Atelier

L’objectif de ce moment est de briser la glace, de montrer clairement aux élèves qu’ils vont participer activement et non simplement écouter un cours magistral. La première question consiste donc à leur demander ce qu’ils savent sur la physique quantique. Ils évoqueront probablement les clichés hollywoodiens habituels. C’est parfait, cela servira de base à la discussion ! Ne donnez pas de réponses, faites-les parler autant que possible.

Une fois qu’ils n’ont plus d’idées, il est temps de leur parler du quiz !

Le but du quiz est d’évaluer les connaissances des élèves tout en vous fournissant des points d’entrée pour expliquer certains concepts de physique plus tard. Le quiz est disponible en téléchargement ici, avec des cartes de vote à découper.

Avec les cartes de vote, les élèves répondent plus rapidement et se sentent plus impliqués.

Le quiz se compose de 15 questions à choix multiples, mélangeant des questions d’évaluation, des questions pour susciter des discussions et des questions destinées à faire sourire les élèves. Il est important de suivre l’ordre proposé des questions, conçu pour refléter la progression des connaissances pendant l’atelier.

Nous recommandons de donner aux élèves 6 secondes pour répondre à chaque question afin d’éviter qu’ils ne se déconcentrent. Le temps économisé sera utilisé pour jouer au jeu et discuter de la physique.

Ne donnez pas les réponses aux questions à ce stade ! À la fin de l’atelier, lorsqu’ils voudront les réponses, c’est le moment de dire : « Le meilleur moyen de le savoir est de jouer ! » et de lancer l’activité suivante.

Vous devriez collecter les réponses au quiz en utilisant la feuille de réponses fournie (gardez uniquement les totaux agrégés de la classe) pour évaluer la progression de l’apprentissage pendant l’atelier. Ces réponses peuvent ensuite être soumises ici.

Instructions de mise en place :

• Préparez le plateau à l’avance en dessinant un diagramme au tableau représentant 25 cartes disposées en carré de 5×5 (voir la section Règles).
• Demandez aux élèves de créer le même carré 5×5 en utilisant uniquement les cartes « site », sans toucher aux autres matériaux.
• Laissez-les sélectionner l’électrode de leur couleur préférée et rassembler les 7 cubes correspondants ainsi que le meeple.
  

  Si quelqu’un choisit le jaune, rappelez-leur que les éclairs ne seront utilisés que plus tard.

• Ils doivent choisir deux coins opposés du carré et y placer leurs électrodes, remplaçant les cartes des coins.
• ites-leur de placer les cubes correspondants sur les électrodes et mentionnez que les cubes représentent des électrons.
• Ils peuvent maintenant assembler le plateau Mouvement et le placer à portée des deux joueurs avec les deux meeples colorés à côté.
  

  Si une pièce du plateau ne s’ajuste pas correctement, elle est probablement du mauvais côté.

Explain the context :

|Hop> est un jeu de plateau inspiré par la physique quantique, où chaque joueur incarne un physicien universitaire. Après un accident impliquant une machine expérimentale de pointe ayant court-circuité, tout le monde essaie de prouver que l’erreur était la faute de quelqu’un d’autre. Dites-leur que, s’ils ne veulent pas échouer à votre cours, il est temps de mettre les électrodes au travail !

Vous pouvez pointer les cartes en mentionnant la machine pour établir un lien entre le jeu et des termes comme électrodes et électrons.

Expliquez le mécanisme du plateau :

Dites-leur que l’objectif est d’atteindre l’électrode de l’adversaire en déplaçant leurs électrons (cubes) sur le plateau. |Hop> peut être comparé à une version simplifiée des échecs avec moins de mouvements, mais jouée sur deux plateaux superposés :

• Le plateau supérieur correspond aux zones oranges des cartes, représentant le « spin up ».
• Le plateau inférieur correspond aux zones turquoise, représentant le « spin down ».

Le seul moyen de passer d’un plateau à l’autre est au sein de la même carte ; les zones orange et turquoise de cartes différentes ne sont pas connectées !

Une analogie possible est une grille de maisons avec un premier étage et des bunkers connectés (ou des sous-sols si vous n’êtes pas en Suisse). Pour aller dans un sous-sol, il faut d’abord entrer dans une maison, prendre l’escalier jusqu’au bunker, puis se déplacer sous terre jusqu’à la destination. Vous ne pouvez pas sauter du premier étage à un bunker adjacent, le sol est un obstacle !

