Physique Chimie Hourdequin
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La Physique Chimie et la Biologie du lycée Livet à la fête de la Science 2016

dimanche 16 octobre 2016, par Emmanuel HOURDEQUIN

Cette année encore, de nombreux collègues se sont impliqués dans la fête de la Science (entre autres Philippe MOCQUARD, Eric BLOT, Sébastien CANET pour les Sciences de l’Ingénieur, Thierry ALLIROL pour le Design d’Espace, Armelle MAISONNEUVE pour les SVT, David THOMAS, Eric HAMON et moi-même pour la Physique et la Chimie) vendredi 14, samedi 15 et dimanche 16 octobre 2016 au village des sciences au premier étage de l’école d’Architecture de Nantes.

Le travail de scénographie du stand a été réalisé par les étudiants de BTS Design d’Espace et leur professeur. Il était de grande qualité. Ce sont eux qui l’ont installé puis désinstallé.

Les expérimentations et les ateliers proposés sur notre stand intitulé « COUP DE PROJECTEUR SUR LES ALIMENTS » permettaient d’associer les Sciences Physiques, les Sciences de la Vie et de la Terre, ainsi que les Sciences de l’Ingénieur autour de la thématique de l’alimentation.

Le visiteur était non pas spectateur mais invité à participer à toutes les manipulations.

Nos élèves (de première S, en ce qui me concerne) se sont impliqués très fortement pour présenter les expériences aux visiteurs, les faire manipuler, les aider à focaliser leur attention sur les observations essentielles, leur expliquer pourquoi on obtenait tel ou tel résultat et essayer de répondre à leurs questions. Ainsi, ils ont pu approfondir, dans le cadre de leur programme scolaire et du volontariat, leurs connaissances et leurs compétences qui regroupent leur savoir faire expérimental, leur approche de la démarche scientifique, leur savoir être face l’utilisation du matériel de laboratoire, en toute sécurité, ainsi que la communication aux personnes.

C’était aussi l’occasion de leur faire profiter des autres stands du village des Sciences, plus intéressants les uns que les autres, à savoir la chambre à brouillard de SUBATECH pour visualiser les traces laissées par les particules alpha et bêta émises lors de la désintégration du radon (la radioactivité est au programme de première S et il y a bien une chambre à brouillard au Palais de la Découverte, mais c’est à Paris...), les magnifiques images du télescope Hubble et bien d’autres choses encore (voir le programme page 5)...

Je vais vous présenter quelques ateliers (photos 1 à 7) proposés par les professeurs de Livet, ainsi que mes fiches outil (N°1 à 58) mises à disposition des visiteurs et des élèves animateurs.

Photo 1 : Expériences sur le chou rouge (variation de la couleur de la cyanidine en fonction du pH) et sur la levure de boulanger et la fabrication du pain (microscope + ballon et eau de chaux pour montrer le dégagement de dioxyde de carbone lorqu’on met la levure avec de la farine et de l’eau dans un bain-marie d’eau tiède - merci Armelle). Noter que c’est Louis Pasteur, physicien et chimiste de formation qui a expliqué le premier la fermentation, découvert les micro-organismes vivants en les regardant au microscope et mis à mal la théorie de la génération spontanée. Remarquer la molécule de cyanidine (responsable de la couleur - groupe chromophore - et du changement de couleur - groupes auxochrome - du jus de chou rouge) sur l’écran de l’ordinateur
Photo 2 : Atelier chou rouge en pleine action (remarquer le modèle moléculaire de la cyanidine fabriqué à l’aide de boules et de bâtons : boule noire : atome de carbone C, tétravalent (4 liaisons covalentes simples), boule rouge : atome d’oxygène O, divalent (2 liaisons simples), boule blanche : atome d’hydrogène H, monovalent (1 liaison simple)
Photo 3 : Modèles moléculaires à l’ordinateur avec le logiciel ACD-LABS et ses modules chemsketch et 3D-viewer - freeware PC - (cyanidine et autres molécules de colorants - indigo, bêta-carotène, mélanine, chlorophylle -, glucides, lipides, protides).
Photo 4 : Le micro-"ondes lumineuses" pour éclairer des aliments (poivron vert, orange et rouge) sous toutes les couleurs, d’où le titre du stand : "Coup de projecteur sur les aliments". Les projecteurs RVB sont commandés par l’ordinateur via une carte arduino et une webcam permet le retour image sur l’écran de l’ordinateur. Remarquer ici que si on enlève le bleu de la lumière incidente, les trois poivrons gardent leur couleur naturelle puisqu’ils absorbent tous les trois le bleu... Ce qui était rigolo, c’était de demander aux gens comment rendre le poivron rouge noir. Il suffisait d’enlever le rouge de la lumière incidente pour qu’il se transforme en aubergine (un peu plissée). On ouvrait alors la boite pour le vérifier de visu puis on sortait dehors le poivron noir qui redevenait rouge et on entendait des oh ! et des ah ! d’admiration. Pour rendre le poivron vert, noir, il suffisait d’enlever le vert de la lumière incidente (et en même temps, les poivrons orange et rouge devenaient tous les deux rouges !...). En éclairant les trois poivrons avec du bleu, ils devenaient tous les trois noirs. Magique !... Non !... Physique et Chimique !...
Photo 5 : Chromatographie sur colonne (permettant de séparer les colorants jaune et bleu d’un sirop de menthe verte - Merci à mes collègues Sofiane et Eric) - la chromatographie en phase gazeuse couplée à une spectrométrie de masse est très utilisée dans tous les labos, par exemple pour lutter contre le dopage : l’échantillon d’urine est envoyé d’un côté de la colonne, on récupère de l’autre les différents "pics" correspondant à différentes sortes de molécules puis on les analyse en les envoyant dans un spectromètre de masse qui les identifie exactement grâce à sa base de données (ou grâce à un chimiste spécialiste de la question) - et jeux de PACMAN commandés par les manettes. Le but du jeu était de faire manger à notre PACMAN, pendant 2 minutes, ni trop, ni trop peu des différentes sortes d’aliments rencontrés dans un labyrinthe (calcul de l’énergie totale ingérée) et équilibré (statistiques finales donnant les proportions de viandes, fromages, légumes, graisses, sucreries ingérées, comparées aux valeurs normales) en fonction de notre sexe, de notre poids et de notre taille. Grands et petits s’amusaient beaucoup et étaient récompensés par un diplôme (Bravo Eric).
Photo 6 : Microscope personnel pour regarder les pixels des écrans des téléphones portables des visiteurs (ébahis par une telle découverte)
Photo 7 : Les robots de Sébastien (à émetteurs récepteurs infra-rouge suiveurs de lignes noires, à la grande joie du public, des élèves et de leurs professeurs)

