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Le développement des microcontrôleurs et de la robotique accessible a introduit un nouvel outil pour les enseignants de sciences : les capteurs externes aussi appelés capteurs modulaires. Ces petits dispositifs, souvent basés sur la technologie MEMS, permettent de mesurer facilement et à faible coût des phénomènes physiques, chimiques ou biologiques. Cet article explore leur utilisation en classe, les options disponibles pour s’en procurer, ainsi que les capteurs les plus adaptés aux cours de sciences. Pourquoi utiliser des capteurs externes en cours de sciences ? La plupart des collèges et lycées sont équipés de matériel expérimental, quelle valeur ajoutée pourrait donc apporter des capteurs externes ? Ces petits outils modernes, simples et abordables, offrent une réelle valeur ajoutée. Leur flexibilité et leur polyvalence permettent de dépasser les limites des équipements classiques, en ouvrant la voie à une approche plus expérimentale et adaptée à de nombreux sujets : Diversité . Quel que soit le sujet étudié, il existe des capteurs adaptés pour mesurer des phénomènes variés : température, pression atmosphérique, humidité, CO2, composés volatils, particules fines, azote ou ozone. Ils s’intègrent facilement aux cours de physique, biologie ou chimie, ainsi qu’à des projets interdisciplinaires comme l’étude des écosystèmes ou des phénomènes climatiques. Ces outils offrent aux enseignants la possibilité de proposer des activités variées et accessibles, sans nécessiter un matériel coûteux ou complexe. Simplicité d’utilisation . Les capteurs externes sont simples à utiliser et se connectent facilement à des microcontrôleurs comme Arduino, micro:bit ou ESP32. De nombreux tutoriels gratuits en ligne permettent une prise en main rapide. Pour éviter la programmation, le boîtier FizziQ Connect offre une solution clé en main : il lit, enregistre et partage les mesures avec des smartphones ou tablettes via l’application gratuite FizziQ, simplifiant leur utilisation en classe. A ccessibilité financière . Contrairement aux équipements scientifiques traditionnels, souvent coûteux et limités à des usages spécifiques, ces capteurs sont disponibles à des prix très raisonnables tout en offrant des performances précises et fiables. Cela permet aux établissements scolaires de multiplier les expériences scientifiques, de les rendre accessibles à un plus grand nombre d’élèves, et de diversifier les thématiques explorées, le tout sans alourdir les budgets. Où trouver et comment choisir les capteurs pour vos projets scientifiques ? Popularisés par le développement des microcontrôleurs et des applications robotiques, les capteurs sont désormais largement disponibles auprès de revendeurs spécialisés dans l’électronique ou le matériel éducatif. Parmi eux, on peut citer Vittascience , A4 Technologies , GoTronic , ou Distrelec , qui offrent une vaste gamme adaptée aux besoins des classes et des projets. Ces revendeurs proposent des capteurs issus de nombreux fabricants. L’une des principales différences entre eux réside dans le type de connectique utilisée. Nous privilégions pour notre part les connecteurs Grove , basés sur le standard HYP 2.0, très répandu parmi les fabricants. Cette connectique robuste et fiable est particulièrement adaptée à un usage scolaire grâce à sa simplicité d’utilisation et sa durabilité. Parmi les fabricants de capteurs faciles à mettre en œuvre, trois acteurs majeurs se distinguent : M5Stack : Propose des capteurs avec un connecteur Grove et un boîtier intégré, offrant une protection supplémentaire pour le circuit électronique. Idéal pour les environnements éducatifs ou les projets nécessitant une manipulation fréquente. Lien : M5Stack Seeed Studio : Offrant une large gamme de capteurs économiques basés sur le standard Grove, ils constituent un excellent choix pour les écoles ou les projets à budget limité. Lien : Seeed Studio DFRobot : La gamme de capteurs Gravity est également basée sur le standard HYP 2.0, mais avec une inversion des pôles + et - par rapport aux capteurs de Seeed Studio. Une simple inversion des fiches permet de les rendre compatibles avec d’autres capteurs. Lien : DFRobot Les standards de communication des capteurs Une caractéristique importante à considérer lors du choix d’un capteur est son type de communication. Il est préférable de choisir un format simple à mettre en oeuvre comme le standard I2C ou la sortie analogique. Voici les principaux standards : I2C (Inter-Integrated Circuit) : Très populaire, ce standard série bidirectionnel utilise deux lignes (SDA pour les données et SCL pour l’horloge) et permet de connecter plusieurs capteurs sur un même connecteur, chacun ayant une adresse unique. Il est fiable et adapté à la plupart des projets éducatifs. 1-Wire : Ce protocole utilise une seule ligne de données pour connecter plusieurs capteurs. Bien que moins courant, il est utilisé par des capteurs spécifiques comme la sonde de température étanche DS18B20 , très répandue et économique. Analogique : Ce type de capteur produit une tension proportionnelle à la grandeur mesurée. Il nécessite un convertisseur analogique-numérique (ADC) pour être lu par un microcontrôleur. Bien qu’il ne permette pas le multiplexage, il reste très courant et simple à utiliser. TTL (Transistor-Transistor Logic) : Utilisé pour transmettre des signaux numériques compatibles avec les niveaux de tension standards des microcontrôleurs (3,3V ou 5V), il est courant dans les capteurs GPS et d’autres dispositifs numériques. Les normes I2C et analogique dominent largement le marché, représentant environ 95 % des capteurs disponibles. Elles combinent simplicité et flexibilité, ce qui en fait des solutions idéales pour l’enseignement et les projets scientifiques. Mise en oeuvre De nombreux tutoriels détaillent la manière de connecter et d'utiliser chaque capteur avec un microcontrôleur. Ces ressources, souvent disponibles directement sur la page du fabricant, incluent des instructions claires et des exemples de code prêts à l’emploi. Par exemple, pour le capteur de température et de pression atmosphérique ENV IV de M5Stack, la page dédiée fournit toutes les informations nécessaires, y compris le programme compatible avec Arduino. Pour ceux qui souhaitent éviter la programmation ou préfèrent utiliser un logiciel d’acquisition comme FizziQ , le boîtier FizziQ Connect constitue une solution pratique et rapide. Ce dispositif se connecte facilement à une large gamme de capteurs disponibles dans le commerce grâce à son connecteur au format HYP 2.0 (compatible Grove). Une liste complète des capteurs compatibles avec FizziQ Connect est accessible ici : Liste des capteurs compatibles . Nous avons ainsi exploré les différentes possibilités qu’offrent les capteurs externes. Passons maintenant à une sélection de 15 capteurs incontournables pour étudier les sciences en classe. Mesure température ambiante et hygrométrie (SHT30) Le capteur SHT30 permet de mesurer la température ambiante et l’ humidité relative avec une grande précision. Il peut fonctionner dans des environnements allant de -40°C à 125°C pour la température et de 0 à 100 % d’humidité. En classe, il est idéal pour des expériences sur les variations climatiques, ou la mesure d'humidité pour les sciences de la vie et de la terre. C'est un capteur versatile consommant peu d'électricité intégré avec le capteur QMP6988 de pression atmosphérique dans le capteur Env III de M5 Stack. Pour en savoir plus : Sensirion - SHT30 Datasheet ​ Capteur de pression atmosphérique (QMP6988) Le QMP6988 est un capteur extrêmement précis pour la mesure de la pression atmosphérique (300-1100 hPa). Il permet aux élèves de réaliser des expériences sur les variations de pression en fonction de l'altitude, ou les conditions météorologiques, ou la pression dans des sytèmes fermés. Il est intégré au capteur Env III de M5 Stack. Pour en savoir plus : QST QMP6988 Datasheet Mesure TVOC et eCO2 (SGP30) Le capteur SGP30 mesure la concentration de composés organiques volatils (COV) et de CO2 dans l’air, ce qui permet aux élèves d’étudier la qualité de l’air intérieur . En classe, ce capteur peut être utilisé pour analyser les impacts des émissions de COV dans différents environnements (comme une salle de classe fermée) ou pour surveiller la qualité de l'air lors d’expériences sur la ventilation. Il faut noter que ce capteur donne une mesure appelée eCO2, qui est une estimation du CO2, dérivée des émissions de COV. Il reflète généralement la qualité de l’air intérieur et est calculé en se basant sur la corrélation entre la présence de COV et les niveaux typiques de CO2 dans les espaces clos. Ce capteur est par contre très bon marcgé comparé aux capteurs dédiés de mesure du CO2 comme le SCD40. Pour en savoir plus : SGP30 - Sensirion Capteur de lumière (BH1750) Le capteur de lumière BH1750 est conçu pour mesurer l' intensité lumineuse ambiante de 1 à 65 535 lux. Ce capteur permet de réaliser des expériences sur la luminosité dans différents environnements, par exemple en étudiant l’effet de la lumière naturelle et artificielle sur la croissance des plantes, ou en explorant comment la lumière varie en fonction de la position géographique ou de l'heure de la journée. Pour en savoir plus : ROHM BH1750 Datasheet Mesure concentration CO2 (SCD40) Le capteur SCD40 permet de mesurer la concentration de CO2 dans l’air, un paramètre essentiel pour comprendre la qualité de l’air et les processus de respiration des êtres vivants . En classe, les élèves peuvent analyser les variations de CO2 dans des environnements clos ou ouverts, ou encore étudier l'effet de la photosynthèse des plantes sur la concentration de CO2 dans une serre. Le SCD40 utilise la technologie de spectroscopie photoacoustique infrarouge pour mesurer directement la concentration de CO2 dans l’air. Ce capteur fonctionne en envoyant une lumière infrarouge (IR) à travers un petit échantillon d'air. Les molécules de CO2 absorbent cette lumière à une longueur d'onde spécifique, ce qui cause une augmentation de la température de l'échantillon d'air. Cette chaleur entraîne des variations de pression, créant ainsi de minuscules ondes acoustiques. Le capteur détecte ces ondes acoustiques à l’aide de microphones ultra-sensibles, puis les convertit en un signal électrique proportionnel à la concentration de CO2. Cette méthode est extrêmement précise, même dans des environnements avec de faibles concentrations de CO2, et offre une excellente stabilité à long terme. Pour en savoir plus : SCD40 - Sensirion Sonde de température étanche (DS18B20) Le capteur DS18B20  est une sonde de température numérique qui offre une plage de mesure de -55°C à +125°C  avec une précision de ±0,5°C entre -10°C et +85°C. Il est conçu pour des environnements difficiles et peut être immergé dans des liquides ou utilisé dans des conditions humides grâce à son boîtier étanche. Une des fonctionnalités intéressantes du DS18B20  est la possibilité de connecter plusieurs sondes  sur le même bus de données grâce à son interface One-Wire . Cela signifie que vous pouvez utiliser deux ou plus  de ces capteurs simultanément pour obtenir des mesures de température à différents points d’une expérience, tout en utilisant une seule connexion de communication, ce qui simplifie l'installation. Elle peut être utilisée pour des expériences en chimie  ou en sciences de l’environnement , comme la mesure de la température de l’eau lors de réactions chimiques, ou encore pour surveiller des conditions climatiques dans des environnements humides. Pour en savoir plus : DS18B20 - Maxim Integrated Voltmètre courant continu (convertisseur A/D ADS1115) Le convertisseur A/D ADS1115 est un voltmètre permettant de mesurer de faibles tensions continues jusqu'à ±36V. En classe, il est parfait pour des expériences en électricité et électronique , notamment pour mesurer la tension dans des circuits simples ou pour analyser la variation de tension lors de la charge/décharge de batteries. On peut associer au Voltymètre un Ampèremètre pour les mesures d'intensité. Pour en savoir plus : ADS1115 - Texas Instruments Thermomètre infrarouge 2 (MLX90614) Ce capteur infrarouge mesure la température des objets à distance sans contact, avec une plage de -70°C à 380°C. Il est idéal pour des expériences où l'on veut mesurer la température d'objets difficiles d'accès ou très chauds. Les élèves peuvent l'utiliser pour analyser la dissipation thermique des matériaux ou mesurer la température des corps dans des expériences physiques. Pour en savoir plus : MLX90614 - Melexis Balance 5kg (convertisseur A/D HX711) Le convertisseur A/D HX711, associé à une balance, permet de mesurer des masses avec une grande précision, jusqu’à 5 kg. Ce capteur est parfait pour des expériences en physique et en chimie , comme la mesure de la masse de réactifs lors de réactions chimiques ou l’étude des relations entre force et masse dans des systèmes mécaniques. Pour en savoir plus : HX711 Datasheet Mesure de fréquence cardiaque et oxymétrie (MAX30100) Le capteur MAX30100 permet de mesurer la fréquence cardiaque et le taux d’oxygène dans le sang (SpO2) . Ce capteur est parfait pour des expériences en biologie , notamment pour étudier les effets de l'effort physique sur le corps humain ou pour observer les changements de la fréquence cardiaque en réponse à des activités comme la respiration ou l’exercice. Pour en savoir plus : MAX30100 - Maxim Integrated Détecteur UV (GUVA S12SD) Le capteur UV GUVA-S12SD de Seeed Studio est un capteur analogique conçu pour mesurer l’intensité des rayons ultraviolets (UV) dans une plage de longueurs d’onde de 200 nm à 370 nm, couvrant les UV-A et UV-B. Il convertit l’intensité UV en une tension analogique proportionnelle (de 0V à 1V), ce qui le rend facile à utiliser avec des microcontrôleurs comme Arduino. Compact et économe en énergie, ce capteur est idéal pour des applications telles que la surveillance de l’indice UV, le suivi de la lumière solaire ou l’étude des effets des UV sur les matériaux et les organismes vivants. Pour en savoir plus : GUVA S12SD -UV Datasheet Détecteur de particules fines (HM3301) Le capteur HM3301 permet de mesurer la concentration de particules fines (PM2.5, PM10) dans l'air, un indicateur clé de la qualité de l'air . En classe, il est idéal pour des expériences sur la pollution atmosphérique, en comparant la concentration de particules fines dans différents environnements urbains et ruraux ou lors de l’utilisation de différentes sources d’énergie. Pour en savoir plus : HM3301 - Seeed Capteur de pression - M5 Stack Ce capteur mesure la pression exercée sur une surface , offrant des résultats précis pour des expériences en physique ou en mécanique . Il permet d'analyser la pression dans des systèmes fermés ou d’étudier la relation entre force et surface dans des contextes de compression et de traction. Pour en savoir plus : M5Stack Pressure Sensor Mesure de distance (VL53L0X) Le capteur VL53L0X utilise un laser pour mesurer la distance  à un objet, avec une précision de quelques millimètres sur une plage allant jusqu’à 2 mètres. Les élèves peuvent l'utiliser pour des expériences sur la réflexion de la lumière , la vitesse de déplacement  d'objets, ou pour créer des projets de cartographie ou de détection d'obstacles en robotique. Le capteur VL53L0X  de STMicroelectronics  utilise une technologie de ToF (Time-of-Flight)  . Cette technologie repose sur l'envoi d'un faisceau laser infrarouge qui rebondit sur un objet, puis revient au capteur. Le VL53L0X  mesure le temps que met ce faisceau à effectuer l'aller-retour, appelé temps de vol ou Time-of-Flight, et utilise cette donnée pour calculer la distance précise entre le capteur et l'objet. Pour en savoir plus : ST VL53L0X Datasheet Mesure de Champ Magnétique (BMM150) Le BMM150 est un magnétomètre numérique trois axes conçu pour mesurer la direction et l’intensité des champs magnétiques avec précision. Compact et économe en énergie, il consomme seulement 170 µA en fonctionnement, ce qui le rend idéal pour les applications mobiles ou embarquées. Le BMM150 est facile à intégrer à des microcontrôleurs et systèmes embarqués, et il peut être utilisé pour des projets éducatifs ou scientifiques nécessitant des mesures précises du champ magnétique terrestre ou des analyse de champ magnétiques faibles. Pour en savoir plus : https://www.bosch-sensortec.com/products/motion-sensors/magnetometers/bmm150/ Conclusion FizziQ Connect, en s'associant à une large gamme de capteurs économiques mais performants, offre aux enseignants et aux élèves une plateforme puissante et flexible pour explorer une variété de concepts scientifiques en classe. De plus Fizziq Connect est versatile pusiqu'on peut configurer de nouveaux capteurs qui ne sont pas définis en standard. Grâce à la compatibilité avec des capteurs disponibles dans le commerce, les utilisateurs peuvent mesurer à moindre coût une plus grande variété de paralmètresphysiques tels que la température, la pression atmosphérique, la qualité de l'air, et bien plus encore, pour des expériences pratiques dans des domaines allant de la physique à la biologie en passant par l'environnement. L'intégration facile de capteurs, l'adaptabilité aux projets éducatifs variés, et la possibilité de combiner plusieurs sondes en simultané font de FizziQ Connect un outil pédagogique incontournable. Que ce soit pour mesurer la concentration de CO2, analyser la lumière ou surveiller la température dans des environnements extrêmes, FizziQ Connect transforme l'apprentissage scientifique en rendant les expériences accessibles, interactives et pertinentes.

Les leçons de Marie Curie, redécouvertes et adaptées avec soin par la Fondation La main à la pâte , constituent une ressource précieuse pour initier les élèves aux sciences de manière simple et efficace. Ces expériences, mêlant curiosité et rigueur scientifique, s’intègrent parfaitement dans une pédagogie active et moderne. Dans cet article, nous proposons de prolonger cet héritage en le rendant interactif grâce à FizziQ Junior. Bonne découverte et bonne expérimentation ! Les leçons de Marie Curie En 1907, Marie Curie, accompagnée de ses collègues scientifiques, initia une coopérative scolaire pour leurs enfants, où elle dispensa des leçons de physique élémentaire. Ces enseignements, consignés par une de ses élèves, Isabelle Chavannes, furent redécouverts et publiés en 2003 sous le titre "Les Leçons de Marie Curie" et firent l'objet en 2011 d 'une exposition-atelier créée par La Maison des Sciences et le CNRS S'inspirant de cet héritage, la Fondation La main à la pâte a élaboré un programme pédagogique intitulé "Les leçons de Marie Curie" , enrichissant et adaptant dix de ces leçons pour une exploitation en classe, conformément à l'esprit de La main à la pâte. Un livre a également été publié,  "40 expériences de physique élémentaire issues des leçons de Marie Curie" , proposant une exploration moderne de ces leçons de science. Chaque expérience d'origine a été revisitée avec un matériel contemporain adapté à la classe ou à la maison, et complétée par trois nouvelles expériences connexes pour renforcer les notions présentées de manière ludique et progressive. Ce livre, accessible aux enseignants, parents et curieux, permet de comprendre des concepts essentiels comme la pression, la densité, ou le poids de l'air. Parmi les leçons proposées, nous avons choisi d'adapter six activités au format FizziQ Junior : Montrer la présence de l'air : Mettre en évidence la présence de l'air en analysant l'immersion d'une bouteille dans l'eau. L'air a-t-il une masse ? : Démontrer que l'air a une masse, en comparant le poids d'une boîte avant et après avoir retiré l'air qu'elle contient. Qu'est-ce que la pression de l'air ? : Explorer la notion de pression atmosphérique en observant les effets du vide sur un ballon placé dans une boîte. Les vases communicants : Etudier le principe des vases communicants montrant que le niveau de l'eau s'équilibre dans deux récipients reliés entre eux. Le fonctionnement d'un château d'eau : Comprendre le rôle des chateaux d'eau dans la distribution de l'eau domestique. La poussée d'Archimède : Mesurer la poussée d'Archimède et d'aborder la notion de flottaison. Ces activités peuvent être aisément téléchargées dans l'application en scannant le QR Code ou en tapant le code alphanumérique dans le logiciel. Les enseignants peuvent également modifier et enrichir les activités puis les repartager avec les élèves. Aborder les leçons de Marie Curie avec FizziQ Junior FizziQ Junior, application pédagogique gratuite dédiée à l’apprentissage des sciences, a été concue dans le même esprit que celui des leçons de Marie Curie. Elle propose un environnement numérique mélant rigueur scientifique et approche ludique tout en exploitant les possibilités offertes par les nouvelles technologies pour enrichir l’expérience éducative. Au cœur de l’application se trouve un cahier d’expériences interactif, conçu pour guider les élèves tout au long de leur démarche scientifique. Ce cahier leur permet de visualiser les questions à explorer, de consigner leurs hypothèses, leurs observations et leurs conclusions sous forme de textes, et d’enrichir leurs travaux avec des dessins ou des photos capturés directement depuis l’application. Ce format encourage une approche active des sciences, où les élèves deviennent des explorateurs et des créateurs, plutôt que de simples récepteurs d’informations. FizziQ Junior propose d'autres fonctionalités telles que des instruments pour faire des mesures sur le son, la lumière, les couleurs ou le mouvement grâce aux capteurs embarqués dans la plupart des outils numériques, mais nous n'utilisons pas ces possibilités dans les activités de Marie Curie. Pour vous familiariser avec l'ensemble des fonctionnalités de FizziQ Junior, vous pouvez consulter cette vidéo explicative : Découvrir FizziQ Junior . Après cette courte introduction, passons maintenant aux sciences et découvrons ensemble six activités inspirées des cahiers de Marie Curie ! Comment mettre en évidence l’air ? (Cycle 2) L’air est partout autour de nous, mais comment prouver son existence alors qu’il est invisible ? Cette activité propose une expérience simple pour aider les élèves à comprendre que l’air occupe un espace. En plongeant une bouteille « vide » dans l’eau, ils observent que l’air s’échappe sous forme de bulles, démontrant qu’il est bien présent. Pour l’enseignant, cette activité constitue une introduction idéale à la notion de matérialité de l’air, posant les bases d’une réflexion scientifique. Elle initie les élèves à une démarche rigoureuse : formuler une hypothèse, observer et confronter leurs idées à la réalité. Cependant, certains élèves pourraient avoir du mal à accepter que la bouteille contienne réellement de l’air ou à comprendre pourquoi il s’échappe sous forme de bulles. Ces difficultés nécessitent une explication guidée, ancrée dans l’observation des phénomènes. Explorer la présence de l’air est une étape clé pour aborder des notions plus complexes, comme sa masse ou sa pression. Cette activité développe chez les élèves une curiosité scientifique essentielle pour percevoir leur environnement sous un nouvel angle. La fiche enseignant préparée par la Fondation La main à la pâte permet à l'enseignant de préparer le mieux possible cette séance. Pour charger l'activité dans FizziQ Junior, Aller dans Elèves > Mes Activités puis scanner le QR code ci-dessus ou taper le code suivant : CKEI GCWW L'air a-t-il une masse ? (Cycle 3) Après avoir découvert que l’air occupe un espace, cette activité permet d’aller plus loin en démontrant que l’air a une masse mesurable. En pesant une boîte avant et après en avoir retiré l’air, les élèves observent une différence de poids qui prouve que l’air est une matière avec un poids, bien qu’invisible. Pour réaliser cette expérience, une boîte à vide et une balance précise sont nécessaires. Ces outils, devenus accessibles, introduisent les élèves à la notion de mesure scientifique. Cette séquence est une opportunité de renforcer leur rigueur dans les manipulations et leur précision dans les observations. Cependant, accepter que l’air soit « pesant » peut être contre-intuitif pour eux. L’enseignant devra insister sur le fait que l’air, comme toute matière, est composé de particules et occupe un espace, ce qui explique sa masse. Vous pouvez consulter la fiche enseignant préparée par la Fondation La main à la pâte pour en savoir plus sur cette séance. Pour charger l'activité dans FizziQ Junior, Aller dans Elèves > mes Activités puis scanner le QR code ci-dessus ou taper taper le code KJVA MYCA Qu'est ce la pression de l'air ? (Cycle 3) Cette activité apporte une dimension dynamique aux connaissances acquises. Après avoir découvert que l’air est présent et a une masse, les élèves explorent ici une nouvelle propriété : sa capacité à exercer une pression. En observant un ballon partiellement gonflé dans une boîte à vide, ils voient directement les effets du changement de pression extérieure. Lorsque l’air est retiré, le ballon se gonfle ; lorsque l’air revient, le ballon reprend sa taille initiale. Pour l’enseignant, cette activité est l’occasion de guider les élèves dans la compréhension d’un concept abstrait. La pression, souvent difficile à saisir, peut être expliquée grâce à des métaphores simples, comme l’idée que « l’air pousse comme des mains invisibles ». Il est crucial de bien expliquer que le ballon se gonfle parce que la pression interne devient supérieure à la pression externe, et de définir clairement ce que signifie « faire le vide ». Le cahier complet de l'enseignant réalisé par la Fondation La main à la pâte peut être trouvé en suivant ce lien. Pour charger l'activité sur FizziQ Junior, Aller dans Elèves > mes Activités puis scanner le QR code ci-dessus ou taper taper le code FDYQ EARR Comment se comportent deux vases communicants ? (Cycle 3) Après avoir découvert que l’air exerce une pression sur les objets qui l’entourent, cette activité permet aux élèves d’explorer comment la pression agit sur les liquides. En versant de l’eau colorée dans une des branches d’un tube en U, ils observent que l’eau se répartit de manière égale entre les deux côtés, indépendamment de la quantité versée ou de l’inclinaison du tube. Ce phénomène met en lumière un principe fondamental : les liquides atteignent toujours un équilibre dicté par les forces de pression et de gravité. L’enseignant doit veiller à expliquer que la répartition de l’eau dans les vases communicants est due à la pression atmosphérique, qui agit uniformément sur les surfaces libres des deux branches, permettant à l’eau de s’équilibrer au même niveau. Il est essentiel de clarifier que cette surface libre reste toujours horizontale, même si le tube est incliné, ce qui peut être contre-intuitif pour les élèves. Enfin, l’enseignant devra accompagner les élèves dans l’identification et la correction des hypothèses erronées, telles que l’idée que l’eau pourrait rester plus haute dans la branche où elle est versée, en s’appuyant sur l’observation et les échanges pour structurer leur compréhension. Le cahier complet de l'enseignant réalisé par la Fondation La main à la pâte peut être trouvé en suivant ce lien. Pour charger l'activité sur FizziQ Junior, Aller dans Elèves > mes Activités puis scanner le QR code ci-dessous ou taper taper le code WDSP YMHW Comment l’eau arrive-t-elle au robinet ? (Cycle 2 - 3) Cette activité prolonge directement celle sur les vases communicants en explorant comment l’eau circule dans un système complexe de tuyaux grâce aux principes d’équilibre des liquides et de gravité. Les élèves apprennent que, tout comme l’eau s’équilibre dans les vases communicants, la pression générée par un réservoir en hauteur permet de distribuer l’eau dans les infrastructures domestiques. En variant la hauteur d’un réservoir dans l’expérience, ils observent que la gravité agit sur l’eau pour créer une différence de pression, entraînant son écoulement vers des niveaux plus bas. Les élèves en déduisent qu'il est possible de créer une pression constante dans les tuyaux en élevant un réservoir qui alimente un ville en eau potable. On pourra facilement prolonger cette expérience par un exercice qui consiste à localiser dans votre ville l'endroit où se trouvent les chateau d'eau, et pourquoi pas envisager la visite de ce lieu. Vous retrouverez le cahier complet de l'enseignant réalisé par la Fondation La main à la pâte en suivant ce lien. Pour charger l'activité sur FizziQ Junior, Aller dans Elèves > mes Activités puis scanner le QR code ci-dessous ou taper taper le code VVNZ QFXR Que devient le poids d’un objet plongé dans l’eau ? (Cycle 3) Enfin, nous proposons l'adaptation d'une dernière activité décrite par l'élève de Marie Curie sur la poussée d'Archimède. Cette activité permet aux élèves de comprendre pourquoi un objet semble plus léger lorsqu’il est plongé dans l’eau. À l’aide d’un dynamomètre, ils mesurent le poids d’un objet dans l’air, puis dans l’eau. Les élèves découvrent que le poids mesuré dans l’eau est réduit, ce qui indique qu’une force agit sur l’objet pour le pousser vers le haut. Pour l’enseignant, cette activité introduit des notions fondamentales sur la distinction entre masse, poids et poids apparent. Il est essentiel d’expliquer que l’objet ne perd pas réellement de poids dans l’eau, mais qu’il est soumis à une force qui réduit son poids apparent. L’analyse des résultats et les échanges guidés permettent de corriger les idées erronées et d’introduire progressivement le concept de volume déplacé. Cette expérience constitue une entrée concrète dans des phénomènes tels que la flottabilité, la conception des bateaux ou le fonctionnement des sous-marins. En explorant ces principes à travers une manipulation simple et visuelle, les élèves développent leur compréhension des forces invisibles, leur esprit critique et leur capacité à analyser des phénomènes complexes de leur environnement. Le cahier complet de l'enseignant réalisé par la Fondation La main à la pâte peut être trouvé en suivant ce lien. Pour charger l'activité sur FizziQ Junior, aller dans Élèves > Mes activités, puis scanner le QR code ci-dessous ou taper le code NYPH STBW Conclusion Les leçons de Marie Curie, revisitées et enrichies par la Fondation La main à la pâte, offrent une base solide pour l’enseignement des sciences à travers des expériences concrètes et accessibles. Les activités proposées permettent d’explorer des concepts physiques fondamentaux tels que la présence et la masse de l’air, la pression atmosphérique, l’équilibre des liquides et la poussée d’Archimède. L'utilisation de FizziQ Junior permet de rendre ces activités encore plus attractives pour les élèves pour les encourager à développer leur raisonnement scientifique.

