Zoom : Cahier d'animation (Lycée) by Relais sciences

une balade entre les deux infinis...

Cahier de l'animation : Lycées

8 septembre 2012 • 20 janvier 2013 La Presqu'île (face au Cargö) à Caen www.relais-sciences.org Cette opération est cofinancée par l'Union européenne. L'Europe s'engage avec le Fonds européen de développement régional.

ZOOM

Une balade entre les 2 infinis Après les "Odyssées" qui ont séduit près de 80 000 personnes en Basse-Normandie, Relais d'sciences lance en septembre 2012 un nouveau cycle culturel dédié à la physique des deux infinis. Au cœur de cette programmation, une exposition phare qui associe actualités, enjeux scientifiques et technologies numériques : Zoom. Les physiciens cherchent aujourd'hui à simplifier et à unifier les différents modèles théoriques utilisés pour décrire les lois de la physique de la matière. L'objectif ultime, et semble-t-il inaccessible, de ces recherches serait une théorie unifiant toutes les précédentes et décrivant l'organisation de la matière à toutes les échelles. Dans cette œuvre, les acteurs de la recherche fondamentale ont traversé plusieurs révolutions conceptuelles. Aujourd'hui, les théories en vigueur sont de nature souvent insaisissable : mécanique quantique, antimatière, théorie des cordes, ... Leur compréhension par le plus grand nombre n'en est que plus délicate. Pourtant, les sciences physiques portent des enjeux publics majeurs qui conditionnent l'évolution de notre société. Energie, technologie, santé, ces questions doivent être plus largement partagées et débattues avec la population. C'est à ce dialogue que Relais d'sciences invite les publics. C’est d’ailleurs pour cette raison qu’un médiateur est constamment présent dans l’exposition. Il aide le visiteur tant dans le contenu que dans la forme, il facilite la prise en main des machines et permet la compréhension des consignes d’utilisation et surtout il répond aux questions et apporte des précisions vis à vis du contenu scientifique. Il a à sa disposition des expérimentations vivantes qui peuvent illustrer son propos.

Retrouvez tout le programme sur www.relais-sciences.org

Zoom, balade entre les infinis

Malgré la présence du dispositif numérique et la relative autonomie d’exploitation des modules, la place des médiateurs reste indispensable.

NOTIONS & CONTENUS

Une balade entre les 2 infinis L’exposition “Zoom” propose une plongée dans l’intimité de la matière pour évoquer des concepts de physique et des enjeux de société en écho aux notions abordées dans les programmes scolaires. Partie 1

Les briques élémentaires de la matière Si les lois physiques sont universelles en tout point de l’Univers, certaines peuvent être considérées comme dominantes ou négligeables suivant l’échelle à laquelle les scientifiques s’intéressent. Pour se représenter ces lois et ces briques élémentaires, les physiciens s’appuient sur le “Modèle standard”… Existe-t-il une théorie unique pour décrire tout l’Univers ? D'une particule jusqu’à l’immensité de l’Univers, difficile de se représenter la matière qui nous compose et nous entoure. Les physiciens tentent pourtant de comprendre les lois qui gouvernent notre Univers et de les intégrer dans un système cohérent. Au fil du temps, ils ont ainsi élaboré différentes théories. Ces lois, censées être universelles, sont cependant incomplètes. Les chercheurs n’ont pas d’autre choix que de trouver de nouveaux cadres de pensée pour avancer dans leur quête d’une théorie "du tout". Quelles sont les briques élémentaires de la matière ? Pour décrire toute la matière de l’Univers, il ne faut aux chercheurs que 12 briques élémentaires. Si on y ajoute le ciment des 5 particules qui véhiculent les 3 forces fondamentales de l’Univers, on obtient l’édifice théorique le plus compact jamais conçu pour décrire la matière. Cette théorie, baptisée “Modèle standard”, tient à l’expérimentation mais deux pièces manquent encore au puzzle : l’observation du Boson de Higgs et l’unification du modèle avec la force de gravité.

La matière à différentes échelles : du noyau à la galaxie

Zoom, balade entre les infinis

Partie 2

La condensation de la matière L’association des particules, juste après le Big Bang, a permis la condensation de la matière sous la forme des premiers noyaux d’atomes. Par la suite, la matière s’est condensée au cœur des étoiles et des supernovæ. Nous sommes tous constitués de ces poussières d’étoiles…

Qu’est-ce que la Vallée de la stabilité ? On estime à 257 le nombre de noyaux atomiques stables. Chacun de ces noyaux peut également exister sous des formes plus instables, les isotopes. Depuis la naissance de l’Univers, plusieurs milliers d’isotopes apparaissent et se désintègrent presque instantanément. Pour étudier cette diversité, les physiciens répartissent ces noyaux stables et instables dans une carte appelée “Vallée de la stabilité”.

Comment se forment les noyaux au cœur des étoiles ? Tous les noyaux n’existent pas depuis la naissance de l'Univers. Les plus légers, comme l’hydrogène et l’hélium, sont apparus il y a 14 milliards d'années lors du Big Bang. Les noyaux plus lourds, comme le carbone, se sont formés plus tard au cœur des étoiles alors que les atomes très lourds, comme l’uranium, ont été produits et disséminés lors de leurs explosions. Ces phénomènes intéressent aussi bien les physiciens nucléaires que les astronomes.

