Liste des projets du cours physique II

Objectifs des projets

  1. Développer l'esprit d'initiative et favoriser la créativité
  2. S'initier à la recherche scientifique par la mise au point et le perfectionnement d'une méthodologie expérimentale
  3. Exploration des méthodes de réduction et de modélisation des données

1.  Mesure de la vitesse du son

1.1  Buts

  1. Explorer les concepts de la physique des ondes à travers l'étude du son
  2. Déterminer avec le minimum d'incertitude possible la valeur de la vitesse du son dans l'air
  3. Définir expérimentalement la dépendance de cette vitesse en fonction d'un maximum de paramètres jugés pertinents (pression, température, humidité, vitesse du vent, altitude, fréquence, amplitude de l'onde, etc).

1.2  Équipement suggéré

  • Thermomètre
  • Chronomètre
  • Galon à mesurer
  • Hygromètre
  • Baromètre
  • Fréquencemètre
  • Générateur d'onde
  • Micro et haut parleur
  • Multimètre
  • DBmètre

1.3  Durée

Cinq heures de laboratoire

2.  Mesure de la température de surface du Soleil

2.1  Buts

  1. Explorer les concepts de la physique quantique permettant de décrire la radiation du corps noir et les appliquer à l'étude de l'étoile la plus proche : Le Soleil
  2. Utiliser des techniques de modélisation rudimentaires pour rehausser le contenu en information des mesures effectuées
  3. Se familiariser avec la technique de la bolométrie

2.2  Durée

Dix heures de laboratoire

2.3  Équipement suggéré

  • Loupe
  • Contenant métallique
  • Peinture noir mat (résistante aux hautes températures)
  • Isolant résistant aux hautes températures (laine de fibre de verre)
  • Papier d'aluminium
  • Thermomètre
  • Eau
  • Contenant gradué ou balance
  • Nécessaire de bricolage (carton, colle chaude, etc.)

2.4  Procédure

Tel que spécifié précédemment, l'élaboration de la procédure de laboratoire constitue un élément majeur des objectifs à atteindre par l'étudiant. Nous ne fournirons donc pas une procédure proprement dite mais nous suggérons plutôt quelques pistes à explorer. Vous pouvez proposer d'autres alternatives au professeur qui conviendra avec vous de sa pertinence et de son potentiel de réalisation.

L'énergie radiative émise dans toutes les directions et intégrée sur toutes les longueurs d'ondes par une surface en équilibre thermodynamique par unité de temps est donnée par la loi de Stephan. Selon cette loi, la puissance émise est proportionnelle à la température de la surface émettrice élevée à la puissance quatre. Comme cette puissance est irradiée dans toutes les directions (sphère), l'intensité mesurée par un capteur sera dépendante de la surface du capteur ainsi que de la distance entre la surface et le capteur en raison du facteur géométrique. En connaissant la puissance détectée, la distance Terre-Soleil et la surface totale du Soleil, il est possible de remonter jusqu'à la valeur de la puissance émise par la surface et donc à la température de surface. Cette expérience consiste donc essentiellement à mettre au point un dispositif permettant de mesurer l'intensité de la radiation au sol. Cette mesure peut reposer sur l'utilisation de la radiation pour chauffer un matériau connu (comme un contenant d'eau).

À court terme vous avez donc à construire un dispositif isolé de l'environnement qui permette de faire converger sur le contenant d'eau peint en noir mat la radiation solaire qui aura passé à travers une loupe de grande dimension. Attention, au point de convergence des rayons lumineux, la température peut atteindre plusieurs milliers de degrés et prenez soin d'éviter les incendies et brûlures. Il vous faudra noter la durée de l'expérience, la date et l'heure, les conditions du ciel (qualitatif), les conditions météo (aéroport de Sherbrooke), le volume d'eau et son élévation de température. Assurez vous d'être dans des conditions idéales et répétez votre mesure un certain nombre de fois pour pouvoir faire une moyenne. Pensez à minimiser les échanges thermiques et radiatifs entre l'environnement et votre eau et de maximiser l'entrée d'énergie lumineuse du soleil. Vous devez donc réfléchir aux facteurs qui régissent cette minimisation et cette maximisation.

