1. Physique à travers le jeu

On sens une manque générale d'aide didactiques dans l'enseignement de la physique. Les prix de collections déjà prêtes sont hauts et les jouets dans le laboratoires des écoles ne correspondent au canons modernes de ergonomie et esthétique. Devient un problème pressant la diversification de cours de physique à l'aide d'objets domestiques et expérimentations prêtes pour l'utilisation. L'exposition "Physique des jouets" organisée par le WSP de Słupsk et l'université de Varsovie a donné des exemples de solution de ce problème.

L'exposition a eu lieu dans les jours 18-25 septembre à Varsovie, Pałac Potockich e le 4-8 octobre dans la Mairie de Słupsk. De plus une sélection de jouets a été présentée à Cracovie pendant le "Jarmark Fizyczny". L'exposition dérive des collections du Département de Physique de l'université de Trento en Italie; son concepteur est M. Prof. Vittorio Zanetti. En Pologne c'était la première édition, après plus de 50 en Italie et à l'étranger. Dans deux semaines plus de 10 mille personnes l'ont visitée.

2. Jouets exposés

L'idée de l'exposition était de montrer comment des simples objets, du type "décoration de bureau" ou des jouets puissent servir à la didactique de la physique. On a présenté 63 jouets, à partir des plus simples comme la non symétrique pierre celtique qui route seulement dans une direction, jusqu'aux plus compliqués, comme la boule de plasma. Parmi le public les plus grand enthousiasme a été engendré par le petit porc suspendu virtuellement (ou mieux sa image) au dessus de deux miroirs paraboliques et les boules de savon crée en bougent un cercle de creux (eau, lessive, savon gris et un peu de colle pour les affiches). beaucoup parmi les objets montrés, p. ex.. le moulin de Crooks ou le pendule de Newton, se trouvent dans les laboratoires des écoles. Certains parmi eux, comme p. ex.. le "tour de la mort" ou le pendule chaotique, ont été construits dans l'atelier de l'université.

Les jouets ont été divisés dans quatre groupes thématiques: 1) astronomie et mesure du temps, 2) mécanique, 3) optique et ondes 4) phénomènes électromagnétiques. Dans le premier groupe on a montré des cadrans solaires et plans du ciel. Les constructions des cadrans différent par l'aiguille (gnomon), qui peut être de fil de fer, fil ou une trou dans un cercle suspendu en haut, et par la façon de l'orienter par rapport au nord géographique. La "montre du pasteur" n'as pas besoin d'être orientée et l'heure est obtenu de la longueur de l'ombre pour différent saison de l'an.

Dans le groupe des jouets de mécanique on a illustré les principes : de conservation de l'énergie (yoyo, pendule de Maxwell), de conservation de l'impulsion (pendule de Newton) et du moment angulaire (gyroscope). Un groupe séparé des jouets traite les problèmes de l'équilibre. L'entonnoir avec la surface interne hyperbolique explique le mouvement dans le champs gravitationnel. Une boule de polystyrène mise dans le courant d'air d'un sèche cheveux illustre le principe de Bernoulli.

Une pierre celtique (fig. 1) a une forme asymétrique, qui ressemble une gondole. Quand on la route elle montre des propriétés surprenantes. Elle a un fait une direction de rotation préférée. Dans une direction elle route sans problèmes, cependant, quand on essaie de la router dans l'autre direction, elle commence à osciller et change la direction de rotation. On peut essayer d'expliquer ce phénomène avec la loi de conservation de l'énergie. Au tout début la pierre celtique a une énergie cinétique de rotation. Cette énergie se transforme dans un énergie de oscillation et à la fin à nouveau dans une énergie de rotation. L'action des forces présentes est très compliquée et amène à briser le principe de conservation du moment angulaire (évidemment seulement pour l'amulette). Est particulièrement importante l'asymétrie de la forme. Une bonne approximation de l'"amulette" est constituée par les stylo avec un axe de rotation imparfait ou des pierre non équilibrée.

La toupie qui se lève, a la forme d'un oignon (fig. 2) et si mise en rotation, se met sur la "tête" ! La responsable est la force de friction. L'énergie perdue à cause des forces de frictions est plus haute si la toupie route sur sa partie plus grosse (rayon moyen du moment de la force de friction avec la même pression). Donc la toupie essaie à minimiser la surface de friction, même en montant le centre de masse. Évidemment la vitesse de rotation doit être assez haute, car le travail des forces de friction en est proportionnel.

Dans la domaine de la thermodynamique est remarquable le thermomètre de Galileo, dans lequel se trouvent des petite boules colorées dans un liquide, dont la densité dépend fortement de la température et le "thermomètre de l'amour" avec un liquide de petite température d'ébullition.

L'oiseau représente dans la fig. 3 est un jouet très intéressant, il oscille en bas et en haut comme un perpetuum mobile. Dans la tête recouverte de tissu reste de l'eau, qui l'oiseau prend en immergeant le bec dans la verre d'eau. Par évaporation la tête se refroidi à une température plus petite que celle de l'air. La pression dans la tête tombe au-dessous de la pression queue de l'oiseau. La pression donc doit s'équilibrer. Le liquide monte de la queue jusqu'à la tête de l'oiseau. Le centre de gravité bouge en haut et l'oison s'incline jusqu'à quand il immerge le bec dans l'eau. Comme ça le liquide peut retourner à la queue. Le centre de gravité baisse et le jouet retour dans la position verticale initiale. Grâce à ce jouet on peux expliquer le phénomènes et principes de la thermodynamique comme l'ébullition, l'évaporation et pression, et le aspects de centre de masse et point suspension. Le verre sert pour limiter les oscillations du oiseau. Elles s'arrêtent, si la tête se seche.