Au niveau Licence, un seul plateau est utilisé : le plateau de mouvement, en vert, qui illustre les cinq mouvements possibles.

Assurez-vous que les élèves assemblent correctement le plateau de mouvement du côté « Licence/Master ».

Expliquez les mouvements

Présentez un par un les cinq mouvements possibles, en utilisant les explications disponibles ici. À la fin, insistez sur les erreurs courantes suivantes :

• L’effet tunnel quantique et le pendule de Newton ne peuvent pas créer d’angles ni changer de spins.
• Le saut doublon ne permet pas de déplacer des électrons entre différents plateaux.
• Tous les mouvements peuvent être utilisés pour entrer ou sortir d’une électrode.
• Vos mouvements peuvent affecter et donc déplacer les électrons des autres joueurs.
• Deux électrons ne peuvent jamais partager le même spin.
  

  Bien que ce ne soit pas une erreur, les joueurs oublient souvent qu’ils peuvent (et doivent) effectuer 2 mouvements par tour pour que le jeu fonctionne correctement.

Expliquez l’objectif (encore)

Rappelez aussi souvent que possible l’objectif du jeu : il suffit qu’un seul électron entre dans l’électrode de l’adversaire pour terminer la partie. Comme il n’existe pas de défense parfaite, adopter une stratégie offensive est crucial. Le jeu est conçu pour être rapide, alors encouragez les élèves à jouer, essayer, perdre et gagner ! C’est plus amusant que de trop réfléchir à chaque mouvement !

Quelle est l’erreur physique à ce niveau ?

Les électrons sont représentés par des couleurs et sont donc différentiables. En réalité, les électrons sont indifférenciables. Toutefois, il est plus facile de jouer à un jeu où l’on peut reconnaître ses pièces ! Le fait que vos mouvements puissent impacter les pièces des autres vise à minimiser cette divergence.

En 10 minutes, la plupart des élèves devraient terminer au moins une partie complète, et les joueurs les plus rapides pourront même finir un deuxième tour.

C’est le moment de vérité ! Demandez aux participants : « Avez-vous appris quelque chose ? » Neuf sur dix diront probablement non, qu’ils n’ont rien appris. C’est la preuve que l’activité a fonctionné ! Pourquoi ? Parce qu’ils ont appris — au moins les réponses à quatre questions clés du quiz d’entrée — sans s’en rendre compte.

L’essentiel ici n’est pas d’entrer dans des discussions détaillées sur la physique à ce stade (cela viendra plus tard), mais de mettre l’accent sur la manière dont les réponses ont été subtilement intégrées dans le jeu. Soulignez comment les mécanismes du jeu ont révélé les concepts naturellement.

Les électrons sont-ils tous identiques ?

Oui ! En mécanique quantique, les électrons sont considérés comme des particules élémentaires indifférenciables. Cela signifie que, bien qu’ils puissent occuper des états différents, il est fondamentalement impossible de distinguer un électron d’un autre. Cette propriété a des implications profondes, notamment dans la formation des liaisons chimiques et le comportement des matériaux.

Ce concept est introduit lors de l’explication des règles, en soulignant l’inexactitude physique au niveau LIcence: les pions représentant les électrons ont des couleurs, mais les électrons n’en ont pas.

Les électrons peuvent-ils traverser des murs ?

À l’échelle quantique, des particules comme les électrons présentent des comportements surprenants. L’un d’eux est l’effet tunnel quantique, où une particule a une probabilité non nulle de franchir une barrière énergétique, même si la physique classique le jugerait impossible. Bien que les électrons ne traversent pas littéralement des murs macroscopiques, ils peuvent franchir des barrières à l’échelle atomique, un concept essentiel dans des technologies comme les transistors.

Ce concept est abordé lors de l’explication de l’effet tunnel.

Combien de valeurs de spin un électron peut-il avoir ?

Le spin est une propriété intrinsèque des particules, semblable à la charge ou à la masse. Les électrons peuvent avoir l’un des deux états de spin, communément appelés « spin up » (↑) et « spin down » (↓). Cette propriété est fondamentale pour l’arrangement des structures électroniques dans les atomes et sous-tend des phénomènes comme le magnétisme.

