Compétences Pratiques en Physique I

Un nombre nécessite une méthode

Deux groupes mesurent le même fil. Leurs valeurs diffèrent. Lequel devez-vous faire confiance ? Vous avez besoin de plus que le nombre final : l'instrument, la méthode, les lectures répétées et l'incertitude comptent tous.

Compétences pratiques en physique WPH13 est un dossier écrit portant sur les travaux pratiques des Unités 1–2. Il dure 80 minutes et compte 50 points. Toutes les questions sont obligatoires. Au moins 20 points évaluent les mathématiques au niveau 2 ou supérieur. Ce guide soutient un travail de laboratoire réel ; le lire ne remplace pas la prise de mesures vous-même.

Les trois fiches de compétences suivent le processus : planifier une investigation valide, collecter et enregistrer des mesures, puis traiter les résultats et justifier les conclusions. La spécification officielle donne des listes de compétences plutôt que des énoncés numérotés pour cette unité.

Planifier une investigation valide

Une mesure valide mesure ce que vous visez à mesurer. Un chronomètre précis ne sert à rien s'il chronomètre le mauvais événement.

Commencez par nommer la variable indépendante que vous modifiez et la variable dépendante que vous mesurez. Recensez les variables de contrôle qui pourraient également influencer la variable dépendante. Indiquez comment vous maintiendrez chacune d'elles constante.

Transformer une description en méthode utilisable

Une méthode doit comprendre :

• du matériel nommé, avec une plage de mesure appropriée et une résolution ;
• un agencement indiquant où les mesures sont prises ;
• des étapes qu'un autre élève peut suivre, y compris les événements de départ et d'arrivée ;
• plusieurs réglages de la variable indépendante sur une plage utile ;
• des répétitions permettant de tester la stabilité et d'estimer la variation ;
• un calcul ou un graphique répondant à la question de l'investigation ;
• des sources spécifiques d'incertitude et des améliorationsproposees ;
• des dangers réalistes accompagnés d'une solution pratique pour réduire chaque risque.

N'écrivez pas simplement « prendre des relevés » ou « utiliser un meilleur équipement ». Nommez la grandeur lue, l'instrument utilisé et ce que l'amélioration modifie.

Exemple de planification détaillé : fréquence et tension d'une corde

Investiguer comment la fréquence fondamentale dépend de la tension dans une corde.

• Utiliser un générateur de vibrations et un générateur de signaux. Passer la corde sur une poulie vers un porte-masses.
• Changer la masse suspendue $m$. Avec une poulie libre, la tension est approximativement $T=mg$.
• Mesurer la longueur vibrante entre les nœuds extrêmes. Utiliser la même corde et maintenir cette longueur fixe.
• Ajuster la fréquence pour le fondamental à chaque fois. Le même mode est une variable de contrôle, pas un détail optionnel.
• Mesurer la masse et la longueur totale de la corde pour déterminer la densité linéique $\mu$. La maintenir inchangée dans cette investigation.
• Enregistrer plusieurs tensions et leurs fréquences de résonance. Répéter l'accordage près de chaque résonance.

Le modèle pour le fondamental est :

Un graphique de $f^2$ en ordonnée contre $T$ en abscisse doit être une droite passant par l'origine. Un grand triangle permet de déterminer la pente. Sécuriser le support et garder les pieds à distance des masses tombantes. Cela est plus concret que dire simplement « faites attention ».

Étalonnage et vérifications de zéro

L'étalonnage vérifie un instrument par rapport à des valeurs de référence connues. Une erreur de zéro survient lorsque l'instrument n'affiche pas zéro dans les conditions correctes de zéro. Vérifier les mâchoires fermées d'un micromètre ou une balance vide avant toute mesure.

Si un micromètre affiche $+0.03\ \text{mm}$ avec ses mâchoires correctement fermées, soustraire $0.03\ \text{mm}$ à chaque lecture ultérieure. Répéter la mesure seule ne supprime pas ce décalage. Une vérification de zéro ne peut prouver que chaque point de l'échelle est étalonné correctement.

