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Mathematik
Das Smartphone erweist sich als sehr interessantes experimentelles Instrument, um die in der Mittel- und Oberstufe erlernten mathematischen Konzepte in die Praxis umzusetzen. Schließlich ist es die Aufgabe der Mathematik, theoretische Werkzeuge zu schaffen, um die Welt um uns herum besser zu modellieren. Die Lehrer, mit denen wir zusammenarbeiten, haben eine Reihe wissenschaftlicher Experimente erstellt und dabei mathematische Konzepte aus dem Lehrplan verwendet, beispielsweise das Sinusgesetz beim Üben der Triangulation oder beim Generieren von Daten für statistische Studien.
Unsere Mathematikaktivitäten
Etude de la loi de Biot-Savart pour une bobine
Niveau :
Lycée
Cette activité @@ à l’élève de visualiser le lien entre courant électrique et champ magnétique en mesurant l’effet d’une bobine avec un magnétomètre. Il apprend à manipuler un capteur, analyser des données expérimentales et vérifier une loi physique fondamentale comme la loi de Biot-Savart.
Trouver la direction du nord en utilisant un magnétomètre
Niveau :
Collège
Le champ magnétique terrestre est un phénomène invisible mais essentiel, utilisé en navigation, en géophysique et dans de nombreuses applications scientifiques et technologiques. Grâce au magnétomètre d’un smartphone, cette expérience permet aux élèves de trouver le nord magnétique de manière expérimentale et de comprendre comment les boussoles fonctionnent.
Cette manipulation les amène à observer comment les capteurs numériques mesurent un phénomène physique, à analyser les composantes d’un champ vectoriel, et à relier leurs résultats à une application concrète : l’orientation sur Terre.
Etude de la loi des carrés inverse pour l'éclairement
Niveau :
Lycée
Cette activité proposée une exploration pratique de la loi du carré inverse, un pilier de la physique lumineuse. En se servant d'un smartphone et de l'application FizziQ pour mesurer l'éclairement lumineux, les élèves découvrent de manière interactive comment l'intensité lumineuse diminue avec l'augmentation de la distance à la source lumineuse. Cette activité, en combinant l'aspect expérimental avec l'analyse mathématique, encourage non seulement la compréhension conceptuelle mais cultive aussi l'esprit d'analyse et de synthèse, rendant l'apprentissage de la physique à la fois accessible et captivant.
Construire un dispositif pour déterminer avec précision la période d'un pendule
Niveau :
Collège, Lycée
Cette activité invite les élèves à explorer et à questionner les principes de la physique derrière le mouvement pendulaire. Après avoir choisi un type de pendule (pendule de Newton ou pendule simple), il détermine un moyen de mesurer très précisément sa période grâce à FizziQ. En expérimentant avec différentes hauteurs de lâcher, les élèves vérifient si ces variations influent sur la période du pendule. L'intérêt pédagogique est multiple : les élèves construisent un dispositif précis, appliquent la méthode scientifique en testant une hypothèse contre les prédictions théoriques, affinent leurs compétences en mesure et en analyse de données, et connectent leurs découvertes au développement historique des technologies de mesure du temps.
Etude de l'effet Doppler pour un pendule sonore ou une balançoire
Niveau :
Lycée
Cette activité pédagogique invite les élèves à étudier l'effet Doppler via un pendule sonore créé en suspendant un smartphone émettant un son. Ils examineront les variations de fréquence dues au mouvement du pendule, mettant en pratique des notions telles que fréquence, période, et vitesse. L'analyse de la courbe de fréquence asymétrique stimule la réflexion critique. L'intégration de la technologie renforce l'expérience d'apprentissage, encourageant une démarche scientifique active et la communication des résultats dans un cahier d'expérience. Cette expérience peut également être réalisée en utilisant une balançoire sur laquelle un élève tient une source sonore.
