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Electromagnétisme
L’électromagnétisme, est une branche de la physique qui étudie l’ensemble des phénomènes électriques et magnétiques. Il repose sur quatre équations fondamentales formulées par James Maxwell en 1873. Il étudie les modifications de l’espace provoquées par des charges électriques un mouvement, modifications traduites par un champ électromagnétique, défini en tout point par deux vecteurs : le champ électrique Er et le champ magnétique Br. Ces deux vecteurs sont déterminés par un système d’équations, faisant intervenir les positions et les vitesses des charges, système établi par Maxwell en 1860. Il est donc possible d’exposer l’électromagnétisme en énonçant les équations de Maxwell, puis en examinant leurs conséquences.
Historique
La notion d’électromagnétisme date des années 1860, lorsque James Clerk Maxwell unifia l’électrodynamique et le magnétisme en une seule théorie. Les fameuses quatre équations de Maxwell sont toujours utilisées pour décrire les effets de l’électromagnétisme à notre échelle, c’est-à-dire non quantiques. Maxwell prédit aussi à partir de ses équations l’existence des ondes électromagnétiques et comprit que la lumière visible n’était qu’un cas particulier d’onde électromagnétique. En 1888, Heinrich Rudolf Hertz parvint à mettre en évidence l’existence de ces ondes électromagnétiques autres que la lumière (d’où le nom d’ondes hertziennes donné aux ondes électromagnétiques utilisées dans les télécommunications). Les équations de Maxwell ont contribué à la révolution de la physique au début du XXème siècle car elles contiennent la notion d’interaction à distance non instantanée (à la vitesse de la lumière). Elles ont donc contribué à l’élaboration de la relativité restreinte par Albert Einstein en 1905. De plus Hertz découvrit aussi l’effet photoélectrique (expulsion des électrons d’un métal par la lumière) qui a permis à Einstein toujours en 1905, de montrer que la lumière est aussi constituée de particules, les photons. Cette dualité de la nature de la lumière (à la fois onde et particule) permit aux physiciens de l’époque d’élaborer la physique quantique. Finalement, après la résolution de nombreux problèmes techniques, une théorie complète de l’interaction électromagnétique, à la fois relativiste et quantique, fut terminée dans les années 1948-1949 par Richard Feynman, Julian Schwinger et Sin-litro Tomonga sur la base de la théorie élaborée par Paul Dirac. Cette théorie est l’électrodynamique quantique (ou QED) et a servi de modèle à l’élaboration des théories des autres interactions (sauf en ce qui concerne la gravitation). La découverte de l’induction électromagnétique [4] Dès la fin du XVIIIème siècle, l’électromagnétisme connut des développements expérimentaux et théoriques importants. Après les travaux d’Oersted montrant qu’un courant produit des effets magnétiques, on songea tout naturellement à obtenir d’une façon inverse un courant à partir d’un aimant. En 1821, Ampère s’était déjà demandé si un courant électrique pouvait en faire naître un autre dans un circuit voisin. Avec de la rive, à Genève, il réussit même à mettre en évidence un courant induit ; l’importance du phénomène échappa cependant au grand physicien. Un autre expérimentateur, Colladon, physicien français, réalisa avant Faraday l’expérience qui consiste à introduire un aimant dans un galvanomètre. Mais Colladon craignant que l’aiguille de songalvanomètre ne fût soumise à l’action de son aimant inducteur prit la malencontreuse précaution d’isoler le galvanomètre dans une pièce voisine. Aussi lorsqu’il tentait l’expérience, il ne pouvait en même temps, voir le galvanomètre ; il était passé tout près d’une grande découverte. De son côté, Fresnel espéra un moment faire apparaître un courant dans des spires enroulées sur un aimant. Le résultat fut négatif, puisque seules des variations de flux peuvent faire apparaître un courant induit.
Manifestations courantes
Les manifestations courantes de l’interaction électromagnétique sont très nombreuses et variées. Les premières qui viennent à l’esprit (en raison du nom électromagnétique) sont bien sûr les phénomènes électrostatiques, électriques, et magnétiques. En fait toute notre civilisation est basée sur l’électronique et les télécommunications, reposant entièrement sur l’interaction électromagnétique. En dehors des applications immédiates de l’électricité, les matériels électroniques et informatiques sot maintenant devenus indispensables. De même l’utilisation des ondes électromagnétiques est devenue très importante, que ce soit pour les radars, la radio, la télévision, les téléphones mobiles ou même les micro-ondes. Mais l’application la plus courante est tout simplement la lumière visible, qui est simplement l’onde électromagnétique à laquelle est sensible notre rétine. Cependant, il ne faut pas oublier que l’interaction électromagnétique est aussi la base même de la cohésion de la matière que nous connaissons. En effet, c’est elle qui permet l’existence des atomes, en liant les noyaux atomiques (de charge électrique positive) avec les électrons (de charge électrique négative). Cette liaison permet aussi de combiner les atomes entre eux pour créer des molécules et aussi assurer la cohésion des solides et les propriétés des liquides et des gaz. Ces liaisons entre molécules permettent aussi de comprendre la chimie, et la chimie de certaines classes de molécules permet de comprendre la biologie. Finalement, le comportement de la matière à notre échelle et notre existence même est des conséquences de l’électromagnétisme. L’interaction électromagnétique est donc responsable de quasiment tous les phénomènes de la vie courante (en dehors de la pesanteur). En particulier, nos cinq sens sont basés sur elle pour interagir avec notre monde environnant. La vue utilise bien sûr la lumière, donc une onde électromagnétique de fréquence précise. L’odorat et le goût utilisent des capteurs chimiques pour analyser certaines molécules, donc des liaisons électromagnétiques entre ces capteurs et les molécules analysées. Le toucher utilise l’interaction électromagnétique pour établir le contact entre les capteurs de la peau et le milieu environnant. Enfin l’ouie est aussi basée sur le contact avec le milieu environnant, dans ce cas précis l’air, dont les variations de pression sont analysées en fonction de la fréquence. En résumé, l’interaction électromagnétique est la seule interaction utilisée par le corps humain pour communiquer, analyser l’environnement (sauf pour distinguer le haut du bas), consommer de l’énergie, se développer, bref pour vivre. Si telles sont l’historique, les caractéristiques, les manifestations courantes de l’électromagnétisme, nous allons concevoir maintenant, dans la deuxième partie un cours sur l’électromagnétisme du programme des terminales C et D à Madagascar.
