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Résumés
Résumé : La structure du globe a été établie de manière expérimentale par l’analyse de séismes, elle a montré un certain nombre de discontinuités dans sa structure : le Moho (limite supérieure du manteau), le noyau avec ses parties solide et liquide. Ces événements sont enseignés en SVT en 1ère S. Cependant, l’illustration expérimentale est faite de manière optique, en utilisant la seconde loi de Descartes relative à la réfraction de la lumière. Certes c’est visuel, mais physiquement faux. Nous avons choisi d’illustrer ce TP de manière mécanique, en vous intéressant à la propagation des ondes, en provoquant un « gigantesque » séisme, dans une maquette du globe terrestre en béton et bardée de capteurs piézo. À ce jour nous sommes parvenues à montrer mécaniquement l'existence de zones d'ombre sismique à la surface du globe, montrant l'hétérogénéité de sa structure, mais aussi à expliquer la disparition des ondes S (transversales) dans le noyau externe liquide. Nous continuons d’exploiter les signaux reçus, par les « différentes stations », pour une interprétation plus fines des phénomènes enregistrés. Nous construisons d’autres maquettes pour faire varier certains paramètres.
Abstract: The structure of the Earth was established experimentally by analysis of earthquakes. It showed some discontinuity in this structure: the Moho (upper mantle), the core with its solid and liquid parts. These events are taught in laboratory work of geology. However, the experimental illustration is made by using the Snell/Descartes’ second law on the refraction of light. Of course, it's visual, but it’s wrong on physics. We have chosen to illustrate this lab work in a mechanical way, by using wave’s propagation, caused by a "mega earthquake" on a “scale” model of Earth, made in concrete and covered in piezoelectric sensors. We have succeeded so far to show, mechanically, the existence of shadow seismic zones on a model of Earth, showing the heterogeneity of its structure, but also to explain the disappearance of S waves (transverse) in the liquid outer core. Now, we continue to analyze the signals received by the piezoelectric sensors, for a more precise interpretation of the recorded phenomenon. We have built, other models, to change some parameters.
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Nos parten
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SOMMAIRE
Résumés 2
Nos partenaires 3
LES ONDES MECANIQUES PROGRESSIVES 6
STRUCTURE INTERNE DU GLOBE 8
Les premières hypothèses. 8
L’apport de la sismologie. 9
La présentation de la structure du globe en TP de SVT 11
POURQUOI N’Y ATIL PAS D’ONDE S DANS UN LIQUIDE ? 12
LA MESURE DE CELERITE DU SON DANS DIFFERENTS MATERIAUX 13
Le choix des récepteurs 13
Le logiciel Audacity 14
Le dispositif de mesure 14
Les mesures 15
Exploitation des mesures 16
Les lois de Descartes 18
CONSTRUCTION DE LA MAQUETTE 20
Le dimensionnement 21
La construction version 1 22
La construction version 2 25
L’instrumentation et le dispositif d’acquisition 26
La directionnalité des capteurs 26
Séismes artificiels 28
Les résultats 30
CONCLUSION 34
REMERCIEMENTS. 35
BIBLIOGRAPHIE 36
« Les Olympiades : une expérience inoubliable !! » 37
« Les Olympiades de physique : une aventure expérimentale » 39
« Un réel plaisir d’y participer !! » 41
« Olympiades un jour, Olympiades toujours » 43
5
Après les Olympiades 2007, toutes les cinq issues de trois groupes différents avons décidé de renouveler le challenge en 2008. En effet, les Olympiades de physiques nous ont apportées beaucoup, notamment une visite de l’Ecole Polytechnique de Paris au mois de mai, dans laquelle des physiciens nous ont fait partager leur passion pour cette matière. Cela nous a également permis d’utiliser nos sujets pour les T.P.E dans lesquels nous avons toutes obtenus d’excellents résultats, ce qui a d’ailleurs amplifié la déception de l’absence des T.P.E pour la Terminale… Le choix de notre sujet n’a pas été très difficile étant donné que le programme de 1ère en SVT traitant sur la géologie nous avait très intéressées plus particulièrement les ondes qui feront une grande partie de notre programme de terminale S en physique. De plus, coïncidence, nous avons ensuite appris que 2009 était l’année mondiale de l’astronomie, pour comprendre la structure de l’univers, il faut commencer par notre planète Le choix du sujet fut définitif lorsque nous nous sommes rendues au Palais de la découverte et que nous sommes tombées sur une exposition traitant des séismes. C’est ici que nous avons rencontré Yves CANSI du C.E.A, qui nous a donné de nombreux renseignements sur les ondes sismiques dans le noyau. Ceci nous a rappelé que le programme de S.V.T nous montrait que l’analyse des séismes permet de remonter à la structure du globe (et qu’en terminale nous apprendrons qu’elle permet aussi de montrer autre chose.) Un graphique montrant l’évolution de la vitesse des ondes sismiques en fonction de la profondeur nous est soudain revenu à l’esprit (Figure 1).
Figure 1 : évolution de la célérité des ondes en fonction de la profondeur
Nous voyons clairement que deux types d’ondes traversent le globe et sont capables de nous renseigner sur la structure interne de la Terre : les ondes longitudinales nommées P et les ondes transversales dites S. En fonction de la profondeur, ces ondes présentent des variations plus ou moins brutales de leur vitesse de propagation, certaines sont même amenées à disparaître. En corrélant nos cours de géologie de la classe de première et ceux de physique de terminales, nous nous sommes donc intéressées à l’étude de la structure interne du globe : comment est‐il possible d‘expliquer ces variations brutales de la célérité des ondes ? Peut‐on modéliser une Terre qui nous permettrait de reconstruire ce graphique ? Au cours de ce dossier, nous allons donc tenter de révéler comment la sismologie à permis de montrer l’hétérogénéité de la composition interne de la Terre.
6
Les ondes mécaniques progressives « Une onde mécanique progressive est le phénomène de propagation d’une perturbation dans un
milieu sans transport de matière » selon le sacrosaint BO (Bulletin Officiel et non pas Buridant Olivier ! comme nous le dit souvent notre professeur).
Une onde peut être :
• transversale lorsque le déplacement des points du milieu de propagation s’effectue perpendiculairement à sa direction de propagation, en géologie on parle d’onde S.