Ce concept est introduit lors de l’explication du plateau de jeu, en particulier des deux « échiquiers » ou ensembles de cases de couleurs différentes.

Les électrons s’attirent-ils entre eux ?

Les électrons portent tous une charge électrique négative, ce qui les fait se repousser en raison des forces électrostatiques. Cependant, dans certains matériaux, des interactions complexes peuvent conduire à des situations où les électrons se regroupent de manière attractive. Par exemple, dans les supraconducteurs, les électrons forment des paires de Cooper, permettant au courant électrique de circuler sans résistance.

Cela est partiellement abordé avec la notion de « Saut Doublon ». Le concept sera approfondi au niveau Master avec l’introduction de la carte Hamiltonienne, qui définit les interactions.

Maintenant que les participants ont réalisé qu’ils ont appris quelque chose, proposez-leur un choix : faire une pause ou passer directement au niveau suivant. Selon notre expérience, les participants choisissent presque toujours de continuer à jouer !

À ce niveau, une nouvelle dimension est ajoutée au jeu : le plateau d’énergie (Hamiltonien). Jusqu’à présent, la position des électrons sur le plateau n’affectait pas la mécanique du jeu, mais désormais, elle entre en jeu.

Expliquer la conservation de l’énergie

Les règles de conservation de l’énergie se trouvent ici. Essentiellement, déplacer des électrons vers une configuration à plus haute énergie coûte de l’énergie, tandis que les déplacer vers une configuration à plus basse énergie en libère. Les joueurs doivent planifier soigneusement leurs mouvements, en tenant compte de l’énergie disponible, pour éviter de se retrouver bloqués… ou de piéger leur adversaire.

Commencez l’explication avec la carte champ magnétique en utilisant souvent l’analogie de la maison :

« Passer de la rue au premier étage nécessite d’ajouter de l’énergie (énergie potentielle), tout comme prendre un ascenseur. À l’inverse, descendre repose sur la gravité. C’est pourquoi, si vous poussez quelqu’un dans les escaliers (ne le faites pas !), il perd de l’énergie potentielle en tombant. Cette énergie se transforme… généralement en douleur et ecchymoses à l’impact. Alors, ne le faites pas ! »

Poursuivez en illustrant les mouvements clés avec un seul électron :

• Déplacer un électron d’une électrode vers un spin up (le joueur perd 1 énergie).
• Déplacer un électron d’un spin up vers un spin up adjacent (aucune perte d’énergie).
• Déplacer un électron d’un spin up vers un spin down (le joueur gagne 2 énergies).

L’interaction est plus simple à expliquer : un joueur gagne 1 énergie pour chaque doublon (paire d’électrons sur le même site) créé et perd 1 énergie s’il casse une paire.

Il est important de montrer un exemple où à la fois l’Hamiltonien et les interactions contribuent à la conservation de l’énergie ! Vous pouvez choisir l’exemple montré dans les vidéos explicatives.

Il est essentiel que les participants comprennent que l’énergie est une ressource finie et que s’ils ne peuvent pas « payer » le coût énergétique ou « gagner » l’énergie nécessaire lors d’un mouvement, l’action devient impossible.

Quelle est l’erreur physique à ce niveau ?

En réalité, l’Hamiltonien que nous introduisons à ce niveau, combiné à l’énergie cinétique (représentée par les mouvements), entraînerait une intrication quantique. Cela signifie que les électrons ne resteraient pas dans un état de spin bien défini.

Pour simplifier le jeu, nous supposons que le système est sous observation continue, ce qui provoque l’effondrement de l’état de spin dans la configuration désirée. Pratique, n’est-ce pas ?

Vous connaissez la routine maintenant…

À ce stade, les élèves commencent à soupçonner qu’ils ont appris quelque chose. Il est temps de leur faire comprendre les réponses à trois questions clés du quiz d’entrée :

L’énergie d’un électron orbitant autour d’un noyau change-t-elle en présence d’un champ magnétique ?

Oui ! L’énergie d’un électron orbitant un atome change en présence d’un champ magnétique. Ce phénomène, connu sous le nom d’effet Zeeman, résulte de l’interaction entre le spin de l’électron et le champ magnétique. Ce principe est utilisé dans des technologies comme l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM).

