Physionary - a scientific version of Pictionary

Physionary - a scientific version of Pictionary

N. Poljak, A. Bosilj, S. Brzaj, J. Dragovic, T. Dubcek, F. Erhardt, M. Jercic
Physics department, University of Zagreb

Abstract. We describe a variant of the popular game “Pictionary” based on the terms used in elementary and high school physics. We believe that the drawing of physical terms helps students develop a deeper understanding of physical concepts behind them, as well as apply them in everyday situations.

1. Introduction

The Croatian Physical Society organizes the annual Summer school for young physicists [1], intended to reward elementary and high school students for their accomplishments on the national physics competitions. The schools typically consists of half-day lectures combined with workshops, experiments or games that take place during leisure hours. For the last three editions of the summer schools, we developed a variant of the popular game ”Pictionary” as a small competition for the students. “Physionary”, as we named the variant, has proven to be very successful in entertaining the students, not only during the evenings intended for the competition, but also during the rest of leisure time.

2. Game description

“Physionary” is a game loosely derived and expanded from the commercially-distributed “Pictionary”. A similar game was developed earlier for University biology students [2], however, we expanded further on the game since we found it beneficial to do so.

The students are divided into groups based on their age and are given a number of cards, each containing 6 terms from elementary or high school physics. The terms are taken from indices of physics curricula or physics manuals and divided into 5 sets of cards, one for each high school grade and one for elementary school grades. A dice is thrown to randomly select the ordinal number of the term on the card. A one minute timer is started and one of the students from each group is required to draw the term found on his/her card, while the rest of the group has to guess what term it is. If the team accomplishes this within the given time allotment, they receive a point. Several rounds are played this way before the pace of the game is then made faster by decreasing the available time for drawing. After a predetermined number of rounds played in this manner, the second phase of the game begins. In this phase, the students don’t draw the terms but instead try to “act out” the term given on their cards, as it is usually done in charades. This is also done within a given time allotment, typically set to a minute.

This game turned out not to be only entertaining, but also highly educational. Sometimes, a specific term may not be recognized by some of the members of a certain group. However, we noticed that the said term is quickly taken in by those members, as evidenced by their future recognition of that, as well as similar terms. Once the students start to communicate concepts pictorially, they move from their definitions and try to use everyday examples to convey them to their group. We have also noticed that a sense of connection between various terms is formed, since the students find it beneficial to explain a new term with the help of terms that they have already drawn on paper - they simply circle the term that was already guessed by the group. Finally, the students were often found drawing graphs and diagrams, which is a skill they need to develop in physics, but are often not motivated to do so.

3. Conclusion

We have expanded on the known popular party games to
create an effective and entertaining physics learning tool.
The skills developed during game play seem to be beneficial
to the students and the terms they are required to draw or
act out are taken from their curricula. The students seem
to develop another important skill during the game - using
simple physical concepts in everyday situations, which is a
skill they are most often found lacking. In what follows, we
present a selection of 10 terms (out of 850) from each of the
5 sets of cards. We have limited the selection to 10 terms
since we expect that different countries will have differing
curricula, so we thought it best that everyone interested
made their own sets of cards. Figure 1: An example of a

playing card.

References

[1] http://www.hfd.hr/ljetna skola/
[2] Kathleen A. Parson, John S. Miles, “Bio-Pictionary – a scientific party game which helps to develop pictorial communication skills”, Journal of Biological Education, 28:1, 17-18, DOI:10.1080/00219266.1994.9655358


elementary

1st grade

2nd grade

3rd grade

4th grade

heat insulator surface area power mass sliding friction Solar energy pulley molecule cavity electricity

joule frequency dynamics buoyancy unit
fluid projectile motion cosmic speed energy Galileo

diffusion capacitor inductivity linear expansion Lorentz force work
ideal gas insulator interaction isobar

diffraction rainbow standing wave intensity sound rotation length contraction phase
lens
light guide

plasma atom antiparticle semiconductor fractal boson
red giant mass defect butterfly effect quark

Table 1. A sample from the terms given on the “Physionary” cards, sorted in 5 classes according to students’ grade.

Let’s have a coffee with the Standard Model of particle physics

Let's have a coffee with the Standard Model of particle physics!

Julia Woithe1,2Gerfried J Wiener1,3 and Frederik F Van der Veken1

Published 30 March 2017 
Physics EducationVolume 52Number 3 
Focus on Nuclear and Particle Physics

 Article PDF

Abstract

The Standard Model of particle physics is one of the most successful theories in physics and describes the fundamental interactions between elementary particles. It is encoded in a compact description, the so-called 'Lagrangian', which even fits on t-shirts and coffee mugs. This mathematical formulation, however, is complex and only rarely makes it into the physics classroom. Therefore, to support high school teachers in their challenging endeavour of introducing particle physics in the classroom, we provide a qualitative explanation of the terms of the Lagrangian and discuss their interpretation based on associated Feynman diagrams.

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Original content from this work may be used under the terms of the Creative Commons Attribution 3.0 licence. Any further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the title of the work, journal citation and DOI.

1. Introduction

The Standard Model of particle physics is the most important achievement of high energy physics to date. This highly elegant theory sorts elementary particles according to their respective charges and describes how they interact through fundamental interactions. In this context, a charge is a property of an elementary particle that defines the fundamental interaction by which it is influenced. We then say that the corresponding interaction particle 'couples' to a certain charge. For example, gluons, the interaction particles of the strong interaction, couple to colour-charged particles. Of the four fundamental interactions in nature, all except gravity are described by the Standard Model of particle physics: particles with an electric charge are influenced by the electromagnetic interaction (quantum electrodynamics, or QED for short), particles with a weak charge are influenced by the weak interaction (quantum flavour dynamics or QFD), and those with a colour charge are influenced by the strong interaction (quantum chromodynamics or QCD). Contrary to the fundamental interactions, the Brout–Englert–Higgs (BEH) field acts in a special way. Because it is a scalar field, it induces spontaneous symmetry-breaking, which in turn gives mass to all particles with which it interacts (this is commonly called the Higgs mechanism). In addition, the Higgs particle (H) couples to any other particle which has mass (including itself).

Interactions are mediated by their respective interaction particles: photons (γ) for the electromagnetic interaction, the weak bosons (WW+ , and Z0) for the weak interaction, and gluons (g) for the strong interaction. Furthermore, an elementary particle can be influenced by more than one fundamental interaction, in which case it has several charges (see figure 1). For example, due to its electric and weak charges, a muon is influenced both by the electromagnetic interaction and the weak interaction.


Figure 1.

Figure 1. Matter particles can be divided into three groups: quarks (q) and antiquarks ($\bar{q}$ ); electrically charged leptons ($\ell $ ) and antileptons ($\bar{\ell}$ ); neutrinos (ν) and antineutrinos ($\bar{\nu}$ ). Gluons (g) couple to colour charge, which only quarks, antiquarks, and gluons themselves, have. Photons (γ) couple to electric charge, which is found in (anti)quarks and electrically charged (anti)leptons. The weak bosons (WW+ , Z0) couple to the weak charge, which all matter particles have. Weak bosons can also interact with the photon (but this is a pure weak interaction, not an electromagnetic one). And finally, the Brout–Englert–Higgs field interacts with particles that have mass (all particles except the gluon and the photon).

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The development of the Standard Model of particle physics started in the early 1970s and has so far withstood every experimental test. The latest success was the verification of the Brout–Englert–Higgs field by ATLAS and CMS at CERN's Large Hadron Collider in 2012. Both experiments successfully detected the quantised excitation of the BEH field—the so-called Higgs boson. This confirmed the Higgs mechanism, which associates elementary particles with their respective mass.

One might think that, given this great success story, the particle physics community is happy and content. But, as a matter of fact, the exact opposite is the case! While the Standard Model of particle physics provides a unique and elegant description of fundamental interactions between elementary particles, it is assumed that this quantum field theory is only part of a broader theory. Indeed, the Standard Model of particle physics describes only about 5% of the universe. It does not explain dark matter, which accounts for approximately 25% of the universe—not to speak of dark energy, which supposedly adds the remaining 70% of the universe. Their description can only be achieved by theories which go beyond the Standard Model of particle physics. Hence, any signs of irregularities between the predictions of the Standard Model of particle physics and experimental results would spark tremendous excitement. After all, this would enable the physics community to update and modify the current description of nature.

2. The Lagrangian

The mathematical formulation of the Standard Model of particle physics is complex. However, all information is encoded in a compact description—the so-called 'Lagrangian'. Nonetheless, this 'compact' formulation still fills several pages [1]. That is why an ultra-short, four-line version of the Lagrangian is also commonly shown. This particular formula draws a lot of attention and everyone who visits CERN will come across it at some point. For example, the CERN gift shop sells t-shirts and coffee mugs (see figure 2) featuring this four-line version of the Lagrangian. This can be especially challenging for physics teachers, who might then be asked by interested students to explain the meaning and the physics behind the Lagrangian. Therefore, we want to give a qualitative description of the individual terms of the Lagrangian, explain the fundamental processes behind them, and associate them to their respective Feynman diagrams.


Figure 2.

Figure 2. Lagrangian on a coffee mug.

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Feynman diagrams are pictorial representations of the underlying mathematical expressions describing particle interactions. Even though particle physicists will use a set of 'Feynman rules' to translate a diagram into a mathematical expression, the diagram on its own is a useful tool to visualise and understand what is happening in a certain interaction without the need for mathematics. Every line in a Feynman diagram represents a particle, with different styles of line for the various types of particles. In this article, we additionally use different colours to indicate the associated interactions (see figures 1 and 3). Thus, a straight black line with an arrow denotes a matter particle, a wavy yellow line represents either a photon or a weak boson, a coiled green line corresponds to a gluon, and a dashed blue line indicates a Higgs boson. The time axis of a Feynman diagram is often oriented horizontally. However, the reading direction is only important for the physical interpretation, since all vertices can be rotated arbitrarily. Hereafter, we will read all Feynman diagrams from left to right with a horizontal time axis: lines starting on the left represent particles present before the interaction, and lines ending on the right represent particles present after the interaction. The arrow for matter particle lines should not be mistaken as an indicator of the direction of movement, since it only indicates whether the line belongs to a particle (with an arrow pointing to the right) or an anti-particle (with an arrow pointing to the left). Every vertex, where three or four lines meet, represents an interaction between particles. There are different possible vertices for QED, QFD, QCD, and BEH interactions, and these form the elementary building blocks of a Feynman diagram. In addition, Feynman diagrams are 'flexible': lines should not be understood as rigid, but as a combination of all possible paths a particle can take. Therefore, both individual lines and Feynman diagrams as a whole can be freely rotated.


Figure 3.

