toute théorie est valide, ce qui ne veut pas dire qu'elle est exacte.

Réponse du physicien :
Même Descartes, qui a cru que la logique était infaillible, s'était aventuré à dire qu'un corps en mouvement était plus lourd qu'un corps immobile, grossière confusion entre masse et force vive qui ne serait pas pardonnée de nos jours à un étudiant. Cela n'a pas empêché notre philosophe scientifique d'apporter plusieurs contributions majeures à la science.
A la suite des succès de très belles théories, les scientifiques de la fin du XIXe siècle ont rêvé de numériser l'Univers pour décrire son présent, son passé et son avenir. Tout cela est bien oublié. Les plus beaux succès de la physique en ce vingtième siècle sont venus de la théorie quantique, probabiliste au niveau de chaque phénomène élémentaire, et dont l'un des inventeurs, Louis de Broglie, a passé sa vie à essayer de démontrer qu'elle était incomplète. En écoutant le pathétique discours prononcé par le grand-père de la mécanique quantique, qui espérait que d'autres plus jeunes réussiraient là où il croyait avoir échoué, on ne se dit pas que le savant est si sûr de ses affirmations.

Comment les savants font-ils pour être sûr de leurs affirmations ? Oui

Comment êtes-vous si sure que les savants sont si sûrs de leurs affirmations ? La question devrait être posée à un philosophe plutôt qu'à un scientifique, mais voici la réponse d'un métrologue, complétée par celle d'un physicien.

Réponse du métrologue :
Les théories scientifiques sont initiées et vérifiées par l'observation et la mesure. Toute mesure est entachée d'incertitudes et rien n'est plus difficile que d'évaluer ces incertitudes (je ne parle pas des erreurs qui peuvent et doivent être corrigées). Tout résultat est donc donné avec une probabilité de rentrer dans une fourchette. Tant que l'expérience ne peut pas la mettre en défaut, toute théorie est valide, ce qui ne veut pas dire qu'elle est exacte.

Réponse du physicien :
Même Descartes, qui a cru que la logique était infaillible, s'était aventuré à dire qu'un corps en mouvement était plus lourd qu'un corps immobile, grossière confusion entre masse et force vive qui ne serait pas pardonnée de nos jours à un étudiant. Cela n'a pas empêché notre philosophe scientifique d'apporter plusieurs contributions majeures à la science.
A la suite des succès de très belles théories, les scientifiques de la fin du XIXe siècle ont rêvé de numériser l'Univers pour décrire son présent, son passé et son avenir. Tout cela est bien oublié. Les plus beaux succès de la physique en ce vingtième siècle sont venus de la théorie quantique, probabiliste au niveau de chaque phénomène élémentaire, et dont l'un des inventeurs, Louis de Broglie, a passé sa vie à essayer de démontrer qu'elle était incomplète. En écoutant le pathétique discours prononcé par le grand-père de la mécanique quantique, qui espérait que d'autres plus jeunes réussiraient là où il croyait avoir échoué, on ne se dit pas que le savant est si sûr de ses affirmations.

Réaliser une expérience sur les mirages Oui

La variation d'indice avec la hauteur n'est pas stable dans le temps car la diffusion tend à homogénéiser la solution. Mais, pendant un temps raisonnable (de l'ordre de l'heure) on obtient un gradient variable qui va de la saturation à l'eau presque pure si l'on a pris les précautions nécessaires pour ne pas brasser la solution. Voici les valeurs de l'indice pour les solutions de sucre de canne (C12H22O11) en fonction du rapport de la masse de sucre à la masse de la solution (je pense que 85 % correspond à la saturation). Le sucre de betterave ne devrait pas être très différent. Bons mirages !

masse de sucre/masse de la solution indice de réfraction de la solution
0 % 1,333
10 % 1,347
20 % 1,364
30 % 1,381
40 % 1,400
50 % 1,420
60 % 1,442
70 % 1,465
80 % 1,490
85 % 1,503

 

Pourquoi voit-on parfois les roues tourner à l'envers ? Oui

Je ne connais pas grand chose au fonctionnement de l'œil et n'ai jamais entendu parlé de fréquence spécifique du nerf optique.
Cependant je sais que l'œil s'asservit inconsciemment en position sur les objets en mouvement. Il est possible que l'œil s'accroche sur un rayon de la roue pour décrocher rapidement et s'accrocher aux suivants. Ce phénomène induirait un effet pseudo stroboscopique qui pourrait peut-être expliquer la sensation des observateurs.

