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Dans cet article, nous proposons cinq activités dans le domaine des mathématiques à réaliser avec son smartphone. Elles peuvent être proposées aux élèves de collège et lycée durant les cours de mathématiques ou pour un travail à la maison. Loi des sinus Calcul de hauteurs Cycloïde Triangulation Incertitude sur la mesure 1. Pourquoi faire des maths avec un smartphone Certains élèves peuvent trouver les mathématiques trop abstraites et difficiles à comprendre, surtout si le programme se concentre principalement sur la théorie et la résolution de problèmes abstraits sans montrer leur pertinence dans le monde réel. Cela peut rendre les mathématiques ennuyeuses et frustrantes pour certains élèves. L'utilisation du smartphone ou de la tablette, outil que tous les élèves ont dans leur poche ou leur cartable, permet de montrer sur des cas concrets de la vie de tous les jours à quoi servent les mathématiques. Ces appareils digitaux possèdent de nombreux capteurs comme l'accéléromètre, le GPS, la caméra ou le microphone qui peuvent être utilisés pour faire des mesures de précision grâce à des applications gratuites comme FizziQ. En utilisant son smartphone pour mettre en application la théorie du cours ou pour aborder des problèmes par la méthode d'expérimentation, l'élève devient plus engagé, comprend l'intérêt des sciences et apprend le raisonnement scientifique par la pratique. Nous proposons ici cinq activités facilement réalisable en classe ou à la maison et qui permet à l'élève de mettre en pratique les concepts qu'il a appris sur les angles, les relations trigonométriques, ou la statistique. Bien sûr cette liste n'est pas exhaustive et nous encourageons chacun à partager avec nous de nouvelles activités et protocoles ! 2. La loi des sinus La loi des sinus reste une formule très théorique pour les élèves. Cette loi mathématique qui décrit la relation entre les angles et les longueurs des côtés d'un triangle quelconque : Dans un triangle ABC, les rapports entre les longueurs des côtés et les sinus des angles opposés sont égaux : a / sin(A) = b / sin(B) = c / sin(C) où a, b et c sont les longueurs des côtés du triangle, et A, B et C sont les angles opposés respectivement. En d'autres termes, la loi des sinus indique que le rapport entre chaque côté du triangle et le sinus de l'angle opposé à ce côté est constant pour tous les côtés et tous les angles d'un même triangle. Cela signifie que si vous connaissez la mesure de deux angles et un côté du triangle, vous pouvez utiliser la loi des sinus pour calculer les mesures des autres côtés et angles du triangle. une activité intéressante pour les élèves consiste à leur faire mesurer une distance qu'ils ne peuvent pas mesurer avec un outil habituel d'arpentage. Par exemple car il existe un obstacle entre les deux points comme un cours d'eau ou une rivière infranchissable. Dans l'activité que nous proposons, les élèves utilisent le théodolite de l'application FizziQ et la loi des sinus pour mesurer les longueurs d'un triangle dans la cour de récréation, on pourra symboliser un cours d'eau au milieu de la cours pour bien faire comprendre l'utilité de la méthode. Cette mise en pratique permet une acquisition rapide et expérimentale du concept, montre aux élèves une application pratique d'une formule très abstraite, et peut être réalisée indifféremment avec une tablette ou un smartphone. Télécharger l'activité Loi des sinus : https://www.fizziq.org/team/loi-des-sinus Notre vidéo sur la mesure d'une distance avec le théodolite : 3. Calcul de hauteurs Qui ne connaît pas l'histoire apocryphe de Niels Bohr et du calcul de la hauteur d'un immeuble à l'aide d'un baromètre. Elle décrit l'inventivité du jeune Niels qui, pour répondre à un énoncé de physique, trouve une quantité de solutions techniquement justes, mais intentionnellement hors sujet. Dans cette activité, les élèves vont utiliser plusieurs façons d'utiliser, non pas le baromètre, mais le theodolite de FizziQ pour calculer la hauteur d'un bâtiment de l'école. En confrontant leurs résultats ils pourront déterminer la meilleure solution. Attention, laisser tomber son portable n'est pas une option ! Lire la fiche pédagogique de la main à la pâte : https://fondation-lamap.org/sites/default/files/sequence_pdf/Defi-mesure-batiment.pdf La vidéo Billes de Sciences par "La physique autrement" : 4. Etude d'une cycloïde Quand les mathématiques rejoignent la physique ! Une cycloïde est la courbe représentant la trajectoire d’un point fixé à un cercle qui roule sans glissement et à vitesse constante sur une route. La cycloïde a de nombreuses propriétés intéressantes. Par exemple, la longueur de la cycloïde est égale à 4 fois le rayon du cercle, et la surface sous la cycloïde est 3 fois la surface du cercle. En outre, la cycloïde est une courbe brachistochrone, c'est-à-dire que tout objet qui suit la courbe sous l'effet de la gravité atteindra le point final plus rapidement que s'il suivait toute autre trajectoire. Dans cette activité, l'élève va filmer un point sur la roue d'un vélo, ou il peut également utiliser la vidéo de cycloïde téléchargeable à partir de la bibliothèque de vidéos cinématique, pour réaliser une analyse cinématique du mouvement du point. Cette analyse lui permet de visualiser la trajectoire suivie par un point de la roue, ou d'autres points du rayon. Il peut également exporter les données vers un tableaur Excel. Cette expérience simple et rapide à mettre en oeuvre permet à l'élève de se familiariser avec l'analyse cinématique, l'équation des courbes, et il peut faire son propre film de la roue d'un vélo en mouvement. Télécharger l'activité Etude de la Cycloïde : https://www.fizziq.org/team/cycloide 5. Triangulation L'activité sur la loi des sinus peut être poursuivie par un calcul de distance par triangulation. On crédite Leon Battista Alberti comme l'un des premiers à se pencher sur une méthode de calcul des distances éloignées, mais c'est avec la cartographie de la terre et les recherches sur sa forme que la méthode de triangulation devient un outil extrêmement puissant de mesure. On pourra d'abord faire un rappel historique sur le calcul de la longueur du méridien par les astronomes, Pierre Méchain et Jean-Baptiste Delambre et la définition du mètre. Sous forme de séance d'investigation, on abordera également les différents problèmes que pose la mesure de longueur sur des terrains accidentés et l'utilité de la méthode de triangulation. Comme séance de travaux pratiques, dans la cour de récréation, ou mieux sur un grand terrain, on utilisera alors le théodolite pour calculer une longueur importante, et on vérifiera les résultats sur un site de cartographie satellite. On pourra par exemple demander aux élève de calculer la plus grande longueur possible autour de chez eux en utilisant la triangulation. Le protocole s'appuie sur les notations décrites dans cette vidéo : L'activité Triangulation téléchargeable dans FizziQ : https://www.fizziq.org/team/triangulation 6. Variabilité des mesures Cette activité propose de faire travailler les élèves sur la variabilité de la mesure d’une grandeur physique. Elle peut également être utilisée dans le cadre du projet expérimental et numérique. FizziQ permet d'enregistrer un grand nombre de données produites par les capteurs (accélération, magnétisme, fréquence, volume sonore). Ces données peuvent être analysées par les élèves directement dans le cahier d'expériences ou exportées dans un tableur. Elles permettent de répondre à différents types de questionnements : quelle est la précision d'une mesure ? comment améliorer la précision ? quel smartphone est le plus précis ? comment rendre compte de la dispersion d'une mesure ? Télécharger l'activité Incertitude : https://www.fizziq.org/team/incertitude Consulter la fiche pédagogique de La main à la pâte sur "Mesures et incertitude" : https://fondation-lamap.org/sites/default/files/sequence_pdf/mesures-et-incertitudes-defi-fizziq.pdf 7. En conclusion Bien que son nom ne l'indique pas, FizziQ est utilisable dans de nombreux autres domaines que la physique. Mathématiques, SVT, chimie, musique, géographie, sports, les instruments de FizziQ permettent aux élèves de faire des mesures et des travaux d'analyse dans de nombreux domaines et ainsi mieux comprendre le monde qui les entoure. ------------------------ P.S. Merci à Guillaume Lefranc pour ses protocoles et vidéos sur les mathématique, à Julien Bobroff et Frédéric Bouquet pour la vidéo sur le calcul de hauteurs, et à Aline Chaillou et Pauline Bacle pour les fiches pédagogiques La main à la Pâte.