Figure 3. Some examples of Feynman diagrams that are included in $-\frac{1}{4}\,{{F}_{\mu \nu}}{{F}^{\mu \nu}}$ : gluon–gluon-interaction (3-gluon vertex and 4-gluon vertex), weak–weak interaction, and weak-photon interaction.

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3. The elements of the Lagrangian

The Standard Model of particle physics is a quantum field theory. Therefore, its fundamental elements are quantum fields and the excitations of these fields are identified as particles. For example, the quantised excitation of the electron field is interpreted as an electron. From our viewpoint, it is not only permissible, but even advisable to speak directly of elementary particles instead of field excitations when discussing basic principles of particle physics qualitatively in high school.

A word of warning: as mentioned before, the Lagrangian is an extremely compact notation. Theoretical particle physicists normally know when to sum over which indices, what different abbreviations and derivatives mean, and when to consider each of the fundamental interactions. In the physics classroom, however, it is very difficult to achieve a deep-level understanding because the required mathematics skills go far beyond high-school level. Hence, we will only treat the ultra-short Lagrangian in figure 2 on a term-by-term basis, without detailing how different fields are combined inside these terms.

3.1. What does the $\mathcal{L}$  stand for?

$\mathcal{L}$  stands for the Lagrangian density, which is the density of the Lagrangian function L in a differential volume element. In other words, $\mathcal{L}$  is defined such that the Lagrangian L is the integral over space of the density: $L={\int}^{}{{\text{d}}^{3}}x~\mathcal{L}$ . In 1788, Joseph–Louis Lagrange introduced Lagrangian mechanics as a reformulation of classical mechanics. It allows the description of the dynamics of a given classical system using only one (scalar) function L  =  T  −  V, where T is the kinetic energy and V the potential energy of the system. The Lagrangian is used together with the principle of least action to obtain the equations of motion of that system in a very elegant way.

When handling quantum fields, instead of the discrete particles of classical mechanics, the Lagrangian density describes the kinematics and dynamics of the quantum system. Indeed, the Lagrangian density of quantum field theory can be compared to the Lagrangian function of classical mechanics. Hence, it is common to refer to $\mathcal{L}$  simply as 'the Lagrangian'.

3.2. Term 1: $-\frac{1}{4}\,{{F}_{\mu \nu}}{{F}^{\mu \nu}}$

This term is the scalar product of the field strength tensor ${{F}_{\mu \nu}}$  containing the mathematical encoding of all interaction particles except the Higgs boson, where μ and ν are Lorentz indices representing the spacetime components4. It contains the necessary formulation for these particles to even exist, and describes how they interact with each other. The contents differ depending on the properties of the interaction particles. For example, photons, the interaction particles of the electromagnetic interaction, cannot interact with each other, because they have no electric charge. Therefore, the contribution of the electromagnetic interaction consists only of a kinetic term, the basis for the existence of free photons. The description of gluons and the weak bosons also includes interaction terms in addition to the kinetic terms. Gluons, for example, are colour-charged themselves and can therefore also interact with each other (see figure 3). This leads to an exciting consequence: the Standard Model of particle physics predicts the existence of bound states consisting only of gluons, so-called 'glueballs'. However, no experiment has detected glueballs thus far.

3.3. Term 2: $\text{i}\bar{\psi}{\not D}\psi $

This term describes how interaction particles interact with matter particles. The fields ψ and $\bar{\psi}$ describe (anti)quarks and (anti)leptons5. The bar over $\bar{\psi}$  means that the corresponding vector must be transposed and complex-conjugated; a technical trick to ensure that the Lagrangian density remains scalar and real. ${\not D}$  is the so-called covariant derivative, featuring all the interaction particles (except the Higgs), but this time without self-interactions.

The beauty of this term is that it contains the description of the electromagnetic, weak, and strong interactions. Indeed, while all three fundamental interactions are different, the basic vertices by which they can be visualised look quite similar. We will start by discussing the most important interaction of our daily lives, the electromagnetic interaction. Here, pair production or annihilation of electrons and positrons, and the absorption or emission of photons by electrons, are prominent examples. All four of these processes can be represented using Feynman diagrams with the same basic vertex. For example, the left part of figure 4(a) shows the annihilation of an electron and a positron (remember that we use a reading direction from left to right). The next diagram is produced by rotating the first diagram by 180°, and is now a representation of pair production. Rotating the vertex further, we arrive at the third diagram, which describes the absorption of a photon by an electron. Last, the fourth permutation of the vertex gives the diagram for photon emission, also known as 'Bremsstrahlung'.


Figure 4.

Figure 4. Basic vertices of the electromagnetic interaction (a), strong interaction (b), and weak interaction (c). From left to right: examples of annihilation, pair production, absorption, and emission.

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If we now look at the basic vertex of the strong interaction (see figure 4(b)), we notice that it looks very similar to the vertex of the electromagnetic interaction. For example, an anti-quark and a corresponding quark transforming into a gluon can be described as an annihilation process. In the reverse reading direction, this process can also be interpreted as pair creation, where a gluon transforms into a quark and an associated anti-quark. Additionally, by rotating the vertex further, we obtain the Feynman diagrams for gluon absorption and gluon emission.

Last but not least, the transformation processes of the weak interaction can be illustrated in a similar way as well (figure 4(c)). Again, depending on the orientation, the example represents annihilation or pair production of an electron and an anti-electron-neutrino, and absorption or emission of a Wboson. The weak interaction differs from the electromagnetic and the strong interactions in that it transforms one matter particle into another, for example an electron into an electron-neutrino and vice versa. We consider processes of the weak interaction involving a W boson to be particularly interesting for introduction in the classroom. For example, the transformation of a down-quark into an up-quark by emission of a virtual W boson, which itself transforms into an electron and an anti-electron-neutrino: ${{n}^{0}}\to {{p}^{+}}+{{e}^{-}}+\overline{{{\nu}_{e}}}$  is already part of many physics curricula [24] (see figure 5). In many physics textbooks this process is called 'beta-minus decay' (or in the case of ${{p}^{+}}\to {{n}^{0}}+{{e}^{+}}+{{\nu}_{e}}$ : 'beta-plus decay'). The emitted electron (or positron) is then introduced as 'beta radiation'. Here, we recommend using the term 'transformation' instead of 'decay', as this more accurately describes the physical process. In addition, doing so can prevent the triggering of misconceptions of the electron or positron as 'fragments' of the original neutron or proton. Instead of using the word 'beta radiation', we also recommend referring directly to emitted electrons (or positrons) to focus more strongly on the particle aspect of the transformation process.


Figure 5.

Figure 5. Beta transformation: a neutron's down-quark transforms into an up-quark, emitting a virtual W boson. The virtual W boson then transforms into an electron and an anti-electron-neutrino. Macroscopically, a neutron (n0) becomes a proton (p+). Note: the weak interaction allows only particle transformations between two specific elementary particles, so-called 'weak isospin doublets'. Prominent examples are the electron-neutrino and electron doublet $\left({{\nu}_{e}},{{e}^{-}}\right)$ , and the up-quark and down-quark doublet $(u,d)$ .

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Overall, this second term of the Lagrangian is of special importance for our everyday life, and therefore merits discussion in the physics classroom. Indeed, apart from gravity, all physical phenomena can be described on a particle level by the basic vertices of the strong, weak, and electromagnetic interaction. Furthermore, given that the strong and weak interactions play a minor role in high-school curricula, almost all physical phenomena can be described using the basic vertex of the electromagnetic interaction (figure 4(a)). However, as discussed above, once this basic vertex is introduced, it is possible to draw connections to the basic vertices of the strong interaction (figure 4(b)) and the weak interaction (figure 4(c)) as well.

3.4. Term 3: $\text{h}.\text{c}.$

This term represents the 'hermitian conjugate' of term 2. The hermitian conjugate is necessary if arithmetic operations on matrices produce complex-valued 'disturbances'. By adding $\text{h}.\text{c}.$ , such disturbances cancel each other out, thus the Lagrangian remains a real-valued function. Actually, the addition of $\text{h}.\text{c}.$  is not required for term 2, since term 2 is self-adjoint. Therefore, this term is often omitted. Anyway, $\text{h}.\text{c}.$  should not be taken literally. Theorists often use it as a reminder: 'If a term changes when conjugating it, then add $\text{h}.\text{c}.$ ! If nothing changes (because it is self-adjoint), then add nothing'. This term does not have a physical meaning, but it ensures that the theory is sound.

Tip: we recommend the CERN-wide interpretation of term 3: $\text{h}.\text{c}.=\text{hot}\;\,\text{cof}\,\text{fee}$ . After all, the Lagrangian is printed on a coffee mug for a good reason. It is therefore advisable to take a break at half time with a mug of coffee. Afterwards, it will be easier to enjoy the full beauty of terms 4 to 7, which we explain next.

3.5. Term 4: ${{\psi}_{i}}{{y}_{ij}}{{\psi}_{j}}\phi $

This term describes how matter particles couple to the Brout–Englert–Higgs field phgr and thereby obtain mass. The entries of the Yukawa matrix yij represent the coupling parameters to the Brout–Englert–Higgs field, and hence are directly related to the mass of the particle in question. These parameters are not predicted by theory, but have been determined experimentally.

Parts of this term still cause physicists headaches: it is still not clear why neutrinos are so much lighter than other elementary particles, in other words, why they couple only very weakly to the BEH field. In addition, it is still not possible to derive the entries of the Yukawa matrix in a theoretically predictive way.

It is known that particles with high mass, in other words with a strong coupling to the Brout–Englert–Higgs field, also couple strongly to the Higgs boson. This is currently being verified experimentally at the LHC, where Higgs bosons are produced in particle collisions. However, Higgs bosons transform into particle–antiparticle pairs after about 10−22 s. Depending on their mass, i.e. their coupling parameter, certain particle–antiparticle pairs are much more likely, and thus easier to observe experimentally, than others. This is because the coupling parameter, which describes the coupling to the Higgs boson, is simply the mass of the particle itself. The Higgs boson is thus more likely to be transformed into pairs of relatively more massive particles and anti-particles. Measurements by the ATLAS detector show, for example, evidence of the direct coupling of the Higgs boson to tauons [5], see figure 6.


Figure 6.

Figure 6. A Higgs boson transforms into a pair of tauon and anti-tauon.

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3.6. Term 5: $\text{h}.\text{c}.$

See term 3, but here this term is really necessary, since term 4 is not self-adjoint. While term 4 describes the interaction between a Higgs particle and matter particles, term 5, the hermitian conjugate of term 4, describes the same interaction, but with antimatter particles. Depending on the interpretation, however, we recommend at least one more mug of hot coffee.