Conçu autour du micro-contrôleur ESP32 , FizziQ Connect utilise toutes ses possibilités pour proposer aux enseignants une solution simple et de coût réduit pour réaliser des travaux d' Expérimentation Assistée par Ordinateur (ExAO) . Nous décrivons ci-dessous 10 caractéristiques de cet outil qui nous semblent particulièrement intéressantes pour les enseignants comme pour les étudiants. 1. Une architecture ouverte FizziQ Connect est conçu pour accepter des capteurs du commerce, largement disponibles avec le développement de la robotique, suffisamment précis pour une utilisation scientifique, et très peu chers. FizziQ Connect reconnait  une grande variété de capteurs . De nouveaux capteurs sont régulièrement ajoutés au fur et à mesure des demandes. 2. Intégration de Nouveaux Capteurs FizziQ Connect permet également de configurer de nouveaux capteurs analogiques . Le menu de configuration permet aux utilisateurs de définir les caractéristiques d'un capteur analogique et de l’ajouter dans le système. Cette flexibilité permet d'utiliser FizziQ Connect pour des projets étudiants ou pour des capteurs non configurés. 3. Le Mode Radio Le mode Radio de FizziQ Connect permet une diffusion de données simultanée vers un nombre illimité d’appareils. Ce mode favorise une collaboration fluide en temps réel, permettant des expériences collectives en classe ou en amph. Comparé au mode Connect , qui limite la connexion à un appareil mais avec des vitesses d'échange de données plus élevées, le mode Radio permet une approche beaucoup plus ouverte et collaborative, sans la complexité de configurations multiples. 4. Écran Tactile L' interface tactile couleur de FizziQ Connect simplifie la prise en main de l’outil. Les utilisateurs visualisent les données directement sur l’écran. L'interface intuitive à base de menus est intuitive et donne accès aux fonctionnalités du boitier. L'écran Fizziq Connect permet également de visualiser les données graphiquement. 5. Protocole de Communication Transparent FizziQ Connect utilise un protocole de communication ouvert , offrant une intégration fluide avec divers capteurs et logiciels. Ce protocole non propriétaires permet à d'autres logiciels ou à des applications développées par les enseignants de recevoir les données de FizziQ Connect et de les utiliser. 6. Un Firmware Facile à Mettre à Jour Le firmware de FizziQ Connect peut être mis à jour facilement via une connexion Internet directement à partir du boitier sans avoir recours à un ordinateur. Le boîtier reconnaît automatiquement le dernier réseau Wi-Fi utilisé. 7. Fonctionnalités d'Analyse et de Capture Avancées Nous avons intégré dans FizziQ Connect un grand nombre de fonctionnalités , qui permettent d'adapter l'acquisition des données, de visualiser des graphiques, ou d'optimiser l’autonomie de la batterie. Ces outils seront enrichis au fur et à mesure de nos développement de l'outil et seront disponibles dans les nouveaux firmware. 8. Autonomie Complète Avec une batterie intégrée , FizziQ Connect fonctionne en autonomie totale pendant 3 à 15 heures selon les capteurs utilisés. Cette autonomie permet d'utiliser l’appareil en extérieur ou dans des sorties sur le terrain. Des options permettent de conserver la batterie en diminuant la luminosité de l'écran ou en mettant le boitier en mode veille. 9. Enregistrement des Données FizziQ Connect peut enregistrer jusqu’à 5 000 données , indépendemment d'une connexion avec un smartphone. Les données sont sauvegardées sur une mémoire non volatile et peuvent être récupérées si le boitier s'éteint durant son utilisation par manque de batterie. Dans un futur proche nous intégrerons la possibilité d'exporter ces données sur la carte SD de l'appareil au format CSV. 10. Intégration dans l’Environnement FizziQ FizziQ Connect s’intègre parfaitement avec l’application FizziQ, permettant une interaction fluide entre le boîtier et les appareils mobiles. Cette intégration simplifie la collecte, l’analyse et le partage des données. L'export de données stockées localement est directement reconnu par FizziQ. Et enfin ... un coût très bas Fizziq Connect s'appuie sur le boitier M5 Stack, très utilisé dans les applications industrielles et l'agriculture. Ses possibilités très étendues, sa durabilité et son coût très réduit nous ont permis de créer une solution ExAO robuste, évolutive et très bon marché . De plus son architecture ouverte permet de connecter gratuitement et simplement FizziQ Connect à d'autres applications d'acquisition de données et donne accès au vaste choix de capteurs disponibles sur le marché. Pour en savoir plus : www.fizziq.org/bienvenue-connect

L'intégration de l'intelligence artificielle (IA) dans l'éducation ouvre des perspectives fascinantes pour enrichir l'apprentissage, mais elle pose une question essentielle : comment utiliser cet outil sans nuire au développement de la pensée critique et de l'autonomie des élèves ? Pour explorer cette question, nous avons imaginé une activité réalisable dans le cadre scolaire : les Travaux Pratiques (TP) dopés à l'IA. Les sciences offrent un cadre idéal pour exploiter tout le potentiel des modèles génératifs actuels. Déjà adoptée par les scientifiques pour accélérer leurs recherches, l'IA peut intervenir à presque toutes les étapes d'une investigation scientifique : recherche documentaire, analyse de données, modélisation et diffusion des résultats. Dans un contexte d'expérimentation pratique, elle peut apporter une nouvelle motivation et démultiplier les possibilités pédagogiques. Dans les paragraphes qui suivent, nous vous proposons d'embarquer dans une conversation originale entre l'élève et l'IA, et peut-être trouver dans ces échanges de nouvelles avenues pour l'enseignement de cet outil qu'il faut bien qualifier de révolutionnaire. Une méthode d'investigation scientifique dopée à l'IA La méthode d'investigation repose sur l'idée que les élèves apprennent de manière plus efficace en étant actifs et en explorant par eux-mêmes, plutôt qu'en recevant passivement des informations. Dans cette méthode, l'élève utilise tous les outils à sa disposition pour "enquêter" sur un phénomène à la manière d'un chercheur. Notre proposition est d'intégrer l'IA dans cette démarche pour amplifier les capacités d'investigation des élèves. L'objectif que nous recherchons est que son utilisation raisonnée encourage l'élève à aller plus loin dans le questionnement et la démarche d'investigation. Équipé d'outils d'IA, ses moyens sont décuplés et amplifiés. La méthode scientifique en est renforcée, car l'élève peut se concentrer davantage sur son application et sa réflexion critique. Une investigation scientifique dopée à l'IA pourra comporter les étapes suivantes : Recherche documentaire : L'élève utilise des assistants virtuels pour mener plus facilement une recherche exhaustive des différents aspects du problème et mieux comprendre les enjeux. Expérimentation : L'IA peut guider l'élève sur les meilleurs instruments à utiliser et les erreurs qu'il est préférable d'éviter pour réaliser la partie expérimentale. Analyse de données : L'élève utilise l'IA pour analyser les données par le dialogue, identifier des motifs ou des anomalies, et représenter les données sous forme graphique. Modélisation : L'élève échange avec l'IA pour finaliser un modèle théorique basé sur les observations et les données expérimentales. Étude et discussion du modèle : L'élève utilise l'IA pour analyser le comportement du modèle sous différentes conditions, y compris les valeurs limites, et explorer la sensibilité aux paramètres. Applications et innovation : La recherche d'applications est facilitée par la base de donnée exhaustive des IA Conclusions et communication : L'élève et l'IA collaborent pour obtenir un rapport d'activité clair, logique et cohérent. Partage : L'élève et l'IA s'accordent sur le meilleur moyen de structurer et diffuser la communication. L'objectif pédagogique de la séance est de montrer à l'élève comment l'IA peut l'aider à aller plus loin dans ses recherches, comment organiser son travail avec cet outil, quels dialogues initier, découvrir les forces et les faiblesses de ces modèles, et enfin mieux comprendre comment en obtenir le meilleur. Sujet d'étude et aspects pratiques Nous proposons dans cet article de réaliser un travail d'investigation scientifique sur un phénomène physique simple à mettre en œuvre par les élèves, mais suffisamment complexe pour que le rôle de l'IA soit significatif. Nous positionnons ce TP dans le cadre du programme de première, en spécialité "Physique-Chimie" ou "Sciences de l'ingénieur". La complexité du phénomène étudié va délibérément au-delà des attentes du programme, avec pour objectif d'encourager les élèves à solliciter l'aide de l'IA et à repousser leurs limites. Pour cet article nous choisissons le défi suivant pour les élèves : "En combinant une approche expérimentale et l'utilisation de l'IA, étudiez avec l'accéléromètre de votre smartphone la mécanique d'un pendule élastique vertical et rédigez une publication scientifique." La publication devra inclure les éléments habituels d'une recherche scientifique : recherche documentaire, manipulation expérimentale, analyse des données, modélisation et rattachement à la théorie, étude et discussion du modèle, applications et communication. Pour faciliter cette manipulation, il est fourni aux élèves un élastique de 40 cm de long qui servira de ressort, ainsi qu'un sac en plastique pour y placer le smartphone. L'exercice peut être réalisé en laboratoire ou en classe, à condition de pouvoir y suspendre les pendules. Pour l'IA, nous utilisons dans cet article ChatGPT, mais toute autre IA donnerait des résultats équivalents et nous encourageons chacun à choisir le sytème de son choix. Ces outils évoluent très rapidement, donc d'autres possibilités que celles décrites peuvent exister. En pratique, les élèves pourront utiliser les ordinateurs de la classe s'ils sont disponibles, ou bien les tablettes et smartphones permettant d'accéder à l'application dédiée ChatGPT. Calibrer l'IA Avant de commencer une étude expérimentale, il faut calibrer ses instruments. Il en va de même avec l'IA. Ce processus s'appelle le prompting . Les prompts sont les instructions ou les questions fournies par l'utilisateur pour guider l'IA dans sa réponse. En d'autres termes, un prompt est le point de départ qui indique à l'IA ce que l'utilisateur souhaite obtenir en termes d'information ou d'aide. On utilise les prompts pour : Orienter les réponses : Un prompt permet à l'IA de comprendre le contexte et l'objectif de la question. Par exemple, un prompt précis et bien formulé aide l'IA à générer une réponse plus pertinente et ciblée. Définir le ton et la structure : Le type de prompt peut indiquer à l'IA le style de réponse attendu (formel, informatif, créatif, concis, etc.). Un prompt demandant une explication simple pour un élève de lycée, par exemple, oriente l'IA vers un ton plus pédagogique et accessible. Spécifier des actions ou des formats : Certains prompts peuvent demander à l'IA de structurer la réponse de manière spécifique (par exemple, sous forme de liste, de paragraphe ou d'exemple pratique). Cela permet de recevoir une réponse qui correspond à un format ou une exigence particulière. Personnaliser les résultats : Les prompts permettent d'adapter la réponse à des besoins spécifiques, comme demander une explication adaptée à un certain niveau de connaissance ou un domaine précis (sciences, histoire, technologie, etc.). Pour commencer un travail avec modèle génératif, il est donc important de rédiger un prompt initial qui définit le contexte, l'objectif de la recherche, le type de réponses que l'on souhaite obtenir, et le niveau de complexité des réponses. Il est essentiel que l'élève et son groupe, avec l'aide de l'enseignant, définissent un ou plusieurs prompts introductifs adaptés à la recherche et au niveau des étudiants. Le risque si cette phase introductive n'est pas suivie est que l'IA donne des résultats trop complexes ou mal adapté au niveau des élèves. En appuyant sur l'onglet > ci-dessous, vous pouvez visualiser le prompt que nous avons utilisé pour la suite de l'exercice. Voir le Dialogue avec ChatGPT Question : Dans la suite, je suis une/une élève de première scientifique et avec mon groupe nous voulons étudier le mouvement vertical d'un pendule attaché à un élastique. Pour cela nous faire une expérience pour recueillir les données fournies par l'accéléromètre du pendule. Nous allons te poser des questions, veille à nous aider mais à te souvenir que nous ne sommes qu'en première et que les réponses doivent être concises et pas trop compliquées. C'est noté ! Je serai là pour vous aider avec des réponses simples et concises. Quelle est votre première question ? Recherche documentaire La recherche documentaire à l'aide de l'intelligence artificielle est l'utilisation la plus simple et commune des modèles génératifs. Cependant, dans le cadre de la méthode d'investigation scientifique, l'IA apporte des atouts pédagogiques importants. L'objectif de la recherche documentaire est de fournir aux élèves les bases théoriques nécessaires pour comprendre le pendule oscillant, en explorant des concepts clés tels que les oscillations, l'amortissement et la modélisation mathématique. Elle les prépare également à utiliser des outils de mesure modernes, comme les capteurs de smartphones, et à poser les bases pour l'analyse et la modélisation des données expérimentales. Enfin, elle encourage une réflexion scientifique structurée avant de passer à la manipulation expérimentale. L'IA est intéressante pédagogiquement dans ce contexte car elle permet un accès rapide à des informations précises et adaptées à leurs questions spécifiques à travers un dialogue interactif. Elle les guide dans leur réflexion en suggérant des pistes pertinentes et en clarifiant des concepts complexes. L'IA personnalise l'apprentissage en s'adaptant au niveau de compréhension des élèves, tout en synthétisant des informations pour leur permettre de se concentrer sur l'essentiel. En facilitant la compréhension et en orientant la recherche, l'IA permet aux élèves de structurer leur démarche scientifique de manière plus fluide et efficace. En ouvrant l'onglet > ci-dessous, vous découvrirez le début d'une conversation entre un élève et une IA, qui a permis à l'élève de circonscrire le sujet et d'obtenir de premières hypothèses sur le modèle mathématique de l'accélération du pendule. Voir le Dialogue avec Chat GPT Question : Pourquoi ce pendule est différent du pendule simple ? Le pendule attaché à un élastique est différent d'un pendule simple car l'élastique peut s'étirer et se contracter. Cela change la longueur du pendule pendant son mouvement, ce qui rend son comportement plus complexe. Dans un pendule simple, la longueur est fixe et le mouvement est régulier, mais avec un élastique, la force varie en fonction de l'étirement, créant un mouvement plus irrégulier et non linéaire. Question : Quels sont les scientifiques qui ont découvert le pendule élastique ? Le concept du  pendule élastique  (ou pendule à ressort) n’a pas de "découverte" attribuée à un seul scientifique, mais est plutôt le résultat d'une évolution des travaux sur les systèmes oscillants et la mécanique des ressorts. Robert Hooke  (1635-1703) est souvent cité comme l'un des premiers à poser les bases théoriques pour comprendre le comportement d'un pendule élastique, grâce à sa  loi de Hooke , (....). Christiaan Huygens  (1629-1695), bien qu'il soit plus connu pour ses travaux sur le pendule simple et l'horloge à pendule, a également influencé l'étude des systèmes oscillants plus complexes, comme le pendule à ressort. Ses travaux sur les oscillations (....) Leonhard Euler  (1707-1783) et  Jean le Rond d'Alembert  (1717-1783) ont contribué à la formulation des équations différentielles utilisées pour modéliser des systèmes comme le pendule élastique. (...) Le  pendule élastique  est donc le résultat de l'application de plusieurs concepts issus des travaux de ces scientifiques sur les forces élastiques et les oscillations. Question : Quelle sont les applications du pendule élastique ? Le  pendule élastique  a plusieurs applications dans divers domaines scientifiques et technologiques : Étude des oscillations et systèmes dynamiques  : Le pendule élastique est utilisé pour étudier les oscillations complexes et les systèmes non linéaires, souvent dans les cours de physique avancée. Il permet de comprendre les forces en jeu lorsque des systèmes oscillants sont soumis à des forces de rappel non constantes, comme dans les ressorts ou les élastiques. Modélisation des vibrations  : Les principes du pendule élastique sont utilisés pour modéliser les vibrations dans de nombreux systèmes mécaniques, comme les suspensions de véhicules, les ponts suspendus, ou les gratte-ciels soumis à des forces sismiques. Applications dans les capteurs  : Les capteurs modernes, comme les accéléromètres dans les smartphones, peuvent être utilisés pour analyser les mouvements du pendule élastique. Médecine et biomécanique  : En biomécanique, les modèles basés sur le pendule élastique sont utilisés pour simuler le mouvement des muscles et des tendons, qui se comportent souvent comme des ressorts lors de mouvements articulaires. Systèmes d'énergie renouvelable  : Le pendule élastique a des applications dans certains systèmes de récupération d'énergie, comme les systèmes qui exploitent l'énergie des vagues ou des marées. Ces exemples montrent comment un concept relativement simple peut être appliqué à une grande variété de domaines pour modéliser des phénomènes complexes. Question : Y-a-t-il des articles scientifiques qui explorent l'étude des pendules avec un élastique et un smartphone ? Oui, il existe des articles scientifiques qui explorent l'utilisation des smartphones pour étudier le mouvement des pendules élastiques. Par exemple, plusieurs études ont utilisé l'accéléromètre d'un smartphone pour analyser les phénomènes liés au pendule, y compris des versions avec ressorts ou élastiques. Une étude intéressante a utilisé des smartphones fixés à des ressorts pour mesurer les oscillations et obtenir des données de mouvement, qui ont ensuite été exportées vers des logiciels comme Excel pour analyse plus approfondie. Ils ont pu déterminer des paramètres importants comme la constante du ressort et la fréquence des oscillations. Un autre article a même introduit l'usage des capteurs LiDAR présents dans certains smartphones pour des mesures de distance précises, en complément des données fournies par l'accéléromètre, améliorant ainsi la précision des résultats pour l'étude des pendules à ressorts et élastiques. Cela permet une meilleure compréhension des oscillations amorties et des phénomènes dynamiques associés​ Question : Quelle est l'équation mathématique de l'accélération en fonction du temps ? Question : Quelles autres questions devrais-je te poser pour faire une recherche documentaire complète ? Pour mener une  recherche documentaire complète  sur le pendule élastique, voici quelques questions supplémentaires à poser, qui te permettront d’approfondir différents aspects du sujet : Historique du pendule élastique  : Quels sont les premiers travaux historiques sur le pendule élastique et comment ont-ils influencé la physique moderne ? Comment le pendule élastique a-t-il été utilisé dans l'histoire des sciences ? Aspects théoriques et mathématiques  : Quelles sont les principales équations différentielles associées aux mouvements d'un pendule élastique ? Quelles sont les différences entre le comportement linéaire et non linéaire du pendule élastique ? Comment la loi de Hooke s'applique-t-elle au mouvement du pendule élastique ? Comparaison avec d’autres systèmes oscillants  : Quelles sont les différences entre un pendule simple, un pendule conique, et un pendule élastique ? Quelles sont les similitudes et différences entre un pendule élastique et d’autres systèmes oscillants, comme un oscillateur harmonique simple ? Applications modernes  : Comment les principes du pendule élastique sont-ils utilisés dans la conception de structures architecturales (ex : ponts, bâtiments) pour absorber les vibrations ? Quelles sont les applications du pendule élastique dans le domaine médical, par exemple dans l’étude du mouvement des muscles et tendons ? Comment les smartphones et leurs capteurs (accéléromètres, LiDAR) sont-ils utilisés pour étudier le mouvement des pendules élastiques ? Expériences pratiques  : Quelles expériences simples peut-on réaliser pour étudier un pendule élastique, avec des outils comme un smartphone ? Comment analyser les données d’accélération et de mouvement obtenues par un smartphone attaché à un pendule élastique ? Modélisation et simulation  : Quels logiciels sont utilisés pour modéliser le mouvement d’un pendule élastique ? Quelles sont les méthodes numériques utilisées pour simuler les oscillations d’un pendule élastique ? Problèmes ouverts et recherches actuelles  : Quels sont les défis actuels dans l'étude des pendules élastiques, notamment en mécanique non linéaire ? Quelles recherches sont menées actuellement pour mieux comprendre les phénomènes liés aux pendules élastiques ? Ces questions t'aideront à explorer les différents aspects théoriques, historiques, et pratiques du sujet, tout en couvrant les applications modernes et les recherches actuelles. Manipulation expérimentale Une fois la recherche documentaire terminée, l'élève et son groupe passent aux manipulations expérimentales. Pour réussir cette phase, plusieurs éléments doivent être réunis : comment mettre en place le dispositif expérimental, les règles de sécurité à suivre, enregistrer les données et les exporter pour analyse. Ces aspects peuvent être soumis à l'IA pour obtenir des suggestions, ajustées en fonction du contexte de l'expérience. Nous proposons ci-dessous plusieurs questions que l'élève pourra poser à l'IA. Il est important de noter que l'IA n'est pas toujours la solution idéale, ce qui constitue un apprentissage précieux pour les élèves. Par exemple, les explications fournies par l'IA sur le dispositif expérimental peuvent manquer de précision. Dans ce cas, l'élève devra expérimenter pour trouver une solution simple et efficace par lui-même. De plus, l'IA, comme ChatGPT, ne connaît pas toujours certaines spécificités techniques, comme l'existence d'une mesure directe de la norme sur FizziQ, que les élèves découvriront en cours de route. Pour visualiser la discussion avec l'IA, appuyez sur l'onglet > ci-dessous. Voir le Dialogue avec ChatGPT Question : Y-a-t-il un risque à faire cette expérience ? Faire des expériences avec un pendule élastique est généralement sûr, mais comme avec toute expérience impliquant des mouvements physiques et des forces, il y a quelques précautions à prendre pour minimiser les risques : Chute de l'objet : Assurez-vous que l'objet attaché à l'élastique (dans ce cas, un smartphone) est bien sécurisé. Une fixation lâche pourrait entraîner la chute de l'objet, ce qui pourrait l'endommager ou blesser quelqu'un se trouvant en dessous. Rupture de l'élastique : Si l'élastique n'est pas conçu pour supporter le poids ou la tension exercée, il pourrait se rompre. Utilisez un élastique adapté à la masse de l'objet et à l'amplitude des oscillations envisagées. Impact avec l'environnement : L'objet en oscillation pourrait entrer en collision avec d'autres objets ou personnes à proximité. Assurez-vous de dégager suffisamment d'espace autour de la zone d'expérimentation. Réactions inattendues : Dans le cas d'élastiques très extensibles ou de systèmes sous forte tension, les mouvements pourraient être plus violents ou imprévisibles que prévu. Testez toujours dans un environnement contrôlé avant d'augmenter la masse ou la tension. Question : Comment fixer le smartphone à l'élastique pour améliorer les mesures ? Il est important de fixer le smartphone solidement et de manière symétrique au ressort ou à l’élastique pour éviter toute interférence. Voici quelques conseils : Position centrale : Fixe le smartphone en son centre de gravité pour garantir que son poids soit réparti uniformément, ce qui minimisera les oscillations parasites. Utilise des attaches souples mais sécurisées (comme des élastiques supplémentaires ou des bandes de velcro) pour ne pas gêner le mouvement vertical du pendule. Fixation rigide : Veille à ce que le smartphone soit bien maintenu dans l’axe du ressort sans qu’il puisse glisser ou se balancer latéralement, car cela pourrait introduire des mouvements indésirables. Orientation : Positionne le smartphone de manière à ce que l’axe de l’accéléromètre le