Le mouvement des athlètes est l'un des sujets d'étude cinématique les plus intéressants. La précision des gestes, la transformation des énergies, la complexité des trajectoires sont autant de sujets passionnants à étudier pour l'élève, dans un domaine qui lui est en général familier. Dans ce post, nous analysons la discipline la plus complexe de l'athlétisme : le saut à la perche. Ce mouvement est intéressant car il permet d'étudier les multiples transformations de l'énergie : énergie cinétique de la course d'abord, énergie élastique de compression de la perche ensuite, puis énergie potentielle du saut. 1. Qu'est-ce que l'analyse cinématique ? La cinématique est une méthode utilisée en physique pour décrire les mouvements d'un objet ou d'un système en utilisant des grandeurs géométriques telles que la position, la vitesse et l'accélération. Elle ne considère pas les forces qui causent le mouvement, mais se concentre uniquement sur la description de celui-ci et sa dynamique. Cette analyse permet d'étudier les différents types de mouvements, tels que le mouvement parabolique, le mouvement rectiligne uniforme et le mouvement circulaire. Les lois du mouvement sont exprimées à l'aide de vecteurs et de projections pour décrire la trajectoire d'un objet ou d'un corps dans l'espace-temps. L'analyse cinématique peut se faire à partir d'une vidéo ou d'une chronophotographie. Elle est utilisée dans de nombreux domaines, tels que la mécanique, la robotique, l'aérodynamique, la balistique, et également pour étudier le mouvement des sportifs pour améliorer leurs performances. 2. Créer une vidéo pour l'analyse cinématique Pour faire une analyse pertinente de la dynamique d'un mouvement avec l'analyse cinématique, il faut disposer d'une bonne vidéo ou chronophotographie de ce mouvement. Nous avons rédigé un article sur les 7 règles à respecter pour filmer une vidéo exploitable pour l'analyse. Pour faciliter le travail des enseignants, nous avons créé plus de 20 vidéos de mouvements qui sont téléchargeables directement dans l'application FizziQ. La vidéo que nous allons étudier se trouve dans l'espace Ressources où nous avons rassemblé de nombreuses vidéos pour l'étude en classe de la cinématique : www.fizziq.org/cinematique. Elle est également accessible directement à partir de l'application FizziQ. Cette vidéo est reconstituée en plan fixe à partir d'un film du championnat IAFF de Shangaï 2015. Analysons ce mouvement dans l'application FizziQ. Si c'est votre première utilisation du module Cinématique, vous pouvez consulter l'excellente vidéo de Jean-Michel Courty pour Billes de Sciences sur le sujet ou les pages Cinématiques dans la Base de Connaissance. 3. Analyse de la trajectoire Intéressons-nous tout d'abord à la trajectoire de la perchiste. A partir des données sur la position x et y dans le cahier d'expériences, on visualise les différentes phases du mouvement : course horizontale, phase ascensionnelle, progressive au début, puis verticale, atteignant l'apogée à 2,4 secondes, puis chute sur le tapis. En visionnant la vidéo image par image, on peut également identifier des mouvements particuliers sur lesquels nous reviendrons lors de l'analyse des énergies : - le planté et décollage qui intervient après la butée. La perchiste donne une dernière impulsion horizontale et garde les bras tendus. La perche se comprime, se courbe et effectue un mouvement de rotation vers l'avant. L'athlète décolle du sol. - le balancement et retournement dans laquelle l'athlète effectue un mouvement de rotation autour de la prise qui augmente la compression de la perche. Ce mouvement se termine avec les pieds par dessus tête. - le redressement durant laquelle la perche se redresse et la perchiste continue de se propulser vers le haut avec ses bras. 4. Analyse des vitesses A présent, intéressons-nous à la vitesse horizontale de l'athlète. Jusqu'à 0,8 secondes, la course est faite à vitesse constante. Quand la perche vient buter contre le butoir, la vitesse horizontale chute linéairement alors que la perche se comprime et ralentit le mouvement horizontal. Cette phase terminée, quand la perche est verticale et détendue, la vitesse horizontale est constante puisque l'athlète n'est soumise à aucune force horizontale. Il est intéressant de noter que, dans la phase ascensionnelle, la vitesse horizontale diminue linéairement, ce qui suggèrerait que la force horizontale de compression exercée par la perche est constante. L'étude de la vitesse verticale permet de mieux visualiser la phase durant laquelle la perche est lâchée. Sur la vidéo, la perche se détend entièrement à 1,9 seconde. A ce moment, l'athlète ne semble plus pouvoir utiliser le support de la perche pour bénéficier d'un surcroît d'accélération verticale et la seule force qui s'exerce alors sur elle est l'apesanteur. L'apogée est atteint quand la vitesse verticale est nulle, vers 2,4 s. 5. Bilan énergétique L'analyse la plus intéresante est celle du bilan énergétique. Nous supposons ici que le poids de l'athlète est de 55 kg. On négligera le poids relativement faible de la perche dans l'analyse qui est de 2,5 kg. Nous traçons également sur le graphe l'énergie mécanique, somme de l'énergie potentielle et de l'énergie cinétique. On constate que le gain d'énergie potentielle entre le début et la fin du mouvement est légèrement supérieur à l'énergie cinétique initiale. Ce n'est donc pas simplement l'énergie de la course initiale qui est transformée en énergie potentielle mais également l'injection d'énergie de la perchiste durant la phase de vol, qui permet de compenser les pertes d'énergies dues aux frottements et chocs mais également d'aller plus haut. Il y a trois phases d'apport d'énergie : l'impulsion avant le décollage, le retournement vers 1,3 s dans laquelle l'athlète utilise ses abdominaux pour effectuer une rotation et le redressement vers 1,8 s où il s'étend à la verticale. Phase de retournement Phase de redressement Chacune de ces actions procure une énergie supplémentaire pour que l'athlète aille plus haut. Le bilan énergétique à chaque phase du mouvement permet de répondre à nombre de questions. Par exemple : peut-on faire une estimation de l'apport d'énergie de l'athlète durant la phase de vol ? Si l'on néglige les pertes, on peut estimer l'énergie élastique au point de compression maximale : c'est la différence entre l'énergie mécanique initiale et l'énergie mécanique en ce point, soit environ 1300 J. L'énergie potentielle nécessaire pour passer du point de retournement à l'apogée étant d'environ 2000 J, on calcule un apport d'énergie de l'athlète durant la phase de vol d'au moins 700 J, soit l'équivalent d'un gain de hauteur d'au moins 1,30m ! On voit donc bien la raison de la complexité du mouvement du saut à la perche : l'enchaînement des mouvements nécessite à la fois d'assurer de la bonne transformation de la course en énergie élastique et sa restitution en énergie potentielle, mais également d'apporter un supplément d'énergie lors de la phase de vol pour gagner encore plus d'un mètre ! Belle coordination !! 6. Conclusion En quelques minutes nous avons pu réaliser une étude d'un mouvement complexe, celui d'une perchiste. L'analyse que nous venons de faire est succincte mais on voit cependant que l'on peut très rapidement obtenir des intuitions très intéressantes sur la physique du saut à la perche et, pourquoi pas, se poser la question des améliorations que l'athlète pourrait apporter à son mouvement afin de tirer le meilleur parti des lois de la physique ! Du point de vue pédagogique, la mise en situation interpelle immédiatement l'élève, et lui montre l'utilité de l'apprentissage des sciences pour comprendre le monde qui l'entoure. Le saut à la perche est un sport bien particulier mais des analyse similaires peuvent être faites sur le football, le basket ou d'autres sports dont les vidéos sont accessibles dans la bibliothèque cinématique. Mais nous encourageons tout particulièrement les élèves et les enseignants à réaliser leurs propres vidéos, et pourquoi pas, à les partager avec nous pour leur intégration sur le site FizziQ ! Pour en savoir plus sur les différentes phases du saut : https://www.comsol.fr/blogs/reaching-new-heights-in-pole-vaulting-a-multibody-analysis/ Pour en savoir plus sur la cinématique du saut à la perche, vous pouvez consulter l'article "Étude énergétique du saut à la perche" par Rémi Carmigniani, Christophe Clanet, Quentin Lustig et Sébastien Homo Pour en savoir plus sur la cinématique et le sport, vous pouvez visiter le site de l'école Polytechnique sur ce sujet : https://www.polytechnique.edu/fondation/actualites/toutes-les-actualites/sport-handisport-la-physique-au-service-des-athletes Pour voir les autres blogs sur le sujet du mouvement, suivre ce lien : https://www.fizziq.org/activité-mouvement Aide au maniement de FizziQ : - pour faire ses premiers pas avec le module Cinématique, consulter notre Base Connaissance > FizziQ > Cinématique : premiers pas - pour télécharger une vidéo à partir de l'espace Vidéos Cinématiques ou à partir d'un fichier localisé sur Internet, consulter notre Base Connaissance > FizziQ > Cinématique : télécharger une vidéo

