PRIX NOBEL DE PHYSIQUE 2007 : Albert Fert, Peter Grünberg et les nanosciences à l’honneur

1. PRIX NOBEL DE PHYSIQUE 2007 : Albert Fert, Peter Grünberg et les nanosciences à l’honneur

2. Le prix Nobel de physique 2007 a été décerné au Français Albert Fert et à l'Allemand Peter Grünberg pour leur découverte d'une technologie de miniaturisation des disques durs dont les applications sont visibles dans la vie de tous les jours. Albert Fret, 69 ans, médaille d'or du CNRS 2003, est directeur scientifique de l'Unité mixte de Physique au CNRS/Thales, à Orsay depuis 1995. C'est en 1988 qu'il a découvert la magnétorésistance géante (GMR). En janvier 2007, il reçoit conjointement le Japan Prize – une autre distinction scientifique très prestigieuse – pour ses travaux. La magnétorésistance géante (GMR) Appelée magnétorésistance géante (GMR), la technologie mise au point par les deux chercheurs est utilisée pour lire l'information stockée « C'est grâce à cette technologie qu'une miniaturisation radicale des disques durs a été possible ces dernières années », a indiqué le comité Nobel dans un communiqué. Ce domaine de la recherche en nano sciences est actuellement en forte expansion. La GMR a un impact important sur les technologies de l'information et de la communication. Elle a notamment permis de mettre au point les têtes de lecture qui équipent aujourd'hui tous les disques durs. Plus sensibles, ces nouvelles têtes de lecture permettent de lire des données contenues dans les disques durs compacts intégrés, présents par exemple dans les ordinateurs portables et certains lecteurs de musique. Le phénomène de magnétorésistance change la résistance électrique d'un conducteur lorsqu'il est soumis à un champ magnétique. Il est à l'origine de nombreuses applications. Le lancement de la première tête de lecture basée sur l'effet GMR a eu lieu en 1997. La technologie s'est ensuite vite standardisée et « même encore aujourd'hui, les toutes nouvelles techniques de lecture dérivent de la GMR ».

3. Conférence pédagogique CYCLE 2Thèmes abordés :Les états de l’eauFlotte ou coule ? • « L’enseignement des sciences de la nature à l’école primaire est un enseignement obligatoire auquel tous les élèves ont droit. »

4. Constat :De longue date, des leçons de choses aux activités d’éveil plus récentes ont engagé dans leurs classes des projets et des activités scientifiques tout à fait remarquables pour le plus grand profit des élèves. Cependant, malgré les programmes, malgré le patrimoine d’activités scientifiques pour la classe, il faut bien reconnaître que l’enseignement des sciences est insuffisamment dispensé et que, lorsque les heures réglementaires lui sont consacrées, cet enseignement s’avère trop souvent théorique et livresque.Les récentes évaluations internationales indiquent que les élèves français, en fin de parcours secondaire, ne sont pas très performants par rapport à l’ensemble des épreuves scientifiques auxquelles ils sont soumis. Par ailleurs, l’image des sciences auprès de ces élèves n’est guère positive.Voici ce que m’écrivait en janvier 2007 Monsieur Claude Cohen-Tannoudji, Prix Nobel de physique : « Je vous félicite pour votre action en faveur de l’enseignement des sciences dans les écoles primaires. Il s’agit là d’un problème capital et il faut commencer à ce niveau si l’on veut à terme redresser la situation catastrophique que nous constatons concernant la mauvaise perception de la science et le développement d’attitudes rétrogrades et fondamentalistes ».

5. La démarche pédagogique : • Les enfants observent un objet, un phénomène du monde réel, proche et sensible et expérimentent sur lui. • Au cours de leurs instigations, les enfants argumentent et raisonnent, mettent en commun et discutent leurs idées et leurs résultats, construisent leurs connaissances, une activité purement manuelle ne suffisant pas. Le rôle du maître est d’être à la fois médiateur c’est-à-dire intermédiaire entre la science et les élèves et expert c’est-à-dire référence pour tout ce qui a trait à la conformité scientifique ; il intervient en particulier dans les moments de débat ou de mise en commun. • Les activités proposées par la maîtresse ou par le maître sont organisées en séquences en vue d’une progression des apprentissages. Elles relèvent des programmes et laissent une large part à l’autonomie des élèves. • Un volume minimum de 2 heures par semaine est consacré à un même thème pendant plusieurs semaines. Une continuité des activités et des méthodes pédagogiques est assurée sur l’ensemble de la scolarité. Un accord entre les enseignants des différents cycles est nécessaire pour un suivi des parties des programmes et une continuité dans les méthodes pédagogiques. • Les enfants tiennent chacun un cahier d’expériences avec leurs mots à eux.