Fiches outil :

Fiche 1 : Pourquoi une pomme est-elle jaune ?
Fiche 2 : Pourquoi une pomme est-elle rouge ?
Fiche 3 : Pourquoi un chat est-il gris ?
Fiche 4 : Pourquoi une feuille est-elle verte ?
Fiche 5 : Que devient l’énergie absorbée par la feuille ? La photosynthèse et son processus inverse : la respiration aérobie
Fiche 6 : Pourquoi la feuille d’un livre est-elle blanche ?
Fiche 7 : La couleur d’une banane est...
Fiche 8 : Et si on changeait de fruit ? Et si on changeait de lumière ?
Fiche 9 : Diffusion, transmission, absorption...
Fiche 10 : Couleur du jus de chou rouge en fonction du pH
Fiche 11 : Des couleurs complémentaires en synthèse soustractive (qui se renforcent mutuellement) et en synthèse additive (la couleur d’un objet est la couleur complémentaire de celle qu’elle absorbe - c’est le cas du jus de chou rouge ou de la couleur des objets en général)
Fiche 12 : Groupe chromophore - doubles liaisons conjuguées en nombre suffisant : ni trop, ni trop peu, entre 7 et 11, 8 pour la cyanidine (alternance double liaison / simple liaison / double liaison) - et groupes auxochrome responsables du changement de couleur de la cyanidine avec le pH (il y a 5 groupes hydroxyde - OH qui peuvent perdre un proton et devenir -O- en milieu basique, ce qui provoque, à chaque fois un changement de couleur)
Fiche 13 : La molécule de cyanidine (chou rouge)
Fiche 14 : La molécule d’indigo (jeans)
Fiche 15 : La molécule de chlorophylle (feuilles vertes, micro algues)
Fiche 16 : La molécule de bêta-carotène (carotte)
Fiche 17 : La molécule de mélanine (bronzage de la peau et couleur des cheveux)
Fiche 18 : Les ondes électromagnétiques (se déplacent dans le vide à la vitesse de la lumière). La lumière visible ne représente qu’une infime partie du spectre des ondes électromagnétiques. La lumière visible se situe à une longueur d’onde comprise entre 800 nm pour le rouge et 400 nm pour le violet, dans le vide. Il existe aussi les ondes radios (radio, télévision, téléphones portables, radars des gendarmes et des bateaux), les infra-rouge (télécommandes de téléviseurs, émetteurs et capteurs des robots suiveurs de lignes noires du stand), les ultra-violets (responsables de nos coups de soleil), les rayons X (utilisés en médecine pour voir si nos os sont fracturés ou non) et les rayons gamma (émis lors d’une réaction nucléaire)
Fiche 19 : Notion de lumière polychromatique et monochromatique (une lumière monochromatique ne peut être décomposée par un prisme, on pourra alors lui associer une certaine longueur d’onde dans le vide - par exemple un rayon laser)
Fiche 20 : Ecran de téléphone portable vu au microscope (nous disposions d’un microscope pour faire regarder aux visiteurs l’écran de leur téléphone portable). Il s’agit de la synthèse RVB des couleurs lumière.
Fiche 21 : Codage des couleurs des pixels sur 256 niveaux de rouge, 256 niveaux de vert et 256 niveaux de bleu
Fiche 22 : Pixellisation d’une image en photographie numérique
Fiche 23 : Synthèse additive des couleurs lumière (avec un système utilisé en classe comprenant un boitier et des filtres qui a tendance à se ramollir sous l’effet de la chaleur émise par la lampe, beaucoup moins performant que notre système Livet de projecteurs LED commandés par l’ordinateur à l’aide d’un programme et d’une interface arduino - merci aux professeurs de Sciences de l’Ingénieur et bravo à mon collègue David)
Fiche 24 : Synthèse soustractive des couleurs matière dans le cas de l’imprimerie couleur
Fiche 25 : Comparaison entre synthèse additive et synthèse soustractive des couleurs (en synthèse additive les couleurs primaires sont RVB et les couleurs secondaires ont CMJ et les trois couleurs primaires superposées donnent du blanc - en synthèse soustractive les couleurs primaires son CMJ et les couleurs secondaires sont RVB et les trois couleurs primaires superposées donnent le noir)
