Accélération linéaire : principe
Découvre le concept d'accélération linéaire
Description détaillée
Dans cette activité pour le cycle 4, l'élève étudie la notion d'accélération linéaire et les différentes composantes de cette accélération. Il découvre qu'en physique, ralentir est aussi une accélération : c'est une accélération de sens opposé au mouvement, qui se traduit par un signe négatif sur le graphique. L'application FizziQ permet de suivre en direct l'Accélération Linéaire X mesurée par l'accéléromètre du smartphone et de consigner hypothèses et observations dans le cahier d'expérience.
Objectifs pédagogiques
- Comprendre la définition physique de l’accélération
- Identifier les phases d’accélération et de ralentissement dans un mouvement
- Interpréter le signe d’une accélération selon le sens du mouvement
- Utiliser un accéléromètre pour mesurer une accélération réelle
- Comprendre que l’accélération est une grandeur vectorielle
Concepts scientifiques
Instruments et capteurs
Instruments scientifiques
- Accélération linéaire
Capteurs
- Accéléromètre
Fonctionnalités FizziQ
- Cahier d'expérience — Noter l'hypothèse de départ puis documenter chaque mouvement testé avec du texte et des photos.
Matériel nécessaire
- Smartphone avec l'application FizziQ pour l'acquisition des données de l'accéléromètre
- Espace dégagé pour réaliser les mouvements
- Note : le protocole reste adaptable à tout autre outil de mesure comparable.
Protocole expérimental
Avant de commencer, note dans ton cahier d'expériences ton hypothèse : à quoi peut servir un accéléromètre, et que va-t-il mesurer quand tu déplaceras ton téléphone ?
Dans l'onglet Instruments, appuie sur le cadran central, puis sélectionne l'Accélération Linéaire X
Tiens ton portable à plat, écran vers le haut, en orientation portrait. Déplace-le rapidement vers ta droite, dans la direction de son petit côté (c'est l'axe X du capteur), puis arrête-le. Observe le graphique : quel est le signe de la mesure au début du mouvement ? Et à la fin ?
Essaie de bouger ton portable plus rapidement ou moins rapidement, analyse le signe de l’accélération, que constates-tu ? Peux-tu identifier la phase du mouvement qui est associée à un nombre positif ou négatif ?
Bouge ton portable vers la gauche, observe le signe de l’accélération, que constates-tu ?
En analysant la force que tu appliques à ton portable durant les différentes phases du mouvement, peux-tu donner des règles pour connaître le signe de l’accélération.
Quand l’accélération est-elle plus grande en valeur absolue ?
Essaie de bouger ton portable vers le haut, que constates-tu ? Peux-tu en déduire ce que mesure l’accélération X ?
Documente l’ensemble de tes expériences sur le cahier avec du texte et des photos.
Résultats attendus
Lors du déplacement vers la droite, le graphique montre d’abord une valeur positive correspondant à l’accélération initiale. Lorsque le mouvement ralentit, une valeur négative apparaît. Pour un déplacement vers la gauche, les signes observés sont inversés. Lorsque le smartphone est déplacé rapidement, les valeurs d’accélération sont plus grandes en valeur absolue. Lors d’un mouvement vers le haut, peu de variation est observée sur l’axe X, ce qui montre que l’accéléromètre mesure des accélérations selon des axes spécifiques. Des fluctuations peuvent apparaître si le mouvement est irrégulier ou brusque.
Questions scientifiques possibles
- Pourquoi observe-t-on des valeurs positives puis négatives lors d’un même déplacement ?
- Pourquoi ralentir correspond-il à une accélération négative ?
- Pourquoi l’accélération dépend-elle du sens choisi pour l’axe ?
- Comment la rapidité du mouvement influence-t-elle la valeur mesurée ?
- Pourquoi un mouvement vertical n’apparaît-il pas sur l’axe X ?