Energie mécanique et loi de conservation de l'énergie pour un pendule de Newton
Niveau :
Collège, Lycée
Le pendule de Newton est un pendule se composant de cinq billes et permettant d'illustrer les théories de conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie. Le comportement de ce système a été étudié à la fin du XVIIème siècle par les scientifiques John Wallis, Christopher Wren et Christiaan Huygens. Dans cette expérience, nous utilisons une vidéo de pendule de Newton pour tester la loi de conservation de l'énergie par analyse cinématique. Les calculs permettent d'estimer le coefficient de restitution du pendule. Si les élèves disposent d'un pendule de Newton, ils peuvent également faire leur propre vidéo et l'utiliser pour faire l'analyse cinématique.
Un avion grimpe t-il plus vite qu'un ascenseur ?
Niveau :
Lycée
L'ascenseur de la tour de Shanghai est le plus rapide au monde avec un vitesse de 20 m/s. En utilisant l'altimètre de FizziQ, on estime la vitesse ascensionnelle d'un avion de ligne et on détermine si cette vitesse est supérieure à celle de l'ascenseur de la tour de Shanghai.
Est-on moins lourd en avion ?
Niveau :
Lycée
A l'occasion d'un voyage en avion, on peut faire une expérience qui permet de vérifier que l'accélération de la pesanteur, g, est bien dépendante de l'altitude comme le prédite la théorie. Pour réaliser cette expérience, on utilise la mesure de l'accélération absolue d'un smartphone pour mesurer g avant le décollage et quand l'avion a atteint sa vitesse de croisière.
Mesurer la vitesse du son par la fréquence de résonance d'un tube
Niveau :
Lycée
La vitesse du son peut être calculée en utilisant la résonance acoustique d'un tube, un phénomène dans lequel un système acoustique amplifie les ondes sonores dont la fréquence correspond à l'une de ses propres fréquences de vibration. Les fréquences de résonance de certaines cavités comme un cylindre ou une bouteille sont faciles à déterminer et dépendent de la vitesse du son et de la forme de l’objet. En mesurant la fréquence de résonance, pour certains types de cavité, on peut ainsi déduire la vitesse du son. Dans ce protocole, l'élève utilise une éprouvette pour déterminer les paramètres qui semblent influer sur la fréquence de résonance puis utilise la formule de la fréquence de résonance pour calculer la vitesse du son.
Etude expérimentale de la cycloïde
Niveau :
Lycée
Dans cette activité, l'élève utilise l’outil cinématique pour étudier une cycloïde. Cette courbe représente la trajectoire d’un point fixé à un cercle qui roule sans glissement et à vitesse constante sur une route. A partir d’une vidéo d’un vélo, d’une voiture ou d’un camion par exemple, ou à partir de la vidéo d'un cycloid, l’élève pourra, via l’outil cinématique de FizziQ, visualiser la trajectoire et mesurer ses principales caractéristiques. On peut aussi voir comment se déforme cette courbe en faisant varier la hauteur du point pris sur le cercle.
Mesurer la distance entre 2 points par triangulation
Niveau :
Lycée
Le but de cette expérience est de mesurer la distance entre 2 points éloignés à l’aide de la méthode de triangulation. Dans un premier temps, l’élève réaliser le protocole sur la loi des sinus. La méthode de calcul des longueurs d’un triangle peut être utilisée pour mesurer de très longues distances : l’arc de Struve représente le plus grand réseau de triangulation : il s’étend d’Hammerfest en Norvège jusqu’à la Mer Noire sur une longueur de plus de 2820 kms. L’élève pourra mettre en œuvre cette méthode sur une plus petite échelle, par exemple dans la cour de récréation en cherchant à y mesurer la plus grande distance. Avant la mise en pratique et le calcul des différents angles avec le théodolite, il est conseillé de commencer par faire un schéma sur une feuille de papier en y reportant les différents points qui serviront aux mesures et de visualiser la video sur la triangulation.
Analyse cinématique des mouvements d'une perchiste
Niveau :
Lycée
L'analyse cinématique du mouvement d'une perchiste permet d'étudier de nombreux aspects des lois de la mécanique : conservation de l'énergie, énergie élastique, trajectoire parabolique, ... Cette analyse permet de mesurer la complexité de ce sport, et d'envisager des suggestions pour l'athlète pour améliorer ses performances.
