Comment mesurer la constante de Planck avec Lego

La constante de Planck est l'un des nombres les plus importants en science. Il décrit la relation entre l'énergie et la fréquence d'une onde électromagnétique dans une équation connue sous le nom de relation de Planck-Einstein : E = hv (où ET est l'énergie, v est la fréquence et h est la constante de Planck).

Cette constante est appelée à devenir encore plus importante car les physiciens sont sur le point de modifier la définition de la masse pour qu'elle dépende de la constante de Planck plutôt que de la masse d'un morceau de métal dans une chambre forte à Paris.

Il n'est donc pas surprenant que les physiciens aient besoin de différentes façons de mesurer la masse en fonction de la constante de Planck ou, au contraire, de trouver une valeur de la constante de Planck en fonction d'une masse connue. Aujourd'hui, Leon Chao de l'Institut national des normes et de la technologie de Gaithersburg, dans le Maryland, et quelques amis, expliquent comment procéder à l'aide d'une expérience construite à partir de Lego.

Au fil des ans, les physiciens de l'Institut national des normes et de la technologie ont évalué différentes manières d'effectuer cette mesure et ont opté pour une expérience utilisant une machine connue sous le nom de balance du watt.

Ce dispositif est simple dans son principe. L'idée est d'équilibrer la force sur une masse due à la gravité avec la force générée par une bobine porteuse de courant dans un champ magnétique. La masse peut ensuite être calculée de manière simple en comparant la puissance mécanique à la puissance électrique impliquée dans l'expérience (les machines tirent leur nom du fait que les puissances électrique et mécanique sont toutes deux mesurées en watts).

L'expérience implique des mesures uniquement de la tension et du courant à travers la bobine ainsi que de la vitesse de la masse lorsqu'elle se déplace à travers la bobine. Cela nécessite également une valeur précise pour g , l'accélération due à la gravité, qui peut être facilement lue sur un site Web géré par la National Oceanic and Atmospheric Administration en entrant n'importe où sur la planète.

La constante de Planck intervient en raison d'une idiosyncrasie historique dans la façon dont les unités de puissance ont été définies. Depuis 1990, presque toutes les mesures électriques ont été calibrées à l'aide d'un système d'unités dans lequel la constante de Planck, ainsi que diverses autres constantes, sont définies plutôt que mesurées.

En revanche, la puissance mécanique repose sur des unités SI ordinaires, qui reposent sur une valeur mesurée de la constante de Planck. En comparant la puissance électrique en unités conventionnelles à la puissance mécanique en unités SI, h peut être déterminé, disons Chao et co.

Tout ce qui est nécessaire est une balance de watt fonctionnelle et Chao et co décrivent comment en construire une à l'aide de Lego, fournissant même une liste complète de pièces, dont la plupart peuvent être commandées auprès de Site Web Pick-a-Brick de Lego . Ils proposent également des sites Web pour l'achat d'autres composants plus spécialisés.

Le coût total de ces pièces est de 634 $, mais des économies sont possibles. Le composant le plus cher est de loin un dispositif d'acquisition de données de 300 $ suivi d'une sortie analogique de 90 $. Chao et co disent que ceux-ci peuvent tous deux être remplacés par un seul appareil ne coûtant que 189 $, économisant ainsi 200 $.

Cela met le coût à la portée de nombreuses écoles et même de particuliers. Nous espérons encourager de nombreux passionnés à construire une balance du watt LEGO et à s'amuser avec la science de la mesure, la métrologie, explique l'équipe.

Avec la saison des fêtes qui approche à grands pas, de nombreux lecteurs peuvent se retrouver à la recherche de cadeaux pour leurs proches. Un kit de balance du watt pourrait être le cadeau parfait pour le physicien qui a tout.

Réf : http://arxiv.org/abs/1412.1699 : Une balance de watt LEGO : un appareil pour démontrer la définition de la masse basée sur le nouveau SI

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