Explications scientifiques
L'accéléromètre d'un smartphone est un capteur MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) constitué d'une petite masse suspendue par des ressorts microscopiques. Lors d'un mouvement, l'inertie de cette masse provoque son déplacement relatif par rapport au cadre du capteur, déformation mesurée électroniquement sur trois axes orthogonaux (X, Y, Z). Attention : ce capteur brut ne mesure pas directement l'accélération du mouvement, mais la force de contact rapportée à la masse. Téléphone posé sur une table, il indique environ 9,8 m/s² selon la verticale (la réaction du support) ; en chute libre, il indiquerait 0. La grandeur « Accélération linéaire » utilisée dans cette activité est calculée par le téléphone en retranchant la pesanteur de la mesure brute : c'est elle qui correspond à l'accélération du mouvement, et qui vaut zéro quand le téléphone est immobile ou se déplace à vitesse constante. L'accélération mesurée sur l'axe X correspond au changement de vitesse selon cet axe. Lorsqu'on déplace le smartphone vers la droite, on observe typiquement trois phases : 1) accélération positive pendant la phase initiale où la vitesse augmente, 2) accélération nulle pendant le mouvement à vitesse constante, 3) accélération négative lors du ralentissement. En pratique, pour un geste rapide de la main, la phase à vitesse constante est très courte, voire absente : le graphique montre surtout un pic positif suivi d'un pic négatif. Si le téléphone part du repos et s'arrête à la fin, ces deux pics « se compensent » globalement, puisque la vitesse revient à zéro. Ce profil s'inverse pour un mouvement vers la gauche. Ces observations illustrent la deuxième loi de Newton (F = ma) : l'accélération est proportionnelle à la résultante des forces appliquées, et de même direction et de même sens que celle-ci. Ici, pour un mouvement horizontal, le poids et la réaction de la main se compensent verticalement : c'est la composante horizontale de la force exercée par la main qui impose l'accélération mesurée. La valeur absolue maximale de l'accélération apparaît généralement aux moments de changement brusque : démarrage rapide ou freinage soudain.
Pour aller plus loin : l'application phyphox (RWTH Aachen) propose des expériences similaires avec l'accéléromètre et une documentation pédagogique ; on pourra aussi consulter l'ouvrage « Smartphonique : expériences de physique avec un smartphone » d'Ulysse Delabre (Dunod), qui détaille le fonctionnement des capteurs MEMS et des activités de classe associées.
Extensions possibles
- Mesurer l’accélération sur les axes Y et Z et comparer les résultats.
- Étudier l’accélération lors d’un lancer doux puis d’un lancer rapide.
- Observer l’accélération lors d’un déplacement circulaire du smartphone.
- Mesurer l’accélération lors d’un freinage brusque.
- Comparer les graphiques obtenus pour différents types de mouvements.
Questions fréquentes
Qu'est-ce que l'accélération comme grandeur vectorielle ?
Une grandeur vectorielle possède une valeur, une direction et un sens. L'accélération est vectorielle : le même mouvement donne une mesure positive ou négative selon l'axe et le sens choisis, et un mouvement vertical n'apparaît pas sur l'axe horizontal X. C'est pourquoi FizziQ propose trois mesures distinctes, une par axe (X, Y, Z).
Comment l'accéléromètre du smartphone est-il utilisé dans cette activité ?
L'accéléromètre MEMS du smartphone mesure l'accélération selon trois axes (x, y, z). FizziQ affiche ces données en temps réel sous forme de graphiques, permettant d'enregistrer et d'analyser précisément les mouvements étudiés.
Cette activité est-elle adaptée au collège ?
Oui, cette activité est conçue pour le Cycle 4. Elle utilise FizziQ sur smartphone, rendant l'expérimentation accessible et motivante. Le protocole guidé étape par étape facilite l'autonomie des élèves.
Prêt à commencer ?
Téléchargez FizziQ et lancez cette activité avec vos élèves.