Les éléments chimiques présents dans l'Univers

Partie 3

Une matière qui rayonne Un rayon est une particule en mouvement qui véhicule de l’énergie. Un rayonnement issu du Big Bang et des étoiles nous inonde quotidiennement. Une grande partie de ces rayons est transportée par les photons. C’est ce même type de rayonnement qui est produit lors des réactions nucléaires… Comment fonctionne une centrale nucléaire ? La fusion de noyaux atomiques se déroule de nos jours au cœur des étoiles. Jusqu’à une certaine taille de noyaux, cette fusion libère de l’énergie. Au delà, elle en absorbe. En “cassant” de gros noyaux, on peut libérer cette énergie : c’est la fission mise en œuvre dans nos centrales. À l’inverse, dans les projets de centrale comme ITER, on tente de faire fusionner de petits noyaux pour produire l’énergie. Ce procédé est loin d’être appliqué faute de savoir maîtriser des réactions mais l’enjeu est majeur puisque le combustible serait quasi illimité et la production de déchets diminuerait radicalement.

Les rayonnements dans l'Univers

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Quels sont les rayons qui nous traversent ? Nous baignons dans des rayonnements d'origines et de natures différentes créés au cœur des étoiles, par les roches, par des appareils, par des installations nucléaires voire par notre propre corps… Certains rayons nous traversent, d'autres sont stoppés par une simple feuille de papier. D’autres encore peuvent pénétrer la matière et s’y arrêter en libérant toute leur énergie. C’est pourquoi, si la compréhension et l’utilisation des rayonnements ouvrent sur de nombreuses applications en termes de santé, d’industrie et d’énergie, la maîtrise des risques associés est un enjeu de société.

EXPOSITION

Une balade entre les 2 infinis TECHNOLOGIES

Un parcours numérique L’exposition est constituée de 6 machines numériques et interactives dotées de technologies innovantes pour offrir une image dynamique des modèles scientifiques complexes et rendre les élèves acteurs de leur découverte. Àccueil des groupes Un médiateur scientifique est présent en permanence pour accueillir les groupes, les accompagner dans la manipulation des machines et faciliter leur accès aux contenus.

SALLE 2

Vallée de la stabilité À l 'aide de tablettes tactiles, le visiteur visionne des vidéos de la Vallée de la stabilité. D'autres visiteurs peuvent littéralement surfer dans cette vallée grâce au système de balance board.

Poussières d'étoiles Sur un écran, une étoile explose en supernova à l'approche des visiteurs grâce à un système de motion capture par Kinect®. Les résidus de cette explosion interagissent avec le visiteur, épouse son profil et ses mouvements.

SALLE 3

Ces rayons qui nous traversent Une machine à brouillard nous révèle le rayonnement cosmique. En parallèle, le visiteur insère dans une case des objets qui déclenchent, grâce à la technologie NFC, des séquences d'information sur les rayonnements.

Cœur de centrale Le visiteur reconstitue le fonctionnement d'une centrale nucléaire en plaçant des cartes aux formes simples sous une caméra infrarouge. Ce puzzle prend forme en temps réel devant le visiteur lorsque la construction est fonctionnelle.

SALLE 1

D'un infini à l'autre À l 'aide de ses doigts, sur une table tactile, le visiteur navigue entre l'infiniment grand et l'infiniment petit en faisant apparaître des contenus sur les travaux de recherche menés aux différentes échelles de l'Univers.

Particules élémentaires Le visiteur manipule de simples cubes mais à l'écran, ce sont des particules élémentaires qui apparaissent grâce à un système combiné de motion capture par tracking et de réalité augmentée.

Zoom, balade entre les infinis

Surf dans la Vallée de la stabilité : Les machines s'appuient sur les codes des jeux vidéos pour introduire les notions scientifiques complexes.

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ANIMATION

Objectifs pédagogiques Objectifs généraux Voyager entre le monde de l’infiniment grand et l’infiniment petit. Trouver des points communs entre les physiques de ces différentes échelles. Commencer à aborder la physique des particules en la mettant en lien avec les autres objets (plus gros) qu’ils connaissent déjà. Faire découvrir des questions qui animent encore les physiciens aujourd’hui et les laboratoires basnormands. Découvrir le modèle standard. Découvrir les particules véhiculant les interactions fondamentales. Découvrir la physique nucléaire et la radioactivité. Découvrir les constituants du noyau. Appréhender la notion de la Vallée de la stabilité. Observer une explosion de supernova. Faire la différence entre la fusion et la fission nucléaire et comprendre le fonctionnement d’une centrale nucléaire. Découvrir la radioactivité naturelle. Découvrir un exemple de rayonnement : le téléphone portable. Découvrir une machine qui permet de visualiser le rayonnement cosmique. Exprimer une approche sensible des phénomènes physiques. Etre autonome avec les nouveaux outils numériques. Prendre du plaisir.

Liens avec le programme scolaire "De la seconde à la terminale, les enseignements scientifiques aident à la construction d'une culture scientifique commune, participent à la formation de l'esprit critique et à l'éducation citoyenne" (programme de SVT).

Seconde générale et technique : Physique

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La santé Le diagnostic médical : l’analyse de signaux périodiques, l’utilisation de l'imagerie et des analyses médicales permettent d’établir un diagnostic. Des exemples seront pris dans le domaine de la santé (électrocardiogramme, électroencéphalogramme, radiographie, échographie, fibroscopie, ...). L’observation de résultats d’analyses médicales permet d’introduire les notions de concentration et d’espèces chimiques ainsi que des considérations sur la constitution et la structure de la matière.

