Des marshmallows au micro-ondes pour déterminer la célérité de la lumière

, par Aurélie Marié

Cet article illustre un exemple d’usage proposé par le GEP de l’académie de Versailles s’inscrivant dans le projet national TraAM 2021-2022 dont la thématique est :


Utiliser le numérique pour mettre en œuvre un enseignement hybride


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Professeur expérimentateur

  • Aurélie Marié
  • Lycée Albert Einstein – Sainte Geneviève des Bois (Essonne 91)

Niveau - Thèmes

  • Lycée
  • Niveaux : 1ère Spécialité Physique-Chimie et seconde
  • Thème abordé  : Ondes et signaux
    En seconde : La propagation de la lumière
    En 1ère Spécialité : Lumière : ondes et particules

Introduction

L’expérience de la mesure de la célérité de la lumière avec un four à micro-ondes est souvent mentionnée, avec différents aliments que l’on fait fondre (notamment du chocolat). Nous vous proposons ici une scénarisation pédagogique exploitant cette expérience avec des marshmallows, en discutant les sources d’erreur et la validité des mesures. Celles-ci seront interrogées à la lumière d’un article et d’une vidéos produits par Jean-Michel Courty.

Contenus disciplinaires

  • Notions et contenus :
    En 1ère Spécialité :
    Connaitre la nature de la lumière : dualité ondes-particules.
    Citer l’ordre de grandeur des fréquences ou des longueurs d’ondes électromagnétiques utilisées dans divers domaines d’application.
    En seconde :
    Connaitre la nature et la célérité de la lumière.
  • Compétences exigibles :
    Savoir utiliser et exploiter la relation c = λ ×υ.
    Exploiter une série de mesures indépendantes d’une grandeur physique : histogramme, moyenne, z-score.
    Écrire, avec un nombre adapté de chiffres significatifs, le résultat d’une mesure.
  • Capacité numérique :
    Utiliser un tableur
    Exploiter l’histogramme associé à une série de mesures.

Compétences

  • S’APPROPRIER  : les documents du défi (niveau 2nd) ou de la tâche complexe (niveau 1ère Spécialité)
  • ANALYSER  : la situation-problème et identifier les conditions particulières de l’expérience.
  • RÉALISER  : l’expérience à la maison.
  • VALIDER  : effectuer un calcul et tenir compte des conversions éventuelles ; discuter de la pertinence de la mise en oeuvre de l’expérience et des résultats obtenus.
  • COMMUNIQUER  : rédiger un compte rendu avec à l’appui des photos de l’expérience et à l’aide d’outil numérique de présentation puis présenter à l’oral l’ensemble des tâches réalisées.
  • ETRE AUTONOME, FAIRE PREUVE D’INITIATIVE : selon les besoins de chaque groupe de l’aide est apportée mais l’enseignant favorise la prise d’initiative.

CRCN - Compétences Numériques

  • 2.1 Interagir
  • 2.2 Partager et publier
  • 2.3 Collaborer
  • 3.2 Développer des documents multimédia
  • 5.2 Évoluer dans un environnement numérique

Objectif(s) pédagogique(s)

  • Résoudre une tâche complexe en exploitant les résultats de l’expérience à la maison
  • Se rendre compte de l’importance des conditions d’expérience
  • Réaliser un compte rendu audio et en images des différentes étapes
  • présenter à l’oral de façon claire, précise et concise l’ensemble des tâches réalisées.
  • Mettre en commun les résultats
  • Représenter l’histogramme associé à la série de mesures de la célérité de la lumière à l’aide d’un tableur
  • Comparer qualitativement un résultat à la valeur de référence

Objectifs disciplinaires et/ou transversaux

  • Objectif 1 : Réaliser une expérience simple mais qui nécessite une réflexion préparatoire à sa mise en oeuvre.
  • Objectif 2 : Savoir exploiter la relation c = λ ×υ en effectuant les conversions nécessaires.
  • Objectif 3 : Organiser et rédiger un compte-rendu illustré de photos en se servant d’outils numériques de présentation (type powerpoint, Genially, Canva...).
  • Objectif 4 : Présenter à l’oral de façon claire, précise et concise l’ensemble des tâches réalisées.

Description succincte de l’activité

L’objectif de cette séquence pédagogique est de déterminer la mesure de la longueur d’onde visible lors de l’expérience réalisée à la maison des marshmallows au four à micro-ondes afin d’obtenir une valeur approchée de la célérité de la lumière.
Les élèves devront dans un premier temps analyser la problématique « déterminer la célérité de la lumière à l’aide de marshmallows et d’un four à micro-ondes ? » et surtout bien identifier les conditions dans lesquelles l’expérience doit se réaliser : comment réaliser l’expérience et obtenir des résultats exploitables ? ; comment trouver la longueur d’onde pour utiliser la relation c = λ ×υ ?
Cette étape étant essentielle pour le bon déroulé de l’expérience, le professeur pourra à ce moment décider de fournir un ou plusieurs coups de pouce. De retour en classe, certains pourront présenter leur compte-rendu à la classe (moment d’évaluation par les pairs à l’aide de critères de notation établis), les autres auront à fournir un compte-rendu oral illustré de photos de l’expérience réalisée afin de montrer leurs résultats.
La séquence pourra être poursuivie par une étude statistique en réalisant un histogramme associé à la série de mesures de la célérité de la lumière à l’aide d’un tableur et de la programmation python. Le regard critique des élèves est attendu concernant les résultats obtenus par un grand nombre de groupes.