3.7. Term 6: $|{{D}_{\mu}}\phi {{|}^{2}}$

This term describes how the interaction particles couple to the BEH field. This applies only to the interaction particles of the weak interaction, which thereby obtain their mass. This has been proven experimentally, because couplings of W bosons to Higgs bosons (figure 7) have already been verified. Photons do not obtain mass by the Higgs mechanism, whereas gluons are massless because they do not couple to the Brout–Englert–Higgs field. Furthermore, rotating the process depicted in figure 7by 180° leads to an important production mechanism of Higgs bosons in the LHC: the so-called 'vector-boson fusion' in which, for example, a W+ boson and a W boson transform into a Higgs boson (see figure 8).


Figure 7.

Figure 7. One example of a Feynman diagram that is encoded in $|{{D}_{\mu}}\phi {{|}^{2}}$ . A Higgs boson transforms into a pair of W+ and W bosons.

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Figure 8.

Figure 8. Possible vector-boson fusion process from two colliding protons. A down-quark emits a W boson and an up-quark emits a W+ boson. The two W bosons transform into an electrically neutral Higgs boson.

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3.8. Term 7: $-V\left(\phi \right)$

This term describes the potential of the BEH field. Contrary to the other quantum fields, this potential does not have a single minimum at zero but has an infinite set of different minima. This makes the Brout–Englert–Higgs field fundamentally different and leads to spontaneous symmetry-breaking (when choosing one of the minima). As discussed for terms 4 and 6, matter particles and interaction particles couple differently to this 'background field' and thus obtain their respective masses. Term 7 also describes how Higgs bosons couple to each other (see figure 9). The Higgs boson, the quantised excitation of the BEH field, was experimentally confirmed at CERN in 2012. In 2013, François Englert and Peter Higgs were awarded the Nobel Prize in Physics for the development of the Higgs mechanism.


Figure 9.

Figure 9. Diagrams of Higgs self-interaction (3-Higgs vertex and 4-Higgs vertex) that originate from $-V\left(\phi \right)$ .

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4. Conclusions, and what about the second mug?

Our experience at CERN is that both high school students and teachers are greatly fascinated by the Lagrangian. Hence, introducing it in the classroom can contribute positively when discussing particle physics. However, due to the complex level of mathematical formalism used in the Lagrangian, it is probably not favourable to aim for a complete, in-depth discussion. Instead, we recommend starting with an introduction to the individual terms of the Lagrangian by focusing on their general interpretation (see figure 10). Based on this first glimpse into the world of quantum field theory, the associated Feynman diagrams can be discussed, which allow students to gain insight into the precise prediction power of the Standard Model of particle physics. This can even be done in a playful way: by taking conservation of charge (electric, weak, and colour) into account, fundamental vertices can be attached to each other like dominoes. This enables students to determine which processes and interactions between elementary particles are possible. For instance: 'Start with a muon. Is it possible for the muon to transform in such a way that at the end of this process, among other particles, an electron exists?'


Figure 10.

Figure 10. Short version of the Lagrangian. The terms coloured in red are governed by the electromagnetic, weak, and strong interactions, while those that are coloured blue are governed by interactions with the Brout–Englert–Higgs field. Most everyday phenomena, such as light, electricity, radioactivity, and sound, are described by the second term, 'interactions between matter particles'.

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When discussing Feynman diagrams in the classroom, however, it is important to point out that these diagrams are only visualisations of the Standard Model of particle physics. The interpretation of Feynman diagrams is strictly limited to fundamental processes and care should be taken to avoid any notion of misleading interpretation of Feynman diagrams as 2D motion diagrams. Once Feynman diagrams are established, an additional step can be the introduction of Feynman rules [6] and the coupling parameters of the respective interaction particles. Together with conservation of energy and momentum, one can then make full use of Feynman diagrams, which even allow determinations of the probabilities of transformation processes. For instance, this technique is used to calculate the production rates of Higgs bosons at the Large Hadron Collider, which are then compared with measurements from CMS and ATLAS. As mentioned above, any deviation between the two would open the door to new physics and even more exciting times in particle physics.

Although the Standard Model of particle physics is an extremely successful theory, it is far from being a complete description of the universe: according to today's models, the universe consists only of 5% visible matter, which can be described by the Standard Model of particle physics. This means future generations of physicists will still have plenty of new physics to discover! Currently, the hunt is on for theories which go beyond the Standard Model of particle physics to incorporate dark matter and dark energy.

Another shortcoming of the Standard Model of particle physics is the absence of a description of gravity. The search for a unification of all four fundamental interactions through a single theory—the so-called Theory of Everything—can be seen as the quest for the Holy Grail of our times. It is probably a safe bet to say that this ambition will keep supersymmetry researchers and string-theorists busy for quite some time. In the meantime, there are two coffee mugs in the offices at CERN: one for the Standard Model of particle physics and one for Einstein's theory of general relativity (see figure 11). We hope that with the help of further hot coffees we will soon need only one mug...


Figure 11.

Figure 11. Standard Model of particle physics and Einstein's theory of general relativity.

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Footnotes

  • 4

    In this case, one has to sum over the indices according to the Einstein summation convention.

  • 5

    The symbol ψ is also used to represent a wave function in classical quantum mechanics. Although this is related to the field representation we use, the two are not exactly the same.

References

Just think: The challenges of the disengaged mind (les défis de l'esprit désengagé)

Just think: The challenges of the disengaged mind

In 11 studies, we found that participants typically did not enjoy spending 6 to 15 minutes in a room by themselves with nothing to do but think, that they enjoyed doing mundane external activities much more, and that many preferred to administer electric shocks to themselves instead of being left alone with their thoughts. Most people seem to prefer to be doing something rather than nothing, even if that something is negative.

Just think: les défis de l'esprit désengagé

Dans 11 études, nous avons constaté que les participants n’aimaient généralement pas passer de 6 à 15 minutes dans une pièce par eux-mêmes avec rien d'autre à faire que penser, qu'ils ont préferé faire des activités mondaines, et que beaucoup ont préféré s'administrer des chocs électriques à eux-mêmes au lieu d'être laissés seuls avec leurs pensées. La plupart des gens semblent préférer faire quelque chose plutôt que rien, même si ce quelque chose est négatif.

Reference :

Wilson, Timothy D., et al. "Just think: The challenges of the disengaged mind." Science345.6192 (2014): 75-77.
Click here to view the paper

https://drive.google.com/open?id=1i4a25v3ZHI0zbMRrff688KhbI9jpEKgQ

Teacher characteristics and their effects on student test scores: A best-evidence review

Ci-dessous, un article de revue qui s'intéresse entre la relation entre la réussite des élèves en fonctions du profil des enseignants :

Teacher characteristics and their effects on student test scores: A best-evidence review

by : Johan Coenen, Wim Groot, Henriette Maassen van den Brink and  Chris van Klaveren


Coenen, J., Groot, W., van den Brink, H. M., & Van Klaveren, C. Teacher characteristics and their effects on student test scores: A best-evidence review.

 

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Source : http://asciimath.org/

Syntax

Most AsciiMath symbols attempt to mimic in text what they look like rendered, like oo for . Many symbols can also be displayed using a TeX alternative, but a preceeding backslash is not required.

Operation symbols
Type TeX alt See
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* cdot
** ast
*** star
// //
\\ backslash
setminus
\\
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|>< ltimes
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o+ oplus
ox otimes
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prod
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^^^ bidwedge
vv vee
vvv bigvee
nn cap
nnn bigcap
uu cup
uuu bigcup

 

Miscellaneous symbols
Type TeX alt See
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2^3 2323
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int
oint
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O/ emptyset
oo infty
aleph
:. therefore
:' because
|...| |ldots| |...||...|
|cdots| |||⋯|
vdots
ddots
|\ | | || |
|quad| |  ||  |
/_ angle
frown
/_\ triangle
diamond
square
|__ lfloor
__| rfloor
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~| rceiling
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NN N
QQ Q
RR R
ZZ Z
"hi" text(hi) hihi

 

Relation symbols
Type TeX alt See
= ==
!= ne
< lt <<
> gt >>
<= le
>= ge
-< prec
-<= preceq
>- succ
>-= succeq
in
!in notin
sub subset
sup supset
sube subseteq
supe supseteq
-= equiv
~= cong
~~ approx
prop propto
Logical symbols
Type TeX alt See
and andand
or oror
not neg ¬¬
=> implies
if ifif
<=> iff
AA forall
EE exists
_|_ bot
TT top
|-- vdash
|== models

 

Grouping brackets
Type TeX alt See
( ((
) ))
[ [[
] ]]
{ {{
} }}
(: langle
🙂 rangle
<<
>>
{: x ) x)x)
( x :} (x(x
abs(x) |x||x|
floor(x) x⌊x⌋
ceil(x) x⌈x⌉
norm(vecx) x∥x→∥
Arrows
Type TeX alt See
uarr uparrow
darr downarrow
rarr rightarrow
-> to
>-> rightarrowtail
->> twoheadrightarrow
>->> twoheadrightarrowtail
|-> mapsto
larr leftarrow
harr leftrightarrow
rArr Rightarrow
lArr Leftarrow
hArr Leftrightarrow

 

Accents
Type TeX alt See
hat x ˆxx^
bar x overline x ¯x
ul x underline x x
vec x xx→
dot x .xx.
ddot x ..xx..
overset(x)(=) overset(x)(=) x==x
underset(x)(=) =x=x
ubrace(1+2) underbrace(1+2) 1+21+2⏟
obrace(1+2) overbrace(1+2) 1+21+2⏞
color(red)(x) xx
cancel(x) xx
Greek Letters
Type See Type See
alpha αα
beta ββ
gamma γγ Gamma ΓΓ
delta δδ Delta ΔΔ
epsilon εε
varepsilon ɛɛ
zeta ζζ
eta ηη
theta θθ Theta ΘΘ
vartheta ϑϑ
iota ιι
kappa κκ
lambda λλ Lambda ΛΛ
mu μμ
nu νν
xi ξξ Xi ΞΞ
pi ππ Pi ΠΠ
rho ρρ
sigma σσ Sigma ΣΣ
tau ττ
upsilon υυ
phi ϕϕ Phi ΦΦ
varphi φφ
chi χχ
psi ψψ Psi ΨΨ
omega ωω Omega ΩΩ

 

Font commands
Type See
bb "AaBbCc" AaBbCcAaBbCc
bbb "AaBbCc" AaBbCcAaBbCc
cc "AaBbCc" AaBbCcAaBbCc
tt "AaBbCc" AaBbCcAaBbCc
fr "AaBbCc" AaBbCcAaBbCc
sf "AaBbCc" AaBbCcAaBbCc

 

Standard Functions

sin, cos, tan, sec, csc, cot, arcsin, arccos, arctan, sinh, cosh, tanh, sech, csch, coth, exp, log, ln, det, dim, mod, gcd, lcm, lub, glb, min, max, f, g.