Imaginez un outil numérique qui aide les étudiants à maîtriser l'expérimentation scientifique, non pas virtuellement, mais en observant le monde qui les entoure. Imaginez un instrument scientifique qui permet aux élèves de faire des mesures précises sur le son, le mouvement, la position, la lumière ou la couleur. Un instrument facile à utiliser, engageant, qui encourage le travail collaboratif, capable de traiter des calculs complexes en temps réel, portable avec une grande autonomie et rapide à mettre en place. Imaginez un outil qui aide à résoudre les nombreuses inégalités dans l'accès à l'enseignement des sciences. Dans chaque pays, les smartphones ont permis aux citoyens de s'impliquer dans leur vie quotidienne. De la communication aux paiements, en passant par l'interaction sociale, la santé ou l'agriculture : tous les domaines de l'activité humaine sont transformés par ces appareils intelligents. Et ils peuvent aussi transformer la façon dont nos élèves expérimentent. Dans le contexte de la recherche scientifique, les smartphones offrent des fonctionnalités uniques aux étudiants et aux enseignants : - Une variété de capteurs pour effectuer des mesures physiques de qualité dans tous les domaines d'études primaires, secondaires ou universitaires - Une ergonomie adaptée aux élèves pour un engagement fort et durable - Des vitesses de calcul importantes pour réaliser des analyses complexes en temps réel - Des capacités de communication pour échanger des données et se connecter à des capteurs externes - Un appareil digital de petite taille et une grande autonomie, à utiliser sur le terrain ou à la maison - Une disponibilité et familiarité, car les smartphones sont présents dans la plupart des poches des étudiants Il y a quelques années, certaines applications dédiées ont vu le jour pour capturer et afficher les données des capteurs. Leur complexité les rendait plus appropriés pour les sciences de niveau universitaire que pour le primaire ou le secondaire. Heureusement, ils ont évolué pour devenir des outils d'expérimentation complets, utilisables au collège ou au lycée. En partenariat avec la Fondation La main à la pâte, reconnue pour promouvoir la recherche scientifique en Europe, la startup Trapeze.digital a créé FizziQ. L'application est gratuite, disponible sur Android et iOS, et propose les nombreuses fonctionnalités nécessaires à la conduite d'une investigation scientifique par les étudiants : - Analyse et enregistrement de plus de 30 mesures physiques - Des cahiers contenant des données, des mesures, des graphiques, du texte, des photos et des tableaux - Fonctionnalités d'exportation, pour créer de beaux documents PDF et CSV - Fonctionnalités de partage de bloc-notes pour une collaboration facile - Des outils d'expérimentation, dont des synthétiseurs, une bibliothèque de sons, un double enregistrement, des déclencheurs, et bien d'autres encore... - Protocoles scientifiques à partager avec les étudiants et la communauté éducative Ne nous trompons pas. FizziQ, ou toute autre application, ne peut remplacer les équipements de laboratoire de pointe. Non seulement ces instruments sont calibrés avec précision, mais il est utile de connecter des fils, d'utiliser des outils dédiés, de manipuler des appareils analogiques. Et soyons clairs, il existe de nombreuses mesures que les smartphones ne sont pas conçus pour effectuer. Cependant, dans de nombreux cas, les smartphones ne sont pas seulement un substitut adéquat aux instruments de laboratoire encombrants et coûteux. Ce sont aussi des outils pédagogiques à expérimenter, que les étudiants ont à cœur d'utiliser et qui resteront dans leur poche toute leur vie… un endroit où vous ne trouverez jamais d'oscilloscope !

Qui n'a pas entendu parlé de ChatGPT, la dernière version de l'outil conversationnel en langage naturel de la société d'intelligence artificielle OpenAI ? Successeur à la mode internet et AI du programme psychologue ELIZA, créé en 1966, ChatGPT promet de répondre de manière précise et structurée à toute question et est capable de soutenir des conversations à la manière d'un être humain. L'engouement pour le logiciel a été tel qu'il a battu le record d'acquisition d'utilisateurs, tous curieux de savoir si la machine intelligente était enfin arrivée. Nous aussi, nous voulions savoir quelles suggestions ChatGPT pouvait avoir sur notre sujet favori : l'utilisation des smartphones pour des expériences scientifiques. Les réponses aux questions que nous avons posées nous ont à la fois exaltés et déçus, mais surtout, elles nous ont permis d'en savoir beaucoup plus sur le fonctionnement du logiciel, et réfléchir sur le futur de l'IA pour aider le développement des sciences. Commençons par une question très générale : « Pourquoi utiliser un smartphone pour faire des expériences scientifiques ? ». La réponse, dont nous fournissons la copie d'écran ci-dessus, nous a un peu scotché. On peut, en effet, difficilement synthétiser mieux l’idée qui a été la nôtre quand nous avons créé l'application FizziQ. Nous pourrions presque mettre ce texte directement sur notre plaquette sans en changer une virgule ! La réponse contient même un avertissement sur la question de la précision des capteurs, un point particulièrement important pour l'utilisation des smartphones comme instruments de mesure en sciences. Du coup, on a voulu en savoir plus : "Quelles expériences scientifiques peut-on donc faire avec un smartphone ?" Là, par contre, on est déçus ... ou rassurés … c’est selon. Si la première réponse était précise et parfaitement juste, ce deuxième test se révèle décevant car la plupart des expériences scientifiques proposées sont inintéressantes, mal décrites, ou, pire, impossibles, comme le calcul de la vitesse de la lumière. ChatGPT est à côté de la plaque, mais peut-être sommes-nous en partie responsables car nous n'avons pas été très précis sur la raison pour laquelle nous voulions utiliser les smartphones pour faire de l'expérimentation scientifique, et quel type d'expérience nous recherchions. Cependant, la réponse n’est pas inintéressante pour comprendre comment fonctionne le logiciel, car elle montre qu'il utilise à la fois un raisonnement logique fondés sur des analogies (le calcul de la vitesse de la lumière qui reproduit le calcul de la vitesse d’un objet matériel), et également des connaissances "originales", trouvées sur internet (par exemple le calcul de g en différents points du globe est une expérience très rarement mentionnée). Nous aimerions cependant bien en savoir plus sur ce calcul de la vitesse de la lumière. Comment ChatGPT propose-t-il que nous procédions ? Une chose est sûre, le protocole proposé par ChatGPT n’a pu être proposé par un humain. On ne trouve d'ailleurs ce protocole nulle part sur internet. Il est fondé sur un raisonnement logique de ChatGPT : puisque l'objectif est de calculer une vitesse et que les deux paramètres qui entrent dans le calcul de la vitesse sont