• longitudinale lorsque ce déplacement s’effectue parallèlement à sa direction de propagation. En géologie on parle d’onde P.
Ces termes P et S viennent simplement du fait qu’elles arrivent en première ou seconde position sur les séismographes. Un moyen mnémotechnique L, comme longitudinale, est avant T comme transversale.
Les ondes sonores sont des ondes longitudinales, car en se propageant, elles créent de proche en proche des zones de compression‐détente du milieu de propagation.
Célérité d’une onde
La célérité, v, d’une onde est le rapport entre la distance, d, parcourue par la perturbation par la durée
Δt du parcours.
v= dΔt
v : célérité de l’onde (m.s‐1), d : distance parcourue par l’onde (m),
Δt : durée du parcours (s) Puisque la propagation se fait sans transport de matière, on préfère utiliser le mot célérité.
Propriétés générales des ondes
• Une onde se propage dans toutes les directions qui lui sont offertes. Dans un milieu à une dimension, il n’existe qu’une seule direction de propagation ; à deux dimensions, l’onde se déplace dans toutes les directions contenues dans le plan ; et dans un milieu à trois dimensions, l’onde progresse dans toutes les directions de l’espace.
• Une onde réalise un transfert d’énergie sans transport de matière. Pour produire une perturbation en A, il faut fournir de l’énergie mécanique.
• La célérité d’une onde est une propriété du milieu de propagation, dans un milieu élastique donné, la célérité d’une onde est constante. Elle dépend donc des propriétés et de la nature du milieu, dans l’air : c = 340 m.s‐1 (à 20°C et 1013 hPa), dans l’eau : c = 1500 m.s‐1 (à 20°C).
7
• Deux ondes peuvent de croiser sans se perturber.
• Comme toutes les ondes (y compris les ondes électromagnétiques comme la lumière) elles peuvent être réfractées, réfléchies, ou diffractées.
Dans le cas d’ondes mécaniques progressives périodiques (qui se répètent identiques à elles mêmes au cours du temps), on peut ajouter qu’un milieu est dit dispersif si la célérité des ondes varient en fonction de la fréquence. S’agissant des ondes sismiques, on ne peut pas franchement parler d’onde périodique même si chacune sera caractérisée par une période qui lui est propre. Les fréquences dans ce cas sont d’ailleurs très petites, on parle alors d’infrason. Lors d’un séisme, il y a un grand mélange de type d’ondes générées. L’exploitation des enregistrements n’est pas facile, « c’est un métier à part entière », nous avait confié M. Cansi lors de notre visite au Palais de la Découverte.
8
Structure interne du globe
Les premières hypothèses.
La structure interne du globe resta longtemps un véritable mystère, à l’origine de nombreuses hypothèses. Longtemps la Terre fut considérée comme une boule ayant en surface une croûte, mais dont l’intérieur pouvait présenter différentes compositions, telles que de l’air approvisionnant notre atmosphère, de l’eau à l’origine des océans, mais aussi une source chaude s’échappant par les volcans. C’est pourquoi au XVIIe siècle, Descartes émettait l’hypothèse que la Terre était un ancien Soleil refroidi. Au XVIIIe siècle, Georges de Buffon suppose que la Terre primitive était en fusion, de composition homogène. Celle‐ci se serait formée par accrétion de corps célestes de plus en plus gros. Ce bombardement météoritique, libérant de la chaleur, serait alors à l’origine de la fusion de la Terre primitive. Par gravité, la Terre s’est alors différenciée, formant différentes enveloppes.
Les conditions de pression‐température pouvant alors régner au centre de la Terre pouvaient laisser supposer l’existence d’un noyau liquide. Pourtant une telle idée restait à prouver, car : « Ceux qui admettent la liquidité de l’intérieur de la Terre paraissent ne pas avoir songé à l’action qu’exercerait la Lune sur cette énorme masse liquide. Il en résulterait des marées, à l’image de celles que l’on connaît dans nos mers… mais bien autrement terribles. L’écorce de la Terre ne pourrait y résister. »
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Pourquoi n’y atil pas d’onde S dans un liquide ? Sur le diagramme classique, nous nous étions demandées pourquoi les ondes S (transversales) disparaissaient dans le manteau liquide. Après de vaines recherches sur internet et dans les encyclopédies de notre lycée, nous n’avions aucune information sur la propagation des ondes S dans les liquides. Pire cela semblait être une évidence quand nous regardions certains sujets de concours … auxquels nous n’avons compris qu’une chose en déduire la nature des ondes S.
Nous avons donc contacté des scientifiques par l’intermédiaire de notre professeur. L’un d’eux a répondu : « Pour qu'il y ait propagation d'une onde, il faut qu'il y ait une force de rappel. Or, dans un liquide, il n'y pas de liaison chimique transverse qui donnerait lieu, par exemple, à un module de cisaillement. Transversalement, il n'y a que la force de viscosité, qui amortit tout mode collectif. Il n'y pas non plus de liaison longitudinale, mais là, il suffit qu'existe une force répulsive à courte distance, ce qui donne une force de rappel par rapport à la compression. Qu'en pensez‐vous ? »
Qu’en pensons‐nous ? Eh bien : Pour les ondes longitudinales ce sont les forces de répulsion qui assurent la transmission de la perturbation et la force de rappel qui remet les choses en place après le passage de celles‐ci. Transversalement, pour entraîner une couche de liquide, il n’y a que la viscosité qui lie les couches les unes aux autres. C’est alors que nous avons eu l’inspiration en faisant la queue pour aller manger à la cantine !
• Si quelqu’un pousse, il va créer une onde longitudinale qui va se propager si les individus sont suffisamment proches les uns des autres.
• Par contre si quelqu’un décide de s’asseoir, il crée une perturbation transversale qui ne se propagera que s’il s’agrippe à son voisin.
