Cassons les particules

Introduire l’énergie potentielle et cinétique, l’énergie de liaison, les principes d’un accélérateur de particules, et la fission nucléaire.

• Faire une démonstration de la transformation de l’énergie potentielle en énergie cinétique, puis en énergie de liaison et de chaleur, et de nouveau en énergie cinétique.
• Faire la démonstration qu’une bille lâchée en hauteur le long d’une glissière inclinée a une énergie potentielle plus importante car elle atteindra une distance plus grande après avoir dévalé la pente.
• Expliquer les effets que la friction a sur le mouvement en montrant que la bille finit par s’arrêter.
• Il y a un seuil d’énergie pour casser un système lié (comme une molécule ou un noyau atomique).
• Les scientifiques utilisent cet effet pour étudier la matière.

• Faire un graphique simple reliant la hauteur du point de départ de la bille à la distance parcourue. Demander une explication succincte du phénomène (pourquoi différentes hauteurs sur la glissière correspondent à différents effets) et expliquer les diverses transformations. Prédire la hauteur de départ requise pour atteindre une distance donnée. Que se passe-t-il si l’on place un tapis sur le sol ?
• Dans certains cas, l’ensemble des billes de verre ne se cassent pas mais est simplement déplacé. Relier (si possible avec un graphique simple) la hauteur de départ de la bille d’acier avec la taille du décalage du système de billes de verre en faisant varier le nombre de billes de verre. Les élèves doivent remarquer que la masse totale du système joue un rôle.
• Les élèves doivent être capables de discuter et de donner une explication succincte aux questions suivantes : •Pourquoi différentes hauteurs produisent différents effets ? •Que se passe-t-il si nous utilisons différentes colles pour lier les billes de verre entre elles ? •Avons-nous besoin d’une glissière plus grande si de la colle super-résistante est utilisée ? •Que se passe-t-il si la collision n’est pas frontale mais décalée du centre du système ?

• Tubes en plastique comme ceux utilisés par les électriciens (~ 5 euros l’unité)
• Billes de verre (5 euros pour une 50aine de billes)
• Billes d’acier (5 euros pour une 50aine de billes)
• Pâte adhésive (par ex. : Patafix, Blu-Tack ou équivalent). (~3 euros)
• Colle chaude (par ex. : 1 pistolet à colle + recharges de colle en bâtonnet) ( ~ 10-15 euros)
• Aimants

Énergie potentielle : L’énergie potentielle est une énergie « emmagasinée » lorsqu’un objet est placée dans un champ (gravitationnel dans notre cas) à une certaine position (dans notre cas à une certaine hauteur). Cette énergie « emmagasinée » peut être facilement convertie en énergie cinétique, qui est l’énergie reliée à la vitesse et à la masse d’un corps. De plus, cette énergie cinétique est utilisée pour casser les particules.

Friction : La friction est une résistance au mouvement d’un corps. C’est un moyen de dissiper l’énergie (de transformer l’énergie sous une autre forme, dans notre cas l’énergie cinétique est transformée en chaleur).

Énergie de liaison : L’énergie de liaison est l’énergie requise pour scinder un système en plusieurs parties.

Collision de particules : Dans le but de voir à l’intérieur des atomes, particules ou molécules, des scientifiques frappent ces objets avec d’autres particules, dites « projectiles ». Si l’énergie cinétique de ces projectiles est plus grande que l’énergie de liaison, on ouvre l’atome, la particule ou la molécule impactée et on découvre ses constituants.

Accélérateurs de particules: Les accélérateurs de particules sont des machines conçues pour faire atteindre à des particules des vitesses (et par conséquent des énergies cinétiques) suffisantes pour briser les particules (voir, par exemple, http://www.cernland.net/).

Cette activité se déroule en trois étapes.

1) Les élèves lâchent les billes d’acier à partir de différentes hauteurs sur la glissière. Ils/elles notent que si le point de départ est plus haut, la bille franchit une plus grande distance. Cela indique que la gravité permet l’acquisition d’énergie cinétique par les billes. 2) Les élèves prennent des billes de verre (on peut commencer par trois) qu’ils/elles collent ensemble avec l’une des pâtes adhésives. Ce système représente une molécule ou un noyau atomique. 3) En commençant par le bas de la glissière, les élèves atteignent progressivement la hauteur minimale à laquelle il suffit de lâcher la bille d’acier pour séparer le système de billes de verre au moment de l’impact.

Préparation:

Prendre les tubes de plastique et les couper en trois morceaux de longueur ~70 cm. Deux de ces morceaux serviront de support au troisième. Coller les avec de la colle chauffée selon un angle de 90° pour former un coin de cadre. La troisième partie de tube vient s’assembler dessus pour former la glissière (voir Image 1).

Hypothèse : “L’énergie ne peut pas se créer, ni disparaître. Elle peut seulement se transformer sous différentes formes.”