À partir de cette série de mesure vous devrez calculer la température du Soleil et la comparer à la valeur acceptée dans la littérature (vous donnerez vos références). Vous serez alors forcés de constater que votre méthodologie n'est pas parfaite et qu'il vous faudra mettre au point certaines étapes de traitement de données pour corriger les facteurs qui biaisent votre résultat.

2.5  Améliorations à considérer

  • Corriger pour l'absorption atmosphérique (La correction doit tenir compte de l'angle d'élévation solaire).
  • Corriger pour l'absorption par les lentilles ou autres dispositifs optiques utilisés.
  • Corriger pour l'isolation imparfaite du système (vous pouvez faire des mesures de pertes thermiques à l'ombre).
  • Corriger pour l'émissivité de la peinture noire utilisée.
  • Autres suggestions?

2.6  Considérations relatives au calcul de la masse d'air

La radiation solaire au sol est atténuée par l'atmosphère:

I_{sol}=I_{toa} e^{m_{air} ln(0,59)}

Où Isol est la puissance par unité de surface reçue au sol, et Itoa est la puissance par unité de surface hors atmosphère. Le facteur 0,59 correspond approximativement à l'atténuation lorsque le Soleil est au zénith. Cette valeur a été calculée en appliquant le la transmittance spectrale atmosphérique ci-dessous au spectre typique hors atmosphère du soleil (en utilisant le modèle du corps noir). Si vous voulez vous amuser vous pouvez tenter de recalculer cette valeur avec le document excel suivant:

http://cegepsherbrooke.qc.ca/~aubema/html/PHYII/TRANSMITANCE_atm.zip.

Cette valeur possède une incertitude de l'ordre de 0.02. Lorsque la direction de visée est au zénith, le facteur mair est égal à 1. On dit alors que la masse d'air vaut 1.

La forme approximative de la masse d'air selon l'angle zénithal, qui repose sur l'hypothèse d'un atmosphère plan parallèle est donnée par:

m_{air} \approx \frac{1}{cos \theta_{z}}

Un meilleur calcul a été proposé par Kasten and Young (1989) pour un angle quelconque et un atmosphère sphérique.

m_{air} = \frac{1}{cos \theta_{z} + 0,50572 (96,07995 - \theta_{z})^{-1,6364}}

ou encore la formulation de Kasten (1966)

m_{air} = \frac{1}{cos \theta_{z} + 0,15 (93,885 - \theta_{z})^{-1,253}}

Références:

  • Kasten, F. and A. T. Young (1989) Revised optical air mass tables and approximation formula, Applied Optics 28 (22), 4735-4738.
  • Kasten, F. (1966) A New Table and Approximate Formula for Relative Optical Air Mass, Arch. Meteorol. Geophys. Biochlimatol., Ser. B14, pp. 206-223.

3.  Radioactivité: Signal ou bruit?

3.1  Buts

  1. Explorer les concepts de la physique nucléaires à travers l'étude des rayons cosmiques et de sources radioactives stables
  2. Se familiariser avec le concept de bruit et de variation statistiques
  3. Explorer un ou plusieurs des items suivants
    1. l'effet de certains astres sur le rayonnement cosmique
    2. la composition des rayons cosmiques en étudiant leur absorption par les matériaux
    3. la dépendance selon l'orientation du détecteur (zénith, nadir, horizon, etc)

3.2  Durée

Quatre heures de laboratoire

3.3  Équipement suggéré

  • Plaques de matériaux absorbants
  • Sources radioactives stables
  • Mètre
  • Compteur Geiger
  • Logiciel de calcul astronomique
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