la distance et le temps, trouvons un moyen de les calculer. C’est une bonne approche, mais malheureusement aucun des paramètres ne peut être calculé de la manière dont le propose ChatGPT. Néanmoins, cette réponse est d’une telle logique qu’un néophyte pourrait facilement se laisser berner, ce qui en soit pose d'ailleurs en soit d'autres problèmes. Pour faire bonne mesure, le logiciel nous met d'ailleurs en garde sur le fait que ce calcul doit être fait précisément, car la lumière va très vite… Là, au moins, on est d'accord ! Bien sûr, la question était un peu piégeuse ! Essayons donc une expérience plus simple qui consiste à utiliser la chute d'un objet pour mesurer la constante de gravité g. ChatGPT interprète correctement g et explique bien l'objectif de la manip. Il donne également un protocole tout à fait plausible, mais sans donner de détails pour réaliser la mesure. Par contre le logiciel ajoute des informations qui montrent qu'il ne maîtrise pas la manip. En effet les variations de gravité dues à la latitude ou l'altitude sont largement inférieures aux erreurs de mesure d'une telle expérience. Une bonne copie doit donner la bonne dose d'informations justes et pertinentes. ChatGPT est extrêmement addictif et on pourrait poursuivre longtemps la conversation, mais ces quelques interactions nous permettent déjà de nous faire une idée sur les possibilités et limites du logiciel dans sa version actuelle. Est-il prêt à révolutionner les sciences ? Pas encore, car il est difficile de fairer confiance à un programme qui donne avec le même aplomb des réponses tout à fait justes ou complètement fausses. Le défaut de ChatGPT est de ne pas expliciter d'où vient la réponse qu'il produit, un problème récurrent dans les algorithmes d'intelligence artificielle fondés sur les réseaux de neurones. Tout article scientifique donne ses sources, le raisonnement qui soutient l'analyse et les sources qui ont été jugées non crédibles, ChatGPT doit nous donner plus d'éléments pour juger de la pertinence de ses réponses. C'est une évolution nécessaire sans lequel il restera cantonné dans le rôle d'assistant d'écriture junior, ce qui n'est déjà pas si mal ! Si ChatGPT n’est pas encore tout à fait prêt à nous donner les réponses dont nous avons besoin pour comprendre le monde, ne nous y trompons pas, cela viendra. En attendant ce futur un peu inquiétant, une chose est sûre : nous allons découvrir une créativité nouvelle dans les copies de nos élèves !

De nombreuses applications permettent de calculer le rythme cardiaque en utilisant uniquement l'appareil photo d'un smartphone. Sur quels principes reposent ces applications ? Peut-on utiliser FizziQ pour réaliser les même mesures ? Cette technique peut-elle nous aider à mieux comprendre certaines spécificités de notre système cardio-vasculaire ? 1. La photopléthysmographie Le phénomène physiologique sur lequel reposent ces applications a été mis en évidence pour la première fois en 1937 par Hertzman et Spealman (5). Ces deux scientifiques ont constaté qu'ils pouvaient mesurer à l'aide d'une cellule photoélectrique des variations de transmittance de la lumière à travers le doigt et que ces variations permettaient d'estimer précisément le rythme cardiaque. En effet, à chaque battement du coeur, un afflux de sang se propage dans les vaisseaux durant la phase que l’on appelle systole. Le volume sanguin augmente rapidement dans les vaisseaux capillaires et les tissus deviennent légèrement plus épais et rouges du fait de l’afflux de sang chargé d’hémoglobine (3). Avec le reflux cardiaque, durant la phase de diastole, la quantité de sang dans les tissus diminue et ils deviennent moins opaques. En analysant les variations d’opacité ou de couleur des tissus suffisamment transparents, comme ceux d'un doigt ou d'un lobe d'oreille, on peut ainsi déterminer les phases systole et diastole et calculer le rythme cardiaque (1). L'analyse des flux sanguins par cette méthode optique s'appelle la photopléthysmographie, du grec "phôtós", la lumière; "plêtusmos”, l'augmentation; et "gráphô", écrire. Cette méthode est devenue progressivement très importante dans le domaine médical de surveillance, par exemple elle est utilisée dans les oxymètres portables qui ont été essentiels pour suivre les malades atteints de la Covid-19. Elle est également utilisée dans les montres connectées pour calculer la fréquence cardiaque. Sous certaines conditions, on peut utiliser la caméra de nos smartphones pour conduire des analyses simples de photopléthysmographie. Bien sûr nous n'atteindrons pas la précision d'appareils spécialisés mais on peut néanmoins obtenir un certain nombre d'intuitions intéressantes sur le fonctionnement du système cardio-vasculaire humain. Nous étudions dans la suite deux méthodes pour conduire cette analyse. 2. Analyse par mesure de luminosité Nos smartphones possèdent des capacités d'analyse de lumière et de couleur grâce à la caméra. L'application FizziQ donne deux types d'informations qui seront utiles à cette analyse : la luminance qui mesure la quantité de lumière réfléchie par une surface, et la colorimétrie qui permet de mesurer les quantités de lumières transmises par le filtre de Bayer de l'appareil photo. Le luxmètre de l'application FizziQ permet de mesurer l'opacité des tissus de notre index. Sélectionnons la luminance moyenne qui permet une analyse globale de la lumière réfléchie. On place le bout du doigt en contact avec la lentille de l'appareil photo comme indiqué sur la photo en appuyant très légèrement sur l'objectif. On s'assure que la luminosité est comprise entre 15% et 40% en éclairant plus ou moins le doigt avec un source de lumière externe. Le meilleur endroit pour faire cette mesure est le bout extrême du doigt. Après quelques instants, on constate qu’un signal régulier apparaît sur le graphique. Ce signal est faible, et n'entraine une variation que de quelques pour-cent de la luminosité. Progressivement le doigt au contact du téléphone se réchauffe et dilate les vaisseaux ce qui améliore le signal. Il faut trouver la meilleure position en déplaçant le doigt sur l'objectif. Attention, si la pression exercée par le doigt est trop forte, le diamètre des capillaires et leur capacité de dilatation est moins importante, ce qui réduit les variations de transmittance. D'autre part la qualité de la caméra et la rapidité du smartphone sont des éléments déterminants pour faire des mesures précises. Enfin sur les doigts très fins, comme ceux des enfants, la mesure peut se révéler difficile à mettre en oeuvre. Pour étudier le signal on enregistre les données pendant une dizaine de secondes avec le bouton REC et on l'ajoute au cahier d'expériences. Avec les boutons d'échelle on peut centrer et agrandir l'échelle, et sélectionner la plage d'étude. A noter que l'on peut déplacer le bouton de sélection + si il gêne. On constate que le rythme des pics est régulier et permet de mesurer ce qui devrait être le rythme cardiaque. Les creux correspondent aux phases de systole durant lesquelles le sang est abondant dans les vaisseaux, les pics correspondent aux phase de diastole. En utilisant la loupe du cahier d'expériences, on mesure l’écart de temps entre les différents pics (1,05 s) ce qui nous donne la fréquence cardiaque qui dans ce cas est de 57 pulsations par minute. On vérifie cette valeur avec un appareil médical. 