Réalisation et utilisation d’une courbe d’étalonnage avec un microcontrôleur TraAM 2019-2020

, par Jessica Fayard

Cet article illustre un exemple d’usage proposé par le GEP de l’académie de Versailles s’inscrivant dans le projet national TraAM 2019-2020 dont la thématique est :


Le codage et l’algorithmique pour l’enseignement de la physique-chimie


Aller à la page nationale des TraAM.



Professeur expérimentateur

  • Jessica Fayard
  • Lycée Guy de Maupassant
  • Colombes (92)

Niveau - Thèmes

  • Lycée
  • Seconde - Thèmes "Constitution de la matière" ; "Ondes et signaux"

Introduction

Les élèves se mettent dans la peau d’un contrôleur agricole et doivent déterminer si M. Dupont, maraîcher, respecte les normes concernant la quantité de cuivre dans sa bouillie bordelaise. L’objectif est de réaliser l’ensemble des étapes qui permettent d’arriver à la résolution du problème.

Compétences

  • S’APPROPRIER :
    • Rechercher et organiser l’information en lien avec la problématique étudiée.
  • ANALYSER :
    • Choisir, élaborer, justifier un protocole,
    • Faire des prévisions à l’aide d’un modèle.
  • RÉALISER :
    • Mettre en œuvre un protocole expérimental en respectant les règles de sécurité,
    • Effectuer des procédures courantes (calculs, représentations, collectes de données, etc.),
    • Utiliser un modèle.
  • VALIDER :
    • Confronter un modèle à des résultats expérimentaux,
    • Faire preuve d’esprit critique, procéder à des tests de vraisemblance.
  • COMMUNIQUER :
    • Utiliser un vocabulaire adapté et choisir des modes de représentation appropriés.

CRCN - Compétences Numériques

  • Domaine 1 : Information et données :
    • 1.3 Traiter des données (niveau 4)
  • Domaine 5 : Environnement numérique
    • 5.1 Résoudre des problèmes techniques (niveau 2)

Notions et contenus du programme

  • Notions et contenus :
    • Constitution de la matière :
      • Solvant, soluté,
      • Concentration en masse.
    • Ondes et signaux
      • Loi des nœuds,
      • Loi d’Ohm,
      • Capteurs électriques.
  • Capacités exigibles :
    • Constitution de la matière
      • Identifier le soluté et le solvant à partir de la composition ou du monde opératoire de préparation d’une solution.
      • [...] choisir et utiliser la verrerie adaptée pour préparer une solution par dissolution ou par dilution.
      • Déterminer la valeur de la concentration en masse d’un soluté à partir du mode opératoire de préparation d’une solution par dissolution ou par dilution.
    • Ondes et signaux :
      • Exploiter la loi des mailles [...] dans un circuit électrique comportant au plus deux mailles,
      • Utiliser la loi d’Ohm,
      • Citer des exemples de capteurs présents dans les objets de la vie quotidienne.
      • Mesurer une grandeur physique à l’aide d’un capteur électrique résistif.
      • Produire et utiliser une courbe d’étalonnage reliant la résistance d’un système avec une grandeur d’intérêt (température, pression, intensité lumineuse, etc.).
  • Capacité numérique :
    • Utiliser un dispositif avec microcontrôleur et capteur.

Description succincte de l’activité

L’élève doit tout d’abord réaliser sa propre échelle de teinte à partir d’un solide (dissolution puis dilution) puis réaliser l’instrument qui va lui permettre de réaliser ses mesures et enfin, grâce à la courbe obtenue, l’élève doit déterminer la concentration de la solution inconnue. Contrairement à l’utilisation d’un instrument de mesure acheté en commerce, l’instrument réalisé est accessible et rien n’est caché (ni le code, ni le dispositif). L’intérêt ici n’est pas la précision, c’est bien de comprendre ce qui se passe. C’est une première approche de la grandeur absorbance même si le terme n’est pas mentionné.

Pré-requis

  • Partie constitution de la matière :
    • Soluté, solvant, solution.
  • Partie ondes et signaux :
    • Circuit série/dérivation,
    • Notion d’intensité, de tension et de résistance,
    • Symboles pour les circuits électriques,
    • Loi des mailles et loi d’Ohm,
    • (Avoir utilisé un microcontrôleur est préférable : optionnel mais permet à l’élève de déjà savoir ce qu’est un microcontrôleur et comment manipuler le logiciel.)

Outils utilisés / Matériel

  • Microcontrôleur de type Arduino + Photodiode (de type : BPV10),
  • Tableur grapheur.

