Livret pratique du professeur

Développé par un doctorant Etienne Foucault¹

1 – Contexte

Aurores polaires :

• phénomènes lumineux,
• observés à hautes latitudes (typiquement au-delà de 60°) dans les hémisphères Nord et Sud
• luminosité qui nécessite un fond de ciel sombre (observation de nuit).

Mais aussi :

• observation en continu depuis l’espace (ISS)
• tous les domaines du spectre électromagnétique.
• formes : grands drapés, spirales, lueurs diffuses.

Origine : action du Soleil

2 – Quelques rappels sur le Soleil

Etoile la plus proche de la Terre

Astre principal du système solaire

3 – Quelques rappels sur le champ magnétique terrestre

4 – Les relations Soleil-Terre

5 – Expériences préliminaires : magnétisme

Le magnétisme est méconnu des élèves et a complètement disparu des programmes du lycée à l’exception de l’évocation d’anomalies magnétiques dans les roches dans le programme de spécialité SVT en 1^ère.

Il faut donc introduire les effets du champ magnétique sur les particules chargées à travers une série d’expériences progressives.

6 – Expérience quantitative : déviation électronique par application d’un champ magnétique

Le dispositif est en général disponible dans les lycées. Il s’agit d’étudier la déviation d’un faisceau d’électrons par l’application d’un champ magnétique (bobines), en faisant varier l’intensité électrique.

Pour exploiter les données, on peut amener les élèves à déterminer que le rayon de courbure du faisceau est la grandeur qu’on va exploiter pour la relier à l’intensité du champ magnétique.

Or, ce dernier n’est pas connu des élèves.

On peut cependant leur indiquer qu’il est proportionnel à l’intensité du courant électrique qui traverse les bobines et donc faire l’étude R=f(I).

Si on dispose d’un Teslamètre, on peut aussi éventuellement étudier B=f(I) pour montrer la proportionnalité.

On peut obtenir le rayon de courbure par le calcul en utilisant les coordonnées de points sur la grille (rarement réalisé au lycée) ou par l’utilisation d’un logiciel comme GeoGebra

Puis on cherche à modéliser :

7 – Principe expérimental : la planeterrella

Une planeterrella est un simulateur d’aurores polaires.

Ce dispositif s’inspire de la terrella conçue et développée par le physicien norvégien Kristian Birkeland au début du XX^e siècle.

Il faut donc modéliser les éléments clés nécessaires à la formation d’une aurore polaire : le champ magnétique terrestre, une source de particules chargées et des conditions de pression proches de celle de la haute atmosphère (quelques dizaines de Pa).

8 – Planeterrella : Matériel nécessaire

• Une cloche à vide aussi étanche que possible et isolée électriquement de l’extérieur ;
• Une pompe à vide reliée hermétiquement à la cloche pour éviter toute fuite et atteindre une pression de quelques Pa ;

• Un générateur haute tension ou une machine de Wimshurst ;

• Une sphère creuse à paroi conductrice (mais perméable aux champs magnétiques), boule à thé par exemple ;
• Une pointe en acier ou une plaque de cuivre;
• Un aimant droit (de préférence néodyme-fer-bore) ;
• Des supports pour la sphère et la pointe (idéalement en plexiglas)
• Un manomètre et un spectromètre (à fibre optique)

9 – Détails sur l’observation des aurores

Précautions initiales :

• Utiliser des câbles haute tension.
• Isoler électriquement les pieds de la cloche à vide (avec du caoutchouc par exemple).
• Incliner l’aimant dans la sphère d’une dizaine de degrés environ.

Préparation du dispositif :

• Installer la sphère et la pointe/plaque sur leur support.
• Relier la pointe/plaque (cathode) à la borne moins de la machine de Wimshurst ou du générateur haute tension.
• Relier la sphère (anode) à la borne plus de la machine de Wimshurst ou du générateur haute tension.
• Refermer hermétiquement la cloche à vide et éteindre toute source lumineuse pour avoir une obscurité totale.

Déroulement :

• Mettre en route la pompe à vide pendant une dizaine de minutes.
• Tourner la manivelle de la machine de Wimshurst (ou allumer le générateur haute tension).

Mesures :

• Filmer l’expérience en continu.
• Mesurer la pression avec le manomètre et la tension avec un voltmètre.
• Enregistrer le spectre lumineux de l’aurore avec le spectromètre à fibre optique.

10 – Quelques exemples de comparaisons possibles

Images réelles d’aurores obtenues par la caméra FishEye du lycée de Kautokeino en Norvège : (http://www.samisk.vgs.no/ressurs/camera/)

Images réelles d’aurores ou de planeterrella VS photos de l’expérience

Images de spectres ?

11 – Exemples de résultats

Spectre obtenu => identification des molécules présentes dans le gaz

Comparaison avec un spectre d’aurore

12 – Pistes pédagogiques

Exemples d’activités :

En physique-chimie :

• Spectres d’émission
• Mouvements de particules dans un champ électrique uniforme
• Utilisation d’un capteur de mesure

En Enseignement Scientifique de 1^ère :

• Thème 2 : Le Soleil, notre source d’énergie
• Projet expérimental et numérique

En Sciences Numériques et Technologie :

• Photographie numérique

En Numérique et Sciences informatiques

• L’image numérique, le pixel, la couleur

Exercer l’esprit critique :

• Discussion sur la fiabilité des résultats, la précision des mesures, …
• Discussion sur la pertinence du modèle choisi et les biais des expériences

13 – Compléments pédagogiques

Exemples d’activités introductives :

En physique-chimie :

• Fabrication d’un capteur de mesure
• Mise en évidence du champ magnétique, des lignes de champ, du mouvement d’un électron dans un champ magnétique
• Spectroscopie : lampes à vapeur  (sodium, mercure)

14 – Autres développements possibles

Arts plastiques :

• Couleur, lumière
• Images artistiques et scientifiques

Français :

• Mythes et légendes
• Les aurores dans la littérature, la bande dessinée et dans le cinéma (ex : A la croisée des mondes / His Dark Materials)