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Collections de Sciences physiques

Index de l'article

Une collection exceptionnelle d'instruments de sciences physiques pour l'enseignement

Le fonds d'instruments anciens est issu principalement des dotations et acquisitions successives, depuis la création du Lycée en 1803, mais quelques instruments témoignent d'une histoire de l'établissement plus ancienne, tel le double cône de l'abbé Nollet (1) ou le compas de marine daté de 1744 (2).

(1) 04 Nollet a vignette                                                (2)

boussole marine 1744 b vignette

 Une bonne partie de ces instruments dormait dans des fonds d'armoire ou au milieu de débris dans des caves. Leur sauvetage (entamé à la fin des années 1980 avec des élèves volontaires), leur restauration et leur mise en valeur sont une de nos préoccupations majeures.

caves 1988 vignette                                                         salle Hébert En1988 vignette

Certains instruments de sciences physiques sont modestes, d'autres plus complexes, d'autres encore visent à susciter l'émerveillement (3).

                                                               (3)   Tube de Geissler

Beaucoup sortent des ateliers de constructeurs célèbres. Presque tous ont en commun d'allier beauté et vocation pédagogique :


"Vieilleries surannées, exhumées d'un passé révolu et simplement dépoussiérées, que nous avons là sous les yeux ? Non, signes vivaces, émouvants et efficaces d'un savoir toujours en mouvement et d'un enseignement en perpétuelle réinvention. [...] Mieux souvent que des instruments chromés, profilés, encastrés, numérisés, " computorisés" ..., ils nous découvrent, avec une sorte d'évidence tranquille, leur fonction, nous invitant à deviner le résultat de l'expérience qu'ils suggèrent, nous donnant l'envie de les toucher, d'en caresser les arrondis du bois verni et de les faire fonctionner. [...] De ceux et celles qui conçurent ces instruments nous sommes les élèves et les débiteurs. Nous tenons là un trait d'union entre eux et nous." 
                      
(Yves Quéré, de l'Académie des Sciences, "Éloge du musée", dans Enseigner et communiquer, Le Pommier, 2008).

Nous ne présentons sur le site qu'un petit nombre d'instruments, sans entrer dans le détail de leur fonctionnement. Le visiteur curieux trouvera un inventaire photographique très complet - plus de 300 de nos appareils - sur le site de l'Association de Sauvegarde et d'Étude des Instruments Scientifiques et Techniques de l'Enseignement (ASEISTE). Chacun y fait l'objet d'une notice très complète. Plus d'une vingtaine y sont aussi montrés en fonctionnement dans la rubrique "vidéos". Pour se connecter au site de l'ASEISTE,  cliquer ici >>>
Le classement en disciplines est celui qui était en usage au XIXe siècle, auquel nous avons ajouté l'électronique.


 Mécanique, pesanteur, mesures

10 cpte-secondes base vignette

10 cpte-secondes détail vignette   10 cpte-secondes détail 2 vignette  
L'horloge à secondes : une illustration du principe de l'horloge à balancier ..

Avec la vidéo, comprenez le mouvement et écoutez le tic-tac  ...

 

comptesecondes

 

Le double cône de l'abbé Nollet : un mouvement contre nature ?

Avec la vidéo, suivez le déplacement : lâché d'en bas, le double cône roule jusqu'en haut des rails et semble s'affranchir de la pesanteur !

04 Nollet a vignette

 

  nollet04 Nollet b vignette  

Avez-vous trouvé où est l'astuce ? Pour vérifier votre réponse, cliquer ici >>>

 

La Machine de Morin : l'ingénieur militaire Arthur Morin (1795-1880)
a conçu divers appareils ''propres à la représentation graphique et à la détermination des lois du mouvement''.
Pour l'étude de la chute des corps, il a inventé en 1833 cette ''machine'', utilisée dans les établissements d'enseignement jusqu'au milieu du 20ème siècle.

Pour connaître l'histoire de la restauration de celle du lycée Emile-Zola à Rennes, cliquer ici >>>

morin 
Pour lancer la vidéo, cliquer sur l'image ci-dessus 

 

Un instrument de précision : le cathétomètre

D'usinage particulièrement délicat, cet instrument permet d'apprécier des différences de niveau au centième de mm près !