plus pertinent soit aligné avec l’axe vertical du mouvement (généralement l'axe z dans les smartphones), pour une mesure précise des accélérations verticales. Quel est le meilleur smartphone pour effectuer ces mesures d'accélérations ? Pour des mesures d'accélération précises, il est recommandé d'utiliser un smartphone équipé de capteurs d’accéléromètre et de gyroscope de haute qualité. Les modèles récents de smartphones tels que ceux de la gamme iPhone (iPhone 12 et versions ultérieures) ou Samsung Galaxy (S20, S21 et versions ultérieures) offrent une excellente précision pour la collecte de données. Ces appareils possèdent des capteurs de mouvements très sensibles et calibrés avec soin. De plus, ils sont compatibles avec des applications scientifiques comme FizziQ et Phyphox , qui permettent d’accéder facilement aux données des capteurs. Question : Quelle application est la mieux pour réaliser les mesures ? Les deux meilleures applications pour réaliser ces mesures sont FizziQ et Phyphox : FizziQ : Développée spécifiquement pour l'enseignement scientifique, FizziQ permet de mesurer et d'enregistrer des données de capteurs de manière intuitive. Elle offre des outils pour visualiser les graphiques et interpréter les données directement via l'interface. Elle est particulièrement bien adaptée pour des expériences pédagogiques, avec une interface utilisateur claire et simple. Phyphox : Cette application est également très populaire pour les mesures scientifiques. Elle donne un accès direct aux capteurs du smartphone et propose une large gamme d'outils d'analyse, avec la possibilité de configurer des expériences complexes et de personnaliser les paramètres des capteurs. Phyphox est très flexible et propose des visualisations des données en temps réel. Question : Quelle mesure je dois utiliser sur FizziQ si je veux mesurer la norme de l'accélération sur le smartphone ? Sur FizziQ , si tu veux mesurer la norme de l'accélération sur le smartphone (c'est-à-dire l'accélération totale combinant les axes xx, yy, et zz), tu dois utiliser les mesures provenant du capteur d'accéléromètre . Bien que FizziQ n'ait peut-être pas une option explicite pour calculer directement la norme, voici comment procéder : Sélectionner le capteur "Accéléromètre" : Accède à l'application FizziQ et sélectionne le capteur Accéléromètre . Ce capteur te fournira les données d'accélération sur les trois axes xx, yy, et zz. Exporter les données ou calculer manuellement : Si FizziQ ne propose pas de mesure directe de la norme (accélération totale), tu peux exporter les données des trois axes xx, yy, et zz au format CSV. Utilise ensuite un logiciel comme Excel pour calculer la norme de l'accélération à l'aide de la formule suivante :aglobal=ax2+ay2+az2aglobal​=ax2​+ay2​+az2​​ Cela te permettra d'obtenir la norme de l'accélération en combinant les trois axes. Vérifier les paramètres dans FizziQ : Il est possible que certaines versions ou configurations de FizziQ offrent une option pour afficher directement la norme de l'accélération dans l'interface graphique. Si cette option est disponible, tu n’auras pas besoin de faire le calcul manuellement. Question : Comment exporter les données avec FizziQ ? Avec FizziQ , l'exportation des données est simple et rapide : Après avoir réalisé une mesure, les données sont visualisées dans l'application sous forme de graphique. Pour exporter les données, il suffit de cliquer sur l'option "Exporter les données" (ou une icône dédiée). L'application propose plusieurs formats d'exportation, notamment le CSV (format texte de données tabulaires). Tu peux envoyer ces données par email directement depuis l'application, ou les sauvegarder dans un espace de stockage sur ton smartphone (par exemple Google Drive ou Dropbox). Ensuite, tu peux ouvrir le fichier CSV dans un logiciel comme Excel ou Google Sheets pour analyser les données plus en détail. Après avoir vérifié que le graphique généré présente suffisamment d'oscillations, les données sont exportées dans un fichier CSV. La phase expérimentale est donc achevée, nous pouvons maintenant revenir à l'utilisation de l'IA pour analyser les données ! Analyse de données L'analyse des données vise à examiner les informations expérimentales enregistrées pour en extraire les éléments clés et tirer des conclusions sur les caractéristiques physiques du mouvement observé. Cette démarche comprend la suppression des segments inutiles pour nettoyer les données, le lissage des données pour réduire le bruit, et l'identification de caractéristiques telles que la période du mouvement ou l'amortissement des oscillations. Les modèles génératifs modernes permettent non seulement une analyse approfondie graphique ou statistique, mais aussi un retraitement direct des données grâce à une interface en langage naturel, plus intuitif pour l'élève. L'élève peut bien sûr demander de l'aide pour réaliser ces operations ou comprendre leur utilité. Rapidement, l'élève pourra ainsi : Visualiser les données : Pour obtenir une représentation graphique qui facilite la compréhension des tendances. Nettoyer les données : En éliminant les anomalies ou les valeurs extrêmes qui pourraient fausser l'analyse. Lisser les données : Pour atténuer les fluctuations aléatoires et mieux voir les tendances principales. Calculer et interpréter les caractéristiques : Comme déterminer la période des oscillations et évaluer l'efficacité de l'amortissement. Exporter les données : Pour les utiliser dans d'autres logiciels ou les partager. Dans notre dialogue ci-dessous, nous avons analysé et nettoyé les données provenant du tableau exporté dans la partie expérimentale. Cette analyse a révélé des aspects importants du comportement de l'accélération au cours du temps et permis de détecter des invariants dans le mouvement. Ouvrez l'onglet > pour découvrir le dialogue entre l'élève et l'IA Vois le Dialogue avec ChatGPT Question : Fais le graphique des données jointes en fichier CSV Voici le graphique de l'accélération absolue au cours du temps, basé sur les données que vous avez fournies. Ce tracé montre les fluctuations de l'accélération absolue. Si vous souhaitez apporter des modifications ou si vous avez besoin d'autres analyses, dites-le moi ! Question : Dans ce graphique enlève les données avant le point le plus bas et après 10 s Voici le graphique de l'accélération absolue filtré pour afficher les données entre environ 2,3 secondes et 10 secondes. Cela vous montre les fluctuations de l'accélération pendant cette période spécifique. Si vous avez besoin de plus d'ajustements ou de d'autres analyses, n'hésitez pas à demander. Question : Lisse les données pour que je puisse mieux observer le phénomène Question : Quelle est la période du phénomène ? Après avoir lissé les données et calculé les périodes entre les pics et les creux, la période moyenne du phénomène, sur les données lissées, est d'environ 0.69 secondes. Ce calcul est basé à la fois sur les pics et les creux, qui donnent des valeurs très proches, confirmant la régularité du phénomène observé. Si vous avez d'autres questions ou besoin d'analyses supplémentaires, je suis là pour vous aider ! Question : La période est-elle stable ? La période moyenne est d'environ 0,69 secondes, avec un écart-type de 0,015 secondes. Cela indique que la période est relativement stable, avec de petites variations autour de la moyenne. Les fluctuations sont minimes, suggérant que le phénomène observé est régulier. Si vous avez besoin de plus de détails ou d'une analyse supplémentaire, n'hésitez pas à me le dire ! ​ Question : Peux tu étudier l'amortissement des oscillations ? Pour caractériser l'amortissement de l'amplitude des oscillations de manière plus quantitative, nous pouvons utiliser une approche de régression pour estimer comment l'amplitude des pics diminue avec le temps. Une approche courante consiste à ajuster une fonction exponentielle de décroissance, typiquement utilisée pour modéliser l'amortissement dans les systèmes oscillants. Je vais ajuster un modèle exponentiel aux amplitudes des pics et vous montrer les résultats. L'ajustement de la décroissance exponentielle sur les amplitudes des pics montre effectivement un amortissement des oscillations. Les paramètres de l'ajustement sont les suivants : A≈15.04A≈15.04 : amplitude initiale. B≈0.273B≈0.273 : taux de décroissance. C≈9.99C≈9.99 : valeur asymptotique vers laquelle l'amplitude tend. La courbe rouge sur le graphique représente l'ajustement de la décroissance exponentielle, et il est clair que les amplitudes des pics diminuent avec le temps, indiquant un amortissement notable des oscillations. Exporte les données lissées dans un tableau Les données lissées ont été exportées dans un tableau Excel. Tu peux les télécharger en suivant ce lien : Télécharger le fichier Excel. Si tu as besoin d'autres ajustements, n'hésite pas à demander ! Modélisation Dans le raisonnement scientifique, la relation entre théorie, modèle et données peut s'articuler de plusieurs manières, chacune reflétant une approche différente de la recherche. Une méthode directe consiste à partir de la théorie et à vérifier que les données expérimentales confirment les équations mathématiques qui en découlent. Il est également possible de construire un modèle mathématique qui semble bien expliquer les données, afin de guider la réflexion théorique dans une direction spécifique. Ces deux approches peuvent être facilitées par l'utilisation de l'intelligence artificielle. Dans notre exemple, lors de leur recherche documentaire, les élèves ont été orientés vers une évolution périodique sinusoïdale de l'accélération. En analysant les courbes, ils ont également observé que, bien que cette évolution soit périodique, l'amplitude des oscillations semble diminuer avec le temps. Ces observations sont transmises à l'IA pour tenter de déterminer un modèle qui explique les données, et obtenir des indications sur les raisons théoriques expliquant ce modèle. Pour visualiser la discussion avec l'IA, ouvrez l'onglet > ci-dessous. Voir la Discussion avec ChatGPT Question : Utilise les données lissées et essaie de voir si le modèle mathématique que tu as cité permet d'expliquer ces données ? Pour vérifier si le modèle que j'ai mentionné (basé sur un pendule élastique) peut expliquer ces données, nous allons comparer les données expérimentales à un modèle d'accélération théorique, en tenant compte de l'équation du mouvement du pendule élastique. Je vais ajuster un modèle théorique à tes données et vérifier comment ils correspondent. Je vais d'abord essayer d'ajuster une fonction basée sur une oscillation avec amortissement, typique d'un pendule élastique, et voir comment elle se compare à tes mesures. Le modèle d'oscillation amortie ajusté aux données expérimentales donne les paramètres suivants : Amplitude (A)  : 15.78 Facteur d'amortissement (gamma)  : 0.26 Fréquence angulaire (omega)  : 9.09 rad/s Phase initiale (phi)  : -8.23 rad Décalage vertical (offset)  : 9.83 Le graphique montre une bonne correspondance entre les données mesurées et le modèle théorique, ce qui suggère que le mouvement observé peut être bien décrit par une oscillation amortie, typique d'un pendule élastique. Si tu souhaites explorer plus en détail les données ou modifier le modèle, fais-le-moi savoir ! Question : Ca a l'air de bien coller, non ? Oui, le modèle d'oscillation amortie semble bien correspondre aux données mesurées, ce qui indique que le comportement du pendule élastique que vous avez observé suit effectivement une dynamique d'oscillation avec amortissement. Cela signifie que les forces en jeu, comme l'étirement de l'élastique et l'amortissement dû aux frottements ou à la dissipation d'énergie, sont bien prises en compte par ce modèle. Si vous souhaitez approfondir ou tester d'autres modèles ou scénarios, n'hésitez pas à poser d'autres questions ! Question : Comment est ce que je peux expliquer cette équation de l'accélération simplement ? Pour expliquer l'équation de l'accélération du  pendule élastique  de manière simple, on peut dire : Amplitude (A)  : C’est la force initiale ou l’étendue du mouvement. Plus l'amplitude est grande, plus le pendule bouge vite au début. Facteur d'amortissement (γ)  : C’est la diminution progressive de la vitesse du pendule à cause des frottements ou de la résistance. Cela fait que les oscillations deviennent de plus en plus petites avec le temps. Fréquence angulaire (ω)  : C’est la vitesse à laquelle le pendule oscille. Elle dépend de la raideur de l’élastique et de la masse du pendule. Phase (ϕ)  : C’est la position de départ du pendule dans son mouvement. Cela affecte où il se trouve au moment où on commence à observer. Décalage (offset)  : C’est la valeur de base autour de laquelle l’oscillation se fait. Ici, ça peut être une sorte de "niveau de base" d'accélération. En résumé, cette équation dit que l’accélération du pendule diminue au fil du temps à cause de l’amortissement, tout en oscillant autour d’une position centrale, en suivant un mouvement qui ralentit progressivement. Question : J'ai du mal à comprendre, je suis un élève de première, peux-tu mieux expliquer pourquoi l'accélération suit une telle fonction mathématique ? Nous voyons à travers ces échanges que l'IA peut s'adapter au niveau de la personne avec laquelle elle échange. Pour un élève de première, l'explication est beaucoup plus claire. Elle peut être encore plus simple si nécessaire. Etude du modèle L'étude du modèle a pour objectif d'analyser le comportement du modèle théorique déterminé. Dans le contexte de notre étude, l'élève cherche à comprendre comment différents paramètres du système – tels que l'amortissement ou l'élasticité d'un élastique – influencent les oscillations d'un pendule élastique . Certains de ces paramètres ne pourront être découverts qu'après plusieurs allers-retours dans le questionnement, un processus qui participe à l'apprentissage de l'élève. Cette étude nécessite souvent la création d'un programme informatique pour générer des courbes et faciliter l'exploration des variations de paramètres. L'IA est un excellent assistant en programmation et peut aider l'élève dans ce processus de création. L'outil peut également réaliser ces analyses en ligne, en utilisant un langage naturel. Pour découvrir l'échange entre l'élève et l'IA, ouvrez la boîte de dialogue > ci-dessous : Voir la Dialogue avec ChatGPT Question : En utilisant le modèle, trace les courbes pendant 10 secondes entre un élastique ayant les même caractéristiques que notre élastique, un élastique sans amortissement et un élastique avec le double amortissement Voici la simulation étendue pour 20 secondes, montrant les comportements des trois types d'élastiques : Rouge (Modèle amorti étendu)  : Montre une diminution continue de l'amplitude des oscillations due à l'amortissement. Vert (Modèle idéal sans amortissement étendu)  : Présente des oscillations constantes en amplitude, indiquant un mouvement perpétuel sans perte d'énergie. Violet (Modèle avec le double d'amortissement étendu)  : L'amplitude des oscillations diminue plus rapidement que dans le modèle d'amortissement standard, illustrant l'effet d'un amortissement plus fort sur la rapidité avec laquelle l'énergie du système est dissipée. Cette visualisation aide à comprendre les différences fondamentales entre un système avec et sans amortissement, et comment l'augmentation de l'amortissement impacte le mouvement d'un pendule élastique sur une période prolongée. ​ Question : trace à présent les courbes entre un élastique très peu extensible et un très extensible et le notre Voici les courbes pour trois différents niveaux d'extensibilité de l'élastique : Bleu (Élasticité normale)  : C'est notre modèle de référence qui montre une oscillation avec un amortissement standard. Vert (Moins extensible)  : Ce modèle représente un élastique moins extensible (plus rigide). Les oscillations sont plus rapides en raison d'une fréquence angulaire plus élevée, ce qui indique une plus grande raideur. Rouge (Plus extensible)  : Ici, l'élastique est plus extensible (moins rigide), donc les oscillations sont plus lentes avec une fréquence angulaire réduite, reflétant une raideur moindre. Ces courbes illustrent bien comment la raideur de l'élastique influence la dynamique du système, affectant la fréquence des oscillations. Un élastique plus rigide réagit plus rapidement, tandis qu'un plus souple montre des oscillations plus étendues dans le temps. Question : Je vois que la période change, quelle est l'influence de l'élasticité de l'élastique sur la période ? La période d'oscillation d'un pendule élastique est directement influencée par l'élasticité (ou raideur) de l'élastique utilisé. Cette relation est définie par les propriétés physiques de l'élastique, particulièrement par la constante de raideur du ressort kk et la masse mm suspendue. Voici comment l'élasticité affecte la période d'un pendule élastique : Constante de Raideur (k)  : La constante de raideur kk d'un ressort mesure combien le ressort est difficile à étirer ou comprimer. Plus kk est élevé, plus le ressort est rigide. Masse (m)  : La masse suspendue au ressort affecte aussi la période des oscillations. Plus la masse est lourde, plus la période des oscillations est longue, car il faut plus de temps pour que le ressort étire ou comprime sous l'effet de cette masse. Formule de la Période  : La période TT des oscillations pour un pendule élastique (système masse-ressort) est donnée par la formule : T=2π √ (m/k) Cette formule montre que la période est proportionnelle à la racine carrée de la masse et inversement proportionnelle à la racine carrée de la constante de raideur. Plus Extensible  : Si l'élastique est plus extensible (moins rigide, donc kk plus petit), cela augmente la période des oscillations, car le système est moins prompt à revenir à sa position d'équilibre. Moins Extensible  : Si l'élastique est moins extensible (plus rigide, donc kk plus grand), cela diminue la période des oscillations, car le système revient plus rapidement à sa position d'équilibre. En résumé, plus l'élastique est rigide, plus la période des oscillations est courte, et inversement, plus l'élastique est souple, plus la période est longue. Cette relation est cruciale pour comprendre comment les différents types de ressorts ou d'élastiques influencent le mouvement dans des applications pratiques, comme dans les amortisseurs ou les systèmes de suspension. Question : Pour pouvoir faire ces calculs seul, peux tu écrire un programme python qui me permet d'entrer les paramètres du modèle et d'obtenir une courbe de l'évolution de l'accélération sur 10 secondes ? Communication La rédaction d'un document de recherche est probablement la partie la mieux connue des applications des modèles génératif. L'IA peut aider un élève à rédiger un document de recherche bien structuré, cohérent, et adapté au public visé, en offrant un soutien tout au long du processus d'écriture. 1. Structuration du document 2. Clarté et fluidité 3. Conseils sur l'adaptation au public 4. Rappel des éléments à ne pas oublier 5. Cohérence dans l'argumentation et le raisonnement scientifique 6. Vérification finale et relecture Liste de questions à ChatGPT Structuration du document : "Peux-tu me proposer une structure complète et logique pour mon document de recherche scientifique ?" Introduction : "Comment puis-je rédiger une introduction claire qui présente mon sujet de recherche et mes hypothèses de départ ?" Clarté et fluidité : "Peux-tu reformuler ce passage pour le rendre plus clair et plus facile à comprendre pour un public de première scientifique ?" Explication des résultats : "Comment puis-je expliquer simplement les résultats de mon expérience tout en restant précis scientifiquement ?" Adaptation au public : "Comment puis-je adapter la complexité de mes explications pour un public d'élèves de première ?" Discussion des résultats : "Quels points dois-je inclure dans la discussion pour bien relier mes résultats à la théorie étudiée ?" Rappel des éléments importants : "Ai-je oublié des étapes importantes dans ma démarche scientifique que je devrais inclure dans le document ?" Cohérence de l'argumentation : "Est-ce que mes hypothèses, mes résultats et ma conclusion sont bien connectés de manière cohérente ?" Amélioration de la conclusion : "Comment puis-je améliorer la conclusion pour qu'elle résume bien mes découvertes et souligne leur importance scientifique ?" Vérification finale et relecture : "Peux-tu relire l'ensemble du document pour corriger les fautes et améliorer le style ?" Partage Les élèves seront probablement intéressés par un autre aspect de la recherche qui est sa diffusion. L'IA peut grandement faciliter la diffusion d'un document de recherche et optimiser sa visibilité en ligne grâce à des techniques de SEO (Search Engine Optimization). L'IA pourra guider l'élève pour ces différentes tâches : Optimisation SEO : L'IA suggère des mots-clés pertinents, rédige des balises titre et méta-descriptions optimisées, et vérifie la densité des mots-clés pour améliorer le référencement sur Google. Création de titres et sous-titres : Elle reformule les titres et sous-titres pour les rendre plus accrocheurs et optimisés pour le SEO. Rédaction de résumés : L'IA produit des résumés percutants et adaptés pour les réseaux sociaux ou newsletters, attirant ainsi les lecteurs. Contenus pour réseaux sociaux : Elle génère des posts spécifiques pour chaque plateforme (Twitter, LinkedIn, Facebook), assurant une diffusion optimale. Cette partie du travail permet également à l'élève de réfléchir sur la manière dont les moteurs de recherche donnent leurs réponses. Liste de question à ChatGPT Recherche sur Google : "Comment est ce que Google choisit quels sites afficher à la suite d'une question ?" "Comment améliorer la visibilité en ligne de mon article sur Google ?" Choix des mots-clés pertinents : "Quels mots-clés devrais-je utiliser pour optimiser mon article sur les moteurs de recherche ?" Optimisation des balises SEO : "Peux-tu proposer une balise titre (moins 70 caractères )et une méta-description (moins de 300 caractères) pour mon article ?" "Comment rédiger une bonne méta-description pour que mon article attire plus de clics sur Google ?" Création de titres et sous-titres attractifs : "Comment puis-je rendre mes titres plus percutants pour les lecteurs et les moteurs de recherche ?" Rédaction de résumés et d'abstracts : "Comment écrire un résumé qui attire l'attention ?" Création de contenus pour les réseaux sociaux : "Peux-tu rédiger un post pour Twitter et Facebook pour promouvoir mon article ?" Vérification finale du SEO : "Est-ce que mon article est bien optimisé pour apparaître dans les résultats de recherche ?" Optimisation du contenu pour différents publics : "Comment puis-je adapter mon texte pour différents publics ?" Conclusion Dans cet article, nous avons proposé une approche à la fois pratique et motivante pour initier les élèves aux vastes possibilités offertes par les modèles génératifs, en intégrant l'intelligence artificielle (IA) dans des Travaux Pratiques (TP) scientifiques. Cette méthode nous semble particulièrement adaptée pour initier les élèves à l'utilisation de l'IA dans un cadre scolaire. En l'intégrant dans un contexte de recherche expérimentale, elle encourage une approche ouverte et exploratoire, où les élèves peuvent découvrir et exploiter cet outil de manière autonome. Les sciences offrent un terrain particulièrement propice à cette démarche, car l'IA peut être utilisée à différents stades : recherche documentaire, manipulation et visualisation des données, analyse théorique, création de programmes, ainsi que communication et diffusion des résultats. L'interface en langage naturel simplifie le travail scientifique, rendant les concepts complexes plus accessibles et permettant aux élèves de les manipuler intuitivement. De plus, la capacité des modèles IA à s'adapter aux objectifs et au niveau des élèves, grâce à des instructions personnalisées (prompts), en fait un outil idéal pour une grande diversité d'utilisateurs. Nous sommes ouverts à vos retours sur cette expérience. L'IA ne doit pas être vue comme une solution définitive, mais plutôt comme un catalyseur de réflexion et d'innovation. Elle aide les élèves non seulement à maîtriser les sciences, mais aussi à développer des compétences numériques essentielles pour le XXIe siècle. Le défi consiste désormais à trouver un équilibre entre l'exploitation de cette technologie prometteuse et le maintien de l'autonomie intellectuelle des apprenants, afin de former des esprits critiques capables d'utiliser ces outils de manière éclairée et responsable.

