Carnet de méthodologie
Travaux pratiques
Méthode expérimentale |
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Expérimentation
Les T.P. ont pour but d’affiner l’observation des phénomènes afin de retrouver les énoncés de principes généraux ou restreints. Ici, seul compte le verdict des faits c’est-à-dire celui de l’expérience ou, plus exactement, de l’expérimentation. Cette dernière va bien au-delà de la simple expérience car elle vise à mettre en évidence l’influence d’un paramètre donné sur une mesure à l’aide d’un protocole expérimental logiquement ordonné. C’est la méthode expérimentale. Elle admet deux modes d’application : la méthode déductive et la méthode inductive. Dans les deux cas, la relation de connaissance énoncée dépasse très largement les possibilités de l’expérimentation et n’est donc impliquée par aucune nécessité logique.
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Mesure et précision |
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Mesurande et mesurage
D'après le Vocabulaire international de la métrologie 2008 (VIM) élaboré par le BIPM et le Guide to the expression of uncertainly in measurement (GUM), le mesurande est la grandeur mesurée et le mesurage (ou mesure) est l’ensemble des opérations permettant de déterminer expérimentalement une ou plusieurs valeurs que l’on peut raisonnablement attribuer à une grandeur. Par ce processus, on compare la valeur d’une grandeur physique à l’unité qui lui est homogène. Certaines grandeurs ne sont pas mesurables directement. C’est le cas des dénombrements comme par exemple l’avancement de réaction, la quantité de matière ou la population de noyaux radioactifs. On n'accède à leur mesure qu'indirectement. |
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Chiffres significatifs
Les valeurs numériques des grandeurs continues appartiennent à l’ensemble des nombres réels. Or, en mathématique, le nombre de chiffres constituant un nombre réel peut tendre vers l’infini, mais en sciences physiques, tous ces chiffres ne correspondent pas à une connaissance objective ; tous les chiffres ne correspondent pas à une réalité mesurée. C’est la raison pour laquelle, la précision d’une mesure se retrouve dans le nombre de chiffres avec lequel il est permis d’écrire la valeur mesurée. Donc, lorsque la grandeur exprimée est le résultat d’une opération mathématique, le nombre de chiffres significatifs que l’on peut lui attribuer dépend du nombre de chiffres significatifs du nombre le moins précis apparaissant dans l’opération. Dit autrement, la qualité de la valeur du résultat de l’opération est polluée par le nombre le plus imprécis. Pour connaître le nombre de chiffres significatifs d’une valeur il faut dénombrer les chiffres à partir du premier non-nul : « 4543 » → 4 C.S.
Attention, un nombre entier contient autant de chiffres significatifs que l’on souhaite car il a une précision infinie. |
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| Multiples et sous-multiples | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Incertitude
Si la valeur vraie ou théorique Xth n’est pas connue (ce qui est généralement le cas en TP), il n’est pas possible de connaître l’erreur commise, mais il est possible d’encadrer Xth en donnant l’intervalle à l’intérieur duquel elle se trouve avec certitude. Cet intervalle est centré sur la valeur mesurée Xexp et vaut [Xexp - ΔX ; Xexp + ΔX] où ΔX est appelé « incertitude ». L’incertitude est généralement donnée par le constructeur de l’instrument de mesure. En l’absence de toute précision, elle est prise égale à la demi-valeur du dernier chiffre de la valeur mesurée. Ainsi, le nombre de chiffres significatifs impose l'intervalle de précision. Par exemple : 0,5 < 1 < 1,5 L'incertitude relative sur une grandeur X dont la valeur dépend des variables x, y et z s'écrit : $$ \mathrm{ \left(\frac{ΔX}{X} \right)^2 = \left(\frac{Δx}{x} \right)^2 + \left(\frac{Δy}{y} \right)^2 + \left(\frac{Δz}{z} \right)^2 }$$ L'incertitude, notée U (comme uncertainty) élargie sur la moyenne s'écrit $$ \mathrm{ U( \bar{x}) = k \ u( \bar{x}) }$$ avec k=1 pour un niveau de confiance de 68% k=2 pour un niveau de confiance de 95% k=3 pour un niveau de confiance de 98% où \(\displaystyle \mathrm{ u( \bar{x}) = \frac{σ_{n-1}}{\sqrt{n}} } \) est l'incertitude-type sur la moyenne et où $$ \mathrm{ σ_{n-1}=\sqrt{\frac{\sum_{i=1}^n(x_i-\bar{x})^2}{n-1}} } $$ est l'écart-type d'un ensemble de n valeurs {x1, x1...xn} dont \(\displaystyle \mathrm{ \bar{x} } \) est la valeur moyenne. |
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Notations
Si une grandeur x a pour valeur \(\displaystyle \mathrm{x = a ·10^b}\)
Erreur
La plupart des grandeurs physiques sont considérées comme continues, elles sont donc susceptibles d’être divisibles à l’infini. Or il n’est pas possible d’exprimer une mesure avec une précision infinie. Donc une erreur est toujours commise lorsqu’on procède au mesurage d’un mesurande. Cette erreur est, par principe, inaccessible, c'est l'erreur absolue.
L’erreur « relative », notée εr , est la proportion de l’erreur absolue face à la valeur exacte et s’écrit : $$ \mathrm{ ε_r = \left | \frac{X_{exp}-X_{th}}{X_{th}} \right | }$$ |
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Matériel |
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| Verrerie d'expérimentation et de démonstration | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Bécher |  |
Récipient | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Tube à essai |  |
Tube fin permettant de mettre en évidence l'apparition d'une réaction telle qu'un précipité, une coloration ou un dégagement gazeux. |
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| Eprouvette |  |
Récipient gradué permettant de mesurer sans grande précision un volume de liquide. |
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| Erlenmeyer |  |
Récipient en verre permettant d'agiter un liquide sans provoquer de projections. |
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| Verrerie de précision (col fin) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Pipette |  |
Une pipette est un tube fin en verre, gradué ouvert à ses deux extrémités, permettant de prélever des volumes de liquide avec grande précision. On distingue les piptes graudées et les pipettes jaugées. |
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| Burette |  |
Récipient gradué ouvert à ses deux extrémités, permettant de verser un volume de liquide avec grande précision. |
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| Fiole |  |
Récipient pouvant contenir un volume très précis de liquide, utilisé pour les dilutions et les dissolutions. |
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Pictogrammes |
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L'usage de produits chimiques au laboratoire
est soumis à des précautions d'emploi strictes. Elles sont indiquées de manière
visuelle directement sur les flacons par l'intermédiaire de pictogrammes.
Actuellement, neuf pictogrammes sont en vigueur. Ce sont ceux qui sont indiqués ci-dessus.
Ils remplacent ceux qui sont situés ci-dessous en orange.
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