3. Analyse par la mesure des couleur La méthode que nous venons de décrire permet d'obtenir des résultats en général acceptables, mais on peut améliorer la mesure en utilisant la couleur et le colorimètre (voir ce blog pour le fonctionnement de cet instrument) . En effet, l’hémoglobine sous sa forme oxygénée absorbe les rayonnements verts compris entre 510 et 560 nm (4). Comme, le filtre vert du filtre de Bayer de nos appareils laisse passer les rayons lumineux de longueurs d'ondes autour de 530 nm, nous pouvons mesurer la quantité de sang dans les tissus en observant l'Intensité de la couleur verte réfléchie par ceux-ci. Durant les phases de systole, les rayonnements verts émis par la source lumineuse seront plus largement absorbés que durant la phase de diastole. C'est cette méthode qui est d'ailleurs utilisée par les montres connectées : elles émettent une lumière verte à intervalles réguliers et mesurent l'intensité réfléchie par les tissus. Nos portables ne peuvent émettre de lumière verte, mais nous pouvons néanmoins faire la même analyse en mesurant avec le colorimètre l’intensité des longues d’ondes du vert dans un tissu éclairé par la lumière blanche de la torche de notre smartphone, utilisée comme source de lumière stable. Pour l'allumer durant la mesure, on sélectionne l'option « LED pour le colorimètre » dans le menu Application de l'onglet Réglages. Sélectionnons la mesure « Intensité » du Colorimètre et nous mesurons cette intensité dans les longueurs d’ondes de la couleur verte (530 nm). On déplacera le doigt pour que la mesure moyenne soit au moins de 10%. Le graphique que nous obtenons est habituellement plus précis que celui obtenu avec la mesure de luminance et nous permet d'obtenir plus d'intuitions sur le phénomène. Par exemple nous constatons sur le graphique que les variations de l'intensité ne sont pas symétriques. En d'autres termes, la montée de la pression pression artérielle est rapide (diminution de l'intensité), et la phase de baisse de pression (augmentation de l'intensité) est lente. L'intuition nous dit que l’onde de pression artérielle générée lors de la contraction devrait plutôt être symétrique, comment expliquer ce phénomène ? Les gros vaisseaux qui partent du coeur sont élastiques (aorte, grosses artères) et se déforment sous la pression générée par le volume d’éjection systolique. L’onde de pouls se propage rapidement avec une vitesse de 8-10 m/s, mais rencontre rapidement des obstacles du fait de la diminution progressive du diamètre des artères du réseau de distribution du sang. Ces petits vaisseaux ne sont également pas élastiques. L'onde va donc être réfléchie et va repartir en sens inverse (2, 7). Cette deuxième onde (onde dicrote) se superpose à la première avec un décalage et permet à la pression artérielle durant la phase de relaxation du coeur de diminuer plus progressivement. Ce phénomène est très important car il permet d’optimiser la pression de perfusion coronaire. 4. Conclusion Peut-on faire d'autres types d'analyses sur la physiologie du système cardiovasculaire ? Il est probable que pour aller plus loin, les smartphones doivent intégrer d'autres capteurs ou composants électroniques. Les oxymètres par exemple calculent le taux d'oxygène dans le sang en comparant l'intensité réfléchie quand on éclaire un tissus avec deux longueurs d'ondes différentes, rouge et infrarouge. L'utilisation de techniques comme l'intelligence artificielle permet également de tirer un meilleur parti des capteurs. Par exemple des recherches récentes ont montré qu'il était possible d'analyser le rythme cardiaque en étudiant des vidéos du visage (5). L'utilisation des smartphones pour prévenir des maladies a fait des progrès importants ces dix dernières années et il n'y a aucun doute qu'avec le développement de nouveaux capteurs et l'utilisation de méthodes d'analyse encore plus performantes, de nouvelles applications vont voir le jour pour aider les populations à identifier encore plus rapidement les maladies et participer à la proposition de traitements (6). La technologie actuelle présente sur la plupart de nos smartphones ne peut les transformer en appareils médicaux, mais pour ceux intéressés à mieux comprendre la physiologie de notre système cardiovasculaire, elle donne des informations pertinentes et objectives à partir desquelles on peut conduire des démarches d'investigation tout à fait intéressantes. Pour en savoir plus, vous pouvez consulter les liens suivants : 1. http://univ.ency-education.com/uploads/1/3/1/0/13102001/physio2an13-i3hemodynamique.pdf 2. https://sofia.medicalistes.fr/spip/IMG/pdf/Back_To_Physio-La_courbe_de_pression_arterielle.pdf 3. https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-02068347/document 4. https://scilogs.fr/questions-de-couleurs/la-couleur-du-sang-dans-tous-ses-etats-1-le-sang-humain-est-il-toujours-rouge/ 5. https://www.researchgate.net/publication/313863759_Origin_of_Photoplethysmographic_Waveform_at_Green_Light 6. https://bmcmedinformdecismak.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12911-020-01381-x 7. https://hal.sorbonne-universite.fr/hal-01288428/document Illustrations : Figure 1: https://www.beurer.com/gesundheitsratgeber/fr/bloodpressure/what_is_blood_pressure.php Figure 2 : © Bernard Valeur Figure 3 : https://sofia.medicalistes.fr/spip/IMG/pdf/Back_To_Physio-_La_courbe_de_pression_arterielle.pdf

Il n'est pas aisé de démontrer en classe que l'addition de deux sources sonores de même intensité entraîne une augmentation du niveau sonore de trois décibels, un résultat largement mentionné dans les manuels scolaires. En effet, pour pouvoir démontrer cet effet sans phénomènes d'interférences, il faut utiliser des sources sonores indépendantes, comme par exemple des bruits blancs, ce qui requiert un accès à du matériel spécifique. Dans ce post, nous utilisons l'application FizziQ pour aborder expérimentalement de manière très simple cet effet, et, en prolongement, questionner les élèves sur les phénomènes d'interférences pour les sons purs. Utilisons l’application FizziQ sur trois smartphones. Le premier mesurera le niveau sonore (onglet Mesures), et les deux autres émettront chacun un "Bruit Blanc" que l'on trouvera dans la bibliothèque de sons de l'application (onglet Outils -> Bibliothèque de sons). Le niveau sonore d'un bruit blanc est variable sur des très courtes périodes et donc nous utilisons la mesure Niveau de Bruit qui moyenne les valeurs de l'intensité sonore. Nous réglons le volume des deux smartphones émetteurs pour que les deux sons soient de niveaux sonores équivalents. Puis nous mesurons le son émit par les deux smartphones simultanément et nous constatons alors une augmentation du niveau sonore global de 3 décibels. Si l'on dispose d'une classe importante, on pourra essayer d'additionner le bruit blanc de 10 portables d'élèves pour une augmentation du niveau sonore de 10 décibels, et ouvrir la discussion sur les logarithmes. On peut également utiliser le son "Rue Passante" de la bibliothèque qui est proche d'un bruit blanc et qui met les élèves en situations plus réelle. On pourra alors aborder la notion de bruit. A présent essayons d'utiliser un signal pur à la place du bruit blanc. Par exemple, utilisons deux sons de fréquence 600 Hz grâce au synthétiseur de fréquences de l'application (onglet Outils -> Synthétiseur de fréquences). Nous constatons que le résultat est hautement aléatoire : en effet, en répétant plusieurs fois l'expérience, on s'aperçoit que le volume sonore peut augmenter de plusieurs décibels, mais également baisser ! La raison est que deux sons purs de même fréquence ne sont pas indépendants. Le résultat de l'addition des sons dépend du déphasage entre les deux sources. Si nous additionnons deux sons purs de même fréquence et en phase, la résultante aura une amplitude double et le niveau sonore augmentera de 6 décibels, pas 3. Par contre deux sons purs de même fréquence mais déphasés d’une demi période auront un son résultant d’amplitude nulle. C’est d’ailleurs sur ce principe que fonctionnent les casques à réducteurs de bruit. On peut également reproduire cet effet sur un seul portable en utilisant deux voies sur le synthétiseur, et en les dépassant progressivement. Finalement, si on utilise deux sons purs de fréquences différentes mais proches, on obtient alors des interférences régulières entre les deux sons qui crée le phénomène de battement que nous avons décrit dans une autre vidéo. L'expérience d'addition des sons est très intéressante à réaliser en classe et ouvre de nombreuses pistes pédagogiques. Avec l'application FizziQ elle est très simple à mettre en oeuvre. Bonne expérimentation ! Pour en savoir plus sur les ondes sonores, consulter notre blog : "Comment voir un son ?"

