Situation problème 1 :
Après votre premier cours de physique, vous avez fait ce schéma sur votre tableau d’étude
Que répondez à votre petit frère qui vous interpelle avec les questions qui suivent :
• Comment votre voiture peut être aussi petite?
• Avec une colline aussi courte, a-t-on besoin de la voiture pour la grimper?

Situation problème 2 :
Pendant votre cours de chimie votre enseignant a fait le schéma précédent au tableau en précisant que c’est structure d’un atome, dans la suite du cours il précise que l’atome est invisible à l’œil nu, votre camarade, du fond de la classe pose cette question « comment nous voyions l’atome et vous nous dites qu’il est invisible ? »
Que répondez-vous à votre camarade ?

I. Notion de modèle

Un modèle est une représentation pratique ou abstraite d’une situation ou d’un phénomène.

Exemple : Une voiture sur une colline plan inclinée qui est représentée comme un point matériel.

La modélisation est un élément fondamental de la démarche scientifique en particulier en Physique et en Chimie, car les modèles permettent de représenter sous forme simplifié un système ou un phénomène afin de le décrire, de l'expliquer ou d'en prédire certains de ces aspects.

Un modèle scientifique est une représentation simplifiée, et souvent idéale, de la réalité d'un phénomène permettant d'élaborer une théorie plus ou moins précise en phase avec les observations et de prévoir ce qu'il se passerait dans certaines conditions.

II. Les étapes d’une démarche scientifique

La démarche scientifique désigne l'ensemble des canons guidant ou devant guider le processus de production des connaissances scientifiques, qu'il s'agisse d'observations, d'expériences, de raisonnements, ou de calculs théoriques. Elle est subdivisée en 6 étapes :

II.1 L’observation ;

Observer, c’est recueillir des informations sur un phénomène. C’est examiner attentivement quelque chose, un phénomène, afin d'analyser, de comprendre, son fonctionnement.

II.2. l’hypothèse

Proposition visant à fournir une explication vraisemblable aux observations faites précédemment et qui doit être soumise au contrôle de l'expérience.
C’est une supposition, une explication donnée à l’observation d’une situation ou d’un phénomène naturel, admise provisoirement avant d’être vérifiée par une expérience.

Exemple : Vue de la terre, on a admis pendant longtemps la thèse géocentrique du système solaire : « le soleil comme toutes les autres planètes tourne autour de la terre. » les expériences en ont démontré le contraire

II.3 L’expérience

Action de mettre à l'essai les hypothèses émises précédemment.

II.4. Le résultat

C’est une analyse comparative entre les résultats de l'expérience et ceux de l'expérience témoin permet de conclure sur la validité des hypothèses.

II.5 Interprétation ;

C’est l’action d'expliquer, de révéler la signification d'une chose obscure ; son résultat.

II.6 La conclusion.

III. Exemples de modèles utilisés en physique et chimie

III.1 Opération de modélisation de la loi d’Ohm pour un résistor

La modélisation présente deux fonctions principales :
• Expliquer ;
• prévoir.
Toute modélisation repose sur des hypothèses que l’on cherchera à valider. Nous proposons une illustration de l'opération de modélisation et de sa validation scientifique à partir de l'expérience suivante :
Branchons en série un ampèremètre, un résistor et un rhéostat, le voltmètre étant branché en dérivation comme indique le schéma. En agissant sur le rhéostat, on obtient les résultats suivants aux bornes du résistor:

Notre étude vise à accéder à la valeur de la résistance du résistor à partir d’un modèle théorique.

III.1.1 Formulation des hypothèses simplificatrices pour modéliser une situation

Le modèle ici est le schéma précèdent conçu à partir des hypothèses suivantes :
• Les fils conducteurs sont représentés par des traits ;
• L’ampèremètre par un cercle dans lequel on a inscrit « A » ;
• Le voltmètre, un cercle dans lequel on a inscrit « V » ;
• Le rhéostat, un rectangle barré par une flèche dans lequel on a inscrit « Rh » ;
• Le générateur, deux traits perpendiculaires aux fils, l’un plus long que l’autre.

III.1.2 Tester la validité des hypothèses émises par la mesure

Hypothèses émises par la mesure (tableau) : «Le tension aux bornes d’un résistor serait une fonction de l’intensité du courant qui le traverse»
\(U = f(I)\)

Complétons le tableau précèdent :

III.1.3 Établons une loi mathématique simple entre des grandeurs mesurées

Nous observons, à partir des résultats du tableau que le rapport \(\frac{U}{I}\) reste constant et égale à 10. Soit \(\frac{U}{I} = 10\).
L’interprétation : la tension aux bornes d'une résistance est proportionnelle à l'intensité du courant qui la traverse.
Résultat : Ce coefficient de proportionnalité est la valeur de la résistance (\(R\)) du résistor.
La valeur de la résistance \(R\) est une constante et ne varie donc pas lorsque l'on modifie la tension ou l'intensité.
Conclusion : La tension aux bornes d'une résistance est proportionnelle à l'intensité du courant qui la traverse. \[U = RI\]

III.1 Opération de modélisation de la loi des gaz parfaits

Lorsque la pression est suffisamment faible (donc loin des conditions de liquéfaction), l'état des gaz peut être mathématiquement modélisé par une loi physique appelée "équation d'état des gaz parfaits", qui s'écrit :
\(PV = nRT\),
• P : modélise la pression du gaz
• V : modélise le volume du gaz
• n : modélise le nombre de mole de gaz (quantité de molécules)
• R : modélise la constante des gaz parfaits, R = 8,314 J/K.mol
• T : modélise la température absolue du gaz.

"Le gaz parfait" est un "modèle" idéalisé d'un gaz constitué de particules (molécules éventuellement monoatomiques) assimilées à des points matériels en mouvement, suffisamment éloignées les unes des autres pour considérer qu'il n'y a aucune interaction d'ordre électrostatique entre elles et n'ayant donc entre elles que des chocs parfaitement élastiques.
Dans les conditions habituelles de température et de pression, beaucoup de gaz vérifient le modèle du gaz parfait ; c'est le cas des gaz constituants de l'air, le diazote (\({N_2}\)) et le dioxygène (\({O_2}\)).
Dans d'autres conditions, ce modèle n'est pas valable, on parle alors de gaz réels.