 

Special Cases

Matrices: [[a,b],[c,d]] yields to [abcd][abcd]

Column vectors: ((a),(b)) yields to (ab)(ab)

Matrices can be used for layout: {(2x,+,17y,=,23),(x,-,y,=,5):} yields{2x+17y=23xy=5{2x+17y=23x-y=5

Complex subscripts: lim_(N->oo) sum_(i=0)^N yields to limNNi=0limN→∞∑i=0N

Subscripts must come before superscripts: int_0^1 f(x)dx yields to 10f(x)dx∫01f(x)dx

Derivatives: f'(x) = dy/dx yields f'(x)=dydxf′(x)=dydx
For variables other than x,y,z, or t you will need grouping symbols: (dq)/(dp) for dqdpdqdp

Overbraces and underbraces: ubrace(1+2+3+4)_("4 terms") yields 1+2+3+44 terms1+2+3+4⏟4 terms.
obrace(1+2+3+4)^("4 terms") yields 4 terms1+2+3+41+2+3+4⏞4 terms.

Attention: Always try to surround the > and < characters with spaces so that the html parser does not confuse it with an opening or closing tag!

 

The Grammar

Here is a definition of the grammar used to parse AsciiMath expressions. In the Backus-Naur form given below, the letter on the left of the ::= represents a category of symbols that could be one of the possible sequences of symbols listed on the right. The vertical bar | separates the alternatives.

v ::= [A-Za-z] | greek letters | numbers | other constant symbols
u ::= sqrt | text | bb | other unary symbols for font commands
b ::= frac | root | stackrel | other binary symbols
l ::= ( | [ | { | (: | {: | other left brackets
r ::= ) | ] | } | 🙂 | :} | other right brackets
S ::= v | lEr | uS | bSS             Simple expression
I ::= S_S | S^S | S_S^S | S          Intermediate expression
E ::= IE | I/I                       Expression

The Marangoni Effect

Understanding the Marangoni Effect

The Marangoni effect takes place when there is a gradient of surface tension at the interface between two phases – in most situations, a liquid-gas interface. The surface tension typically changes due to variations in solute concentration, surfactant concentration, and temperature variations along the interface.

In some eutectics or multicomponent liquids, the direction of the gradient of surface tension tangential to the interface can be changed by altering the concentration of the solutes at the surface or by adding surfactants. Depending on the fluid, a rather strong convective motion may be produced. This results in a shear stress at the surface, similar to what the wind can create.

In cases where the concentration drives the variation of the surface tension, the Marangoni effect is referred to as the solutocapillary effect. In cases where the surface tension varies with the temperature, the Marangoni effect is referred to as the thermocapillary effect. Both effects can take place simultaneously.

Simulation of Marangoni convection.Simulation in which heat is applied to a free surface. Isotherms, velocity arrows, and streamlines are displayed, illustrating the motion directed toward the outer cold boundary. This example describes the thermocapillary effect as it relates to temperature dependence.

The Marangoni Effect Versus the Capillary Effect

It is important that the Marangoni effect is not confused with the pure capillary effect. Capillary forces are responsible for a meniscus at an interface, or the shape of a water droplet. The typical size of a small droplet of liquid derives from the equilibrium between the surface tension force  and the hydrostatic pressure . The size  is called the capillary length, which can be estimated from:

Here,  is the surface tension in N/m,  is the density of the fluid forming the droplet in kg/m3, and  is the gravity in m2/s.

In water,  = 72.8e-3 N/m at 20°C. The capillary length is thus within the range of 2 to 3 mm for water. This provides a good estimate for the diameter of a water droplet that is simply at rest on a table. Above this dimension, gravity becomes more and more predominant. Below this dimension, capillary forces are often much greater than the effects of gravity. All of this is true for an isothermal system.

However, when a meniscus is present and a solute evaporates from the liquid surface (e.g., ethanol in a water solution), gradients in concentration may occur along the surface of the liquid. The reason for these gradients is that the evaporating solute is replaced more quickly at the flat surface compared to the meniscus, since the solute transport from the bulk to the surface is faster at the flat interface. In a way, this connects capillary effects and the Marangoni effect.

The Marangoni effect produces tears of wine.The alcohol concentration gradient, caused by differences in the transport rate of alcohol from the bulk to the flat surface and from the bulk to the meniscus, results in surface tension gradients and the formation of tears of wine.

The Marangoni effect can take place at both ranges of dimensions – microfluidics and larger meter scales. What's important is the variation of the surface tension – for example, with respect to the temperature in the thermally induced Marangoni effect. The scale at which the thermally induced Marangoni effect is active relates to the temperature gradient in the direction tangential to the interface.

A variation of  might then come from thermal or composition (concentration) effects:

with  and  denoting the temperature and concentration.

 is the thermal dependence of the surface tension in N/m/K. The absolute value is used so that the nondimensional Marangoni number remains positive.

A similar definition applies to the composition dependence of the surface tension.

Plots showing Marangoni convection with increasing temperature differences.As temperature differences increase, the Marangoni effect becomes more pronounced.

The thermally induced Marangoni effect relates the normal component of the shear stress to the tangential derivative of the temperature. For an incompressible fluid with no pressure contribution in a laminar flow, it is written as:

This is a boundary condition that acts at the free surface of the fluid (typically a gas-liquid interface) modeled with the Navier-Stokes equations.

The Marangoni number is the nondimensional number that gives the ratio between the thermocapillary effect and the viscous forces.

 is the the length scale of the system in m,  is the maximum temperature difference across the system in K,  is the dynamic viscosity in kg/s/m, and  is the thermal diffusivity in m2/s.

You might prefer to rearrange this as:

where  is the kinematic viscosity in m2/s.

Written in this format, there is an analogy with the Rayleigh number that is relevant for conjugate heat transfer due to Archimedes' forces.

The typical velocities involved are the thermocapillary velocity , the thermal diffusion velocity , and the molecular diffusion velocity .

Based on this, it is easy to derive an equivalent Reynolds number as:

 is the Prandtl number, which is characteristic of the fluid of interest.

As is the case with the Reynolds number, typical orders of magnitude for flow characterization with the Marangoni number depend greatly on the geometry. However, a Marangoni number above 1·105 will typically develop unsteady flows, if not turbulent.

The Impact of the Marangoni Effect

First noted in the phenomenon of tears of wine, the Marangoni effect has been observed in various surface chemistry and fluid flow processes.

Welding

Welding is a fabrication process where the Marangoni effect has to be accounted for. When the base metal during welding reaches its melting point, a weld pool forms. Marangoni forces within these pools can affect the flow and temperature distribution and modify the molten pool extension. This can potentially result in stresses within the material as well as deformation.

Crystal Growth

Semiconductors are usually comprised of crystal lattice structures. The processes for developing pure crystals (e.g., silicon) consist of purifying the metal, which begins with melting the solid. During purification, convection in the liquid phase must be allowed so that impurities like oxides, which are often lighter than metal, have time to separate. Additionally, heat transfer must be regulated so that the shape of the solidification front is controlled.

Forces from the Marangoni effect can impact crystal growth, causing faults within the structure. These faults can inhibit the material's semiconducting capabilities and result in defects within the device.

Electron Beam Melting

Using an electron beam as its power source, metal powder can be melted to manufacture mechanical parts. This method of additive manufacturing has gained popularity in the development of medical implants as well as the aerospace industry. During the melting process, large thermal gradients can generate Marangoni forces within the melt. Such forces have the potential to negatively affect the quality of the material.

 

Source : https://www.comsol.it/multiphysics/marangoni-effect

Des smartphones pour faire des expériences de physique au lycée et à l’université

Des smartphones pour faire des expériences de physique au lycée et à l’université

Deux milliards de smartphones sur la Terre. 25 millions de possesseurs en France cette année. Ça augmente toujours. Une épidémie galopante, puisque on passe de rien à un milliard en bien moins de dix ans. En 1991, un iPhone aurait coûté 2,6 millions d'euros est-il écrit dans un article récent. S'il en était besoin, cela souligne la puissance technologique de ces appareils tellement bien adaptés à nous, pauvres humains, que nous ne la voyons plus vraiment. C’est vraiment un chef d'œuvre du design industriel que d’avoir réussi cela.


Utilisation des smartphones dans l'éducation


Pour les enseignants en science, le regard porté sur ses appareils peut être tout autre.

Une simple bille en verre de 1 mm environ permet de s’en rendre compte. Placée sur l'objectif de la caméra du smartphone, elle en fait un microscope optique capable de distinguer les globules rouges. C’est un retour incroyable aux origines de la microscopie optique et à son précurseur Antoine Van Leeuwenhoek (1632-1723). Une bille en verre devant l'œil est le premier microscope qu’il a construit. Il a permis de découvrir les spermatozoïdes. Aujourd’hui à la place de l'œil, derrière la bille, on place la caméra du smartphone et son détecteur CMOS. C’est bien plus pratique et bien plus puissant. La technologie associée au numérique simplifie même le microscope optique. L'image enregistrée peut être immédiatement partagée sur le web. En fait une goutte d’eau placée sur l’entrée de la caméra fait parfaitement l’affaire.

La revue des professeurs de physique aux Etats-Unis, The Physics Teacher, ne s'y est pas trompée et a créé la rubrique mensuelle iPhysicsLabs qui montre combien un smartphone est un instrument de mesure puissant au service de la démarche expérimentale en classe à différents niveaux et utilisable dans une grande diversité de sujets enseignés en physique. La plate-forme européenne pour les professeurs de sciences, Science on Stage, a aussi constitué un groupe de travail «iStage 2: Smartphones in Science Teaching» auquel participent Philippe Jeanjacquot et Francoise Morel-Deville de l'Institut Français d'Education à l'Ecole Normale Supérieure de Lyon (voir les ressources Smartphones et Education). Plusieurs groupes de recherche allemands (Kaiserslautern , Munich,…) en didactique de la physique en ont fait un projet de recherche.

Cet intérêt n’est en fait pas une surprise. Avec les smartphones, chaque élève, peut disposer d'un accéléromètre 3D, d'un gyroscope 3D, d'un magnétomètre 3D, de deux caméras de haute performance, d'une source de lumière blanche intense et froide (pas de LED en 1991), d'un microphone et d'un haut-parleur. Excusez du peu. Et en plus, de nouveaux capteurs viennent périodiquement compléter la panoplie. Les derniers smartphones intègrent des capteurs très performants de température et de pression. C’est la porte ouverte à l’étude expérimentale par les smartphones de la thermodynamique, la science des échanges d’énergie et des machines thermiques. Tout ceci est donc intégré, tient dans la main et peut stocker l'ensemble de ces données ou les envoyer en temps réel jusqu'à cent fois par seconde à un ordinateur. A partir de là, les capteurs microsystèmes que sont l'accéléromètre et le gyroscope vous permettent d'étudier expérimentalement et en détail, les grands classiques des salles de cours comme le pendule ou la rotation (un smartphone dans une essoreuse à salade constitue un excellent montage expérimental pour étudier le mouvement circulaire uniforme).