L'Année des Géosciences 2024/2025 est une occasion unique pour les enseignants de plonger leurs élèves dans l'exploration passionnante des risques naturels. Le concours expérimental organisé par la Fondation La main à la pâte , en partenariat avec l'équipe qui a créé l'application FizziQ , la Société géologique de France , « Sciences à l'École » , le CNRS et le BRGM , invite les classes du CE2 à la 3ᵉ à mener des projets scientifiques innovants autour de cette thématique cruciale. C'est une opportunité unique pour stimuler la curiosité des élèves, développer leur esprit scientifique et les engager dans une démarche expérimentale enrichissante. Dans cet article, nous vous présentons différents éléments qui nous semblent important de considérer avant de se lancer dans le projet avec les élèves et nous vous donnons un certain nombre d'élements sur l'utilisation de l'application FizziQ. Nous vous souhaitons une grande et belle aventure scientifique avec vos élèves. Comprendre les risques naturels et leur importance Les risques naturels sont des phénomènes géologiques, climatiques ou environnementaux qui peuvent provoquer des dommages importants aux populations, aux infrastructures et à l'environnement. Ils résultent de processus naturels de la Terre, mais leur impact est souvent exacerbé par les activités humaines et l'aménagement du territoire. Les événements récents illustrent avec force l'importance cruciale de l'étude des risques naturels. En février 2023, les séismes dévastateurs qui ont frappé la Turquie et la Syrie ont causé des milliers de victimes et des destructions massives, soulignant la nécessité vitale de la construction antisismique et de la préparation aux urgences. De même, l'éruption du volcan Cumbre Vieja sur l'île de La Palma en 2021 a entraîné des évacuations massives et des pertes économiques considérables, mettant en évidence l'impact profond des éruptions volcaniques sur les communautés locales. Enfin, les inondations catastrophiques survenues en Europe occidentale en juillet 2021, notamment en Allemagne et en Belgique, ont démontré comment le changement climatique peut intensifier les phénomènes météorologiques extrêmes, accentuant l'importance de la gestion des eaux et de la planification urbaine pour atténuer ces risques. Ces exemples récents montrent à quel point il est essentiel d'éduquer les jeunes générations sur les risques naturels pour mieux les comprendre, les prévenir et y faire face. Il existe une variété de risques naturels, chacun ayant ses propres caractéristiques et conséquences : Les séismes : Ce sont des tremblements de terre causés par le déplacement des plaques tectoniques. Ils peuvent entraîner des destructions massives des bâtiments, des routes et des infrastructures, et provoquer des pertes humaines importantes. Les éruptions volcaniques : Les volcans en éruption peuvent projeter de la lave, des cendres et des gaz toxiques, affectant l'air, l'eau et les sols, et forçant les populations à évacuer les zones à risque. Les inondations : Résultant de pluies abondantes, de la montée des eaux ou de ruptures de barrages, les inondations peuvent dévaster des zones entières, endommager les habitations, les cultures et les infrastructures, et menacer la vie des habitants. Les glissements de terrain : Souvent déclenchés par de fortes pluies ou des séismes, ils consistent en des mouvements rapides de sol et de roches sur les pentes, pouvant ensevelir des habitations et des routes. Les tempêtes et ouragans : Ces phénomènes météorologiques extrêmes apportent des vents violents et des précipitations intenses, causant des dégâts matériels considérables et mettant en danger la vie des personnes. Les sécheresses : Périodes prolongées sans précipitations, elles affectent l'approvisionnement en eau, l'agriculture et peuvent conduire à des pénuries alimentaires. Les incendies de forêt : Souvent déclenchés par la sécheresse, la foudre ou des activités humaines, ils détruisent de vastes zones boisées, affectent la qualité de l'air et menacent les habitations proches. L'étude des risques naturels par les chercheurs est particulièrement importante. Tout d'abord, elle permet de mieux comprendre les mécanismes qui sous-tendent ces phénomènes, ce qui est essentiel pour améliorer les systèmes de prévision et d'alerte. En comprenant comment et pourquoi ces événements se produisent, nous pouvons développer des stratégies efficaces pour réduire leur impact. Ensuite, les risques naturels ont des conséquences directes sur les sociétés humaines. Ils peuvent entraîner des pertes humaines tragiques, des déplacements de populations, des perturbations économiques majeures et des dommages environnementaux à long terme. Les infrastructures peuvent être détruites, affectant l'accès à l'eau potable, à l'électricité, aux soins de santé et à l'éducation. Les activités économiques, notamment l'agriculture, peuvent être sévèrement touchées, conduisant à des crises alimentaires et financières. De plus, le changement climatique accentue la fréquence et l'intensité de certains risques naturels, comme les tempêtes, les inondations et les sécheresses. Cela rend encore plus urgente la nécessité de former les jeunes générations à ces enjeux. En sensibilisant vos élèves aux risques naturels, vous les aidez à devenir des citoyens informés et responsables, capables de contribuer à la prévention et à la gestion de ces phénomènes. Pour les élèves, comprendre les risques naturels, c'est également développer une conscience de l'environnement qui les entoure. Ils apprennent comment les actions humaines peuvent influencer ces risques, par exemple en modifiant les paysages, en construisant dans des zones à risque ou en contribuant au changement climatique. Cela peut les amener à réfléchir aux comportements individuels et collectifs qui peuvent réduire notre vulnérabilité face à ces phénomènes. En abordant ces sujets en classe, les enseignants permettent ainsi aux élèves d'avoir une perspective globale sur les interactions entre la Terre et les sociétés humaines. Vous les encouragez à adopter une approche scientifique pour analyser des problèmes complexes, à développer des solutions créatives et à travailler en collaboration. Cela contribue non seulement à leur éducation scientifique, mais aussi à leur développement en tant que membres engagés et responsables de la société. Quelle approche expérimentale adopter ? Pour étudier les risques naturels avec vos élèves, il est essentiel de choisir une approche pédagogique qui soit à la fois engageante, accessible et adaptée aux ressources disponibles. L'approche expérimentale s'avère particulièrement efficace , car elle permet aux élèves de découvrir les phénomènes par eux-mêmes, de développer leur esprit scientifique et de renforcer leur compréhension à travers l'observation et l'analyse. Cependant il n'est pas toujours facile d'envisager une méthode expérimentale pour aborder des phénomènes qui se passent à l'échelle de la planète. Qu'elle aproche adopter ? Une première manière d'aborder les risques naturels de manière accessible dans le cadre d'une classe est de réaliser des maquettes pour reproduire les phénomènes . Par exemple, construire des maquettes de bâtiments avec des matériaux simples comme des blocs de bois ou du carton permet de simuler des séismes en soumettant ces structures à des vibrations. Les élèves peuvent ainsi observer les effets des tremblements de terre sur les constructions et comprendre les principes de résistance des bâtiments. De même, créer un volcan en papier mâché et provoquer une éruption avec une réaction chimique simple aide à visualiser les processus volcaniques et à aborder des notions comme la pression et le dégagement de gaz. Les expériences sur le terrain constituent une autre approche enrichissante sans forcément avoir besoin d'aller au bout du monde pour observer un volcan. Organiser des sorties pour observer directement les phénomènes naturels ou leurs conséquences permet aux élèves de connecter les concepts théoriques à la réalité. Ils peuvent visiter une rivière pour étudier l'érosion des berges, observer des formations géologiques ou constater les impacts d'une inondation passée. Ces observations renforcent leur compréhension des processus naturels et stimulent leur intérêt pour l'environnement qui les entoure. L'analyse de phénomènes à partir d'échantillons est également une méthode intéressante. En travaillant avec des échantillons de roches, de sols ou de sédiments, les élèves peuvent étudier les propriétés physiques et chimiques des matériaux impliqués dans les risques naturels. Par exemple, en observant au microscope des grains de sable issus de différentes régions, ils peuvent comprendre les processus d'érosion et de sédimentation. Cette approche développe leurs compétences en manipulation et en observation, tout en approfondissant leurs connaissances scientifiques. Les bases de données existantes offrent une alternative pour explorer des phénomènes difficiles à reproduire en classe. Il existe de nombreuses données mise en ligne que les élèves peuvent consulter et qui peuvent être téléchhargéeset analysées avec des logiciels simples comme un tableur. Ces données seront comparées aux données obtenues par les élèves dans leurs expériences et confirmeront ou non la mise à l'échelle. Finalement des applications en ligne permettent de simuler des séismes, des éruptions volcaniques ou des tsunamis, offrant la possibilité d'analyser des scénarios variés et d'observer les impacts potentiels. Ces outils interactifs aident les élèves à visualiser des processus complexes et à manipuler des variables pour comprendre l'influence de différents paramètres et peuvent être utile en complément de l'analyse de vraies données expérimentales, mais attention à ne pas en abuser, ces outils restent des simulations ! En adoptant une approche expérimentale diversifiée, vous permettez à vos élèves de s'approprier les concepts liés aux risques naturels de manière active et engageante. Qu'il s'agisse de manipuler des maquettes, d'observer le terrain, d'analyser des échantillons ou d'utiliser des outils numériques, chaque méthode offre des opportunités d'apprentissage uniques. Les élèves développent ainsi des compétences scientifiques essentielles, telles que l'observation, l'analyse, la résolution de problèmes et la communication des résultats. Comment FizziQ et FizziQ Junior aident la démarche expérimentale Les applications FizziQ s'intègrent parfaitement dans la démarche expérimentale que nous venons de décrire. En transformant les smartphones et les tablettes en laboratoires scientifiques portables, elle permet aux élèves de réaliser des mesures précises grâce aux capteurs intégrés aux appareils. FizziQ, FizziQ Junior et FizziQ Connect permettent ainsi aux élèves de tous âges de s'engager activement dans des projets scientifiques en exploitant les technologies modernes. Tout d'abord, FizziQ et FizziQ Junior tirent pleinement parti des capteurs internes des smartphones et des tablettes pour réaliser une variété de mesures physiques. Les élèves peuvent utiliser l' accéléromètre pour mesurer les vibrations et les mouvements, le baromètre sur les iphones mesure la pression atmosphérique, le capteur de luminosité pour évaluer l'intensité de la lumière, le microphone pour analyser les sons, et bien d'autres capteurs encore. Ces fonctionnalités transforment les appareils mobiles en véritables laboratoires portables, permettant de mener des expériences sur des phénomènes liés aux risques naturels, tels que les séismes, les éruptions volcaniques ou les variations climatiques. Découvrez dans cet article tous les outils scientifiques qu'offrent les smartphones et tablettes et comment vous pouvez utiliser ces instruments de mesure. L'utilisation de FizziQ stimule l'engagement des élèves grâce à une approche interactive. Manipuler des applications sur des appareils mobiles rend les activités scientifiques plus attrayantes, en impliquant les élèves directement dans leur apprentissage. Cela contribue également au développement de leurs compétences numériques, un aspect essentiel dans le monde actuel. Certains phénomènes ne peuvent pas être étudiés avec les capteurs internes des smartphones, et c'est la raison pour laquelle on peut connecter des capteurs externes à FizziQ et FizziQ Junior. On peut ainsi connecter à l'application des capteurs de CO2, de détection de particules fines, d'humidité des sols, de température ou de pression atmosphérique, de flamme ou des mesures de rayons infrarouges ou ultraviolets. Tous ces capteurs peuvent être achetés dans le commerce pour un prix modique et connectés à l'application FizziQ. Il existe deux manières de connecter les capteurs à FizziQ et Fizziq Junior pour conduire l'analyse expériemntale. La première utilise les micro-contrôleurs comme Arduino, ou micro:bit. Un petit programme en Scratch ou sur l'IDE Arduino détectera les informations des capteurs et les retransmettra par Bluetooth à l'application FizziQ. Ce projet parait difficile mais en fait il est très simple à conduire et extrèmement satisfaisant pour les élèves qui en apprendront beaucoup plus sur la programmatiuonen réalsiant un projet concret. Dans ce lien nous décrivons comment connecter des micro-contrôleurs à FizziQ. Certains enseignants préfèrent avoir une solution clé en main et c'est la raison pour laquelle nous avons également créé FizziQ Connect qui étend encore les possibilités des expérimentateurs en permettant de connecter des capteurs externes du commerce via Bluetooth. Cela inclut des capteurs de température, de pression, d'humidité, de qualité de l'air, et bien d'autres. Grâce à ces capteurs externes, les élèves peuvent collecter des données plus précises et explorer des domaines scientifiques plus variés. Par exemple, ils peuvent mesurer les variations de température lors d'une simulation d'éruption volcanique, ou analyser la qualité de l'air en présence de fumées pour étudier les effets des incendies de forêt. Suivez ce lien pour découvrir les possibilités de FizziQ Connect. Une fois les données collectées, FizziQ offre des outils intérsssants pour l' analyse des résultats . Les élèves peuvent tracer des graphiques en temps réel, effectuer des interpolations, comparer différentes séries de données et interpréter les résultats de manière approfondie. Le cahier d'expériences intégré permet de documenter chaque étape du projet, d'ajouter des photos, des commentaires et des observations, facilitant ainsi la structuration de la démarche scientifique. Pour les plus jeunes, FizziQ Junior propose un environnement adapté, avec une interface simplifiée et intuitive. Les élèves peuvent prendre des photos, ajouter des commentaires et exprimer librement leurs observations dans le cahier numérique, ce qui stimule leur créativité et renforce leur engagement dans le projet. Fizziq Junior encourage les élève à conduire un raisonnement scientifique structuré tout en ayant une grande liberté sur le format et le rendu de leurs résulatts et de leurs analyses. Dans cet article nous décrivons comment FizziQ Junior aide les élèves à structurer leur raisonnement. Enfin une fois le cahier d'expérience terminé, le partage des résultats est facilité grâce aux options d'exportation offertes par les applications. Avec FizziQ Junior, les cahiers peuvent être exportés en format PDF ou partagés directement avec l'enseignant, ce qui simplifie le suivi et l'évaluation des travaux. FizziQ permet également d'exporter les données et les cahiers en formats PDF , Excel ou même Python , offrant ainsi aux élèves la possibilité d'approfondir l'analyse et de présenter leurs résultats de manière professionnelle. En intégrant FizziQ dans votre projet pour le concours des Géosciences, vous bénéficiez d'un outil puissant pour enrichir votre enseignement des sciences. Vous offrez à vos élèves la possibilité de vivre une expérience d'apprentissage immersive et interactive, qui les aidera à développer leur esprit scientifique tout en s'amusant. Cela facilite non seulement la réalisation du projet pour le concours, mais contribue également à susciter chez eux une passion durable pour les sciences. Engagez vos élèves dans l'aventure L'Année des Géosciences 2024/2025 est une occasion unique de plonger less élèves dans l'exploration passionnante des risques naturels. Le concours expérimental organisé par la Fondation La main à la pâte, en partenariat avec Trapèze.digital , la Société géologique de France, « Sciences à l'École » et d'autres institutions prestigieuses, offre une plateforme idéale pour mener des projets scientifiques innovants et stimulants. Les inscriptions sont ouvertes du 24 septembre 2024 au 31 décembre 2024 . Ce concours s'adresse à tous les élèves francophones, du CE2 à la 3ᵉ, qu'ils soient en France ou à l'étranger. Encadrés par leurs enseignants, les élèves sont invités à imaginer des dispositifs expérimentaux autour de la thématique des risques naturels , à collecter des données en utilisant notamment les applications FizziQ et FizziQ Junior , à tirer des conclusions et à restituer leurs résultats de manière rigoureuse. Participer à ce concours, c'est offrir aux élèves l'opportunité de travailler en équipe, de développer leur esprit scientifique et de s'engager dans une véritable démarche expérimentale. Ils pourront associer plusieurs disciplines telles que les sciences de la vie et de la Terre, la technologie, les mathématiques, la physique ou la chimie, et même établir des liens avec l'histoire, la géographie ou les arts plastiques. Cette interdisciplinarité enrichira leur compréhension des phénomènes étudiés et favorisera une approche globale des risques naturels. De plus, les équipes sont vivement encouragées à se rapprocher de professionnels du monde scientifique , tels que des chercheurs, des ingénieurs ou des techniciens. Cet accompagnement par des experts permettra aux élèves de bénéficier de conseils avisés, d'approfondir leurs connaissances et de découvrir les métiers liés aux géosciences. Cette collaboration apportera une dimension supplémentaire à leur projet, en le reliant aux réalités du terrain et en stimulant leur motivation. Les applications FizziQ et FizziQ Junior faciliteront grandement la réalisation des projets. Gratuites, conformes au RGPD et sans partage de données, elles transforment les smartphones et les tablettes en laboratoires scientifiques, offrant un environnement d'expérimentation intuitif et accessible à tous. Vos élèves pourront ainsi réaliser des mesures précises, analyser les données collectées et structurer leur raisonnement scientifique dans un cahier d'expériences numérique. Des webinaires seront proposés entre octobre 2024 et janvier 2025 pour accompagner élèves et enseignants dans cette aventure : présentation des modalités du concours, prise en main des applications FizziQ, rencontres avec des experts scientifiques... Toutes les ressources seront mises à leur disposition pour faire de ce projet une réussite. Pour toute information complémentaire, vous pouvez contacter pauline.bacle@fondation-lamap.org pour des renseignements sur le concours ou les applications, et christophe@fizziqlab.fr pour toute question technique à propos de FizziQ et FizziQ Junior. Le concours est une occasion unique de stimuler la curiosité, de développer l'esprit critique et d'engager les élèves dans une démarche pédagogique innovante et enrichissante.

FizziQ Junior, le cahier d'expérience numérique gratuit et respectueux de la vie privée, est conçu spécifiquement pour les jeunes élèves de 7 à 12 ans. En collaboration étroite avec la Fondation La main à la pâte, et lauréat du concours Edu-Up de la Direction du Numérique auprès du Ministère de l'Education nationale, cette application révolutionne l'enseignement des sciences en permettant aux élèves d'explorer et de comprendre le monde qui les entoure de manière ludique et intuitive. Qu'est-ce que FizziQ Junior ? FizziQ Junior est une application mobile qui transforme les tablettes et smartphones en un laboratoire scientifique portable. Elle offre aux élèves un accès à une multitude de capteurs intégrés pour explorer des phénomènes naturels variés tels que les couleurs, les volumes sonores, les ombres et lumières, ou encore le mouvement et les dimensions. Ils utiliserons ces mesures pour relever un défi imaginé par leurs enseignants. Les élèves vont construire un cahier d'expérience structuré qui leur permettra de développer leur capacité d'analyse scientifique. Cette approche permet de rendre les sciences vivantes et concrètes, encourageant les élèves à s'engager activement dans leur apprentissage par l'investigation. Utiliser le numérique de manière raisonnée Les outils numériques, comme les tablettes, apportent aux élèves des capacités uniques qui enrichissent leur apprentissage, en particulier dans le domaine des sciences. Grâce à la multitude de capteurs intégrés (accéléromètre, microphone, capteurs de lumière, etc.), les tablettes permettent de transformer des expériences théoriques en expériences interactives et concrètes. Par exemple, avec une application comme FizziQ Junior, les élèves peuvent mesurer en temps réel des phénomènes tels que le son, la lumière, ou encore les mouvements. Cela permet d'illustrer et de rendre tangibles des concepts scientifiques abstraits, tout en rendant l'apprentissage plus engageant et motivant. De plus, les tablettes permettent une personnalisation de l'apprentissage. Chaque élève peut avancer à son rythme, avec des outils adaptés à ses besoins, en recevant un retour immédiat grâce à des interactions intuitives et visuelles. Cela favorise une meilleure compréhension et retient plus longtemps l'attention des élèves, ce qui est particulièrement utile pour les jeunes apprenants. Cependant, aussi précieux qu'ils soient, ces outils ne peuvent pas dominer le quotidien éducatif des élèves. L'apprentissage ne peut être exclusivement numérique, car les interactions humaines, la réflexion critique, et l'expérimentation en dehors du cadre digital sont tout aussi importantes. Les tablettes, si elles sont utilisées de manière excessive, peuvent encourager une passivité ou un manque de collaboration directe entre les élèves. C'est pourquoi il est essentiel de les considérer comme un complément puissant aux méthodes traditionnelles d'enseignement, et non comme une substitution. Nouveautés de la Version Actuelle Ergonomie et Flexibilité Accrues Nous avons repensé l'ergonomie de l'application pour offrir une flexibilité totale dans l'organisation des cahiers d'activités. Les éléments peuvent désormais être déplacés librement en format horizontal, et redimensionnés à souhait, offrant ainsi une personnalisation sans précédent de l'espace de travail numérique. Partage et Interaction Facilités La communication entre les enseignants et les élèves est simplifiée grâce à l'introduction du partage de cahiers via QR code ou un code à 6 lettres. Cette fonctionnalité permet une diffusion rapide et sécurisée des activités et des ressources, tout en permettant aux élèves de soumettre facilement leurs travaux complétés. Amélioration des Instruments de Mesure L'ensemble des instruments utilisant les capteurs des tablettes a été amélioré pour offrir une diversité plus large de mesures. Que ce soit pour des expériences impliquant le son, la lumière, le mouvement ou même la musique, les élèves bénéficient désormais d'outils plus précis et plus variés pour explorer les concepts scientifiques. Connectivité et Collaboration Renforcées Avec l'ajout des capteurs FizziQ Connect en mode radio, la connectivité devient extrêmement simple et efficace, permettant à un nombre illimité d'appareils de se connecter simultanément. Cette fonction multi-utilisateur est particulièrement avantageuse dans les environnements où les élèves partagent des équipements, améliorant ainsi l'accessibilité et la collaboration en classe. Tablettes partagées Dans la nouvelle version de FizziQ Junior, une fonctionnalité clé permet désormais aux tablettes d'être partagées par plusieurs élèves ou groupes d'élèves, voire plusieurs classes. Chaque utilisateur dispose de son propre espace de travail numérique, ce qui signifie que les activités et les cahiers peuvent être personnalisés et enregistrés sans empiéter sur le travail des autres utilisateurs. Cette fonctionnalité est particulièrement utile dans les environnements scolaires où les équipements sont partagés, offrant ainsi une flexibilité accrue tout en garantissant une gestion claire et efficace des travaux de chacun. Conclusion Avec cette deuxième version de FizziQ Junior, nous redéfinissons l'enseignement des sciences pour les jeunes élèves, en rendant l'apprentissage à la fois amusant, accessible et profondément instructif. Rejoignez-nous pour découvrir comment cette application peut transformer l'expérience scientifique dans vos classes et à la maison. Pour en savoir plus sur les fonctionnalités et les ressources disponibles, visitez notre site web et téléchargez l'application depuis Google Play ou l'App Store pour commencer l'aventure scientifique avec vos élèves !

L'effet de serre, à l’origine du phénomène de réchauffement climatique, est difficile à montrer par des expériences simples. De nombreuses propositions sont pourtant disponibles sur internet mais peu sont réellement reproductibles et nombreuses sont celles qui donnent de mauvaises représentations physiques du phénomène [1] . Cet article propose des méthodes pratiques et des outils accessibles pour aider les enseignants et les éducateurs à expliquer ce phénomène de manière engageante. Une expérience populaire de l'effet de serre - Les défis de l'effet de serre en bouteille - Les instruments de mesure - Le rayonnement infrarouge - Conduction et absorption - Rayonnement du corps noir - L’albédo - Identification des gaz à effet de serre - Spectre d’absorption du CO2 - Le refroidissement de la stratosphère Une expérience populaire de l'effet de serre Quelle est l'expérience idéale pour démontrer l'effet de serre ? En tapant « effet de serre expérience » sur un moteur de recherche, une suggestion revient souvent : comparer les températures de deux bocaux de verre, l'un ouvert et l'autre fermé, chacun contenant une feuille de papier noire au fond et exposé au soleil. Lorsqu'on ferme l'un des bocaux avec une vitre ou un plastique, la température dans le bocal fermé augmente plus rapidement que celle du bocal ouvert, atteignant jusqu'à 4 à 5 degrés de plus. Pourtant, si cette expérience est simple à mettre en oeuvre et produit des résultats toujours probants, il est bien établit qu'elle n'offre malheureusement pas une représentation réalistes des phénomènes à l'oeuvre dans l'effet de serre qui réchauffe la terre. En effet, si la température est plus élevée dans le bocal fermé, c'est essentiellement à cause de la suppression des courants de convection qui refroidissent l'air dans le bocal ouvert, et non pas de l'effet radiatif que l'on nomme effet de serre climatique. Cet explication a été proposé dès 1774 par le scientifique suisse Horace-Bénédict de Saussure et confirmé en 1909 par le scientifique Robert Williams Wood qui a montré que même en remplaçant le verre d'une serre par du halite, transparent aux infrarouges, la température augmentait de manière similaire, prouvant que l'effet observé est principalement lié à la convection. L'expérience précédente montre l'effet de serre "de serre" (ou "agricole") et non pas l'effet de serre "climatique" (ou "terrestre"). Si cette expérience continue d'être présentée en classe, ce n'est pas donc parcequ'elle offre une bonne représentation du phénomène, mais parcequ'elle donne une analogie simple et visuelle utile pour introduire les concepts de base de l'effet de serre, particulièrement à destination des plus jeunes. Elle est utile du point de vue pédagogique mais ne prouve rien en ce qui concerne le réchauffement climatique. Doit-on cependant en rester là ? Dans la suite nous verrons qu'il est possible d'offir des représentations beaucoup plus pertinentes du phénomène d'effet de serre climatique et de montrer expérimentalement l'effet radiatif des gaz à effet de serre. Cette tâche parfois un peu difficile est largement récompensée par la compréhension intime et précises que l'on peut alors avoir du phénomène. Les défis de l'effet de serre en bouteille Le phénomène d'effet de serre à l'otigine du réchauffement climatique est bien connu. Il est du au fait que certains gaz dans l'atmosphère terrestre, tels que le dioxyde de carbone (CO₂) et le méthane (CH₄), ainsi que la vapeur d'eau, absorbent et réémettent les radiations infrarouges émises par la surface terrestre. C'est cet effet radiatif que l'éducateur ou le jeune scientifique cherche à mettre en évidence à travers des activités expérimentales. Mettre cet effet de serre "en bouteille" est cependant plus hardu qu'il n'y parait : John Tyndall, le premier à avoir mesuré l'effet radiatif du CO2, rappelle ainsi qu'il a réalisé plus de 10 000 expériences différentes pour finalement prouver en 1859 que le gaz carbonique était un gaz à effet de serre [4] . Le premier obstacle que rencontre l'observateur est le fait que que la transmission de la chaleur est un phénomène complexe qui résulte de la combinaison de trois phénomènes différents : la conduction, la convection et le rayonnement. Ces phénomènes coexistent dans la plupart des expériences sur l'effet de serre, rendant très difficile l'isolation des effets individuels avec du matériel simple [2] . Cette difficulté est accrue par le fait que le réchauffement dû au rayonnement est relativement faible par rapport aux autres mécanismes. Une expérience d’effet radiatif impliquant une couche de 20 cm de CO₂ ne produirait au mieux qu'un réchauffement de un degré, la plupart du temps inférieur à l'impact de la convection ou de la conduction [3] . Du fait de la faible augmentation de chaleur qu'entrîane les phénomènes radiatifs, la reproductibilité des expériences est difficile. Les plus petites variations dans la distance des sources lumineuses, dans le choix des matériaux, dans la puissance des lampes, dans la concentration des gaz utilisés, peuvent avoir un impact significatif sur les résultats obtenus. Enfin, l'atmosphère terrestre est un environnement complexe structuré en plusieurs couches distinctes. Chaque couche présente des caractéristiques spécifiques qui contribuent à l'effet de serre, et des phénomènes de convection importants permettent de répartir la chaleur de manière homogène autour du globe. Modéliser un tel environnement dans une bouteille est impossible [6] . Pour toutes ces raisons, il n'existe pas d'expérience simple et irréfutable réalisable en classe ou chez soi qui démontre l'effet de serre « climatique » dans son ensemble. Cependant, il est possible de montrer différents aspects du réchauffement climatique par analogie ou en mesurant des effets spécifiques comme nous allons le découvrir. Les instruments de mesure Quels instruments de mesure utiliser pour montrer l'effet de serre et réaliser les expériences que nous décrivons dans la suite de cet article ? L’instrument le plus simple à utiliser et disponible