Cet article illustre un exemple d’usage proposé par le GEP de l’académie de Versailles présentant quelques plus-values du numérique sur le thème des mesures hors la classe.

Professeur expérimentateur

• Laure Peillon
• Lycée Notre Dame de Bury – Margency (95)

Niveau - Thèmes

• Lycée
• Niveau : Première (enseignement de spécialité)
• Thème : Mouvements et interactions

Introduction

La séquence consiste à fabriquer un altimètre à l’aide d’une carte Arduino nano, en vérifiant la loi de statique des fluides appliquée à l’atmosphère.

Contenus disciplinaires

• Notions et contenus :
  La démarche s’articule autour de la mesure, des données qu’elle produit et de leur interprétation, au cœur des sciences expérimentales. L’objectif est de confronter les élèves à la pratique d’une démarche scientifique, depuis le choix d’un protocole jusqu’à l’analyse critique des résultats.

• Compétences exigibles :
  Cette séquence permet d’expérimenter, d’utiliser du matériel (capteurs et logiciels), de mener une analyse critique des résultats.

• Capacités numériques :
  – Utiliser un ou plusieurs capteur(s)
  – Acquérir des données numériques
  – Traiter mathématiquement, représenter et interpréter ces données à l’aide de logiciels (type Regressi, Microsoft Excel, Impress LibreOffice calc..)

Compétences

• S’APPROPRIER : Rechercher et organiser l’information en lien avec la problématique étudiée.
• ANALYSER : Choisir et élaborer un protocole expérimental.
• RÉALISER : Mettre en œuvre un protocole et utiliser le matériel de manière adapté. Utiliser un modèle pour prévoir, décrire et expliquer.
• VALIDER : Interpréter des observation, des mesures et identifier les sources d’erreur. Estimer une incertitude de mesure.
• COMMUNIQUER : Présenter sous forme appropriée (graphique, tableau, figure).

CRCN – Compétences Numériques (Pix)

• Compétence 2.1 Interagir
• Compétence 2.2 Partager et publier
• Compétence 2.3 Collaborer
• Compétence 3.2 Développer des documents multimédia
• Compétence 5.2 Évoluer dans un environnement numérique

Objectif(s) pédagogique(s)

• Objectif 1 : Réaliser des mesures à l’aide du capteur de pression de la carte Arduino nano.
• Objectif 2 : Traiter et exploiter des résultats expérimentaux.
• Objectif 3 : Tester la loi de statique des fluides.
• Objectif 4 : Utiliser un modèle mathématique pour déterminer la hauteur d’un bâtiment.

Objectifs disciplinaires et/ou transversaux

• Objectif 1 : Pratiquer la démarche scientifique.
• Objectif 2 : Échanger et travailler entre pairs.

Description de la séquence pédagogique

Les élèves devront dans un premier temps s’approprier le fonctionnement de la carte Arduino nano et de l’application Phyphox en identifiant les différents capteurs disponibles sur la carte. Les élèves proposeront un dispositif original pour tester la loi de la statique de fluide. Ils utiliseront ensuite cette loi pour effectuer des mesures d’altitude à partir de mesures de pression atmosphérique.

– séance 1 : prise en main de la carte Arduino nano et de sa connexion avec l’application Phyphox, module « Arduino Nano 33 BLE Sense ».
– séance 2 et 3 : proposition et mise en œuvre d’une expérience visant à tester la loi de la statique des fluides (série de mesures, modélisation).
– séance 4 : mesure de la hauteur d’un bâtiment ou d’altitudes avec le capteur de pression en imaginant un dispositif original d’embarquement de la carte (drone, ballon gonflé à l’hélium, etc.)

Prérequis

Il n’y a pas de prérequis particulier pour mener cette séquence. Celle-ci remobilise et consolide des acquis des classes antérieures et de l’année courante : mesure et incertitudes, manipulation de capteurs et microcontrôleurs, données structurées et traitement de ces données, utilisation d’un tableur et d’un environnement de programmation.

Outils utilisés – Matériel

• Carte Arduino nano
• Application Phyphox sur tablette ou smartphone
• Tableur : LibreOffice Calc ou Microsoft Excel
• Libreoffice Impress ou Microsoft Powerpoint ou Genially (version gratuite) pour la présentation
• Drone ou ballon gonflé à l’hélium pour embarquer la carte Arduino (facultatif)

Scénario pédagogique de la séquence

Le carnet de bord ci-dessous renseigne sur le scénario global. Il comprend toutes les activités et ressources (papiers ou numériques) proposées aux élèves :

• La démarche rend possibles des mesures hors la classe, dans un cadre d’expérimentation élargi.

• L’expérimentation hors du laboratoire permet de proposer un cadre expérimental très concret aux élèves, ancré dans le réel, sans faire appel à du matériel de laboratoire didactisé.

• Les multiples mesures permettent de réactiver les notions (travaillées dans d’autres contextes) d’incertitude-type, de présentation d’un résultat et de compatibilité avec une valeur de référence.

• L’équation de la droite obtenue par régression linéaire est exploitée pour calculer la hauteur d’un bâtiment à partir de la mesure de la pression différentielle entre un point haut et un point bas, ce qui mobilise également des compétences mathématiques (résolution d’équations).

• Il est nécessaire de réaliser les mesures avec soin, en recueillant un nombre suffisant de points sur une hauteur donnée (mesurer la hauteur des marches d’un escalier à l’aide d’un mètre ruban, par exemple).
• La connexion sans fil Bluetooth de la carte Arduino nano est limitée à une portée d’une dizaine de mètres (sans obstacle).
• Si la carte ne peut être embarquée sur un drone, il est possible de réaliser des mesures de pression différentielle entre un point haut et un point bas d’un bâtiment.

• Il peut être intéressant d’évaluer la masse volumique de l’air à partir de la valeur de la pente de la droite.
• Pour réaliser des mesures sans liaison Bluetooth, on peut utiliser une carte Arduino et enregistrer les données de mesures sur une carte mémoire. La masse du microcontrôleur peut toutefois être trop importante pour le drone.