Gestion du groupe - Durée estimée

  • 1 classe entière pour le cours et 3 activités expérimentales en groupe allégé - Durée totale estimée à 6 heures.

Déroulement de la séquence

  • Activité expérimentale 1 (1h30*) :
    • Rappel sur les notions de soluté, solvant et solution,
    • Réalisation de l’activité 1.
  • Activité expérimentale 2 (1h30*) :
    • Rappel de ce qui a été fait lors de la séance de TP1 et explication des objectifs de l’activité expérimentale 2.
    • Réalisation de l’activité 2.
  • Séance de cours (1h30*) :
    • Réponses aux questions 1 à 10 par les élèves avec correction commune en fin de séance.
  • Activité expérimentale 3 (1h30*) :
    • Rappel de la séance de cours,
    • Rappel de ce qui a été fait lors de l’activité expérimentale TP2 et explication des objectifs de l’activité expérimentale 3.
    • Réalisation du protocole expérimental,
    • Réponses aux dernières questions.

*(durée indicatives)

À faire à la maison, avant ...
  • Faire éventuellement préparer les premières questions des activités à la maison et notamment pour l’activité 3 les quatre premières.
À faire à la maison, après ...
  • Dans le cas où l’activité du jour n’a pas eu le temps d’être terminée, le faire à la maison pour la reprendre en cours.

Retour d’expérience

Les plus-values pédagogiques (enseignants / élèves)
  • L’élève fabrique son propre appareil de mesure ce qui réduit l’effet « boite noire » ou « magique » de l’utilisation des dispositifs de mesures complexes de laboratoire.
Les freins
  • Les élèves ne se rendent pas vraiment compte qu’ils sont en présence d’un circuit électrique. Il est nécessaire d’insister sur ce point, par exemple, en dessinant sur le montage projeté le chemin du passage du courant.
  • Les distances et l’inclinaison du laser, de la cuve et la photodiode doivent être strictement identique entre chaque mesure.
Les leviers
  • Lors de discussion avec des élèves, ils comprennent assez bien
    le fonctionnement du dispositif (quantité de lumière sur la photodiode, concentration, tension). Ce lien semble plus compliqué avec l’utilisation d’un spectrophotomètre où le dispositif est caché et plus complexe.
Les pistes pour aller plus loin ou généraliser la démarche
  • Pour aller plus loin, le dispositif pourrait se rapprocher encore plus d’un spectrophotomètre en programmant le calcul de l’absorbance (—> 1ere spécialité physique-chimie ).

IMPORTANT :

  • Attention : il faut utiliser de l’eau distillée puisqu’avec de l’eau du robinet, un précipité peut se former.
  • Dispositif : Il faut absolument que le dispositif soit stable (même distance et inclinaison des différents éléments). Pour cela, je propose deux solutions :
    • Disposer les différents éléments en scotchant un porte cuve (réalisé en carton) avec du scotch double face sur une surface noire (dans mon cas : une simple feuille de papier imprimée en noir et scotchée à la table). Pour que le dispositif ne soit pas soumis aux variations lumineuses, on peut utiliser une boite en carton que l’on dispose au-dessus à chaque mesure (en veillant à ne pas toucher le dispositif) ou tout simplement éteindre les lumières (en faisant attention à tourner l’écran d’ordinateur !).
    • Deuxième possibilité : réaliser une boite en impression 3D.
  • Résistance : La résistance doit avoir une valeur élevée (ici 47 kΩ), sinon la valeur de tension aux bornes de la photodiode est de 5 V quel que soit la concentration de la solution.
  • Plage de mesure : Bien faire attention à ce que les élèves aient une valeur compris entre 0,5 et 1,5 V lorsque rien ne se trouve sur le chemin entre le laser et la photodiode car si la valeur est déjà très élevée c’est-à-dire près de 5 V, la plage de mesure sera trop petite (la tension aux bornes de la photodiode augmente avec la concentration donc la tension à vide est la tension minimum et le maximum est 5 V).
  • Conseil :
    • Insister sur le fait que le montage réalisé est bel et bien un circuit en dessinant sur le montage le circuit.

CETTE SÉQUENCE PEUT ÊTRE POURSUIVIE AU NIVEAU 1ERE SPÉ PHYSIQUE-CHIMIE : Réalisation et utilisation d’un spectrophotomètre avec un microcontrôleur

P.-S.

L’ensemble des documents (doc élève, prof, grille d’évaluation) ainsi que les programmes sont joins.

Partager

Imprimer cette page (impression du contenu de la page)