Les cours de sciences peuvent paraître intimidants ou inintéressants pour de nombreux élèves. Introduire ces cours avec une activité surprenante permet de capturer leur attention et de les rendre ouverts à l'investigation. Par exemple, en utilisant un des "selfies de physique" créés par Julien Bobroff et son équipe de « La Physique Autrement ». Les selfies utilisent les déclencheurs qui démarrent une action quand une condition sur une mesure est satisfaite. Par exemple prendre une photo ou démarrer un chronomètre quand un son dépasse un certain niveau. Les déclencheurs permettent de faire des mesures plus précises et donnent à l'élève la capacité de créer de nouveaux outils d'expérimentation pour des recherches d'investigation scientifique. Quelles d'activités scientifiques introduire avec les "selfies de la physique" ? « Le Selfie Opéra » est une bonne introduction pour un cours sur les fréquences et la gamme mais permet également de parler de sujets d'actualité comme l'utilisation du logiciel Autotune par de nombreux artistes pour corriger la voix et chanter juste. Si la plupart des artistes cachent cette utilisation, deux artistes que les élèves connaissent bien, Gims ou Booba, sont au contraire de fervents partisans d'Autotune pour créer des styles bien particuliers : quand le correcteur crée l'innovation ! Une activité très populaire auprès de nos utilisateurs est le calcul de la vitesse du son. On pourra commencer la séance avec « le Selfie Hurleur », puis on demandera aux élèves de créer un chronomètre sonore avec les déclencheurs, c’est-à-dire un chronomètre qui mesure la durée entre deux évènement sonores. A partir de ce nouvel outil d'expérimentation, les élèves pourront calculer la vitesse du son en suivant la procédure décrite dans cette vidéo. Finalement au programme scolaire de nombreux niveaux, on retrouve la mesure de la gravité. Cette mesure peut être réalisée très simplement avec un smartphone en utilisant l’accéléromètre. On peut faire cette mesure avec ou sans déclencheurs mais l’utilisation des déclencheurs permet de faire des mesures reproductibles et plus précises. La fiche d'activité FizziQ se trouve ici ! Pourquoi ne pas débuter la séance avec « Le Selfie Kangourou » ? Les possibilités offertes par les déclencheurs sont nombreuses et les élèves trouveront de nombreuses autres applications. Merci à l’équipe de « La physique Autrement » d'avoir créé cette ressource entraînante, qui permet aux enseignants d'ouvrir de façon intéressante et ludique des séances d'expérimentation en classe. Tenez-nous au courant de vos projets !!

L'utilisation de smartphones ou de tablettes en classe nécessite un cadre mais aussi une certaine flexibilité. Suite à nos expérimentations en classe, voici quelques points qui peuvent vous aider lors des premières séances. 1 - Soyez confiant L'application FizziQ a été conçue pour les étudiants, et son ergonomie est la même que celle des autres outils numériques qu'ils utilisent. Les étudiants peuvent être invités à télécharger l'application avant la première session. Une brève présentation du premier instrument de mesure qui sera utilisé peut être faite en classe ou avant la première séance, à domicile. 2 - Mettez les ordinateurs portables en mode avion FizziQ n'a pas besoin d'un accès aux données mobiles. En mode Avion, les élèves ne seront pas distraits par les messages susceptibles d'apparaître sur leur portablem. Le smartphone devient rapidement un outil d'enquête à part entière. 3 - Encourager le travail de groupe Le travail de groupe permet à des étudiants moins familiarisés avec les outils numériques de s'approprier l'application tout en bénéficiant des découvertes des autres. FizziQ possède de nombreuses fonctionnalités que le travail de groupe permet de découvrir. Selon les thèmes abordés, le nombre de téléphones ou de tablettes variera. 4 - Laissez les élèves se familiariser avec l'outil Lors de la première session, il est préférable de prévoir dix à quinze minutes pour que les étudiants se familiarisent avec les différentes fonctionnalités de l'application. Cette durée doit être comptée dans la programmation de la session. Le temps dappropriation diminuera très rapidement après la première session. 5 - Choisissez un protocole d'expérimentation adapté Vous trouverez de nombreux exemples de protocoles ou de challenges sur les sites suivants: https://www.fizziq.org/protocoles ou https://www.fondation-lamap.org/fr/fizziq. Pour votre première séance, choisissez un protocole qui ne nécessite qu'un seul istrumentn de mesure. 6 - Demander un rapport final FizziQ permet aux étudiants de créer facilement des documents synthétiques détaillant leurs hypothèses, mesures et conclusions. Ces documents peuvent inclure des graphiques, du texte, des photos, des tableaux et être partagés librement par e-mail, WhatsApp, etc. Essayez FizziQ en classe et aidez vos élèves à découvrir un nouvel outil pour faire de la science !

FizziQ est un système ouvert qui aide les professeurs à créer leurs propres protocoles expérimentaux, soit à partir des protocoles existants qu'ils peuvent modifier, soit en créant de nouveaux protocoles. Il pourront ensuite partager ces protocoles avec leurs élèves ou la communauté éducative. Comment télécharger un protocole ? L'élève ou le professeur peuvent télécharger dans l'application un protocole à partir d'un fichier texte ou sous forme de QR code. dans l'onglet protocole, appuyer sur +, puis sélectionner créer un protocole, ou scanner un code QR. A noter que le protocole est entièrement contenu dans le code QR et il n'y a pas besoin d'internet pour le télécharger. Où puis-je trouver des protocoles Le site www.fizziq.org contient plus de 30 exemples de protocoles qui peuvent être téléchargés et modifiés par les professeurs. Sur les réseaux sociaux, on retrouve des protocoles FizziQ avec le hashtag #fizziqlab. La communauté est encouragée à partager ses protocoles pour que d'autres enseignants, en France mais aussi à l'étranger et dans les pays en développement, puisse utiliser les smartphones comme outils éducatifs. Comment créer ou modifier un protocole ? Le professeur peut créer un protocole à partir de zéro ou utiliser un protocole existant et le modifier pour l'adapter à ses besoins. 1. Pour créer un nouveau protocole: à partir de l'application, appuyer sur + dans l'onglet protocole, puis "Créer un nouveau protocole" 2. Pour éditer un protocole existant : sélectionner le protocole à modifier dans la liste des protocoles, puis appuyer sur l'icône stylo en haut à droite pour le modifier. 3. Pour créer ou éditer un protocole à partir d'un fichier texte: ouvrir sur votre navigateur un générateur de codes QR (chercher dans google "générateur de code QR") puis suivez les règles du format de protocole FizziQ décrites ci-dessous. Quel est le format FizziQ de protocoles ? Les protocoles sont structurés sous forme d'un fichier texte contenant moins de 1200 caractères. Le format FizziQ est défini par des champs séparés par la combinaison de caractère "//". Les champs sont les suivants et les informations doivent être placées dans le bon ordre: 1. La séquence commence par le code : "Fizziq" 2. Le titre en format texte 3. L'objectif du protocole en format texte 4. Les différentes étapes du protocole classées et séparées par le séparateur "//" Exemple de protocole Je désire créer un protocole dont le titre de l'expérience est "Le son", le sous-titre "Travail sur l'amplitude et la fréquence", et deux étapes "Choisissez un instrument de musique pour lequel vous souhaitez analyser le son" puis "Quel instrument de FizziQ pouvez-vous utiliser pour mesurer la fréquence fondamentale d'une note de votre instrument ?". Dans le champ texte du générateur de "QR Code" disponibles sur internet, taper le texte suivant : "Fizziq//Le son//Travail sur l'amplitude et la fréquence//Choisissez un instrument de musique pour lequel vous souhaitez analyser le son//Quel instrument de FizziQ pouvez-vous utiliser pour mesurer