L’Univers L’Homme a de tout temps observé les astres afin de se situer dans l’Univers. L’analyse de la lumière émise par les étoiles lui a permis d’en connaître la composition ainsi que celle de leur atmosphère et de la matière interstellaire. L’étude du mouvement des planètes autour du Soleil l’a conduit à la loi de gravitation universelle. Il apparaît ainsi que le monde matériel présente une unité structurale fondée sur l’universalité des atomes et des lois. Une première présentation de l’Univers : le remplissage de l’espace par la matière est essentiellement lacunaire aussi bien au niveau de l’atome qu’à l’échelle cosmique. Les dimensions de l’Univers sont telles que la distance parcourue par la lumière en une année est l’unité adaptée à leur mesure. Les étoiles : l’analyse de la lumière provenant des étoiles donne des informations sur leur température et leur composition. Cette analyse nécessite l‘utilisation de systèmes dispersifs. Les éléments chimiques présents dans l’Univers : au sein des étoiles se forment des éléments chimiques qui font partie des constituants de l’Univers. La matière qui nous entoure présente une unité structurale fondée sur l'universalité des éléments chimiques. Le système solaire : l’attraction universelle (la gravitation universelle) assure la cohésion du système solaire. Les satellites et les sondes permettent l’observation de la Terre et des planètes.

Seconde générale et technique : Méthodes et pratiques scientifiques Science et prévention Science et prévention des risques d’origine humaine. Sécurité et rayonnements. Radiographie Radioactivité Téléphonie mobile ... Science et vision du monde L’œil est le premier outil d’observation du monde. La vision reste toutefois limitée à un périmètre et à une gamme d’échelle réduits. Grâce aux progrès scientifiques et techniques, ces contraintes sont progressivement tombées : la loupe a permis d’observer des détails invisibles à l’œil nu, les lunettes astronomiques et les télescopes ont donné l’accès à de grandes distances, les ballons dirigeables et autres avions ont mené un travail d’observation depuis les airs. Aujourd’hui l’utilisation de techniques très variées comme la microscopie et les images satellitaires permet une vision inédite du monde en révélant un système aux dimensions infiniment petites ou infiniment grandes. L’objectif de ce thème est d’explorer différents outils et techniques scientifiques permettant d’approcher la notion d’image et de comprendre comment ces images aboutissent à une vision du monde. Différents types d’entrée dans le thème : Voir la Terre (images satellitaires, photographies aériennes, géo-localisation…), voir l’intérieur du corps (techniques d’imagerie…), voir l’infiniment grand, voir l’infiniment petit (planètes, étoiles, molécules, atomes, cristaux, quasi-cristaux…).

Première S : Physique Observer Couleurs et images, Sources de lumière colorée Comprendre Lois et modèles : Quelles sont les causes physiques à l’œuvre dans l’Univers ? Quelles interactions expliquent à la fois les stabilités et les évolutions physiques et chimiques de la matière ? Quels modèles utilise-t-on pour les décrire ? Quelles énergies leur sont associées ? Cohésion et transformations de la matière : La matière à différentes échelles, Particules élémentaires, Charge élémentaire e, Interactions fondamentales, Radioactivité naturelle et artificielle, Lois de conservation dans les réactions nucléaires, Défaut de masse, énergie libérée, Réactions nucléaires et aspects énergétiques associés. Ordre de grandeur des énergies mises en jeu. Agir Défis du XXIème siècle. En quoi la science permet-elle de répondre aux défis rencontrés par l’Homme dans sa volonté de développement tout en préservant la planète ?

Le défi énergétique L’exercice de la responsabilité en matière de développement durable repose sur l’analyse des besoins et des contraintes et sur la recherche de solutions nouvelles à court, moyen ou long terme. Pour cela, les sciences expérimentales apportent leur contribution en permettant en particulier de comprendre qu’aucun développement ne sera durable s’il ne recherche, entre autres : la disponibilité et la qualité des ressources naturelles, la maîtrise des ressources énergétiques, la gestion des aléas et risques naturels et/ou industriels et l’optimisation de la gestion de l’énergie.

Terminale S : Physique Observer Rayonnements dans l'Univers Absorption de rayonnement par l'atmosphère terrestre

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Première ES/L : Sciences

Energie, matière et rayonnement Du macroscopique au microscopique Constante d’Avogadro. Dualité onde-particule Photon et onde lumineuse. Particule matérielle et onde de matière ; relation de de Broglie. Interférences photon par photon, particule de matière par particule de matière. Agir, défis du XXIème siècle En quoi la science permet-elle de répondre aux défis rencontrés par l’Homme dans sa volonté de développement tout en préservant la planète ? Économiser les ressources et respecter l’environnement Enjeux énergétiques. Nouvelles chaînes énergétiques. Économies d’énergie.

Terminale STI2D/STL : physique Habitat Modèle corpusculaire de la lumière, le photon. Énergie d'un photon. Santé Quelques outils du diagnostic médical. Ondes électromagnétiques ; rayonnements gamma, X, UV, visible, IR.- Classer les ondes électromagnétiques selon leur fréquence, leur longueur d’onde dans le vide et leur énergie. Absorption et transmission des ondes électromagnétiques. Prévention et soin. Radioactivité. Isotopes. Activité. Décroissance radioactive et demi-vie. Protection contre les risques de la radioactivité.

Terminale STL : PCL Des ondes pour observer et mesurer Observer : voir plus grand Observer : voir plus loin

EN BREF...