Plage, espacement et répétitions

Choisir une plage suffisamment large pour révéler la relation. Plusieurs mesures regroupées près d'un seul réglage peuvent donner une mauvaise pente. Utiliser plus de réglages près d'un point de retournement si vous devez localiser un maximum avec précision.

Les répétitions sont utiles lorsque les conditions peuvent être reproduites. Elles montrent la dispersion et aident à identifier des lectures instables. Cependant, des lectures répétées d'une pile se déchargeant ou d'un fil chauffant peuvent dériver car les conditions changent. Réduire le courant, éteindre entre les lectures, contrôler la température ou restaurer les conditions. Ne pas moyennner une dérive comme s'il s'agissait d'une variation aléatoire.

Contrôler la cause réelle

Lors du variation de l'angle d'une lampe au-dessus d'une cellule solaire, maintenir la distance lampe-cellule et la puissance lumineuse fixes. Contrôler la lumière ambiante, par exemple avec un blindage ou une pièce assombrie. Garder la cellule et sa charge identiques. Sinon, une variation de la puissance mesurée pourrait provenir de la distance, de l'éclairage ou de la résistance du circuit plutôt que de l'angle.

Discuter du contexte en utilisant une cause physique. Un panneau solaire suiveur peut rester plus proche de l'incidence normale et collecter plus d'énergie sur une journée. Son moteur consomme également de l'énergie et ajoute des coûts ou de la maintenance. « Meilleur pour l'environnement » seul n'explique ni l'un ni l'autre effet.

Mesure et enregistrement

La justesse décrit la proximité de la valeur vraie. La précision décrit à quel point les valeurs répétées sont groupées. Des résultats groupés étroitement peuvent tous partager un décalage systématique.

• La reproductibilité (répétitivité) concerne des résultats similaires obtenus par le même opérateur et la même méthode sur une courte période.
• La reproductibilité (fiabilité) concerne des résultats similaires provenant de différents opérateurs, appareils ou méthodes.
• Les effets aléatoires causent une variation imprévisible. Répéter et prendre une moyenne peuvent réduire leur influence.
• Erreur systématique décale les résultats de manière constante. Corriger la cause ou le décalage connu ; répéter ne l'élimine pas.
• Incertitude est un intervalle raisonnable associé à une mesure. Ce n'est pas automatiquement une erreur ni la valeur connue de celle-ci.

Lire les instruments à leur résolution

Une règle millimétrée a un plus petit intervalle de $1\ \text{mm}$. Les spécifications prévoient que des pieds à coulisse standard ont une résolution de $0.1\ \text{mm}$, et qu'un micromètre standard a une résolution de $0.01\ \text{mm}$. Vérifiez l'instrument affiché : un affichage numérique ou une échelle différente peut avoir une résolution distincte.

Pour un micromètre, additionnez la lecture visible du fût et celle de la manivelle. Incluez une marque visible du demi-millimètre sur le fût si nécessaire. Utilisez le cliquet pour une pression de contact constante, plutôt que de serrer excessivement les mâchoires.

Pour des pieds à coulisse, lisez l'échelle principale juste avant le zéro du vernier, puis ajoutez la division alignée du vernier multipliée par sa résolution. Vérifiez que les mâchoires touchent les surfaces visées sans inclinaison. Ne déduisez pas une échelle manquante d'une description textuelle extraite : lisez directement le schéma de l'instrument.

Exemple résolu. La dernière marque visible du fût est $4.5\ \text{mm}$. La division de la manivelle 23 est alignée avec la ligne de référence. La résolution est $0.01\ \text{mm}$ et l'erreur de zéro est $+0.02\ \text{mm}$.

Techniques de géométrie et de chronométrage

Évitez la parallaxe en observant l'échelle selon la bonne ligne de visée. Utilisez un triangle pour reporter une hauteur ou une position sur une règle. Gardez la règle parallèle à la distance mesurée ; une règle inclinée mesure une distance différente.