01 cathétom détail3 vignette

01 cathétom détail2 vignette   01 cathétom base vignette
 

 


Hydrostatique

12 sphère Pascal vignette

Qu'est-ce que c'est ? Une masse d'armes ?

Non !

La sphère de Pascal illustre le principe, établi par Pascal, de la transmission des pressions dans les liquides.
Une vidéo, pour mieux comprendre ...

 

 

 

Sphère de Pascal

04 vases communicts vignette  Le principe des vases communicants

Sans commentaire !

La presse hydraulique

Encore Pascal ! Le liquide qui remplit les tubulures et les deux cylindres de laiton transmet la pression. Mais les forces pressantes agissant
sur les pistons dans les deux cylindres sont proportionnelles à leur surface.

La presse hydraulique

 

03 presse hydraul vignette

Ainsi avec une petite
force exercée par l'opérateur
(à droite), ...

 ... on exerce une
grande force sur
l'objet placé dans
la presse (à gauche).

Une balance hydrostatique

On peut suspendre sous les plateaux un corps qu'on immergera dans un fluide. La balance permet alors d'évaluer la poussée d'Archimède

07 balance hydro 1 vignette

 Une collection de  densimètres

02 aéromètres vignette

   densimètres ou

Ils permettent d'évaluer la densité des liquides dans lesquels on les plonge. Certains, appelés alcoomètres, sont gradués directement en degrés alcooliques. D'autres, les pèse-acides, permettent d'évaluer la concentration d'une solution sulfurique.


C'est pratique une lecture directe !

Deux exemples, en vidéo ...

 

Densimètre de Gay-Lussac 02c densim universel b vignette 02d aréom Beaumé b vignette

 


Propriétés des gaz, pression

Les hémisphères de Magdebourg : faciles à séparer ?

Oui et non !
Et pourquoi "de Magdebourg" ?

Les réponses sont dans la vidéo réalisée par les élèves d'un atelier scientifique du lycée Emile-Zola, sous la direction de Gérard Chapelan

magdebour

05 Magdebourg vignette

Avec l'appareil de Briet, le laboratoire produit son eau gazeuse !

02 app de Briet vignette Par action de l'eau, contenue dans l'un des deux vases, sur l'acide tartrique et le bicarbonate qu'on a placés dans l'autre vase, on obtient du gaz carbonique fortement comprimé qui se dissout dans l'eau. L'eau gazéifiée jaillit alors avec force quand on ouvre le robinet.
Le baromètre de Fortin, un baromètre de précision.

Ce baromètre à mercure permet l'évaluation de la pression atmosphérique avec une grande précision.

Une vis placée sous la cuve, dont le fond est un cuir souple, permet d'ajuster la surface libre du mercure au zéro de l'échelle graduée.
A la partie supérieure, un vernier permet alors de lire la hauteur de la colonne de mercure au vingtième de millimètre près (théoriquement !).

09 Fortin base vignette
09 Fortin détail cuve vignette 09 Fortin détail vernier vignette
C'est ainsi qu'en 1998 des élèves d'un atelier scientifique du lycée Emile-Zola, reprenant une expérience célèbre de Pascal, ont pu évaluer la diminution de la pression atmosphérique lorsqu'on passe de la cour au 3ème étage.
Elle est de l'ordre du mm de mercure, à comparer à la pression atmosphérique moyenne à l'altitude zéro qui correspond à 760 mm de mercure.
Un baroscope

Cet appareil est une balance. A une extrémité du fléau est suspendue une grosse sphère creuse en laiton. A l'autre une petite masse fait contrepoids.

14 baroscope vignette
Le baroscope permet de mettre en évidence la poussée d'Archimède exercée par l'air. En effet si l'on fait le vide autour de l'appareil, le fléau s'incline du côté de la sphère.

Quelques histoires de la pression atmosphérique et du vide, racontées à l'aide de nos collections :


A la suite d'un exposé présenté en novembre 1996 pour le premier de nos "jeudis", les recherches d'un atelier scientifique créé en 1997 avec des élèves de 1
ère S ont débouché sur l'édition d'un "cahier".
Cliquer sur la vignette pour le télécharger.

HistoirePression

 


Acoustique, vibrations

Dessiner avec le son ?
C'est possible...
... avec les figures de Chladni.

