PHYSIQUELes moyens de l'expérimentation

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L'observation des phénomènes physiques et de leur modification sous l'action de facteurs appropriés est rendue quantitative grâce à la définition d'une grandeur caractéristique du phénomène étudié et au choix pour celle-ci d'une valeur de référence : l'unité (cf. système d'unités). La comparaison entre cette grandeur et l'unité donne un nombre, ou « mesure », qui permet l'établissement ou la vérification de relations mathématiques entre le phénomène et ses causes. Cette comparaison est effectuée par un dispositif particulier au phénomène et que l'on appelle un instrument de mesure. Ainsi, la mesure de la longueur d'un objet s'effectue par comparaison visuelle avec l'unité de longueur tracée sur une règle. Le dispositif expérimental est ici particulièrement simple, puisqu'il ne fait appel qu'à l'objet et à un instrument ne nécessitant pas de réglages, la règle.

Cette mesure ne correspond pas cependant au problème posé au physicien, mais plutôt à un problème commercial courant, car il n'y a aucune loi physique à découvrir dans cette mesure. Le physicien se demande comment varie la longueur de l'objet en fonction de facteurs physiques, tels que la température ou la pression. Il faut donc que l'objet à l'étude soit enfermé dans une cellule de mesure destinée à le placer dans des conditions définies et à permettre une variation séparée des différents facteurs physiques. Cette cellule comprend des dispositifs mesurant chacun des paramètres variables ou contrôlables.

D'autre part, les résultats obtenus ne sont reproductibles et significatifs que si l'objet mesuré est lui-même parfaitement bien défini et reproductible. On arrive ainsi à la notion d'échantillon, élément de matière soumis à l'expérimentation et préparé dans les conditions les plus rigoureuses.

Enfin, si le physicien cherche à augmenter la finesse de ses résultats ou à observer des variations de plus en plus petites, la comparaison visuelle, pour reprendre l'exemple précédent, des traits de la règle avec les dimensions de l'échantillon devient insuffisante. On peut améliorer les résultats de la mesure grâce à une visée optique ou à un enregistrement qui pourra être observé dans des conditions plus favorables, ou enfin en éliminant totalement le facteur humain par l'emploi d'un ordinateur. Le dispositif de perception ou d'enregistrement du résultat donné par l'instrument de mesure devient un élément essentiel de la précision. L'accroissement de ses possibilités réagit à son tour sur l'appareil de mesure qui, pour améliorer ses performances, peut être modifié de fond en comble. Ainsi, la comparaison avec une règle peut devenir la comparaison avec une longueur d'onde par voie interférométrique.

La physique expérimentale a tout d'abord été fondée sur les seuls sens humains. Par l'ouïe, la vue et le toucher, l'homme a observé la nature, noté des phénomènes, constaté des corrélations entre eux, et il en a déduit des relations qualitatives de cause à effet. Sous l'influence de facteurs économiques, il a abordé l'aspect quantitatif qui exige à la fois la définition d'une unité et celle d'un instrument de mesure : chaîne d'arpenteur, balance, par exemple. Il a ensuite cherché à améliorer ses propres perceptions et, lorsque Galilée a mis au point sa lunette, une partie inconnue du ciel s'est ouverte devant lui.

Mais la physique expérimentale n'est réellement née que lorsque l'observateur s'est décidé à devenir acteur en choisissant l'un des multiples facteurs naturels et en agissant de l'extérieur pour le modifier et observer son influence sur les autres.

Enfin, les perceptions sensorielles de l'expérimentateur, uniques sources d'information, ont été progressivement remplacées par l'ordinateur, qui contrôle automatiquement l'expérience et traduit les résultats des mesures par une formule mathématique, un texte ou un affichage graphique.

La cellule de mesure

La diversité des dispositifs employés dans une cellule de mesure est aussi vaste que la physique elle-même. On pourrait distinguer :

– les enceintes qui permettent de contrôler l'environnement de l'échantillon vis-à-vis des facteurs mécaniques usuels tels que la pression, la température et la présence de produits chimiques ;

– les sources électriques et magnétiques avec leurs accessoires donnant des courants électriques ou un champ électrique ou magnétique ;

– les sources d'irradiation électromagnétique (radio, optique, rayons X) ou d'irradiation corpusculaire (canon à électrons, accélérateur de particules).

Les dispositifs utilisés réagissent parfois très fortement sur les caractéristiques de l'instrument de mesure et réciproquement.

Tout d'abord, les conceptions mêmes des deux dispositifs sont liées. Dans certains cas (phénomènes linéaires), la cellule peut imposer des conditions globales à travers lesquelles l'instrument de mesure effectue un choix grâce à des propriétés de sélectivité, ou, au contraire, la sélectivité peut être exercée au niveau même de la cellule. Par exemple, pour l'étude de l'absorption optique d'un échantillon lumineux en fonction de la longueur d'onde, il est possible de choisir entre deux solutions : ou bien la source est blanche et irradie l'échantillon avec toutes les longueurs d'onde à la fois et l'instrument qui suit comporte un spectroscope très sélectif qui disperse la lumière et permet d'étudier indépendamment chaque longueur d'onde transmise ; ou bien la source est suivie d'un monochromateur qui fournit à la cellule de mesure une longueur d'onde unique variable à la commande, réservant à l'instrument de mesure situé après l'échantillon la comparaison entre l'intensité transmise et l'intensité incidente : cet instrument doit alors être aussi peu sélectif que possible. Cette deuxième formule, qui sépare les fonctions entre cellule de mesure et instrument, est préférable parce que plus souple et susceptible de plus de précision, quoiqu'elle soit plus compliquée et plus coûteuse.

D'autre part, les performances de la cellule sont définies par la précision des instruments utilisés. La stabilité des facteurs imposés et leur définition même doivent être au moins égales à la précision de l'instrument. La résonance magnétique nucléaire dans des produits organiques liquides, par exemple, permet de distinguer à l'intérieur d'une molécule des protons soumis à des champs magnétiques internes différant entre eux de quantités aussi faibles que 10−8 en valeur relative. L'expérience se faisant dans une cellule de mesure, où l'échantillon est soumis à un champ magnétique continu intense, il est évident que celui-ci doit être stable et homogène, dans tout le volume de l'échantillon, à mieux de 10−8. Cette exigence limite l'ensemble de la mesure.

Enfin, dans le cas où l'échantillon est sensible à plusieurs facteurs qu'il est très difficile de maintenir fixes et dont on craint que la dérive au cours de l'expérience ne modifie le résultat [...]

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Écrit par :

  • : professeur à la faculté des sciences de Grenoble, président du groupe d'évaluation et de prospective en instrumentation du ministère de l'Industrie et de la Recherche

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Pour citer l’article

Michel SOUTIF, « PHYSIQUE - Les moyens de l'expérimentation », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 26 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/physique-les-moyens-de-l-experimentation/