Calcul de la vitesse d'un skieur par analyse cinématique
Niveau :
Collège
Cette activité a pour but de calculer par l'analyse cinématique la vitesse du skieur John Clarey pendant les JO d'hiver de 2022. L'élève apprendra a prendre en main le module cinématique, et à conduire l'analyse. Il calculera les vitesses horizontales et verticales de l'athlète, puis la norme de cette vitesse, qu'il pourra comparer à la vitesse officielle calculée.
Conservation de l'énergie pour un pendule (étude cinématique)
Niveau :
Lycée
Le physicien Huygens au 17ème siècle est le premier à caractériser le mouvement d'un pendule simple. Dans l'activité proposée, à partir d'un enregistrement vidéo du mouvement d'un pendule disponible sur le site FizziQ.org, nous proposons l'étude cinématique d'un pendule qui permet de montrer de manière concrète le lien entre énergie potentielle et énergie cinétique. Il est possible pour le professeur ou les élèves de créer leur propre vidéo à étudier.
Relation entre niveau sonore et distance à la source
Niveau :
Lycée
Dans cette activité, l'élève va étudier la relation entre l'intensité sonore et la distance entree l'émetteur et le récepteur. Pour vérifier cette relation il est essentiel d'utiliser un bruit blanc car sinon des interférences peuvent se produire due à la réflexion des ondes sonores sur les parties autour du dispositif. Dans ce protocole, l'élève utilise le son du bruit blanc de la bibliothèque de son qui permet d'obtenir des résultats très stables et précis. L'activité permet d'ouvrir des discussions sur les risques du bruit pour la santé et les conséquences irrémédiables pour l'organisme d'un traumatisme sonore.
Calcul de la valeur g par analyse de la chute libre
Niveau :
Lycée
Galilée est le premier à documenter le fait que la distance parcourue par un objet durant une chute est proportionnelle au carré du temps écoulé. Il détermine ainsi la valeur de la pesanteur terrestre. L'élève reproduit cette expérience avec son portable. Il ou elle mesure le temps que met un objet à tomber en enregistrant les valeurs de l'accélération linéaire mesurées par son smartphone. Il ou elle en déduit une valeur de l'apesanteur à partir de l'équation horaire de la chute libre.
Etude de la relations entre notes de musique et fréquences
Niveau :
Cycle 4
En utilisant les sons de la bibliothèque de son et la mesure de la fréquence fondamentale, l'élève calcule quelles sont les fréquences des différentes notes de musique, comment ces notes sont réparties au sein d'une octave, et quelle est la relation entre les notes de différentes octaves. A l'issue de cette étude, l'élève essaie de retrouver les notes d'un morceau de musique en identifiant leurs fréquences.
Sons harmoniques et non harmoniques avec l'étude du son des cloches
Niveau :
Cycle 4
Les sons des cloches sont tout a fait particuliers car ils sont inharmoniques. Ceci les différencie des autres instruments de musique. Dans ce protocole, l'élève étudie la différence entre le spectre de fréquence du son d'un hautbois et celui d'une cloche. Il constate que les fréquences du son de la cloches ne sont pas des harmoniques, contrairement au son du hautbois. Ce protocole permet de familiariser l'élève avec la notion d'harmoniques et de spectre de fréquences. Une extension possible de ce protocole est le protocole sur les battements car l'élève notera peut-être que le son d'une cloche incorpore des phénomènes de battements générés par la combinaison de fréquences très proches.
Utiliser le magnétomètre de Fizziq comme détecteur de métal
Niveau :
Cycle 3, Collège
Cette manipulation permet aux élèves d’explorer l’interaction entre les matériaux et le champ magnétique terrestre, en observant comment les objets ferromagnétiques modifient localement les mesures du magnétomètre. Elle illustre des concepts du magnétisme et introduit des applications pratique de l'utilisation du magnétomètre comme l'archéologie sous-marine
Athlétisme : mesure de la vitesse d'éjection lors du lancer de marteau
Niveau :
Lycée
L'activité offre une approche pratique pour comprendre la transformation du mouvement rotatif en mouvement linéaire, un concept clé en physique à travers l'étude du lancer de marteau, discipline olympique. En utilisant des outils d'analyse cinématique pour étudier une vidéo de lancer de marteau présente dans la bibliothèque cinématique, les élèves calculent la vitesse d'éjection et la confrontent à la vitesse théorique obtenue en utilisant la vitesse de rotation de l'athlète. Cette analyse permet d'identifier d'autres facteurs importants du lancer comme l'angle d'éjection vertical.
