Les exposés de physique
Vous souhaitez découvrir ou redécouvrir la physique d'une manière vivante et attractive ? Venez au Palais de la découverte ! Sans avoir de connaissances préalables vous pourrez comprendre de nombreux phénomènes grâce à des expériences et des exposés.
La physique occupe au Palais de la découverte une surface d'environ 3 000 m2. Elle est répartie dans plusieurs salles regroupées en 8 sections : électrostatique, électromagnétisme, matière et magnétisme, mécanique, lumière, chaleur et fluides, son et vibrations, physique du noyau et des particules.
L’électrostatique
Les phénomènes électrostatiques sont omniprésents autour de nous : depuis la décharge que l’on reçoit parfois en touchant la carrosserie de la voiture, jusqu’à la foudre, en passant par l’électrisation des cheveux lorsqu’on se peigne, et bien d’autres situations encore. Si ces phénomènes sont relativement bien connus du public, ce dernier ignore généralement que les forces électrostatiques jouent un rôle fondamental dans la cohésion de la matière. Deux salles au Palais de la découverte sont dédiées à l’expérimentation en électrostatique au cours d’exposés : la salle Électrostatique et la salle Champ électrique, toutes deux situées au rez-de-chaussée.
Salle Électrostatique (B sur les plans)
Cette salle rappelle par son aspect le théâtre. Elle est destinée à accueillir une centaine de personnes assises sur des gradins dans un amphithéâtre, avec une excellente vue de la scène.
Exposé « Électrostatique »
À l’aide d’une machine haute tension de 350 000 V, c’est un véritable spectacle que nous proposons aux visiteurs tout en les invitant à participer à certaines expériences, notamment la fameuse expérience des cheveux qui se dressent sur la tête, ainsi que l’expérimentation avec la cage de Faraday. L’objectif de cet exposé est de familiariser le public avec les notions de base de l’électrostatique à travers des expériences spectaculaires, incluant éventuellement l’expérience de la « maison de Franklin ».
Exposé « La foudre »
Il n’est généralement pas possible de présenter toutes les expériences au cours d’une séance d’électrostatique. C’est pourquoi nous proposons certains jours un exposé spécifique de 25 minutes consacré à la foudre et aux paratonnerres. C’est au cours de cet exposé que le public peut assister à l’explosion de la « maison de Franklin »… lorsque son paratonnerre est mal installé.
Salle Champ électrique (D sur les plans)
La salle Champ électrique se présente comme un petit amphithéâtre pouvant accueillir une quarantaine de personnes.
Exposé « Quelques expériences d'électrostatique »
Au cours de cet exposé les expériences sont un peu moins spectaculaires que dans la salle Électrostatique, mais elles sont souvent très surprenantes. De plus, le matériel expérimental de cette salle permet de mieux analyser la physique en jeu dans les phénomènes électrostatiques et d’entrer davantage dans les détails des mécanismes. De nombreux sujets sont abordés : champ électrique, ionisation par effet de pointe, cylindre et cage de Faraday, condensateur démontable, bouteille de Leyde, électroscope…
Exposé « Électricité et condensateurs »
Introduction concernant les deux types de charges électriques. Comment charger un conducteur par influence. Application des notions précédentes avec le carillon et les condensateurs. Présentation d’un condensateur démontable. Notions sommaires sur le diélectrique parfait et les lignes de champ électrique (Analogie avec une cage de Faraday).
Le son
Étudiée dès l'Antiquité, l'acoustique est une très ancienne discipline qui, sur des fondements scientifiques, recouvre aussi tout un ensemble de techniques et d'applications, tant industrielles qu'artistiques. Les Grecs, avec Pythagore et ses disciples, étudient les hauteurs des sons suivant les longueurs de corde et établissent une gamme de notes, mais il faut attendre le 16è siècle pour trouver les bases du phénomène sonore. Au milieu du 17è siècle, Otto Von Guericke montre que le son ne peut pas se propager dans le vide et Newton en explique la propagation. Au début du 19è siècle, Fourier analyse des sons complexes et Helmholtz établit une première théorie de l'audition qui explique le timbre des sons. Le 20è siècle verra se développer les appareils de production et de reproduction du son ainsi que la connaissance sur l’oreille interne.