Nous avons cherché à montrer ceci dans un aquarium avec des particules en suspension. Après avoir essayé différentes particules dans des liquides de densité différentes, nous n’avions guère de résultats probants. Jusqu’au jour où la chance nous a sourit. Lors d’un TP de Spécialité : «détermination d’un coefficient de partage», la moitié de la classe travaillait avec le cyclohexane et l’autre moitié avec le dichlorométhane. L’espèce à extraire était l’acide benzoïque. Après avoir effectué les différents dosages, nous avons regroupé les différentes phases organiques dans un grand bécher, pour aller le vider dans le container réservé aux solvants organiques. Mais avant de transvaser, nous avons remarqué qu’il y avait trois phases avec une émulsion au milieu. Machinalement, nous avons testé pour voir si quelque chose était visible. Une tige de verre, un mouvement latéral … on voyait très bien les ondes longitudinales se propager, un mouvement vertical … rien ! Nous tenions enfin, un moyen de visualiser expérimentalement que les ondes transversales ne se propageaient pas dans un liquide. Mais pour les photographies c’est moins évident … surtout pour constater qu’on ne voit rien ! Nous nous ferons un plaisir de vous le montrer lors de la finale nationale.
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Le logiciel Audacity C’est un logiciel d’étude de fichier audio, il est gratuit et téléchargeable à l’adresse suivante
http://audacity.sourceforge.net/download (il existe une multitude de versions pour les différentes plateformes : Windows, Mac OS, Linux/Unix …)
On le paramètre pour qu’il fasse une acquisition stéréo, dans le menu Edition … Préférences
On choisit : Stéréo et la fréquence maximale d’échantillonnage supportée par le PC
Le dispositif de mesure
L’échantillon est placé sur des bouchons en caoutchouc pour éviter la transmission d’ondes externes ou parasites. Les capteurs sont placés sur l’échantillon en prenant soin de toujours mettre une petite couche de graisse, pour éviter la présence d’air, puis ils sont maintenus fermement en position à l’aide d’objets massifs.
Schéma de principe du dispositif
Vers PC
Marteau
Câbles coaxiaux
Capteur piézo 1 Capteur piézo 2 Barre de granite
Bouchon en caoutchouc
Bouchon en caoutchouc
D (distance entre les centres des capteurs)
15
Un petit zoom au niveau du capteur
Les mesures On déclenche l’acquisition avec le logiciel Audacity, puis on donne un coup de marteau sur le
support, en veillant à être dans l’axe des capteurs. Voici une copie d’écran de ce que nous obtenons.
Nous zoomons ensuite avec le logiciel sur la zone qui nous intéresse.
2 kg
Masse marquée
Épaisseur de mousse
Couche de graisse
Capteur piézo
Bloc de granite
16
On relève ensuite l’intervalle de temps Δt qui sépare l’arrivée de l’événement sur les deux capteurs.
Ici 0.000208 s soit 0,208 µs
Nous avons fait 10 mesures de durée pour une distance donnée entre les capteurs, mesurée au
réglet au ½ mm
Exploitation des mesures Nous avons procédé ainsi pour différentes distances entre les capteurs, puis nous avons
transféré les données dans un tableau Excel pour tracer la courbe D = f (Δt). Puis clic droit, « ajouter une courbe de tendance », « modèle linéaire », « option », « ajouter l’équation ».
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Les lois de Descartes En seconde, nous avons appris les lois de Descartes. La première est relative à la réflexion : « La mesure de l’angle du rayon réfléchi est égale à la mesure de l’angle du rayon incident ». Ce qui se traduit par
r = i La seconde est celle de la réfraction : « Lorsqu’un rayon incident i1 passe d’un milieu d’indice n1 à un milieu d’indice n2, il subit alors une réfraction, le rayon i2 est dévié tel que :
n1.sini1 = n2.sini2
(Schéma du dossier 1 mirage + 1 mirage = une belle image avec la permission de Perrine)
Lorsqu’on passe dans un milieu moins réfringent, il existe alors un angle limite tel que :
sin(ilim) = vn2v xn1x
Il y a alors une réflexion totale.
(Illustration Perrine CAGNEAUX)
Surface de séparation des milieux = dioptre (ici plan)
milieu 1
milieu 2
Normale
milieu 1 i1
i2
r
Rayon incident
Rayon réfracté
Rayon réfléchi
Point d’incidence I
19
C’est d’ailleurs en utilisant ces lois qu’on nous explique par analogie optique la structure interne du globe. En terminale, nous avons appris que l’indice de réfraction du milieu est défini par le rapport de la célérité de la lumière dans le milieu par la célérité de la lumière dans le vide (qui vaut 299792458 m.s‐1 par définition).
nmilieu = cv
On peut alors définir des indices relatifs pour onde mécanique et en particulier les ondes sonores.
N milieu = célérité de l’onde mécanique dans la référencecélérité de l’onde mécanique dans le milieu
= vréférencevmilieu
La seconde loi de Descartes s’écrit alors :
N1.sini1 = N2.sini2 En appliquant ce qui précède :
vmilieu de référence
vmilieu1 .sini1 =
vmilieu de référence vmilieu2
.sini2
En simplifiant vmilieu de référence
vmilieu1.sini1 =
vmilieu de référence
vmilieu2.sini2
sini1vmilieu1
= sini2vmilieu2
Ainsi, lorsqu’une onde mécanique passe d’un milieu à un autre elle est réfractée. On doit également pouvoir observer une réflexion totale lorsqu’on passe d’un milieu de célérité faible à un milieu de célérité plus élevée. Si on reprend nos mesures : par exemple pour le béton 2724 m.s‐1 et pour l’acier 5125 m.s‐1.
On devrait avoir un angle limite tel que sin(ilim) = 27245125
= 0,5315 soit ilim = 32,10°
Nous aurions beaucoup aimé vérifier expérimentalement cette loi de Descartes, comme on le fait en optique, mais à ce jour nous n’avons pas encore réussi. Il faudrait pouvoir générer des ondes planes. Si nous ne réussissons pas à vérifier cette loi, nous allons essayer de voir ses effets, les fameuses zones d’ombre vues lors de l’exploitation de données sismiques. En construisant une maquette qui reflète fidèlement la réalité du terrain.
