Imaginez-vous que votre smartphone peut faire plus de cinquante types de mesures différentes sur le son, le mouvement, la lumière, la couleur, l'énergie ?
Tout cela est possible grâce aux capteurs de taille microscopique qui sont dans votre smartphone. Avec FizziQ, nous donnons accès à la plupart de ces capteurs pour pouvoir faire des mesures de précision avec son smartphone ou sa tablette. Chacun peut ainsi utiliser son smartphone pour apprendre les sciences !
Table des matières
Orientation - Eclairement - Luminance - Couleurs - Spectre de couleurs - Absorbance - Intensité - Nombre de pas - Inclinaison - Accélération linéaire - Accélération absolue - Volume sonore - Oscillogramme - Fréquence fondamentale - Spectre de Fréquence - Niveau de bruit - Champ Magnétique - Vitesse de rotation - Coordonnées géographiques - Altitude - Vitesse - Précision - Azimut - Angle d'élévation - Analyse cinématique
Orientation (Boussole)
La boussole affiche l'angle de ton portable avec le nord magnétique.
Cet instrument utilise les différentes données du magnétomètre pour calculer cet angle.
La précision des données est inférieure à 0,1 degré et la fréquence de mise à jour des données est en générale supérieure à 10 hertz, soit 10 données par seconde.",
Eclairement ou luminosité (Luxmètre)
Le capteur de lumière ambiante mesure l’éclairement sur une surface donnée. La mesure s’exprime en lux. Un lux est l'éclairement d'une surface qui reçoit, d'une manière uniformément répartie, un flux lumineux d'un lumen par mètre carré.
Le lux est une unité généralement peu connue. Lorsque nous achetons des ampoules, nous regardons plus souvent le nombre de watts et le nombre de lumens. La pleine lune génère environ un lux, une lampe de salon, environ 50 lux, l'éclairage d'une salle de classe, tout comme le lever ou le coucher du soleil, environ 400 lux, la lumière du jour indirecte, plus de 10 000 lux, tandis que la lumière directe du soleil génère plus de 30 000 lux.
La fréquence de mise à jour des données dépend des capteurs de ton portable et est en général supérieure à 10 hertz, soit 10 données par seconde
Luminance (Luxmètre)
La caméra du smartphone permet de calculer la luminance du flux lumineux qui est émise ou reflété par les objets qui sont dans son champ. La luminance est proportionnelle à l’intensité lumineuse mais, contrairement à la mesure d’éclairement, ne tient pas compte de la surface de la source lumineuse. C'est le ressenti visuel de l’intensité lumineuse.
La luminance locale calcule la luminance des pixels centraux de l'image capturée par la caméra. La luminance globale calcule la luminance moyenne sur l'ensemble des pixels de l'image de la caméra.
Dans FizziQ, la luminance est calculée comme la moyenne des composants rouge, vert et bleu détectés par la caméra du smartphone sur l’ensemble de l’image et rapportée à la valeur de calibration. La mesure est mise à jour à une fréquence d'environ 10 Hz.
ATTENTION : les mesures de luminance sont des mesures relatives par rapport à une référence que l'utilisateur fixe en appuyant sur le bouton CALIB.
Couleurs (Colorimètre)
Le colorimètre est un outil qui analyse les échantillons colorés. FizziQ utilise le détecteur photographique présent dans ton portable pour calculer différents paramètres qui caractérisent la couleur reflétée ou transmise par les objets que tu analyses.
La couleur est un phénomène physique difficile à étudier. Chacun perçoit les couleurs différemment. Les capteurs photographiques des portables ont des sensibilités différentes à certaines longueurs d'ondes et les résultats ne sont pas toujours comparables pour différents portables.
L'écran Couleur te donne un grand nombre d'informations sur la couleur du centre de l'image: un échantillon de la couleur perçue par le capteur et son nom commun, le spectre en % de la valeur maximum des composantes rouge, vert et bleu qui constituent cette couleur, la teinte sur l'échelle HSV, et l'intensité de cette teinte.
