Altimétrie barométrique
Crée un altimètre avec le capteur de pression atmosphérique d'un smartphone
Description détaillée
La pression atmosphérique diminue avec l'altitude selon une relation approximativement exponentielle : au niveau de la mer, elle vaut en moyenne 1013,25 hPa, et décroît d'environ 1 hPa tous les 8,5 mètres en basse altitude. Sur de faibles variations d'altitude, on peut donc estimer une différence de hauteur Δh (en mètres) à partir de deux mesures de pression P₀ et P (en hPa) grâce à l'approximation barométrique simplifiée Δh ≈ (P₀ − P) × 8,5, valable près du niveau de la mer. Cette relation permet de transformer un simple capteur de pression en altimètre, comme le font les avions ou les montres de randonnée, à condition de recaler régulièrement la pression de référence pour tenir compte de la dérive météorologique. FizziQ permet de relever la pression atmosphérique en direct avec le baromètre du smartphone et de consigner mesures, graphique pression-hauteur et conclusions dans le cahier d'expérience.
Objectifs pédagogiques
- Mesurer la pression atmosphérique à différentes altitudes.
- Observer la variation de pression avec la hauteur.
- Construire un modèle reliant pression et altitude.
- Estimer une différence d’altitude à partir de mesures expérimentales.
- Comprendre le fonctionnement d’un altimètre barométrique.
Concepts scientifiques
Instruments et capteurs
Instruments scientifiques
- Altimètre
Capteurs
- Baromètre
Fonctionnalités FizziQ
- Cahier d'expérience — Consigner le tableau pression/hauteur, le graphique associé et les conclusions, puis partager l'expérience.
Matériel nécessaire
- Smartphone avec FizziQ
- Accès à un bâtiment à étages ou à une colline
- Mètre ruban (ou hauteur d'étage connue)
- Cahier d'expériences
- Vérifier au préalable que le smartphone dispose bien d'un baromètre (le capteur « Pression » apparaît alors dans FizziQ)
- Note : le protocole reste adaptable à tout autre outil de mesure de pression comparable.
Protocole expérimental
Sais-tu que ton smartphone peut mesurer ton altitude grâce à un simple capteur de pression ? Nous allons construire un altimètre.
Vérifie que ton smartphone possède un baromètre. Ouvre FizziQ et sélectionne la mesure Pression atmosphérique.
Place-toi au rez-de-chaussée d'un bâtiment à étages (ou en bas d'une colline). Lance un enregistrement de quelques secondes et note la pression de référence P₀.
Monte d'un étage (ou de quelques mètres de dénivelé). Attends que la mesure se stabilise, puis note la nouvelle pression et la hauteur montée (mesurée au mètre ruban ou estimée à ~3 m par étage).
Répète étage par étage jusqu'en haut du bâtiment, en notant à chaque palier la pression et la hauteur cumulée.
Dans ton cahier, construis un tableau : hauteur h (m) et pression P (hPa). Trace P en fonction de h. Quelle est la forme de la courbe ?
Calcule la baisse de pression par mètre. Retrouves-tu l'ordre de grandeur de 1 hPa tous les 8 à 10 mètres ?
Utilise la relation Δh ≈ (P₀ − P) × 8,5 pour estimer la hauteur totale du bâtiment à partir de la seule pression. Compare avec la hauteur réelle.
Documente tes mesures, ton graphique et tes conclusions dans le cahier d'expérience, puis partage-le.
Résultats attendus
Les mesures montrent que la pression atmosphérique diminue progressivement lorsque l’altitude augmente. La différence de pression entre deux niveaux proches est généralement faible mais mesurable. Pour des variations d’altitude de quelques mètres, la pression diminue d’environ 1 hPa tous les 8 à 10 mètres. Le graphique obtenu présente une diminution régulière de la pression avec la hauteur. Les mesures peuvent présenter de légères fluctuations dues aux variations de température ou aux courants d’air. La précision dépend de la stabilité du capteur et du temps laissé pour la stabilisation des mesures. Les résultats permettent d’estimer une différence d’altitude avec une précision de l’ordre du mètre dans des conditions favorables.