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Le dimensionnement
Quelles dimensions donner à notre maquette pour pouvoir voir les zones d’ombres apparaître ? Au lieu de travailler de manière empirique nous avons décidé de travailler à partir d’un logiciel de simulation : le logiciel ondesP (http://pedagogie.ac‐amiens.fr/svt/info/logiciels/ondesp/Ondesp.htm), « Ce logiciel permet de définir un modèle de variation des célérités des ondes P en fonction de la profondeur dans le globe terrestre. Ces modèles peuvent être testés en traçant les rais sismiques correspondant au modèle entré » dixit la page d’accueil. Nous pouvons donc créer un modèle et regarder là où nous avons une chance de voir quelque chose ou rien (zone d’ombre). Dans les options de ce logiciel, on peut définir un profil de célérité en fonction de la profondeur. Tout y est rapporté à l’échelle de la terre, soit un rayon de 6380 km. Nous avons contacté M. Jean‐François MADRE, le concepteur du logiciel, qui nous a envoyé les codes sources pour que nous puissions les modifier, nous le remercions pour sa confiance. Mais comme nous ne sommes pas des informaticiennes, nous avons travaillé « à la BURIDANT » : on s’adapte (notre professeur nous a permis cette remarque). Si notre maquette a un diamètre de 30 cm, donc un rayon de 15 cm, alors 1cm représente :
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≈ 425 km
Donc 2 cm de maquette correspondent à 950 km. Pour la célérité, pas de soucis, ça commence de manière fixe à 6,82 km.s‐1, un pixel représente 7 km (avec le logiciel) soit 0.1 mm sur notre maquette. Si on choisit une maquette avec une couronne en béton (v= 3200 m.s‐1) de 2 cm d’épaisseur et un noyau de 10 cm de diamètre séparé par de l’air (v=340 m.s‐1), donc d’une épaisseur de 15‐2‐5 = 8 cm Cela nous donne de 7 à 950 km une célérité de 3200 m.s‐1, de 950 à 4350 km de 340 m.s‐1, et de 4350 à 6380 km une célérité de 3200 m.s‐1. En utilisant dans le logiciel, le « menu modèle » puis « entrer un modèle », nous obtenons le profil suivant :
Puis en cliquant « tracer » … « rais sismiques »… on obtient :
22
Ici aucune zone d’ombre n’est visible ! (c’est le logiciel qui donne les zones d’ombre prévues par le modèle standard).
Maintenant, avec une couronne de 4 cm (30 cm de diamètre) et un noyau de 20 cm de diamètre on obtient :
Ici, la zone d’ombre est apparente. Les dimensions ne sont pas à choisir au hasard, mais de manière raisonnée ! Il faut une zone avec une plus faible célérité (la précédente était trop grande). Il nous fallait ensuite nous adapter au matériel disponible.
La construction version 1
Nous souhaitions faire une maquette en béton, mais sans éléments grossiers à cause du phénomène de diffraction possible qui nous compliquerait le travail. Nous avons appris que cela s’appelle du mortier. Pour plus d’informations, nous sommes allées en Génie Civil, où nous avons appris que le Pont de Millau était construit avec du béton haute performance dont le plus gros grain fait 2 mm. Bref, ce pont est fait en mortier. S’il n’y a pas d’éléments grossiers (des graviers), il y a des éléments plus fins que le ciment : de la fumée de silice (pour nous, c’est comme si on faisait brûler du sable). Par
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Séismes artificiels Nous avons décidé de provoquer des séismes artificiels sur notre maquette.
Le tremblement de terre de Sumatra‐Andaman, le 26 décembre 2004, avait une magnitude 9,3.
L’énergie totale mise en jeu par ce séisme était de l'ordre de 5.1022 J, soit 50 ZJ (zettajoules). Seule une petite partie a été transformée en onde sismique, elle est quand même de l’ordre de 1,99.1018 J ou soit près de 2 EJ (exajoules) soit 30 000 bombes de Hiroshima.
Quelle énergie faudrait‐il apporter à notre maquette si on veut rester à l’échelle ?
Notre couronne de béton fait environ 30 cm soit 0,30 m de diamètre, qui représente le diamètre de la terre de 12760 km soit 12760.103 m.
Les dimensions de notre maquette sont donc 0,30
12760.103 = 2,4.10‐8 fois celle de la terre. Mais cela ne
vaut que pour les longueurs, pour les volumes le rapport est de (2,4.10‐8)3 = 1,3.10‐23 Nous observons ce même rapport dans les masses :
• La masse de la terre est de MT = 5,9.10
24 kg
• La masse de notre maquette Mm ≈ 15 kg (ce n’est qu’une estimation, faute d’avoir une balance assez précise au labo et de ne pas avoir le droit d’emprunter celle de l’infirmerie)
Le rapport vaut Mm
MT =
155,9.1024
=2,5.10‐24 il est vrai que notre modèle n’est pas à répartition sphérique.
L’énergie nécessaire, pour être à l’échelle, serait dont 1,3.10‐23 x 1,99.1018 = 2,6.10‐5 J. Nous devrions donc être capable de détecter la chute d’une poussière de 2,6 mg tombant d’un mètre ( E = m.g.h ≈ 2,6.10‐6 x10 x 1,00 = 2,6.10‐5 J). Ce résultat nous a beaucoup surpris. Mais une énergie de 1,99 EJ ne représente que l’énergie acquise par une chute de 1 m d’un objet de
1,99.1017 kg si on le compare à la masse de la terre 5,9.1024
1.99.1017 = 2,9.107
La masse de notre maquette divisée par ce nombre nous donne aussi un objet de l’ordre de grandeur de la poussière. Nous avons travaillé, pour deux d’entre nous sur « la bassoumétrie » l’an dernier (la mesure de la poussière), nous savons a quelle point elle est présente. Même en salle blanche il y en a encore. Comment faire ? Encore un problème à résoudre ! La réponse est à l’échelle !!! Hé, oui ! Si notre maquette est 2,4.10‐8 fois plus petite que la Terre, les déformations à mesurer seront à l’échelle. En clair : si sur le terrain on a un déplacement de 1 mm, sur notre maquette il sera alors de 2,4.10‐8 mm soit 2,4.10‐11 m moins que la taille d’un atome !!!