Spectre de couleur RVB (Colorimètre)
Le savant Anglais Thomas Young a été le premier à découvrir que trois couleurs monochromatiques, le rouge, le vert et le bleu suffisent pour obtenir par addition toutes les sensations de couleur. Notre rétine est d'ailleurs composée de détecteurs appelés cônes qui ont des sensibilités particulières à chacune de ces couleurs.
Un appareil photo digital fonctionne d'une manière semblable. Sur le capteur, est fixé un réseau de petits filtres de couleur rouge vert et bleu que l'on appelle un filtre de Bayer. Ce filtre laisse passer les longueurs d'ondes autour des longueurs d'ondes 460 nm (bleu), 550 nm (vert) et 640 nm (rouge).
Ton portable fait de nombreux réglages pour que l'image soit toujours claire et que les couleurs soient bien représentées, mais cela peut affecter tes mesures si tu compares différentes couleurs. Il est donc recommandé d'appuyer sur le bouton Expo pour fixer les paramètres de ton appareil quand tu veux comparer différentes couleurs.
Absorbance (Colorimètre)
L'absorbance mesure la capacité d'un milieu à absorber la lumière qui le traverse. Cette mesure est utilisée en spectrométrie pour mesurer les concentrations de produits chimiques. L'absorbance est le logarithme décimal du rapport entre l'intensité lumineuse de référence et l'intensité lumineuse transmise.
L'absorbance est une donnée relative sans dimension. L'appareil de mesure doit être calibré en utilisant le bouton CAL, qui permettra de fixer l'intensité lumineuse de référence. Le bouton RAZ permet d'annuler la calibration.
Ton smartphone ne peut se comparer à un spectromètre de laboratoire qui permet de réaliser des mesures de haute précision, mais il te permet néanmoins de réaliser certaines expériences passionantes sur la lumière.",
Nombre de pas (Podomètre)
Le podomètre est un instrument qui mesure le nombre de pas que tu parcours
Ce calcul est fait grâce aux données de l'accéléromètre qui indique quand tes mouvements semblent être suffisamment réguliers pour indiquer que tu es en train de marcher. En analysant les changements d'accélération de ton corps, le podomètre est capable d'identifier les moments où tu fais un pas.
Le podomètre ne se met en route que quand il détecte une régularité de ton mouvement de marche. Pour cette raison, tu dois d'abord marcher au moins 7 pas avant pour qu'il ne commence à compter tes pas.
La précision de cet instrument dépend de la longueur de ton parcours mais elle est habituellement d'un pas pour centaine de pas.
Inclinaison verticale (Inclinomètre)
L’un des plus anciens outils de mesure utilisé par les premiers architectes est le fil à plomb. Cet instrument permettait de savoir si un mur était vertical et était très important pour construire des bâtiments solides.
L'inclinomètre de ton smartphone a la même fonction et permet de calculer l'angle de ton portable par rapport à la verticale.
L'angle que tu mesures est l'angle entre la ligne qui passe par le côté le plus long de ton smartphone et la verticale.
La précision de cet instrument est de 0,1 degré et la fréquence de mise à jour est la même que celle de l'accéléromètre, c'est-à-dire inférieure à 10 millisecondes.
Inclinaison horizontale (Inclinomètre)
Tout le monde connaît le niveau à bulle qui permet de savoir si une table est horizontale.
L'inclinomètre de ton smartphone a la même fonction et permet de calculer l'angle de ton portable par rapport avec un plan horizontal.
L'angle que tu mesures est l'angle entre la surface du smartphone et le plan horizontal.
La précision de cet instrument est de 0,1 degré et la fréquence de mise à jour est la même que celle de l'accéléromètre, c'est-à-dire inférieure à 10 millisecondes.