41 Archetvignette

Si vous êtes un virtuose de l'archet, vous ferez facilement chanter la plaque de laiton.
Si vous l'avez au préalable saupoudrée de sable de Fontainebleau (sable fin et homogène) vous verrez les petits grains de sable s'agiter fortement dans certaines régions, jusqu'à ce qu'ils se rassemblent sur des zones de mouvement nul ("lignes nodales").
Les figures obtenues – "figures de Chladni" – montrent les divers modes de vibration de la plaque : lorsque le son émis est grave et de timbre peu agressif, les zones de vibration maximale sont larges et la figure est simple.
03 Chladni2 vignette

Plus le son émis est strident, riche en composantes aiguëes, plus les zones obtenues sont petites et nombreuses.

03 Chladni1 vignette 03 Chladni1999vignette 03 Chladni3 vignette

Une publication de l'Amélycor met en valeur nos collections d'acoustique :

En 1999 le travail d'un "atelier scientifique" réalisé avec des élèves de 1ère S avait débouché sur une série de manifestations publiques, dont un "jeudi d'Amélycor", et sur l'édition d'un cahier :
"Ça vibre et ça raisonne résonne au Lycée Zola"
Cliquer sur la vignette pour le télécharger.

VibreResonne

  


Chaleur

Mais qu'est-ce donc ?

01 calorim lavoisier ouvert vignette

Une ancienne boîte de conserve ?
                                    Un vase de nuit ?

Telles ont été quelques hypothèses émises par certains de nos visiteurs à la Cité scolaire Emile-Zola.

 

01 calorim lavoisier base vignette

Le décor noir et or incite à plus de respect ...

... quant à l'époque et
quant à la fonction !

 

01 calorim lavoisier côté vignette

 

La comparaison avec cette planche du Traité publié en 1789 par Lavoisier ne laisse aucun doute : c'est le calorimètre à glace de Laplace et Lavoisier.

Le nôtre est une copie, de dimensions plus réduites, de l'appareil utilisé par Lavoisier pour mesurer des quantités de chaleur, notamment celles dégagées par un organisme vivant. 41 Calorimètre 1789vignette

Pour en savoir plus sur le principe de ce calorimètre à glace et sur l'usage qu'en fait Lavoisier, se reporter au dossier consacré à ce sujet dans notre bulletin L'écho des colonnes n°41 (juin 2012).

Miroirs ardents

miroirs ardents L'expérience des miroirs ardents, filmée ici, démontrait selon les manuels anciens, que "chaleur et lumière se réfléchissent selon les mêmes lois". Allez jusqu'au bout de la vidéo pour savoir en quoi, pour la physique moderne, cette interprétation est fautive...

  


Optique, géodésie

Le cabinet d'optique...

... mis en images en 2002 par des élèves de seconde du lycée optiquecabinet

 L'octant

14 sextant détail vignette 14 sextant vignette

14 sextant détail1 vignette

constructeur Gregory & Wright, vers 1785 ?

 Cet instrument de navigation permettait de mesurer la hauteur d'un astre au-dessus de l'horizon

 

Télescope de type  " Gregory "

Dan09 télescope Gregory détail2 vignettes ce type de télescope, le miroir concave principal est percé en son centre d'une ouverture permettant le passage du tube oculaire.

09 télescope Gregory base vignette

Les prismes

11 prismCoin base vignette

11 prismCoin détail vignette

 

 

Prisme à angle variable

12 prisme à eau dessus vignette

Entre ses deux faces vitrées, d'angle réglable, on verse de l'eau ou d'autres liquides transparents.

Un pinceau lumineux pénétrant par l'une des faces ressort alors du prisme liquide ainsi constitué en ayant subi une déviation.

12 prisme à eau base vignette

 

On peut étudier la façon dont cette déviation dépend de l'angle du prisme ou de l'indice de réfraction, qui varie selon le choix du liquide.
Comme les prismes en verre, le prisme à liquide permet de réaliser l'expérience classique de la décomposition de la lumière blanche

 "Quelques expériences sur la décomposition de la lumière blanche"

En 2002, des élèves de seconde du lycée ont réalisé des expériences à l'aide de divers prismes, dont le prisme à eau, faisant apparaître en multiples exemplaires les couleurs de l'arc-en-ciel.

