Idées de leçons de physique interactives avec simulations

Ces idées de leçons de physique interactives sont dix activités prêtes à l'emploi qui couvrent les grands thèmes, des graphiques de mouvement à l'effet photoélectrique. Chaque idée vous donne la simulation, une question directrice, ce que font les élèves en deux à quatre étapes et le résultat qu'ils doivent obtenir, avec des nombres tirés de la simulation elle-même. La physique se prête bien aux simulations : les élèves peuvent supprimer les frottements, ralentir le temps, lire des forces qu'ils ne voient pas et répéter un « TP » vingt fois en une séance. Vous gardez ainsi le temps de classe pour la partie difficile, qui consiste à expliquer ce qui s'est passé. Toutes les simulations sont gratuites sur Simulic, et les élèves les ouvrent à partir d'un lien ou d'un QR code, sans compte.

Pour les routines générales (démonstrations au vidéoprojecteur, liens en autonomie, devoirs), commencez par comment utiliser des simulations interactives en classe. Ce guide va plus loin sur le contenu de physique.

Mécanique : mouvement, forces et quantité de mouvement

1. Quand la voiture rapide rattrape-t-elle la lente ?

De la 6e à la 4e · Deux voitures en mouvement – graphique distance-temps

Question directrice : La voiture A roule à 8 m/s. La voiture B roule à 4 m/s mais démarre 20 m devant. Quand et où A rattrape-t-elle B ?

1. Les élèves esquissent les deux droites sur papier et marquent l'endroit où ils pensent qu'elles se croisent.
2. Appuyez sur Démarrer avec les valeurs par défaut et activez « Afficher le triangle de pente Δs/Δt » pour lire chaque vitesse sur le graphique.
3. Réglez « Vitesse de la voiture B » sur 0 et relancez.

Résultat attendu : les droites se croisent à t = 5 s, à 40 m du départ de A (t = 20/(8 − 4)). Quand B est à l'arrêt, sa droite est horizontale et A la rejoint à 2,5 s. Demandez ensuite : quelle vitesse de B fait que les droites ne se croisent jamais ? (Toute vitesse supérieure ou égale à 8 m/s.)

2. Doubler la masse divise-t-il l'accélération par deux ?

De la 3e à la 2de · Deuxième loi de Newton – tirer un bloc

Question directrice : Si l'on double la masse du bloc mais qu'on tire avec la même force, que devient l'accélération ?

1. Lancez les valeurs par défaut : F = 10 N, m = 2 kg, μ = 0,2, surface horizontale. Relevez a sur l'affichage.
2. Prédisez, puis réglez la masse à 4 kg et appuyez sur Réinitialiser.
3. Recommencez les deux essais avec μ = 0.

Résultat attendu : avec frottement, a passe de 3,04 m/s² à 0,54 m/s², bien moins que la moitié, parce que le frottement (μN) double aussi et absorbe l'essentiel des 10 N. Sans frottement, a passe de 5,0 à 2,5 m/s², exactement la moitié. Prolongement : réglez l'inclinaison à 30° et trouvez la plus petite force entière qui fait monter le bloc sur la pente. À 13 N, il reste immobile (frottement statique) ; à 14 N, il se déplace avec a = 0,40 m/s².

3. Où passe la quantité de mouvement dans un choc ?

De la 3e à la 1re · Chocs sur un banc à coussin d'air

Question directrice : Deux chariots se heurtent. Quelque chose est-il identique avant et après ?

1. Gardez les valeurs par défaut : m₁ = 1 kg à 3 m/s, m₂ = 2 kg à −1 m/s, choc élastique. Lancez et recopiez les lignes Avant et Après du tableau.
2. Appuyez sur « Changer le type de choc » pour le cas où les chariots restent collés (choc mou) et relancez.
3. Comparez la quantité de mouvement totale et l'énergie cinétique dans les deux cas.