Accélération linéaire (Accéléromètre)
L'accélération linéaire mesure la variation de vitesse de ton mobile (dans le référentiel terrestre) selon les trois axes X, Y et Z. Elle est mesurée en m/s². La valeur est donc nulle (suivant tous les axes) quand le téléphone est immobile.
Cette mesure est en fait le résultat combiné de deux mesures: l'accélération absolue absolue, aussi appelé accélération avec g, et l'apesanteur qui est donnée par le magnétomètre. Ce dernier permet de soustraire la composante de la gravité de la mesure. L'accélération linéaire est ainsi une mesure qui reflète uniquement l'accélération créée par l'utilisateur sans la gravitation, comme si tu étais en apesanteur ! Cette mesure est très utile pour les jeux où seul le mouvement de l'utilisateur compte.
L'accéléromètre mesure l'intensité de l'ensemble des forces qui s'exercent sur ton mobile et les exprime sous forme d'une accélération. Si tu agites ton mobile et que donc tu lui appliques des forces, tu verras la mesure augmenter ou décroître rapidement.
L'accéléromètre de ton smartphone est très précis. La précision des mesures est inférieure à 0,01 m/s², et la fréquence de mise à jour des données est supérieure à 100 hertz, c'est-à-dire que 100 données sont calculées par seconde.
Accélération absolue (Accéléromètre)
L'accélération absolue permet de mesurer l'accélération produite par l'ensemble des forces qui s'exercent sur le portable. Si tu gardes ton portable immobile, tu constateras que l'accéléromètre affiche une valeur d'environ 9.8 m/s². Cette accélération résulte de la force que tu exerces pour maintenir ton portable immobile et contrer la force d'apesanteur.
L'accélération absolue est la donnée directement produite par le capteur accéléromètre, et est en ce sens plus précise que l'accélération linéaire qui est la résultante de deux capteurs.
L'accéléromètre de ton smartphone est très précis. La précision des mesures est inférieure à 0,01 m/s², et la fréquence de mise à jour des données est supérieure à 100 hertz, c'est-à-dire que 100 données sont calculées par seconde.
Volume sonore (Microphone)
Le sonomètre mesure le volume sonore capté par le microphone. Il est exprimé en décibels, ou dB.
L'échelle des décibels est logarihmique: une source de 40 dB est 100 fois plus intense qu'une source de 20 dB.Le son le plus discret que l'oreille d'un être humain peut percevoir est de zéro décibel. Une conversation ordinaire atteint environ 60 dB, le son d'un mixeur est souvent de 90 dB, et les sons supérieurs à 140 dB sont douloureux pour l'oreille humaine. Une exposition continue à des sons de plus de 90 dB peut entraîner une perte de l'audition.
La fréquence de mise à jour des données est supérieure à 250 hertz, c'est-à-dire 250 mesures par seconde.
Les smartphones ont des microphones plus ou moins sensibles, et la mesure du volume va varier de l'un à l'autre. Le logiciel calibre l'appareil pour que le son le plus fort constaté sur une période de temps soit 90 dB et le moins fort soit de 20 dB. Il produit donc une mesure de la puissance relative du son plutôt qu'une mesure absolue.
Oscillogramme (Microphone)
Un oscillogramme donne une représentation temporelle d'un signal en mesurant les variations de son intensité (ou amplitude) dans le temps.
Les signaux périodiques et non périodiques peuvent être représentés par un oscillogramme, mais seuls ceux qui présentent une périodicité auront une représentation stable dans le temps.
Remarque
Pour créer l'oscillogramme, ton smartphone enregistre le signal sur des petits intervalles de temps, puis synchronise ces enregistrements de façon à démarrer la séquence toujours au même endroit de celle-ci. Par exemple il peut débuter la séquence quand le maximum est atteint.
L'échelle de temps de l'oscillogramme est de 10 millisecondes. L'amplitude est exprimée en pourcentage de l'amplitude maximum qu'est capable de détecter le microphone.