Par exemple, à partir des équations de la Mécanique Classique (un des cours les plus visités sur le site MIT OpenCourseWare), la combinaison des données issues de l’accéléromètre et du gyroscope du smartphone permet de reconstruire sans paramètre ajustable la trajectoire du Tram B de Grenoble et de la comparer à celle qui apparaît sur Google Maps. Longue discussion avec les étudiants de première année de Licence à propos de l’intégration numérique et des sources d’erreur pour expliquer les différences observées même si le résultat est plus que convaincant. Gros succès aussi auprès des utilisateurs du tramway devant une troupe d’étudiants installant des smartphones sur les sièges et attendant très attentifs les signes du départ.

Source : Joel Chevrier,dans echosciences du 6 novembre 2016  

Equation de la chaleur : Simulation numérique

La simulation numérique de l'équation de la chaleur pose parfois quelques problèmes, et pas seulement de capacité de calcul. Nous allons voir en effet que tous les algorithmes ne sont pas équivalents, loin de là...

Nous vous proposons ci-dessous des illustrations des phénomènes décrits dans ce texte, ainsi que les programmes qui ont servi à sa réalisations. Ceux-ci sont commentés, afin que vous puissiez si vous le voulez les modifier sans trop de difficulté, et tester ainsi les méthodes mises en jeu avec vos propres paramètres.

Table des matières

  • Résumé, position du problème
  • Méthode explicite
  • Méthode implicite

Résumé, position du problème

Nous nous intéressons ici au traitement numérique de l'équation de la chaleur :

Nous considérons ce problème sur un domaine borné en espace (0 < x < 1), et pour des temps positifs (t > 0). Nous imposons également les conditions initales et de bord suivantes :


et

Rappelons que la solution exacte du problème est alors la fonction :

Connaissant cette solution exacte, il nous est possible d'apprécier la qualité des différentes méthodes numériques, de calcul approché de cette solution. Dans tous les cas, nn se donne donc un pas spatial h, c'est-à-dire que l'on cherche à calculer les valeurs de notre solution u aux points d'abscisse 0, h, 2h,..., 1. On doit aussi se restreindre à un ensemble discret d'instants auxquels on prétend calculer ces valeurs, on fixe donc un pas temporel ket l'on cherchera à calculer les valeurs de u aux instants k, 2k, 3k, ...
uin désignera la valeur calculée (approchée) de la solution à l'instant nk et au point d'abscisse i h.
Voici des animations illustrant les différences entre deux méthodes de résolution numérique.

 

Un premier essai : méthode explicite

Pour cette méthode, on approche la dérivée temporelle par le rapport (uin+1 - uin)/k ; et la dérivée seconde par rapport à la variable d'espace par le rapport (ui+1n + ui-1n -2 uin)/h2.
L'équation de la chaleur discrétisée est ici :C'est le modèle utilisé dans l'illustration ci-contre. Disponible également, le programme chaleurexpl, version matlab ou scilab.

Code source de l'applet.

N.B. Les plus patient observerons que la méthode semble marcher pour les deux plus petites valeurs de k. C'est normal : elles sont en dessous du seuil déterminé dans le texte !

 

Deuxième essai : méthode implicite

La seule différence par rapport à la méthode précédente est que cette fois, on approche la dérivée temporelle par le rapport (uin - uin-1)/k.
Après décalage d'indices, l'équation de la chaleur discrétisée est cette fois :Là aussi, ce modèle est illustré ci-contre. Disponible également, le programme chaleurimpl, version matlab ou scilab.

Code source de l'applet.

N.B. La courbe semble un peu moins régulière pour les petites valeurs de k, ce qui est troublant, puisque l'on s'attend à ce que la méthode soit plus précise lorsque le pas temporel est petit. En réalité, il n'en est rien : il y a un peu de "bruit" dû à des problèmes d'arrondis (nécessaires dans tout calcul numérique) quel que soit le pas temporel, mais lorsque celui-ci est plus grand, la courbe bouge plus à chaque étape de calcul et de ce fait on perçoit moins ce phénomène.

Pour les explications de ces phénomènes, nous renvoyons une fois de plus au texte...
Source : Thomas Chomette, version ps ou pdf.

Animations, applications, logiciels, simulations de physique chimie

Animations, applications de physique chimie

  1. Logiciels, applications
  2. Modèles de documents, astuces
  3. Animations, simulations de chimie
  4. Animations, simulations de physique :
  5. D'autres sites d'animations

LOGICIELS, APPLICATIONS

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FICHIERS COMMENTAIRES
Un logiciel de lecture et de traitements des vidéos : avimeca2 v.2.7.31 (18/04/2006) :
avimeca
Ce programme très utile a été créé par Alain Le Gall, professeur au lycée Kerichen de Brest. Merci à lui pour ce logiciel très pratique. On retrouve ce lien dans la page vidéo de ce site
Un logiciel de conversion audio et vidéo multiformats :
superconversion
Convertissez vos fichiers audios, et surtout vidéos d'un format à un autre : wmv en avi, avi en mp4 ... Peut-être intéressant pour convertir des vidéos et les utiliser avec aviméca (qui ne supporte que certains formats). On retrouve ce lien dans la page vidéo de ce site
Petit programme de capture d'écran Ce programme permet de faire des photos de tout ou une partie de l'écran, pour faire une notice de logiciel pour les élèves, c'est l'idéal. Merci à Jean-Paul Bellenger, auteur de ce programme.
Raswin : logiciel de visualisation de molécules :
raswin
Dézippez le dossier puis chercher "raswin.exe". Le logiciel est alors lancé, il suffit d'ouvrir une des molécules enregistrées et on peut l'observer sous différentes formes : sphères accolées, liaisons en bâtonnets ...
Calculatrice :
calculplus
Une calculatrice scientifique sur votre ordinateur
Logiciel Dynamic version 2.53 :
dynamic
Le logiciel de Jacques Prieur qui permet, entre autres, le pointage de vidéo et la simulation de lancement de projectile et de satellites
Logiciel Regressi version 2.70 :
regressi
Version de démonstration du logiciel Regressi version 2.70 de Jean-Michel Millet, association Evariste. A l'aide de ce logiciel, on trace aisément des courbes, on peut aussi utiliser la méthode d'Euler (calcul avec indice i+1, i-1)
Application permettant le tri des déchets au laboratoire de chimie :
tri
Une fois le dossier dézippé, on clique sur le fichier exécutable Tri_sel.exe pour lancer l'application. Celle-ci a été créée par JP Kuchly
Chronomètre :
freewatch
Ce chronomètre sur ordinateur permet la prise de plusieurs temps successifs (lap), il vous permettra de faire soit des manipulations en commun avec les élèves, soit de chronométrer de petites interrogations par exemple !
Synchronie :
synchronie
Cette version de synchronie ne permet pas de faire d'acquisitions mais permet la visualisation des fichiers mis à disposition sur ce site ou enregistrés dans votre lycée.
Logiciel d'"acoustique" winoscillo :
winoscillo
Ce logiciel permet de visualiser le signal sonore capté par la carte son d'un ordinateur ou de visualiser directement sa décomposition en série de Fourier. Il y a des options de curseurs et de déclenchement et un petit générateur de sons intégré. Merci à Jean-Noël Haas, l'auteur de ce logiciel.

MODÈLES DE DOCUMENTS, ASTUCES, DIVERS

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Modèle de document Word pour schémas de physique et de chimie :
schemscience
Ce modèle de document Word a été créé par Jean Le Bris, il s'insère dans word et propose des barres d'outils avec des schémas tout fait de matériel de physique (électricité) et de chimie
Pour installer ce modèle, il faut accéder au répertoir de modèles de documents Word : C:\Documents and Settings\Administrateur\Application Data\Microsoft\Modèles ; le dossier Application Data est un dossier caché !
Modèle de document Word pour création de repères :
repere
Ce modèle de document Word a également été créé par Jean Le Bris, il permet de créer toute sorte de repères : papier millimétré au format voulu, quadrillage logarythmique ...
Pour installer ce modèle, il faut accéder au répertoir de modèles de documents Word : C:\Documents and Settings\Administrateur\Application Data\Microsoft\Modèles ; le dossier Application Data est un dossier caché !
Modèle de document Word pour sciences physiques :
sciencesphys
Ce modèle a été créé par Denis Lasperches, il permet de simplifier l'écriture de cours ou de contrôles pour les profs de sciences physiques : avec ce modèle il sera facile d'insérer des formules d'ions, des puissances de dix, des pictogrammes de sécurité, des molécules usuelles ... un gain de temps précieux !
Pour installer ce modèle, il faut accéder au répertoire de modèles de documents Word : C:\Documents and Settings\Administrateur\Application Data\Microsoft\Modèles ; le dossier Application Data est un dossier caché !
Une fonctionnalité de word que j'ai découvert il y a peu :
zoom
Ce petit fichier explique comment utiliser une fonctionnalité de l'impression Word qui permet de mettre deux A4, réduits en A5, dans un A4 paysage. Cela évite de faire cette manip à la photocopieuse !
La verrerie :
verrerie
Ce fichier Word rassemble quelques éléments de verrerie courants qui permettent de constituer les principaux schémas de chimie : béchers, éprouvettes, tubes à essais, ballons, montages à reflux ...
La verrerie bis :
verrerie bis
Ce fichier compressé, une fois dézippé, donnera naissance à un dossier où tous les éléments de verrerie sont présents sous forme de petites images, à insérer dans le traitement de texte

ANIMATIONS, SIMULATIONS DE CHIMIE

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FICHIERS COMMENTAIRES
Mini-site internet à utiliser en intranet :
atomes
Pour accéder au menu, cliquer sur le fichier index.htm : ce site propose de découvrir le modèle particulaire de la matière, selon le niveau (5ème, 4ème ou 3ème). On découvre alors des résumés de cours et des quizz intéressants pour que chaque élève puisse tester ses connaissances.
Animation de déplacement des ions grâce à un courant électrique :
déplacement ions
L'animation est rudimentaire mais permet aux élèves de voir se déplacer les ions colorés cuivre II et permanganate sur une plaque au passage d'un courant électrique.
Diaporama : détermination du point d'équivalence d'un titrage acido-basique :
equivalence dosage
Ce document powerpoint permet de découvrir la méthode des tangentes et la méthode de l'extremum de la fonction dérivée qui permet d'obtenir les coordonnées du point d'équivalence.
Animation de la dissolution d'un cristal de NaCl dans l'eau :
dissociation nacl
Cette animation montre le rôle des molécules d'eau dans la dissolution d'un cristal d'NaCl, des légendes précisent le cristal d'NaCl, l'orientation des molécules d'eau, le phénomène de solvatation des ions ...
Animation sur le fonctionnement de la pile Daniell :
daniell

Diaporama sur le fonctionnement de la pile Daniell :
daniell bis
Cette animation et ce diaporama expliquent le passage du courant, son sens et les déplacements des ions dans les solutions et dans le pont salin
Diaporama permettant d'apprendre à construire le modèle de Lewis d'une molécule :
lewis

Retrouvez la fiche technique associée ici
Basée sur le tableau préconisé par le B.O, ce diaporama explique la construction du modèle de Lewis d'une molécule, étape par étape
Une autre animation concernant le cycle de l'eau :
cycle eau bis
Dans cette animation, on suit l'eau dans tous ses états et on apprend le nom des différents changements d'états mis en jeu dans ce cycle
QCM sur la combustion du carbone :
test combustion
5 questions sur la combustion du carbone : les réactifs, les produits et l'équilibrage de l'équation bilan. Merci à Frédéric Gobet pour ce travail
Diaporama sur le principe d'un dosage indirect (dit dosage en retour) :nouveau
dosage indirect retour
Ce petit diaporama tente d'expliquer le principe du dosage en retour ou dosage indirect, que l'on utilise en spécialité, notamment pour doer la vitamine C dans un comprimé.

