De la physique avec son smartphone

On peut utiliser son smartphone pour faire de la physique grâce à tous les capteurs qu’il contient. Deux applications gratuites permettent de le faire (en français) : phyphox (plutôt lycée ou supérieur) et Fizziq (plutôt collège-lycée). Et on a conçu plein d’activités pour vous accompagner.

– des articles de fond pour aller plus loin

– Des conférences confinées utilisant le smartphone

– Une conf sur comment utiliser le smartphone au lycée

– Le livre Smartphonique d’Ulysse Delabre 

– Le livre “Physics Experiments with Arduino and Smartphones” de Giovanni Organtini

– Un article scientifique complet sur le sujet : Monteiro et al., Am.J.Phys. 90, 328 (2022)

This project is available in English on the EN-version of the website.

Eine deutsche Übersetzung der Poster wurde vom phyphox-Team (contact@phyphox.org) angefertigt und ist hier zu finden. Sie können es (frei) verwenden (und teilen) unter den Bedingungen der Creative-Commons-Lizenz BY-NC-ND.

Des conférences de physique en appartement données pendant le(s) confinement(s). Expériences en direct, maquettes improbables et exemples de recherche contemporaine en physique.

L’application utilisée sur le smartphone est https://phyphox.org/

Retrouvez toutes les expériences testées pendant ces conférences à ce lien.

Dans la 1ère conférence, on a parlé de ces articles :

• le satellite GOCE de l’ESA
• Les expériences en champ intense russes par explosion : Bykov et al., (2001) Physica B: Condensed Matter, 294, 574-578.
• Le record en labo à 1200 Tesla : Nakamura et al., Review of Scientific Instruments, 89(9), 095106.(2018)
• Supraconductivité sous pression à 260K : Somayazulu et al., Physical review letters, 122(2), 027001 (2019)
• Hydrogène métallique sous pression : Loubeyre et al., Nature, 577(7792), 631-635 (2020)
• Balance avec un nanotube: Chaste et al., Nature nanotechnology, 7(5), 301-304. (2012)

Dans la 2eme conférence, on a parlé de ces articles :

Miao, J., Ercius, P., & Billinge, S. J. (2016). Atomic electron tomography: 3D structures without crystals. Science, 353(6306), aaf2157.

Chen, C. C., Zhu, C., White, E. R., Chiu, C. Y., Scott, M. C., Regan, B. C., … & Miao, J. (2013). Three-dimensional imaging of dislocations in a nanoparticle at atomic resolution. Nature, 496(7443), 74-77.

Tian, Y., Navarro, P., & Orrit, M. (2014). Single molecule as a local acoustic detector for mechanical oscillators. Physical review letters, 113(13), 135505.

Conférence de C. Salomon sur les horloges atomiques et la mesure du temps : https://youtu.be/titp83JsYYQ

Dans la 3eme conférence, on a parlé de ces articles :

dualité : Fein et al. “Quantum superposition of molecules beyond 25 kDa.” Nature Physics 15.12 (2019): 1242-1245 ; M. Arndt and K. Hornberger. “Testing the limits of quantum mechanical superpositions.” Nature Physics 10.4 271(2014)

microscopie à effet tunnel : film d’IBM “a boy and his atom”  https://www.research.ibm.com/articles/madewithatoms.shtml

quantification : N. Nilius, N., T. M. Wallis, and W. Ho. “Development of one-dimensional band structure in artificial gold chains.” Science 297.5588 (2002) : 1853-1856.

voir dans un atome : A. Stodolna et al. “Hydrogen atoms under magnification: direct observation of the nodal structure of stark states.” Physical review letters 110.21 (2013): 213001.

superposition d’états : A.D. O’Connell et al. “Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator.” Nature 464.7289 (2010): 697.

liquides de spin : F. Bert, P. Mendels, O. Cépas, C. Lhuillier, “Quand la frustration rend plus dynamique :les liquides de spins quantiques”, Reflets de la physique, (37), 4-11 (2013)

