Physique Chimie Hourdequin
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La Physique Chimie du lycée Livet à la fête de la Science 2015

dimanche 11 octobre 2015, par Emmanuel HOURDEQUIN

Cette année la physique chimie du lycée Livet a participé à la fête de la science 2015.

Nous avons animé, mes élèves et moi-même, en parallèle avec l’atelier "réalité virtuelle" de mes collègues de technologie Philippe Mocquard et Eric Blot, de l’atelier "robots" de Sébastien Canet (technologie) et de leurs élèves, un atelier "couleur et image", correspondant au programme de 1ère S (module O1 : couleur, vision et image) et de 1ère et terminale STD2A sur les créneaux horaires suivants :

  • Vendredi 9 octobre 2015 de 9h15 à 17h15 (scolaires) ;
  • Vendredi 9 octobre 2015 de 17h15 à 20h00 (grand public) ;
  • Samedi 10 octobre 2015 de 11h00 à 19h00 (grand public) ;
  • Dimanche 11 octobre 2015 de 12h00 à 18h00.

Nous avons regardé l’écran des téléphones portables des visiteurs au microscope.

Nous avons également utilisé un projecteur composé de diodes électroluminescentes rouges, vertes et bleu avec 256 niveaux de rouge, de vert et de bleu.

Les petits et les grands étaient émerveillés de voir du jaune, du orange, aussi bien sur l’écran de leur téléphone qu’avec notre projecteur alors que les seules couleurs que les diodes pouvaient émettre étaient du bleu, du vert et du rouge.

Nous leur avons dit qu’il s’agissait d’une synthèse trichromique et plus exactement de la synthèse additive ou synthèse RVB pouvant créer 256x256x256 = 16 777 216 couleurs différentes (16 millions de couleurs) sur nos écrans de téléviseurs, d’ordinateurs, téléphones portables et appareils photo numériques (APN) pour chaque pixel (lui-même composé des 3 couleurs rouge, vert et bleu).En synthèse additive, les couleurs primaires sont le rouge, le vert et le bleu et les couleurs secondaires sont le cyan, le magenta et le jaune et lorsqu’on ajoute trois couleurs primaires ou une couleur primaire et sa complémentaire secondaire, on obtient du blanc.

Nous leur avons également montré, à l’aide de peinture et d’encres d’imprimantes jet d’encre qu’il existait une autre sorte de synthèse trichromique : la synthèse soustractive. Ici les couleurs primaires sont le cyan, le magenta et le jaune (on parle de synthèse CMJN) et les couleurs secondaires sont le rouge, le vert et le bleu et lorsqu’on ajoute trois couleurs primaires ou une couleur primaire et sa complémentaire secondaire, on obtient du noir (ou plus exactement du marron foncé ce qui oblige à ajouter du noir).

Nous avons montré que pour expliquer ce phénomène, on avait besoin de :

  • La physique (pour les couleurs lumière donc la synthèse additive) car la couleur vient de la lumière qui est une onde électromagnétique, pouvant se propager dans le vide à la vitesse de la lumière (300 000 km/s). Chaque couleur (dite monochromatique) correspond à une longueur d’onde bien précise, à savoir 800 nm pour le rouge et 400 nm pour le violet. On a fait remarquer qu’en physique le noir n’était pas une couleur (absence de lumière) et le blanc non plus puisque c’était le mélange des lumières de toutes sortes de couleurs (dite polychromatique par les physiciens).

Les ondes électromagnétiques et la lumière visible
  • La chimie (pour les couleurs matière donc la synthèse soustractive) car les objets colorés contiennent des molécules qui sont des assemblages complexes d’atomes reliés entre-eux par des liaisons chimiques. Nous avons posé aux gens les questions suivantes : " Pourquoi votre jean est-il bleu ? " et "Pourquoi la feuille de cette plante (prêtée par Armelle Maisonneuve, la professeure de SVT de Livet) est-elle verte ?" Ils ont été ravis d’apprendre que leur jean contenait de l’indigo et que les feuilles contenaient de la chlorophylle et que ces molécules étaient des "voleuses" de couleurs. En effet, si l’indigo est "bleu", c’est qu’il absorbe (vole) le rouge et le vert mais qu’il rejette le bleu alors que la chlorophylle absorbe le rouge et le bleu mais rejette le vert (la couleur observée est la couleur complémentaire de la couleur absorbée). Il y a une interaction rayonnement/matière, les molécules se mettant à "vibrer" en absorbant sélectivement certaines ondes électromagnétiques en fonction de leur fréquence (donc de leur longueur d’onde) et lorsque ces longueurs d’onde volées correspondent à de la lumière visible entre 400 nm et 800 nm, la matière se colore. Pour les molécules organiques (faites d’un assemblage complexe d’atomes de carbone, que l’on trouve dans les organismes vivants (animaux et végétaux) ou que l’on peut synthétiser en laboratoire (y-compris au lycée en travaux pratiques en première S et terminale STD2A, en ce qui concerne l’indigo), cela est dû aux doubles liaisons conjuguées (doubles liaisons séparées par une simple liaison) présentes en nombre suffisant (ni trop ni trop peu du style 7,8,9 ou 10), correspondant à ce que l’on appelle un groupe chromompore.