ANIMATIONS, SIMULATIONS DE PHYSIQUE

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FICHIERS COMMENTAIRES

ELECTRICITÉ

Schématisation d'un circuit électrique en série :
schema serie
Cette animation interactive permet d'apprendre les symboles de base des schémas d'électricité. Trois schémas seront réalisés : générateur, interrupteur, lampe ; générateur, interrupteur, moteur ; générateur, interrupteur, DEL, résistance de protection. Une animation d'Alain Retière.
Schématisation d'un circuit électrique en dérivation :
schema derivation
Celle-ci permet d'apprendre, par superposition de deux dessins d'expérience, comment on schématise un circuit électrique qui comportent plusieurs boucles. A partir d'un générateur et de deux lampes, on peut schématiser trois circuits différents. Une animation d'Alain Retière.
Simulation de circuit électrique :
simulation circuit
Création de circuits électriques et modélisation du comportement de ceux-ci : que quelques composants sont utilisables : pile, fils, résistance, lampe, interrupteur. Il est possible de modifier la tension de la pile et la résistance des récepteur. On peut aussi mesurer une intensité ou une tension.
Caractéristique d'une résistance :
Caractéristique d'une résistance
Un document de Laurent Rimbourg, ce diaporama présente l'utilisation de la courbe U = f(I) : lecture de I ou U, obtention de la valeur de la résistance d'après la courbe.
Tension alternative : présentation et caractéristiques :
tension alternative
Plusieurs petites animations se succèdent pour la découverte de ces notions. Il y a possibilité d'obtenir ou non des explications. L'animation commence par la présentation de ce qu'est une tension alternative, ensuite on parle de tension maximum pui enfin de période. Tout ceci illustré soit par un voltmètre soit par un écran d'oscilloscope. Une animation de Sylvain Berco.
Découverte de l'oscilloscope :
decouverte oscillo
Ce fichier .rar est un mini-site Internet qui permet de découvrir l'oscilloscope, la page index.htm propose une photo de la face avant de l'oscilloscope, on peut cliquer sur les différents boutons pour connaître leur fonction
Réglage de l'oscilloscope :
reglages oscillo
Cette animation présente un schéma d'une face d'oscilloscope et propose de montrer les différents réglages à réaliser avant de rentrer un signal sur l'oscillocope. Une animation de Phillipe Barayer.
Simulation d'oscilloscope :
oscillo
Cette simulation de Serge Lagier (dont voici le site www.sciences-edu.net) vous permet de manipuler un oscilloscope double voies avec toutes les fonctionnalités basiques. Vous pouvez brancher un générateur de tension continue, un GBF, ou bien différentes piles, ou encore la tension du secteur ou une dynamo. Idéales pour le programme de troisième.
De plus, quelques accessoires y sont intégrés : un multimètre (à brancher en parallèle à l'oscillo, un chronomètre avec une alarme intégré (on peut le faire bipper toutes les 5 ou 10 secondes : super pratique !)
Production d'une tension alternative grâce à un aimant et une bobine :
induction
Cette animation a été trouvée sur le site de l'académie de Dijon : elle montre comment, lorsque l'on fait tourner un aimant devant une bobine, on peut produire une tension alternative (visualisation à l'oscilloscope). Plus l'aimant tourne vite, plus la fréquence de la tension produite est grande.
Le groupe turboalternateur :
turboalternateur

Ensemble turbine-alternateur :
turbine-alternateur
Deux animations qui présentent les éléments principaux des centrales électriques : la turbine et l'alternateur. La première vient du site d'EDF, la deuxième du site du CEA.
Centrale thermique à flamme :
centrale-thermique

Centrale nucléaire :
centrale-nucleaire

Centrale éolienne :
centrale-eolienne 2

Centrale éolienne 2 :
centrale-eolienne

Centrale hydraulique :
centrale-hydraulique

Centrale à biomasse :
centrale-biomasse

Centrale géothermique :
centrale-geothermique

Centrale géothermique par roche fracturée
geothermie-roche

+
Toutes ces animations montrent le principe des différentes centrales électriques. La plupart viennent du site d'EDF, la dernière vient du site de l'ADEME.
Nature des porteurs de charge dans un circuit électrique avec électrolyte :
porteurs
Une petite animation qui montre la nature des porteurs de charge dans un circuit électrique : électrons dans fils électriques, ions dans solution. Merci à Lionel Herteaux, auteur de cette animation
Présentation du triphasé :
présentation du triphasé
Découverte du triphasé : source de ce courant, caractéristiques des différentes tensions possibles, relations mathématiques entre les tensions (analyse vectorielle) ... Cette animation vient du site http://fisik.free.fr, elle est plutôt destinée à des élèves et professeurs de physique appliquée car assez complexe, mais peut intéresser les curieux.
Simulation en ligne de circuit électrique :
circuitlab
Vous souhaitez tester votre circuit électrique en dehors de votre labo : utilisez circuitlab. Ce lien vous amène vers l'exemple de la résonance du circuit RLC : vous pouvez alors simuler ce qu'il se passe en temporel ou en fréquentiel, changez la valeur des composants ... Tout cela est bien pratique !

EDIT: cette application en ligne est malheureusement devenue payante, un temps d'utilisation de 20 minutes reste gratuit, mais cela risque de ne pas être suffisant.

Simulation en ligne de circuit électrique 2 :
docircuits
Voici une application jumelle de la précédente dont l'utilisation commerciale est gratuite (et le restera probablement puisque des comptes payants existent déjà).
Elle est aussi simple d'utilisation que circuitlab. Abusez-en !

OPTIQUE

Analyse spectrale de lumières d'étoiles :
analyse spectrale
Sylvain Debomy nous propose cette application très pertinente, notamment pour les élèves de seconde : à partir de spectres d'émission de gaz, et de leur comparaison avec des spectres d'absorption d'étoiles, on remonte à leur composition : cette application est très simple d'utilisation
Déviation de la lumière colorée par un prisme :
prisme
Avec cette animation, on peut repérer le trajet d'un rayon de lumière rouge, vert, bleu ou les trois en même temps. Il est possible de régler l'angle d'incidence du rayon, on peut lire les angles D de déviation à la sortie du prisme
Ensemble de petites animations :
ensemble de petites animations
Ce fichier exécutable propose plusieurs petites applications : synthèse trichromique ; composition d'une couleur par addition ; petit logiciel de dessin par soustraction ; décomposition d'une image en composantes rouge, verte, bleu ; quelques illusions d'optique ; découverte des phases de la lune ; découverte de l'écran de télévision
Simulation d'optique :
optikos
Encore une simulation de Serge Lagier destinée principalement aux professeurs (et élèves) de collège. Voici les différentes parties : réflexion et diffusion, propagation rectiligne, ombres propres et portées, phases de la Lune et éclipses, décomposition de la lumière (disque de Newton), lentilles convergentes et divergentes. Avec tout ça, il y a de quoi faire !
Diaporama sur la description d'un microscope réel :
microscope1
Ce diaporama a été réalisé par T.Boivin
Diaporama sur la modélisation d'un microscope :
microscope2
Ce diaporama a été réalisé par J.Mourlhou
Animation .swf sur le schéma optique du microscope : de nombreux paramètres sont réglables :
microscope3
Cette animation a été réalisée par François Passebon
Diaporama de construction point par point de l'image définitive obtenue avec un téléscope :
telescope
Merci à mes collègues de Montgeron
Un logiciel permettant de faire des schémas-simulations d'optique géométrique :
Optique géométrique
Ce logiciel a été créé par jean-Marie biansan. Après une prise en main assez délicate (à mon avis), je pense qu'on peut être efficace.

L'intérêt de ce logiciel est qu'il permet de faire des schémas d'optiques assez propres, et surtout que ces schémas sont dynamiques.

Quelques fichiers d'exemples présentent d'ailleurs diverses réalisations : télescopes, lentilles, michelson notamment. Vous pouvez visiter la page de l'auteur pour plus d'informations.

Un logiciel similaire au précédent pour l'optique géométrique mais en Anglais :
Optique géométrique raytrace
Ce logiciel est délicat à prendre en main, surtout qu'il est en anglais. Mais on doit pouvoir faire beaucoup de choses intéressantes lorsqu'on le maitrise.

Ce logiciel était distribué par une société Australienne qui ne le supporte plus à présent.
Vous trouverez des applications pédagogiques possibles de ce logiciel proposées par l'Inrp-Tecne à cette adresse (merci à Daniel.B pour ces informations).

Une notice très succincte peut être téléchargée ici.

Un simulateur d'appareil photo :
Appareil photo
Avec ce simulateur, vous pouvez observer les effets des différents réglages dont on dispose sur un appareil classique, en mode manuel : influence de l'ouverture, de la vitesse d'obturation, de la focale ...