29
Nous décidons d’employer les grands moyens : les explosifs, enfin les pétards à mèche. C’est en fait de la poudre noire dite à canon enveloppée dans du papier. ATTENTION c’est TOUJOURS dangereux. La réaction de combustion de cette poudre est donnée par l’équation de Julius Von Liebig (1859):
2 KNO3(s) + 3 C(s) + S(s) = K2S(g) + 3 CO2(g) + N2(g)
La chaleur de réaction est dans ce cas est de QR = ‐ 617 kJ.mol‐1 (le signe négatif indique que l’énergie est libérée) Il est difficile de parler de mole dans ce cas là, disons alors que la combustion des réactifs dans ces proportion libère 617 kJ. Or les masse molaires sont : M(KNO3)=101,1 g.mol‐1 ; M(C) =12,0 g.mol‐1 ; M(S)=32,0 g.mol‐1
Donc on obtient cette énergie pour la combustion de 2 x 101,1 + 3 x 12,0 + 32,0 = 472 g de poudre noire.
Soit 617472
= 1,31 kJ.g‐1
Sur l’emballage, il est noté qu’il y a 4,97 g de poudre pour 6 pétards, soit 0,828 g de poudre par pétard. Chacun peut donc libérer une énergie de 0,828 x 1,31 = 1,08 kJ. Maintenant, comparons cette énergie à celle qui aurait été nécessaire pour être à l’échelle.
R = 1,08.103
2,6.10‐5 = 4,15.107, si toute notre énergie est transmise alors on provoque un tremblement de terre
41 millions de fois plus important que celui de Sumatra, l’un des plus violents jamais enregistré et qui a fait près de 300000 morts. The BIG ONE, c’est ce que nous testons. Cette fois, la déformation que l’on peut espérer c’est 2,4.10‐11 x 4,15.107 = 9,96.10‐4 ≈ 1 mm si toute l’énergie est transmise. Là on devrait « peut être » commencer à voir quelque chose. Conditionnel car « la physique est une science expérimentale, on n’annonce jamais un résultat à l’avance » nous martèle M. BURIDANT « tant qu’on ne l’a pas mesuré ce n’est que de la théorie ! Mesurez, Mesurez !! » « Bon on y va, le fil rouge sur le bouton rouge … »
30
Les résultats Après 40h de préparation, 1 s d’amusement (le tir de pétard) les résultats tombent : Pourquoi expérience 2 parce que pour la un, il y a eu des erreurs de clic lors du premier tir mais ici aussi le démarrage sur le PC N°1 a été anticipé. M. Jacques GRESSIER (formateur académique en informatique des réseaux) va tenter de démarrer l’acquisition d’Audacity sur 10 postes d’une salle, nous croisons les doigts. Voici les copies des 10 écrans de PC.
31
32
Les 10 PC sont reliés à la couronne dans le sens trigonométrique positif (vue de dessus). Si nous repositionnons ces enregistrements sur un cercle, représentant notre maquette de la terre, nous obtenons le résultat ci‐après.
33
Nous observons bien les zones d’ombre prévues, et cela même en permutant les capteurs de π/2 par exemple, ou en changeant au hasard des capteurs. Plus de 10 fois, réparties sur 3 semaines, nous avons obtenu ce résultat. Nous avons fait la même expérience, en ne mettant pas de noyau central en béton (donc de l’air) ou en le remplissant d’eau : nous n’avons pas observé de zones d’ombre. Elles nécessitent donc un noyau en dur. Ceci montre donc qu’il faut un noyau solide pour observer des zones d’ombre.
Cellulede tir
Couronne en béton
Noyau en
béton
Zones d’ombre
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Conclusion En nous servant de nos acquis en géologie et grâce au programme de Physique sur les ondes mécaniques progressives, nous avons pu répondre en partie aux questions que nous nous posions sur la détermination expérimentale de la structure du globe. Nous avons montré que le TP présenté en SVT était très visuel mais qu’il ne reflète pas la réalité physique des phénomènes observés.
Les capteurs piézo et le logiciel Audacity nous ont permis d’observer des résultats qualitatifs intéressants quand à la propagation des ondes dans un solide. Après de multiples expériences et de nombreuses heures de recherches, nous avons réussi à montrer mécaniquement des zones d’ombre à l’aide de notre modélisation de la Terre. Nous avons encore quelques expériences à peaufiner pour pouvoir faire le tour de nos questions, notamment en continuant à exploiter les signaux reçus par les différents capteurs. Bien qu’il faille de nombreuses années pour découvrir tous les secrets que cache notre planète. Nous espérons que ce travail sera utilisé en classe pour expliquer comment on a pu connaitre la structure de la Terre, de manière plus réaliste. Enfin puisque 2009 est l’année mondiale de l’astronomie, nous commençons à nous demander : Comment‐a‐t‐on pu déterminer la structure interne des planètes telluriques, et de la lune ?
(Source : Internet)
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Remerciements.
M. Olivier BURIDANT, professeur SPCFA, lycée E. BRANLY, Boulogne‐sur‐Mer. M. Guillaume HERCOUET, professeur de SVT, lycée E. BRANLY, Boulogne‐sur‐Mer. M. Philippe LANCEL, professeur de maths‐sciences, lycée E.BRANLY, Boulogne‐sur‐Mer. M. Frédéric DELVAUX, professeur de SVT, lycée E. BRANLY, Boulogne‐sur‐Mer. M. Frédéric BEDLÉ, professeur de Génie Civil, lycée E. BRANLY, Boulogne‐sur‐Mer. M. Fabrice FRANÇOIS, professeur de Génie Civil, lycée E. BRANLY, Boulogne‐sur‐Mer. M. Philippe LANOY, professeur de Génie Civil, lycée E. BRANLY, Boulogne‐sur‐Mer. M. Michel VERTUEUX, professeur de Génie Civil, lycée E. BRANLY, Boulogne‐sur‐Mer. Mme Sophie DEPERLECQUE, professeure de français, lycée E. BRANLY, Boulogne‐sur‐Mer. Mme Nathalie JARNIER, professeure documentaliste, lycée E. BRANLY, Boulogne‐sur‐Mer.