Salle Sons et vibrations (A sur les plans)
Les expérimentations que le Palais de la Découverte propose sur le thème général des vibrations sonores et mécaniques sont toutes regroupées dans une salle insonorisée et climatisée : la salle Sons et vibrations située au rez-de-chaussée à quelques mètres de la cafétéria. Un médiateur scientifique propose un spectacle interactif offrant de nombreuses possibilités d'investigation sur les vibrations mécaniques et le phénomène sonore. La rigueur scientifique et la sensibilité artistique (Utilisation d’instruments de musique) s'interpénètrent favorisant l'intérêt des personnes les moins averties. Plusieurs exposés sont proposés dans cette salle.
Exposé « Le phénomène sonore »
Lors de cet exposé, différents thèmes illustrés d’expériences peuvent être abordés :
- Découverte de l’oreille ;
- Mesure de la vitesse du son dans l’air en utilisant un tuyau de 34 mètres ;
- Diapasons et battements, effet Doppler et d’autres phénomènes selon le public ;
- Hauteur musicale, timbre en utilisant un synthétiseur sonore et des tuyaux d’orgues ;
- Expériences dans un grand tuyau : un son + un son peuvent donner le silence et comment faire sortir les sons du tuyau ?
Exposé « Tuyaux sonores et résonateurs »
- Présentation de la célèbre soufflerie d’essais construite vers 1860 par Aristide Cavaillé-Coll (1811-1899). Elle est constituée d'une cinquantaine de tuyaux d'orgue (tuyaux à bouche et à anche) alimentés par des soufflets remplis d'air qui fournissent les différents timbres du "La". Elle accompagnait le facteur d'orgues dans tous ses déplacements et lui servait de référence de mesure. Le son le plus grave correspond au "La" 55 Hz (16 pieds). Trente-deux tuyaux ont des fréquences qui sont des multiples entiers de 55 Hz ;
- Deux expériences de résonance acoustique : Résonateurs de Helmholtz, mis en résonance grâce à des sons de fréquences bien précises, rendue visible grâce à des moulinets légers ou avec une colonne d’air de longueur réglable.
Exposé « Propagation des vibrations »
- Ondes stationnaires (des nœuds et des ventres) sur une grande corde vibrante ;
- Parallèle entre la grande corde vibrante et une guitare ;
- Mise en vibration de plaques métalliques excitées par un archet et observation de figures (de Chladni) dessinées par du sable, matérialisant les lignes nodales (de non vibration) des ondes stationnaires transversales.
Exposé « Observation stroboscopique »
L’observation stroboscopique permet la visualisation de phénomènes périodiques trop rapides pour être suivis par l’œil : mouvement apparent d’un disque, d’un ressort, d’une corde vibrante.
L’électromagnétisme
Jusqu’en 1800, date à laquelle la pile a été inventée par Volta, l’électricité se résumait aux phénomènes électrostatiques. Grâce à la pile, les physiciens entament des recherches sur le courant électrique et en 1820 établissent un lien en électricité et magnétisme. C’est ainsi que naît une nouvelle branche d’étude : l’électromagnétisme. Ampère, Faraday, Lenz, Foucault… apportent chacun leur contribution dans les découvertes dont les ingénieurs s’emparent pour créer l’ère de l’électricité industrielle avec notamment d’une part les centrales électriques, d’autre part les moteurs électriques. Les exposés se déroulent dans la salle Électromagnétisme.
Salle Électromagnétisme (E sur les plans)
La salle Électromagnétisme est située au rez-de-chaussée à quelques mètres de la salle Électrostatique, et accueille en son centre un énorme électroaimant de 10 tonnes. Elle peut accueillir une trentaine de personnes prenant place sur des gradins.
Exposé « Expériences d’électromagnétisme »
Cet exposé se divise traditionnellement en deux parties. Une première au cours de laquelle les bases de l’électromagnétisme sont posées à l’aide d’un gros électroaimant de 10 tonnes pouvant délivrer un champ magnétique de 1 Tesla. Très spectaculaire, cette première partie de l’exposé fait participer des visiteurs « costauds » qui mesurent la force qu’ils sont capables d’exercer sur une barre en fer à celle qu’exerce le champ magnétique… La deuxième partie de l’exposé, encore plus spectaculaire, met en jeu des courants alternatifs très intenses avec deux moments forts : un plateau de 1 kg en lévitation - ou « plateau volant » - et une expérience où des étincelles de 1,5 mètre déchirent l’air grâce aux 1 500 000 volts délivrés par un dispositif situé juste au-dessus de la tête des visiteurs !