Fiche 26 : Explication physique (synthèse additive des couleurs lumière) - les couleurs des lumières monochromatiques sont expliquées par la fréquence et la longueur d’onde de l’onde électromagnétique -, chimique (synthèse soustractive des couleurs matière) - les couleurs des objets sont expliquées par le fait qu’ils contiennent des molécules qui interagissent avec le rayonnement et qui absorbent sélectivement certaines radiations pour les transformer en infra-rouges - ou chaleur - invisibles et transmet ou diffuse toutes les autres radiations vers notre œil - et physiologique - il y a dans notre rétine trois sortes de cônes sensibles au rouge, au vert et au bleu, envoyant les informations au cerveau qui fabrique les couleurs - C’est la synthèse trichromique des couleurs (trois couleurs au départ permettent en les mélangeant dans diverses proportions d’obtenir une infinité de couleurs)
Fiche 27 : Zone de sensibilité maximale des cônes sensibles au bleu (cônes S), des cônes sensibles au vert (cônes M) et des cônes sensibles au rouge (cônes L) pour l’œil humain - wavelength (nm) signifie longueur d’onde en manomètres et Normalised cone response signifie réponse relative normalisée des cônes - proportionnellement à l’énergie reçue et non pas au nombre de photons reçus, sachant que les photons bleus transportent deux fois plus d’énergie que les photons rouges. Nous avons souvent eu des questions sur le daltonisme. Nous avons expliqué qu’il s’agissait d’une anomalie génétique portée par le chromosome X - porteur du gène du codage de la protéine opsine des cônes M et L leur permettant de fonctionner correctement - Le plus souvent, les daltoniens ne peuvent distinguer une tomate verte d’une tomate rouge bien mûre, ce qui est un handicap si on travaille chez un maraîcher et ce sont des hommes qui sont touchés parce que les femmes doivent avoir leurs deux chromosomes X d’atteints, ce qui est très rare. Par contre, lorsqu’elle sont porteuses saines (un seul chromosome X atteint), elles n’ont rien mais sont susceptibles de transmettre la maladie à leur(s) garçon(s). Comme quoi, la médecine, joue un rôle prépondérant dans la compréhension du mécanisme de la vision des couleurs (vision monochromatique, dichromatique, trichromatique, en fonction des espèces animales et/ou des anomalies génétiques). On remarquera également que le terme daltonisme provient du physicien et chimiste britannique John Dalton, lui même, porteur de l’anomalie génétique (connu pour sa théorie atomique publiée en 1808 ainsi que pour ses recherches sur le daltonisme)
Fiche 28 : Principe de la chromatographie sur couche mince (phase fixe = papier filtre, phase mobile = éluant = eau salée qui monte par capillarité dans les petits espaces entre les fibres de cellulose, grâce à la tension superficielle, à la surface libre du liquide, et à la pression atmosphérique, en entraînant les molécules de colorant
Fiche 29 : Principe de la chromatographie sur colonne (phase fixe = silice dans la colonne, phase mobile = eau salée qui descend par gravité en entraînant les molécules de colorant). Merci de ma part et de celle d’Eric à notre collègue Sofiane
Fiche 30 : Essai de la colonne de chromatographie en classe. On voit bien que le vert se sépare en jaune que l’on récupère en premier, dans un premier tube, car il a plus d’affinités chimiques pour la phase mobile (eau) que pour la phase fixe (silice) et en bleu que l’on récupère ensuite dans un autre tube, car il plus d’affinités chimiques pour la phase fixe (silice) que pour la phase mobile (eau)
Fiche 31 : Les différentes sortes d’aliments : glucides, lipides, protides, vitamines, minéraux
Fiche 32 : Les glucides : glucose, fructose et saccharose
Fiche 33 : Les glucides : molécule de saccharose - atome noir = C, atome rouge = O, atome blanc = H)