Dans la domaine de l'optique on a montré les façon de composition des couleurs : par somme et soustraction, pour laquelle on a utilisé deux séries de filtres et un projecteur pour transparents. Les couleurs fondamentaux pour les deux façons sont différents : rouge, vert, bleu, et fuchsia, cyan, jaune. Dans la soustraction le filtres sont partiellement mis un sur l'autre, dans la somme la lumière après être sortie du filtre est réfléchie à l'aide de miroir dans un seule point.

On a montré aussi des différentes fibres optiques, le moulin de Crooks et la transformation de l'énergie dans une cellule photoélectrique. Est utile aussi l'expérimentation avec les ombres de trois ampoules de couleurs différents (la meilleure façon c'est d'utiliser les ampoules qui se utilisent dans le vitrines des magasins, c-à-d halogène à 12V et couches réfléchissantes sur le réflecteur). On voit ainsi une entière gamme de couleurs complémentaires. Le passage d'un faisceau de lumière dans un aquarium rempli d'eau avec des goûtes de lait montre le principe de absorption sélective et dispersion de la lumière solaire dans l'atmosphère. Autres possibles expérimentations sont l'effet stroboscopique: l'image envoyée par un projecteur peut être montré sur un écran "virtuel", qui est un bâton qui bouge très vite.

Le jouet qui engendrait plus d'enthousiasme parmi les enfants est le mirage (fig. 4) composé par deux miroirs convexes. L'image de l'objet qui se trouve sur le fond d'un des miroirs apparaît dans l'ouverture de l'autre et est assez forte pour tromper une personne qui regarde sous un angle déterminé. Ce jouet peux être utile dans le cours de optique géométrique soit dans l'école primaire, où elle devrait surtout intéresser les enfants, soit dans le Lycée où dans un cours fondamental de physique à l'université, à cause d'une façon assez compliquée de création de l'image.

La boule de plasma (fig. 5) a joui d'une popularité similaire, en rappelant les mages, et fait partie de l'exposition sur l'électromagnétique. La boule de verre contient un gaz à pression réduite (environ 100 Pa) et une électrode sous une tension de environ 10.000 V. La fréquence du courant alterné est environ 30.000 Hz. La boule se trouve sur un support dont l'électrode est alimentée. Après l'allumage l'électrode émet des foudre, qui se diffusent radialement. La couleur de la foudre dépend du type et pression du gaz dans la boule et la zone de la décharge. À l'aide de ce jouet on peux représenter les phénomènes qui accompagne la propagations des ondes électromagnétiques. Si on approche à la boule une petite ampoule, elle s'allumera. On peux aussi montrer les façon de bloquer le champs électromagnétique à l'aide de différents matériaux, p. ex.. feuille d'aluminium, la main, etc.

Parmi les autres jouets de ce groupe on a les aimants qui levitent et les "perpetuum mobile", une pendule rotatove qui route sans arrêt et sans une source evidente d'énergie. Dans la réalité dans le support du mécanisme se trouve un circuit électronique avec un bobine, qui en engendrant un champ magnétique accélère la pendule (et un autre circuit de détection du mouvement de la pendule).

3. Notes d'organisation

La nouveauté de l'exposition de prof. Zanetti se trouve surtout dans son caractère interactif. En théorie le visiteur peuvent toucher n'importe quel jouet. En pratique les objets particulièrement fragiles, comme par exemple l'oiseau qui boit de l'eau (rempli de freon) ou le thermomètre de Galileo sont placés, apparemment par chance, dehors l'extension de la main. La visite se déroule par groupes de 10-12 personne, 10-15 minute pour chaque division.

Est décisif pour le succès des expositions une préparation scientifique précise des guides. C'est surtout important la capacité d'expliquer les phénomènes à différent niveau de préparation physique. Dans l'exposition on regarde le spectre de une ampoule énergetiquement économique à l'aide de lunettes avec un réseau de diffraction attaché. Selon l'âge des visiteur on peux se limiter à dire: "regarder quel beau arc-en-ciel" ou faire un petit exposé sur le principe de diffraction, la construction du réseau, spectre d'émission quantique, distribution de Planck pour une ampoule thermique, etc.

Est importante la possibilité de montrer plusieurs jouets au même temps, dans lesquels le même principe physique, p. ex. l'équilibre statique, est représenté de façon different.

En Europe, et surtout aux États-Unis existe une série de musées specialistiques dédiés à l'enseignement des sciences naturelles. Ces musées montrent soit l'histoire des découvertes scientifiques, soit expérimentations spécialement conçues. Trento compte plus de 100 mille habitants; une exposition fixe n'aurait donc pas assez de publique. L'exposition de prof. Zanetti, recueillie dans quelque carton, est organisée temporairement, chaque fois dans une forme plus ou moins interactive. Par rapport avec des autres initiative de ce genre, l'exposition de Trento se reconnaît soit par la simplicité soit par le caractère de spectacle, plein de mouvement et couleur.

L'organisateur de l'exposition a été la Société Physique Polonaise (Polskie Towarzystwo Fizyczne avec l'aide financière de komitet Badań Naukowych et le sponseur éditeur Wydawnictwo Próczyński i S-ka. La préparation scientifique a été dirigé par prof Krzysztof Ernst de l'université de Varsovie et prof. Henryk Wrembel de WSP de Słupsk.