MÉCANIQUE

Rotation des 4 premières planètes autour du soleil :
planete
Animation créée par Gilbert Gastebois : une fois téléchargé, dézipper le dossier et laissez tous les fichier dans le même dossier. Ensuite, il suffit de cliquer sur planete.htm pour atteindre l'application proprement dite.Celle-ci a un intérêt principalement dans le fait qu'elle montre, par rapport au référentiel géocentrique, les mouvements rétrogrades de Mercure, Vénus et Mars
Quelques exemples de situations où les forces se compensent ou non :
force
Pour divers solides dans diverses situations, on étudie les forces appliquées, et selon celles-ci, on en conclut la nature du mouvement
Simulation du pendule pesant :
pendulo
Une fois de plus, nous devons cette simulation à Serge Lagier. Vous allez pouvoir voir évoluer le pendule pesant, avec ses deux courbes caractéristiques : angle en fonction du temps, et le portrait de phase : vitesse en fonction de l'angle. Pratiquement tous les paramètres sont réglables : approximation des angles faibles, réglage de l'angle initial, de la vitesse initiale, du coefficient d'amortissement ou de la pulsation propre. Enfin la durée de relaxation (τ) et la période ou pseudo période sont indiquées
Tracé un vecteur vitesse sur une trajectoire :
tracer vecteur vitesse
L'auteur de cette animation est Adrien Willm, créateur du site ostralo.netoù vous trouverez plein de belles choses, merci à lui. Celle-ci décompose le tracé en différentes étapes très bien détaillées, les élèves ne pourront pas se tromper.
Tracé d'un vecteur variation de vitesse :
tracer vecteur variation vitesse
Cette animation a été créée par Lydie Germain, créatrice du site fizik.chimie.lycee.free.fr :
efficace !
Tracé d'un vecteur accélération :
tracer vecteur acceleration

OU
Tracé d'un vecteur accélération bis :
tracer vecteur acceleration
La première animation a également été créée par Lydie Germain : toujours efficace mais doit être vue après l'animation ci-dessus concernant le tracé du vecteur variation de vitesse. La seconde vient du site physiquark, elle est un petit peu plus longue puisqu'elle présente toutes les étapes à partir des vecteurs vitesses.

DIVERS

Instruments anciens :
instruments anciens
Ce fichier compressé, une fois dézippé, donnera naissance à un dossier qui contientdra une multitude de photos d'instruments anciens
Explication de l'expérience de Franklin :
expérience de franklin
Toute la démarche pour trouver la taille d'une molécule d'acide oléïque est expliquée dans cette animation, en commençant par l'existence de parties hydrophobe et hydrophile dans une molécule d'acide oléïque
Méthode de conversions en diaporama :
conversion

Fiche élève : utilisation du tableau de conversion
En suivant ces quelques diapositives, les élèves revoient les méthodes de conversions à partir du tableau du même nom. Ces fichiers sont ceux du nouveau programme de cinquième, on retrouve donc ces liens au niveau de la page Collège nouveaux programmes

D'AUTRES SITES D'ANIMATIONS

Voici quelques adresses pour d'autres animations :

Sur les sciences et le progrès dans la République

ASSEMBLÉE NATIONALE, CONSTITUTION DU 4 OCTOBRE 1958, QUATORZIÈME LÉGISLATURE, le 26 janvier 2017.

Mesdames, Messieurs,

« La République n’a pas besoin de savants ! » telles sont les paroles attribuées au président du Tribunal Révolutionnaire au moment de la condamnation à mort du chimiste Lavoisier en 1794 après la suppression de l’Académie des sciences par la Convention. « Et pourtant elle tourne ! » aurait dit Galilée après le procès qui lui a été fait après sa présentation de la théorie de la rotation de la terre. « Les partisans de Mendel sont les ennemis du peuple soviétique » disait Lyssenko, qui obtenait de Staline et de Khrouchtchev la condamnation de la génétique classique et la fermeture de laboratoires et le licenciement de chercheurs dans l’ex-URSS.

Si de nos jours, cette forme d’obscurantisme semble dépassée (alors que les créationnistes contestent aujourd’hui le Big Bang et la théorie de l’évolution), nous devons malheureusement affronter un climat de défiance croissant vis-à-vis des institutions scientifiques et des savants qui, pourtant, constituent un pilier fort de notre République

Le développement de la modernité industrielle s’est accompagné de progrès fulgurants et d’une liberté de création avec l’émergence de grands inventeurs (Lavoisier, Faraday, Edison, Darwin, Pasteur, Poincaré, Marie Curie, Einstein, Pauling, Planck, Schrödinger, De Gennes, Charpak….et même Steve Jobs). Pourtant, la place de la démarche et de la culture scientifique est aujourd’hui en net recul dans notre pays et dans notre République.

Tout en favorisant l’accès à la culture, la numérisation en cours de nos sociétés et l’usage d’internet amplifient la dérégulation du marché de l’information scientifique, faisant place à la diffusion de croyances les plus dangereuses, si bien que les pouvoirs publics et nos concitoyens peinent à hiérarchiser les éléments nécessaires à la prise de décision en matière de choix scientifiques et techniques. Cette évolution inquiétante prend sa source dans la confusion de plus en plus marquée entre ce qui relève des savoirs issus d’une démarche scientifique rigoureuse et ce qui relève de croyances ou de désinformation. Elle se traduit par une remise en cause croissante de la valeur culturelle et de l’impact social du travail scientifique.

Par la confusion entretenue entre savoir et opinion dans les espaces publics et numériques, la défiance qui en résulte menace l’activité et les fondements de la recherche scientifique. La prolifération d’informations tronquées ou inexactes, comme de théories complotistes, génère des inquiétudes, de l’endoctrinement et alimente les parcours de radicalisation. Cela se traduit par une fragilisation du socle des valeurs républicaines. Ainsi, la rationalité et l’objectivité, héritages de la philosophie des Lumières, s’opposent-elles désormais au relativisme, une idéologie qui conteste l’idée même de progrès et impose ses vues à force d’amalgames, d’anathèmes voire d’actions violentes. Au-delà, c’est l’existence même de la démocratie qui est menacée si nos scientifiques et nos ingénieurs ne peuvent s’exprimer et être écoutés dans leur rôle d’expertise au prétexte que leurs avis ne constituent que des opinions parmi d’autres.

Dans tous les débats importants de ces dernières années, notamment sur les biotechnologies, la politique vaccinale, les radiofréquences ou l’énergie, les gouvernements qui se sont succédé depuis plus de vingt ans ont trop souvent reculé ou démissionné. Ainsi, les discussions autour de la régulation des nanotechnologies organisées par la Commission nationale du débat public en 2009-2010, ou encore celles sur le stockage de déchets nucléaires à Bure-Saudron ont-elles été perturbées et finalement empêchées. De tels renoncements sont hélas nombreux.

Cette confusion est accrue par l’amalgame entre la science et ses applications. Assurément, les découvertes scientifiques peuvent générer des technologies qui, à côté de bénéfices indéniables, peuvent présenter des effets dangereux et il ne s’agit en aucune façon de verser dans un scientisme béat, ou dans une croyance aveugle à l’innocuité des technologies. Les risques ne doivent pas être balayés d’un revers de la main, mais plutôt évalués rationnellement, en tenant à distance les croyances, les partis-pris idéologiques et les discours sectaires car, comme le disait fort justement le mathématicien philosophe, prix Nobel de littérature Bertrand Russell : « La science n’a jamais tout à fait raison, mais elle a rarement tout à fait tort, et, en général, elle a plus de chance d’avoir raison que les théories non scientifiques. Il est donc rationnel de l’accepter à titre d’hypothèse. » En particulier, les actions destinées à empêcher la réalisation d’études d’impact et d’évaluation des risques doivent être dénoncées comme contraires au bien public et fortement sanctionnées.

La culture scientifique est en recul dans les médias où, trop souvent, des raisonnements simplistes, constituant avant tout des coups de communication et ne respectant pas les règles éthiques, sont présentés comme des informations incontestables, lesquelles sont souvent démultipliées par les réseaux sociaux.

La pratique de la méthode scientifique est en recul dans nos écoles, comme l’apprentissage des sciences qui contribue pourtant à la formation des futurs citoyens.

La démarche scientifique régresse enfin dans les assemblées et les ministères, là même où se prennent des décisions non suffisamment fondées engageant l’avenir de notre pays et de nos compatriotes. Des responsables politiques n’hésitent pas à contredire des avis ou des recommandations émis par des comités scientifiques et des agences créés par l’État ou par l’Union européenne pour les éclairer dans leurs décisions.

Depuis des décennies, les crédits budgétaires en faveur de la recherche ont trop souvent été rognés.

La parole scientifique doit retrouver toute sa place au cœur des grands débats de notre démocratie, dans les enceintes parlementaires comme dans les ministères. En leur temps, des hommes d’État comme Pierre Mendès France, le général de Gaulle ou François Mitterrand avaient élevé la recherche scientifique et ses applications au rang de priorité nationale. Ce n’est plus suffisamment le cas aujourd’hui et c’est la nature même du progrès qui est remise en cause. Celui-ci doit bien sûr être maîtrisé et partagé mais la République doit avoir foi dans le progrès scientifique, qui a été et reste le principal facteur de progrès économique, sanitaire, social et environnemental.

Plus que jamais, la République a besoin de savants.

PROPOSITION DE RÉSOLUTION

Article unique

L’Assemblée nationale,

Vu l’article 34-1 de la Constitution,

Vu l’article 136 du Règlement de l’Assemblée nationale,

Considérant que la France, héritière d’une longue tradition scientifique, rationaliste et de la philosophie des Lumières, a toujours incarné le progrès et la science au service de l’humanité ;

Considérant, comme le souligne le rapport « L’avenir de la consultation scientifique pour les Nations Unies » publié par l’UNESCO le 18 septembre 2016 que : « Les sciences, la technologie et l’innovation ont la capacité de changer la donne pour relever pratiquement tous les défis mondiaux les plus urgents. » ;

Considérant que les discours partisans voire sectaires fondés sur une défiance croissante vis-à-vis de l’expertise scientifique constituent une grave remise en cause de cet esprit des Lumières en s’attaquant aux règles mêmes sur lesquelles repose l’institutionnalisation de toute science ;

Considérant que la confusion entre les connaissances et les opinions constitue une sérieuse menace pour le bon fonctionnement de notre démocratie en alimentant les processus sectaires et diverses formes de radicalisation ;

Considérant que la culture scientifique est à la base de toute recherche de connaissance vraie et que, par ce fait même, son respect est la condition indispensable à l’élaboration de politiques scientifiques cohérentes ;

Considérant que la recherche scientifique et technologique constitue un élément indispensable à la compétitivité de la France au niveau européen et même mondial ;

Considérant que la culture scientifique est le ferment indispensable pour des citoyens éclairés et responsables ;

Considérant que la démocratisation de l’accès aux savoirs scientifiques constitue un progrès social essentiel et génère des défis stimulants en matière de politiques culturelle et éducative ;

Considérant que l’enseignement des sciences, depuis l’école élémentaire jusqu’aux études supérieures, représente un enjeu considérable pour notre pays ;

Considérant qu’il revient aux chaînes de télévision et de radio du service public de l’audiovisuel de donner une place éminente aux émissions d’information et de transmission des connaissances scientifiques et des progrès technologiques ;

Considérant que l’expertise scientifique n’est plus assez prise en compte dans les processus de la décision politique ;

Considérant que les gouvernements successifs, depuis des décennies, n’ont pas su consacrer l’effort budgétaire indispensable dans le domaine de la recherche et du développement contrairement à d’autres pays voisins ;

Considérant que nos universités, nos écoles et nos organismes de recherche accomplissent un travail dédié à la défense et à la diffusion de la culture scientifique ;

Considérant que l’étude des sciences, de la philosophie et de l’épistémologie, et plus généralement des sciences humaines et sociales, joue un rôle éminent dans la construction de la culture scientifique ;

Considérant qu’en se dotant d’un Office parlementaire d’évaluation des choix scientifiques et technologiques (OPECST), l’Assemblée nationale et le Sénat ont souhaité que l’action et les décisions du Parlement puissent être éclairées sur les conséquences des choix à caractère scientifique et technologique ;

L’Assemblée nationale :

1° Souhaite rappeler que la science, comme n’a cessé de le mentionner l’OPECST dans ses études touchant à la culture scientifique et technique, est un vecteur essentiel de l’innovation, dimension centrale du développement de l’économie et de l’emploi dans les sociétés développées contemporaines ; qu’elle constitue également un bien commun, comme le souligne un rapport de l’UNESCO, en ouvrant les perspectives culturelles des citoyens à la recherche d’une meilleure compréhension du monde.