M. Kamil FADEL, Directeur du département Physique du Palais de la Découverte. M. Yoann FEY, Médiateur scientifique, Palais de la Découverte
M. Yves CANSI, ingénieur au DASE (CEA). M. Emile A. OKAL, professeur au Departement of Geological Sciences Northwestern University. M. Anthony LOMAX, ingénieur informaticien M. Jean Paul MONTAGNER, professeur, université PARIS 7. M. Jean‐François MADRE, professeur de SVT, lycée Cassini Clermont de l'Oise M. Jean‐Michel MILLET, créateur du logiciel Régressi© M. Jean Luc BERENGUER, professeur IUFM de SVT au centre international de Valbonne. M. Patrick CORDIER, professeur de Géologie, université de LILLE I. M Michel BALLEVRE, professeur de Géologie, université de RENNES I. Mme Florence NICOLLIN, maître de conférences, université de RENNES I.
M. BRIANCON, proviseur, lycée E. BRANLY, Boulogne‐sur‐Mer. M. Jean‐Marc PIWINSKI, proviseur adjoint, lycée E. BRANLY, Boulogne‐sur‐Mer. M. Alexandre KORBAS, chef des travaux, lycée E. BRANLY, Boulogne‐sur‐Mer. Mme Marie‐Christine HERBERT, secrétariat scolarité lycée E. BRANLY, Boulogne‐sur‐Mer.
MM. François VENEL, Eric BRÉVIER, Jean‐Luc DAVID, Alain ROCHES personnels du magasin de l’atelier du lycée, pour leurs précieux conseils.
A tous les personnels du lycée qui ont fait ce qu’ils pouvaient pour nous aider dans notre travail, Nos camarades de la terminale S2, promotion Jean PERRIN, pour leur soutien, A nos parents pour le travail de relecture et leur patience. Merci aussi à tous ceux qui nous ont aidés et que nous avons oublié de citer. Merci à tous ceux qui ont eu la patience de nous écouter.
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Bibliographie Comprendre et enseigner la planète Terre ; J.M. CARON, A. GAUTHIER, A. SCHAAF, J. ULYSSE et J. WOZNIAK, Editions Ophrys, 1989. Detection of PKJKP at intermediate periods by Progressive Multi‐Channel Correlation ; E.A OKAL, Y. CANSI, Earth Planet. Sci. Letts., 164, 23‐30, 1998. Dictionnaire de Géologie ; A. FOUCAULT, J.F RAOULT, Editions DUNOD, 2000. Eléments de géologie ; C. POMMEROL, M. RENARD, Y. LAGABRIELLE, Edition DUNOD, 2000. La Terre sur écoute ; Revue du Palais de la Découverte, N° 318, Juin 2004. Peut‐on prévoir les TSUNAMIS ; H. HEBERT, F. SCHINDELE, les petites pommes du savoir, Edition le POMMIER, Novembre 2006, (offert par le CEA) Physique Term S ; J‐P DURANDEAU, V. BESNARD, P. BRAMAND, P. FAYE, R. MARGOUTES, R. SAHUN, G. THOMASSIER, Editions HACHETTE, 2002. SVT 1ère S ; R. TAVERNIER, C. LIZEAUX, Editions BORDAS 2001. The Great Sumatra‐Andaman earthquake of 26 December 2004 ; Lay et al., SCIENCE, vol 308, 20 May 2005, p1127‐1133
Travaux pratiques de physique chimie, de la seconde à la terminale ; O. BURIDANT, F. DUCROCQ, G. GOMEZ, M. MARGARIT, A. MARGARIT ; J.L. MAURIN, G. NAGLIK, F. PLET, P. RYVES ; Edition BORDAS, 2003 Volcans, séismes, tsunamis, vivre avec le risque ; Revue du Palais de la Découverte, N°351, Octobre 2007.
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Les Olympiades de Physique vues par Justine.
« Les Olympiades : une expérience inoubliable !! »
Tout commence le 18 Mars 2006 : première visite au lycée Edouard Branly. Je monte accompagnée de mes parents au troisième étage où se trouvent les salles de Physique‐Chimie. Nous découvrons le projet de Clémence et Perrine sur les mirages. Elles nous expliquent « l’aventure Olympiades » et tout ce que cela leurs a apporté. Fascinée par leurs récit, en rentrant chez moi, je regarde mes parents et leurs dit : « C’est décidé, je ferai les Olympiades ». Tout au long de mon année de seconde, mon professeur de Physique‐Chimie, M. Buridant, nous parle assez souvent des Olympiades de Physique. A la fin de l’année, avec deux camarades de classe, nous décidons de participer aux Olympiades. A la rentrée tout s’enchaine très vite : expériences, rédaction du dossier, le 12 Décembre : première fois que je passe à l’oral devant un jury et bien sûr, Paris. Nous sommes déjà à la moitié de l’année scolaire sans l’avoir vu passer. Des heures de galères et de fous rires qui vont se terminer. Et oui, en terminale c’est le Bac. Et jongler entre les cours et les Olympiades je n’y pensais pas vraiment. Seulement, je sentais que quelque chose allait me manquer. Et malgré l’objectif du Bac à la fin de l’année, je ne pu m’empêcher de renouveler l’expérience. De plus, il n’y a plus les deux heures de TPE pour attiser ma curiosité et pour innover. C’est pourquoi aujourd’hui je suis là avec une nouvelle équipe et un nouveau sujet. Cette année nous nous intéressons de près aux ondes sismiques et autant vous dire que ce n’est pas facile. De gros séismes d’amplitudes 7 ne se manifestent pas tous les jours près de chez nous. Nous décidons donc d’en créer et de mesurer la vitesse des ondes dans différents matériaux. Tout allait bien jusqu’à ce que nos capteurs piézo nous lâchent : plus de mesures !!! Il a fallu qu’ont les ressoudes plusieurs fois. Maintenant que l’on sait bien mesurer les ondes, nous commençons la modélisation de la Terre et là aussi il y eu de nouvelles catastrophes. Le béton que nous avons fait est tellement solide qu’il ne se décolle pas du verre. Il faut changer notre récipient !! Donc récipient en plastique et petit voyage dans la section Génie Civil de notre Lycée (ils se débrouillent beaucoup mieux que nous lorsqu’il s’agit de mortier !!). Tout ceci nous montre une fois de plus que la physique est une science expérimentale. Quand je pense qu’il y a quelques années je ne prédestinais pas à des études scientifiques et qu’aujourd’hui je participe aux Olympiades …….
