Les Olympiades de Physique – WUS#22

Aujourd’hui on va parler d’un sujet qui me tient à cœur : les Olympiades de physique. Qu’est-ce que c’est ? Un concours pour lycéens consistant à mener à bien un projet scientifique à composante expérimentale. Et c’est très sympa ! Avec Damien on a eu la chance d’y participer quand nous étions au lycée, puis il y a quelques semaines j’ai été jury de la sélection inter-académique. Et j’aimerais vous montrer qu’il s’agit d’une formidable expérience ! Lycéen, prof, lancez-vous !

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L’affiche des Olympiades de Physique 2017

Le principe

Le concours s’adresse aux lycéens qui réalisent un projet d’initiation à la recherche en physique. Un bien grand mot dit comme ça, mais il suffit de se poser des questions sur un sujet, et de réaliser des expériences pour essayer de comprendre un phénomène ou répondre à une problématique. La curiosité est le moteur de tous les projets (comme celui de la physique !), projets qui permettent aux lycéens de se rendre compte de ce qu’est une démarche scientifique, en travaillant et en s’amusant.

Les concurrents sont en général des terminales qui poursuivent de près ou de loin leur sujet de TPE (projet scientifique comptant pour le bac qu’on réalise en première), encadrés par un professeur qui donne souvent de son temps et de son énergie pour les aider dans leur démarche.

Un rapport écrit à rendre pour fin novembre, puis un oral de sélection inter-académique en décembre, enfin la finale nationale fin janvier, tel est le programme : il ne faut pas chômer en début d’année !

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La finale nationale des Olympiades de Physique 2012, au Palais de la Découverte.

Notre projet

Quand nous étions au lycée avec Damien, nous avons fait notre TPE sur le rayonnement synchrotron, c’est-à-dire sur un certain type de lumière (créé dans un accélérateur de particules) utilisé pour étudier la matière. Nous voulions continuer à travailler sur ce sujet et participer aux Olympiades 2012, et avec un ami, Yohann, nous avons donc réalisé un projet sur l’interaction lumière/matière. Un sujet très vaste aux nombreuses applications !

L’idée du sujet était d’illustrer différentes techniques utilisées en recherche fondamentale pour déterminer les caractéristiques de la matière. D’une manière générale, envoyer de la lumière bien choisie (terme qu’on définira un peu plus tard) sur un échantillon peut donner tout un tas d’informations sur cet échantillon : la lumière est-elle réfléchie, transmise, diffusée, selon quel angle, avec quelle intensité ? L’interaction lumière-matière est une source d’information incroyablement riche pour sonder l’infiniment petit.

Or avec du matériel de lycée, pas si facile de faire des expériences à l’échelle de l’atome. C’est pourquoi nos expériences reproduisent à grande échelle (dans une certaine mesure) les phénomènes mis en jeu à l’échelle microscopique. On parle de modélisation macroscopique ! Dans chacun des cas c’est l’analyse de la lumière qui donne des informations sur l’échantillon étudié. Nous avions trois expériences principales.

L’expérience des billes

La première expérience consistait à mesurer l’intensité lumineuse transmise par une surface constituée de billes transparentes.

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La surface à analyser

Le principe est plutôt simple : on éclaire les billes par en-dessous, et on regarde l’intensité lumineuse transmise dans un plan proche de celui des billes (la distance billes/photorésistance étant de l’ordre de la distance focale, c’est-à-dire la distance où les rayons renvoyés par les billes se croisent, formant un maximum d’intensité lumineuse), grâce à une photorésistance, c’est-à-dire un composant dont la résistance électrique est inversement proportionnelle à l’intensité lumineuse perçue. En branchant un ohmmètre, qui mesure la résistance, à ce capteur, on peut ainsi déterminer l’intensité transmise en un point donné !

En pratique, il a fallu construire un dispositif permettant d’avancer la photorésistance régulièrement (et précisément !) afin de réaliser une sorte de carte de la topographie de l’échantillon. C’est un côté sympa des Olympiades : le bricolage, trouver des astuces pour utiliser le matériel à notre disposition afin de réaliser une mesure précise et correcte. Nous avons opté pour un dispositif à manivelle pour avancer périodiquement (tous les millimètres) la photorésistance dans une direction ! Pour faire des cartes surfaciques, à nous de trouver un moyen pour déplacer le dispositif d’un millimètre, mais pas l’échantillon !

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Le montage

C’est le point de départ d’une longue série de mesures, en essayant de s’améliorer à chaque fois, le but étant de parvenir à retrouver le profil topographique de l’échantillon (où sont placées les billes) en fonction du graphe d’intensité lumineuse. Bien sûr il y a eu des problèmes techniques, il a fallu perfectionner le dispositif, étalonner la photorésistance avant chaque mesure. Et c’est ça aussi le côté fun de la chose : être seul avec sa manip, essayer de faire les choses au mieux, et comprendre ce qui se passe !