Un portail photo mesure le temps de blocage d'un objet interrompant. Avec une longueur d'interruption connue $l$, la vitesse est $v=l/t$. Cela donne la vitesse lors du passage, mais pas l'accélération seule. Pour trouver l'accélération, mesurez un changement de vitesse sur un temps connu, ou utilisez une équation de mouvement justifiée avec des quantités supplémentaires mesurées. N'appeler pas $l/t$ accélération.

Une vidéo avec un taux de cadence connu peut réduire l'incertitude de temps de réaction. Comptez les images entre des événements de début et de fin clairement définis, puis utilisez $t=N/f_{\text{frame}}$. L'intervalle entre les images limite la résolution temporelle. Des images floues ou des positions d'événements imprécises peuvent encore limiter le résultat.

Tableaux et chiffres significatifs

Placez la grandeur et l'unité ensemble dans chaque en-tête de colonne, par exemple $l/\text{mm}$. Enregistrez les mesures brutes avec des décimales correspondant à la résolution de l'instrument. N'ajoutez pas de chiffres supplémentaires que l'instrument ne peut pas résoudre.

Tous ces éléments ont deux décimales identiques. Une moyenne calculée peut conserver des chiffres supplémentaires pendant le traitement, puis être rapportée de manière raisonnable. Les valeurs traitées pour un graphique sont généralement données avec trois chiffres significatifs, sauf indication contraire dans la question ou les données. Ne mélangez pas $5.1$, $5.24$ et $5.180$ comme s'ils provenaient d'un même affichage inchangé.

Une lecture anormale ne correspond pas au motif. Vérifiez la lecture, la méthode et répétez la mesure si possible. Ne supprimez pas silencieusement la valeur la moins commode. Une anomalie suspecte nécessite une justification et une décision enregistrée.

Incertitude dans cette unité

Pour une seule lecture, cette spécification utilise la moitié de la résolution de l'instrument comme estimation de base de l'incertitude absolue. Cela ne signifie pas que la résolution soit la seule source d'incertitude. Une extrémité mal définie, un temps de réaction ou un mauvais alignement peuvent rendre l'incertitude plus grande.

Exemple résolu. Une balance affiche $135.0\ \text{g}$ avec une résolution de $0.1\ \text{g}$.

Pour des valeurs répétées, la spécification utilise la demi-étendue comme estimation d'incertitude :

Exemple résolu. Les temps répétés sont $5.12$, $5.24$, $5.18$, $5.20\ \text{s}$.

Rapport sur $(5.19\pm0.06)\ \text{s}$. Conserver la moyenne non arrondie dans le calcul en pourcentage. L'écart entre répétitions est bien supérieur à un demi-centième de seconde ; n'indiquer que la résolution de l'affichage sous-estimerait la variation observée.

L'unité 3 ne nécessite pas de combiner les incertitudes relatives pour une grandeur calculée. Si une incertitude pour cette grandeur est fournie, utilisez-la directement. N'introduisez pas ici une règle avancée de propagation comme exigence.

Graphiques et traitement des résultats

Choisir des échelles qui représentent les données

Déterminez quelle quantité appartient à chaque axe. Utilisez des étiquettes claires (quantité/unité) et des échelles régulières. Exploitez une grande partie de la grille disponible ; évitez des intervalles maladroits difficiles à subdiviser. Aucun axe ne doit toujours commencer à zéro, mais ne masquez pas si une relation de proportionnalité proposée passe par l'origine.

Tracez de petits croix précisément. Dessinez une fine droite ou courbe d'ajustement selon la relation. Ne reliez pas les points bruités par un zigzag sauf si la question le demande. Une droite d'ajustement équilibre la dispersion plutôt que de passer par tous les points.

Transformer un gradient en constante physique

Pour une droite $y=mx+c$, identifiez quelle partie de l'équation physique correspond à $m$ et $c$. Une droite ne prouve pas une proportionnalité directe si son ordonnée à l'origine est non nulle.

Exemple résolu. Un fil suit $R=(\rho/A)l+R_0$. Une droite d'ajustement passe par $(0.20\ \text{m},1.20\ \Omega)$ et $(1.00\ \text{m},4.40\ \Omega)$.