Résultat attendu : la quantité de mouvement totale vaut 1 kg·m/s à chaque fois. Dans le choc élastique, les chariots repartent à environ −2,33 m/s et 1,67 m/s et l'énergie cinétique reste à 5,5 J. Quand ils restent collés, ils avancent ensemble à 0,33 m/s et il ne reste qu'environ 0,17 J d'énergie cinétique : 5,33 J se sont transformés en chaleur et en déformation.

Énergie et thermique

4. Un skateur plus lourd va-t-il plus vite en bas ?

De la 5e à la 2de · Skatepark – conservation de l'énergie mécanique

Question directrice : Deux skateurs se lancent de la même hauteur. L'un a une masse de 25 kg, l'autre de 100 kg. Lequel est le plus rapide en bas ?

1. Sur l'écran Intro avec la Rampe, lâchez le skateur du bord à 8 m et lisez la vitesse en bas.
2. Changez la « Masse du skateur » et recommencez.
3. Passez à l'écran Frottement, augmentez μ et observez la barre d'énergie thermique.

Résultat attendu : les deux atteignent environ 12,5 m/s, parce que v = √(2gh) ne dépend pas de la masse. Le skateur plus lourd a quatre fois plus d'énergie, pas plus de vitesse. Pour la 1re et la terminale, utilisez la piste avec looping : la théorie dit que le point de départ doit être au moins 2,5 fois le rayon du looping (2,2 m) au-dessus du bas, soit environ 5,5 m, sinon le skateur quitte la piste.

5. Pourquoi l'eau se réchauffe-t-elle à peine ?

De la 4e à la 2de · Équilibre thermique – plonger un objet chaud dans l'eau

Question directrice : Un bloc d'aluminium de 0,5 kg à 100 °C est plongé dans 1 kg d'eau à 20 °C. Quelle est la température finale ?

1. Les élèves écrivent une prédiction. Beaucoup répondent environ 60 °C, « la moyenne ».
2. Lancez les valeurs par défaut et lisez la température d'équilibre.
3. Remplacez le matériau par du cuivre, puis par de l'eau, avec les mêmes masses.

Résultat attendu : seulement environ 27,6 °C. L'eau demande 4 200 J pour chauffer 1 kg de 1 °C, l'aluminium seulement 880 J, donc l'eau « gagne ». Le cuivre donne 23,5 °C. De l'eau chaude à 100 °C donne 46,7 °C. Poursuivez avec la simulation de la capacité thermique massique : avec 500 W pendant 60 s, 1 kg d'eau gagne environ 7 °C alors que 1 kg d'aluminium gagne environ 34 °C.

Ondes et lumière

6. Quelles fréquences produisent une onde stationnaire ?

De la 2de à la terminale · Ondes stationnaires sur une corde

Question directrice : Pourquoi la corde ne se « verrouille »-t-elle sur une figure qu'à certaines fréquences ?

1. Partez des valeurs par défaut (corde de 1,2 m, célérité de l'onde 24 m/s, 20 Hz) et comptez les nœuds et les ventres.
2. Poussez la fréquence à 22 Hz et observez la figure se déplacer. Appuyez sur « Caler f sur l'harmonique proche ».
3. Les élèves prédisent la plus basse fréquence d'onde stationnaire, puis la testent. Cochez enfin « Extrémité droite libre ».

Résultat attendu : 20 Hz donne λ = 1,2 m, deux ventres et trois nœuds. Le fondamental vaut v/2L = 10 Hz, et les harmoniques sont 10, 20, 30, 40 Hz… Avec une extrémité libre, seules les figures en quart d'onde de rang impair conviennent : 5, 15, 25 Hz.

7. Trouver l'indice de réfraction d'un matériau mystère

De la 3e à la 1re · Rayons lumineux – réfraction et réflexion totale

Question directrice : Comment identifier un matériau transparent que vous n'avez jamais vu ?

1. Sur l'écran Intro, envoyez le laser de l'air vers l'eau sous 45° et lisez l'angle de réfraction avec le rapporteur.
2. Choisissez Mystère A comme milieu du bas. Mesurez i et r pour trois angles et calculez n = sin i / sin r.
3. Appuyez sur « Vérifier le mystère ». Placez ensuite le verre en haut et l'air en bas, et trouvez l'angle où le rayon réfracté disparaît.