Ils en ont fait un diaporama :

optiquedecomp

 


Magnétisme

Ce superbe compas de marine est daté de 1744.

boussole marine 1744 a vignette

Sur la rose des vents, la fleur de lys indique imperturbablement le Nord.

boussole marine 1744 b vignette boussole marine 1744 c vignette

Une « suspension à la Cardan » permet au pivot, sur lequel reposent le barreau aimanté et le disque gradué, de rester vertical sans être affecté par le roulis ou le tangage...

... mais il est peu probable que ce compas ait jamais navigué.


Électricité statique

 

00 balance de Coulomb 1 vignette

A première vue, difficile d'imaginer que cet instrument soit une balance.
Et pourtant c'est la balance de Coulomb.
Le lieutenant du Génie Charles-Augustin Coulomb l'a imaginée, non pour peser des objets, mais pour effectuer les premières mesures de forces électriques.
En 1785 il affirme avoir montré, grâce aux mesures effectuées avec une telle "balance", que la force avec laquelle se repoussent deux petits objets porteurs de charges électriques de même espèce décroit en raison inverse du carré de leur distance.
coulomb Comment utiliser cette balance pour "peser" les forces électriques ?
La vidéo donne un aperçu du mode opératoire.

Pour une présentation plus détaillée, voir la vidéo « Coulomb invente une balance pour l'électricité » sur le site "Ampère et l'histoire de l'électricité"

 

La bouteille de Leyde

11 Leyde vignette

Elle est à l'origine de la
« terrible secousse » électrique ...

... comme le montre la vidéo !

leyde

 

20 batterie Leyde 1 vignette

 

 Un œuf ?

Il en a la forme, mais produire un œuf de verre d'un tel volume n'est pas à la portée de n'importe quelle pondeuse!

Œuf électrique ? Oui ! Voyez les deux électrodes de laiton, qui attendent d'être reliées à un générateur de haute tension.

Quel intoeuférêt présente alors la décharge que l'on va observer entre ces deux électrodes ?

Pour la réponse, voir la vidéo.

23 oeuf électrique vignette

Et pour en savoir plus, une autre vidéo : « Décharges électriques lumineuses, de Louis XIV aux tubes fluos », sur le site "Ampère et l'histoire de l'électricité"


Electricité dynamique 

Une copie de la fameuse pile de Volta, telle qu'elle est décrite dans la lettre qu'Alessandro Volta adresse en 1800 à la Royal Society.
Volta1Vignette  Volta2vignette  Volta3vignette 

Comment a été inventé cet instrument, qui marque un tournant majeur dans l'histoire de l'électricité ?
... voir la vidéo « Des expériences de Galvani à la pile de Volta » sur le site "Ampère et l'histoire de l'électricité"
Et pour une reconstitution de son fonctionnement  ?
... voir la vidéo « La pile de Volta a encore frappé » toujours sur le site "Ampère..."

Galvanomètre dit "de Nobili"

 (Constructeur : Deleuil)

 

03 Nobili Deleuil bvignette

03 Nobili Deleuil avignette
Conçu au début des années 1820 par Nobili pour évaluer de très faibles courants, cet appareil repose sur la propriété
des courants d'agir sur une aiguille aimantée.
... voir la vidéo « A la recherche de la mesure du courant » sur le site "Ampère et l'histoire de l'électricité"
03 Nobili Deleuil detail3vignette 03 Nobili Deleuil detail2vignette 03 Nobili Deleuil detail1vignette

 

Les tubes de Geissler

tube de Geissler Des tubes de Geissler illuminés par la décharge électrique bidouille3vignette
La lumière émise par une décharge électrique dans les gaz raréfiés a de nombreuses applications scientifiques ou techniques.
Mais les constructeurs de la fin du XIXe commercialisent aussi des tubes destinés à l'émerveillement d'un public attiré par les
curiosités scientifiques. Ils varient pour cela la forme des tubes et utilisent des verres spéciaux rendus luminescents par la décharge.

Geissler04

Jeux de formes et de couleurs :
l'illumination de quelques tubes de Geissler, en vidéo.

Electronique    Modification de l'article : juillet 2016.