6. LE CAHIER D’EXPÉRIENCES: Le cahier d’expériences constitue un support des traces écrites (mots, phrases, dessins,…..) des différents moments de la propre activité scientifique de l’enfant. Il comporte deux parties : ° Une partie libre, spontanée, non organisée tout au moins au début (progressivement, avec l’aide du maître mais aussi par autocorrection l’élève va organiser ses notes, améliorer son orthographe et son expression écrite) ° Une partie institutionnalisée, fruit d’un consensus recherché et obtenu avec l’aide du maître, témoin d’un savoir partagé. Pour l’élève l’intérêt de ce cahier est multiple : il assure un rôle de mémoire, de témoin de ses progrès, de son évolution au cours de l’année, voire d’un cycle ; il constitue un outil de communication vers les autres (camarades, maître) mais aussi un support pour développer et construire sa réflexion. Le maître y trouvera des informations sur les représentations des élèves, l’état d’avancement des apprentissages et il en tiendra compte pour organiser et parfois pour modifier le contenu des séances. Le cahier d’expériences est un des éléments majeurs de la démarche préconisée par La main à la pâte. L’objectif majeur est une approximation progressive, par les élèves, de concepts scientifiques et de techniques opératoires, accompagnée d’une consolidation de l’expression écrite et orale. Est affirmé ici le lien très fort entre apprentissage scientifique et apprentissage de la langue. Cela peut conduire à une motivation réciproque pour les deux apprentissages mais aussi, parfois, à un blocage pour des élèves qui ne peuvent traduire correctement des idées justes avec des mots, d’où une nécessaire vigilance des maîtres pour que chaque élève puisse s’exprimer.

7. Objectifs : Module de quatre séquences pour découvrir les trois états de l'eau (liquide, solide, gaz) et repérer un certain nombre de propriétés caractéristiques de chaque état (surface horizontale d'un liquide...) et des changements d'états. Matériel : Pour la classe : - 30 gobelets plastique- 2 bacs à glaçons- 7 thermomètres à alcool (-10°C à 50°C)- 7 cuves plastique- 6 verres à pied plastique- 6 flûtes plastique- 1 rouleau essuie-tout- des éponges- 7 plaques de verre- du film plastique- bouteilles plastique, pots de confiture (à ramener de la maison)- de la pâte à modeler (non fournie)- sucre, sel, farine, sable, terre, huile, alcool, vinaigre, vin, sirop coloré,... (à ramener de la maison)- des petites cuillères en plastique Les états de l’eau (cycle2)

8. Séquence 1 : Questionnement initial sur : C’est quoi l’eau ? • Pour commencer, on peut envisager un questionnement collectif mené par l’enseignant : « C’est quoi, l’eau ? Qu’est-ce que vous savez sur l’eau ? » • L’enseignant écrit toutes les réponses sur une grande feuille, même si plusieurs élèves disent la même chose. Se faisant, on prend conscience de l’importance de l’eau dans la vie quotidienne, car les enfants évoquent surtout les usages de l’eau. • Puis on poursuit avec un test individuel : une série de dessins représentant des glaçons, un nuage, une rivière, la mer etc. Le maître distribue une feuille avec une série de dessins ou une autre feuille avec ce tableau à 3 colonnes : feuille qui sera collée sur le cahier d’expériences.