La séquence pédagogique est articulée ainsi :
- Séance 1 : (1h à distance) Concevoir et réaliser l’expérience à la maison, rédiger un compte-rendu illustré comme support de présentation.
- Séance 2 : (55 min en présence) Présenter à l’oral l’expérience, les calculs et les résultats obtenus (3-5min).
- Séance 3 : (30 min à distance ou en classe) Exploiter dans chaque groupe les résultats en traçant un histogramme, en effectuant une moyenne et un z-score.

Pré-requis

Pour les secondes :
Connaitre la définition de la célérité de la lumière et sa valeur

Pour les premières Spécialité :
Connaitre la valeur de la vitesse de propagation de la lumière dans le vide ou dans l’air
Savoir que la lumière est une onde électromagnétique
Connaitre et savoir exploiter la relation : c=λ×υ

Outils utilisés / Matériel

  • Matériel : Marshmallows (10 par groupe) et un four à micro-ondes
  • Outil numérique 1 : Pearltrees pour récupérer les présentations des élèves dans un espace partagé
  • Outil numérique 2 : Impress LibreOffice ; Microsoft Powerpoint ou Genially (version gratuite)
  • Tableur : Libre office calc ou Excel
  • Environnement de développement pour Python

Scénario pédagogique de la séquence

Le carnet de bord ci-dessous renseigne sur le scénario global et l’alternance des temps en présence et à distance. Il comprend toutes les activités et ressources (papiers ou numériques) proposées aux élèves :

L’ensemble des documents et exemples de production d’élèves niveau 2nd et 1ère Spécialité a été rassemblé dans ce digipad :

https://digipad.app/p/147561/aba3694a6a85a

Retour d’expérience

Les plus-values pédagogiques (enseignants / élèves)
  • Faire preuve d’initiative et d’autonomie
    Dans la version de l’activité destinée aux élèves de 1ère Spécialité, les élèves sont très peu guidés dans leur document « tâche complexe ». Ils doivent se réapproprier les connaissances vues en classe pour l’utilisation de la relation.
    Le document « Défi élève » destiné aux élèves de seconde est bien plus guidé notamment sur l’utilisation de la relation c = λ ×υ qui n’a pas encore été abordée. Par contre, l’ensemble des conditions pour réaliser l’expérience n’est pas donné explicitement, mais la réflexion s’est faite naturellement en classe lors de la distribution du document et des marshmallows.
    Le titre de l’expérience accrocheur, la réalisation de l’expérience à la maison et non comme habituellement en classe et l’utilisation des marshmallows a suscité beaucoup d’intérêt et de curiosité de l’ensemble des élèves quelque soit le niveau.
  • Se rendre compte qu’une expérience peut être améliorée et peut ne pas fonctionner. Se questionner et se mettre dans la peau d’un chercheur.
  • Des présentations originales et créatives
    Les élèves ont généralement réalisé des présentations originales.
    Cette forme « présentation orale » différente du compte rendu traditionnel, ainsi que l’utilisation du numérique, ont permis à certains élèves de s’exprimer plus facilement et de s’engager plus fortement.
  • L’analyse par les pairs a été bienveillante en suivant une grille simplifiée de critères présents au grand oral. Cela a été un bon entrainement. Les élèves ont pu également améliorer leur présentation à l’issu des remarques de leurs camarades.
  • Les élèves ont pu ancrer plus facilement la notion de longueur d’onde et de la valeur de la célérité de la lumière, ainsi que la nécessité de respecter des conditions d’expérience.
  • L’étude statistique a été bien menée, (pas d’explication supplémentaire orale n’a été apporté en classe) et l’utilisation des chiffres significatifs et incertitudes est mieux maitrisée sur la deuxième partie de l’année.
Les freins
  • Partager une présentation et envoyer un fichier lourd présentent encore quelques difficultés pour les élèves mais tendent à se minimiser.
  • Gestion du temps : Il serait souhaitable de donner le travail à réaliser une semaine avant les vacances pour permettre à chaque groupe d’avoir du temps pour échanger, pour concevoir, et s’entrainer à l’oral.
  • Le calcul de la célérité doit tenir compte du mode de fonctionnement du four à micro-ondes.
Les leviers
  • L’utilisation régulière de Pearltrees a facilité les échanges et la mise en commun des résultats pour la présentation et l’étude statistique.
  • Proposer sans restriction de nombreuses formes de présentations possibles, permet aux élèves d’exprimer leur créativité mais également de ne pas consacrer un temps trop important à l’appropriation de l’outil numérique sélectionné.
Les pistes pour aller plus loin ou généraliser la démarche
  • Lors des TP, permettre aux élèves de prendre des photos de l’expérience avant et après. Donner la liberté aux élèves de rendre un compte rendu oral ou écrit peut être intéressant.
  • Demander à un groupe de présenter son travail pour la mise en commun des résultats...
  • Pour ce qui est de l’expérience en elle-même : toute substance molle peut permettre de mesurer une longueur d’onde dans le four à micro-ondes. Une tablette de chocolat, du blanc d’oeuf ou encore un fromage à pâte molle peuvent remplacer les marshmallows.

Un article et une vidéo réalisés par J.M Courty permettent de comprendre les écarts entre les valeurs de célérité obtenues par les élèves et la valeur de référence :

  • La vidéo :

Les ressources de la séquence

Retrouvez ci-dessous les ressources de la séquence (elles sont également présentes en lien dans le carnet de bord)

Défi 2nd Détermination de la célérité de la lumière
Défi 2nd Détermination de la célérité de la lumière
1ère Spé Détermination de la célérité de la lumière
1ère Spé Détermination de la célérité de la lumière
Etude statistique et réaliste des mesures
Etude statistique et réaliste des mesures
Prog python statistiques de la célérité correction
Prog python statistiques de la célérité doc élèves

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