est le thermomètre. Pour des mesures plus précises et dans la durée, un thermomètre digital, idéalement connecté à un ordinateur ou un smartphone pour faire de l’EXAO (Expérimentation assistée par Ordinateur), est préférable. Le thermomètre présente cependant plusieurs limitations : son temps de réaction est long, son placement dans l'étuve est crucial et il ne permet pas de mesurer directement le rayonnement. Pour mesurer les rayonnements infrarouges, on préférera utiliser une thermopile, inventé par le physicien italien Leopoldo Nobili au début du XIXe siècle . Composées de plusieurs thermocouples en série, elles permettent de mesurer à distance la température d'une surface pour des températures allant de -20 °C à 350 °C. L es thermopiles sont présentes dans les thermomètres infrarouges, mais aussi disponibles comme capteur externe pour des prix tout à fait réduits. Un autre instrument de mesure des rayons infrarouges mais plus onéreux est la caméra infrarouge, capable d'analyser le rayonnement des objets sous forme d'image. Des caméras infrarouges peuvent aujourd'hui être branchées sur un smartphone pour produire des photos ou des vidéos infrarouges. Ces nouveaux appareils, extrêmement pratiques, permettent d'analyser les phénomènes en vidéo. En complément des mesures de température, on peut utiliser des capteurs d’humidité, des capteurs de CO₂ pour mesurer les concentrations, et des cellules photoélectriques pour comparer les intensités lumineuses reçues ou mesurer l’albédo des matériaux. Tous ces capteurs existent de manière indépendante mais sont généralement assez coûteux, surtout pour faire de l’EXAO. Une solution consiste à utiliser des capteurs pour amateurs (hobbyists), connectés à un micro-contrôleur tel qu’un Arduino, ESP32 ou Microbit. On peut facilement analyser les données en connectant les contrôleurs à l’application FizziQ via Bluetooth , ce qui permet d’enregistrer et d’analyser les données dans des cahiers d’expériences. Pour ceux qui ne sont pas à l'aise avec les micro-contrôleurs, nous avons développé l'environnement FizziQ Connect , qui permet de réaliser des analyses en EXAO à un coût réduit par rapport aux autres solutions pédagogiques. FizziQ Connect utilise les capteurs M5 Stack , peu chers à l'achat et suffisament précis dans ce contexte. Un vaste choix est disponible chez d'autres fabricants comme Seed Studio . Le rayonnement infrarouge Pour comprendre le mécanisme de l’effet de serre terrestre, il est essentiel d'aborder en priorité le rayonnement infrarouge, ou "rayonnement calorifique" comme l'a nommé l'astronome britannique William Herschel en 1800. En menant une expérience avec un prisme pour décomposer la lumière du soleil en un spectre de couleurs, Herschel a observé que la température augmentait au-delà de la lumière rouge, dans une zone où aucune lumière visible n'était présente. Bien que le rayonnement infrarouge ne soit pas visible à l'œil nu, nous pouvons le ressentir sous forme de chaleur grâce à des thermorécepteurs situés dans notre peau . Certains animaux, comme les vipères, les pythons et les boas, possèdent des fossettes thermo-sensibles sur leur tête, leur permettant de détecter la chaleur infrarouge émise par les proies à sang chaud. Cela leur confère un avantage significatif pour chasser la nuit. Les capteurs des caméras de smartphones sont également sensibles aux rayons infrarouges, mais pour produire une image proche de ce que voit l'œil humain, les constructeurs ajoutent des filtres bloquant les infrarouges . Certains smartphones ont cependant des filtres moins performants ou à spectre plus large comme par exemple de nombreux smartphones Android bas de gamme. Une occasion de visualiser les rayons infrarouges ! Dans un endroit à éclairage modéré, ouvrez l'application caméra de votre smartphone et pointez-la vers l'émetteur infrarouge d'une télécommande de télévision. Appuyez sur un bouton de la télécommande tout en regardant l'émetteur à travers l'écran du smartphone. Vous verrez une lumière clignotante provenant de l'émetteur, visible sur l'écran même si elle est invisible à l'œil nu. Si votre smartphone ne détecte pas les infrarouges, cela signifie que le filtre infrarouge de la caméra est calibré pour donner une image la plus proche possible de ce que perçoit l'œil humain. Pourquoi les télécommandes utilisent-elles les rayons infrarouges plutôt que d'autres types de rayonnements ? Plusieurs raisons expliquent ce choix : simplicité technologique et coût réduit, mais aussi des caractéristiques spécifiques des rayons infrarouges. Ceux-ci sont invisibles à l'œil nu, sans danger pour la santé, ont une portée limitée et sont suffisamment directionnels pour permettre un contrôle précis des appareils sans interférer avec d'autres dispositifs électroniques à proximité. Conduction et absorption Une des avancées fondamentales de la théorie du réchauffement climatique est la découverte de l’interaction entre certains gaz, appelés gaz à effet de serre, et les rayons infrarouges [14] . Nous verrons dans d’autres expériences comment démontrer ce phénomène, mais pour le comprendre, il est plus simple d’expérimenter avec des surfaces solides. En effet, alors que certains matériaux comme le verre ou le plexiglas bloquent les rayons infrarouges (ou plutôt les absorbent), d’autres comme le polyéthylène basse densité (PEBD) transparent laissent passer les rayons infrarouges. Certains matériaux laissent même passer les rayons infrarouges alors qu’ils bloquent le rayonnement visible. Pour mettre en évidence ces notions de transparence, nous pouvons réaliser l'expérience suivante avec une thermopile ou un thermomètre digital infrarouge [5] . Une tasse est remplie d'eau chaude et une surface est intercalée entre la thermopile (circuit MLX90614) et la source de rayonnement infrarouge. Nous choisissons trois matériaux différents : une plaque de verre, un sac d’emballage transparent et un sac poubelle. Les résultats dans l’expérience que nous avons mené sont les suivants : sans matériau : 23,9 degrés, avec le verre : 18 degrés, avec le plastique transparent : 23,2 degrés, et avec le sac poubelle : 21,8 degrés. Le polyproéthylène du film alimentaire laisse donc passer 90% des rayons infrarouges, alors celui coloré des sac poubelle n'en laisse passer que 65% et que le verre est opaque. Cette expérience permet de comprendre comment l'atmosphère laisse passer les rayons visibles, mais bloque les rayons ultraviolets, dangereux pour l'homme, et certaines fréquences de rayons infrarouges. Rayonnement du corps noir L'atmosphère terrestre laisse passer les rayons visibles (et certains rayons infrarouges), qui sont ensuite absorbés par la surface de la Terre. Cette dernière réémet alors un rayonnement infrarouge, selon le principe du corps noir. Un corps noir est un objet théorique en physique qui absorbe parfaitement toutes les radiations électromagnétiques incidentes, sans en refléter ni en transmettre aucune. Il émet un rayonnement électromagnétique appelé rayonnement de corps noir, qui dépend uniquement de sa température et non de sa composition. Ce rayonnement suit la loi de Planck, décrivant la distribution spectrale de l'énergie émise. À des températures inférieures à 500 degrés Celsius, un corps noir émet des rayons infrarouges invisibles à l'œil nu. Cependant, à mesure que la température augmente, la quantité de radiation émise dans le spectre visible augmente également, rendant le corps noir visible. La loi de Wien nous permet de déterminer la longueur d'onde à laquelle le rayonnement est maximal. Pour visualiser l'effet du corps noir, on peut éclairer un carton noir avec une lampe LED et mesurer la température du carton et de la lampe avec une thermopile (ou un détecteur de température infrarouge). On constate que la température de la lampe est légèrement supérieure à celle de l'atmosphère. En effet, les lampes LED produisent très peu de chaleur, et sont donc très efficaces. Par contre la température du carton noir est plus élevée que celle de la lampe, car le carton a absorbé tous les rayons visibles et réémet des rayons infrarouges. L’albédo Un corps noir absorbe tous les rayonnements, mais dans la réalité seulement une partie est absorbé par les corps physique. Cette capacité à réfléchir la lumière incidente est l'albédo. Utilisé principalement en astronomie et en climatologie, l'albédo se situe entre 0 et 1, où 0 signifie que la surface absorbe toute la lumière et 1 qu'elle la réfléchit entièrement. Un matériau avec un albédo élevé, comme la neige ou la glace, renvoie la majorité de la lumière, contribuant ainsi à un refroidissement local. En revanche, une surface avec un albédo faible, comme l'océan ou une route asphaltée, reflète moins de lumière et en absorbe une partie. Cette fraction de lumière absorbée est convertie en chaleur, augmentant ainsi la température de la surface. C'est pour cette raison que le GIEC (Groupe d’Experts Intergouvernemental pour le Climat) affirme ainsi que « peindre les toits en blanc permettrait d'économiser 1Gt/an d'émissions de Gaz à Effet de Serre, soit l'équivalent de 250 millions de véhicules ». Une solution très ancienne puisque les Égyptiens peignaient dans l’antiquité leurs bâtiments en blanc pour réfléchir la chaleur du soleil, et les Romains utilisaient des marbres et autres matériaux réfléchissants dans les structures des bâtiments. Pour comprendre l'effet de l'albédo sur la température, rassemblez une lampe puissante (60W), des thermomètres ou capteurs connectés, et des matériaux de différentes couleurs (pâte à modeler jaune, rouge, orange, et bouteilles en aluminium grise et noire remplies d'eau). Placez les matériaux sous la lampe en gardant la même distance, inclinaison et orientation. Allumez la lampe pendant 10 minutes. Utilisez l'application FizziQ pour mesurer la luminance, une mesure de la lumière réfléchie, et calculez l'albédo comme le rapport de la luminance d'une surface par rapport à une feuille de papier blanc. Après l'exposition, mesurez les températures et observez que les matériaux sombres (rouge, noir) absorbent plus de lumière et chauffent davantage que les matériaux clairs (jaune, gris), démontrant ainsi l'impact de l'albédo sur la température. Cette expérience est décrite de façon détaillée sur le site de notre partenaire La main à la pâte en suivant ce lien . A partir de ce qui précède on peut estimer l'albédo de la terre. En proposant une répartition des surface de différentes couleurs du globe terrestre, on peut avoir une idée de l'abédo de la terre. On rapprochera cette valeur de l'estimation de 0,3 qui est généralement utilisée pour estimer quelle serait la température du globe en l'absence d'effet de serre, soit -18 degrés. Identification des gaz à effet de serre En 1856, l’expérimentatrice Eunice Foote publie dans les annales de l'American Association for the Advancement of Science un papier dans lequel elle compare le réchauffement relatif de bocaux remplis de l’air, de CO2 et de vapeur d’eau. Elle constate que les bocaux remplis de CO2 et de vapeur d’eau se réchauffent plus vite et conclu avec une phrase prophétique : "Une atmosphère remplie de ce gaz (CO2) donnerait à notre Terre une température plus élevée" [13] . On sait aujourd’hui que l’expérience telle qu’elle l’a réalisée ne permet pas d’expliquer l’effet de serre « climatique », et s’explique principalement par les différences de masse volumique différents entre l’air, le CO2, et des effets de conduction et de convection dans les bocaux en verre absorbants les rayons infrarouges. Cependant l’intuition de cette pionnière était la bonne et CO2 est identifié comme un gaz à effet de serre, c’est-à-dire un gaz qui absorbe certain rayons infra-rouges et les rediffuse. De nombreuses autres expériences que l'on trouve sur internet prétendent également pouvoir démontrer l'effet de CO2 comme gaz à effet de serre. Beaucoup de ces expériences ne sont pas reproductibles ou donnent des résultats faux. Dans ces expériences les effets de convection et de conduction ne sont pas évalués alors qu'ilssont dominants par rapport à l’effet radiatif du à l’absorption des rayons infrarouges pour les gaz à effet de serre [2] [7] [10] . Par contre le protocole suivant donne des résultats tout à fait interprétables. Il consiste à comparer deux gaz ayant des caractéristiques physiques proches mais dont l’un n’est pas un gaz à effet de serre. On aura alors trois mesures à notre disposition ce qui nous permettra également d'évaluer l'effet convectif. Un gaz couramment utilisé est l'argon l’argon qui est un gaz inerte et de caractéristqiues proches de celles du gaz carbonique. Les écarts de températures dus à l’effet radiatif sont de l’ordre de quelques dixième de degrés, la précision des mesures est donc très importante. Dans l’exemple sur la photo ci-dessus, nous avons pris une bouteille en plastique coupée et tapissée de papier noir, éclairée par un projecteur de 100 W à une hauteur de 60 cm. Une sonde est placée à l’intérieur, protégée par un morceau d’aluminium pour éviter les radiation directes de la lampe et une sonde extérieure est placée à 1,5 m comme référence. A l’équilibre on mesure l’écart ΔT de température entre la sonde intérieure et la référence. On constate un effet radiatif est de 0,5°C et un effet de convection de 0,4°C. Spectre d’absorption du CO2 La molécule de CO₂ absorbe les rayons infrarouges en raison de ses modes de vibration, notamment l'étirement asymétrique et les vibrations de flexion. Lorsque les atomes de la molécule vibrent de manière à changer le moment dipolaire, ils peuvent interagir avec le rayonnement infrarouge. Ces vibrations permettent à la molécule de CO₂ d'absorber et de ré-émettre l'énergie infrarouge. Cependant la molécule de CO2 n’absorbe pas toutes les fréquences. Comme John Tyndall l’a montré avec l’élaboration du premier spectre d’absorbance de différents gaz, le CO2 a des bandes d’absorption différentes dans les infrarouges moyens et lointains (4 micromètres et 15 micromètres). D’autres composés de l’atmosphère comme la vapeur d’eau participent également au réchauffement climatique en absorbant d’autres fréquences de rayons infrarouges, notamment les infrarouges moyens autour de 6,3 micromètres. Pour visualiser cette absorption on peut faire l’expérience suivante [11] . On gonfle un ballon avec du CO2 en utilisant du bicarbonate de soude et du vinaigre, et on gonfle un autre ballon avec de l’air. Puis on mesure grâce à une caméra infrarouge la température d’une flamme de bougie placée derrière le ballon. On constate que la température maximale de la flamme diminue quand on utilise un ballon rempli de CO2, du au fait que le rayonnement infrarouge est absorbé par le CO2 présent dans le ballon. Il est également possible de reproduire l'expérience de Tyndal en construisant une chambre fermée à une extrrémite et dans laquelle on place une thermopile. Devant ce dispositif est placé une bougie qui crée les rayons infraouges. On fait entrer dans cette chambre du gaz carboniqueou de l'air placé dans un ballon. On compare l'impact de l'air et du CO2. Cet appareillage précis et permattant des conditions parfaitement reproductible est le moyen idéal pour étudier l'effet des rayons infrarouges sur le CO2. Le refroidissement de la stratosphère Une des prédictions les plus probantes de la modélisation de l’effet de réchauffement climatique est le refroidissement de la stratosphère. La stratosphère est la deuxième couche de l'atmosphère terrestre, située au-dessus de la troposphère et s'étendant de 10 à 50 kilomètres d'altitude. Elle se caractérise par une augmentation progressive de la température avec l'altitude, en raison de l'absorption des rayons ultraviolets (UV) par l'ozone. Cette couche est essentielle pour la protection de la vie sur Terre, car elle contient la couche d'ozone, qui absorbe la majorité des UV nocifs du soleil. Contrairement à la troposphère, la stratosphère est relativement stable, avec peu de mouvements verticaux d’air. En 1967, les scientifiques Syukuro Manabe et Richard Wetherald, réalisent la première modélisation sur ordinaeur de l'impact d'un doublement de la concentration du CO2 dans l'atmosphère. Il calculent que l'effet de serre entrainerait un réchauffement de la troposphère mais également, et de façon plus surprenante, un refroidissement de la stratosphère. En effet, si il y a plus de gaz à effet de serre dans la stratosphère, celle-ci qui se comporte comme un corps noir va émettre plus de rayonnement infrarouge à la fois vers le ciel et vers la terre. Mais comme moins de chaleur atteint la stratosphère puisque cette chaleur est capturée dans les couches de la troposphère, cette couche atmosphérique se refroidit car elle émet plus de rayonnement qu’elle n’en reçoit. Ce contraste entre le réchauffement de la troposphère et le refroidissement de la stratosphère est une signature claire de l'impact des activités humaines sur le climat et les prédictions de Manabe et Wetherald ont bien été confirmé par les mesures par satellites et ballons sondes. Pour expérimenter avec cet effet particulier, nous pouvons utiliser avec une piscine solaire. Une piscine solaire, ou bassin solaire, est un est un récipient dans lequel on a placé une eau fortement salée et qui est placée au soleil. La densité de l'eau augmente avec la salinité car les sels dissous ajoutent de la masse à l'eau sans augmenter son volume de manière significative. Les couches dans la colonne d’eau se stratifient naturellement selon leur densité, avec les couches plus denses (plus salées) en bas et les couches moins denses (moins salées ou douces) en haut. Cette stratification crée une situation stable où les couches plus lourdes restent en bas, empêchant les mouvements de convection qui pourraient mélanger les couches. Dans les bassins solaires, cette stratification est exploitée pour créer un gradient thermique stable. La couche supérieure, peu salée, agit comme une isolation thermique. La couche intermédiaire, avec un gradient de salinité, empêche les mouvements de convection, piégeant ainsi la chaleur. La couche inférieure, très salée et dense, absorbe et stocke la chaleur solaire. Cette configuration permet au bassin solaire de retenir efficacement la chaleur, en empêchant le mélange des couches et en maximisant l'absorption et le stockage de l'énergie solaire. Cette chaleur piégée peut ensuite être extraite à l'aide d'échangeurs de chaleur et utilisée pour diverses applications telles que le chauffage des espaces, les processus industriels ou la production d'électricité. Le bassin solaire capture et retient l'énergie solaire de manière simple et efficiente, constituant une méthode efficace pour le stockage et l'utilisation de l'énergie thermique. Ce que l'on constate et qui permet de mieux comprendre l'effet de refroidissement de la stratosphère, est que si l'on augmente la concentration de sel, à éclairement constant, la températiure de la surface de l'eau diminue. En effet, plus d'énergie est piègée au fond de la piscine, et moins d'énergie est disponible pour réchauffer la surfacede la piscine. Conclusion Comprendre et démontrer l'effet de serre, clé du réchauffement climatique, est un défi expérimental majeur. Bien que de nombreuses expériences soient disponibles, peu sont fidèlement reproductibles. Cependant, il est possible avec du matériel peu couteux de réaliser des expériences tout à fait réalistes qui permettent de montrer différents aspects du phénomène d'effet de serre [11] [12] . Des approches combinées et des analogies permettent de saisir les aspects essentiels du réchauffement climatique, soulignant l'importance d'un enseignement scientifique rigoureux et varié. En savoir plus [1] http://climatechangeeducation.org/hands-on/difficulties/heating_greenhouse_gases/sound_examples/ [2] https://rtobin.phy.tufts.edu/Wagoner%20AJP%202010.pdf [3] https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/critique-tp-co2atm.xml [4] https://protonsforbreakfast.wordpress.com/2023/09/04/tyndall-1/ [5] https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/rayonnement-effet-de-serre.xml [6] https://web.lmd.jussieu.fr/~jldufres/publi/1996/Manip_Billet_1996/Scan/p_dossier_3.pdf [7] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0143-0807/35/2/025016 [8] https://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/Effet-serre-Dufresne.xml [9] https://web.lmd.jussieu.fr/~jldufres/publi/1996/Manip_Billet_1996/Scan/p_dossier_3.pdf [10] http://hharde.de/index_htm_files/Harde-Schnell-GHE-m.pdf [11] https://www.sentinel-hub.com/docs/student_exploration_with_infrared_light.pdf [12] https://pubs.aip.org/aapt/ajp/article-abstract/90/4/256/2819979/Balloon-borne-two-channel-infrared-spectral [13] https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsnr.2020.0031 [14] https://jancovici.com/changement-climatique/aspects-physiques/quest-ce-que-leffet-de-serre/ [15] https://climate-dynamics.org/wp-content/uploads/2016/06/manabe67.pdf

Savez-vous qu'avec un simple smartphone, il est possible de reproduire les expériences de grandes figures de la science ? Dans cet article, nous vous proposons de réaliser 12 expériences conçues par des scientifiques de renom tels que Pythagore, Robert Boyle ou Albert Einstein. Ces expériences, accessibles à tous, ne nécessitent pas d'appareillage complexe. Êtes-vous prêts à découvrir le travail de nos prédécesseurs et à vous immerger dans des découvertes scientifiques fascinantes ? Préparez vos smartphones ! Table des matières Pythagore et l'invention de la gamme - Galilée et le pendule - Toricelli et l'écoulement de l'eau - Newton et la gravitation - Leibniz et la conservation de l'énergie - Boyle et les ondes sonores - Einstein et l'expérience de pensée de l'ascenceur - Doppler et l'effet Doppler - Nollet et la mesure de la vitesse du son - Young et la théorie des couleurs - Delambre et la mesure du méridien - Von Helmotz et le résonateur Pythagore et l'invention de la gamme Un jour, en se promenant près d'une forge, on raconte que Pythagore fut frappé par les sons harmonieux produits par les marteaux frappant l'enclume. Intrigué, il remarqua que la hauteur des sons dépendait de la taille et du poids des marteaux. Il mena alors des expériences en suspendant différents poids à des cordes et en les frappant, découvrant que des rapports de poids spécifiques produisaient des sons harmonieux. Pythagore identifia trois intervalles musicaux fondamentaux : l'octave (rapport 1:2), la quinte (rapport 2:3) et la quarte (rapport 3:4). Ces intervalles formèrent la base de la gamme diatonique pythagoricienne. Pythagore, l'un des plus grands génies de la Grèce antique (570-495 av. J.-C.), était mathématicien, philosophe, musicien et mystique. Fondateur du mouvement pythagoricien, il mettait l'accent sur les mathématiques, la musique et l'harmonie universelle. Ses contributions incluent le célèbre théorème de Pythagore, et son intérêt pour la musique l'a conduit à explorer les intervalles musicaux et le concept de "l'harmonie des sphères". Pour faire une analyse semblable à celle de Pythagore et retrouver ses intuitions, nous vous proposons d'utiliser le synthétiseur de sons de l'application et de déterminer expérimentalement les accords de fréquences qui vous paraissent harmonieux. Essayez par exemple, en choisissant une fréquence de base de 600 hertz, puis en ajoutant une deuxième voie, identifiez les accords "harmoniques". Sont-ils ceux trouvés par Pythagore ? Les intervalles de Pythagore sonnent-ils différemment des autres accords ? Analysez ces accords avec l'oscilloscope de l'application pour comprendre pourquoi ils sont agréables à l'oreille. Pour en savoir plus sur les ondes sonores et les accords harmoniques, vous pouvez consulter notre article : Peut-on voir un son ? Galilée et le pendule Tout le monde connaît l'anecdote de Galilée et la chute des poids du haut de la tour de Pise, une structure penchée faisant partie de l'ensemble architectural de la cathédrale de Pise, chef-d'œuvre de l'architecture romane construite entre le XIe et le XIIe siècle. Une autre anecdote moins connue se déroule à l'intérieur de cette cathédrale. Alors qu'il était étudiant en médecine à l'université, Galilée remarqua une lampe suspendue se balançant durant un office religieux. Intrigué par le mouvement régulier de la lampe, il utilisa son pouls pour mesurer le temps entre les oscillations et constata que, quelle que soit l'amplitude du balancement, la période des oscillations restait remarquablement constante. Cette observation marqua le début de ses expériences avec des pendules, contribuant de manière significative à la physique classique, notamment à la mesure précise du temps et à l'élaboration de la théorie de la mécanique. Cent ans plus tard, Christian Huyghens confirmera l'hypothèse de Galilée et donnera une modélisation du pendule simple dont la période des oscillations ne dépend que de la longueur du fil et de la gravité. Pour des petites oscillations : T = 2π * √(l/g) où T est la période en secondes, l est la longueur du fil en mètres et g est l'accélération due à la gravité en mètres par seconde carré. Vous pouvez montrer expérimentalement cette relation avec un smartphone. Fixez un crochet au plafond et attachez une longue corde avec un smartphone au bout, fixé dans une pochette en plastique, puis faites-le osciller. La période peut être mesurée de multiples manières grâce aux capteurs des smartphones, par exemple en mesurant l'accélération, les variations du champ magnétique par rapport à un aimant sur le sol ou la luminosité en placant le smartphone sur le sol et au bout du pendule une boule qui cache le détecteur. Si vous disposez d'un pendule de Newton, vérifiez la régularité des oscillations en mesurant le temps entre les chocs grâce à la mesure du niveau sonore. Pour en savoir plus, vous pouvez découvrir toutes les expériences que nous proposons sur le thème du pendule avec un smartphone : Activités sur le pendule. Toricelli et l'écoulement de l'eau Evangelista Torricelli (1608-1647) était un mathématicien et physicien italien, principalement connu pour son invention du baromètre à mercure. Élève de Galileo Galilei, Torricelli a poursuivi ses travaux sur la pression atmosphérique et les fluides, développant des principes fondamentaux de la dynamique des fluides. À l'époque, les scientifiques ne comprenaient pas pourquoi les pompes à eau ne pouvaient pas soulever l'eau au-delà de 10 mètres. Torricelli a émis l'hypothèse que la pression de l'air exercée sur l'eau de la cuve fait équilibre à la colonne d'eau. Pour tester cette idée, il a rempli un tube de mercure, plus dense que l'eau, et l'a inversé dans un bassin de mercure. Une colonne de mercure de 76 cm est restée, créant le vide dans la partie supérieure, et était équivalent à une colonne d'eau de 10 m en tenant compte de la densité du mercure (13,6). Cette expérience a prouvé l'existence de la pression atmosphérique et du vide, posant ainsi les bases de la météorologie moderne et de la physique des fluides. Une autre contribution du scientifique est la loi de Torricelli, qui explique que la vitesse d'écoulement d'un fluide par un orifice sous un réservoir est proportionnelle à la racine carrée de la hauteur du fluide au-dessus de l'orifice. La loi de Torricelli stipule que la vitesse d'écoulement d'un fluide par un orifice sous un réservoir est proportionnelle à la racine carrée de la hauteur du fluide au-dessus de l'orifice. Formellement, la vitesse v est donnée par v=√(2gh)​, où g est l'accélération de la pesanteur et h est la hauteur de la colonne de fluide. Cette loi découle des principes de conservation de l'énergie et de la dynamique des fluides, illustrant comment la pression et la hauteur influencent le débit d'écoulement. Pour reproduire cette expérience, on peut réaliser l'expérience simple suivante : choisissez une bouteille d'eau et percez un trou près de son fond. Filmez ensuite la bouteille avec un smartphone pendant qu'elle se vide. Cette vidéo peut être analysée grâce à l'analyse cinématique pour observer la relation entre la hauteur de l'eau et la vitesse d'écoulement. Newton et la gravitation La découverte de la gravitation par Isaac Newton est l'une des légendes les plus célèbres de l'histoire de la science, souvent embellie par l'anecdote de la pomme tombant d'un arbre. Bien que cette histoire soit populaire, la véritable manière dont Newton a formulé sa théorie de la gravitation universelle est plus complexe et repose sur des années de recherches et d'observations minutieuses. Vers le milieu des années 1660, Newton était déjà profondément engagé dans l'étude de la physique et des mathématiques à l'Université de Cambridge. Lorsqu'une épidémie de peste força l'université à fermer en 1665, Newton retourna à Woolsthorpe, sa ville natale. C'est durant cette période de retraite forcée, connue comme son "annus mirabilis" ou année miraculeuse, qu'il commença à développer ses idées révolutionnaires en physique. La fameuse histoire de la pomme suggère que Newton fut inspiré à formuler sa théorie de la gravitation après avoir vu une pomme tomber d'un arbre. Selon des récits rapportés par William Stukeley, un ami de Newton, et John Conduitt, son beau-fils, Newton leur a raconté que l'incident de la pomme l'avait fait réfléchir à la nature de la force qui faisait tomber la pomme perpendiculairement au sol. Cependant, la vraie percée de Newton ne fut pas simplement de réaliser que les objets tombent vers la Terre, mais plutôt de généraliser cette attraction pour comprendre que tous les corps dans l'univers s'attirent mutuellement. Newton commença à penser que la même force qui faisait tomber la pomme était aussi responsable du maintien des planètes en orbite autour du Soleil. Il formula sa loi de la gravitation universelle, qui stipule que chaque particule de matière dans l'univers attire chaque autre particule avec une force directement proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance entre leurs centres. Ces travaux furent publiés en 1687 dans son œuvre majeure, les "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica" (Principes mathématiques de la philosophie naturelle), qui établissent les fondements de la mécanique classique. Pour mieux comprendre la gravité, on peut laisser tomber son smartphone à la place de la pomme. Une telle expérience permettra de faire rapidement une estimation de g en mesurant la durée de la chute d'une certaine hauteur. Bien sûr, il faut s'assurer que le smartphone tombe sur une surface molle et mesurer précisément la hauteur et le temps écoulé lors de la chute. Suivez le protocole d'activité suivant qui décrit la marche à suivre : Mesure de g. Leibniz et la conservation de l'énergie Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) était un polymathe allemand, reconnu pour ses contributions significatives à la philosophie, aux mathématiques, à la logique, à la théologie et aux sciences. Né à Leipzig dans une famille de juristes, Leibniz montra dès son jeune âge une intelligence remarquable et une curiosité insatiable pour divers domaines du savoir. Polyglotte, il maîtrisait plusieurs langues, dont le latin, le grec, le français et