11. Pour notre information d’où vient l’eau ?L'eau est un liquide incolore et inodore qui se trouve presque partout sur la Terre et est un composé essentiel pour tous les organismes vivants connus. Le corps humain est ainsi composé à 70 % d'eau. Pour tous êtres vivants, pour les plantes, l’eau est indispensable à la vie. Ce liquide à température ambiante a des propriétés uniques : c'est notamment un solvant efficace. L'eau est quelque fois désignée sous le nom de solvantuniversel. Pour cette raison, l'eau que l'on trouve sur Terre n'est pas un composé chimique pur. La formule chimique de l'eau pure, constituant principale de l'eau est H2O. L'eau "commune" peut avoir des propriétés différentes que celle utilisée en laboratoire, par ailleurs les chimistes préfèreront parler de solution aqueuse pour définir une eau non pure. Cependant, beaucoup de composants sont pratiquement, sinon complètement, insolubles dans l'eau (huile,..).Près de 70 % de la surface de la Terre est recouverte d'eau (97 % d'eau salée et 3 % d'eau douce), essentiellement sous forme d'océans mais l'eau est aussi présente sous forme gazeuse (vapeur d'eau), liquide et glace et c'est la seule substance ordinaire que l'on trouve dans les trois états de la matière dans la nature. Une étendue d'eau peut être un océan, une mer, un lac, un étang, un fleuve, une rivière, un ruisseau, un canal.... La circulation de l’eau au sein des différents compartiments terrestres est décrite par son cycle bio géologique.

12. Le cycle décrit ci-dessus est essentiellement géochimique. En réalité, les êtres vivants, et plus particulièrement les végétaux ont une influence sur le cycle. Les racines des végétaux pompent l'eau du sol, et en relâchent une partie dans l'atmosphère. De même, une partie de l'eau est retenue dans les plantes. Lors de déforestation, le cycle de l'eau est fortement modifié localement et il peut en résulter des inondations.

13. Séquence 2 : L’eau qui coule (eau liquide) • Séance 1 :Observation de la surface de l'eau • Objectif : • Introduire la notion de surface horizontale pour l'eau au repos.Faire prendre conscience du fait qu'un liquide n'a pas de forme propre et qu'il prend la forme du récipient qui le contient. • Matériel : • Par groupe :1 bac en plastique transparent, 1 gobelet en plastique, 1 flûte à champagne en plastique, 1 pot rond, • Un tube à essais avec bouchondu papier journal pour protéger les tables.

14. Par petits groupes, après un temps de familiarisation avec le matériel, les élèves transvasent de l'eau dans les différents récipients et comparent les niveaux obtenus. Ils dessinent. • Dans un second temps, on lance le défi de pencher les récipients contenant l'eau. On leur propose alors les dessins des différents récipients utilisés et on leur demande de tracer la ligne d'eau.

15. Lors de la mise en commun finale, l'enseignant refait le dessin au tableau et demande à un élève par groupe de dessiner le niveau de l'eau sur le schéma d'un récipient vide. Le vocabulaire est écrit : liquide, horizontal, surface en donnant des exemples (se limiter à des exemples de surfaces horizontales pour commencer : la table, le sol etc.)Pour aller plus loin :Fabriquer un niveau à eau simple, avec une bouteille d'eau ou avec un tube à essais, pour déterminer l'horizontalité. Observer un niveau à bulle. Dix minutes avant la fin de la séance, l'enseignant annonce le sujet et pose la question suivante : « Qu'est-ce qu'on va pouvoir mélanger avec l'eau ? » Faire une liste des propositions, en distinguant liquides et solides. Puis il a demandé à chacun d'apporter l'une des substances.

16. Séance 2 : Les mélanges avec l'eau • Objectif : • Montrer que les substances ne se mélangent pas de la même façon. • Matériel : • Par groupe :Des gobelets en plastique transparent.Substances solides : sucre, sel, farine, sable, terre...Substances liquides : huile, alcool, vinaigre, vin, sirop coloré... • Déroulement : • Chaque groupe teste les différentes substances et chacun dessine le résultat. • Exemple: le sel dans l’eau

17. Puis un classement est réalisé en remplissant un tableau en deux colonnes sur une grande feuille : se mélange / ne se mélange pas.Des remarques sont faites. Certains mélanges homogènes au début vont décanter et faire apparaître deux phases de réaction sur la durée, apparition qui peut prendre un certain temps. Le sel ou le sucre n'ont pas disparu, mais se sont dissous. Pour aider les élèves à s'en convaincre, le phénomène d'évaporation est proposé pour faire réapparaître le sel et le sucre. Pour éviter les débordements " glissants ", il est préférable de donner l'huile en fin de séance et de réaliser un mélange par groupe. Expérience réalisée par le maître dite « expérience de Marie Curie »: Dans un récipient, verser un peu d’alcool coloré, un peu d’huile et un peu d’eau. On observe.