Magnétisme et supraconduction
L’image que peuvent fournir les programmes scolaires du magnétisme n’est malheureusement guère conforme à l’importance primordiale que revêt cette propriété de la matière étudiée depuis plus de deux millénaires. C’est au cours des années 1920 seulement - avec l’avènement de la mécanique quantique - qu’une « explication » enfin satisfaisante de ce phénomène est apportée. Près de quinze ans auparavant, les physiciens qui étudiaient les propriétés de la matière à basse température découvraient un phénomène incroyable : la conduction électrique parfaite, ou supraconduction. Au cours des années 1930, on découvre une nouvelle propriété des supraconducteurs, cette fois en rapport avec le magnétisme : leur imperméabilité au champ magnétique ou effet Meissner.
Salle Matière et magnétisme (C sur les plans)
Les démonstrations expérimentales relatives au magnétisme et à la supraconduction se déroulent dans la salle Matière et magnétisme située au rez-de-chaussée à quelques mètres de la salle Électromagnétisme. L’amphithéâtre peut accueillir une trentaine de personnes. Deux exposés sont proposés dans cette salle.
Exposé « Aimants et magnétisme »
L’objectif de cet exposé est de familiariser le public avec les principaux aspects du magnétisme ramenant à la vision microscopique de la matière. Certaines expériences, comme la visualisation des domaines magnétiques, la répulsion de l’eau par un aimant, la sustentation magnétique… sont tout à fait spectaculaires et méritent la visite de cet exposé, si toutefois on est prêt à faire un petit effort de concentration pour suivre les explications.
Exposé « La supraconduction »
Les expériences sont réalisées avec des pastilles supraconductrices YBaCuO dites « haute température ». Au programme : lévitation par courants induits, effet Meissner, « train à lévitation »…
Mécanique
Jusqu’à Galilée, on a pensé qu’une balle lancée avance - même après avoir quittée la main - parce que quelque chose continue de la pousser. Sans cela, pensait-on, la balle cesserait d’avancer. Cette conception erronée qui a perduré 2 000 ans est mise en cause au XVIIe siècle par Galilée et Newton notamment. Ces derniers établissent de nouvelles « lois du mouvements » avec lesquelles il devient possible de rendre compte à la fois des mouvements terrestres (trajectoire d’un boulet de canon par exemple) et des mouvements célestes (trajectoire de la Lune par exemple). Cela marque la naissance de la mécanique classique dont l’un des piliers est le principe d’inertie. Ce principe, souvent contre-intuitif dans ses manifestations concrètes, donne lieu à de nombreux défis expérimentaux à la fois amusants et instructifs, où l’intuition du visiteur est facilement mise en défaut. Au principe d’inertie on rattache la notion de force d’inertie, dont la force centrifuge est un exemple. C’est dans la salle de mécanique que ces notions sont abordées au cours de démonstrations expérimentales mettant en jeu un manège.
Salle Mécanique (I sur les plans)
La salle Mécanique est située au rez-de-chaussée derrière la boutique. L’exposé met en jeu un manège de 6 mètres de diamètre dans lequel une douzaine d’adultes peuvent prendre place.
Exposé « Coriolis, Foucault et son pendule »
Il s’agit de voir et surtout de comprendre pourquoi la physique mais aussi les gestes de la vie courante se déroulent de manière si différente et étrange lorsqu’on les pratique sur un plateau qui tourne. Pourquoi la force centrifuge est-elle qualifiée d’inertie, de même que la force de Coriolis ? Quel effet a la rotation de la Terre sur elle-même sur les vents, les courants marins, les avions… ? Comment Léon Foucault montre-t-il que la Terre tourne sur elle-même ? Ce sont là quelques uns des sujets abordés au cours de l’exposé. Si l’horaire le permet, un gyroscope de démonstration permet de compléter l’exposé avec une introduction à la physique en jeu dans ce remarquable appareil mis au point par Léon Foucault.