Fréquence (Microphone)
La fréquence d'un signal correspond au nombre de répétitions par secondes du motif élémentaire qui le compose. Elle est exprimée en hertz, noté Hz.
Un son est en général composé de plusieurs sons purs ayant différentes fréquences. Le fréquencemètre donne la fréquence de plus forte intensité parmi toutes les fréquences qui le composent : la fréquence dominante.
Remarque
Pour calculer cette fréquence, le fréquencemètre enregistre le son du microphone sur de petits intervalles de temps. Puis, en utilisant un processus mathématique appelé la transformation de Fourrier, il calcule les fréquences de tous les sons purs et le niveau sonore de ces sons. Il en déduit alors le son dominant qui est la fréquence ayant la plus forte intensité sonore.
Il est prévu qu’une prochaine version donne systématiquement la fréquence du fondamental afin de ne pas avoir (quelquefois) la fréquence de l’harmonique de plus grande amplitude. Quand cette modification sera effective, nous l’indiquerons dans l’information du capteur sur l’application. Nous intégrerons alors un nouvel instrument de mesure permettant d’afficher la « note » entendue puisque cette note dépend directement de la fréquence du fondamental (par exemple, un La4 correspond à une fréquence du fondamental de 440 Hz)
Spectre de fréquences (Microphone)
Contrairement au fréquencemètre qui ne donne que la fréquence dominante d'un son (ou celle de son fondamental selon les versions), le spectre sonore détaille l'ensemble des fréquences qui le composent. Cet outil permet ainsi de décrire précisément les caractéristiques d'un son.
Plus le nombre de fréquences qui composent la note est important, plus le son est dit « riche ». Cela contribue au « timbre » d’un instrument.
Remarque
Les fréquences sont exprimées en hertz, noté Hz. L'amplitude est exprimée en pourcentage de l'amplitude maximum qu'est capable de détecter le microphone.
Précision
Les données sont actualisées toutes les 0,5 secondes.
Champ magnétique (Magnétomètre)
Le magnétomètre calcule le champ magnétique global auquel est soumis ton portable. La mesure est exprimée en microTesla, noté μT.
Remarque
Le magnétomètre de ton téléphone est très sensible aux courants électriques et aux objets métalliques. Les détecteurs de métaux utilisent des magnétomètres. Bien sûr, ton magnétomètre détecte également le champ magnétique terrestre qui varie entre 20 et 80 μT selon les endroits.
Précision
La sensibilité des magnétomètres que contiennent les smartphones est en générale inférieure à 0,2 μT. La fréquence de mise à jour des données est la plupart du temps supérieure à 50 hertz, soit 50 données par seconde.
Vitesse de rotation (Gyroscope)
Un gyroscope est un instrument qui mesure l'orientation d'un objet dans l'espace.
La vitesse de rotation se mesure en rpm, qui correspond au nombre de tours par minute.
La rotation de ton mobile peut être mesurée par rapport aux 3 axes de ton téléphone (X, Y et Z)
Ton smartphones possède des gyroscopes qui permettent de déterminer la vitesse de rotation du mobile sur lui-même dans tous les sens. Cela est très utile pour les jeux par exemple quand tu utilises ton portable pour contrôler une voiture ou un personnage.
La rotation faciale est la rotation de ton mobile par rapport à l'axe z, qui est perpendiculaire à la face du smartphone. La rotation longitudinale est la rotation autour de l'axe y qui est la longueur de ton portable. Si tu mets ton portable dans un cylindre, tu pourras avec ce capteur détecter si ton mobile roule et à quelle vitesse
Remarque
Ton smartphones possède des gyroscopes qui permettent de déterminer la vitesse de rotation du mobile sur lui-même dans tous les sens. Cela est très utile pour les jeux par exemple quand tu utilises ton portable pour contrôler une voiture ou un personnage.