Molécule d’indigo

Molécule de chlorophylle
  • La physiologie (pour la synthèse trichromique en général) car ni les chimistes, ni les physiciens ne peuvent expliquer que trois couleurs peuvent donner des millions de couleurs (autrement dit que l’on voit du jaune alors qu’il n’y a pas de luminophore jaune sur les écrans de nos téléphones ou bien que l’on fait du rouge sans rouge en mélangeant des peintures jaune et magenta, ce qui tient du miracle pour ces derniers). Les gens étaient ravis et étonnés de comprendre que c’était le cerveau qui "fabriquait" les couleurs et qui était à l’origine de ce "miracle". Pour un physiologiste (médecin en ce qui concerne l’homme), c’est très facile à expliquer. Le cerveau reçoit des informations venant de trois types de capteurs présents sur la rétine : les cellules cône sensibles au rouge, les cellules cône sensibles au vert et les cellules cône sensibles au bleu. Le cerveau va fabriquer de toute pièce du jaune dès lors que les cônes sensibles au rouge et ceux sensibles au vert répondront en nombre égal alors que les cônes sensibles au bleu ne fourniront aucune réponse. Le cerveau sera incapable de distinguer du vrai jaune monochromatique d’un mélange fait à parts égales de rouge et de vert (lumière polychromatique). Nous avons fait remarquer qu’en physiologie, le noir et le blanc étaient bel et bien des couleurs, contrairement à ce que l’on affirme en physique. Ce qui est curieux, c’est que les deux affirmations semblent contradictoires et pourtant les deux ont quand même raison (car noir et blanc sont des productions du cerveau mais sans être un rayonnement électromagnétique monochromatique). Tout cela n’est en fait qu’une question de langage (définition que l’on donne aux mots que l’on utilise) qui n’est pas le même dans toutes les disciplines (suivant, en interne, un raisonnement rigoureux et logique). Ceci est bien souvent à l’origine de nombreuses confusions et incompréhensions.​

Panneau réalisé par deux de mes élèves de terminale arts appliqués (Mathilde JOUITTEAU et Baptiste RENAULT)

Et ce n’est pas tout. Nous avons dit aux gens que si les couleurs disparaissaient, l’énergie (rayonnante) que contient la lumière qui transporte la couleur, ne disparaît pas mais est transformée. En effet, l’un des fondements de la physique (principe de conservation de l’énergie) consiste à dire que l’énergie ne peut ni être créée ni être détruite mais ne peut que changer de forme (l’énergie est mise en jeu dès lors que l’on modifie un système de quelque manière que ce soit). Nous avons posé aux gens la question suivante : "En quoi est transformée l’énergie du rouge et du vert absorbée par l’indigo du jean ?" et aussi "En quoi est transformée l’énergie du rouge et du bleu absorbée par la chlorophylle contenue dans la feuille de la plante ?". Réponse : Pour le jean, elle est transformée en chaleur (rayonnement infrarouge invisible, convection et conduction). Les gens ont fait la remarque suivante "il faut mieux avoir une voiture blanche que noire l’été ou s’habiller en blanc plutôt qu’en noir mais pourquoi les touareg portent-ils des vêtements foncés ?" et nous leur avons dit "pour les touareg (hommes bleus car l’indigo de leur chèche déteint sur leur peau...), on ne sait pas trop répondre (mais si quelqu’un a une réponse, ça nous intéresse...) par contre, il faut mieux peindre les capteurs solaires thermiques en noir pour récupérer un maximum d’énergie du soleil...". Avec la plante, c’est encore plus "fun" mais on est obligé de faire appel à :