• Connue : deux points largement espacés sur la droite ajustée. Pourquoi : la pente vaut $\rho/A$.
  $$m = \frac{\Delta R}{\Delta l} = \frac{4.40-1.20}{1.00-0.20}\ \Omega\,\text{m}^{-1} = 4.00\ \Omega\,\text{m}^{-1}$$
  $$R_0 = R-ml = 1.20\ \Omega-4.00\ \Omega\,\text{m}^{-1}\times0.20\ \text{m} = 0.40\ \Omega$$

Si $A=1.0\times10^{-7}\ \text{m}^2$, la résistivité est :

L'ordonnée à l'origine fixe peut représenter une résistance de contact ou de fil. Diviser une mesure de $R$ par $l$ inclurait ce décalage et donnerait une pente erronée.

Les facteurs d'échelle appartiennent au gradient

Supposons qu'un axe soit intitulé $f/\text{MHz}$. Un gradient lu sur ce graphique a MHz dans ses unités. Convertissez en Hz avant d'utiliser les constantes SI. Un graphique de $f$ contre $\sin\theta$ a un axe horizontal sans dimension ; son gradient a donc des unités de fréquence. Utilisez le mode degrés si l'angle mesuré est en degrés.

Si une équation fournie est $f=(v/\lambda)\sin\theta$, un graphique de $f$ contre $\sin\theta$ a un gradient de $v/\lambda$. Réarrangez $v=\lambda\times\text{gradient}$. Ne supposez pas que tout graphique de fréquence ait un gradient égal à la vitesse.

Courbes, maxima et améliorations spécifiques

Un large éventail de valeurs permet d'abord de localiser un maximum. Ensuite, prenez des lectures plus espacées étroitement autour de cette région. Répéter une seule valeur ne permet pas de localiser le maximum entre les points existants. Maintenez les autres conditions stables et tenez compte de la dispersion lors de l'énoncé de l'angle ou de la résistance optimale.

Pour une expérience sur le mouvement, une équerre peut améliorer la mesure de la distance horizontale. Pour une expérience sur une lampe, une enveloppe sombre peut réduire l'éclairage d'arrière-plan variable. Pour une expérience sur la résonance, approchez-vous du son le plus fort à partir de fréquences supérieures et inférieures, puis répétez. Chaque amélioration cible une limitation nommée.

Conclusions soutenues par l'incertitude

Une valeur avec incertitude décrit un intervalle. Comparez cet intervalle à la valeur proposée, puis indiquez ce que les données soutiennent. Une concordance dans la marge d'incertitude ne prouve pas qu'un matériau ou un modèle est identifié de manière unique.

Exemple résolu. La densité mesurée est $8.90\ \text{g cm}^{-3}$ avec une incertitude relative de $0.9\%$. Peut-elle être en accord avec une valeur proposée de $8.94\ \text{g cm}^{-3}$ ?

L'intervalle s'étend approximativement de $8.82$ à $8.98\ \text{g cm}^{-3}$. La valeur proposée se trouve à l'intérieur de celui-ci, donc la mesure est cohérente avec cette valeur. Cela ne prouve pas que l'objet a cette composition.

Si deux prédictions du modèle se situent toutes deux à l'intérieur de l'intervalle, les données ne permettent pas de les distinguer. Réduisez l'incertitude dominante ou ajoutez une mesure différente avant de prétendre à une identification unique.

Vérifiez-vous

Avant de tenter un problème pratique écrit, vérifiez que vous pouvez :

• transformer les noms des appareils en méthode exploitable avec contrôles et cheminement de traitement ;
• lire la résolution et corriger un décalage de zéro connu ;
• distinguer exactitude, précision, répétabilité et reproductibilité ;
• calculer une moyenne, une demi-amplitude et une incertitude relative ;
• tracer des données, utiliser un grand triangle de pente et interpréter une ordonnée à l'origine ;
• convertir une incertitude fournie en intervalle et donner une conclusion justifiée ;
• relier chaque amélioration au problème de mesure qu'elle réduit réellement.