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Synthèse des programmes scolaires pour le lycée

Les thèmes concernés par l’exposition : • Seconde générale et technique : Physique (la santé, l’Univers), Méthodes et pratiques scientifiques (science et prévention, science et vision). • Première ES/L : le défi énergétique • Première S : observer (sources de lumière colorée), comprendre (cohésion et transformations de la matière), agir (convertir l’énergie et économiser les ressources, créer et innover) • Terminale S : observer (ondes et matière), comprendre (énergie, matière et rayonnement), agir (enjeux énergétiques, …) • Terminale STI2D/STL : habitat (gestion de l’énergie dans l’habitat), santé (quelques outils du diagnostic médical, prévention et soin) • Terminale STL/PCL : des ondes pour observer et mesurer (voir plus grand, voir plus loin)

Médiation technologique : Les élèves sont encouragés dans l'apprentissage des nouvelles technologies par la mise à disposition de tablettes tactiles.

ANIMATION

Un carnet de voyage Pour que chaque élève profite au maximum de sa visite, Relais d'sciences propose des créneaux d'ouverture dédiés aux publics scolaires. Chaque groupe bénéficie ainsi d'une visite accompagnée par un animateur scientifique. Le concept L’animation, d’une durée d‘1h15 environ, s’articule autour d’un carnet de voyage. La classe, séparée en 3 groupes, utilise un iPad pour le compléter. Chacun des 3 groupes possédant un iPad, est responsable de celui-ci durant toute la visite. Chaque groupe peut restituer sa balade en y intégrant ses commentaires et ses photographies. Le carnet de voyage est édité sur le logiciel "Pages", afin de pouvoir facilement y intégrer les réflexions. L’animateur explique brièvement la méthode d’utilisation.

Il se compose de thèmes rédigés sous forme de questions afin d’orienter les élèves dans leurs recherches. Ce principe d’animation s'appuie sur une approche sensible et une façon différente d’aborder la physique à l’aide de supports variés tels que les photos, les vidéos, les dessins, et encourage les lycéens, à la fois dans l’expression écrite et dans l’interactivité avec les machines rencontrées. Le carnet de voyage permet de découvrir l’ensemble des trois salles de l’exposition. Les lycéens peuvent faire le choix de se concentrer sur certaines interrogations plutôt que sur d’autres. Ce format de visite implique une coopération de la part des élèves dans cette recherche de l’information (on estime que 3 à quatre personnes peuvent interagir avec la tablette tactile en même temps). L’animateur et les accompagnateurs peuvent orienter chaque groupe et aider ses membres à se répartir les tâches : s’occuper de l’aspect rédactionnel et rechercher l’information en étant acteur. Durant la visite, l’animateur et les accompagnateurs se déplacent parmi les groupes afin de les inciter à utiliser les applications et vérifier la compréhension des contenus. De plus, des expérimentations rapides et concrètes peuvent être envisagées par l’animateur. Les trois carnets de voyages ainsi constitués sont envoyés par mail (format pdf ) à l’enseignant afin qu’ils puissent poursuivre ou s’appuyer sur cette visite. La conclusion de cette visite est réalisée avec la participation de la classe entière, chaque groupe expliquant un phénomène marquant de la dernière salle visitée. L’animateur peut alors donner des précisions sur ces phénomènes et les mettre en relation.

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Le déroulement Chaque groupe commence la visite dans des salles différentes et reste dans chacune d’entre elles une quinzaine de minutes. Dans chaque tablette se trouve un carnet de voyage à remplir avec l’ensemble des questions qui s’organise de la manière suivante :

Chaque classe a un dossier au nom de l’établissement. Pour chacune des salles un ensemble de questions est disponible dans ce dossier, chaque question étant nommée par la salle où la trouver et le nom de la question, exemple : "S1 Matière" correspond à la salle 1 La matière est-elle identique pour tous les objets de l’Univers ?. Pour préparer sa visite : Prévoir de séparer la classe en trois groupes homogènes en prenant soin de mettre des utilisateurs d’iPad dans chacun des groupes. Accompagner ces groupes pour les encadrer et les aider à accéder à l’information. On recommande un enseignant dans chaque salle si possible, l’animateur se déplaçant constamment dans les trois salles. Prendre connaissance du contenu du carnet de voyage pour orienter le choix des questions suivant le programme suivi en classe.

Le contenu du carnet de voyage Objectifs de la salle 1 Voyager entre le monde de l’infiniment grand et l’infiniment petit. Trouver des points communs entre les physiques de ces différentes échelles. Commencer à aborder la physique des particules en la mettant en lien avec les autres objets (plus gros) qu’ils connaissent déjà. Faire découvrir des questions qui animent encore les physiciens aujourd’hui et les laboratoires bas-normands. Découvrir le modèle standard. Découvrir les particules véhiculant les interactions fondamentales. S1 Matière Touchez la table tactile et naviguez entre les 2 infinis. Indice : photo de l'échelle où se trouve la réponse. La matière est-elle identique pour tous les objets de l'Univers ? La matière est la même partout ! Qu'elle nous constitue ou nous entoure, elle est identique à celle du soleil, de planètes ou d'astéroïdes. Cette matière est constituée de petites briques, les atomes, associées dans différentes proportions. C'est l'histoire de l'Univers qui explique ces différences. Par exemple, le soleil est constitué principalement d’atomes d’hydrogène et d’hélium, alors que certains astéroïdes contiennent essentiellement des métaux (fer, nickel). Au début l’hydrogène et l’hélium étaient les seuls éléments présents. Petit à petit, d'autres se sont différenciés via des réactions nucléaires qui se produisent au cœur des étoiles.

