L’OPTION « MESURES PHYSIQUES ET INFORMATIQUES » (M.P.I.) au lycée de Louis Davier.

1. L’OPTION « MESURES PHYSIQUES ET INFORMATIQUES » (M.P.I.) au lycée de Louis Davier.

2. Avec le logiciel Synchronie et un boîtier d’acquisition de mesures relié à un port U.S.B., l’ordinateur permet la mesure de grandeurs physiques pouvant varier très rapidement Exemple : l’axe d’un moteur fait tourner une paille. Un capteur optique relié au boîtier de mesures permet de déterminer la durée d’un tour.

3. Le logiciel Synchronie permet la mémorisation des valeurs mesurées et l’affichage de courbes montrant l’évolution des grandeurs mesurées en fonction du temps : chaque trait rouge correspond au passage de la paille devant le capteur.

4. Le logiciel Synchronie permet aussi l’affichage de courbes montrant l’évolution d’une grandeur physique en fonction d’une autre. Exemple: mesure de la concentration d’une solution colorée à l’aide d’un capteur photosensible.

5. Le bécher contenant la solution colorée est intercalé entre la lampe et le capteur photosensible qui est connecté au boîtier de mesures.

6. A chaque valeur de la tension Ur mesurée (en V), la courbe fait correspondre une valeur de la concentration tm de la solution (en mg/L) : cette courbe permet de déduire la concentration d’une solution inconnue placée dans les mêmes conditions devant le capteur.

7. Pour connaître la relation qui existe entre la tension Ua (en V) qui existe entre les bornes d’une ampoule et l’intensité I (en A) qui la traverse, on construit le circuit ci-contre et on fait mesurer par l’ordinateur 10000 valeurs des tensions Ua et Ur pendant qu’on augmente de 0 à 10 V la tension imposée par le générateur. On saisit la valeur de la résistance R = 10 , et on demande au logiciel de calculer les 10000 valeurs de l’intensité I qui traverse la lampe et la résistance : I = Ur/10 . (En effet, la loi d’Ohm pour la résistance s’écrit Ur = 10 I).

8. Le logiciel peut alors tracer la courbe Ua en fonction de I (c’est la courbe caractéristique de l’ampoule).

9. En plus du calcul très rapide de nouvelles grandeurs à partir des grandeurs mesurées, le logiciel Synchronie permet la modélisation mathématique, c’est à dire la détermination de l’équation d’une courbe trouvée par l’expérience. Par exemple, on peut étudier la durée de chute de diverses billes, lancées horizontalement de hauteurs diverses, et avec des vitesses variées.

10. Un capteur optique connecté à la voie N° 0 du boîtier de mesures détecte le passage de la bille au début de la chute. Un micro connecté à la voie N°1 du boîtier de mesures détecte l’arrivée de la bille en fin de chute. Le logiciel est configuré pour que le chronométrage démarre quand la bille coupe le faisceau du capteur optique.

11. Durée de chute Signal fourni par le capteur optique. (en noir). Signal fourni par le micro (en bleu). Chaque groupe de 2 élèves réalise l’expérience avec une hauteur de chute h différente et détermine avec un réticule la durée de chute tc correspondante.

12. {Modèle=a0+a1*X+a2*X^2} a0=-0.06284 a1=0.2373 a2=4.744 L’équation trouvée par le logiciel montre que après une durée de chute t, la distance parcourue est h = ½ . g . t2(avec g = 9,81).

13. Groupe :Pigné Jérémy et Michel Elodie Objectif du TP : Calculer la fréquence de rotation du moteur. Outils utilisés et branchements : -Générateur. -Moteur E. -Capteur optique. -Boîtier d’interface. Le moteur E a été branché au générateur réglé à une tension de 5V de même pour le capteur optique qui a été relié au boîtier d’interface. Configuration du logiciel Synchronie2003 : 10 000 points pour 1seconde Date : 11.09.06 Compte rendu de TP Détermination de la durée d’un tour : T La durée qui sépare 2 pics correspond à ½ tour car la paille passe 2 fois par tour devant le capteur. Nous avons donc mesuré la durée correspondant à 20 intervalles pour avoir la durée de 10 tours : 286 ms, puis nous avons divisé par 10 cette durée pour trouver la durée d’un tour. Un tour dure environ 28.6 ms Nous avons mesuré la durée de 10 tours devant le capteur, car cela donne une moyenne qui réduit ainsi le taux d’incertitude par 10. Calcul du nombre de tours par seconde (fréquence de rotation) : Une seconde est égale à 1000 ms. Et nous avons divisé une seconde par la durée d’un tour. 1000 ms/28.6 = 34.97 soit environ 34.97 t/s