  • La biologie : grâce à l’énergie du soleil et à l’eau puisée par leurs racines, les plantes fabriquent leur nourriture (glucides : sucres, amidon) et leurs fibres (cellulose) à partir du carbone présent dans l’air sous forme de dioxyde de carbone (CO2). Elles rejettent dans l’air un déchet : le dioxygène O2. Grâce à cela, elles peuvent se nourrir, grandir et aussi servir de nourriture à tous les herbivores qui eux-même servent de nourriture aux carnivores, c’est à dire à tous les animaux de la planète, tout en leur permettant de respirer. Nous avons dit aux gens qu’à l’origine de la vie, il y avait principalement du CO2 et du diazote N2 dans notre atmosphère (comme sur la planète Mars actuellement) et ce sont les organismes vivants possédant des chloroplastes (bactéries, plancton, plantes, mono et pluricellulaires) qui sont apparus les premiers il y a environ deux milliards et demi d’années et qui ont permis le développement de tous les autres avec une disparition du dioxyde de carbone CO2 au profit du dioxygène O2, indispensable à la vie donc une modification complète et radicale de la composition chimique de notre atmosphère.

La photosynthèse

Nous sommes ensuite naturellement arrivés à parler avec les gens de :

  • La technologie : elle est indispensable à toutes les sciences (exemple du microscope), elle doit intégrer la physiologie pour améliorer les performances des systèmes (optimisation du nombre et des couleurs des pixels à placer sur les écrans, compression des images pour enlever des données inutiles car non perceptibles physiologiquement). La prise en compte du fonctionnement de l’oeil peut permettre de créer des rétines artificielles pour des aveugles ou des robots ou rovers martiens. Le génie technologique ne doit pas oublier le génie de la nature. La nature a quelques milliards d’années d’avance sur nous et nous réfléchissons grâce à notre cerveau qui est une production de la nature. Si les plantes sont capables d’utiliser et de stocker l’énergie solaire pour nourrir tous les animaux de la planète (y-compris nous, bien sûr, qui sommes un élément et un produit de la biodiversité) en leur donnant de quoi respirer à plein poumons, il n’y a pas de raison que les hommes n’intègrent pas davantage l’énergie solaire dans leurs activités industrielles et économiques. La technologie existe et a un énorme potentiel, il n’y a plus qu’à l’utiliser et à investir massivement pour l’améliorer.
  • L’écologie : Il ne faut pas couper les forêts car elles absorbent le CO2 responsable du réchauffement climatique tout en fabriquant du dioxygène O2. Il faut respecter la nature et la biodiversité, sinon pas de vie possible sur Terre et il n’y a pas de planète B. Il faut arrêter de faire reposer la croissance économique sur des énergies fossiles (carbonées) et fissile polluantes, sales, à impact lourd sur la santé publique et les finances publiques. Il faut faire la transition énergétique vers les énergies renouvelables, toutes à base d’énergie solaire (solaire, éolien, biomasse, énergie des océans). Il faut sortir du pétrole, du charbon et du gaz de schiste et il faut sortir du nucléaire le plus vite possible. Tous ceux qui disent que c’est impossible ont tort. Ils font simplement passer l’intérêt privé devant l’intérêt collectif. On a tous le droit de boire une eau non empoisonnée, de manger une nourriture non empoisonnée et de respirer un air non empoisonné. On n’a qu’une vie, on n’a qu’une planète qui nous a été transmise et que nous devons transmettre à nos descendants en bon état et c’est un devoir moral.

En conclusion, nous avons dit que la fête de la science, c’est la fête de tous ceux qui appartiennent à une grande famille (mathématiciens, biologistes, physiciens, astrophysiciens, astronomes, chimistes, ingénieurs, médecins, géologues, paléontologues, climatologues, écologues, etc.) où toutes les disciplines ont besoin de toutes les autres parce qu’elles se nourrissent et s’enrichissent mutuellement (synergie = coopération créative) et c’est aussi la fête de tous les curieux qui s’intéressent et qui voudraient bien participer à cette grande aventure humaine vers la connaissance et le savoir (à commencer par obtenir des réponses à nos questions métaphysiques sur notre place et notre rôle dans l’Univers et aussi comment connaître et préserver la vie sous toutes ses formes sur notre belle planète et chercher partout d’autres formes de vie).

Les scientifiques n’ont plus envie d’être instrumentalisés par le système politique et économique pour faire gagner de l’argent à des intérêts privés au détriment de l’intérêt collectif et des autres êtres vivants sur la planète et ils veulent qu’on les écoute lorsqu’ils alertent (GIEC).

La collectivité, pour défendre ses intérêts, a besoin d’une science indépendante avec une recherche publique forte (CNRS) et d’un système éducatif public fort de l’école maternelle à l’Université, en passant par le collège et le lycée pour apprendre les ravages de la pollution (cancers) et du réchauffement climatique et pour trouver des solutions.