l'allemand, et possédait des notions en anglais, en italien et en néerlandais. Cet intérêt pour les langues le poussa à proposer des idées pour améliorer l'efficacité de la communication humaine, notamment en travaillant sur le développement d'une langue universelle, ou "caractéristique universelle", basée sur un système logique de symboles permettant de représenter des concepts. Il pensait que cette langue universelle pourrait non seulement faciliter la communication entre les différents peuples, mais également aider à résoudre des différends philosophiques ou scientifiques en clarifiant les concepts. Malgré ses efforts et ses recherches approfondies, il ne réussit jamais à mettre en œuvre cette idée. Leibniz n'était pas convaincu de la vision cartésienne selon laquelle la quantité de mouvement (le produit de la masse et de la vitesse) était conservée dans les collisions. Il observa que cette théorie ne tenait pas compte de toutes les observations expérimentales, notamment celles des collisions élastiques, où la somme des produits de la masse et de la vitesse semblait varier. Pour résoudre cette incohérence, Leibniz proposa le concept de "vis viva" (force vive), qu'il définissait comme le produit de la masse et du carré de la vitesse (mv² ). Il démontra que dans un système isolé, la somme de ces vis viva se conservait, même si la quantité de mouvement ne le faisait pas nécessairement. Cette idée novatrice jeta les bases de notre compréhension moderne de l'énergie cinétique, en mettant en lumière l'importance de la conservation de l'énergie dans les phénomènes mécaniques. De nombreuses expériences peuvent être réalisées avec un smartphone pour illustrer la conservation de l'énergie lors de chocs. Pour faire cette étude au mieux, utilisez le module cinématique de l'application FizziQ. Avec un smartphone, filmez un choc élastique puis un choc inélastique, et étudiez les lois de conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie. On trouvera sur le site fizziq.org une vidéo qui permettra de faire des mesures précises : Collision. Boyle et les ondes sonores Robert Boyle (1627-1691), chimiste et physicien irlandais, est considéré comme l'un des fondateurs de la chimie moderne. Il est surtout connu pour la loi de Boyle, qui décrit la relation inverse entre la pression et le volume d'un gaz à température constante. Ses expériences avec une pompe à vide ont démontré l'importance de la pression atmosphérique et ont jeté les bases de la chimie physique. L'une de ses expériences les plus célèbres impliquait une tortue placée dans une chambre à vide pour observer les effets du vide sur un organisme vivant. Boyle et son assistant, Robert Hooke, ont noté que, à mesure qu'ils retiraient l'air de la chambre, la tortue devenait de plus en plus inactive. Ils ont rapidement réintroduit l'air avant que la tortue ne subisse des dommages permanents, démontrant ainsi de manière spectaculaire l'importance de l'air pour la survie des êtres vivants. À partir de cette constatation, Boyle a mené de nombreuses expériences, notamment sur la propagation des sons. Il a montré que le son ne peut se propager dans le vide en plaçant une horloge à carillon dans une cloche de verre reliée à une pompe à vide. En retirant progressivement l'air de la cloche, il a observé que le son de l'horloge devenait de plus en plus faible jusqu'à devenir inaudible lorsque le vide était presque complet. Cette expérience a prouvé que le son nécessite un milieu matériel, comme l'air, pour se propager, confirmant que le vide est un isolant acoustique efficace et illustrant les principes de la transmission des ondes sonores. Vous pouvez reproduire une telle expérience en utilisant un bocal dans lequel vous pouvez diminuer la pression atmosphérique, comme ceux utilisés pour conserver des aliments, ou mieux encore, une cloche à vide de laboratoire. Placez un smartphone émettant un son d'intensité constante dans le bocal, ce smartphone servant également à mesurer la pression atmosphérique (les smartphones Apple comportent des capteurs de pression atmosphérique). À l'extérieur de la cloche, mesurez l'intensité sonore avec un autre smartphone. En diminuant progressivement la pression dans la cloche, mesurez la baisse de l'intensité sonore. Vous vérifierez ainsi que l'intensité sonore diminue logarithmiquement à mesure que la pression dans la cloche diminue. Einstein et l'expérience de pensée de l'ascenceur Une expérience de pensée est un scénario hypothétique utilisé pour explorer les conséquences d'un principe ou d'une théorie en l'absence d'expérimentation physique réelle. Elle consiste à raisonner sur un problème en utilisant uniquement l'imagination et la connaissance des lois physiques, sans nécessiter de preuves empiriques ou d'exécution pratique. Employées dans divers domaines, y compris la physique, la philosophie, les mathématiques et l'éthique, les expériences de pensée servent d'outils puissants pour conceptualiser des idées, remettre en question les notions existantes et stimuler l'exploration intellectuelle. Albert Einstein, l'un des utilisateurs les plus éminents des expériences de pensée, les a largement utilisées pour développer ses théories révolutionnaires en physique, notamment les théories de la relativité restreinte et générale. Ces expériences lui ont permis de visualiser des problèmes complexes et des paradoxes en physique, difficiles ou impossibles à tester avec la technologie de son époque. L'une des expériences de pensée les plus célèbres d'Einstein concerne la théorie de la relativité générale : l'expérience de l'ascenseur. Einstein s'imaginait à l'intérieur d'un ascenseur fermé dans l'espace profond, qui accélère vers le haut. Une balle lâchée dans l'ascenseur semble tomber vers le sol de manière similaire à l'attraction gravitationnelle de la Terre. En contraste, un ascenseur stationnaire près d'une planète subit un effet similaire dû à la gravité. L'essence de cette expérience est que, dans les limites de l'ascenseur, on ne peut pas distinguer entre les effets de la gravité et l'accélération pure. Pour réaliser cette expérience, placez un smartphone sur une table et ouvrez l’instrument de mesure Accélération absolue de l'application FizziQ. Vous verrez apparaître la valeur de 9,80 m/s², correspondant à l'accélération de la pesanteur. Ensuite, placez un matelas par terre, ou utilisez un lit moelleux, appuyez sur le bouton enregistrer, puis lancez le smartphone pour qu'il décrive une parabole et retombe sur le matelas. Après avoir arrêté l'enregistrement et ajouté les données au cahier d'expérience, vous constaterez que pendant toute la période en l’air, l’accélération mesurée est nulle. Bien que le smartphone soit en chute libre, et donc que sa vitesse verticale varie pour un observateur placé sur terre, le smartphone lui-même ne perçoit aucune force, il est en apesanteur. Cette expérience reproduit exactement l'expérience de pensée de l'ascenseur d'Einstein. Le smartphone est équivalent à un ascenseur qui tombe avec la même accélération que la gravité. À l'intérieur du smartphone, l'accéléromètre ne peut pas détecter s'il est en chute libre ou si la gravité est nulle. Pour lui, comme pour la personne présente dans l'ascenseur, la gravité est équivalente à une accélération. Pour en savoir plus vous pouvez consulter nos deux articles sur le sujet : un article consacrée à la gravité, et un article expliquant comment fonctionne un accéléromètre. Doppler et l'effet Doppler En 1842, Christian Doppler, un physicien autrichien, propose une nouvelle théorie sur le décalage de la fréquence d'une onde lorsque la source se déplace par rapport à l'observateur. Sa théorie est accueillie avec un grand scepticisme par la communauté scientifique, principalement parce que les moyens de déplacement de l'époque ne permettaient pas de démontrer clairement ce que la théorie prédisait. Cependant, une preuve irréfutable de la théorie de Doppler est apportée en 1845 par le météorologue Buys-Ballot. Il organise une expérience spectaculaire en plaçant des musiciens sur une plateforme d'un train lancé à 70 km/h, leur faisant jouer une note constante. Les personnes le long du trajet ont pu constater le changement de fréquence des sons émis par l'orchestre lorsque le train passait devant elles, confirmant que l'effet Doppler n'était pas une illusion. La fréquence d'une onde, qu'elle soit sonore ou lumineuse, est affectée par le mouvement de la source par rapport à l'observateur. Ce décalage de fréquence est directement proportionnel à la vitesse, selon l'équation : Δf = f * Vmobile / Vonde, ​​où Vmobile ​est la vitesse du mobile et Vonde ​est la vitesse de l'onde. Aujourd'hui, l'effet Doppler est utilisé dans de nombreuses technologies, telles que le radar météorologique, l'imagerie médicale, ainsi que pour le contrôle et la sécurité. Il s'est révélé être un outil précieux pour les astronomes, leur permettant de comprendre les mouvements célestes et de découvrir de nouveaux objets comme les exoplanètes. Des humbles débuts dans le laboratoire de Doppler jusqu'aux observatoires modernes scrutant les profondeurs de l'espace, l'effet Doppler a façonné notre compréhension de l'univers, nous offrant des fenêtres sur le mouvement et la composition des corps célestes. De nombreuses expériences peuvent être réalisées avec un smartphone pour mettre en évidence et vérifier expérimentalement la loi de Doppler. Pour cela, on peut utiliser le synthétiseur sonore des smartphones pour générer des sons et mesurer la fréquence des sons grâce au microphone. Ces expériences permettent de démontrer concrètement le décalage de fréquence observé lorsque la source sonore est en mouvement par rapport à l'observateur. Vous trouverez 5 expériences à réaliser sur ce sujet en suivant ce lien : https://www.fizziq.org/post/experiment-doppler-effect Nollet et la mesure de la vitesse du son Jean-Antoine Nollet (1700-1770), également connu sous le nom de l'Abbé Nollet, était un physicien et prêtre français renommé pour ses contributions à l'étude de l'électricité et de l'acoustique. Né à Pimprez, Nollet commença sa carrière en théologie avant de se tourner vers les sciences naturelles. Il devint membre de l'Académie des Sciences et enseigna la physique expérimentale au Collège de Navarre à Paris. Nollet est surtout connu pour ses travaux sur l'électricité. Il fut l'un des premiers à démontrer les effets de l'électricité statique et à populariser les expériences électriques en Europe. Il inventa l'électromètre, un appareil pour mesurer la charge électrique, et réalisa des démonstrations publiques spectaculaires qui captivèrent l'imagination de son époque. En 1738, l'Académie des Sciences chargea Nollet de déterminer avec précision la vitesse du son. Utilisant la topographie du bassin parisien, Nollet plaça un canon sur la tour de Montlhéry, avec des observateurs postés sur la butte Montmartre, à 28 kilomètres de là. De nuit, ils chronométrèrent le temps écoulé entre la vue du flash lumineux et l'écoute du "BANG" d'un coup de canon. La lumière du coup de feu étant perçue presque instantanément, ils mesurèrent ensuite le temps nécessaire pour entendre le son. Nollet calcula la vitesse du son en utilisant la distance et le temps mesuré, rapportant une vitesse de 337,2 mètres par seconde à l'Académie des Sciences. Cette valeur, très proche de la mesure moderne (environ 343 m/s à 20°C), démontra la précision et la rigueur de sa méthode scientifique. Son expérience marqua un tournant dans l'étude des ondes sonores et reste un exemple marquant de l'application pratique des principes scientifiques. On peut facilement reproduire cette expérience en classe ou à la maison avec deux smartphones équipés de l'application FizziQ. Pour cela, utilisez les chronomètres acoustiques de l'application, qui permettent de mesurer le temps écoulé entre deux événements sonores. Placez les deux smartphones côte à côte et déclenchez les chronomètres en battant des mains. Ensuite, déplacez l'un des deux téléphones d'une distance d'au moins 5 mètres et claquez à nouveau des mains près de l'autre téléphone. Les chronomètres s'arrêtent et la vitesse du son peut être calculée en divisant la distance par la différence de temps entre les deux chronomètres. Pour réaliser cette expérience, suivez le lien suivant : mesure de la vitesse du son Young et la théorie des couleurs Thomas Young, physicien et polymathe britannique, est célèbre pour ses travaux révolutionnaires sur la théorie des couleurs et la vision trichromatique. Au début du XIXe siècle, Young s'intéressa à la manière dont l'œil humain perçoit les couleurs. En 1801, il proposa que la vision des couleurs repose sur trois types de récepteurs dans l'œil, chacun étant sensible à l'une des trois couleurs primaires : rouge, vert et bleu. Pour tester sa théorie, Young utilisa des filtres colorés et des sources lumineuses de différentes longueurs d'onde. Il démontra que la combinaison de ces trois couleurs de base pouvait reproduire toutes les autres couleurs perceptibles par l'œil humain. Par exemple, en combinant les lumières rouge et verte, il pouvait créer du jaune ; en combinant le bleu et le rouge, il obtenait du magenta ; et en combinant les trois, il obtenait du blanc. Il fallut plus de 150 ans avant que l'existence de cellules sensibles à trois différentes gammes de longueurs d'onde (les plus sensibles au vert-jaune, au vert-bleu et au bleu – et non au rouge, vert et bleu) soit confirmée. Ces cellules furent identifiées en 1956 par Gunnar Svaetichin. En 1983, cette découverte fut validée dans les rétines humaines lors d'une expérience menée par Herbert Dartnall, James Bowmaker et John Mollon, qui obtinrent des lectures microspectrophotométriques des cônes individuels des yeux humains. Cette découverte a eu une profonde influence sur la science de l'optique, la compréhension de la perception visuelle, et a également été fondamentale pour le développement de technologies modernes telles que les écrans de télévision et d'ordinateur, qui utilisent des pixels rouges, verts et bleus pour afficher une gamme complète de couleurs. Pour reproduire expérimentalement l'expérience de Thomas Young avec un smartphone, suivez l'expérience suivante : en utilisant l'instrument Couleur de l'application FizziQ, visez une couleur puis ajoutez cette mesure au cahier d'expérience. Cette mesure vous donnera la quantité des couleurs primaires rouge, vert et bleu qui composent cette couleur. En utilisant le Synthétiseur de couleur dans les Outils avec les quantités déterminées par le spectre, vous pouvez alors reconstruire cette couleur. Quelle que soit la couleur, elle peut être recomposée à partir des trois couleurs principales. Les trois couleurs primaires, mélangées, suffisent donc pour créer n'importe quelle couleur que nous percevons. Delambre et la mesure du méridien En 1790, l'Assemblée nationale française décide d'établir un système de mesure unique, utilisant la Terre comme référence. Le mètre est alors défini comme la dix millionième partie du quart du méridien terrestre. Pierre Méchain et Jean-Baptiste Delambre, astronomes et mathématiciens, sont chargés de mesurer ce méridien en 1792, afin d'établir une estimation la plus précise possible de la distance entre Dunkerque et Barcelone. Il s'ensuit pour les deux scientifiques une aventure de sept années. La période de la Terreur révolutionnaire rendait les déplacements périlleux, surtout avec un appareil de mesure inhabituel, le cercle répétiteur. Delambre a souvent dû faire face à des gardes nationaux méfiants et peu coopératifs, ce qui l'a empêché de travailler pendant une année entière. Méchain, au départ plus chanceux, a vu ses efforts compliqués en 1793 lorsque l'Espagne a déclaré la guerre à la France. Cette situation politique tendue a entravé ses travaux et ses déplacements. De plus, Méchain a découvert une anomalie de quelques secondes d'arc dans ses mesures, ce qui l'a poussé à cacher ses résultats par crainte de discrédit. Ces défis logistiques, politiques et personnels ont sérieusement compliqué la mission de définir le mètre comme la dix millionième partie du quart du méridien terrestre. En 1799, ils déterminent finalement la longueur du mètre à 0,513074 toise. Méchain, confronté à une anomalie dans ses mesures, choisit cependant de les dissimuler. Leurs travaux posent les bases de la définition du mètre moderne. La triangulation est l'outil mathématique de base qu'ont utilisés les deux scientifiques. C'est une méthode géométrique utilisée pour déterminer la position précise d'un point en mesurant les angles à partir de deux points de référence fixes et connus. Ce procédé repose sur la création de triangles pour lesquels les distances entre les points peuvent être calculées en utilisant les lois de la trigonométrie. En pratique, on commence par mesurer une ligne de base entre deux points fixes, puis on mesure les angles entre cette ligne de base et un troisième point visible. À partir de ces mesures, la distance au troisième point peut être calculée. En répétant ce processus, une série de triangles est formée, permettant de cartographier de vastes zones avec une grande précision. Un exercice de triangulation peut être réalisé simplement en utilisant le théodolite de l'application FizziQ. Cet exercice permet, par exemple, de calculer des distances qui sont trop grandes ou sur lesquelles se trouvent des obstacles, rendant la mesure directe impossible.Pour en savoir plus sur la triangulation avec FizziQ, on peut consulter la video : la triangulation avec FizziQ. Von Helmotz et le résonateur Hermann von Helmholtz est un scientifique allemand célèbre pour ses contributions dans de nombreux domaines, notamment la physique, la physiologie et la psychologie. Une anecdote particulièrement intéressante concernant Helmholtz se rapporte à son invention du résonateur de Helmholtz, développé pour identifier les différentes fréquences des sons produits par divers instruments de musique. Dans sa quête pour comprendre comment les humains perçoivent les sons, Helmholtz conçut une série de sphères de différentes tailles avec des ouvertures étroites. Ces sphères, appelées résonateurs de Helmholtz, étaient destinées à vibrer en résonance avec des fréquences spécifiques. Helmholtz utilisait ces résonateurs en les plaçant près de son oreille pour écouter les sons produits par différents instruments. Chaque résonateur était calibré pour amplifier une fréquence particulière, permettant à Helmholtz d'analyser très précisément le spectre sonore de la musique. Vous pouvez facilement construire un résonateur de Helmholtz à l'aide d'un tube à essai. En soufflant au-dessus du tube, un son est émis dont la fréquence est propre à la géométrie du tube. Pour un tube fermé, la fréquence fondamentale de résonance est :  f₀ = c/(4.L+1,6.D) où L est la longueur du tube, D le diamètre du tube. Grâce au fréquencemètre de l'application FizziQ, vous pouvez vérifier que la fréquence du son émis correspond bien au calcul de la fréquence de résonance du tube. Une autre expérience amusante consiste à mesurer la fréquence du "pop" émis lorsqu'on ouvre une bouteille de vin. Cette fréquence dépend de la cavité entre le liquide et le bouchon. La fréquence théorique du son peut également être calculée et vérifiée avec les outils appropriés. Essayez avec la vidéo suivante : Ouverture d'une bouteille de vin. Conclusion Partir à la découverte des scientifiques et des expériences qu'ils ont réalisés permet de faire vivre la science et ses progrès. Grâce au smartphone et à la tablette, les élèves peuvent réaliser rapidement des expériences qui leur permet de rentrer dans la peau de grand scientifiques et des problématiques qu'ils essayeintde résoudre. Ces activités non seulement enrichissent la compréhension scientifique des élèves, mais elles rendent également l'apprentissage interactif et engageant. Pour en savoir plus sur l'utilisation en classe de sciences des smartphones ou des tablettes, vous pouvez lire notre article sur le sujet : Utiliser FizziQ en classe.

Dans le paysage éducatif en constante évolution, les éducateurs recherchent continuellement des méthodes innovantes pour transmettre des concepts complexes, en particulier dans des matières comme la physique. L'apprentissage de la cinématique par analyse d'une vidéo est un exemple particulièrement intéressant de technologie innovante qui répond à cette quête. Dans cet article nous découvrons l'apport de cette technologie et les outils que les enseignants peuvent utiliser en classe pour en tirer au mieux partie. Table des matières : Un peu d'histoire - Intérêt pédagogique de l'analyse cinématique par vidéo - Quels mouvements analyser ? - Création de vidéos - Pointage et acquisition des données - Analyse des données - Conclusion 1. Un peu d'histoire L'analyse cinématique par vidéo, ou analyse vidéo des mouvements, consiste en l'étude de séquences vidéos avec un outil digital, pour en extraire les positions d'un objet, ou d'une personne, lors de son mouvement dans le temps. Cette méthode d'analyse, développée par certains enseignants dès la fin des années 1980, capitalise sur de nombreux esprits novateurs qui ont utilisé très tôt les technologies de l'image pour étudier le mouvement. Ainsi au 19e siècle par Étienne-Jules Marey révolutionne l'analyse du mouvement chez les animaux, les humains et les objets mécaniques grâce à son fusil photographique, capable de capturer plusieurs images en succession rapide. Eadweard Muybridge, célèbre pour ses études sur le mouvement animal, a utilisé cette technique pour démontrer que les chevaux soulèvent toutes leurs pattes du sol lors du galop, résolvant ainsi une controverse scientifique grâce à la photographie. Plus tard, dans les années 1950 et 1960, Berenice Abbott a utilisé la photographie à haute vitesse et stroboscopique pour illustrer des principes scientifiques, rendant la science plus accessible au grand public avec son projet "Documenting Science". Ses photos sont utilisées encore aujourd’hui pour étudier les chutes d'objets et autres mouvements des corps. Durant les années 80, grâce au développement de la technologie VHS devenue abordable et accessibles dans les écoles, de nouvelles méthodes pédagogiques ont été développées. Celles-ci impliquaient de filmer les mouvements d'objets, permettant aux étudiants d'analyser ces mouvements image par image en mettant en pause et en avançant les images sur un lecteur VHS, en marquant les positions sur un calque d'écran pour calculer les vitesses et les accélérations. Malgré l'enthousiasme initial et l'implication des étudiants dans la capture de divers mouvements, la technologique se révéla néanmoins insuffisante. Le résultat était des vidéos floues manquant de la précision nécessaire pour une analyse détaillée du mouvement. Ainsi, malgré le succès historique de techniques comme la chronophotographie, la technologie vidéo disponible dans les années 1990 n'était pas encore assez sophistiquée pour répondre aux aspirations éducatives de cette approche d'enseignement innovante. Aujourd'hui, grâce à la technologie moderne des mobiles, chaque étudiant a la capacité, non seulement de réaliser de vidéos de grande qualité des mouvements, mais également d'analyser ces vidéos avec des outils de pointage et d'analyse sophistiqués sur ordinateur, tablette ou smartphone. Un nouveau paradigme pour l'enseignement de la mécanique ! 2. Intérêt pédagogique de l'analyse cinématique par vidéo Le principal intérêt pédagogique de l'analyse cinématique par vidéo réside dans la capacité de l'élève à mener de bout en bout une analyse de qualité avec les outils qu'il ou elle a dans sa poche, à l'image de ce que pourrait faire un chercheur. Chaque étape de l'étude, que ce soit le choix du sujet, la production de la vidéo, le pointage ou l'analyse des données, présente une opportunité pédagogique unique et donnera lieu à des échanges passionnants avec les élèves. La réalisation d'une analyse cinématique se fait en quatre étapes : Sélection de la situation à étudier Création de la vidéo à analyser Pointage et acquisition des données L'analyse des données Durant la phase de sélection, les élèves vont réfléchir au type d'activité ou de situation qu'ils souhaitent analyser. veulent-ils analyser un aspect spécifique d'un sport ou du mouvement d'un corps ? Ou plutôt cherchent-ils à illustrer un concept physique comme un mouvement uniforme ou accéléré, rectiligne ou circulaire, ou alors étudier la trajectoire ou la dynamique du mouvement ou ses aspects énergétiques ? Une fois que le sujet a été choisi, les élèves vont filmer le mouvement. Cette réalisation va soulever de nombreuses questions qui ont un intérêt pédagogique évident : comment éviter les problèmes de parallaxe, quelle cadence choisir, comment choisir son échelle, où la positionner ... Toutes ces questions nécessiteront des aller et retours et au final permettra de réaliser un film adéquat pour l'analyse. Dans un troisième temps les élèves procéder au pointage des positions pour récolter les données du mouvement. Ceci sera réalisé avec des logiciels spécialisés disponibles sur ordinateur, tablette ou smartphone. Il y a quelques années encore les logiciels de pointage n'existaient que sur ordinateur, et n'acceptaient que des formats vidéos . Aujourd'hui des applications gratuites telles que FizziQ sont disponibles qui permettent de réaliser le pointage rapidement sur smartphone et tablette. Une fois que les données de la trajectoire ont été acquises, l'élève procédera à l'analyse de ces données. Cette analyse peut être faite avec les même logiciels qui ont permis le pointage, mais également, grâce à l'export de données, avec des logiciels spécialisés dans l'analyse de données, ou même avec un tableur. L'analyse vidéo révolutionne l'enseignement de la physique en offrant une méthode immersive et dynamique qui implique activement les élèves. En utilisant des vidéos du monde réel pour capturer et analyser le mouvement, elle rend les concepts physiques directement observables et faciles à comprendre, établissant un pont solide entre théorie et pratique. Grâce à des logiciels précis, les élèves peuvent mesurer des aspects cinématiques de manière interactive, favorisant à la fois l'apprentissage individuel et collaboratif. Cette technique encourage la discussion, le travail en groupe et permet une vérification immédiate des hypothèses, améliorant ainsi la compréhension des principes physiques. 3. Activités à étudier La physique, ce n’est pas uniquement l'étude des trous noirs et de la mécanique quantique. Certes ces sujets sont toujours inspirants car ils permettent de mieux nous faire comprendre la complexité de notre monde, de relier l'infiniment grand à l'infiniment petit, de mesurer le chemin parcouru par la science. Mais la physique c'est également, la compréhension des phénomènes de la vie courante qui eux aussi recèlent de secrets que l'on découvre avec étonnement. Comme nous l'indique Richard Feynman : "La beauté d'une théorie réside dans sa simplicité et sa généralité. Si une théorie est simple et générale, elle est belle, même si elle ne décrit que des phénomènes ordinaires.". L'étude de la mécanique par analyse vidéo sur smartphone permet ainsi aux élèves d'étudier ces phénomènes qu'ils rencontrent dans la vie de tous les jours, et qui sont remplis de mystère et de merveilles. Quels phénomènes étudier ? Tout dépend si l'on choisi une approche thématique ou une approche conceptuelle. Dans le cadre d'une approche thématique, l'un des thèmes les plus intéressants à étudier est la physique du sport. Le corps humain est un fantastique terrain de jeu et le sport est la quintessence de son développement. Le mélange de l'étude de la physique et du sport parle à la plupart des élèves car chacun à un sport ou une activité favorite. Chaque sport recèle de sujets d'études passionnants, comme le montre l'inventaire des activités lauréates lors du concours de la Société Française de Physique qui a porté sur "Physique et Sports". Plus de 100 classes ont fait preuve d'une imagination débordantes pour étudier la physique du sport en utilisant l'application gratuite FizziQ, et ont étudié plus de 30 types de sports différents comme le kayak, le handball, le lancer de poids, la voile, la gymnastique, l'équitation, les passes au rugby, le déplacement des joueurs sur un entrain de foot, le lancer de javelot en paralytique, etc ... Vous trouverez dans notre article 15 activités inspirantes qui peuvent être réalisées en classe. L'étude cinématique par vidéo permet également à l'enseignant d'illustrer des concepts physique par l'étude de vidéos illustrant spécifiquement un mouvement. Voici par exemple des exemples de vidéos qui pourront être utilisés et les concepts qui s'y attachent : Mouvement uniforme : Vélo, personne marchant, balle lancée sur le sol. Etude de la trajectoire, calcul de vitesse. Chute libre : Objet en chute. Trajectoire, vitesse, accélération, calcul de g, calcul des vecteurs vitesse, frottements. Pendule simple : Analyse du mouvement oscillatoire d'un pendule simple. Conservation énergie mécanique, période et longueur de fil, amplitude, vitesse au point bas, calcul des vecteurs vitesse. Mouvement parabolique : Objet lancé en l'air. Etude de trajectoire parabolique, portée, hauteur maximale, durée de vol, conservation de l'énergie mécanique. Mouvement circulaire uniforme : Objet en mouvement circulaire uniforme, comme une bille attachée à un fil en rotation. Vitesse tangentielle. Mouvement d'un ressort : Analyse du mouvement d'un objet attaché à un ressort en oscillation verticale ou horizontale. Mesure de la période, l'amplitude et la constante de raideur du ressort. Frottement : Étude l'effet du frottement d'un volant de badminton ou d'un objet glissant sur une surface ou chute d'une goutte dans un liquide. Distance parcourue, vecteur vitesse coefficient de frottement. Collision : Etude de collision élastique et non élastique. Energie cinétique des deux objets, détermination dy type de collision. Ondes : Observez la propagation d'ondes à la surface de l'eau ou sur une corde tendue. Analyser la vitesse de propagation, la longueur d'onde et la fréquence des ondes. Mouvements complexes : mouvements d'athlètes comportant plusieurs séquences comme le saut à la perche. Energie, vitesse, accélération Centre d'inertie : Etude d'un objet lancé en rotation. détermination du centre d'inertie Analyse libre ou illustration de concepts , on voit que l'analyse cinématique par vidéo présente des opportunités immenses pour permettre aux élèves de découvrir et de mieux comprendre la physique du mouvement. 