Pourquoi voit-on parfois les roues tourner à l'envers ? Oui

Il faut préciser que cela s'observe au cinéma ou à la télévision. C'est un effet bien connu appelé effet stroboscopique.
Lorsqu'un mouvement périodique rapide est échantillonné ("découpé") avec une période voisine, on observe un phénomène de battements qui peut ralentir le phénomène, l'arrêter si les deux périodes sont rigoureusement égales, ou le faire partir en arrière si la période des échantillons est un peu plus courte que la période du phénomène.
Supposons un caméscope filmant à 25 images par seconde une roue tournant à 24 tours par seconde. D'une image à la suivante, la roue aura tourné d'un tour moins 1/25 de tour. Elle semblera tourner à l'envers d'un tour en 25 images, soit d'un tour par seconde. La fréquence apparente (-1 tour/s) est la différence entre la fréquence réelle (24 tours/s) et la fréquence d'échantillonnage ou fréquence des images (25 images/s).

Pourquoi l'air n'a-t-il pas d'ombre ? Oui

L'air est un milieu transparent qui transmet presque parfaitement le spectre visible entre l'infrarouge et l'ultraviolet. Par ailleurs, l'indice de l'air est très proche de l'unité, c'est-à-dire que la vitesse de la lumière dans l'air est très proche de la vitesse de la lumière dans le vide, et la lumière n'est que très peu déviée par la traversée de l'atmosphère. C'est pourquoi on ne voit pas, en première observation, les ombres de l'air.

Un morceau de verre est aussi presque parfaitement transparent, mais comme la lumière va 1,5 fois à 1,8 fois moins vite dans le verre que dans l'air, les rayons sont fortement déviés et un bloc de verre porte une ombre en certaines directions, dévie la lumière dans d'autres directions.

Mais revenons à l'air : si on observe un faisceau de lumière issu d'une source ponctuelle à travers une masse d'air hétérogène au-dessus d'un appareil de chauffage, les rayons lumineux sont déviés par les petites variations d'indice liées aux variations de température de l'air turbulent. Sur un écran blanc situé suffisamment loin, on observera les ombres "de la turbulence".

L'expérience peut aussi être faite en atmosphère naturelle avec Vénus, le plus brillant objet ponctuel du ciel quand elle est à son maximum d'éclat, mais il faut les talents d'un astronome pour déceler ces "ombres volantes".

Une bonne paire de jumelles ou un télescope d'amateur permettent de déceler ces fluctuations atmosphériques dues à la turbulence naturelle, qui ont longtemps interdit à nos télescopes au sol la qualité des images du télescope spatial Hubble. Les astronomes savent maintenant éliminer au moins partiellement ces perturbations sur les télescopes de dernière génération tels que le Very Large Telescope.

Les mirages Oui

Dans une distribution d'indice stratifiée horizontalement, il semble qu'un rayon pourrait se propager horizontalement sans déviation. Mais la lumière n'est pas formée de rayons isolés, elle se propage sous forme d'ondes qui obéissent à une équation de propagation issue des équations de Maxwell. Un rayon tel qu'un faisceau laser est en réalité un faisceau de rayons qui ne peut ignorer que l'indice n'est pas constant de part et d'autre du faisceau. Les rayons d'un côté vont un peu plus vite que les rayons opposés, la phase de l'onde va plus vite de ce côté et incurve la trajectoire de l'ensemble du faisceau.

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