18. Séquence 3 : La glace (eau solide). • Séance 1 : L’eau qui fond • La veille, on peut demander à chaque enfant de ramener un glaçon dans un plastique fermé et hermétique de chez lui pour qu'il soit sensibilisé au fait que le glaçon fonde. • Objectif : • Constater la réversibilité du changement d'état de l'eau. • Matériel : • Par groupe :des glaçonsgobelets en plastiquede la pâte à modeler • Déroulement • La séance commence par une discussion collective sur les conditions employées par chacun des élèves pour apporter des glaçons de la maison sans qu'ils fondent trop vite. • Ensuite un glaçon est distribué à chacun en lançant le défi suivant : « Le faire fondre le plus vite possible, sans le mettre dans la bouche afin de pouvoir suivre visuellement l'évolution du glaçon.» • En fin de séance, chaque groupe fabrique un petit moule avec de la pâte à modeler. Les moules sont alors remplis d'eau et placés là où les enfants l'ont proposé pour que l'eau liquide devienne de la glace (freezer du réfrigérateur de l'école ou congélateur ou réfrigérant fabriqué devant les élèves : glace pilée et gros sel)

19. Séance 2 : Fabriquer de la glace • Objectif : • Constater la réversibilité du changement d'état de l'eau.Utiliser un thermomètre et mesurer la température de fusion d'un glaçon. • Matériel : • Par groupe :des glaçons des moulesdes glaçons pour remplir 7 gobelets7 gobelets en plastique1 thermomètre • Déroulement : • Les enfants récupèrent les moules après avoir fait des prévisions « Les moules sont-ils remplis de glace, sont-ils vides, ont-ils débordé ? » • Dans un second temps les enfants remplissent un gobelet de glaçons et mesurent la température avec un thermomètre : ils observent que l'alcool du thermomètre descend aux alentours de 0°C. • Après une phase de discussion, les enfants conviennent d'un résultat commun : le glaçon fond à une température de 0°C environ. • Pour aller plus loin : • Discuter des différentes formes prises par l'eau dans la nature quand il fait froid : le givre, la neige, la grêle...

20. Séquence 4: L’eau invisible (la vapeur d’eau) • Pour introduire la vapeur d'eau, on peut envisager des situations quotidiennes : que devient l’eau liquide placée dans un récipient sur une plaque chauffante (ou sur le feu ou sur la gazinière) ? Que devient l'eau du linge mouillé ? L'eau des flaques d'eau ? Celle des cheveux mouillés ? Observer la buée sur les vitres.Vocabulaire : • buée • brouillard • fumée • vapeur d'eau

21. Séance 1 :Evaporer de l'eau: Travail préparatoire avec toute la classe. Cette séance préparatoire est fondamentale permettant à l’enfant d’expérimenter et en classe et à la maison. Objectif : Faire apparaître la notion d'évaporation. L'eau n'a pas disparu, elle est dans l'air, invisible. A la fin de la séquence, les expériences à l’école et à la maison sont mises en place et vont durer plusieurs jours. Activités des élèves : Observations, expériences, compte rendu d'expériences, expérimentation, organisation des données, discussion de groupe Situation déclenchante : Il a plu. Il y avait des flaques d'eau dans la cour et maintenant il n'y en a plus. Les vêtements étaient mouillés et maintenant ils sont secs.« Comment cela s’est-il passé ? »

22. Discussion de la classe pour exprimer les idées préalables • Propositions obtenues : • « L'eau des flaques s'est envolée. » « Le soleil a séché l'eau. »« Le vent a séché les vêtements. » etc • Faire évoluer vers un dispositif expérimental : • « On voudrait savoir dans quelle(s) condition(s) l'eau sèche plus vite et ce qu'elle devient quand elle disparaît. »« Comment peut-on faire pour le savoir ? »« Quelles expériences faire et quelles observations faire ? » • Recherche en groupe pour obtenir des idées d'expériences à faire • Discussion dans chaque groupePropositions des élèves devant la classeExemples : - Prendre des récipients identiques deux par deux (par exemple un verre et une assiette…) et y mettre la même quantité d’eau - L’un est bouché avec un couvercle ou un bouchon ou avec un film plastique étanche, l’autre ne l’est pas.- Les placer à différents endroits (à côté du radiateur, dans le placard, dans la cour, dans le jardin)- Faire expliciter ce que les élèves pensent. Que va-t-il se passer suivant les cas ?(Prévisions de l'effet du couvercle, de la température, de la grandeur de l’ouverture du récipient, de l’endroit où il est placé : intérieur ou extérieur à la classe ou dehors …)

