Sciences physiques en seconde
Déterminer le diamètre d’un cheveu à l’aide d’un microscope
Type d’activité
1 séance de TP
Durée
1 h 30
Niveau
Lycée, seconde en sciences physiques
Compétences mises en œuvre
– Proposer une expérience répondant à un objectif précis.
– Reconnaître, choisir, nommer le matériel de laboratoire.
– Exprimer un résultat avec un nombre de chiffres significatifs compatible avec l’expérience.
Situation
Les élèves ont déjà observé des cellules à l’aide d’un microscope en cours de SVT. Ils savent donc utiliser les réglages du microscope et connaissent le vocabulaire.
Ce TP de physique étant le premier de l’année, les élèves ont vu très peu de choses sur les mesures en sciences physiques.
Objectif
Déterminer le diamètre de la section d’un cheveu à l’aide d’un microscope en utilisant le petit grossissement :
– dans une première expérience, les élèves comparent le cheveu avec les fils calibrés ;
– dans une seconde expérience, ils utilisent le millimètre gradué.
Matériel
Au bureau
– Une préparation vue au microscope projeté sur un écran de télévision.
– Une lame de microscope graduée au 1/100 mm.
Pour chaque groupe
Un microscope.


Déroulement
Discussion préliminaire
Comment peut-on mesurer l’épaisseur d’un cheveu ?
Quelques pistes
– Pourquoi la règle n’est-elle pas adaptée ? (Pas assez précis)
– Quels problèmes apparaissent si on choisit des graduations plus fines ? (Difficile à voir, matériel délicat et fragile)
– Peut-on utiliser autre chose qu’un instrument gradué ? (On peut faire des comparaisons)
Cette dernière réponse a été induite par le travail en SVT.
Première expérience
Utilisation du microscope pour déterminer la section d’un cheveu par comparaison de tailles avec les différents fils.
Travail à réaliser
– Comparer le cheveu et les fils à l’œil nu pour vérifier qu’ils ont des sections comparables.
– Observer un cheveu et les différents fils au microscope et trouver le fil immédiatement plus gros que le cheveu et le fil immédiatement plus petit.
Organisation de la partie expérimentale
– Présenter les lames supportant les fils calibrés.
– Mettre en commun les souvenirs des élèves sur le réglage d’un microscope et sur les précautions à prendre pour ne pas briser les lames (régler en remontant l’objectif, jamais en descendant).
– Demander aux élèves de régler le microscope sur la lame supportant les fils et vérifier leur réglage.
– Leur demander de comparer leur cheveu aux fils et de noter le résultat sur un brouillon.

Le meilleur moyen pour faire la comparaison est, apparemment, de tendre un cheveu en travers des fils calibrés et de le maintenir avec les doigts. Il ne faut pas fixer la lame au microscope, cela permet de la faire bouger sous l’objectif pour viser l’intersection entre le cheveu et l’un des fils.

Exploitation
Questions posées aux élèves
– Réalisez une échelle linéaire comportant les diamètres des fils calibrés.
– Placez approximativement le diamètre de votre cheveu sur cette échelle.
– En déduire un encadrement du diamètre de votre cheveu.
– Pouvez-vous donner une valeur précise de ce diamètre ?
– Pouvez-vous donner un ordre de grandeur de ce diamètre ?
Mise en commun
– Discuter de l’unité utilisée pour l’échelle de grandeur.
– Écrire l’encadrement à l’aide des symboles mathématiques.
– Faire remarquer l’impossibilité de donner une valeur plus précise au diamètre même si le diamètre du cheveu semble avoir la même taille qu’un des fils.
– Comparer les résultats de toute la classe et remarquer que l’ordre de grandeur d’un cheveu est souvent de 100 micromètre. Discuter de la signification physique d’un ordre de grandeur (certains cheveux très fins sont de l’ordre de 10 micromètres).
Conclusion
Une mesure n’est pas toujours exacte, on est limité par des problèmes matériels.
Peut-on augmenter la précision de notre mesure en utilisant le millimètre gradué ?
Deuxième expérience
Utilisation du microscope pour déterminer la section du cheveu par comparaison à la lame graduée au 1/100 mm.
Les lames graduées sont assez chères et assez fragiles pour qu’on hésite à les confier aux élèves de seconde. De toute façon, il ne reste plus assez de temps pour leur laisser réaliser l’expérience ; on peut donc projeter le résultat à la télé.
On peut réaliser une mesure précise en utilisant un oculaire gradué, mais la technique de calcul est alors un peu plus complexe et ne correspond pas aux objectifs de ce TP. On peut cependant en parler aux élèves.
Protocole expérimental
  • On fait le point sur le millimètre gradué et on insiste sur le rapport de la taille de ce que les élèves voient à la télé et la taille du millimètre gradué réel.
  • On place un cheveu sur cette plaque et on le fixe avec une lamelle


Observations
La mise au point sur la lame n’est pas tout à fait la même que la mise au point sur le cheveu.
Le cheveu est difficile à placer en travers de la graduation.
Ces deux observations font que la mesure n’est pas très précise même si le millimètre est gradué au 1/100.
On ne peut pas donner plus qu’un encadrement qui, parfois, est plus large que le précédent.
Comparaison avec le premier résultat
On ne travaille pas dans les mêmes unités, il faut donc convertir.
La manipulation est plus délicate et, pour obtenir de meilleurs résultats, le manipulateur doit être très agile.
Conclusion générale
  • La mesure en physique ne peut pas être un résultat exact.
  • Pour obtenir de bonnes mesures, il faut :
  •     - choisir la bonne méthode de mesure ;
        - avoir du bon matériel ;
        - agir avec précision.
  • Tenir compte de l’imprécision d’une mesure, c’est écrire le résultat avec le nombre de chiffres significatifs correspondant.
  • La méthode de comparaison sera utilisée en SVT pour évaluer la taille des cellules observées.
Travail transdisciplinaire possible
Le professeur de SVT se sert de la notion de comparaison de taille et d’ordre de grandeur pour parler de la taille des cellules observées.
Il utilise des lamelles de microscope sur lesquelles deux fils calibrés de 60 m et 40 m ont été fixés en croix. L’observation simultanée de ces lamelles et des préparations de cellules permet d’obtenir l’ordre de grandeur de la taille de ces cellules par une méthode analogue à celle que nous avons employée.
Le professeur de math reprend :
– la notion de puissances de 10 ;
– les conversions ;
– les encadrements ;
– les arrondis.


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