Fluides
La prise de conscience que l’air est pesant date du XVIIe siècle. C’est aussi à cette époque que l’on invente la pompe pour faire le vide, ainsi que le baromètre. À partir de cette époque, la science de l’hydrostatique n’est plus exclusivement orientée vers l’étude des liquides : elle s’intéresse désormais également aux gaz et notamment à l’atmosphère. Au XVIIIe siècle, les bases de la future théorie cinétique des gaz sont jetées et l’on commence à étudier sérieusement la physique des fluides en mouvement, ou hydrodynamique, une discipline qui permet au début du XXe siècle d’établir la théorie de la portance de l’aile. Les exposés relatifs à l’hydrostatique et à l’hydrodynamique ont lieu en salle Fluides-Chaleur.
Salle Fluides-Chaleur (S sur les plans)
La salle Fluides-Chaleur est située au premier étage à quelques mètres de la salle Pi. Elle peut accueillir une trentaine de personnes. C’est également dans cette même salle que les exposés relatifs à la thermodynamique sont présentés.
Exposé « Poussée : d’Archimède au vol des avions »
Qu'est-ce qu'un fluide ? Qu'est-ce que la pression ? Est-ce que l'air pèse ? Comment peut-on le peser ? Comment fonctionnent les ballasts d'un sous-marin ? La vessie natatoire des poissons ? Comment fonctionne une presse hydraulique ? Qu'est-ce que la pression atmosphérique ? Comment varie-t-elle avec l'altitude ? Comment fonctionne un baromètre ? Comment l'eau fait-elle pour monter dans une seringue ? Pourquoi une ventouse fait-elle ventouse ? Qu'est-ce que l'effet Venturi ? Le principe de Bernoulli ? Une panoplie d’expériences permet de répondre à toutes ces questions et à bien d’autres encore.
Exposé « Archimède et la couronne du roi »
Bien que la poussée d’Archimède soit parfois exposée au cours de la présentation « Les fluides, ça coule, ça presse », nous dédions un exposé de 30 minutes, spécifique à cette question, afin d’éclaircir cette célèbre histoire qui demeure pourtant mal connue. En fonction du public et du temps qui reste d’autres aspects de la poussée d’Archimède peuvent également être abordés à travers des expériences et des exemples, notamment la poussée d’Archimède dans l’air.
Chaleur
Jusqu’en 1760, on confondait « chaleur » et « température », et c’est ce que l’on continue de faire d’ailleurs couramment dans la vie de tous les jours. C’est l’Ecossais Joseph Black qui introduit la distinction entre ces deux notions. C’est également à lui que l’on doit la notion de « chaleur latente de changement d’état » : la chaleur qu’il faut fournir à un corps afin qu’il change d’état à température constante. Au XIXe siècle, Joule et Meyer, puis Helmholtz introduisent progressivement le principe de conservation de l’énergie qui constitue le premier principe de la thermodynamique. Pour des raisons historiques, ce premier principe a été introduit quelques dizaines d’années après le second principe, que l’on doit - du moins dans sa première formulation - à Sadi Carnot. Ce second principe est en quelque sorte un principe de « dégradation de l’énergie ». Il dit que tout en se conservant, l’énergie se dissipe inexorablement sous forme de chaleur. Les exposés relatifs à la thermodynamique où ces notions sont abordées se déroulent en salle Fluides-Chaleur.
Salle Fluides-Chaleur (S sur les plans)
La salle Fluides-Chaleur est située au premier étage à quelques mètres de la salle Pi. Elle peut accueillir une trentaine de personnes. C’est également dans cette même salle que les exposés relatifs aux fluides sont présentés.
Exposé « Changer d’état : de – 220°C à + 100°C »
C’est à travers des expériences surprenantes et spectaculaires mettant en jeu notamment de l’azote liquide (-196°C) que l’on introduit auprès du public les notions de base de la thermodynamique. Comment un liquide peut-il geler et bouillir simultanément ? Qu’est-ce que le zéro absolu ? Quelle différence y a-t-il en évaporation et ébullition ? C’est à l’ensemble de ces questions et à bien d’autres encore que l’on s’intéresse au cours de cet exposé.