Fiche 34 : Les glucides : molécule d’amidon, de cellulose et de glycogène aussi appelées polysaccharides, ce sont des polymères faits d’un motif de base qui s’enchaîne à un autre, indéfiniment, de manière plus ou moins complexe
Fiche 35 : Structure du glycogène : réserve d’énergie utilisée par les animaux pour obtenir rapidement du glucose (au niveau du foie et des cellules musculaires)
Fiche 36 : Structure de la cellulose (ce sont des fibres, que l’on ingère quand on mange de la salade par exemple, qui n’est pas assimilé par notre organisme mais qui améliore notre transit intestinal et l’assimilation des nutriments)
Fiche 37 : Les lipides - formule générale des triglycérides - exemple de la tripalmitine (triester d’acide gras)
Fiche 38 : Les lipides les acides gras saturés (que des liaisons simples carbone - carbone) et insaturés (une ou plusieurs double liaisons carbone - carbone) - exemple de l’acide stéarique et de l’acide oléique
Fiche 39 : Les protides : les acides aminés - extrait de Patience dans l’Azur de Hubert Reeves. Remarquer la fonction acide -COOH et la fonction amine -NH2 portée par l’acide aminé (d’où son nom et ses propriétés particulières)
Fiche 40 : Les protides : association des acides aminés (acide + amine = amide, appelée liaison peptidique en biologie). C’est au niveau des ribosomes (organistes cellulaires) que l’assemblage des acides aminés se produit, en suivant le code génétique copié par l’ARN messager, à partir de l’ADN contenu dans le noyau des cellules. Ce sont des polymères, faits de petites entités qui s’attachent les unes à la suite des autres grâce à la complémentarité des fonction acide et amine qui donnent une liaison chimique (liaison amide en chimie ou peptique en biologie) avec départ d’une molécule d’eau d’où le terme polycondensation (condensation = départ d’eau)
Fiche 41 : Les protides : structure primaire, secondaire, tertiaire et quaternaire des protéines (par exemple, la viande correspond aux muscles, formés de fibres musculaires qui sont des protéines : actine et myosine qui se présentent comme des vérins microscopique avec un brin de myosine qui rentre dans un cylindre d’actine, ce qui permet la contraction musculaire)
Fiche 42 : Levures vues au microscopes - champignons monocellulaires - (remarquer le bourgeonnement des cellules qui correspond à leur multiplication lorsque le milieu est favorable, c’est à dire lorsque les levures ont de l’eau, de quoi manger et que la température est convenable, comprise entre 30 et 40°C) - par exemple lors de la panification ou de la fabrication de la bière -
Fiche 43 : Respiration et fermentation des levures (saccharomyces cerevisiae)
Fiche 44 : Louis Pasteur est le premier à avoir correctement expliqué la fermentation alcoolique anaérobie (levure de bière, de la même famille que la levure de boulanger)
Fiche 45 : Dissipation de l’énergie de l’aliment au cours de sa métabolisation
Fiche 46 : Molécule d’ADP
Fiche 47 : Molécule d’ADP
Fiche 48 : Molécule d’ATP
Fiche 49 : Molécule d’ATP
Fiche 50 : Mise en réserve chimique d’énergie lors de la transformation d’ADP en ATP et libération de cette énergie lors de la transformation d’ATP en ATP
Fiche 51 : Bilan global de la respiration cellulaire
Fiche 52 : Bilan global de la respiration cellulaire avec découpage en trois étapes
Fiche 53 : Première étape de la respiration cellulaire : glycolyse
Fiche 54 : Deuxième étape de la respiration cellulaire : cycle de Krebs
Fiche 55 : Troisième étape de la respiration cellulaire : réactions de la chaîne respiratoire
Fiche 56 : Schéma d’une mitochondrie (responsable de la respiration cellulaire)
Fiche 57 : Reproduction de la levure (saccharomyces cerevisiae)
Fiche 58 : Pyramide de la complexité : on a besoin de toutes les Sciences pour savoir d’où l’on vient et où l’on va (et il y avait tout cela au village des Sciences et nous en avons bien profité) !...

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