The Spacetime Metric

Niveau 3 · Tronc commun de licence · Kit pédagogique · Licence, 1re et 2e année

Champs électromagnétiques et potentiels

Un carnet de laboratoire pour l’apprenant et un guide spécifique pour l’enseignant transforment le modèle interactif en enquête reproductible.

Carnet de l’apprenant

Reconstruction du potentiel équivalent de jauge

Quelles grandeurs tracées peuvent changer lors d’une transformation de jauge alors que les observables électriques et magnétiques restent inchangés ?

Mise en place

  • • Utilisez le laboratoire potentiel et jauge. Enregistrez un potentiel scalaire/vectoriel de référence, appliquez une fonction de jauge déclarée, et comparez séparément les potentiels, champs et toute grandeur de boucle.

Prédisez d’abord

  1. 1. Prédire quels composants potentiels changent après avoir ajouté un gradient.
  2. 2. Prédire si le rotation du gradient ajouté change B.
Variables
VariableRôleUnité
Amplitude de la fonction de jaugeindépendantÉchelle de potentiel du modèle
Potentiels scalaires et vectorielsDépendant de la représentationV et unités de potentiel de champ
Champs électriques et magnétiquesdépendante de l’invariant de jaugeV/m et T
Phase/flux en boucle ferméeDiagnostic invariant de jaugeUnité modèle déclarée

Colonnes d’observation

Amplitude de jaugeChangement potentielRésiduel EB résiduelQuantité de boucleinvariant ?

Analysez

  1. 1. Quelles quantités ont changé sans changer de champs locaux ?
  2. 2. Quelle identité vectorielle explique le résultat magnétique ?
  3. 3. Pourquoi la liberté de jauge n’est-elle pas la permission d’inventer une nouvelle force ?
  4. 4. Quelle combinaison une expérience mesurerait-elle réellement ?

Cadre de conclusion

La transformation de jauge a changé ___ de ___ tandis que les résidus E et B sont restés ___ ; la prédiction physique est inchangée car ___.

Guide de l’enseignant · 50 à 65 minutes

Enseignez l’enquête, pas l’interface

Cible: Les apprenants distinguent la liberté de jauge représentative des champs, boucles et forces mesurées invariants de jauge.

Préparer

  • • Examinez le gradient, le rotation et ∇×∇χ=0.
  • • Déclarez la transformation de jauge du laboratoire.
  • • Préparez une affirmation qui confond la magnitude potentielle avec la force locale.

Gestes de facilitation

  • • Demandez ce que mesure le détecteur.
  • • Comparez les potentiels et les champs dans des colonnes séparées.
  • • Exigez un invariant nommé avant d’accepter une revendication physique.

Accessibilité et participation

  • • Utilisez des résidus numériques en parallèle des graphiques vectoriels.
  • • Décrivez verbalement les opérations de gradient et de rotation.
  • • Assurez-vous que les quantités modifiées et invariantes utilisent des labels, et non uniquement la couleur.

Éléments de preuve d’apprentissage

  • • Comparaison potentiel contre champ
  • • Une explication correcte de l’identité vectorielle
  • • Un invariant mesurable opérationnellement

Vérifications des idées fausses

Changer A crée mathématiquement un nouveau champ magnétique.

Un gradient de jauge pur modifie la représentation tandis que son rotation disparaît.

Les potentiels sont donc dénués de sens.

Ce sont des objets de calcul centraux, et des combinaisons de chemins ou de flux invariants par jauge peuvent être observables.

Prolongement

Construisons deux jauges pour le même champ magnétique uniforme et vérifions une intégrale en boucle fermée autour du même contour.