Quelles est l'augmentation du niveau sonore quand on additionne deux ondes de même intensité ?
Niveau :
Collège - Lycée
Cette expérience pédagogique utilise trois smartphones pour explorer l'addition de sources sonores et ses effets sur l'intensité sonore, en mettant en lumière des concepts clés de l'acoustique et de la physique du son.
Deux smartphones émettent des sons tandis que le troisième analyse l'intensité sonore résultante. Les élèves découvrent la différence entre mesurer le Niveau de Bruit, qui représente une moyenne des intensités sonores, et le Niveau Sonore, qui est une mesure instantanée.
Dans un premier temps, on additionnera le son de deux bruits blancs, que l'on trouve dans la bibliothèque de sons de l'application. On calibre d'abord les deux smartphones pour qu'ils produisent la même intensité sonore, puis les élèves observent l'augmentation du niveau sonore lorsqu'on additionne deux sources. Cette augmentation sera proche de 3 dB, résultat que l'on attend.
Trajectoire d'un volant de badminton
Niveau :
La trajectoire d'un volant de badminton est-elle une parabole comme la trajectoire d'une balle de basket par exemple ? Dans cette activité l'élève analyse la vidéo d'un athlète qui lance un volant de badminton et détermine Cette activité a pour but de calculer par l'analyse cinématique la vitesse du skieur John Clarey pendant les JO d'hiver de 2022. L'élève apprendra a prendre en main le module cinématique, et à conduire l'analyse. Il calculera les vitesses horizontales et verticales de l'athlète, puis la norme de cette vitesse, qu'il pourra comparer à la vitesse officielle calculée.
Déterminer le centre de gravité d'un mouvement complexe
Niveau :
Collège, Lycée
Il est en général facile de déterminer le centre de gravité d'une personne debout ou allongée. Mais comment le déterminer quand un athlète effectue des figures complexes qui entraînent des déformations de son corps ? Heureusement, nous savons que le centre de gravité d'un plongeur décrit une parabole. En utilisant cette information, l'élève réalise une analyse cinématique du plongeon d'une athlète, et, par essais successifs, positionne le centre de gravité sur la vidéo jusqu'à obtenir le mouvement parabolique attendu pour ce point.
Mesurer la vitesse du son par émission d'un bruit dans un tube
Niveau :
Lycée
Si plusieurs fréquences sont émises simultanément dans une cavité, les harmoniques de la fréquence de résonance de la cavité seront amplifiées par rapport aux autres fréquences émises. On utilise cette propriété pour mesurer la vitesse du son en utilisant un bruit blanc ou rose émis par un smartphone à travers un tube et en mesurant les fréquences qui sont amplifiées. Cette expérience est toujours étonnante pour les élèves et leur permet de mieux comprendre les phénomènes de résonance de Helmholtz, ainsi que les caractéristiques sonores du bruit blanc. On pourra également utiliser un bruit rose à la place du bruit blanc.
Mesurer la vitesse du son en débouchant une bouteille de vin
Niveau :
Lycée
Quand on débouche une bouteille de vin, on entend un son caractéristique dont la fréquence dépend du volume d'air du goulot et de la vitesse du son. Ce son est du à la résonance de l'air dans le goulot. En mesurant cette fréquence et en estimant le volume d'air, on peut estimer la vitesse du son. La fréquence peut être aisément calculée avec le fréquencemètre de l'application FizziQ. Attention, cette expérience ne peut pas vraiment être reproduite !
Utiliser la loi des sinus pour mesurer les longueurs d’un triangle
Niveau :
Lycée
En utilisant le théodolite, les élèves utilisent la loi des sinus pour mesurer les longueurs d'un triangle dans la cour de récréation.
Cette mise en pratique permet une acquisition rapide et expérimentale d'un concept qui est souvent abstrait, et il peut être fait indifféremment avec une tablette ou un smartphone.