4. La création d'une vidéo à analyser Contrairement à ce que l'on pourrait croire, la réalisation de la vidéo est la partie la plus difficile et probablement la plus enrichissante pour les élèves. Durant cette réalisation ils vont découvrir tous les éléments qui vont plus tard être importants lors de l'analyse. Nous avons décrit dans un autre article 7 conseils pour réaliser une bonne vidéo pour l'analyse cinématique et que l'on peut résumé comme suit. L'usage d'un smartphone, capable de filmer en résolution 720p, est suffisant pour créer des vidéos exploitables, rendant cette technologie accessible à tous les élèves. Pour garantir la précision de l'analyse, il est crucial de stabiliser la caméra, idéalement en utilisant un trépied ou en plaçant l'appareil sur une surface stable, évitant ainsi tout mouvement parasite qui pourrait fausser l'interprétation du mouvement de l'objet filmé. L'ajout d'une échelle dans le champ de la vidéo est nécessaire pour établir une correspondance entre les dimensions à l'écran et celles dans le monde réel. Cela permet une analyse précise des déplacements et des dimensions des objets en mouvement. Il est aussi important de maintenir une distance constante entre l'objet en mouvement et la caméra pour éviter les distorsions dues à des variations de distance, ce qui peut être géré en se positionnant adéquatement ou en utilisant le zoom de manière judicieuse. Faciliter le pointage est un autre aspect crucial; l'objet filmé doit être clairement identifiable et contrasté par rapport au fond pour permettre un marquage précis de ses positions successives. Cela peut nécessiter de se rapprocher de l'objet ou d'utiliser un signe distinctif pour faciliter le suivi. Ajuster la cadence de prise de vue en fonction de la vitesse du mouvement est également essentiel pour capturer des images nettes et exploitables, avec une attention particulière à respecter l'écart de temps entre les images lors de l'analyse. Enfin, vérifier le cadrage avant de commencer à enregistrer assure que toute la séquence de mouvement souhaitée soit incluse dans la vidéo, permettant ainsi une analyse détaillée du début à la fin. Ces pratiques optimisent l'utilisation de vidéos cinématiques pour l'étude de la physique, rendant l'apprentissage plus interactif, précis et engageant pour les élèves. 5. Pointage et acquisition des données Une fois que l'on a réalisé la vidéo, il faut l'analyser pour faire les mesures sur les phénomènes physiques que l'on souhaite étudier. Pour cela on utilise un logiciel de pointage. Ce logiciel aura plusieurs fonction : La mise à l'échelle qui permet de faire un correspondance entre l'échelle de l'écran et la taille dans le monde réelle. Le pointage du mouvement image par image Le calcul des positions et de ses dérivés à partir du pointage et de l'échelle L'export des données Il existe de nombreux logiciels disponibles pour faire cette analyse sur ordinateur, sur tablette ou sur smartphone. Certains de ces logiciels sont gratuits et d'autres payants. Pour les ordinateurs les logiciels les plus utilisés sont : Tracker : Tracker est un logiciel libre et open-source qui combine analyse vidéo et modélisation. Il permet aux utilisateurs d'analyser et de comparer les mouvements à partir de vidéos. Logger Pro : Développé par Vernier, Logger Pro intègre l'analyse de vidéos à une suite d'outils de collecte et d'analyse de données scientifiques. Bien qu'il soit payant, Logger Pro est largement utilisé dans les établissements scolaires pour son interface intuitive et ses nombreuses fonctionnalités. PhysMo : PhysMo est un logiciel d'analyse vidéo open-source spécifiquement conçu pour les besoins éducatifs. Il permet d'analyser le mouvement dans les vidéos enregistrées à l'aide de n'importe quelle caméra standard. Pour les tablettes, smartphones et Chromebook, on utilise en général deux applications : FizziQ : Une application gratuite disponible sur smartphone et tablette qui permet le pointage, la calcul des positions, vitesse, accélération, énergie et rotation des mobiles ainsi que l'analyse des données dans un cahier d'expérience et leur export au format Excel et Python. Fizziq dispose également d'une bibliothèque de plus de 30 vidéos accessible gratuitement. Vernier Video Physics : Disponible sur iOS, cette application payante permet de créer des diagrammes de mouvement à partir de vidéos prises avec le smartphone. L'utilisation sur smartphone et tablette pour l'analyse cinématique est particulièrement intéressante pour plusieurs raisons : d'abord car les vidéos créées par les étudiants sont la plupart du temps dans leur smartphones ou tablettes, ensuite car l'analyse est particulièrement rapide à réaliser et ne nécessite pas l'utilisation d'un appareillage long à mettre en route ou pas toujours disponible, enfin car elle familiarise les élèves avec les nombreuses possibilités des outils digitaux qu'ils utilisent. 6. Analyse des données Après l'étape de pointage et d'acquisition des données vient la phase finale d'analyse des données. A partir des données de position on peut calculer l'ensemble des éléments caractéristiques de la physique du mouvement : vitesse, accélération, rotation, énergie cinétique et énergie potentielle. Ces mesures permettront de caractériser les phénomènes en jeux et de vérifier par la théorie par le calcul expérimental. Durant ce processus, on prêtera une attention particulière à la modélisation ou ajustement des données (en anglais fitting). En effet les données issues de l'analyse cinématique par vidéo peuvent présenter des variations dues aux erreurs de pointage et l'ajustement est une étape essentielle pour obtenir des données utilisables. Dans l'application FizziQ par exemple, les données de position sont ajustées pour le calcul des vitesse et des accélération par ajustement quadratique. De plus les graphiques du cahier d'expériences peuvent également être modélisés avec un ajustement quadratique ou linéaire. Outre les calculs de trajectoire, de vitesse ou d'accélération, les données précises des trajectoires permettent d'étudier un grand nombre de phénomènes physiques comme le calcul de g, l'analyse des frottements, la conservation énergie mécanique, la portée d'un vol parabolique, l'accélération tangentielle, l'amplitude et la constante de raideur du ressort, les types de collision, le centre de gravité, ... La plupart des logiciels de pointage permettent l'export des données, ce qui permet d'étudier les données avec un logiciel d'analyse spécialisé ou par exemple avec Excel. A noter que l'application FizziQ permet aussi de faire des exports en format ligne Python, ce qui simplifie notablement l'utilisation pour les élèves. Conclusion L'analyse du mouvement vidéo n'est pas seulement une nouvelle approche de l'étude de la physique : c'est un outil pédagogique puissant qui résonne avec les sensibilités d'apprentissage de l'ère numérique. En combinant théorie et pratique et en fournissant une plate-forme interactive d'exploration et d'analyse, il approfondit la compréhension et l'appréciation des étudiants de la danse complexe des forces et du mouvement qui régissent notre univers. Bibliographie 1. Wee, Loo Kang & Lee, Tat. (2012). Video Analysis and Modeling Tool for Physics Education: A workshop for Redesigning Pedagogy. 2. Chernetckiy, Slipukhina, Kurylenko, Mieniailov & Opachko (2021) The Application of Tracker Video Analysis for Distance Learning of Physics 3. M. Ramli, K. Chan, and W. Fen, Study of Simple Pendulum Using Tracker Video Analysis and High Speed Camera: an Interactive Approach to Analyze Oscillatory Motion. Solid State Science and Technology 4. Brown, Doug. (2008). Video Analysis and Modeling in Physics Education. L2001 5. Lee, T. L., Wee, L. K., Cheng, S. S. S., & Tan, Y. L. (2010). Learning Physics of Sport Science through Video Analysis and Modeling Retrieved 02 June, 2010

À la recherche de nouveaux sujets expérimentaux pour étudier la physique en classe ? Laissez-vous inspirer par ces 15 projets innovants réalisés par des classes de collège et de lycée dans le cadre du concours "Physique et Sports" organisé par la Société Française de Physique. Utilisant l'application gratuite FizziQ, qui combine capteurs (GPS, accéléromètres, gyroscopes), l'analyse cinématique et cahier d'expérience, les élèves ont transformé chaque activité sportive en une passionnante leçon de physique. Analyse Stratégique du Football Une classe du Collège Charles Gounod à Saint-Cloud a embarqué les élèves footballeurs dans une expérience novatrice en analysant la position et les mouvements des joueurs sur le terrain grâce au positionnement GPS de leur smartphone pendant un match, enregistré avec FizziQ. Les données recueillies ont permis de visualiser les déplacements des joueurs, l'importance du placement sur le terrain et de sensibiliser les élèves au rôle de la stratégie et de la collaboration au sein d'une équipe de football. Grâce à cette étude, les élèves ont des conseils précieux à donner à notre entraîneur national ! La Dynamique du Lancer de Poids Les élèves du Collège Mallarmé à Sens ont collaboré avec Franck Elemba, un athlète olympique, pour explorer la physique derrière le lancer de poids. L'analyse par les capteurs d'accélération et l’analyse cinématique de vidéo par FizziQ a révélé l'impact crucial de l'angle et de la force sur la portée du lancer, transformant une séance d'EPS en un laboratoire de physique à ciel ouvert. Bravo et merci à Franck Elemba, peut-être a-t-il découvert de son côté certains aspects sur la physique du lancer qu'il ne connaissait pas ? Optimisation de la Performance en Natation À travers une étude menée par des élèves du Collège Victor Hugo à Carmaux, l'effet de la traînée en natation a été scruté sous l'eau. En mesurant la vitesse dans différentes postures lors des coulées horizontales à l'aide du module cinématique de FizziQ, les élèves ont montré comment l'alignement du corps et le positionnement des bras affecte directement la performance des athlètes. Utile pour les JO ! Lancer de Javelot Paralympique Le Collège Scamaroni à Charleville-Mézières a brillamment mis en lumière les prouesses des para-athlètes. En comparant les techniques de lancer entre athlètes valides et para-athlètes à l'aide de l'analyse cinématique de FizziQ, ce projet a non seulement favorisé la compréhension des défis uniques rencontrés par les para-athlètes mais a aussi promu une approche inclusive du sport. Ce travail a été récompensé par un prix spécial du jury. Ça grimpe ! Les élèves de seconde du lycée Winston Churchill ont étudié comment le poids, la taille et la masse musculaire affectent la performance en bloc (escalade). En analysant les performances de deux élèves aux caractéristiques physiques variées, il est apparu que la légèreté et une stature moins imposante pouvaient jouer un rôle crucial dans la rapidité et la précision durant l'ascension. Cette exploration a mis en évidence la manière dont les attributs physiques peuvent affecter l'efficacité des techniques d'escalade, offrant aux élèves des insights précieux sur l'importance de la physique et de la biomécanique dans le sport. Spider-Man a beaucoup à nous enseigner sur la physique ? Le Cheval se Tape des Barres Un cheval adapte-t-il l'angle de son saut au type d'obstacle rencontré ? C'est cette question que des élèves de terminale ont abordé en réalisant des analyses cinématiques de deux types de sauts : l' oxer (saut de deux barres écartées), et le vertical (saut d'une seule barre). Cette analyse leur a permis de vérifier l'impact de la trajectoire et de l'angle sur la performance du saut, offrant une fenêtre sur la physique derrière le sport équestre. Une analyse qui leur a montré aussi la difficulté de faire des mesures sur les êtres vivants qui sont moins dociles qu'un ballon de basket ... Bravo pour votre persévérance ! Bonds et Rebonds Une classe du collège Pasteur à Paris a étudié quels étaient les caractéristiques principales des différents types de balles et ballons utilisés en sport. À travers l'analyse vidéo de FizziQ, ils ont mesuré l'effet de différents facteurs influant sur le rebond, comme la pression interne du ballon, le type de surface, ou les caractéristiques du ballon, permettant de prédire la hauteur du rebond que l'on peut attendre d'un type de balle. Une étude quantitative passionnante qui nécessite peu de matériel et permet aux élèves de se poser des questions sur le type de matériel adapté à chaque sport. Vos ballons de basket sont-il bien gonflés ? Badminton Aérodynamique Est-ce que tous les volants se valent quand il s'agit de jouer au badminton ? C'est cette étude qu'a menée une classe de 3eme de l'académie de Lille qui a examiné comment la forme et les matériaux des volants de badminton affectent leur vitesse de chute. Certains volants sont-ils mieux que d’autres ou ont-ils des utilisations différentes ? L’outil cinématique de FizziQ a permis une comparaison précise, révélant l'influence des forces aérodynamiques l’utilisation des volants. Après cette étude, on ne voit plus les volants de badminton de la même façon. La Mécanique du Succès au Triple Saut Deux élèves du lycée Honoré d’Estienne d’Orves ont analysé l'effet de la position du genou et du pied sur le premier bond du triple saut. Grâce à FizziQ, elles ont démontré que certaines positions permettent d’augmenter significativement la distance du saut, appliquant les principes de la physique pour optimiser les performances athlétiques. Une analyse bien utile avant les jeux olympiques ! Améliorer son Jeu au Rugby Les élèves de seconde du lycée St Pierre à Fourmies ont exploré la physique du rugby, se concentrant sur les différentes phase du jeu : la passe, la touche, la chandelle, le placage, et la mêlée. Ils ont utilisé les accéléromètres et gyroscopes des smartphones pour analyser la rotation du ballon, prouvant qu'une rotation stabilise la passe. La caméra a capturé les mouvements pour l'analyse des phases de jeu, démontrant comment angle et vitesse affectent la réussite d'une touche. L'étude a révélé l'importance de l'effet gyroscopique pour les passes, la trajectoire parabolique pour les touches et chandelles, et l'application des lois de Newton dans les placages et mêlées. Dommage que la coupe du monde soit déjà passée ... Podomètres sous la Loupe Des élèves de seconde du lycée Berthollet ont testé la fiabilité des podomètres dans diverses activités. En testant toutes les situations, y compris la marche avec des béquilles, les élèves ont pu vérifier la fiabilité des instruments présents dans nos smartphones. Cette exploration a encouragé les élèves à analyser la technologie du quotidien à travers le prisme de la physique. Bravo pour cette vérification expérimentale de la fiabilité de ces instruments. Gymnastique et Physique : Le Défi du "Soleil" Les élèves du Lycée Honoré d’Estienne d’Orves à Carquefou ont décortiqué le mouvement "soleil" en gymnastique. À l'aide de l'analyse cinématographique de FizziQ, ils ont mis en évidence l'importance de la vitesse et des énergies cinétique et potentielle, appliquant la physique pour perfectionner ce mouvement artistique. Une opportunité d’admirer la performance des gymnastes qui réalisent ces exploits. Photographie du Mouvement Des élèves de 5eme passionnés de chronophotographie ont utilisé l’application Motion Shot pour créer des chronophotographies de mouvements et le module cinématique pour l’analyse de la dynamique du corps en action. En visualisant les séquences de mouvement, ils ont approfondi leur compréhension de la mécanique du sport, démontrant l'interconnexion entre physique et activité physique. Un beau travail à la fois scientifique et esthétique ! Kayak : Une Question de Poids et de Flottabilité Des élèves du collège La Nacelle se sont posé la question de savoir si la répartition des poids avait un impact sur la performance d’un kayakiste et affectait la stabilité et la vitesse du kayak. En mesurant les performances à différentes positions, ils ont exploré la physique de la flottabilité et la dynamique des fluides, éclairant les stratégies pour améliorer la navigation. Bien s’assurer que votre smartphone est résistant à l’eau avant de se lancer ! Naviguer avec les Angles en Voile Une élève de terminale, passionnée de voile depuis son enfance, a investigué l'angle optimal de la voile pour maximiser la vitesse avec un vent de travers. En ajustant méticuleusement l'angle de la voile et réalisant de nombreuses mesures sur l’eau des variations de vitesse, elle a pu vérifier certains concepts d’aérodynamiques et mettre la théorie au service de sa compréhension de son sport favori. Et tous ceux que nous n'avons pas cités ... Ces 15 exemples ne représentent qu’une petite partie des nombreux projets qui ont été soumis au concours Physique et Sports. Nous n'avons pas présenté le projet de cette élève de première qui a utilisé le module cinématique de FizziQ pour étudier le karaté, les élèves du Lycée Saint Erembert qui ont étudié le tir au handball, les élèves du lycée de Villaroy qui ont étudié le saut en hauteur ou le Club Sciences du Collège Louise Weiss qui a étudié comment la taille de la main influait sur la vitesse en natation., et bien d'autres ... Tous ces projets montrent la créativité des élèves et de leurs enseignants, et le désir de chacun de mieux comprendre le monde qui l’entoure grâce à la science. Bravo à tous ! Pour en savoir plus : Notre tutoriel sur votre première séance avec FizziQ : https://www.fizziq.org/post/premier-cours-avec-fizziq-exemple-d-une-leçon-sur-la-période-d-un-signal-sonore Etudier le sport avec FizziQ : https://www.fizziq.org/post/sportsandscience Tous les capteurs de votre smartphone : https://www.fizziq.org/post/les-instruments-de-mesure-de-fizziq Qu'est ce que la biomécanique ? https://www.fizziq.org/post/5-expériences-sur-la-biomécanique-avec-fizziq

L'intégration de la technologie dans nos salles de classe apporte une dimension nouvelle et engageante à l'enseignement des sciences. Dans cet article nous étudions comment utiliser FizziQ pour réaliser une séance d'investigation scientifique en class en utilisant l'exemple de l'activité "Chloé et les diapasons" dont l'objectif est la découverte du calcul de la période d'un signal sonore. Le programme FizziQ ne permet bien sûr pas d'aborder tous les concepts abordés au collège et au lycée mais ce type d'outils permet néanmoins de couvrir un grand nombre de concepts théoriques du programme. L'activité "Chloé et les diapasons" permet par exemple d'aborder plusieurs séquences au programme de collège : Sciences physiques Cycle 4 et Seconde : Signaux sonores : Notion de fréquence : sons audibles, infrasons et ultrasons. Croisements entre enseignements :En lien avec l’éducation musicale, Information et communication : signaux sonores (émetteurs et récepteurs sonores : micro...) signaux lumineux, signaux électriques. Éducation musicale Cycle 3 : Par le travail de la perception, celui de l’écoute de la musique, les élèves développent leurs capacités à percevoir des caractéristiques plus fines et des organisations plus complexes de la musique ; ils apprennent à identifier des relations, des ressemblances et des différences entre plusieurs œuvres. Manipulation d’objets sonores à l’aide d’outils numériques appropriés. Education musicale Cycle 4 : « Culture et création artistiques », « Sciences, technologie et société », en lien avec la technologie, la physique- chimie, les mathématiques, le français, les arts plastiques. L’impact des technologies et du numérique sur notre rapport à l’art ; aux sons, à la musique, à l’information. Préparation Les outils digitaux tels que FizziQ sont largement éprouvés pour l'enseignement des sciences. Fizziq est utilisé par des milliers d'élèves chaque jour donc pas d'inquiétude, l'application ne buguera pas. Par contre si son fonctionnement est extrêmement intuitif pour les élèves, les adultes peuvent parfois éprouver des difficultés à trouver telle ou telle fonction. Pour cela il sera utilise de se familiariser avec l'application avant de faire son premier cours. On demandera dans les jours qui précèdent le cours aux élèves de télécharger l'application sur leur smartphone ou tablette. L'application Fizziq est gratuite et sans partage de données personnelles donc son téléchargement ne posera pas de problèmes en terme de confidentialité ou RGPD. Il sera utile que les élèves se familiarisent avec l'application, ils peuvent le faire à la maison après avoir téléchargé le programme. L'utilisation de smartphone en classe est soumis à certaines contraintes et on peut avoir à demander l'aval du proviseur pour son utiisation. Il est très rare que cette autorisation soit refusée étant donné que l'utilisation par les élèves est purement scolaire. L'application Fizziq n'est pas un jeu et c'est un véritable instrument scientifique. En terme de matériel, l'application FizziQ dispose de tout ce dont on a besoin pour faire un cours complet sur le son. On trouvera les instrument de mesure tels qu'un oscilloscope pour visualiser le signal, un fréquencemètre pour mesurer les fréquences fondamentale ou dominante et le spectre, un sonomètre pour mesurer le niveau sonore et le niveau moyen. Mais FizziQ possède également la capacité d'émettre un gamme étendu de son, des sons purs et sons complexes avec le synthétiseur, ou des sons des la vie de tous les jours avec la bibliothèque de sons qui inclue des sons d'instruments de musique, des bruits blancs, des sons pour mesurer l'effet Doppler, et bien plus. Malgré les possibilités de FizziQ, rien ne remplace l'utilisation de vrais instruments de musique pour étudier le son. On peut donc ajuster le défi pour s'adapter à l'utilisation des instruments disponibles en classe. Le défi Dans le cadre de la méthode d'investigation, il est intéressant de proposer un défi aux élèves. Voilà le défi et le protocole que l'on pourra proposer aux élèves dans le cadres de l'activité "Chloé et les diapasons". Défi : En explorant le grenier poussiéreux de ses grands-parents, Chloé tombe sur une boîte mystérieuse gravée de motifs musicaux. À l'intérieur, elle découvre trois diapasons, chacun portant une inscription unique - "Mozart", "Philharmonic Pitch", et "La3". Intriguée, Chloé les fait résonner un à un, mais s'étonne d'entendre des tonalités distinctement différentes. Votre mission est de l'aider à dévoiler le mystère derrière ces variations sonores et de retracer l'histoire et l'origine de chaque diapason. Pour mener à bien cette enquête sonore, vous serez équipé de l'application FizziQ et de ses outils d'analyse acoustique. Protocole de l'activité : Recherche Historique : Avant de commencer l'expérience, effectuez une brève recherche sur l'histoire des diapasons, les standards de fréquence au fil du temps. Cela vous donnera des indices sur l'origine possible de chaque diapason. Ecoute des diapasons : Vous trouverez les différents diapasons dans la bibliothèque de sons de l'application FizziQ, situé dans le menu Outils. Ecoutez les différents diapasons, quelle est la différence de sonorité ? Comment peut-on caratériser cette différence ? Analyse Acoustique : Déterminer la fréquence de chaque diapason de deux manières différentes. On pourra utiliser l'instrument "Fréquence Fondamentale", et l'instrument "Amplitude" pour mesurer les fréquences. Interprétation et Conclusion : Sur la base de vos mesures et recherches, élaborez une explication sur pourquoi chaque diapason produit une note différente. Reliez vos découvertes aux époques historiques, aux pratiques d'accord, et à l'évolution des standards musicaux. Présentation des Résultats : Préparez une présentation ou un rapport incluant vos hypothèses, méthodes d'analyse, résultats, et conclusions. Partagez vos découvertes avec la classe, en illustrant comment la science et l'histoire se rencontrent dans l'étude des diapasons. Extension : Pour aller plus loin, explorez comment les différentes fréquences des diapasons peuvent influencer l'accord d'instruments modernes. Vous pouvez également créer une expérience comparant la perception des fréquences par différentes personnes. Déroulement de l'activité L'activité se déroule sur environ 30-45 minutes. Elle se déroule en plusieurs étapes : Organisation : organiser les élèves par groupe de 3 ou 4. Chaque groupe utilisera un seul smartphone ou tablette. Répartir les différents groupes dans la classe. Il peut être préférable de faire les manipulations en extérieur ce qui permet d'éviter les interférences et un bruit trop important dans la classe. Préparation : Assurez-vous que l'application FizziQ est bien installée et fonctionnelle sur tous les appareils avant de commencer l'activité. Mettre les appareils sur mode Avion pour éviter que les élèves soient distraits ou que des notifications ne viennent perturber les mesures. . Familiarisation avec l'application : Dans un premier temps, laisser les élèves pendant au moins 5 minutes se familiariser avec l'application. Ils regarderont les différentes fonctionnalités et en général appuieront sur tous les boutons. Demander leur d'identifier les instruements de mesure, le cahier d'expérience et les outils musicaux. Réalisation de l'activité : Une fois la période de familiarisation écoulée, laissez les élèves conduire leur investigation. Encouragez les à découvrir les fonctionalités de l'application. Demandez leur de réaliser un cahier d'expérience qui contiendrales mesures, du texte et des photos Partage : Demandez aux élèves d'exporter leur cahier d'expérience sous forme PDF et de l'envoyer par mail ou par d'autres moyens de communication. Précautions Pour garantir le succès et la sécurité de l'activité, il est essentiel de prendre certaines précautions. Ces mesures contribueront à assurer une expérience d'apprentissage à la fois enrichissante et sûre pour les élèves. Danger lié aux sons forts : Rappeler aux élèves de maintenir un volume sonore raisonnable lors de l'utilisation des diapasons pour éviter les nuisances sonores et protéger l'audition. Si des élèves ont des sensibilités auditives, envisagez des adaptations pour leur permettre de participer confortablement. Utilisation des Appareils Électroniques : Encouragez les élèves à manipuler les appareils avec soin pour éviter les chutes ou les dommages. Hygiène et Sécurité : Si l'activité se déroule en période de restrictions sanitaires, rappeler les mesures d'hygiène comme le lavage des mains et la désinfection des surfaces et des appareils partagés. Respect des Données et Confidentialité : Il est intéressant au cours de l'exercice de sensibiliser les élèves à la confidentialité et au respect des données s'ils partagent des enregistrements ou des observations. Les informations personnelles ne doivent pas être partagées sans consentement. Supervision et Assistance : Prévoyez une supervision adéquate pour aider les élèves à utiliser l'application et les instruments de musique de manière sûre et efficace. Soyez prêt à fournir une assistance technique et conceptuelle aux élèves qui en ont besoin. Réalisation de l'activité avec FizziQ Pour réaliser cette activité, on utilisera trois sons présents dans la bibliothèque de sons : le diapason La3 le diapason Mozart le Diapason Philharmonie Pitch On trouvera les sons de ces diapasons, on va dans le menu Outils en appuyant sur l'onglet en bas de l'écran, puis on sélectionne la Bibliothèque de sons, et dans le menu déroulant, on sélectionne l'un de ces trois sons. On appuie sur le bouton Play pour jouer le son. Pour mesurer la fréquence fondamentale d'un son, on utilise le fréquencemètre accessible à partir de l'écran Mesures (onglet en bas de l'écran) et on sélectionne la fréquence fondamentale. La fréquence du signal est calculée à une fréquence de 20 Hertz, à partir des signaux capturés par le microphone. Fizziq permet de simultanément jouer le son et l'analyser. Pour cela on lance le son que l'on souhaite étudier à partir de la Bibliothèque ou du Synthétiseur, puis dans va dans l'onglet mesure et on fait la mesure alors que le son est joué par le haut-parleur. On ajuste le volume pour que l'analyse soit pertinente. Pour enregistrer une mesure, on peut soit prendre un instantané de la mesure en appuyant sur le bouton rouge avec un carré blanc, soit faire un enregistrement sur une période de temps en appuyant sur le bouton REC. Les données sont enregistrées dans le cahier d'expérience qui contient l'ensemble des mesures mais auquel on peut ajouter du texte ou des photos. le cahier peut être exporté au format PDF ou Excel. On peut créer et sauvegarder d'autres cahiers. Pour visualiser la forme de l'onde sonore, on va dans l'onglet Mesures, puis Microphone, et Amplitude. Cet instrument permet de visualiser l'oscillogramme de l'onde sonore en temps réel. Pour enregistrer la mesure, on appuie sur le bouton rouge avec un carré blanc qui permet de faire une mesure instantanée. Dans le cahier, on peut utiliser la loupe pour faire une mesure de la période du signal. Pour activer la loupe, on appui sur l'écran et on déplace le curseur. On notera que l'on peut zoomer sur le graphique ou changer son format. Dans le cahier pour ajouter des photos ou du texte au cahier, on appuie sur le bouton + qui donne accès à d'autres fonctionnalités. Debriefing A la fin de la séance on demandera aux élèves de partager leur cahier d'expérience. Ce cahier sera complété avec des photos et du texte donnant, les hypothèses, le raisonnement et les conclusions de l'activité. FizziQ permet de partager les cahiers au format PDF. si des analyses supplémentaires doiveêtnt re réalisées, on pourra également partager les données au format Excel ou Python. Les élèves peuvent échanger des données en utilisant le partage par QR code qui se trouve en haut à droite de chaque carte d'observation. Il suffit de scanner ce QR code à partir de l'application, en appuyant sur + dans le cahier d'expérience, puis Observation. Les données arrivent automatiquement dans le cahier d'expérience. Chaque élève peut ainsi créer son propre cahier à partir des données du groupe. Quand chaque groupe a réalisé et partagé son cahier, on peut alors faire un débriefing sur l'activité, les difficultés que l'on a rencontré et les conclusions auxquelles les groupes sont arrivé. Le débriefing, ou le retour d'expérience, qui suit l'activité est crucial. Il permet aux élèves de réfléchir sur leur apprentissage, de partager des insights et de renforcer leur compréhension des concepts étudiés. C'est également un moment précieux pour l'enseignant, qui peut évaluer l'efficacité de l'activité, recueillir des feedbacks pour des améliorations futures et, surtout, célébrer les réussites des élèves. Conclusion L'activité "L'Enquête des Diapasons de Chloé" offre aux élèves une opportunité unique d'explorer les notions fondamentales de la physique du son, telles que la fréquence et la période, tout en tissant des liens enrichissants avec l'histoire de la musique et la technologie moderne via l'application FizziQ. En mettant en œuvre les précautions nécessaires, les enseignants peuvent créer un environnement d'apprentissage sûr et stimulant qui encourage les élèves à devenir des chercheurs actifs, à développer leur esprit critique et à appliquer leurs connaissances théoriques dans des contextes pratiques et historiques. Cette activité illustre parfaitement comment l'enseignement des sciences peut être rendu vivant et pertinent pour les élèves, en démontrant l'interconnectivité des domaines scientifiques, technologiques et artistiques. En se plongeant dans l'histoire et la science derrière chaque diapason, les élèves ne se contentent pas d'apprendre des faits ; ils s'engagent dans un processus de découverte qui valorise la curiosité, l'investigation et l'analyse critique.