Champ Magnétique qui attribue des énergies différentes à différents spins.

L’énergie est-elle conservée lorsque les électrons se déplacent ?

Oui, le principe de conservation de l’énergie stipule que l’énergie totale d’un système isolé reste constante. Lorsque des électrons se déplacent en ligne droite dans un système sans interactions externes, l’énergie totale est conservée, bien qu’elle puisse se transformer entre différentes formes, comme l’énergie cinétique et potentielle.

Cette idée est expliquée lors de l’introduction du plateau Hamiltonien et des mécaniques énergétiques.

Quels domaines sont entièrement régis par la physique quantique ?

La physique quantique régit principalement les phénomènes à l’échelle atomique et subatomique. Cependant, elle a des implications importantes dans divers domaines, notamment la chimie, la science des matériaux, l’électronique et même certains domaines de la biologie, comme l’explication fondamentale de la photosynthèse.

Cela est abordé en discutant des niveaux d’énergie et du fait que les électrons ne peuvent pas occuper tous les états d’énergie, contrairement à un chat, par exemple.

Et les autres questions ?

C’est le moment de stimuler la pensée critique. Aussi fascinants soient-ils, les effets quantiques ne sont pas magiques et ne s’appliquent généralement pas à l’échelle macroscopique. Cela signifie que des affirmations comme les produits de beauté quantiques, le clonage quantique (ou téléportation) ou les thérapies psychologiques quantiques sont probablement des arguments marketing.

Si vous êtes intéressé par la démystification des absurdités quantiques, nous recommandons la vidéo de G. Milgram sur les medbeds quantiques.

Même si les participants n’ont pas le temps de jouer au niveau Doctorat pendant l’atelier, vous pouvez mentionner que cette version ajoute des effets amusants, permettant de détruire un électron adverse ou de faire tourner les électrons en cercle. Nous recommandons de présenter la carte Superposition comme exemple .

Cela non seulement les incite à explorer davantage le jeu, mais vous donne également l’excuse parfaite pour discuter du concept le plus important de la mécanique quantique tout en répondant à la dernière question :

Qu’est-ce que la superposition ?

La superposition est un principe fondamental de la mécanique quantique, où un système quantique peut exister dans plusieurs états possibles simultanément jusqu’à ce qu’il soit mesuré. Une analogie classique quotidienne est une pièce qui tourne et que l’on attrape en plein vol : elle n’est ni pile ni face de manière définitive — elle existe dans un état d’incertitude jusqu’à ce que nous l’observions. Ce concept est au cœur des technologies révolutionnaires comme l’informatique quantique, où la superposition permet aux bits quantiques (qubits) de représenter plusieurs valeurs simultanément, augmentant considérablement le potentiel de calcul.

Dans le jeu, ce principe est illustré par la carte effet de superposition.

Le quiz de sortie est similaire au quiz d’entrée mais dans un ordre différent. Cette approche permet de suivre les changements dans les réponses des participants et d’évaluer leur compréhension. Utilisez ce moment pour confirmer les réponses correctes, car toutes les explications ont été fournies tout au long de l’atelier.

Encore une fois, vous devriez collecter les réponses au quiz en utilisant la feuille de réponses fournie (gardez uniquement les totaux agrégés de la classe), que vous pouvez soumettre ici.

À la fin de l’atelier, vous devriez récapituler et recontextualiser toutes les informations abordées ici. Le niveau de détail doit dépendre de l’âge des participants et de leurs connaissances préalables, mais il est essentiel qu’ils repartent avec une compréhension claire de ces points fondamentaux :

1. La mécanique quantique n’est pas magique et ne permet pas des exploits fantastiques. La plupart des idées populaires sont des expériences de pensée (comme le chat de Schrödinger) qui ne s’appliquent pas à l’échelle macroscopique.
2. La mécanique quantique régit l’évolution temporelle des particules à l’échelle atomique et subatomique.
3. Les solides sont généralement composés d’atomes arrangés en structures en grille.
4. Les atomes se composent d’un noyau entouré d’électrons, qui sont responsables de la conduction électrique dans les matériaux.
5. Les particules comme les électrons ont des propriétés très différentes des nôtres. Par exemple, le spin est une propriété unique et intrinsèque des particules quantiques.