Analyser les incertitudes de mesures
Niveau :
Lycée
Toute mesure, en physique ou dans d’autres disciplines, contient une part d'incertitude, qui provient par exemple de la précision intrinsèque des instruments de mesure utilisés ou du protocole d’expérimentation. Dans cette activité, l’élève utilise son smartphone pour mesurer différentes grandeurs physique (par exemple le champ magnétique ou la vitesse de rotation lorsqu’il effectue un tour sur lui-même) et il étudie la distribution des résultats et observe comme varient moyenne et écart-type
Trajectoire d'un ballon de basket lors d'un tir
Niveau :
Lycée
Dans cette activité, l'élève étudie la trajectoire d'un ballon par analyse cinématique d'une vidéo d'un tir. Il trouvera une échelle appropriée puis pointera les différentes positions. En ajoutant les positions calculées à son cahier, il déterminera le type de trajectoire de la balle, puis en utilisant l'outil de lissage, il calculera l'équation de la courbe et confirmera son intuition sur la forme de la courbe.
Etude de la trajectoire d'un ballon de football
Niveau :
Collège
L'élève réalise l'étude cinématique d'un tir au but à partir d'une vidéo de la bibliothèque de vidéos cinématique. Il analyse la trajectoire pour déterminer si elle est rectiligne, et la vitesse pour vérifier que le mouvement du ballon est uniforme. La prise en main de l'analyse cinématique est entièrement décrite dans le protocole.
Analyse cinématique de la vitesse d'une fusée
Niveau :
Lycée
Quel est le programme d'atterrissage d'une fusée Space X ? A l'aide du module de Cinématique, l'élève analyse le mouvement de descente d'une fusée Falcon 9 sur une barge en pleine mer. Il constate que la vitesse de descente de la fusée est linéaire. Pourquoi un tel objectif de descente ? Est-ce plus efficace ?
Conservation de l'énergie pour un pendule (mesure de l'accélération centripète)
Niveau :
Lycée
Dans cette activité, l’élève utilise un smartpone comme pendule pour confirmer expérimentalement la loi de la conservation de l’énergie mécanique. L’analyse comporte un phase théorique qui consiste à identifier la formule de l’accélération centripète en fonction de la hauteur du lâcher. Durant la phase pratique, l’élève mesure l’accélération centripète du smartphone après un lâcher à différentes hauteurs, et vérifie que la relation est linéaire. Cette expérience utilise l’accéléromètre du téléphone portable.
Déterminer la fréquence cardiaque par les mouvements de la cage thoracique
Niveau :
Cycle 4
L'élève découvre comment l'accéléromètre permet de mesurer de très petites variations de mouvements comme par exemple les battements de son coeur. Il en déduit son rythme cardiaque et créer un graphique qui ressemble à un électrocardiogramme
Quelle sont les fréquences qui composent un bruit blanc ?
Niveau :
Cycle 4
Cette activité permet à l'élève de mieux comprendre les concepts de fréquence et de spectre de fréquence en analysant le bruit blanc présent dans la bibliothèque de son ou tout bruit blanc trouvé sur internet. Un bruit blanc est un son composé d'une multitude de sons de fréquences, de volume et de durées aléatoires. Un bruit blanc est un bruit particulier dont les composantes spectrales ont une énergie équivalente par cycle (en hertz). Cela se traduit par un spectre « plat » lorsqu’on en trace le spectre de fréquences. L'étude du bruit blanc est intéressante car elle permet de faire une analogie avec la lumière blanche. Le protocole très simple montre à l'élève la caractéristique aléatoire des fréquences qui composent le bruit blanc et l'entraîne à se poser des questions sur la notion de bruit, et l'analogie entre son et lumière.
Est-il possible de ses déplacer en ligne droite sans boussole ?
Niveau :
Cycle 4
A travers l'étude du robot Perseverance, l'élève étudie la notion de mouvement rectiligne. Il utilisera l'accéléromètre, le gyroscope, ou le luxmètre pour réfléchir sur le fonctionnement autonome d'un robot. Le protocole permet à l'élève de se poser de multiple questions sur le mouvement autonome, un sujet très actuel.
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