Physique du parc N1 — fiche de préparation (1re année des humanités scientifiques)

Le principe

Physique du parc N1 est une journée de 300 minutes conçue comme trois séances de travaux pratiques que la plupart des lycées de Kinshasa n'ont pas l'équipement pour faire, suivies d'une séance de traitement de données. La Grande Roue sert de banc d'essai pour la métrologie et pour les lois de Newton ; un bassin mobile d'un mètre de profondeur installé sur l'esplanade sert de laboratoire d'hydrostatique ; la salle d'atelier accueille la métrologie et le traitement statistique. Chaque élève repart avec ses fiches de relevés visées par l'animateur, et rédige ensuite en classe un compte rendu noté selon le modèle du kit.

La journée n'est pas une visite « récréative avec un peu de science » : chaque station est construite sur un module précis du programme rénové de 1re année (SPTTIC — Physique et Mathématiques), avec un protocole, des mesures répétées, des incertitudes et une exploitation chiffrée.

Programme de la journée (300 minutes)

Les groupes tournent par 30 élèves au maximum ; au-delà de trois groupes, la session tourne en deux vagues décalées de 60 minutes.

Vocabulaire à installer avant la visite

Les mots suivants seront utilisés tels quels par les animateurs ; les élèves doivent les reconnaître à l'oral et à l'écrit.

Prérequis à travailler (deux séances de 50 minutes)

1. Chiffres significatifs et incertitudes. Écriture d'un résultat sous la forme x = x̄ ± u(x), incertitude de lecture d'un chronomètre (0,01 s d'affichage mais 0,2 s de réaction humaine), propagation simple pour une somme et un produit. Exercice : chronométrer dix fois la chute d'une gomme depuis 1,5 m, calculer la moyenne et l'étendue, écrire le résultat avec le bon nombre de chiffres significatifs.
2. Principe fondamental et poids apparent. Sur une balance dans un ascenseur (ou en fléchissant les genoux sur un pèse-personne), le poids indiqué change ; écrire N − mg = ma. Les élèves prédiront le poids apparent en bas et en haut de la roue avant de le mesurer, et devront expliquer pourquoi la différence est minuscule sur une roue lente.
3. Hydrostatique. p = p₀ + ρgh ; principe de Pascal F₁/S₁ = F₂/S₂ ; poussée d'Archimède ρ_fluide · V · g. Préparer le tableau p − p₀ en fonction de h que les élèves rempliront au bassin.
4. Trigonométrie utile. tan α = h/d pour la visée au clinomètre ; composantes horizontale et verticale d'un vecteur vitesse.

Activité de classe de 20 minutes : « le chronomètre qui ment »

Objectif : faire sentir la différence entre erreur systématique et erreur aléatoire avant d'arriver au pied de la roue.

1. Un élève lâche une règle de 30 cm entre le pouce et l'index d'un camarade ; on mesure la distance de chute rattrapée. Chaque binôme fait 8 essais et note les 8 valeurs.
2. Chaque binôme calcule la moyenne et l'étendue, puis écrit le résultat sous la forme d = d̄ ± étendue/2 avec 2 chiffres significatifs.
3. Question au tableau : « si l'élève qui lâche prévient toujours en disant "attention" une demi-seconde avant, l'erreur est-elle systématique ou aléatoire ? Dans quel sens ? »
4. Conclusion collective : répéter une mesure réduit l'effet de l'erreur aléatoire, pas celui de l'erreur systématique. C'est exactement ce que l'on refera avec les 10 chronométrages d'un tour de roue.

Ce que l'école apporte

• Un adulte pour 15 élèves (un enseignant gratuit pour 10). L'enseignant de physique est fortement souhaité : il co-anime la séance de traitement des données.
• Une calculatrice scientifique, un crayon et une gomme par élève ; le parc fournit chronomètres, clinomètres, mètre ruban, boîtiers accéléromètre, bassin, manomètre et dynamomètres.
• La fiche santé de la classe (allergies, asthme, traitements), remise au chef d'animation à l'arrivée ; gourde, casquette, chaussures fermées ; le repas ou le budget repas (l'esplanade accueille les paniers ; un plat chaud est proposé par les stands selon la carte du jour, en francs congolais).
• Une adresse électronique pour recevoir sous 48 heures les courbes d'accélération (fichier CSV) et la fiche « données du parc » (rayon, hauteur de l'axe, période de référence du jour).

Sécurité, dite aux élèves avant le départ

• Sur la Grande Roue : 4 passagers et 280 kg au maximum par nacelle, portes verrouillées par l'opérateur, on reste assis, on ne se balance pas, on ne se penche pas. L'accéléromètre est attaché à une dragonne et n'est jamais tendu hors de la nacelle ; il se lit après le débarquement. La roue s'arrête au-delà de 15 m/s de vent ou par orage : la station S2 est alors remplacée par l'analyse de courbes enregistrées un autre jour.
• Au bassin : un animateur en permanence, personne sur le rebord, aucun appareil électrique à moins d'un mètre de l'eau.
• Toute autre restriction : selon les consignes affichées à l'attraction, lues à voix haute par l'animateur.
• Un élève qui ne souhaite pas monter reste dans le groupe comme observateur au sol avec le chronomètre : sa fiche est aussi complète.
• Un secouriste et une trousse complète sont au poste de premiers secours de l'accueil toute la journée.

Dossier attendu après la visite

Chaque binôme rend un compte rendu de travaux pratiques selon le modèle fourni (protocole 4 points, mesures et incertitudes 6, exploitation 6, conclusion et critique 4). La fiche de prolongement guide la rédaction et propose des exercices type examen construits sur les données réelles de la classe.

Sources programme : HS1-PHY-METROLOGIE-INCERTITUDES, HS1-PHY-LOIS-DE-NEWTON, HS1-PHY-HYDROSTATIQUE, HS1-MAT-VECTEURS-TRIGONOMETRIE, HS1-MAT-STATISTIQUES-DESCRIPTIVES.