Explication : Il existe plusieurs formes de l’énergie. L’énergie cinétique est reliée à la vitesse d’un corps. Mais si, par exemple, je freine en voiture, où va l’énergie cinétique ? Elle se transforme en chaleur (ou énergie thermique) ! Vous pouvez mesurer cette autre forme de l’énergie en relevant la température des freins mécaniques juste après l’arrêt de la voiture. En frottant vivement vos mains, vous faites une autre expérience de conversion de l’énergie cinétique (liée à la vitesse de vos mains) en énergie thermique par la sensation de chaleur qui augmente entre vos mains à mesure que vous frottez.

Étape 1 :

Les élèves lâchent les billes d’acier à différentes hauteurs sur la glissière et mesurent la distance qu’elles parcourent avant de s’arrêter.

L’enseignant demande aux élèves ce qu’il se passe et les incite à expliquer. La première observation est que plus la bille est lâchée haut sur la glissière, plus loin elle ira. La seconde est que la bille finit par s’arrêter. 1) La gravité est responsable de l’acquisition de l’énergie cinétique par chacune des billes (expliquer rigoureusement, il y a transformation de l’énergie potentielle gravitationnelle en énergie cinétique). 2) Les frictions, principalement avec le sol, mais également avec l’air, freinent la bille et l’arrêtent (et l’énergie cinétique est transformée sous forme de chaleur).

Hypothèse : “Certains objets sont liés entre eux et il est nécessaire d’apporter une certaine quantité d’énergie pour les séparer.”

Explication : Que se passe-t-il lorsqu’on fait tomber un objet (par ex. un œuf) de 1cm de hauteur puis de 1m de hauteur ? Dans le premier cas, des dégâts peuvent être observés à la surface de l’objet (fissures de la coquille d’œuf), alors que dans le second, l’œuf explose entièrement par terre. Néanmoins, l’œuf s’est arrêté au niveau du sol (il n’a pas rebondi). Donc où a bien pu passer l’énergie cinétique accumulée durant la chute ? Elle a été utilisée pour casser l’œuf. Il est nécessaire d’apporter une quantité d’énergie bien définie pour casser les objets, égale à leur « énergie de liaison ».

Étape 2 :

Former un amas de billes de verre et lier les entre elles en utilisant une petite quantité de pâte adhésive (voir Image 2). Cet amas représente une molécule, un atome ou, plus généralement, un « système ».

Quel est le mécanisme pour casser le lien entre les billes ? Le système lié nécessite une certaine quantité d’énergie pour être cassée. Si l’énergie est trop faible, le système ne cédera pas.

Placer le système de billes de verre à la sortie de la glissière. Ensuite, relâcher une bille d’acier assez bas sur la glissière (voir Image 3). Progressivement, augmenter la hauteur de départ (voir Image 4) jusqu’à ce la vitesse atteinte par la bille en sortie de glissière apporte l’énergie suffisante pour séparer les billes de verre (voir https://www.youtube.com/watch?v=7CHrKoGuZqQ).

Essayer différentes configurations de collision (frontale, excentrée) puis essayer d’ajouter des billes de verre au système en les collant également avec de la pâte adhésive et recommencer. Décrire ce que vous observez. Pourquoi des billes se séparent-elles dans certains cas mais pas dans les autres ?

Étape 3 :

Dans certains cas, le lien entre les billes est si fort qu’il est nécessaire de lâcher la bille d’acier de très haut, nécessitant alors plus de hauteur que celle d’une salle de classe pour parvenir à casser le système de billes de verre. Une alternative permet d’apporter plus d’énergie à la bille d’acier pour qu’elle réussisse à casser un système. En la repoussant avec un aimant de polarité adéquate, la bille d’acier peut gagner en vitesse et donc en énergie.

Qu’avons nous appris ?

• Les transformations entre différentes formes d’énergie (énergie potentielle en énergie cinétique, énergie cinétique en énergie thermique)
• Les scientifiques utilisent des collisions pour explorer ce dont la matière est composée (énergie cinétique suffisante pour briser l’énergie de liaison).

Space Awareness curricula topics (EU and South Africa)

Our wonderful Universe, Notre merveilleux Univers

Vous pouvez retrouver des ressources supplémentaires en visionnant les vidéos suivantes :

• L’histoire des énergies cinétiques et potentielles https://www.youtube.com/watch?v=7K4V0NvUxRg
• Comment un accélérateur de particules à collision sur des atomes fonctionne-t-il ? https://www.youtube.com/watch?v=G6mmIzRz_f8
• Un bref aperçu du LHC https://www.youtube.com/watch?v=BEnaEMMAO_s

Se rendre à http://astroedu.iau.org/a/1502 pour des informations supplémentaires et pour télécharger les options de cette activité.