14. Tous les domaines scientifiques sont donc concernés : mécanique, optique, acoustique, magnétisme, chimie, et évidemment électricité, puisque tous les capteurs utilisés fournissent des tensions très souvent proportionnelles aux grandeurs physiques que ces capteurs mesurent. Cela explique que nous consacrons aussi un certain nombre de séances à l’étude expérimentale des lois fondamentales de l’électricité, ainsi qu’à celle de composants électroniques utiles pour nos mesures : amplificateurs et comparateurs notamment.

15. L’étude de l’électricité est rendue plus attrayante et moins risquée par l’utilisation d’un bon logiciel de simulation : Crocodile Physic.

16. Dans l’option M.P.I., on ne fait pas de technologie, c’est à dire qu’on ne cherche pas à organiser une production : On y pratique les sciences physiques. Le programme est orienté essentiellement vers la mesure de grandeurs physiques à l’aide de l’ordinateur en utilisant divers capteurs que l’on intègre dans des montages simples : capteurs de pression, de température, de lumière, de vitesse, capteurs sonores, de champ magnétique, de force, etc...

17. Le programme propose aussi une initiation à l’électronique numérique permettant la compréhension de la manière dont l’ordinateur effectue les mesures et stocke les données. L’étude des portes logiques est très utile pour les futurs élèves des sections S-SI (sciences de l’ingénieur).

18. On peut ainsi apprendre à commander le défilement des chiffres sur un afficheur ou la mise en rotation de l’axe d’un moteur pas à pas.

19. Organisation de l’enseignement. L’option propose une approche pratique des sciences physiques à des groupes de 20 élèves au maximum, à raison de 3 heures (à la suite) par semaine.

20. Les élèves manipulent généralement par groupes de deux. Chaque groupe dispose d’un ordinateur muni d’un système de mesure et de logiciels de simulation et de traitement de texte afin de permettre l’édition d’un compte-rendu. Les contrôles comportent généralement une partie théorique et une partie pratique où l’élève manipule seul.

21. Les élèves disposent aussi d’un ensemble plus classique de matériel d’électronique (fils, générateurs, multimètres, oscilloscopes, plaques d’essais et composants…) qu’ils prennent et rangent eux-même dans les armoires.

22. Recrutement: L’option M.P.I. s’adresse à des élèves de seconde intéressés par les sciences physiques, mais cette option ne nécessite pas de connaissance préalable particulière en physique ou en chimie. Elle est généralement couplée : Soit avec l’option S.V.T. (Sciences de la Vie et de la Terre), Soit avec l’option I.S.I. (Initiation aux Sciences de l’Ingénieur).

23. FINALITES: L’option M.P.I. s’adresse surtout à des élèves tentés par la voie scientifique (filière S): elle leur permet d’accéder au plaisir de la recherche en manipulant à chaque séance, mais elle exige du sérieux et de la persévérance.

24. Cette approche expérimentale qui facilite la compréhension des relations qui existent entre les différentes grandeurs physiques est une bonne préparation aux études scientifiques ultérieures. Les élèves y acquièrent une grande autonomie, et leur maîtrise du matériel leur sera très utile dès la 1ère S.

25. Les élèves intéressés par cette approche expérimentale des sciences physiques pourront choisir ensuite l’enseignement de spécialité de sciences physiques proposé en terminale S. Les élèves qui ont suivi l’option M.P.I. en seconde, bien familiarisés avec le matériel, réussissent généralement très bien à l’épreuve expérimentale du baccalauréat S.