Crookesmini

Les tubes de Crookes

Sur l'image ne figure qu'une partie de la riche collection.
A l'exception du "tube à rayons X", plus tardif, ces tubes sont des copies pédagogiques des modèles présentés en 1879 par William Crookes. Ils illustraient selon lui les propriétés d'un mystérieux "rayonnement cathodique", interprété plus tard comme constitué d'électrons circulant à grande vitesse dans le vide.

crookesvideo

Le "tube à croix de Malte"

Pourquoi Crookes avait-il choisi cette croix pour arrêter ses "rayons cathodiques" ? (Voir la vidéo)
Pourquoi les modèles pédagogiques n'ont-ils pas cherché à proposer d'autres jeux d'ombre ?
Nous n'avons pas la réponse.

En revanche, si l'illumination du verre frappé par les électrons nous fait penser à l'écran de télévision d'avant l'écran plat, nous ne nous trompons pas. Le tube de Crookes est en effet un lointain ancêtre du tube cathodique. Plus généralement, il est à l'origine de l'électronique.
(Sur les propriétés étonnantes des rayons cathodiques, voir en vidéo deux autres tubes imaginés par Crookes, sur le site de l'Aseiste)

crookesvideo

Le "tube à rayons X"

En 1895, Röntgen, travaillant sur les "rayons cathodiques" découvre les rayons X,  puis en améliore la production grâce à une modification du tube de Crookes : les "rayons cathodiques" percutent une grosse anode métallique ("anticathode"), qui devient alors source du "rayonnement X". (Voir la vidéo)


Radioactivité         Création de l'article : décembre 2016.

Evidemment, pas d'instruments du 19è siècle dans ce domaine !
Il faut attendre 1947 pour que la radioactivité, découverte en 1896, soit au programme des classes de "maths-élem" des lycées (l'équivalent des Terminales S actuelles).

Les manuels conformes au programme de 1966 décrivent le compteur Geiger-Müller, compteur de rayonnement mis au point en 1928. Avec le modèle pédagogique du Lycée E-Zola (ci-dessous à gauche) un système de collimateur et d'aimant permet de distinguer le rayonnement gamma, non dévié, du "rayonnement" bêta, constitué d'électrons qui sont déviés par le champ magnétique.
Diverses sources radioactives peuvent être utilisées (à droite).

Geiger mini sources radioac mini 

A partir de 1980, apparaît dans nos collections le "C.R.A.B." (Compteur de RadioActivité Bêta et gamma). Un détecteur Geiger-Müller y est associé à un compteur permettant d'enregistrer le nombre de particules détectées pendant un temps donné. On peut alors comparer l'activité de diverses sources et étudier l'absorption des bêtas et gammas par des écrans d'aluminium ou de plomb d'épaisseurs diverses.

CRAB mini.png

La chambre à brouillard permanent, mise au point en 1939, permet de visualiser en temps réel les traces laissées par les alphas et les bêtas émis par une source radioactive. L'effet est particulièrement spectaculaire pour les alphas, que les dispositifs précédents ne permettaient pas de détecter, car le verre très mince de la fenêtre d'entrée des tubes de Geiger suffit à les arrêter.

Pas de chambre à brouillard dans les collections de lycée, mais lors d'un de nos premiers "Jeudis d'Amélycor" en 1997, nous avons eu le privilège d'accueillir Gabriel Gorre pour une présentation de l'expérience réalisée avec la chambre qu'il avait construite.

film chbre brouillard vignette

En novembre 2016, c'est encore à "Zola" (en salle Hébert), que Gabriel Gorre  a repris l'expérience, en la situant dans son contexte historique, pour un film réalisé par Florence Riou.
Voir le film Le mystère de la chambre à brouillard : cliquer sur l'image.

Par ailleurs, notre "Jeudi" de 1997 avait été suivi de présentations devant des lycéens.
Nous avions à cette occasion édité un cahier sur l'histoire de la radioactivité.
Pour le télécharger, cliquer sur la vignette ci-contre.

Cahier3 vignette




Chimie

Alambic

Les "petites mains" de l'Amélycor ont rendu au cuivre son éclat d'antan.

28 alambic vignette

Mais cet appareil ne nous permet pas pour autant d'offrir aux visiteurs le petit verre de l'amitié. Seul pouvait figurer
dans une collection de lycée un alambic impitoyablement percé.

 

Fourneau à réverbère.

Ce fourneau permettait de chauffer creusets et cornues.
Dans la partie inférieure on calcinait bois ou charbon. La partie supérieure est le "réverbère".

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12 fourneau Poulenc b vignette

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