Exposé « Liquéfaction des gaz »
On peut liquéfier un gaz en le refroidissant. Peut-on liquéfier un gaz en le comprimant ? C’est en tentant de répondre à cette question, et face à aux échecs répétés dans leur tentative de liquéfier notamment l’azote et l’oxygène par compression que physiciens et chimistes introduisent à tort au XIXe siècle la notion de « gaz permanent ». Pour comprendre où était leur erreur, la notion de « point critique » est essentiel. C’est au cours de cet exposé que le public découvre également l’existence de cet état de la matière que l’on appelle « hypercritique ».
Exposé relatif au second principe
En complément de l’exposé relatif aux changements d’état, nous proposons aux groupes scolaires en Tle et supérieure la présentation du second principe à travers le fonctionnement d’un moteur thermique Stirling où le cycle de Carnot et la notion de rendement sont abordés.
Physique nucléaire et des particules
Etymologiquement, le mot « atome » est censé se rapporter à une entité indivisible. Or, il y a près de cent ans, on découvre que l'atome est constitué d'au moins deux parties : le noyau atomique et un cortège électronique tournant autour de lui. On s'est ensuite rendu compte que le noyau lui-même est formé de protons et de neutrons, puis que ces derniers sont à leur tours constitués de quarks et de gluons…
Ainsi, progressivement, à partir de l'étude de l'atome émergent la physique nucléaire et la physique des particules. Le Palais de la découverte peut s'enorgueillir d'être le seul établissement de vulgarisation scientifique au monde à présenter à ses visiteurs les notions de base de la physique nucléaire et des centrales nucléaires à travers des expériences réelles. La physique nucléaire est présentée au public à travers deux exposés mettant en jeu des équipements très différents : « Les réaction nucléaires, le neutron » et « Radioactivité ».
La physique des particules est abordée à travers l'exposé « Einstein et les rayons cosmiques ». C'est dans une zone aménagée provisoirement dans la salle Optique que nous présentons les phénomènes radioactifs ainsi que la détection de particules cosmiques.
Salle Optique (W sur les plans)
La salle Optique est située au premier étage de manière symétrique au Planétarium, à quelques mètres de la salle Lumière, tout en haut des grands escaliers situés à gauche en entrant dans l'établissement. C'est dans cette salle que les exposés relatifs à la physique des noyaux et des particules sont provisoirement proposés.
Exposé « Radioactivité »
Une série d'expériences, certaines historiques, permettent de familiariser progressivement le public avec les désintégrations radioactives. L'objectif est aussi de faire comprendre aux visiteurs que la radioactivité est un phénomène naturel, que la Terre et les êtres vivants sont radioactifs. Quelques notions de radioprotection sont éventuellement abordées. Un seul chiffre permet de mieux évaluer le taux naturel des désintégrations : dans le corps d'un adulte, 8 000 noyaux se désintègrent toutes les secondes. Chacun d'entre nous est donc radioactif à titre de 8 000 becquerels !
Exposé « Einstein et les rayons cosmiques »
Nous sommes en permanence traversés par des particules dites « cosmiques » car en provenance du ciel. Plusieurs détecteurs permettent de compter leur flux au niveau du sol, et même de visualiser les trajets suivis par certaines d'entre elles. La manière dont les particules appelées « muons » apparaissent dans les hautes couches de l'atmosphère puis traversent le ciel avant d'atteindre le sol et nos détecteurs est un bon prétexte pour introduire les notions de base de la relativité einsteinienne.
Salle Nucléaire (E sur les plans)
Exposé « Les réactions nucléaires, le neutron »
Grâce à un accélérateur de particules permettant d'accélérer des noyaux de deutérium, des réactions de fusion nucléaire sont provoquées. Ces dernières produisent des neutrons. Nous les employons dans deux expériences :
- Premièrement pour irradier de l'uranium naturel afin d'en provoquer la fission, comme dans les centrales nucléaires ;
- Deuxièmement pour irradier une pièce en argent afin de transmuter certains atomes d'argent en cadmium. Tous les principes fondamentaux de la physique nucléaire peuvent être abordés à travers ces deux expériences.