2° Suggère que l’initiation aux sciences à l’école élémentaire soit considérablement renforcée pour davantage sensibiliser les jeunes élèves à la démarche scientifique.

3° Invite le Gouvernement à veiller à la qualité des enseignements scientifiques dispensés au collège et au lycée. De fait, les évolutions récentes apparaissent alarmantes.

4° Souhaite, ainsi que le préconisent l’Académie des sciences, l’Académie des technologies et l’Académie des sciences morales et politiques, que le Gouvernement encourage une plus grande interaction entre enseignements en sciences technologiques et sciences humaines dès les classes de lycée, ainsi que dans la suite de tous les cursus scientifiques et inversement.

5° Invite en particulier le Gouvernement à étoffer la partie du programme de philosophie consacrée aux sciences et à l’épistémologie au lycée et dans l’enseignement supérieur. En l’état, seuls les élèves de la filière littéraire abordent les chapitres consacrés au vivant, à la théorie et l’expérience. De tels développements seraient profitables à tous et plus particulièrement aux élèves des filières scientifiques qui pourraient acquérir davantage de connaissances épistémologiques sur les pratiques scientifiques et sur les rapports science-société.

6° Souhaite que les travaux et les recommandations des académies soient davantage suivis, tant dans les domaines de l’enseignement que dans ceux de la décision politique et que celles-ci devraient avoir pour mission d’émettre des avis sur les propositions du Gouvernement en matière scientifique et technologique.

7° Invite le Gouvernement français à mettre en avant des stratégies de communication et de débats avec les citoyens adaptés à l’évaluation et à la gestion des risques technologiques. L’enjeu principal de l’expertise scientifique et technique consiste à fournir une évaluation en amont de la prise de décision politique. Il convient donc de développer des procédures d’examen propres à éclairer les débats sociétaux. Il convient également d’établir une distinction claire entre les éventuels dangers intrinsèques dus à une technologie donnée et les risques inhérents à son utilisation. Ces procédures d’examen doivent établir une balance bénéfices/risques (socio-économiques, sanitaires et environnementaux) liée autant à l’adoption d’une technologie que, le cas échéant, au renoncement à celle-ci.

8° Souhaite que les chaînes de télévision et les stations de radio du service public renforcent l’offre d’émissions scientifiques, en particulier aux heures de plus grande écoute et s’efforcent d’en faire de véritables espaces de savoir, en veillant notamment à y donner la parole aux membres de la communauté scientifique.

9° Invite le Gouvernement à réfléchir à des pratiques pédagogiques fondées sur l’usage raisonné des technologies numériques, en particulier à l’apprentissage du tri de l’information qui faciliterait la distinction entre des savoirs établis et des opinions sans fondement scientifique.

10° Invite le Gouvernement à donner plus d’importance aux études et rapports de l’OPECST dans l’élaboration et le suivi des politiques qui impliquent la science ou ses applications. Cela devrait se traduire, en particulier, par un renforcement de sa responsabilité dans l’organisation du travail parlementaire et dans le développement d’une politique culturelle attentive aux grands enjeux de la science contemporaine, via notamment un avis formel de l’OPESCT joint aux textes présentés et l’élargissement de ses missions à des études d’impact préalables pour tout projet ou proposition de loi impliquant des choix à caractère scientifique ou technologique.


ASSEMBLÉE NATIONALE

CONSTITUTION DU 4 OCTOBRE 1958

QUATORZIÈME LÉGISLATURE

Enregistré à la Présidence de l’Assemblée nationale le 26 janvier 2017.

http://www2.assemblee-nationale.fr/documents/notice/14/propositions/pion4421/(index)/depots

Option informatique session 2017| CAPES de Mathématiques

Option informatique session 2017

Un sujet 0 pour la première épreuve écrite de l'option informatique est disponible ici en format PDF. Une notice d'explication est également disponible ainsi que les fichiers sources. Ce sujet a été mis à jour le 5 juin 2016

Source : Actualités | CAPES de Mathématiques, Site du jury du CAPES externe et CAFEP de Mathématiques

Épreuves orales session 2017 | CAPES de Mathématiques

Épreuves orales session 2017

Leçon

Le candidat choisit un sujet, parmi deux qu’il tire au sort. La liste des sujets dépend de l'option choisie par le candidat, mathématiques ou informatique.

L’épreuve commence par l'exposé du plan (vingt minutes), suivi du développement par le candidat d'une partie de ce plan choisie par le jury puis d'un entretien (échange sur les points précédents).

Liste des leçons en mathématiques

Liste des leçons en informatique

Épreuve sur dossier

L’épreuve s’appuie sur un dossier fourni par le jury portant sur un thème des programmes de mathématiques du collège, du lycée ou des sections de techniciens supérieurs. Ce thème est illustré par un exercice qui peut être complété par des productions d'élèves, des extraits des programmes officiels, des documents ressources ou des manuels.

L'épreuve commence par l'exposé des réponses aux questions (vingt minutes) comprenant la présentation motivée d'exercices sur le thème du dossier, suivi d'un entretien. Ce dernier se termine par un temps d'échange avec le candidat sur les missions du professeur et  le contexte d’exercice du métier.

Ressources mises à disposition des candidats

Pendant le temps de préparation et lors de l’interrogation orale, le candidat bénéficie du matériel informatique mis à sa disposition.

Les candidats ne sont pas autorisés à utiliser de calculatrices.
Le transfert des données entre la salle de préparation et la salle d’interrogation se fait grâce au réseau de l'établissement ou éventuellement au moyen d’une clé USB fournie par le jury. L’utilisation de tout support numérique personnel est exclue.
L’usage des téléphones mobiles et de toute forme d’accès à internet est interdit dans l’enceinte de l’établissement.

Logiciels

La liste ci-dessous n'est pas définitive. Quelques logiciels seront ajoutés après la rentrée scolaire 2016.

  • LibreOffice (interface en français et éditeur d'équations) 5.0.6Website
  • Geogebra 5.0.255.0 Website
  • GéoTortue 3.14.02.19 Website
  • Python 3 (éditeur Pyzo 4.2.1 avec les bibliothèques numpy, scipy et matplotlib)  Website
  • Algobox 0.9 Website
  • Scratch Offline 447 Website
  • Scilab 5.5.2 avec le module lycée 1.4.2-1 Website
  • Xcas 1.2.0 Website
  • Casio ClassPad Manager Website
  • Emulateur HP prime 

NB : algobox et les émulateurs de calculatrices ne seront plus proposés à partir de la session 2018.

Les documents suivants sont mis à disposition des candidats :

- réglementation du concours ;
- référentiel des compétences professionnelles ;
- programmes de Mathématiques (collège, lycée et sections de technicien supérieur) et documents ressources en ligne sur Eduscol.

Manuels numériques

Ci-dessous, la liste des manuels numériques mis à disposition durant la préparation et en salle d'interrogation pour la session 2017  (tous au format PDF). Cette liste n'est pas définitive, d'autres manuels seront ajoutés après la rentrée 2016. Une bibliothèque (en cours d'élaboration) sera également proposée pour les candidats à l'option informatique.

HATIER

Odyssée : 2de (2010), 1re ES-L (2011), 1re S (2011), Terminale ES-L spécifique et spécialité (2012), Terminale S spécifique (2012), Terminale S spécialité (2012)

DIDIER

Mathsmonde : cycle 4 (en un volume) (2016)

Math'x : 2de (2010), 1re S, (2011) Terminale S spécifique (2012), Terminale S spécialité (2012)

NATHAN

Transmath : 2de (2010), 1re ES-L (2011) , 1re S (2011), Terminale ES-L spécifique et spécialité (2012), Terminale S spécifique (2012)

Hyperbole : 2de (2010), 1re ES-L (2011),  1re S (2011), Terminale ES-L spécifique et spécialité (2012), Terminale S spécifique (2012)

BORDAS

Indice : 2de (2010), 1re S (2011), Terminale S spécifique (2012)

HACHETTE

Déclic : 2de (2010), 1re ES-L (2011), 1re S (2011), Terminale ES spécifique et spécialité (2012), Terminale S spécifique et spécialité (2012)

FOUCHER

Sigma : 1re STI2D et STL (2011), Terminale STI2D et STL (2012).

Mathématiques BTS CG-Programme (2015), Mathématiques pour l'informatique BTS SIO (2014), Mathématiques BTS Industriels Tome 1 groupement A (2002), Mathématiques BTS Industriels Tome 2 groupement A (2002), Analyse et algèbre BTS Industriels Tome 1 groupements B, C et D (2014), Statistique et probabilités BTS Industriels Tome 2 groupements B, C et D (2014)

SESAMATH
Manuels Sésamath : 2nde (2014) 1ère S (2015)

Bibliothèque

Le candidat a également accès aux ouvrages de la bibliothèque du concours et peut, dans les conditions définies par le jury, utiliser des ouvrages personnels.
Seuls sont autorisés les livres en vente dans le commerce, à condition qu’ils ne soient pas annotés.
Sont exclus les ouvrages de préparation aux épreuves orales du concours définies par l'arrêté du 19 avril 2013. Le jury se réserve la possibilité d’interdire l’usage de certains ouvrages dont le contenu serait contraire à l’esprit des épreuves.

La bibliothèque du concours propose quelques exemplaires de manuels de mathématiques des sections de techniciens supérieurs (liste inchangée depuis 2014). Compte tenu du nombre d’exemplaires dont il dispose, le jury ne peut garantir la possibilité d’accéder à tous les ouvrages souhaités.

Source : Épreuves orales session 2017 | CAPES de Mathématiques, Site du jury du CAPES externe et CAFEP de Mathématiques

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