Le concept de gravité n'est pas toujours facile à appréhender. Dans cet article en deux parties, nous proposons sept expériences, facilement réalisables avec un smartphone, qui permettent de mieux comprendre ce phénomène physique. Elles nous emmèneront à bord d'un avion Zero G, sur la lune, en Italie, à 10 000 mètres d'altitude ou à l'équateur : êtes-vous prêts ? Table des matières : Qu'est-ce que la gravité ? - Utiliser un smartphone pour étudier la gravité - Vol zéro G - Expérience de pensée de l'ascenseur d'Einstein - Accélération linéaire et absolue - Mesurer g - Un pendule sur la Lune - Trajectoire d'une chute - Pèse-t-on moins lourd sur l'Everest ? - Comment fonctionne un accéléromètre - Le mystère du pendule à l'équateur Qu’est-ce que la gravité ? La gravité est une force fondamentale de l'univers qui régit l'interaction entre les corps à l’échelle macroscopique. Elle est responsable de l'attraction mutuelle entre tous les objets possédant une masse. Lorsque nous laissons tomber un objet, il tombe vers le sol en raison de la force gravitationnelle exercée par la Terre. Galilée est le premier à avoir étudié le phénomène de la chute des corps de manière scientifique. L’expérience de Galilée sur la chute des corps du haut de la tour de Pise est probablement un mythe, mais de nombreuses expériences de pensée lui ont permis de montrer que, contrairement à l'idée préconçue, deux objets de masses différentes chutent (sans frottements) à la même vitesse. De plus, en étudiant une balle qui roule librement le long d’un plan incliné, il calcule que la distance que parcourt la balle augmente avec le carré du temps écoulé. Cette loi sera démontrée un siècle plus tard avec à la théorie de la gravité proposée par Sir Isaac Newton. Il postule que chaque objet dans l'univers attire tous les autres objets avec une force proportionnelle à leur masse et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. Selon la loi de la gravitation universelle de Newton, la force gravitationnelle (F) entre deux objets de masse (m1) et (m2) séparés par une distance (r) est donnée par l'équation : F = G * (m1 * m2) / r², où G est la constante de gravitation universelle, qui a une valeur d'environ 6,674 × 10^-11 N(m/kg)². Pour un objet sur la surface de la terre, la force gravitationnelle qui s’applique à un objet, aussi appelé le poids de l’objet, peut s'écrire simplement : F = m * g, où g est l’accélération de la pesanteur, et m la masse d’un objet. La valeur de l'accélération de la pesanteur g est d'environ 9,81 m/s². La Terre n’étant pas une sphère parfaite et du fait de la force centrifuge qui varie en fonction de la latitude, l’accélération de la pesanteur varie légèrement en fonction de la localisation. Par exemple, elle est légèrement plus élevée aux pôles et légèrement plus basse à l'équateur. D’autre part g varie également en fonction de l’altitude puisque la distance entre les deux masses, la Terre et l’objet est plus éloignée. A une altitude de 10 000 mètres, g = 9,74 m/s² La théorie de Newton ne permet cependant pas d’expliquer certains phénomènes planétaires et pose d'autres questions comme par exemple d’où vient la force et pourquoi son action est instantanée. La théorie de la relativité générale, formulée par Albert Einstein au début du XXe siècle, apporte une approche révolutionnaire à la gravité. Contrairement à la vision newtonienne de la gravité comme une force d'attraction à distance, Einstein décrit la gravité comme une déformation de l'espace-temps causée par la présence de masse et d'énergie. Dans cette théorie, les objets se déplacent le long de courbes géodésiques dans l'espace-temps courbé, créant l'effet perçu comme une force gravitationnelle. Ainsi, selon la théorie de la relativité générale, la gravité n'est pas une force mystérieuse d'attraction, mais plutôt une conséquence de la courbure de l'espace-temps induite par la distribution de masse et d’énergie. La théorie de la relativité générale a été confirmée par de nombreuses observations et expériences, notamment les déviations de la lumière des étoiles lorsqu'elle passe près du Soleil, connues sous le nom d'effet de lentille gravitationnelle, et la précession de l'orbite de Mercure autour du Soleil. Utiliser un smartphone pour étudier la gravité Maintenant que nous en savons un peu plus sur la gravité, expérimentons avec ! Facile à dire, mais quels instruments scientifiques avons-nous à disposition pour analyser ce phénomène complexe ? Heureusement, tout le monde a dans sa poche l'instrument idéal pour étudier la gravité : un smartphone. Les smartphones, omniprésents et intégraux à la vie quotidienne, possèdent une capacité unique à transformer notre approche de l'éducation et de l'exploration scientifique, particulièrement dans l'étude des forces fondamentales telles que la gravité. Les smartphones sont équipés d'une variété de capteurs qui peuvent mesurer l'accélération, l'orientation et le mouvement. Cela inclut des accéléromètres, des gyroscopes et des magnétomètres, qui peuvent détecter les changements de mouvement et d'orientation par rapport au champ gravitationnel de la Terre. Des applications gratuites comme FizziQ offrent un accès simple et direct à tous ces capteurs et permettent aux étudiants et aux éducateurs de mener des expériences pour observer et quantifier l'accélération gravitationnelle en temps réel. Cette approche pratique démystifie les concepts abstraits et permet aux apprenants d'observer directement les lois physiques en action. Dans cet article, nous utiliserons spécifiquement les instruments suivants disponibles dans FizziQ : L'Accélération Absolue qui fournit le résultat des forces appliquées au smartphone dans toutes les directions L'analyse de mouvement vidéo, un outil unique dans FizziQ pour analyser rapidement les vidéos et la chronophotographie d'objets en chute L'intensité sonore qui fournit une mesure précise du niveau sonore et de ses écarts et permettra de proposer une manière de calculer g D'autres capteurs comme le magnétomètre, le gyroscope ou l'accélération linéaire peuvent également être utiles pour compléter les instruments décrits ci-dessus. Une autre caractéristique utile des applications comme FizziQ est de fournir un environnement complet pour recueillir, analyser et partager les données. Les applications disposent de chronomètres ou de déclencheurs pour commencer ou terminer les mesures automatiquement, elles incluent également des cahiers pour organiser les données, créer des graphiques dans différents formats et ajouter du texte et des photos pour enregistrer les paramètres des expériences. Toutes les applications ont la capacité de partager les données au format PDF, Excel ou même Python afin que des analyses plus poussées puissent être menées sur les informations brutes. Les smartphones et les tablettes sont donc l'outil idéal pour mener des expérimentations simples en science et surtout pour comprendre le concept de gravité. Prêt à essayer nos sept expériences scientifiques édifiantes ? Vol Zero G Pour entraîner les astronautes à l'apesanteur, c'est-dire l'absence de gravité, on les soumet à des vols Zéro G. Les astronautes sont placés dans la carlingue vide de l'avion, les parois intérieures de l'appareil sont recouvertes de matelas. Dans ces vols, l’avion décrit des paraboles. Pendant la fin de la phase ascendante, puis le début de la phase descendante, les astronautes peuvent enlever leurs ceintures de sécurité et voler librement dans la carlingue comme si ils étaient en apesanteur. Que se passe-t-il à l'intérieur de la cabine ? L'expérience suivante à réaliser avec un smartphone permet de reproduire fidèlement le phénomène. Tout d'abord, posons notre smartphone sur une table puis dans FizziQ ouvrons l’instrument de mesure Accélération absolue. Nous voyons apparaître la valeur de 9,80 m/s². Si nous orientons le portable différemment dans toutes les directions, nous voyons que la valeur reste constante à environ 9,80 m/s². Le smartphone est soumis à une force équivalente à une accélération de 9,80 m/s², l'accélération de la pesanteur. Puisque le smartphone posé sur une table ne bouge pas, ce qui veut dire qu’il y a une autre force, qui est créée par la table qui pousse en sens inverse et permet au mobile d’être au repos. C'est la force de réaction de la table. Que se passe-t-il si on enlève la table ? Plaçons un matelas par terre, ou mieux utilisons un lit moelleux, puis appuyons sur le bouton enregistrer et lançons notre smartphone pour qu'il décrive une parabole et qu’il retombe sur le matelas. Après avoir arrêter l'enregistrement que l'on ajoute au cahier d'expérience, on constate que pendant tout la période en l’air, l’accélération mesurée est nulle. Bien que le smartphone ait été en chute libre, et donc que sa vitesse verticale ait varié pour un observateur placé sur terre, le smartphone lui ne perçoit aucune force, il est en apesanteur. Revenons au cas du vol Zéro G. Au début de la phase ascendante, les astronautes sont soumis à une accélération qui va leur faire décrire un mouvement parabolique, puis l'avion ralenti et aligne sa vitesse verticale et horizontale sur celle des passagers en chute libre. Les astronautes ont la sensation d'être en apesanteur, car ils flottent dans la carlingue. Cependant, pour un observateur extérieur à l’avion, les astronautes seraient en chute libre. De la même manière, l'accéléromètre dans notre smartphone détecte une accélération nulle car l'ensemble du smartphone auquel est attaché le petit poids de l'accéléromètre suit le même mouvement que lui. Nous reviendrons sur l'explication de ce phénomène dans une autre expérience. Expérience de pensée de l'ascenseur d'Einstein Une expérience de pensée est un scénario hypothétique utilisé pour explorer les conséquences d'un principe ou d'une théorie en l'absence d'expérimentation physique réelle. Elle implique de raisonner sur un problème en utilisant uniquement l'imagination et la connaissance des lois physiques, sans nécessiter de preuves empiriques ou d'exécution pratique. Les expériences de pensée ont été employées dans divers domaines, y compris la physique, la philosophie, les mathématiques et l'éthique, servant d'outil puissant pour conceptualiser des idées, remettre en question les notions existantes et stimuler l'exploration intellectuelle. Albert Einstein, l'un des utilisateurs les plus éminents des expériences de pensée, les a largement utilisées pour développer ses théories révolutionnaires en physique, y compris les théories de la relativité restreinte et générale. Les expériences de pensée d'Einstein lui ont permis de visualiser des problèmes complexes et des paradoxes en physique qui étaient difficiles ou impossibles à tester avec la technologie disponible à son époque. L'une des expériences de pensée les plus célèbres d'Einstein est le scénario de "la poursuite d'un faisceau de lumière", qu'il a conçu à l'âge de 16 ans. Cette expérience de pensée l'a conduit à remettre en question les notions établies d'espace et de temps, contribuant finalement au développement de la théorie de la relativité restreinte. Dans cette expérience, Einstein imaginait ce que ce serait de voyager à côté d'un faisceau de lumière. S'il se déplaçait à la vitesse de la lumière à côté du faisceau, il réalisait que la lumière lui apparaîtrait immobile, ce qui contredisait les équations de Maxwell selon lesquelles la lumière voyage toujours à une vitesse constante, indépendamment du mouvement de l'observateur. Cette contradiction l'a conduit à explorer davantage la relation entre le temps, l'espace et la vitesse, aboutissant à son travail révolutionnaire sur la relativité. Une autre expérience de pensée liée à la gravité est l'expérience de pensée de l'ascenseur d'Einstein. Dans l'expérience, Einstein s'imaginait à l'intérieur d'un ascenseur fermé dans l'espace profond qui accélère vers le haut; une balle lâchée semble tomber vers le sol de manière similaire à l'attraction gravitationnelle de la Terre. En contraste, un ascenseur stationnaire près d'une planète comme la Terre subit un effet similaire dû à la gravité. L'essence de cette expérience de pensée est que, dans les limites de l'ascenseur, on ne peut pas distinguer entre les effets de la gravité et l'accélération pure. Le vol en apesanteur que nous avons décrit dans l'expérience précédente donne un bon exemple de ce qui se passe à l'intérieur de l'ascenseur d'Einstein. Le smartphone en chute libre est équivalent à un ascenseur qui tombe avec la même accélération que la gravité. À l'intérieur du smartphone, l'accéléromètre ne peut pas détecter s'il est en chute libre ou si la gravité est nulle. Cette expérience de pensée était cruciale pour Einstein car elle l'a amené à réaliser que la gravité et l'accélération sont localement indiscernables et que la gravité pourrait être considérée comme la courbure de l'espace-temps causée par la masse. Dans la relativité générale, la gravité n'est pas une force au sens traditionnel mais le résultat de masses se déplaçant le long des courbes dans l'espace-temps créées par la présence de masse et d'énergie. Accélération linéaire et absolue Dans une précédente expérience, nous avons mesuré l'accélération d'un smartphone au repos en utilisant l'application FizziQ. La valeur donnée par nos instruments a pu nous surprendre car si le smartphone est au repos, nous nous serions attendu à trouver une valeur nulle, plutôt que la valeur de 9,80 m/s². Ne serait-il pas possible d'obtenir une valeur équivalente à notre ressenti ? Autrement dit l'accélération due uniquement à nos mouvements en excluant la composante gravité ? On appelle cette accélération l'accélération linéaire ou accélération sans g. Ce qui est intéressant dans cette question est que l'accéléromètre dans notre corps est similaire l'accéléromètre d'un smartphone: il est affecté par la gravité. Mais en temps qu'humains soumis à la gravité depuis notre enfance, nous nous sommes habitués à vivre avec la gravité, et à la déduire automatiquement de nos perceptions. Des expériences ont ainsi montré qu'à quelques mois les bébés ont déjà acquis la notion qu'un objet tombe si il n'est pas tenu. Pour soustraire la gravité de nos perceptions, nous tenons compte de multiples facteur comme l'environnement ou d'autres sensations comme la rotation. Certaines expériences montrent cependant que ces sensations peuvent être trompées et nous ne pouvons alors plus nous fier à nos sens. peut-on calculer l'accélération linéaire avec un smartphone ? Quels autres capteurs utiliser pour ce calcul ? le smartphone pourra-t-il être trompé comme un humain ? Dans FizziQ, ouvrez la liste des Instruments et sélectionnez l'accélération linéaire Y. Maintenez votre portable vertical. Au repos vous constatez que la valeur est bien nulle. À présent, montez et descendez le portable et vous connaîtrez l'accélération du smartphone. Comparez ces résultats à ceux obtenus en utilisant l'accélération absolue Y. Celle-ci intègre bien le vecteur gravité. Contrairement à l'accélération absolue, il n'existe pas de capteurs pour mesurer l'accélération linéaire. Elle est le résultat de calculs utilisant une combinaison de capteurs : l'accéléromètre, le gyroscope et le magnétomètre. C'est la combinaison des informations données par ces trois capteurs qui permet de connaître l'accélération linéaire. L'accélération est mesurée par un système MEMS, un petit circuit intégré qui comporte des pièces mécaniques et des pièces électroniques complètement intégrées. Il est composé d'une petite masse connectée au cadre de l'appareil par un ressort. Quand le smartphone se déplace, la petite masse s'écarte par rapport au cadre à une distance qui va dépendre des caractéristiques du ressort. En mesurant cette distance, on calcule l'accélération qu'a subie le smartphone. Pour plus de détails, consulter notre blog qui décrit en détail le fonctionnement de l'accéléromètre. Comme la petite masse est soumise à la force de gravité, l'accélération mesurée par l'accéléromètre inclue l'accélération de la pesanteur g. Pour mesurer l'accélération linéaire, il faut donc soustraire le vecteur gravité, mais pour cela il faut connaître l'orientation du smartphone par rapport au vecteur gravitation. Il y a dans la plupart des portables deux autres autres capteurs qui peuvent donner cette information : le magnétomètre et le gyroscope. Ces deux capteurs sont également des MEMS. Le gyroscope est un capteur qui permet de calculer la vitesse de rotation de notre smartphone dans les trois directions. Il nous permet de calculer à tout moment comment le mobile a pivoté par rapport à sa position initiale. Grâce au gyroscope, nous pouvons déterminer à tout moment comment l'orientation du portable a été modifiée par rapport à son état initial de repos. En appliquant ces changements au vecteur initial calculé pour l’accélération de la pesanteur, on peut alors déduire de l'accélération absolue constatée sa composante, et ainsi déterminer l'accélération linéaire. Le magnétomètre peut également être utilisé pour calculer l’accélération linéaire. Il permet de calculer le champ magnétique auquel est soumis notre portable. En l’absence de tout autre champ magnétique (comme un aimant ou un objet ferromagnétique), le magnétomètre donne les coordonnées du champ magnétique terrestre, ce qui permet de connaître le nord par exemple. Ce champ est très stable et peut donc être utilisé comme référentiel absolu. Comme on connaît le champ magnétique à l'instant initial, on peut connaître les changements d'orientation du portable en comparant le vecteur du champ magnétique à tout instant, et donc d'ajuster la composante gravité de l'accélération pour déterminer l'accélération absolue. Avec une limite cependant : si un objet aimanté ou fer-magnétique est proche du capteur, sa mesure sera affectée et le référentiel sera faux. Ceci explique que le gyroscope soit un meilleur capteur pour calculer l’accélération linéaire que le magnétomètre. En combinant les informations de ces deux capteurs à celui de l'accélération, on peut ainsi connaître l'orientation du vecteur gravité et ainsi le soustraire des mesures faites par l'accéléromètre. Il est parfois difficile de se débarrasser de la gravité ! Mesurer g Un des paramètres essentiels de la théorie de la gravitation est l’accélération de la pesanteur, g. Selon que cette valeur est grande ou faible, on se sent lourd comme sur Terre ou léger comme sur la Lune. Nous avons vu que l’accéléromètre permettait d'estimer cette valeur, mais les scientifiques au XVIème siècle ne possédaient pas cet instrument. Peut-on calculer g sans utiliser l'accéléromètre ? Pour cela nous allons faire la même expérience que Galilée et mesurer le temps que met un corps à tomber d’une certaine hauteur. On sait que la relation qui lie la durée totale t de la chute d’un objet et la hauteur h à laquelle cet objet est lâché est h = 1/2*g*t². Pour calculer g il nous suffit donc de mesurer la durée de la chute d’un objet caché à une hauteur connue. Faisons une première expérience en prenant une balle que nous lâchons d’une certaine hauteur h, par exemple du premier étage d'un immeuble ou d'une maison, en faisant bien attention de ne faire de mal à personne ou de ne pas abimer quelque chose. Avec un chronomètre d'un smartphone, nous mesurons la durée de la chute. Nous avons mesuré la valeur de 0,95 s pour la durée d'une chute pour 3,5 m, ce qui donne une valeur de g de 7,75 m/s². Cette valeur n'est pas très précise, car il est difficile de démarrer et d'arrêter le chronomètre aux moments précis où on lâche la balle et où elle atterrit. Une erreur de 10% sur la durée entraîne une erreur de plus de 20% sur la mesurer de g. Le déclenchement du chronomètre à la main créant beaucoup d'aléas, il nous faut donc utiliser une méthode plus précise. Dans FizziQ nous disposons de la capacité d'enregistrer le volume sonore sur une période donnée. Nous allons donc créer un dispositif dans lequel un son est créé quand l'objet commence à tomber et un autre quand l'objet touche la terre. Il ne nous suffira alors de mesurer l'intervalle de temps entre ces deux évènements. Dans cette expérience, nous faisons tomber un boulon d'une étagère de manière à générer un bruit au moment ou il commence sa chute et un autre au moment où il la termine. Plaçons le boulon tout au bord de l'étagère puis avec un outil, on donne un coup brusque sur le boulon pour le pousser dans le vide en créant un petit bruit caractéristique. Quand le boulon heurte le sol, il émet un autre bruit du choc. Avec FizziQ on mesure le temps écoulé : on sélectionne le volume sonore, puis on lance l'enregistrement et on fait l'expérience décrite précisément. Quand le boulon a atteint le sol, on arrête l'enregistrement. En étudiant les données dans le cahier d'expériences, on peut déterminer avec précision le premier et le deuxième choc, et donc avoir une mesure précise du temps de chute. La photo montre le dispositif utilisé et le graphique, la mesure réalisée. L’étage à une hauteur de 1,28 m et la durée mesurée est 0,51 s, ce qui donne une valeur de g de 9,84 m/s². Pour améliorer la mesure, on peut utiliser un chronomètre sonore comme pour la mesure de la vitesse du son : https://www.fizziq.org/team/boum. On peut aussi utiliser un déclenchement avec l'accélération : https://www.fizziq.org/team/galilée. Peut-être aurez-vous d'autres suggestions de montages qui permettent de mesurer précisément la durée de la chute ? Envoyez vos suggestions à info@fizziqlab.org. Un pendule sur la lune Si on fait osciller un pendule sur la Lune, la période sera-t-elle plus longue ou plus courte que sur Terre ? Les astronautes de la NASA n'ont pas fait l'expérience du pendule sur la Lune, mais dans les archives des missions Apollo on a trouvé un extrait lors du débarquement d'un caisson durant lequel le container est entré en oscillation. Les scientifiques ont alors pu calculer la période de ce pendule et déduire que sa période était environ 2,5 fois plus importante que sur la terre : https://history.nasa.gov/alsj/a14/a14pendulum.html. Comment expliquer ce phénomène ? Galilée, le premier à avoir effectué des expériences approfondies sur le mouvement des pendules, il montre en 1632 que la période du pendule pour des faibles oscillations ne dépend ni de sa masse, ni de l'amplitude des oscillations mais uniquement de sa longueur. Cette remarque sera à la base des mouvements d'horlogerie qui utilise des balanciers. Huygens en 1659 détermine l'expression exacte de la période d'un pendule pour des faibles oscillations : T=2π*√(l/g), où g est la pesanteur. La période dépend de la longueur l du pendule mais aussi d'un paramètre terrestre fondamental : l'accélération de la pesanteur, g. Ce qui a permis aux scientifiques de déterminer pour la première fois avec précision la constante g, ou plutôt la longueur d'un pendule qui avait une période de une seconde. En 1690, dans son Discours de la cause de la pesanteur, Huygens indique que la longueur du pendule battant la seconde à Paris est de 3 pieds 8,66 lignes soit 0,9941 m, qui correspond à une pesanteur à Paris de 9,812 m/s² (avec nos unités). Le pendule devient à l'époque l'instrument de mesure de la pesanteur. Comme nous ne sommes pas sur la Lune, nous allons vérifier la formule de Huygens sur terre. Nous utiliserons le luxmètre fourni par l’application FizziQ pour les smartphones pour calculer avec précision la période d’un pendule. Nous suspendons un pendule fait avec une balle assez lourde au bout d’un fil de telle manière que la balle vienne occulter la cellule photoélectrique d’un smartphone quand elle est en position basse. La cellule photoélectrique des appareils Android est habituellement placée à droite de l’appareil photo. On peut la localiser en mesurant la luminosité avec l’instrument Eclairement de FizziQ et en plaçant le doigt là ou on pense qu’elle se situe. Grâce à la mesure de l’éclairement, on peut très précisément déterminer la période du pendule qui correspond à l’écart entre deux pics de luminosité. On vérifie alors la loi de Huygens sur les pendules. On peut également utiliser cette mesure pour faire un autre calcul plus précis de g. Trajectoire d’une chute En regardant un match de basket, on a l'habitude de voir de belles courbes décrites par les ballons lors d'un lancer à distance et la théorie nous dit que cette courbe est due à l'action de la gravité sur tout objet lancé en l'air. Mais peut-on en savoir plus sur cette courbe, et son équation nous permet-elle d'"en savoir plus sur la gravité ? Pour cela nous utilisons un des atouts les plus évidents des smartphones et tablettes : l'appareil photo qui permet au physicien de réaliser des vidéos précises des mouvements qu'il ou elle étudie. Grâce aux outils d'analyse de vidéo de l'application FizziQ, on peut de plus analyser en détail la cinématique de ces mouvements, tracer leurs trajectoires et exporter les caractéristiques des mouvements sur un tableur. L’utilisateur peut soit créer sa vidéo d'un objet en chute libre, soit utiliser une des vidéos disponibles dans l’application. La bibliothèque de vidéos de l'application FizziQ contient de nombreuses vidéos, notamment sur le sport, qui peuvent être utilisées pour étudier la cinématique de la chute libre : https://www.fizziq.org/cinematique. Par exemple, utilisons la vidéo de la chute d’une balle du module cinématique. On trouvera dans le tutoriel suivant sur Youtube comment conduire l'analyse de la vidéo en utilisant FizziQ : https://www.youtube.com/watch?v=sZdndmHefH8. Après avoir réalisé l'analyse de la chute, on place les données de la trajectoire dans le cahier d'expériences. En traçant le graphique pour la position verticale de la balle en fonction du temps, on constate que cette trajectoire est une parabole, confirmant ainsi le résultat de Galilée. Quelle est l'équation de cette parabole ? En appuyant en bas sur les fonctions d'interpolation, on choisit l'interpolation quadratique qui donne l'équation de la trajectoire. Dans le graphique 3, l’équation de la fonction interpolée est f(x) = 4,72x²-1,48x+2,05. Cette analyse permet également de retrouver l’accélération de l’apesanteur g = 2*4,72 = 9,44 m/s². L'intuition de Galilée sur la dépendance de la position d'une balle en chute libre par rapport au temps était donc la bonne ! Pèse-t-on moins lourd en avion ? Une question qui devrait intéresser chaque athlète est la suivante : est-il plus facile de faire des pompes à 10 000 m d'altitude qu'au niveau de la mer ? Voler en avion n'est pas très écologique, mais si vous prenez néanmoins un vol pour l'étranger, pourquoi ne pas essayer de faire cette petite expérience pour essayer de répondre à la question précédente ? Avant de décoller et quand l’avion est au repos, posez votre smartphone sur la tablette, puis dans l'application FizziQ, enregistrez l’accélération absolue pendant 10 secondes, puis ajoutez cette valeur au cahier d’expérience. Dans les statistiques en bas du graphique, on trouvera la valeur moyenne sur la période. Il faut faire attention de ne pas bouger le smartphone quand on appuie sur le bouton d’enregistrement. Quand l’avion atteint son altitude de croisière, et quand son vol est stable sans turbulences, refaites la mesure pendant une dizaine de secondes, puis notez la moyenne de l'accélération absolue. L'utilisation de la moyenne permet de gommer les petites variations dues aux micro-turbulences de la carlingue. Quelle valeur obtenez-vous ? Quelle a été la variation de l’accélération de la pesanteur ? En prenant une valeur pour votre poids, quel est votre nouveau poids en altitude ? Dans la capture d'écran ci-contre, nous obtenons la valeur pour g de 9,78 m/s2, soit une différence d'environ 3%. Le poids d'un athlète P = m*g, est donc 3% plus faible à 10 000 mètres d'altitude qu'au niveau de la mer. Si d'habitude vous faites 30 pompes, peut-être pourrez-vous en faire 31 ? 😁 Néanmoins pas de quoi battre un record ! 💪 Ce voyage est également l'occasion de confirmer la formule de Newton sur la gravitation universelle. La formule qui donne la valeur de g en fonction de l’altitude h peut être déduite directement : g(h)=g(0)R²/(R+h)² avec R = 6400 km et h en km. Nous avons testé ce protocole durant un voyage entre Paris et Copenhague. L'altitude à laquelle nous avons fait la mesure était à 10 300 mètres. Le calcul donne la valeur suivante : g(0) = 9,81 et h = 10,3 km, g(h) = 9,78 m/s², soit égal à la valeur que nous avons obtenue (copie d'écran ci-dessus). Le mystère de g à l'équateur Après les travaux de Huygens sur le pendule en 1659, les scientifiques sont confiants d'avoir enfin une mesure précise pour l'accélération de la pesanteur, g. Cependant, contre toute attente, l’astronome Richer fait une découverte cruciale en 1672. Alors qu'il est en mission à Cayenne pour mesurer la parallaxe de Mars, il remarque que le pendule qui bat les secondes est plus court à Cayenne qu'à Paris, ce qui suggère que la pesanteur varie en fonction de la latitude. Cette expérience relance une compétition entre Newton et Huygens pour déterminer la raison de cet écart et obtenir une équation qui permettra de déterminer g à tout endroit de la Terre. Si vous avez la chance de voyager entre un pays proche de l’équateur et une destination plus au nord, pourquoi ne pas recréer l'expérience de Richer et étudier la variation de l’accélération de la pesanteur selon la latitude ? Pour cela, dans FizziQ, enregistrer l’accélération normale du portable posé sur une table dans le cahier d’expérience avant votre vol. Puis à la nouvelle destination, enregistrer également l’accélération normale au repos. Quelle différence obtenez-vous ? L'accélération de la pesanteur est moins forte à l'équateur en raison de deux principaux facteurs : l'effet de la rotation terrestre et l'aplatissement de la Terre : La rotation de la Terre crée une force centrifuge dirigée vers l'extérieur, maximale à l'équateur en raison de la plus grande distance à l'axe de rotation. Cette force s'oppose à la gravité terrestre, réduisant légèrement l'accélération de la pesanteur à l'équateur par rapport aux pôles. Ainsi, la pesanteur est moindre à l'équateur en raison de l'effet de rotation. D’autre part, la Terre n'est pas une sphère parfaite, mais plutôt un ellipsoïde aplati aux pôles. En d'autres termes, le diamètre de la Terre mesuré de pôle à pôle est légèrement plus court que le diamètre mesuré à l’équateur. Les points à l'équateur étant plus éloignés du centre de la Terre que les points aux pôles, la force gravitationnelle exercée par la Terre sur un objet à l'équateur est légèrement plus faible qu'aux pôles. Ces deux facteurs combinés font que l'accélération de la pesanteur est légèrement plus faible d’environ à l'équateur par rapport aux autres régions de la Terre. La formule générale est : g(θ)=g(0)⋅(1+k⋅sin²(θ)) avec k ≈ 0,00527 avec g(0), la valeur de g à l’équateur : g(0) = 9,78 m/s². En utilisant cette formule approchée, obtenez-vous la même valeur pour l’accélération à l’endroit où vous vous situez ? Conclusion Nous avons présenté sept expériences pour travailler seul ou en groupe sur la notion de gravité. L'étude de concept en apparence simple ouvre de nombreuses voies pédagogiques au collège et au lycée et permet à tous de se poser des questions passionnantes sur notre univers et son fonctionnement. Références : https://history.nasa.gov/alsj/a14/a14pendulum.html https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/pendule-pesanteur-latitude.xml