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Comme quoi les sciences nous réservent pleins de surprises ; je suis même en spécialité Physique‐Chimie. Ma curiosité n’a pu échapper aux sciences. Passer ses mercredi après‐midi pour tenter de faire de nouvelles expériences, de comprendre les phénomènes qui nous entourent ; jamais n’y aurait pensé. Je me suis rendu compte que l’on pouvait apprendre tout en s’amusant. « La Physique se n’est pas qu’un coefficient 8, c’est aussi apprendre en innovant et découvrir en s’amusant ». Nous voilà déjà au 10 Décembre, je n’ai pas vu les quatre mois passer. La pression monte, mes camarades et moi avons répété toute la matinée. Le passage devant le jury arrive à 16h30 ; le stress et la peur de tout oublier me hante. Cinquante minutes plus tard, c’est le soulagement !!! Mais une partie de moi reste angoissé, nous ne savons pas si nous allons à Paris. L’annonce des résultats ….. Nous allons à Paris !!!! L’aventure continue.
Justine LEVEL, 17 ans TS2 promotion Jean PERRIN Spécialité Physique Chimie
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Les Olympiades de physique vues par Charlotte
« Les Olympiades de physique : une aventure expérimentale » C'est en septembre 2007 que l'aventure olympiade commence pour moi, et je découvre une autre physique que celle abordée en cours, j’apprends que l'expérience démontre la science. Avec mon binôme nous ne parvenons pas à la finale de Paris, mais qu'importe, l'expérience nous a appris à comprendre, apprendre, montrer, expliquer; et pour ne rien gâcher grâce aux olympiades nous recevons de bons résultats aux TPE. Comme le dit l'expression, le malheur des uns fait le bonheur des autres, et grâce au désistement d'un camarade, je suis du voyage pour la visite du CEA et du palais de la découverte. Là‐bas, je découvre le monde des sciences, cela me passionne et je visite une exposition sur les séismes. Je m'émerveille devant tout cela ; ça restera gravé dans ma mémoire. Les vacances approchent, des liens d'amitiés se sont créés pendant cette année à travailler ensemble, et avec 3 amies nous décidons de renouveler l'expérience OdP en terminale. Et malgré nos doutes, nos peurs de ne pas pouvoir gérer cela avec les cours et les activités de chacune, nous n'étions pas déçues, bien au contraire, de nous retrouver le mercredi après‐midi au laboratoire de physique. Et puis, il faut avouer que n'ayant plus de TPE en terminale S, il nous manquait quelque‐chose. C’est ce besoin de réfléchir dans la bonne humeur qui nous a poussé à continuer. Il fallait maintenant trouver une idée de sujet, et là bonjour le retournement de cerveau ... Mais la visite au Palais de la découverte et au CEA m'avait beaucoup plus et avec les 3 autres filles j'avais beaucoup aimé la partie géologie du programme de première S. Nous décidons donc de nous attaquer à la Terre, au noyau de la Terre, et là les grands travaux commencent. Nous investissons la bibliothèque de Boulogne sur mer pour nous renseigner plus précisément sur le sujet, la salle 306 nous sert presque de squat tant nous y passons de temps, et ce n'est pas peu dire car nous devions fabriquer une maquette ... Nous en avons bien bavé pour aboutir à celle qui est présentée aujourd'hui : La maquette en gros c’est :
50 h de conception, de préparation et de fabrication « 1 s » d’expérience
20 h d’exploitation des résultats ! 0,0004 % d’amusement
Mais quel plaisir de voir que ça marche !!!!
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Enfin nous aboutissions à quelque chose ... Mais il ne fallait pas parler trop vite, entre erreurs de mesures, mauvaise compréhension, nous repartions quelques‐fois découragées, comme déçues de ne pas avoir pu faire mieux, mais nos professeurs nous ont toujours permis d'y croire et de ne surtout pas baisser les bras, et heureusement !!! Car c'est grâce aux échecs, cuisants ou pas, que nous pouvons continuer d'avancer, et comme le dit M. Buridant, « la physique est une science expérimentale » alors oui, nous tromper était normal !
Malheureusement une fois reboostée, et après une mauvaise chute dans les escaliers du lycée, je me casse le péroné; alors là je peux affirmer que dans « olympiades de physique », il y a « physique ». Ce n'était pas mais alors vraiment pas pratique ni reposant de parcourir le lycée de long en large, du laboratoire au bâtiment de génie civil le tout à béquille ... Mais il faut souffrir pour aboutir à un résultat ! Et quel résultat, finalement notre maquette fonctionne et pour réussi sans obtenir de résultats !!!
Le jour J approche à grand pas, le 10 décembre est déjà là. Le concours régional, il faut passer cette première épreuve pour espérer accéder aux qualifications à Paris. Et nous la passons si j'ose dire mieux que nous puissions l'espérer. En effet nous sommes qualifiées. Notre joie explose, trois onomatopées pour résumer mon sentiment du moment : « OUF !!! YEAH !!! GENIAL !!! » Un pur bonheur que cette expérience régionale, tout en sachant que ce n'est qu'un tout petit pas d'accomplit dans l'aventure olympiade. Le chemin est encore long, et il nous reste encore beaucoup de choses à travailler d'ici Paris.
Enfin, tous ces mots pour aboutir à la conclusion que les olympiades de physique sont vraiment une expérience unique et que je ne regrette en rien d'y avoir consacrées mes mercredis après midi et mes temps libres entre les cours. Ce plaisir de travailler sur quelque chose qui nous intéresse, d'apprendre, de comprendre et de rechercher est vraiment indispensable pour moi cette année en TS2, et puis cela m'a ouvert des horizons d'orientation auxquels je n'osais pas vraiment croire, comme un BTS de physique par exemple. Les Olympiades de Physique, c'est discuter autour d'un café, pour comprendre en manipulant en innovant et vivre une expérience recommandable à tous !
C'est tout simplement génial !!
Charlotte FAUCHOIS, 17 ans
TS2 promotion Jean PERRIN Spécialité Physique Chimie
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Les Olympiades de Physique vues par Emeraude
« Un réel plaisir d’y participer !! »
Mai 2008 : après l’aventure des OdP 2007, nos mercredi après midi ne sont plus les mêmes, de
plus, nous savons bien que l’année de terminale ne nous réserve plus de TPE, ce qui est d’ailleurs bien dommage car c’était une expérience très enrichissante ! De plus l’année 2007 avait permis de créer des liens d’amitié entre Justine, Charlotte, Magaly et moi ; nous avions donc réellement envie de retenter l’aventure toutes les quatre.