Résultat attendu : de l'air vers l'eau à 45°, r ≈ 32°. Mystère A a n = 1,20 (r ≈ 36° à 45°), Mystère B a n = 1,60. Du verre vers l'air, l'angle critique est d'environ 41,8° ; de l'eau vers l'air, d'environ 48,8°. C'est un bon endroit pour une question numérique avec une marge d'erreur de ± 0,05.

Électricité

8. En série ou en dérivation : quelles ampoules brillent le plus ?

De la 4e à la 2de · Kit de construction de circuits en courant continu

Question directrice : Deux ampoules identiques, une pile. Brillent-elles davantage en série ou en dérivation ?

1. Ouvrez le circuit de départ « Deux ampoules en série », puis « Deux ampoules en dérivation ». Les élèves classent d'abord la luminosité.
2. Utilisez le voltmètre pour mesurer la tension aux bornes de chaque ampoule dans les deux circuits.
3. Sur l'écran Laboratoire, montez une pile de 9 V avec des résistances de 10 Ω et 20 Ω en série et mesurez.

Résultat attendu : les ampoules en dérivation brillent davantage, parce que chacune reçoit toute la tension de la pile. Dans le circuit de résistances, l'ampèremètre indique 0,30 A et le voltmètre 3 V et 6 V, qui s'additionnent exactement en 9 V. Pour une leçon complète sur U = RI, consultez le plan de leçon sur la loi d'Ohm.

Physique moderne

9. Pourquoi une lumière rouge vive ne peut-elle pas libérer un électron ?

De la 1re à la terminale · Effet photoélectrique

Question directrice : Une lumière plus intense éjecte-t-elle toujours des électrons d'un métal ?

1. Choisissez le sodium (A = 2,28 eV). Réglez la longueur d'onde à 700 nm et l'intensité à 100 %.
2. Diminuez la longueur d'onde par pas de 10 nm jusqu'à ce que des électrons apparaissent.
3. À 400 nm, ne changez que l'intensité, puis essayez le zinc.

Résultat attendu : à 700 nm, rien ne se passe, quelle que soit l'intensité, parce que chaque photon ne transporte que 1,77 eV. Les électrons apparaissent pour la première fois à 540 nm (seuil λ₀ ≈ 544 nm). À 400 nm, les photons transportent 3,10 eV et Ec(max) = 0,82 eV. Plus de lumière donne plus d'électrons, pas des électrons plus rapides. Le zinc exige une lumière de longueur d'onde inférieure à environ 289 nm.

10. Peut-on prédire quel noyau se désintégrera ensuite ?

De la 3e à la terminale · Désintégration radioactive et demi-vie

Question directrice : Si la désintégration est aléatoire, comment une demi-vie peut-elle être exacte ?

1. Lancez N₀ = 200 avec une demi-vie de 4 s et lisez N à 4, 8 et 12 s.
2. Recommencez avec N₀ = 50, puis avec 400.

Résultat attendu : la théorie donne 100, 50 et 25 noyaux restants. Les élèves constatent que personne ne peut dire quel noyau se désintégrera ensuite, et pourtant l'échantillon est divisé par deux toutes les 4 s. Avec 50 noyaux, le nombre s'écarte nettement de la courbe ; avec 400, il la suit de près.

Quelle conception erronée chaque idée vise-t-elle ?

Choisissez les idées selon la fausse idée que vous entendez le plus dans votre classe, pas seulement selon le thème. Ce tableau suggère aussi une question à associer au lien.