la fréquence fondamentale d'une note de votre instrument ?" Puis générer le QR code avec une résolution maximale, et importez le avec votre application FizziQ (+ dans l'onglet protocoles, puis "scanner un code QR") ​ Comment partager un protocole ? FizziQ permet également d'imprimer ou de partager le protocole en format texte ou sous le format code QR. 1. Pour partager un code QR digitalement, sélectionner le protocole, puis appuyer sur l'icône partage en haut à gauche et sélectionner "partager un QR code" 2. Pour partager un protocole sur papier, sélectionner le protocole, puis appuyer sur l'icône partage en haut à gauche et sélectionner "partager en PDF" 3. Pour partager un protocole digitalement en format texte, sélectionner le protocole, puis appuyer sur l'icône partage en haut à gauche et sélectionner "partager en format Texte" Puis-je télécharger un protocole dans une autre langue ? FizziQ permet de réaliser une traduction d'un protocole dans la langue de votre portable. Sélectionner un protocole, appuyer sur l'icône partage puis "Traduire un protocole". Comment partager un protocole avec la communauté éducative ? Les enseignants peuvent partager un protocole sur les réseaux sociaux avec le hashtag #fizziqlab. Ils peuvent aussi envoyer leurs protocoles à l'adresse mail juliette@fizziqlab.org pour être diffusés sur le site Fizziq.org. L'envoi doit comporter le code QR, une image d'illustration (facultatif), et le nom ou pseudo de l'auteur (préciser "anonyme" si vous ne souhaitez pas que le protocole soit attribué). Triangle.digital se réserve le droit de publier ou non le protocole. Y-a-t-il des droits sur le format de protocole FizziQ ? Le format de protocoles FizziQ n'est pas propriétaire. Nous espérons voir émerger une base de données de protocoles d'expériences qui pourra servir à de multiples applications. Pourquoi utiliser les codes QR ? FizziQ utilise la technologie des codes QR comme moyen d'échange de protocoles d'expériences. Le système de code QR a été inventé en 1994 par Masahiro Hara de la société japonaise Denso Wave. L'utilisation des codes QR est libre de droits. Le code QR présente plusieurs avantages qui ont guidé ce choix pour FizziQ. Le premier, est que la technologie permet l'échange de fichiers texte de petites tailles (inférieures à 4 ko) sans utilisation d'internet. Dans de nombreux pays, et souvent aussi dans le cadre scolaire, les élèves n'ont pas accès à internet. Les protocoles d'expériences sont en général des fichiers de taille réduite. D'autre part, la technologie est très largement utilisée, notamment pour le paiement dans de nombreux pays et tous les smartphones sont équipés d'appareil photo. Il existe de nombreux outils gratuits sur internet pour générer un QR-code en ligne. Quelles sont les limites du code QR ? Les codes QR utilisés habituellement peuvent contenir jusqu'à 4296 caractères alphanumériques. Cependant pour l'utilisation dans FizziQ, nous recommandons que la taille du protocole, y compris les séparateurs, ne dépasse pas 1 200 caractères. ​

Quand on ouvre le menu accéléromètre dans FizziQ on trouve deux types d'accélération : l'accélération linéaire et l'accélération absolue. D'autres applications comme Phyphox les nomment aussi accélération sans g et accélération avec g. Quelle est la différence entre ces différents types d'accélération ? Dans un précédent post sur l'accélération, nous avons vu que l'accéléromètre de notre portable tient compte de la gravité. Au repos il affiche 9,8 m/s². Le problème est que cette composante de l’accélération de la pesanteur ne correspond pas forcément à ce que nous percevons être l'accélération. Depuis que nous sommes nés, nous sommes habitués à vivre avec la gravité, et de 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. L'accélération que nous aimerions mesurer et qui est utile pour de nombreuses utilisations est donc celle qui est due uniquement aux mouvements de l'utilisateur. C'est à dire qu'il faut déduire de l'accélération la composante gravité. C'est ce que l'on appelle l’accélération linéaire (ou accélération sans g). Si l'on considère le portable au repos, on peut déterminer les composantes de l’accélération de la pesanteur grâce aux mesures de l'accélération absolue x, y et z. Si on fait un déplacement retiligne sans changer son orientation, les composantes du vecteur gravité restent les même dans le repère du portable, et nous pouvons calculer l’accélération linéaire. Cependant si, au cours d'un déplacement, notre portable change d’orientation, il n’est plus possible de savoir comment est orientée le vecteur gravité dans le repère de notre portable et donc nous ne pouvons plus calculer l’accélération linéaire. Heureusement, il y a dans la plupart des portables deux autres autres capteurs qui peuvent nous aider : le magnétomètre et le gyroscope. Ces deux capteurs sont également des MEMS et donnent d’autres informations qui vont nous permettre de calculer l’accélération linéaire. 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 constatées 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 fero-magnétique), 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 connait le champ magnétique à l'instant initial, on peut connaître les changements d'orientation du portable en comparant le vecteur du champ magnétique a 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. Il semblerait au vue de ce qui précède que la meilleure méthode pour calculer l'accélération linéaire utilise la combinaison accéléromètre et gyroscope. Cependant un élément supplémentaire doit être pris en compte. En effet, le gyroscope consomme significativement plus d'énergie qu'un accéléromètre, qui lui même consomme beaucoup plus que le magnétomètre. Tout dépend donc de la précision dont on a besoin et de l'énergie que l'on est prêt à dépenser pour atteindre cette précision. Pour résumer, voici un petit tableau de l'utilisation simultané des capteurs : Capteurs Calcul de l'accélération linéaire Accéléromètre Mauvais Accéléromètre+Gyroscope Bon - forte consommation Accéléromètre+Magnétomètre Moyen - faible consommation Accéléromètre+Magnétomètre+Gyroscope Excellent - très forte consommation

Nous allons étudier dans ce blog le phénomène acoustique de battements. Cette effet est très facile à créer avec l’application FizziQ et riche en découvertes dans le contexte de la démarche d’investigation. Un battement acoustique apparaît lorsque l’on émet simultanément deux sons purs de fréquences très proches. On entend alors nettement la pulsation qui résulte de l’interférence périodique des deux sons. Voilà un exemple de battements acoustique. Le battement acoustique a été utilisé historiquement pour accorder des instruments de musique, mais vos élèves reconnaitront surement cet effet souvent utilisée aujourd’hui par les compositeurs de musique électronique du genre Future Bass, comme Flume ou San Holo. On appelle cet effet le LFO, ou Low Frequency Oscillator (Oscillateur Basse fréquence). Pour étudier le phénomène de battement avec l’application FizziQ, demandez à vos élèves d’utiliser le synthétiseur de fréquences de l’onglet Outils pour générer un son de fréquence 600 hertz sur la première voie et un son à 660 hertz sur la deuxième. Puis demandez leur de réduire progressivement la fréquence de la deuxième voie jusqu’à 600 hertz. Quand la fréquence de la deuxième voie est inférieure à 620 hertz, ils commenceront à percevoir le phénomène de battement. On abordera alors les questions suivantes. Comment décrire le phénomène acoustique qui apparait quand les deux les deux fréquences sont très proches ? Quand ce phénomène apparait-il ? Comment définir la fréquence du battement ? Comment ralentir ou accélérer la fréquence du battement ? Le battement est-il une illusion de notre cerveau ou un phénomène physiques mesurable ? Le battement est caractérisé par un phénomène de pulsation du volume sonore. En expérimentant avec le synthétiseur, les élèves constateront que le battement devient perceptible