On nous dit qu’il n’y a plus d’argent pour les services publics mais c’est faux, il y a plein d’argent public pour subventionner la pollution, les paradis fiscaux et plein d’argent public pour payer tous les dégâts de ces pollutions (sécurité sociale avec tous les cancers et les allergies, chômage, catastrophes "naturelles"). Il faut taxer et punir toutes les formes de pollution. Il faut changer de paradigme. Les scientifiques l’ont compris depuis longtemps (par contre les ingénieurs de volkswagen sont, malgré tout, obligés d’utiliser des logiciels espions pour tricher sur les tests antipollution au détriment de la santé publique car ils travaillent pour des intérêts privés et trahissent la déontologie scientifique - consistant, entre autres, à ne pas mentir et à ne pas tricher sur les mesures données par les appareils de mesure - de peur d’être virés, magnifique cas d’école prouvant que la collectivité publique doit se battre farouchement contre des riches patrons du privé et des riches actionnaires privés aux appétits insatiables, sans foi ni loi, et contre l’argent sale, vénéré comme un dieu, qui pourrit tout et qui détruit tout alors qu’il devrait être au service de tous).

Emmanuel HOURDEQUIN

Notes et glossaire :

  • Paradigme = rail de la pensée, manière de voir les choses, modèle cohérent de vision du monde qui repose sur une base définie (matrice disciplinaire, modèle théorique, courant de pensée ou résultat d’un conflit d’intérêt ou un peu tout à la fois).
  • Changement de paradigme : changement de logiciel, changement du mode de pensée, changement de modèle,...
  • Ancien paradigme (XIXème et XXème siècles) : croissance infinie à partir d’énergies de stock fossile et fissile limitées, exclusivement sales et artificiellement pas chères (car obtenues en spoliant sans retenue et sans gêne certaines populations humaines et animales, au sens large, de leurs ressources naturelles, de génération en génération, passée, présente et future) générant guerres, pollution, destruction des biotopes, appauvrissement de la biodiversité, cancer et réchauffement climatique. En crise depuis 1974. Crise dite économique mais qui ne l’est pas. C’est plutôt une crise énergétique et écologique. Et plutôt un abîme qu’une crise qui laisse impuissants tous les pouvoirs politiques en place. C’est un cercle vicieux très dangereux et très imprudent aboutissant mathématiquement à l’autodestruction complète du système. Le plus grand danger qui nous guette est l’inaction. L’inaction a un coût incommensurable allant croissant de l’ordre de 10000 milliards d’euros par an pour un état, à charge exclusive de la collectivité acculée à la faillite.
  • Nouveau paradigme (pas encore réalisé mais si on le fait on peut dire qu’on rentre vraiment dans le XXIème siècle) : croissance maîtrisée (nulle = parfait pour un pays mature à l’image d’un organisme vivant) à partir des énergies exclusivement renouvelables (solaire, biomasse, océans, vent, pluie, lune).
  • Exemples de changements de paradigme (il y en a déjà eu plein grâce aux philosophes et scientifiques et la liste est loin d’être exhaustive) : terre plate -> terre ronde par Pythagore et Aristote, terre au centre du monde ou géocentrisme d’Aristote -> soleil au centre du monde ou héliocentrisme de Galilée, théorie des 4 éléments de Aristote -> les éléments chimiques (hydrogène, oxygène, azote, carbone) de Lavoisier, matière continue de l’antiquité de Aristote jusqu’au XIXème siècle -> atomes par Démocrite puis Dalton, atome insécable de Démocrite et Dalton -> particules élémentaires de l’atome par Thomson, Rutherford et Chadwik, monde sublunaire (imparfait) et supralunaire (parfait) de Aristote -> gravitation universelle de Newton, temps absolu de Newton -> temps relatif de Poincarré, Einstein, Lorentz, etc.
  • Dans un changement de paradigme, on peut être seul contre tous et avoir raison mais un jour ou l’autre, tout le monde finit par y adhérer car même si c’est très dur au début (résistances fortes), c’est un très grand soulagement et une très grande libération qui permet de s’ouvrir de nouveaux horizons. C’est un mouvement inexorable et dès que vous franchirez le pas, vous constaterez que tout le monde le fera ou l’aura déjà fait.
  • Le danger ne vient pas ce que l’on ne sait pas, il vient de ce que l’on croit savoir mais qui est faux.
  • Le changement de paradigme, c’est dans le cerveau humain que ça se produit avant d’être dans la société et il est dans le cerveau des scientifiques. Il est donc inexorable qu’on le veuille ou non et c’est un grand espoir pour l’humanité.

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