• photographier un atome individuel : Neuhauser, W., Hohenstatt, M., Toschek, P. E., & Dehmelt, H. (1980). Localized visible Ba+ mono-ion oscillator. Physical Review A, 22(3), 1137.
• mesurer une superposition d’états d’un atome : Monroe, C., Meekhof, D. M., King, B. E., & Wineland, D. J. (1996). A “Schrödinger cat” superposition state of an atom. Science, 272(5265), 1131-1136.
• sauts quantiques : Sauter, T., Neuhauser, W., Blatt, R., & Toschek, P. E. (1986). Observation of quantum jumps. Physical review letters, 57(14), 1696.
• anticiper un saut quantique : Minev, Z. K., Mundhada, S. O., Shankar, S., Reinhold, P., Gutiérrez-Jáuregui, R., Schoelkopf, R. J., … & Devoret, M. H. (2019). To catch and reverse a quantum jump mid-flight. Nature, 570(7760), 200-204.
• supraconducteurs à température ambiante : Snider, E., Dasenbrock-Gammon, N., McBride, R., Debessai, M., Vindana, H., Vencatasamy, K., … & Dias, R. P. (2020). Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride. Nature, 586(7829), 373-377.
• superposition de courants dans un squid : Friedman, J. R., Patel, V., Chen, W., Tolpygo, S. K., & Lukens, J. E. (2000). Quantum superposition of distinct macroscopic states. nature, 406(6791), 43-46.

Cette vidéo m’évoque, en tant que scientifique, plusieurs choses. La lumière d’abord, en tant que telle mais aussi en tant que vecteur d’information, car l’eau qui réfracte la lumière dans la vidéo engendre un léger arc en ciel qui est utilisé scientifiquement pour analyser la composition à distance des astres lointains.

La première image qui jaillit dans mon esprit en découvrant l’illustration d’Arnaud Tetelin, fut celle d’un interféromètre astronomique comme celui du réseau ALMA (pour Atacama Large Millimeter Array). Situé à 5000 mètres d’altitude sur le plateau chilien du Chajnantor, ALMA est composé de 66 antennes radio. Elles peuvent être organisées dans différentes configurations, la distance entre les antennes pouvant varier de 150 mètres à 16 kilomètres. Les antennes observent simultanément le même objet céleste et le regroupement de leurs données permet de produire une image qui a la même résolution angulaire que celle qu’aurait une antenne unique faisant la taille de l’ensemble, c’est-à-dire 16 kilomètres dans le meilleur des cas ! C’est ce « télescope par morceaux » qu’ont évoqué les disques habités et séparés de l’illustration d’Arnaud. Ce principe a été utilisé à l’échelle de la Terre entière pour créer le Event Horizon Telescope, un réseau de 7 radiotélescopes répartis sur 5 continents. En avril 2019, cette immense antenne virtuelle a réussi l’exploit de faire une image de M87*, le trou noir supermassif situé au centre de la galaxie elliptique M87.

Combien de temps faut-il, de nos jours, pour faire une découverte majeure ? Parfois, l’expérience clé ou le trait de génie ne prennent que quelques heures, comme la découverte des supraconducteurs ou celle des nanotubes, parfois au contraire, des dizaines d’années, comme le boson de Higgs ou les LED bleues. Mais chaque fois, le moment “Eureka” cache des années de labeur, de tentatives, d’échecs, de réflexion, d’apprentissage. Le temps du chercheur est bien étrange, il peut s’éterniser, s’accélérer soudain vivement, puis même se ramifier pour, parfois longtemps après, être récompensé. Ce temps de la recherche est peut-être ce qui fait sa singularité et pourquoi elle semble parfois bien étrange.

Les 1, 2, et 3 novembre 2019 s’est tenu le workshop « DIY Physics Lab » au FabLab de Moscou. Pendant trois jours, des professeurs de physique russes ont découvert et testé par eux-mêmes l’utilisation de smartphones ou de cartes Arduino pour faire de la physique, afin qu’ils puissent réutiliser ces compétences dans leurs enseignements et faire évoluer ces derniers.

Les makers du FabLab de Moscou ont participé à ce workshop et ont apporté une aide précieuse dans la réalisation des projets finaux que devaient concevoir et réaliser les participants : analyse en temps réelle de l’efficacité d’un filtre par colorimétrie, démonstration d’une résonance acoustique, conception d’un TP pendule-smartphone, étude de l’atténuation acoustique de matériaux, pendule entretenu… Ces trois jours ont été riches en activités qui peuvent être retrouvées sur le site de l’évènement :

Une partie des supports pédagogiques développés par l’équipe « La physique autrement » ont été traduits en russe pour ce workshop, et peuvent être trouvés ici. Ces documents sont librement utilisables selon la licence CC-BY-NC-ND.

Ce projet a été porté par l’équipe « La Physique Autrement » de l’Université Paris-Saclay et du CNRS, et par Anna Khazina. Il a bénéficié du soutien de l’IDEX Paris-Saclay et de la Chaire « La Physique Autrement » portée par la Fondation Paris-Sud et soutenue par le groupe Air Liquide. Le workshop a été co-organisé par le FabLab MISiS de Moscou.

Un grand merci à tous les participants de ce workshop, et à tous les makers du FabLab qui y ont participé !