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L’atome est-il le constituant le plus petit de l’Univers ou est-il lui-même composé d’éléments encore plus petits ? Le noyau de l'atome est formé de protons et de neutrons liés par une interaction forte. Ce noyau détermine la quasi-totalité de la masse atomique de l'atome. Il occupe pourtant un tout petit volume : 0,000.000.000.000.001 mètre de diamètre. Autour du noyau gravite un nuage d'électrons qui peut s'étendre assez loin dans l'espace. Ce nuage détermine la forme et la taille de l'atome : environ 0,000.000.001 mètre. La taille du noyau par rapport à l'atome est donc comparable à celle d'un brin d'herbe sur un terrain de foot. Autant dire qu'un atome est principalement fait... de vide !

S1 Matière noire Touchez la table tactile et naviguez entre les 2 infinis. Indice : photo de l'échelle où se trouve la réponse. Qu’est-ce qu’une galaxie ? Si la Voie lactée ou même la galaxie d'Andromède nous semblent familières, que recouvrent-elles ? Un ensemble d'étoiles, de gaz et de poussières qui fonctionnent en systèmes indépendants mais dont la cohésion est assurée par la force de gravitation. Les galaxies existent sous 2 formes : en spirale ou en ellipse. Les chercheurs qui étudient ces objets sont confrontes à un problème de taille : le mouvement des galaxies - qui s'éloignent les unes des autres - est remis en cause par des calculs de masse. Une question que se posent encore les physiciens, qu’est-ce que la matière noire ? Les amas de galaxies sont trop lourds par rapport à la matière qu'il contiennent, ce qui signifie qu'il y a autre chose qu'on ne voit pas baptisé : "Matière ou Energie noire". S1 Laboratoires Touchez la table tactile et naviguez entre les 2 infinis. Indice : photo de l'échelle où se trouve la réponse. Qu’est-ce que le GANIL et le LPC ? Qu’ont-ils en commun ? Le Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), installé à Caen, est l'un des quatre grands laboratoires au monde dédié à la recherche avec des faisceaux d'ions. Il est co-géré par deux organismes de recherche le CEA/DSM et le CNRS/IN2P3. Ses domaines d'expérimentation sont très larges : radiothérapie, physique de l'atome et de son noyau, matière condensée, astrophysique... Le GANIL a permis de nombreuses découvertes sur la structure du noyau de l'atome et les noyaux que l'on dit exotiques, car n'existant pas à l'état naturel sur Terre. Le GANIL compte 250 permanents. Il accueille chaque année près de 700 chercheurs du monde entier. Le Laboratoire de Physique Corpusculaire (LPC) dépend du CNRS (via l'Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules), de l'Université de Caen Basse-Normandie et de l'Ecole Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen et Centre de Recherche. Son activité principale concerne la recherche fondamentale. Le LPC étudie les forces à l'œuvre dans les noyaux des atomes afin de comprendre les mécanismes responsables de leur formation. Ses domaines de recherche s'étendent de la radio et l'hadronthérapie jusqu'à la mise en évidence d'indices d'une nouvelle physique, au-delà du Modèle standard. Ces deux laboratoires sont installés à Caen et leur domaine de recherche est celui de la physique. S1 Briques Choisissez un des 3 premiers cubes, jouez pour accéder aux informations à la fin du jeu. Prenez en photo l'une des particules élémentaires et nommez-la. Pourquoi l'avez-vous choisi ? Les particules élémentaires présentes dans l'application sont le Boson, le Boson de Higgs, le Gluon, l'Electron, le Graviton, le Neutrino et le Photon.

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S1 Forces fondamentales Choisissez un des 3 premiers cubes, jouez pour accéder aux informations à la fin du jeu. Indice : photo du cube dans lequel se trouve la réponse. Reliez chacune de ces quatre particules à l’interaction fondamentale qu’elle véhicule : Le photon = force électromagnétique, les bosons W+, W- et Z0 = interaction faible, le graviton = force gravitationnelle et le gluon = interaction forte

S1 Proton/Neutron Choisissez un des 3 premiers cubes, jouez pour accéder aux informations à la fin du jeu. Indice : photo du cube dans lequel se trouve la réponse. Qu’est-ce qui compose les protons et les neutrons ? Les protons et les neutrons ne sont pas les plus petites particules du noyau atomique. Il est possible de les casser en particules plus petites : les quarks. Les physiciens ont identifié six quarks différents. Ceux que l'on retrouve dans les protons et les neutrons sont les quarks up et down. Les quarks up ont une charge électrique de +2/3 et les quarks down de -1/3. Un proton comprend 2 up et 1 down, qui lui confèrent sa charge électrique positive. Cette composition est inverse pour un neutron, lui donnant sa neutralité électrique. La force nucléaire qui colle les quarks entre eux est l'interaction forte, véhiculée par une autre particule : le gluon !