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La photorésistance au-dessus d’une bille

Quelques 6000 mesures après (vraiment 6000), on obtient des résultats concluants, avec des cartes du profil topographique, des différences d’intensité suivant la taille des billes, permettant ainsi de localiser d’éventuels défauts ! Un point qui a posé problème dans l’interprétation des résultats : la « douve » qu’on observe aux alentours des pics d’intensité lumineuse, alors que nous nous attentions à avoir juste un pic (nous pensions que la bille ne faisait que concentrer la lumière). C’est là que la physique intervient et qu’il faut se demander la trajectoire des rayons lumineux dans chaque bille. Mais quand on y pense bien, en regardant les billes de dessus, on voit déjà ces baisses de luminosité autour du sommet des billes.

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Cette expérience visant à illustrer l’imagerie par transmission a ses limites dans sa réalisation (taille non nulle du capteur, conditions de Gauss non respectées) mais elle a permis d’illustrer que l’on pouvait déterminer les caractéristiques d’un échantillon en exploitant l’interaction entre la lumière et la matière !

La diffraction par un réseau

Vous êtes peut-être familiers de la diffraction par un réseau sans le savoir : quand je suis chez ma grand-mère et que je regarde par la fenêtre je peux voir un feu rouge au loin. Si je regarde à travers le rideau, le feu rouge ne m’apparaît pas comme un point, mais commune plusieurs taches espacées périodiquement : c’est une figure de diffraction, exactement la même que celle réalisée pour cette expérience !

Cette expérience, plus classique (nous avons d’ailleurs cessé de l’évoquer lors des concours ultérieurs) consiste donc à faire de la diffraction par un réseau. On a vu dans le billet sur le microscope à force atomique que lorsque la longueur d’onde d’une onde électromagnétique atteint la longueur caractéristique des différents constituants d’un échantillon, il se produit ce phénomène de diffraction. Lorsqu’on regarde un objet au microscope, cela se traduit par une sorte de tache. Mais la diffraction n’est pas qu’un phénomène gênant, au contraire, lorsqu’on se trouve dans les bonnes conditions, l’allure de la tache nous donne des informations sur l’organisation de l’échantillon !

Dans notre cas, nous avons utilisé un faisceau laser, que nous avons envoyé sur un bout de rideau. Ce choix n’est pas anodin, puisque la longueur d’onde du laser est à peu d’ordres près de la distance entre chaque fils constituants le rideau (un rideau est un ensemble de fils tissés périodiquement). En plaçant un écran à une distance très grande devant la taille caractéristique du rideau (la distance entre deux nœuds du réseau), on obtient ainsi une figure de diffraction, caractéristique du réseau périodique (pour les plus téméraires d’entre vous, sachez que j’ai appris plus tard qu’il s’agit de quelque chose de très général : faire ce qu’on appelle une figure de diffraction à l’infini revient à déterminer la transformée de Fourier spatiale du réseau initial, on obtient ainsi une image caractéristique des symétries du réseau). Toujours est-il qu’en l’occurrence, avec un tout petit peu de théorie on peut retrouver la taille entre chaque fil du rideau !

Le phénomène de diffraction est incontournable dans l’étude de la matière organisée.

L’expérience du cristal tournant

La dernière expérience est celle qui a demandé le plus de temps, le plus de construction et le plus d’interprétation ! Elle aussi s’appuie sur le principe de diffraction, en exploitant cette fois un mécanisme qui a véritablement lieu à échelle microscopique : la diffraction de Bragg. En effet, pour étudier la matière, on envoie des rayons X vers des poudres, et on étudie la distribution spatiale du signal sortant de l’échantillon.

Dans le billet sur les états de la matière, on a vu que les cristaux étaient organisés suivant un ordre périodique à échelle microscopique. Cet ordre dépend du type dépend de la nature de l’échantillon (on parle de structure cristallographique). Lorsqu’on envoie des rayons X (de longueur d’onde du nanomètre), il y a diffraction (puisque les atomes font environ la même taille) et l’angle avec lequel les rayons sont déviés dépend du type de structure. L’idée étant que si on connaît l’angle en question on peut déterminer les caractéristiques de la structure. Le fait d’utiliser des poudres du matériau permet d’avoir des mini-cristaux dans toutes les directions possibles et donc on obtient différents angles, et ainsi plus d’informations sur le système.

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Un réseau périodique contient différentes familles, différents plans de symétries : on parle de famille de plan cristallin.
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La famille du plan cristallin qui diffracte est la perpendiculaire à la bissectrice des faisceaux incident et diffusé.