Idée	Fausse idée courante	Question à associer
1. Deux voitures	« Les droites se croisent là où les voitures ont la même vitesse. »	Nombre : instant de la rencontre (5 s ± 0,1)
2. Deuxième loi de Newton	« Une masse deux fois plus grande signifie toujours une accélération deux fois plus petite. »	Nombre : a avec m = 4 kg (0,54 m/s² ± 0,02)
3. Chocs	« L'énergie et la quantité de mouvement, c'est la même chose. »	Choix multiple : quelle grandeur se conserve quand les chariots restent collés ?
4. Skatepark	« Les objets plus lourds descendent plus vite. »	Prédiction : qui est le plus rapide en bas ?
5. Équilibre thermique	« La température finale est la moyenne. »	Nombre : 27,6 °C ± 0,5
6. Ondes stationnaires	« N'importe quelle fréquence donne une onde stationnaire. »	Nombre : plus basse fréquence (10 Hz ± 0,5)
7. Réfraction	« La lumière se rapproche toujours de la normale. »	Nombre : angle critique (41,8° ± 0,5)
8. Circuits	« Les ampoules en dérivation se partagent la tension. »	Réponse courte : pourquoi les ampoules en dérivation brillent-elles davantage ?
9. Effet photoélectrique	« Une lumière plus intense donne des électrons plus rapides. »	Prédiction : que se passe-t-il à 700 nm et 100 % d'intensité ?
10. Désintégration radioactive	« Après deux demi-vies, il ne reste plus rien. »	Nombre : nombre théorique restant après 12 s (25 ± 1)

Les questions de prédiction verrouillent la simulation tant que l'élève ne s'est pas engagé, ce qui convient aux idées 4 et 9, où la première intuition compte le plus.

Comment les mener en classe

Chaque idée correspond à l'un de trois formats.

• Prédiction en classe entière. Les idées 2, 4 et 5 produisent de fortes prédictions erronées. Faites voter, puis lancez la simulation au vidéoprojecteur en mode présentation (ajoutez ?present=1 à votre lien). Le guide Prédire–Observer–Expliquer donne la routine complète, et enseigner avec un vidéoprojecteur présente le mode présentation et le QR code qui fait passer les élèves sur leurs propres appareils.
• Travail en binôme avec un objectif. Les idées 1, 6, 7 et 9 ont un nombre à trouver. Créez un lien par classe sur la page Partager et fixez les valeurs de départ, pour que chaque binôme parte du même réglage.
• Vérification rapide. Associez une série de questions au lien. Une question numérique contrôlée avec une marge d'erreur convient bien ici : « Quel est l'angle critique du verre vers l'air ? » (41,8°, ± 0,5°). Consultez utiliser les simulations pour l'évaluation formative pour exploiter les réponses.

Limitez chaque activité à 15–25 minutes et terminez par une phrase écrite en « pourquoi ». Si une idée demande un réglage que la bibliothèque ne propose pas, vous pouvez appuyer sur Personnaliser avec l'IA sur la page de la simulation et modifier votre propre copie avec l'IA. Vérifiez les valeurs avant la classe, car la production de l'IA peut contenir des erreurs.

Questions fréquentes

Quelle idée convient le mieux pour une première leçon avec une simulation ?

Le skatepark (idée 4) ou les deux voitures (idée 1). Toutes deux demandent presque aucune consigne, et la prédiction divise la plupart des classes.

Puis-je utiliser ces simulations de physique sans un appareil par élève ?

Oui. Lancez-les au vidéoprojecteur en mode présentation et recueillez les prédictions à main levée ou sur des ardoises. Des binômes qui partagent un téléphone fonctionnent aussi pour chaque idée présentée ici.

Combien de temps dure chaque idée ?

La plupart demandent 15 à 20 minutes, prédiction et courte discussion comprises. Les idées 7 et 8 peuvent remplir une séance entière si les élèves dressent un tableau de mesures.

Comment éviter que les élèves recopient simplement les valeurs attendues ?

Fixez des valeurs de départ différentes sur chaque lien de classe, par exemple une autre longueur de corde dans l'idée 6 ou une autre vitesse de voiture dans l'idée 1. La méthode reste la même, mais la réponse change.

Les nombres des simulations sont-ils réalistes ?

Ils viennent des équations classiques, avec g = 9,8 m/s² et des constantes de manuel. Ce sont des modèles, donc ils omettent certaines choses, comme la résistance de l'air dans l'idée 4 ou la chaleur perdue vers le calorimètre dans l'idée 5. Demandez aux élèves ce que chaque modèle ignore.