Objectifs de la salle 2 Découvrir la physique nucléaire et la radioactivité. Découvrir les constituants du noyau. Appréhender la notion de la Vallée de la stabilité. Observer une explosion de supernova. S2 Plomb en or Trouvez la vidéo parmi les 4 pour répondre aux questions. Indice : photo de la vidéo dans laquelle se trouve la réponse. Que contiennent les noyaux des atomes ? Les noyaux contiennent des neutrons et des protons. Peut-on transformer le plomb en or ? Si oui, comment ? La structure des noyaux atomiques est complexe mais leur composition est simple : des protons et des neutrons. Si l'on parvient à en ajouter ou en enlever, il est alors possible de transformer les noyaux. C'est ainsi que le Plutonium a été créée à partir de l'Uranium qui était alors le noyau le plus lourd connu sur Terre. Ainsi, en arrachant un proton au Mercure 198, on obtient un noyau de 79 protons et 118 neutrons : l'Or 197 ! On peut également l'obtenir par manipulation du Plomb 200 et de l'Iridium 193. Cependant, toutes ces méthodes sont trop peu efficaces et coûtent trop cher pour être exploiter à une grande échelle ! S2 Vallée Trouvez la vidéo qui vous permettra de compléter les informations manquantes.

S2 Explosion d'étoiles Reproduisez les mouvements demandés. Faites exploser une supernova et prenez-la en photo avant et après.

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La Vallée de la stabilité est une représentation graphique des noyaux atomiques. Ces noyaux sont classés en fonction de leur énergie de cohésion (hauteur des cubes) et en fonction de leur nombre de (X) et leur nombre de (X). Au centre de la Vallée (en noir) apparaissent les noyaux (X) tels que l'hydrogène ou le fer. A la périphérie (en bleu, en rose, ...) apparaissent les noyaux (X). La Vallée de la stabilité est une représentation graphique des noyaux atomiques. Ces noyaux sont classés en fonction de leur énergie de cohésion (hauteur des cubes) et en fonction de leur nombre de neutron et leur nombre de proton. Au centre de la Vallée (en noir) apparaissent les noyaux stables tels que l'hydrogène ou le fer. A la périphérie (en bleu, en rose,...) apparaissent les noyaux instables.

S2 Noyaux d'étoiles Regardez la vidéo. Indice : photo de la vidéo dans laquelle se trouve la réponse. Comment se forment les noyaux au cœur des étoiles ? Quels sont les noyaux les plus légers ? A quel moment se forment les plus lourds ? Tous les noyaux ne sont pas nés en même temps que l'Univers. Les plus légers, comme l'hydrogène et l'hélium, sont apparus peu après le Big Bang. Les plus lourds, comme le carbone, se forment encore aujourd'hui au coeur d'étoiles relativement calmes. Les noyaux très lourds, comme l'uranium, sont produits et disséminés dans l'espace lors d'explosions d'étoiles. Des collisions entre atomes, rayonnements cosmiques et nuages de gaz interstellaires produisent aussi des noyaux, comme le lithium. Cette formation de la matière intéresse autant les spécialistes en physique nucléaire qu'en astronomie.

Objectifs de la salle 3 Faire la différence entre la fusion et la fission nucléaire et comprendre le fonctionnement d’une centrale nucléaire. Découvrir la radioactivité naturelle. Découvrir un exemple de rayonnement : le téléphone portable. Découvrir une machine qui permet de visualiser le rayonnement cosmique. S3 Fusion/Fission Illustrez la fusion et la fission ? Expliquez-en les différences ? La fission est la ‘"cassure" d’un noyau très lourd en deux noyaux de taille moyenne. Certains noyaux le font spontanément mais pour d’autres, les chercheurs doivent les bombarder avec des neutrons pour les casser. C’est ce qui se passe dans une centrale nucléaire où l’on bombarde des barres d’uranium 235 et de plutonium 239. Deux noyaux plus petits et des neutrons sont alors libérés avec une forte énergie. Les neutrons libérés vont à leur tour percuter d’autres noyaux d’uranium et de plutonium : c’est la réaction en chaîne ! S3 Corps radioactif Trouvez l’objet correspondant à la question et posez-le sur le cercle sous la télévision pour accéder à l’information. Indice : photo de l’endroit où il faut poser l’objet. Notre corps contient-il des noyaux radioactifs ? Eh oui ! Dans notre squelette, on trouve par exemple du potassium, qui existe naturellement sous forme instable (le potassium 40). Pour un être humain de 70 kg, le nombre de noyaux de potassium 40 qui se désintègrent dans notre squelette chaque seconde, se situe autour de 4.500 Becquerel ! Cela correspond à 16% de notre exposition naturelle aux radiations, le reste étant lié essentiellement à des gaz radioactifs contenus dans les murs des habitations et aux rayonnements terrestre et cosmique. Mais pas de panique, nous sommes capables de supporter ça. Ce sont les doses de radiations qui s'ajoutent à cette exposition naturelle qu’il faut limiter autant que possible. Expérimentation possible avec le dosimètre. Test de la radioactivité naturelle.

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S3 Mesure de la radioactivité Trouvez l'objet correspondant à la question et posez-le sur le cercle sous l'écran pour accéder à l'information. Indice : photo de l'endroit où il faut poser l'objet. Comment mesure-t-on les effets des rayonnements sur le corps humain ? Plusieurs unités de mesure de la radioactivité coexistent et se complètent. Le becquerel mesure le nombre de désintégrations par seconde. Une dose absorbée se mesure en gray. Enfin, une mesure en sievert traduit l'effet produit.