Questions scientifiques possibles
- Pourquoi la pression diminue-t-elle lorsque l’altitude augmente ?
- Pourquoi la variation de pression n’est-elle pas parfaitement linéaire ?
- Comment la température influence-t-elle les mesures de pression ?
- Pourquoi faut-il attendre que la mesure se stabilise avant de l’enregistrer ?
- Comment améliorer la précision des mesures réalisées ?
- Pourquoi les altimètres doivent-ils être calibrés régulièrement ?
Explications scientifiques
La pression atmosphérique diminue avec l'altitude selon une relation approximativement exponentielle. Au niveau de la mer, la pression standard est d'environ 1013,25 hPa, mais elle décroît d'environ 1 hPa tous les 8,5 mètres en basse altitude. Cette relation n'est pas parfaitement linéaire sur de grandes variations d'altitude, car l'air est compressible et sa densité diminue également avec l'altitude. Pour les faibles variations d'altitude (quelques centaines de mètres), on peut utiliser l'approximation barométrique simplifiée : Δh ≈ (P₀ − P) × 8,5, où Δh est la différence d'altitude en mètres, P₀ et P les pressions (en hPa) au point de référence et au point de mesure, et 8,5 le coefficient de conversion en m/hPa, valable près du niveau de la mer pour une atmosphère à environ 15 °C. Ce coefficient augmente légèrement avec l'altitude et avec la température. Attention enfin à la dérive météorologique : la pression au sol varie naturellement au fil des heures, ce qui explique pourquoi les altimètres barométriques (avions, montres de randonnée) doivent être recalés régulièrement sur une altitude ou une pression de référence connue. Pour des calculs plus précis sur de grandes amplitudes, la formule barométrique complète prend en compte la température. Les smartphones modernes intègrent des baromètres de précision (±0,1 hPa, équivalent à environ ±1 mètre d'altitude) pour améliorer le positionnement GPS et d'autres fonctions.
Pour aller plus loin : L'expérience du puy de Dôme (1648) (site Blaise Pascal, Bibliothèques de Clermont) | Une randonnée dans les pas de Blaise Pascal (reproduction par des collégiens avec smartphones).
Extensions possibles
- Réaliser des mesures en montant progressivement un escalier pour obtenir davantage de points de mesure.
- Comparer les mesures réalisées à différents moments de la journée.
- Étudier les variations de pression lors d’un déplacement en ascenseur.
- Comparer les mesures obtenues dans différents bâtiments.
- Utiliser les mesures pour estimer la hauteur totale d’un bâtiment.
Questions fréquentes
Qu'est-ce que la pression atmosphérique ?
La pression atmosphérique est la force exercée par le poids de la colonne d'air. Elle diminue avec l'altitude selon une relation approximativement exponentielle.
Comment le smartphone peut-il mesurer la pression atmosphérique ?
Le baromètre intégré au smartphone mesure la pression atmosphérique en hectopascals avec une grande précision. FizziQ enregistre ces variations en temps réel, permettant de détecter des changements d'altitude de quelques mètres.
Quelles sont les principales sources d'erreur ou limites de cette expérience ?
La principale limite est la dérive météorologique : la pression atmosphérique évolue naturellement au cours de la journée (souvent de l'ordre de 1 hPa par heure lors d'un changement de temps), ce qui équivaut à près de 10 m d'altitude apparente. Il faut donc réaliser toutes les mesures en un temps court, ou refaire régulièrement une mesure de référence. S'ajoutent la résolution et le bruit du capteur (typiquement ±0,1 hPa, soit environ ±1 m), les courants d'air liés aux portes, à la ventilation ou à la climatisation du bâtiment, et le temps de stabilisation du capteur après un déplacement. Enfin, le coefficient de conversion (≈ 8,5 m/hPa) dépend légèrement de la température et de la pression du jour.
Prêt à commencer ?
Téléchargez FizziQ et lancez cette activité avec vos élèves.