quand la différence entre les deux fréquences est inférieure à 20 hertz. Les élèves découvriront également que plus la différence de fréquence entre les deux sons est faible et plus la fréquence du battement est faible également. Finalement il pourront s’assurer que le battement n’est pas une illusion de notre cerveau en faisant l’expérience suivante : en utilisant deux portables générant chacun une seule fréquence, ils vérifieront que l’on entend le battement si on place les portables à côté l’un de l’autre. Par contre si on place un portable près de l’oreille droite et l’autre près de l’oreille gauche, le phénomène disparait. Il s’agit donc bien d’un phénomène physique d’interaction entre les deux ondes et non pas une illusion auditive. Une fois l’analyse générale du phénomène terminée, et ayant constaté que la fréquence du battement dépend de la fréquences deux sons, on demandera aux élèves de chercher une relation empirique entre ces grandeurs. En chronométrant la période du battement peuvent-ils déterminer empiriquement cette relation ? Pour calculer plus précisément cette relation, peuvent-ils utiliser un instrument de mesure de l’application FizziQ pour mesurer précisément la période des battements ? La relation déterminée est-elle dépendante du niveau absolu des fréquences ou seulement de leur différence ? Les élèves détermineront aisément que la fréquence du battement est égale à la différence des fréquence. Ils pourront pour cela utiliser un chronomètre et mesurer la période ou mieux enregistrer le volume sonore dans l’onglet Mesures et analyser la séquence dans leur cahier d’expérience. Il pourront refaire la mesure pour différentes combinaisons et ainsi vérifier que la fréquence du battement ne dépend pas du niveau absolu des fréquences mais uniquement de leur différence. Ces analyses pourront être récapitulées par l’élève dans le cahier d’expérience sous forme de graphiques ou d’un tableau récapitulatif auxquels les élèves ajouteront du texte pour expliquer leurs hypothèses et leurs conclusions. Pour mieux visualiser le phénomène de battement, vous pourrez ensuite demander aux élèves d’utiliser l’oscillogramme pour étudier l’amplitude du signal sonore. Il est préférable d’utiliser deux sons purs ayant un écarts de fréquence de l’ordre de 15 à 20 hertz. L’échelle de l’oscilloscope peut être ajusté grâce au bouton d’échelle en haut à gauche. En étudiant le phénomène avec l’oscilloscope, on demandera aux élèves de caractériser la courbe suivie par l’amplitude du signal ? On parle souvent de phénomène d’enveloppe, quelle est l’enveloppe de cette courbe ? Les élèves peuvent-ils mesurer la période de l’enveloppe ? Peuvent-ils également mesurer la fréquence du signal qui est enveloppé ? Que peuvent-ils déduire de cette analyse ? L’oscillogramme permet aux élèves de visualiser le phénomène de façon très précise. Ils détermineront que l’enveloppe permet de moduler un signal en augmentant et réduisant le volume sonore de ce signal de manière régulière. Il pourront ainsi mieux interpréter le phénomène de LFO qui leur est très familier. D’autre part ils constateront également que le signal modulé a une fréquence égale à la moyenne des deux signaux. Il est difficile d’aller plus loin dans l’analyse pour les élèves plus jeunes, mais pour ceux de terminale dans le cadre du grand oral, ou en première année d’université, la prochaine étape est alors d’expliquer les résultats de ces expériences par la théorie. Considérons deux ondes de fréquences f1 et f2 de même amplitude maximale A. Les équations de ces deux ondes sont : f1(t) = A cos(2*pi*f1*t + phi1) f2(t) = A cos(2*pi*f2*t + phi2) Si l’on ajoute ces deux ondes, on obtient l’équation f(t) = A(cos(2*pi*f1*t + phi1) + cos(2*pi*f2*t + phi2)) En utilisant l’équation de la somme des cosinus cos(a) + cos(b) = 2cos((a+b)/2)*cos((a-b)/2) On obtient f(t) = 2*A*cos(2*pi*(f1+f2)/2t + (phi1+phi2)/2)*cos(2*pi(f1-f2)t/2 + (phi1-phi2)/2) Cette équation est le produit de deux signaux sinusoïdaux, l’un de fréquence égale à la moyenne des fréquences des deux ondes, et l’autre de fréquence beaucoup plus basse et proportionnelle à la différence des deux fréquences. Si l’on s’abstrait des variation du volume, on entend le son produit par les variations d’amplitude du premier terme de l’équation, soit un son de fréquence égale à la moyenne des deux fréquences. Ce résultat correspond bien aux résultats de l’analyse de l’oscillogramme. C’est la deuxième oscillation très lente est celle qui créée la sensation de pulsation, ce que l’on appelle l’enveloppe du son. L’oreille humaine ne détecte pas les sons de fréquence inférieures à 20 hertz, ce signal est donc interprétée comme une variation du volume sonore. On note que le son est minimum deux fois par cycle, la fréquence perçue du battement est donc le double de la fréquence, soit f1-f2. Nous avons couvert avec les battements de nombreuses caractéristiques d’une onde sonore et utilisé largement la méthode d’investigation pour cette analyse. L’étude des battements acoustique est passionnant à la fois pour les plus jeunes, familier avec l’effet de LFO, et les plus agés qui mettront en pratique la théorie des ondes. L’utilisation de FizziQ simplifie le processus d’expérimentation et permet aux élèves de conduire rapidement et simplement une vraie démarche d’investigation.

Vous avez surement remarqué qu’il existe dans FizziQ plusieurs types de mesures différentes sur la lumière : la luminance et l’éclairement. Quelle est la différence entre ces deux types de mesures, et comment l’application FizziQ calcule-t-elle ces quantités ? Quantifier la lumière n’est ni aisé ni intuitif. Doit-on se référer à la quantité d’énergie consommée par la source lumineuse, à la quantité de photons qu’elle émet, ou à la perception que nous avons du rayonnement ? Doit-on considérer l’émetteur ou le récepteur ? La photométrie définie les mesures qui caractérisent ces différents éléments. Considérons tout d’abord une source lumineuse ponctuelle. On définit le flux lumineux, ou flux visuel, comme la puissance lumineuse efficace pour l’oeil, c’est à-dire ce que l’oeil est capable d’interpréter. Cette mesure dépend donc des longueurs d’ondes émises. Le flux lumineux est exprimé en lumen (lm) et un lumen correspond à peu près à la puissance efficace émise par une bougie. Une ampoule à incandescence de 75 watt produit environ 900 lumen, autant qu’une ampoule LED consommant 13 watts. Une source lumineuse ponctuelle émet dans toutes les directions, et pour prendre en compte le fait que certaines directions peuvent être occultées, on préfère donc utiliser la notion d’intensité lumineuse qui est le flux lumineux par unité d’angle solide. Cette intensité est exprimée en candelas (cd). Par exemple les phares marins, visibles à plus de 30 km, ont une intensité lumineuse supérieure à 200 000 candelas. Dans le monde réel, les sources ne sont pas ponctuelles. Si deux ampoules émettent le même flux lumineux mais ont des tailles différentes, la plus petite apparaitra plus brillante, d’où la notion de luminance. La luminance est l’intensité lumineuse émise par unité de surface émettrice. Elle est exprimée en candelas par mètres carrés. Plus la luminance est élevée et plus la lumière apparaitra brillante. Le soleil au zénith a une luminance de un milliard cd/m2, une feuille de papier blanc au soleil, 25 000 cd/m2, et la pleine lune, 2 000 cd/m2. Finalement, nous n’avons pour le moment caractérisé que les sources émettrices mais nous pouvons également nous intéresser à la quantité de lumière que reçoit une surface donnée quand elle est éclairée par plusieurs sources lumineuses. La quantité qui est utilisée est l’éclairement qui est le flux lumineux reçu par unité de surface. Un lux est l’éclairement reçu par une surface de 1m2 sur laquelle tombe un flux de 1 lumen. Quand on étudie des panneaux solaires, on s‘intéressera particulièrement à l’éclairement. Alors éclairement ou luminance ? Tout dépend de ce que l'on veut mesurer !