S3 Téléphone portable Trouvez l’objet correspondant à la question et posez-le sur le cercle sous la télévision pour accéder à l’information. Indice : photo de l’endroit où il faut poser l’objet. Pourquoi peut-on dire que les téléphones portables rayonnent ? Sur une notice de téléphone portable, il est écrit qu’il faut éviter de l’approcher du bas du ventre ou de le garder trop longtemps à l’oreille. Pourquoi ? Parce que ces objets – qui font aujourd’hui partie de notre quotidien – émettent et reçoivent des rayonnements pour fonctionner : un rayonnement électromagnétique entre les téléphones et des antennes relais. Depuis environ dix ans, plusieurs études tentent de mettre en lumière la nocivité de ces ondes car des chercheurs pensent qu’il pourrait y avoir des conséquences sur notre santé, comme des maux de tête jusqu’à l’apparition de certains cancers. Pour autant, le sujet fait toujours débat à l’heure actuelle. S3 Brouillard Observez ce qui se passe dans la chambre à brouillard. Photographier une machine qui permet de visualiser le rayonnement cosmique. Nommez-la. Des rayonnements cosmiques de haute énergie sont générés en permanence au cours de phénomènes astrophysiques violents. Ces rayonnements interagissent avec notre atmosphère. Ils y déclenchent une cascade de réactions successives qui produisent une véritable douche de plusieurs centaines de milliards de particules au niveau du sol. Ces rayonnements ionisants affectent tous les être vivants depuis leur apparition sur Terre et contribue ainsi à l'évolution des espèces. L’échantillon de matière provenant d'au-delà du Système solaire, ces rayonnements témoignent des origines de l'Univers.

Fin du voyage

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En guise de conclusion, l’animateur reprend trois éléments marquants des dernières salles visitées et complète avec des informations supplémentaires. Les sciences physiques portent des enjeux publics majeurs qui conditionnent l'évolution de notre société. Energie, technologie, santé, ces questions doivent être plus largement partagées et débattues avec la population.

RESSOURCES

Bibliographie Livres Voyage au cœur de la matière NEPAL, Belin, CNRS Editions,Croisée des sciences, 2002. Combien de particules dans un petit pois ? François Vannucci, Editions Le Pommier, Les Petites Pommes du Savoir n°30. Que cache l’électron ? Jean-Louis Bodin, Editions Le Pommier, Les Petites Pommes du Savoir n°80. Peut-on casser l’atome ? Jean-Marc Cavedon, Editions Le Pommier, Les Petites Pommes du Savoir n°111. Des séquoias dans les étoiles Philippe Chomaz, EDP Sciences, 2002. Qu’y a-t-il dans un réacteur nucléaire ? Jean-Marc Cavedon, Editions Le Pommier, Les Petites Pommes du Savoir n°59. Le neutrino, particule ordinaire ? Thierry Stolarczyk, Editions Le Pommier, Les Petites Pommes du Savoir n°101. Les neutrinos vont-ils au paradis ? François Vannucci, EDP Sciences, 2002. La radioactivité est-elle dangereuse ? Jean-Marc Cavedon, Editions Le Pommier, Les Petites Pommes du Savoir n°8. Quelles solutions pour nos déchets nucléaires ? Stéphane Gin, Editions Le Pommier, Les Petites Pommes du Savoir n°78.

Revues Sciences et vie découvertes Comment ça marche Le monde des ados Article sur le nucléaire dans le n°255, avec un dossier Fred et Jamy dans chaque numéro.

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Science & Vie La recherche Pour la science

RESSOURCES

Webographie La physique et son actualité Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) Acteur majeur de la recherche, du développement et de l'innovation, le CEA intervient dans quatre grands domaines : énergies bas carbone (nucléaire et renouvelables), défense et sécurité, technologies pour l’information et technologies pour la santé. De nombreux thèmes sont abordés, les métiers de la recherche détaillés et des animations, expériences sont disponibles. Une zone pour les enseignants met à disposition des ressources documentaires. Lien : http://www.cea.fr/jeunes Centre Saclay Le centre CEA de Saclay est un des 10 centres de recherche du CEA. Il constitue un centre de recherche et d'innovations de premier plan au niveau européen. Plus de 6000 personnes y travaillent. Il joue un rôle majeur dans le développement économique régional. Pluridisciplinaire, il exerce ses activités dans des domaines tels que l'énergie nucléaire, les sciences du vivant, les sciences de la matière, le climat et l'environnement, la recherche technologique et l'enseignement. On y trouve notamment des thèmes comme la science pour tous, des conférences enregistrées à destination des juniors et les actualités de la recherche. Lien : http://www-centre-saclay.cea.fr/fr Le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC, Large Hadron Collider) Le LHC, ouvert depuis le 30 mars 2010, est situé dans un anneau de 27 kilomètres et enterré à 100 m sous terre à la frontière franco-suisse, près de Genève. Le LHC est désormais le plus puissant des accélérateurs de particules au monde. Des protons (ou des ions) de très haute énergie circulant dans deux faisceaux tournants à contre-sens se choquent les uns contre les autres, dans le but de rechercher des indices de la supersymétrie, de la matière noire et de l’origine de la masse des particules élémentaires. Une explication du fonctionnement avec une vidéo très claire, des implications et enjeux, et des expériences sont disponibles sur le site. Une BD de Lison Bernet reprend les thèmes abordés de façon décalée et ludique, cf lien bandes dessinées. Lien : http://www.lhc-france.fr/ Centre d’étude sur l’Evaluation de la Protection dans le domaine Nucléaire (CEPN) Regroupant EDF, AREVA, IRSN et CEA, le CEPN est une association à but non lucratif, fondée en 1976, pour évaluer la protection de l’homme contre les dangers des rayonnements ionisants, sous ses aspects techniques, sanitaires, économiques et sociaux. Lien : http://www.cepn.asso.fr/