Lumière et Optique
"Si nous savions ce qu'est un rayon de lumière, nous saurions beaucoup de choses" Louis de Broglie
Même si aujourd'hui encore nous ne savons toujours pas fondamentalement ce qu'est un rayon de lumière, vous pourrez trouver au Palais de la découverte, dans les salles Optique et Lumière (au total 500 m2), un ensemble d'expériences qui regroupe une partie de nos connaissances sur ce sujet. Vous serez notamment aidé par une série de présentations - six en tout.
Salle Optique (W sur les plans)
La salle Optique est située au premier étage de manière symétrique au Planétarium, tout en haut des grands escaliers situés à gauche en entrant dans l'établissement. C'est ici que se tient l'exposé relatif à la réflexion, à la réfraction des rayons lumineux et aux phénomènes de mirages.
C'est également dans cette salle que les exposés relatifs à la physique des noyaux et des particules sont provisoirement proposés.
Exposé « La marche des rayons de lumière »
Pourquoi lorsqu'il est vu à travers une loupe un objet parait plus gros ? Comment, dans un désert, se forme un mirage ? La présentation des lois de la réflexion et de la réfraction donne les clefs pour répondre aux questions précédentes et à bien d'autres. Au cours de cette présentation, un grand nombre de dispositifs d'optique sont présentés. En fonction de l'âge du public, des niveaux d'explications simples ou plus complexes sont proposés.
Exposé « Mirage »
Qu'est qu'un mirage ? Comment se forme-il ? Quels sont les mécanismes et les conditions misent en jeu dans son apparition ? Peut-on photographier un mirage ? Construit autour d'une expérience simple qui en présente un, cet exposé se donne pour but de répondre à ces questions.
Salle Lumière (Y sur les plans)
La salle Lumière est située au premier étage à quelques mètres de la salle Optique,
Exposé « Laser »
Ce mot fascine encore aujourd'hui les plus petits comme souvent les plus grands. Mais qu'est qu'un laser ? Et la lumière laser, en quoi se distingue-t-elle de la lumière naturelle ou de la lumière artificielle de nos éclairages électriques ? Comment est-elle produite ? Pour répondre à ces questions, différents lasers sont présentés et notamment un laser de puissance pour la découpe des matériaux.
Exposé « De la lumière aux ondes radios »
Depuis la création de la radio, de la télévision, et récemment des téléphones mobiles, nous « baignons » en permanence dans un océan d'ondes électromagnétiques. Qu'est ce qui caractérise ces types de rayonnement ? Comment sont-ils produits ? En quoi la lumière appartient-elle à cette famille de rayonnement ? Une multitude d'expériences avec différents émetteurs permettent de répondre précisément à ces questions.
Exposé « Lumière sur les couleurs »
Voici un phénomène si familier… Et pourtant que de questions soulève-t-il. Comment les couleurs sont-elles créées ? Sont-elles une caractéristique de la matière ? Pourquoi le mélange de couleurs avec de la lumière est-il différent du mélange de couleurs en peinture ? Pour répondre à ces questions et bien d'autres encore, le public est convié à un grand nombre d'expériences qui lui montreront notamment que les couleurs ne sont pas là où on croit qu'elles sont ! Et que les couleurs de certaines parties des plumes de paon sont d'un autre type que celles des vêtements que nous portons.
Exposé « Lumière polarisée »
La polarisation de la lumière n'est pas étudiée au collège ou au lycée, aussi est-elle peu connue du plus grand nombre. Or, elle est très souvent utilisée dans l'industrie. D'autre part, des phénomènes naturels la produisent. Nos yeux d'êtres humains ne perçoivent pas de différences entre cette lumière polarisée et la lumière naturelle. Il en n'est pas de même pour certains insectes. De plus, sa découverte et les tentatives d'explications sur sa nature tiennent une part non négligeable dans l'histoire des sciences. Voilà pourquoi nous avons tenu à en faire un sujet d'exposé.
Exposé « Onde ou corpuscule ? »
Qu'est-ce que la lumière ? Et la matière ? Sont-ils faits de grains ou sont-ils vibrations ? La lumière est onde bien sûr. Et la matière est faite d'atomes donc de grains. Des évidences que tout cela. Est-ce bien sûr ? Un grand nombre d'expériences présentent des découvertes qui ont profondément bouleversé nos conceptions des lois qui régissent la nature. En retraçant l'histoire de ces découvertes, c'est à une introduction à la physique quantique que nous vous invitons.