Nous nous sommes donc mises à réfléchir à un sujet. M. Buridant nous ayant expliqué que « les
ondes » feraient partie de notre programme de Physique en terminale, et comme nous avions choisi Physique Chimie en spécialité, il fallait plutôt axer nos recherches sur ce sujet. Celui‐ci portera donc sur « les ondes », plus précisément leur comportement à l’intérieur du noyau terrestre.
J’ai toutefois bien réfléchi avant de m’engager dans l’aventure, car l’examen du bac se déroule
en fin d’année, et il ne faut pas oublier les bacs blancs ! Mais après avoir essayé les Olympiades, on ne peut plus s’en passer, et puis on apprend tellement plus vite en faisant les choses par nous même : cela ne pouvait être que bénéfique !
Nous avons donc commencé par acquérir des capteurs et par mesurer la célérité des ondes un
peu partout dans notre lycée, histoire de comprendre leur fonctionnement. Le souci : il fallait ensuite pouvoir expérimenter, mais pour l’instant un être humain normalement conçu ne peut pas poser de capteurs sur le noyau terrestre ! Il nous fallait donc une modélisation.
Nous avons fait couler du béton dans des cristallisoirs. Notre premier modèle … de débutante
dans le béton. Puis nous sommes allées voir « les Experts Bâtiment C », le Génie Civil. Là nous en avons appris des choses sur le béton, comment on le faisait et surtout pourquoi !
Début novembre : nous pouvons enfin commencer les vraies expérimentations et ainsi goûter au
réel plaisir des Olympiades. Après plusieurs échecs nous sommes parvenues à créer nos modélisations. Chose inattendue : cela devenait une joie d’aller faire du béton ! C’était très drôle de faire venir une dizaine d’élèves des Olympiades pour nous aider à faire l’acquisition de ce que l’on captait sur tous les ordinateurs, en même temps que l’explosion du pétard !
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Le mois décembre approchait très vite, mais toutes nos mesures seraient prises beaucoup plus rapidement ! En effet, nous étions vite prêtes à percevoir notre zone d'ombre. Le 10 décembre, nous passions pour la première fois devant notre jury et il nous restait tout de même quelques expériences à réaliser... L'orsque j'ai su que nous étions sélectionnées pour Paris, j’étais soulagée de pouvoir aller plus loin, mais je pensais aussi que beaucoup de travail nous attendait encore. En plus, la semaine du 15 décembre serait celle de notre bac blanc, il fallait aussi se concentrer sur les révisions, ensuite il y a eu les vacances de Noël. Notre travail se concentrerait donc sur janvier. Bref, entre les problèmes de maquette et les nouvelles expériences, la finale approche très vite et le stress monte, mais vivement Paris!
Que dire de plus ; que l’aventure OdP est formidable ! Elle m’a non seulement permis d’évoluer
plus facilement dans le cadre scientifique mais elle permet aussi de passer des bons moments avec nos professeurs, d’échanger nos idées et nos points de vue autour de la table du labo ! En plus, elle donne le goût de toujours allé plus loin et confirme bien que l’on comprend mieux en expérimentant !
Emeraude LEDOUX, 17 ans TS2 promotion Jean PERRIN Spécialité Physique Chimie
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Les Olympiades de physique vues par Magaly
« Olympiades un jour, Olympiades toujours »
Me revoilà !! … Une nouvelle fois. Hé oui ! Cela fait la troisième année que je participe à un concours scientifique national. L’idée d’y participer m’avait séduite dès ma première année de lycée. En effet dès la seconde avec deux autres élèves de ma classe nous participons à Objectif Science. En première, je décide de renouveler l’expérience mais avec de nouvelles personnes Justine et Audrey. Notre sujet parle de la mesure de la poussière : « La Bassoumétrie » qui est également notre sujet pour les TPE. Les événements s’enchainent très vite ; rédaction du dossier, préparation de l’oral………. Même si j’ai déjà vécu cela l’année précédente le stress est toujours au rendez‐vous. Le 12 Décembre 2007, jour des sélections, arrive très rapidement. Résultat des courses, nous sommes qualifiées pour Paris !!!! Et pour récompense nous avons la possibilité de visiter Polytechnique et Le Synchrotron Soleil. Une expérience enrichissante et d’inoubliables souvenirs ! Nous sommes déjà à la moitié de l’année sans l’avoir vu passer. Des heures de découvertes, de rires, de liens d’amitiés. Déjà deux ans que je participe à ce concours !!! Comment ne pas continuer cette aventure inoubliable qui doit pourtant se finir. En effet, en terminale il y a le bac et étant une élève moyenne je me voyais mal continuer les Olympiades par peur de ne pas pouvoir gérer les cours et le concours en même temps ! Pourtant cette année encore je suis là : « Olympiades un jour, Olympiades toujours » Nouveau sujet et nouvelle équipe !! En terminale, les ondes font parties du programme de Physique, mes camarades et moi décidons de centrer nos recherches de se côté. Nous avons très vite fait le lien avec le programme d’SVT de première ; certaines ondes ne passent pas dans le liquide. C’est pourquoi nous décidons de nous intéresser aux ondes sismiques. Pour cela il faut modéliser la Terre, faire des mesures de célérité dans différents matériaux. Mais si tout allait bien ce ne serait pas normal !! Nous avons été plusieurs fois amenées à tout recommencer. Mais on avance en se trompant.
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Cette expérience fût très plaisante, un réel plaisir de partager et de présenter notre projet au jury. Un grand soulagement, plus de stress, les mauvaises ondes sont évacuées, nous sommes de nouveaux aptes à travailler dans une ambiance plus détendue ! Cependant une nouvelle appréhension pour Paris prend le dessus, de nouvelles perspectives pour améliorer notre projet et le dossier à présenter apparaissent. Encore beaucoup de travail riche en apprentissage nous attend. Tout ça pour dire que les Olympiades sont une expérience inoubliable.
« Une véritable expérience en béton … . »
Magaly MA, 17 ans
TS2 promotion Jean PERRIN Spécialité Physique Chimie