Réalisation et utilisation d’un spectrophotomètre 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


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Professeur expérimentateur

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

Niveau - Thèmes

  • Lycée
  • 1ere spé PC - Thèmes "Constitution et transformation de la matière"

Introduction

L’objectif de ce scénario pédagogique est de déterminer la concentration en bleu de patenté de l’Alodont (bain de bouche) tout en entrant dans le domaine des instruments, leurs fonctionnement et leurs limites. Pour cela, un spectrophotomètre rudimentaire sera réalisé avec un microcontrôleur puis comparé à celui de l’établissement. Le programme est en grande partie écrit mais les élèves doivent ajouter des lignes pour compléter le programme.

Compétences

  • S’APPROPRIER :
    • Rechercher et organiser l’information en lien avec la problématique étudiée.
    • Représenter la situation par un schéma.
  • 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,
    • Mettre en œuvre les étapes d’une démarche,
    • Utiliser un modèle.
  • VALIDER :
    • Confronter un modèle à des résultats expérimentaux,
    • Faire preuve d’esprit critique, procéder à des tests de vraisemblance,
    • Proposer d’éventuelles améliorations de la démarche ou du modèle.
  • COMMUNIQUER :
    • Utiliser un vocabulaire adapté et choisir des modes de représentation appropriés.

CRCN - Compétences Numériques

  • Domaine 1 : Information et données.
    • 1.2 Gérer des données (niveau 3)
    • 1.3 Traiter des données (niveau 4)
  • Domaine 3 : Création de contenus.
    • 3.4 Programmer (niveau 2)
  • Domaine 5 : Environnement numérique.
    • 5.1 Résoudre des problèmes techniques (niveau 2)

Notions et contenus du programme

  • Notions et contenus :
    • Absorbance, spectre d’absorption, couleur d’une espèce en solution, loi de Beer-Lambert.
  • Capacités exigibles :
    • Expliquer ou prévoir la couleur d’une espèce en solution à partir de son spectre UV-visible.
    • Déterminer la concentration d’un soluté à partir de données expérimentales relatives à l’absorbance de solutions de concentrations connues.
    • Proposer et mettre en œuvre un protocole pour réaliser une gamme étalon et déterminer la concentration d’une espèce colorée en solution par des mesures d’absorbance. Tester les limites d’utilisation du protocole.

Description succincte de l’activité

L’élève doit tout d’abord réaliser sa propre échelle de teinte à partir d’une solution de bleu de patenté (dilution) puis réaliser l’instrument qui va lui permettre de réaliser ses mesures ainsi qu’une partie du code 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.

Pré-requis

  • Constitution et transformations de la matière 2nde
    • Soluté, solvant, solution
    • Dilution
    • Dosage par étalonnage
  • Constitution et transformations de la matière 1ere spé PC
    • Concentration molaire
  • Ondes et signaux 2nde :
    • Utilisation d’un microcontrôleur et d’un ou plusieurs capteurs.
  • Ondes et signaux 1ere :
    • Couleurs des objets.

Outils utilisés / Matériel

  • Matériel de dilution,
  • Spectrophotomètre,
  • Microcontrôleur de type Arduino + Photodiode (de type : BPV10) + résistances,
  • Logiciel Arduino,
  • Tableur grapheur.

Gestion du groupe - Durée estimée

  • 1 classe entière pour le cours et 2 activités expérimentales en groupe allégé - Durée totale estimée à 5 heures.

Déroulement de la séquence

  • Activité expérimentale 1 (2h*) :
    • Rappel sur les notions de soluté, solvant et solution, le dosage par étalonnage, la dilution et la couleur des objets.
    • Réalisation des parties I et II de l’activité (1h/partie).
  • Séance de cours (1h*) :
    • Rappel sur la couleur des objets.
    • Réalisation des parties III et IV.
  • Activité expérimentale 2 (2h*) :
    • Rappel sur le dosage par étalonnage.
    • Réalisation de la partie V de l’activité.

*(durée indicatives)

À faire à la maison, avant ...
  • Préparation des activités expérimentales.

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 distances et l’inclinaison du laser, de la cuve et la photodiode doivent être strictement identique entre chaque mesure.
  • Il faut rappeler aux élèves la nécessité de l’obscurité lors de la réalisation des mesures.
Les leviers
  • Lors de discussion avec des élèves, ils comprennent assez bien le fonctionnement du dispositif (quantité de lumière sur la photodiode, concentration, absorbance). Ce lien semble plus compliqué avec l’utilisation d’un spectrophotomètre où le dispositif est caché et plus complexe.
  • La programmation oblige les élèves à se poser la question des grandeurs physiques recherchées et comment elles se calculent.
Les pistes pour aller plus loin ou généraliser la démarche
  • Pour aller plus loin, les élèves pourraient mettre en œuvre des améliorations.

IMPORTANT :

  • 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 imprimer en noir et scotché 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 du circuit doit avoir une valeur élevée (entre 30 et 50 kΩ environ), sinon la valeur de la tension aux bornes de la photodiode est 5 V quel que soit la concentration.
  • Tension à vide : Il est important que les élèves aient une valeur compris entre 0,5 et 1,0 V lorsque rien ne se trouve sur le chemin entre le laser et la photodiode :
    • À 0 V la relation mathématique ne peut pas s’appliquer (division par 0).
    • 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).
  • Plage de mesure : La plage de mesure est bien plus faible que celle d’un spectrophotomètre, ce qui explique que les mesures convergent vers une valeur précise rapidement. En effet, A = (log10 (tension/tension0)) – Ablanc. Si on arrive à avoir une tension à vide de 0,5 V par exemple, puisque la valeur maximale que l’on peut obtenir est 5 V alors Amax = (log10 (5/0,5)) – Ablanc = 1 – Ablanc. Autrement dit, la valeur d’absorbance maximale est inférieure à 1.
    Pour 1 V cette valeur tombe à Amax = log10 (5/1) – Ablanc = 0,7 – Ablanc. Autrement dit une valeur inférieur à 0,7.
  • Conseil : comme les spectrophotomètres usuels, je vous conseille d’allumer le laser sur la photodiode un peu en avance (demander aux élèves de le faire en priorité au début du TP par exemple).
  • Retour élève : le test a été réalisé avec un groupe de 6 élèves volontaires qui n’ont testé que la partie d’écriture du programme et celle avec le spectrophotomètre microcontrôleur. Ils avaient déjà utilisé le spectrophotomètre du lycée 2 semaines auparavant en classe. Le retour des élèves a été positif. Selon ces élèves, la programmation les a obligés à savoir exactement ce qu’ils cherchaient à obtenir. Ils ont compris le fonctionnement de l’appareil ce qui n’était pas le cas avant l’activité expérimentale avec les microcontrôleurs.

CETTE SÉQUENCE PEUT ÊTRE PRÉCÉDÉ AU NIVEAU 2NDE :
Réalisation et utilisation d’une courbe d’étalonnage avec un microcontrôleur

P.-S.

En pièce jointe, l’ensemble des documents (élève, prof, grille d’évaluation) et programmes (à compléter + corrigé + amélioration).