Un regard sur la Physique

Un regard sur la Physique

L’objectif du présent article est singulier et vise à faire découvrir à nos élèves, de lycée en particulier, quelques aspects ignorés ou cachés inhérents à la physique, pour en tirer profit éventuellement.

Ces aspects concernent :

1. L’objet de la physique et ses domaines d’exploration.
2. L’interaction de la physique avec les mathématiques et le langage.
3. La compréhension par l’élève de ce qu’est une compétence et de la démarche utilisée pour s’y doter.
4. Quelques méthodes de travail universellement recommandées.
5. Quelques conseils pratiques concernant les contrôles.
6. Les compétences ou les capacités visés à travers les différentes questions pouvant leur être posées.

 

I. Objet de la physique et ses domaines d’exploration.

Physique ou Chimie ?

La chimie étudie la constitution interne de la matière ainsi que les transformations conduisant à modifier sa nature même, alors que la physique étudie ses propriétés ainsi que les lois régissant toute modification de son état physique ou de son mouvement sans modifier sa nature. 

La physique essaie de comprendre, de modéliser et d’expliquer les phénomènes naturels de l’univers. Elle contribue à l’étude du monde qui nous entoure sous toutes ses formes, des lois de sa variation et de son évolution.

 Il existe trois ensembles de théories physiques établies , chacune valide dans un domaine d’applications qui lui est propre :

A. La physique dite classique

C’est la physique du monde des corps à l’échelle macroscopique. Toujours d’actualité, c’est elle qui   s’applique par exemple, à la construction des routes, des ponts, des immeubles, des engins, de tous les moyens de transport, des frigidaires, …

   Elle regroupe l’ensemble des théories physiques validées jusqu’à la fin du XIX^e siècle, à savoir :

• la mécanique newtonienne, inventée par Newton vers 1666 et publiée en 1687, puis perfectionnée ultérieurement , notamment pour les besoins de la mécanique céleste.
• la théorie du champ électromagnétique, développée initialement par Maxwell en 1865. Cette théorie inclut l’optique ondulatoire comme cas particulier.
• la thermodynamique et la théorie cinétique des gaz.

Dans la physique classique, les concepts de masse, d’espace et de temps sont considérés comme des fondamentaux et invariants c’est-à-dire perçus de la même manière par tous les observateurs.

B. La physique dite quantique

Elle regroupe un ensemble de théories physiques nées au XXe siècle qui décrivent le comportement des particules à l’échelle microscopiques (atomes, électrons, protons, …etc.) et permettent d’élucider certaines propriétés du rayonnement électromagnétique.

Elle s’applique, par exemple, à la technologie utilisée pour la fabrication des lasers , du microscope dit à effet tunnel (1981) et d’un dérivé de ce dernier, le microscope à force atomique (1986). Ces microscopes combinés avec une technique spéciale de manipulation d’image (la photolithographie) permettent d’observer, de manipuler et de créer des nanostructures (dimensions de 1nm à 100nm) .            

L’ensemble des études et des procédés de fabrication et de manipulation de structures (physiques, chimiques ou biologiques), de dispositifs et de systèmes matériels à l’échelle du nanomètre fait partie du domaine des  nanosciences et nanotechnologies  ou NST.  (1 nanomètre = 10^-9m)

Les nanosciences et les nanotechnologies sont considérées comme la révolution technologique de demain, avec des perspectives d’applications immenses (nanoélectronique, biotechnologies, domaine biomédical, secteur spatial), mais non sans danger. En 2006 plus de 6000 entreprises étaient déjà identifiées à travers le monde comme étant concernées par les nanotechnologies.

C. La relativité générale

Elle est principalement élaborée entre 1907 et 1915 par Albert Einstein qui est considéré comme l’un des derniers génies du XXe siècle. Il a reçu le prix Nobel de physique en 1921.

Elle se fonde sur de nouvelles définitions du temps et de l’espace en ce sens qu’ils ne sont pas absolus et peuvent être déformés ; cela a permis à Einstein de montrer que la gravitation ne peut être considérée comme une force s’exerçant à distance, mais comme une propriété géométrique de l’espace-temps lui-même ou plus précisément une courbure de l’espace-temps. Cette théorie relativiste de la gravitation prédit des effets absents de la théorie newtonienne mais vérifiés, comme l’expansion de l’Univers, les ondes gravitationnelles et les trous noirs. De plus elle s’applique, par exemple, à la mise au point et au traitement de l’information nécessaire au fonctionnement des systèmes GPS. La relativité générale n’a jamais été prise en défaut à ce jour.

En relativité dite restreinte, l’égalité E = mc² est connue comme la relation d’Einstein. Cette fonction signifie qu’une particule de masse m isolée et au repos dans un référentiel possède, du fait de cette masse, une énergie E appelée énergie de masse, dont la valeur est donnée par le produit de la masse m par le carré de la vitesse de la lumière dans le vide (c). L’énergie mise en jeu dans tous les types de réactions nucléaires se calcule à l’aide de cette relation.

II. Lien entre la physique les mathématiques et le langage

La physique a son langage à elle. Ce langage, depuis que Galilée en a eu l’idée, ce sont les mathématiques. Les lois physiques s’écrivent sous forme de formules ou d’équations, c’est comme ça et pas autrement. Les mathématiques sont d’une efficacité stupéfiante en physique : D’abord elles sont capables de condenser en une simple équation beaucoup de phénomènes physiques différents. Ensuite elles sont devenues une sorte de ¢¢treuil ontologique¢¢, au sens ou elles ont permis de prédire l’existence de nouvelles sortes d’objets physiques, qui ont par la suite ont été détectés. On peut citer la découverte de la planète Neptune en 1846 ainsi que celle de particules élémentaires comme le photon, l’antimatière, les neutrinos, les quarks et tout récemment le boson de Higgs en 2012 soit 48 ans après sa prédiction en 1964.

Mais comment faire pour diffuser les connaissances scientifiques, par exemple celle de la physique ?

D’abord, il faut du temps : par exemple, il est impossible d’expliquer en une heure ce que signifie et ce qu’implique la loi dite des gaz parfaits représentée par la formule P.V = n.R.T.

Ensuite il faut disposer d’un langage riche capable de déménager carrément la physique depuis son formalisme d’origine – les mathématiques – jusqu’au langage ordinaire. Il faudrait pour cela inventer une poétique de transposition capable de faire comprendre ce que diraient les équations de la physique si elles pouvaient parler. Cela suppose d’aimer la physique, bien sûr, mais aussi d’aimer le langage, d’aimer se bagarrer avec les mots, de prendre plaisir à se mettre en lutte avec la langue. Car en l’occurrence, le but, c’est de creuser une langue étrangère au sein même de la langue afin d’y créer de nouveaux espaces permettant d’accueillir l’originalité des messages que nous adresse la physique.

Cette opération de déménagement est à la fois délicate et essentielle. Délicate parce que les concepts de la physique sont trop fragiles de sorte que si on ne prend pas de précautions, on les casse. Essentielle parce que cette opération est un enjeu éthique puisque notre façon de dire les choses détermine notre façon de les penser. Ainsi, si on les dit mal on les pensera mal : on fera dire à la physique ce qu’elle ne dit pas et on ne lui fera pas dire ce qu’elle dit. Il faut donc travailler à bien la dire.