CONCLUSION
Dans ce travail, nous avons réalisé un support didactique contenant un cours sur l’électromagnétisme, du programme des terminales C et D à Madagascar. Pour cela, les apprenants peuvent consulter des cours, des illustrations, ainsi que des évaluations permettant de tester les connaissances et les compétences acquises. Les interactions maître-élève et élève-maître qui sont très importantes lors d’une séance d’enseignement, peuvent être remplacées par des outils de communications comme le forum, le chat, le mail, le téléphone,… Ce travail nous a donné l’occasion de découvrir l’utilité d’un micro ordinateur dans l’enseignement des sciences physiques. Le micro-ordinateur améliore la qualité de l’enseignement en éveillant la curiosité des élèves, dans ce cas il peut résoudre en partie les problèmes de l’enseignement/apprentissage. On peut dire que l’utilisation d’un micro-ordinateur comme outil didactique suscite des intérêts grandissants. D’une part, vu la rapidité du développement technologique actuellement, l’enseignement ne doit pas rater son évolution. Notre ambition en faisant cette étude est de fournir à nos apprenants des bases scientifiques solides à partir de cours accompagnés des illustrations et des exercices afin qu’ils soient bien motivés à apprendre les sciences physiques. Pour terminer donc, l’enseignement doit suivre le développement technologique actuel de l’ère informatique. Mais l’utilisation de cette méthode d’accès au savoir exige des conditions comme la formation des enseignants à l’utilisation du micro-ordinateur, et notamment la vulgarisation des micro-ordinateurs dans les établissements scolaires.
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Table des matières
INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE : Etude bibliographique
I. Electromagnétisme
1. Historique
2. Caractéristiques
3. Manifestations courantes
DEUXIEME PARTIE : Conception d’un cours sur L’électromagnétisme
I. Champ magnétique créé par des courants
1. Champ magnétique terrestre (champ géomagnétique
2. Spectre magnétique engendré par des courants
2.1. Expérience d’Oersted
2.2. Champ magnétique crée par un fil électrique parcouru par un courant
2.3. Champ d’un circuit fermé (bobine plate)
2.4. Champ magnétique crée par une bobine longue ou solénoïde
II. Loi de Laplace
1. L’étude expérimentale
1.1. Rails de Laplace
1.2. Pendule conducteur
2. Force de Laplace
Intensité du courant
Loi de Laplace
3. Action d’un champ magnétique uniforme sur un cadre rectangulaire parcouru par un courant continu
3.1. Expérience
3.2. Cas particulier : Cadre dans un champ radial
4. Action réciproque des courants
III. Induction électromagnétique
1. Expérience
2. Sens du courant induit
2.1.Première expression de la loi de Lenz
2.2.Deuxième expression de la loi le Lenz
3. Expression algébrique de la force électromotrice induite
Etude d’un cas particulier : circuit mobile dans un champ magnétique uniforme
3.1. Champ électromoteur inducteur
3.2. Force électromotrice d’induction
3.2.1. Circuit fermé
3.2.2. Circuit ouvert
4. Généralisation de la formule de Faraday
4.1.Notion de flux
4.2. Loi de Lenz Faraday
4.3. Quantité d’électricité induite
IV. Auto-induction
1. Mise en évidence expérimentale
2. Auto-inductance d’un circuit
3. Force électromotrice d’auto-induction
4. Tension aux bornes d’une bobine
5. L’énergie magnétique d’une bobine
V. APPLICATIONS
Action d’un champ magnétique sur une particule chargée
1. Notion de magnétostatique
Les pôles d’un aimant
Vecteur induction magnétique
Champ magnétique uniforme
2. Force magnétique de Lorentz
3. Mouvement d’une particule chargée dans un champ magnétique B
Mouvement plan de la particule
Mouvement uniforme
Mouvement circulaire
4. Autre conséquence de la force de Lorentz
Puissance de la force magnétique
Quantité de mouvement de la particule
Périodicité de mouvement
5. Applications
Spectromètre de masse (spectrographe)
Le cyclotron
TROISIEME PARTIE : Exploitation du logiciel macromedia dreamweaver pour la transformation en langage html du cours conçu et proposition de quelques fiches d’expériences
Exploitation du logiciel Macromedia Dreamweaver pour la transformation en langage html du cours conçu
I. OUVERTURE DU LOGICIEL
II. OUVERTURE D’UN FICHIER
III. ENREGISTREMENT D’UN FICHIER
IV. LES PROPRIETES D’UNE PAGE
V. LES CADRES
1. Création d’un jeu de cadre prédéfini
2. Propriétés
3. Enregistrement
VI. LES CALQUES
1. Insertion
2. Propriétés
VII. LES LIENS
VIII. INSERTION D’IMAGE
Les étapes de l’élaboration du support didactique
Proposition de quelques fiches d’expérience
Pour apprenant
Pour enseignant
CONCLUSION
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