Laboratoire de Cristallographie et Science des Matériaux (CRISMAT) Le laboratoire CRISMAT est une Unité Mixte de Recherche (UMR 6508) du CNRS et de l’Ecole Nationale Supérieure d’Ingénieurs de Caen, ENSICAEN. Créé sous la forme d’une URA en 1986 par le Prof. B. Raveau puis devenu UMR en 1996, le laboratoire est rattaché principalement au Département Chimie du CNRS (80%) et il est aussi étroitement lié au Département Mathématiques, Physique, Planète et Univers (20%). L’UMR bénéficie du soutien du Ministère de la Recherche dans le cadre d’un contrat quadriennal entre l’ENSICAEN et le CNRS et elle entretient aussi des contacts étroits avec l’Université de Caen de Basse-Normandie (UCBN), notamment dans le domaine de la formation. Lien : http://www-crismat.ensicaen.fr/

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Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique (CIMAP) Le CIMAP, créé début 2008, est un laboratoire de recherche plurisdisciplinaire dont les objectifs scientifiques portent sur la matière excitée et les défauts d’une part et, sur les matériaux et l’optique d’autre part. Lien : http://cimap.ensicaen.fr/

Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL) Le GANIL est installé à Caen en Basse-Normandie. C’est un très grand équipement au service de la recherche française et européenne. Il a été créé par deux organismes de recherche associés, à parts égales, pour sa construction et son fonctionnement : le CEA/DSM et le CNRS/IN2P3. Sa forme juridique est celle d’un Groupement d’Intérêt Economique. Lien : http://www.ganil-spiral2.eu/ Installations de Mise en Oeuvre et de Gestion des Radioéléments (IMOGERE) IMOGERE a vu le jour en 1998 à l’Université de Caen grâce à un co-financement apporté par l’Etat et la Région Basse-Normande. Elles constituent une étape importante du développement d’un projet global de maîtrise des risques radiologiques présents dans le secteur de la recherche caennaise avec, actuellement opérationnels, le LAboratoire de MAnipulation des RadioEléments (LAMARE) et les Locaux d’Entreposage Provisoire des Déchets RadioActifs (LEPDRA) auxquels devraient venir à court terme s’adjoindre un Laboratoire de Basses Activités/service de RadioProtection (SRP) et un Centre de Formation à la RadioProtection (CFRP). Lien : http://www.unicaen.fr/services/imogere/ Laboratoire de Physique Corpusculaire (LPC) L’activité principale du laboratoire concerne la recherche fondamentale : il s’agit d’étudier les propriétés des forces à l’œuvre dans les noyaux atomiques afin de comprendre les mécanismes responsables de leur formation. Lien : http://caeinfo.in2p3.fr/ Maison de la Recherche en Sciences Humaines (MRSH) L’objectif du pôle est d’améliorer l’expertise, la recherche fondamentale et la communication sur les risques et vulnérabilités, par des connaissances pluridisciplinaires, intégrant les données de l’environnement physique, biologique, chimique, économique et social. Quatre orientations privilégiées sont définies : le développement d’échanges, voire de partenariats, y compris d'expérimentations au laboratoire avec des structures impliquées dans la thématique du risque, une réflexion critique sur l'expertise elle-même, des colloques et réunions sur ces thématiques et une réalisation des recherches pluridisciplinaires sur les risques. Liens : http://www.unicaen.fr/recherche/mrsh/ La radioactivité 400 pages sont découpées en 8 chapitres : le phénomène, dans la vie, questions de dose, chez le médecin, au Musée, au laboratoire, dans le nucléaire et déchets radioactifs. Lien : http://www.laradioactivite.com

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Autres contenus Du big bang au vivant 10 scientifiques (Reeves notamment) nous parlent du sujet dans 9 étapes du big bang à l’apparition de la vie. Un voyage filmé et interactif permet aussi de les découvrir. Très belle esthétique, application iphone et ipad gratuite. Lien : http://www.dubigbangauvivant.com/ Science étonnante 3 articles pour le moment sur les rayons cosmiques, le trou noir du CERN et le boson de Higgs. Lien : http://sciencetonnante.wordpress.com/tag/physique-des-particules/ Visiatome Du contenu à la fois pourles enseignants et pour les élèves. Lien : http://www.visiatome.fr/

Blogs dessinés Lison Bernet Illustrations pour la cuisine, la physique des particules et d'autres choses... Blog du lhc sur leurs découvertes. Site : http://www.lhc-france.fr/l-aventure-humaine/la-bd-du-lhc/ Portfolio : http://lisbouche.ultra-book.com/ Marion Montaigne Depuis 2008, elle est l'auteur d'un blog humoristique de vulgarisation scientifique intitulé Tu mourras moins bête (mais tu mourras quand même). Lien : http://tumourrasmoinsbete.blogspot.com/ Uranium appauvri : http://tumourrasmoinsbete.blogspot.fr/search/label/balistique%3B%20physique Rencontre scientifique : http://tumourrasmoinsbete.blogspot.fr/search/label/physique%3B %20Rencontre%20scientifique

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Strip science C’est un portail réunissant les blogs BD à tendance scientifique qui commencent à se multiplier. Il réunit des blogueurs scientifiques et des blogueurs BD pour réaliser des collaborations inédites, des projets de vulgarisation scientifique ou tout simplement pour que deux mondes se rencontrent et créent ensemble des œuvres créatives, drôles, belles et passionnantes ! Lien : http://stripscience.cafe-sciences.org/

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