Pour modéliser ce phénomène à notre échelle, il a fallu construire des « cristaux », de distance caractéristique de l’ordre du centimètre (parce que c’est plus pratique), et choisir la lumière adaptée : l’onde électromagnétique avec le même ordre de grandeur est une onde centimétrique, ou micro-onde ! Il se trouve qu’on avait des générateurs/détecteur de micro-ondes au lycée. Après une construction très laborieuse des deux cristaux, un 2D avec des tiges et un 3D avec des billes, nous sommes parés ! Nous avons utilisé des tubes en verre pour séparer les billes, puisque le verre est transparent aux ondes centimétriques, contrairement au métal.

Le montage est le suivant : il s’agit de l’expérience du cristal tournant. On envoie les ondes sur le cristal (il a fallu pour cela une source d’ondes planes : on a coulé des lentilles en paraffine de focale adaptée, c’était très marrant), le cristal tourne sur un plateau, et le récepteur des ondes se trouve sur un bras rotatif qui mesure l’angle avec l’émetteur. Le signal électrique obtenu et observable à l’oscilloscope a une intensité proportionnelle à l’intensité de l’onde reçue.

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Faire fondre de la paraffine et trouver des idées pour en faire des lentilles pour ondes microscopiques, c’est plutôt marrant.
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Schéma de principe de l’expérience du cristal tournant.
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Photo de l’expérience.

En faisant tourner le cristal on peut déterminer quelle est la famille du plan cristallin qui diffracte (quelle est le plan de symétrie associé à l’angle de diffraction), et ainsi remonter à la distance entre ces plans, et enfin à la distance entre chaque tige, connaissant le type de réseau ! On peut même montrer que s’il y a des défauts dans le cristal (on insérait des tiges dans n’importe quel sens), l’intensité du signal diminue ! La diffraction de Bragg apporte beaucoup d’informations sur le système.

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Diffractogramme représentant l’intensité du signal reçu par le récepteur (en Volts) en fonction de l’angle émetteur/récepteur. On voit différents pics, qui correspondent chacun à une famille de plan cristallin qui diffracte.

En ce qui concerne le cristal de billes, l’analyse était plus compliquée, car la colle n’a pas vraiment tenue, la construction était laborieuse, et il était difficile de retrouver les caractéristiques du réseau hexagonal que nous avions voulu construire, nous observions des pics à des angles inopinés. Néanmoins, grâce à un petit traitement informatique, on a pu déterminer à quel type de structure notre cristal ressemblait le plus.

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Une structure triclinique irrégulière, la plus proche du cristal de billes un peu distordu !

La petite histoire

Réaliser un tel projet, au-delà du contenu physique du projet lui-même, est formateur par bien des aspects. Il faut savoir s’organiser et travailler en groupe, il faut travailler sur soi-même pour vaincre le stress et être à l’aise à l’oral, il faut travailler rigoureusement et être exigeant avec soi-même pour réaliser un projet de qualité, et le plus important : prendre plaisir en travaillant.

Les Olympiades ont été pour nous le point de départ d’une belle aventure, puisque nous avons reçu un premier prix, participé à d’autres concours en France et en Europe avec ce projet, visité des laboratoires, rencontré des chercheurs, obtenu des stages et une médaille de l’Académie des Sciences ! Mais surtout les Olympiades nous ont initié à la démarche scientifique et nous ont donné le goût de la recherche. Notre parcours aurait probablement été bien différent sans cette expérience !

Du chemin a été parcouru !

Conclusion et remerciements

En tant qu’élève il s’agit d’une très belle expérience, et j’invite encore une fois les professeurs de physique qui le souhaitent à se lancer, afin de faire profiter les élèves de cette expérience. Cela demande un peu de temps et d’implication, mais avec la satisfaction d’avoir réalisé un beau projet à la fin et participé à une belle aventure !

En tant que jury c’est très marrant d’être de « l’autre côté » : quand on voit le stress des lycéens lors des présentations orales on se revoit à leur place à la même époque, et ça fait toujours extrêmement plaisir de voir leur curiosité, leur implication, leur désir de faire les choses bien et de comprendre comment les choses marchent.

Je tiens à remercier Damien et Yohann, avec qui j’ai vécu cette épopée scientifique ! Mais surtout Mme Baurrier, notre prof de physique qui a su rester exigeante tout en nous inculquant le plaisir de la physique. Et évidemment le lycée Pothier, son proviseur M. Plasse pour son soutien indéfectible,  le personnel du laboratoire de physique (Mme Bureau particulièrement), et tous les chercheurs qui nous ont aidé et donné des conseils pour ce projet.

N’hésitez pas à nous contacter si vous voulez des informations sur les Olympiades, si vous désirez juste en parler. Sinon le site http://odpf.org/ est très bien fait ! Ah et on tenait un blog déjà à l’époque des olympiades, on décrivait notre projet au jour le jour, allez y faire un tour !

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