23. Matériel : Celui que les enfants ont retenu. Déroulement Les enfants placent leurs échantillons et notent sur leur cahier d’expérience l’emplacement, la forme du récipient et le niveau de l’eau. «Comment verra-t-on si de l'eau est partie ?» - Proposer de repérer le niveau avec une marque par exemple sur l'extérieur d'un récipient transparent ou une graduation en papier collé si aucune procédure valide n'est proposée par les élèves. Le lendemain ou quelques jours plus tard, les enfants récupèrent leurs échantillons et notent sur leur cahier les résultats obtenus. Pour aller plus loin : Rôle de la surface, du vent... (Que fait l’enfant pour sécher ses cheveux mouillés ?)

24. Séance 2 : Qu’est devenue l’eau dans chaque récipient ? L’évaporation : • Objectif : Recenser tous les résultats obtenus sur plusieurs jours. • Ces résultats doivent montrer que de l’eau (au moins une partie) a disparu des récipients non bouchés. La quantité disparue dépend : • de la température de l’endroit de l’expérience, • de la présence ou non de vent ou de soleil • de la grandeur de l’ouverture du récipient • Travail récapitulatif : • Chaque enfant indique les résultats dans le cahier d’expériences. • Il en tire des applications : séchage naturel dans les marais salins, disparition d’une flaque d’eau, séchage naturel ou artificiel des cheveux, du linge….. • Mettre en commun les observations • Observations des élèves :- « Plus il fait chaud, plus l'eau part vite. »- « Plus l'eau est étalée, plus elle part vite. »- « L'eau part plus vite s'il n'y a pas de couvercle. »- « S'il y a un couvercle ou un film étanche, il y a des gouttes d'eau qui s'y forment. »

25. Séance 3 : Apparition de buée sur une vitre : la condensation • Objectif : • Montrer qu'il y a effectivement de l'eau dans l'air, autour de nous. Elle réapparaît au contact d'un objet dont la température est plus basse que celle de l'air qui contient cette eau. Le terme de condensation n'est pas nécessaire. • Matériel : • Par groupe : un bac en plastique, une plaque en verre. • Déroulement : • L'enseignant commence par expliquer que l'on va faire apparaître l'eau invisible. • Puis il décrit le dispositif qui sera proposé aux enfants :

26. Demander de prévoir ce qui va se passer. • Puis les enfants passent à l'expérimentation. Ils pourront observer l'apparition de buée sur la plaque de verre et constater en passant le doigt sur la plaque qu'il s’agit bien de l'eau liquide. • Pour aller plus loin : • Parler de la rosée le matin : le sol est froid après la nuit, et il se réchauffe avec le soleil.

27. Fabrication de la pluie : Ce que l’on peut dire sur : la pluie Les nuages sont constitués de millions de minuscules particules d'eau. Ces gouttelettes ressemblent à de la poussière. Trop petites pour tomber, elles flottent en suspension dans l'air. Lorsque le nuage refroidit, elles commencent à grossir et à augmenter de volume. Au fur et à mesure qu'elles deviennent plus grandes et plus lourdes, elles commencent à tomber. D'abord assez lentement. Si le nuage est très haut, elles doivent franchir une très grande distance. Leur poids les fait tomber plus vite et c'est une véritable averse qui s'abat sur le sol.

28. la neige Les flocons de neige sont constitués de minuscules cristaux de glace formés à partir de la vapeur d'eau (les minuscules gouttelettes) contenues dans les nuages; Ils se rejoignent pour former des flocons. Comme les flocons sont plus lourds que les petits cristaux de glace, ils commencent à tomber et grossissent de plus en plus : il neige. la grêle Lorsque la pluie gèle car il fait très froid en altitude, elles tombent en grandes gouttes de glace appelées grêle. Conclusion La grêle et la neige sont faites avec de minuscules gouttelettes d'eau. Comme la pluie, c'est de l'eau mais sous une autre forme que liquide. Prolongement Attendre qu'il neige ou qu’il tombe de la grêle pour vérifier par expérience, que la neige et la grêle sont bien faites avec de l'eau.

29. Complément: la température d’un mélange eau+sel. • Diagramme:mélange en fonction de la température. Un eutectique est un mélange de deux corps purs qui fond et se solidifie à température constante, contrairement aux mélanges habituels. Il se comporte en fait comme un corps pur du point de vue de la fusion.