Les gyroscopes sont essentiels pour la navigation des avions ou des satellites et leur permet de détecter si ils pointent vers le haut, le bas ou le côté. Habituellement, un gyroscope est constitué d'une roue ou d'un disque qui tourne autour d'un autre disque ou axe. La rotation des disques mesure à la fois l'orientation du gyroscope lui-même et la vitesse à laquelle il tourne dans un sens ou dans l'autre.
Si tu mets ton portable dans un cylindre, tu pourras avec ce capteur détecter si ton mobile roule et à quelle vitesse
Latitude/longitude (G.P.S)
Le GPS permet de calculer la position de ton mobile sur Terre. Un point sur la surface de la terre est caractérisé par sa latitude et sa longitude.
Latitude : La latitude est l'angle formé entre la verticale d'un lieu et le plan de l'équateur : de + 90 degrés nord vers le pôle Nord à - 90 degrés vers le pôle Sud.
FizziQ exprime la latitude en millidegrés (1 millidegré = 0.001 degré).
Longitude : La longitude est la valeur angulaire de la position est-ouest d'un point par rapport à la longitude de référence sur Terre, le méridien de Greenwich. FizziQ exprime la longitude en millidegrés.
La mise à jour des données se fait toutes les secondes. La précision du GPS pour la position est habituellement d'une dizaine de mètres.
Vitesse (G.P.S)
Le GPS En analysant les changements de cette position, ton smartphone en déduit la vitesse de ton smartphone. La précision de cet instrument pour la mesure de la vitesse est en général inférieure à 1 m/s.
La mise à jour des données se fait toutes les secondes. La mesure de vitesse nécessite habituellement quelques secondes pour être précise car elle est déduite des mesures de latitude et de longitude sur une certaine période de temps.
Altitude (G.P.S)
Le GPS permet de calculer la position de ton mobile sur la terre. Le système est également capable de donner l'altitude au-dessus du niveau de la mer à laquelle ton mobile se trouve.
La mise à jour des données se fait toutes les secondes. La précision du GPS pour la position est habituellement d'une dizaine de mètres.
Précision (G.P.S)
Dans cet appareil de mesure, on a intégré l’affichage de la précision. Tu peux donc afficher la précision de la mesure de ton GPS en utilisant l'instrument Précision.
Cette précision donne une mesure de la marge d'erreur de ton GPS. Elle est exprimée en mètres. Une Précision de 10 mètres indique que la position de ton smartphone est précise à 10 mètres près.
Le système GPS fonctionne en recevant les informations de satellites qui tournent autour de la terre. Pour que la précision soit optimale, il faut que le GPS reçoive les informations d'au moins quatre satellites. Le signal traverse difficilement les obstacles comme des murs ou des arbres. Pour améliorer la précision de tes mesures, assure-toi que tu es en terrain dégagé, sans obstacle entre toi et le ciel.
Azimut (Théodolite)
Un théodolite est un instrument de mesure optique utilisé pour mesurer des angles horizontaux et verticaux avec une grande précision. L'azimut est l'angle entre le point visé dans la mire du théodolite et le nord magnétique. Cet instrument est fréquemment utilisé pour les calculs de triangulation.
La précision de l'azimut est de 1 degré et les mesures sont réalisées avec une fréquence de 50 hertz.
Angle d'élévation (Théodolite)
L'angle d'élévation donne une mesure de l'angle entre l'horizontale et le point visé dans la mire du théodolite. Cet instrument permet de calculer la hauteur des bâtiments par exemple. Cet angle est positif si la visée est au-dessus de l'horizon et négative sinon. Il est exprimé en degrés.
La précision de l'angle d'élévation est de 1 degré et les mesures sont réalisées avec une fréquence de 50 hertz.
Cinématique
L'analyse cinématique a pour but d'analyser la trajectoire d'un corps à partir d'images prises à intervalles réguliers, soit sous forme de chronophotographies, ou de vidéos. Le module cinématique de FizziQ permet de calculer à partir de ces deux types de séquence la position des corps, la vitesse, l'accélération et leur énergie.
La présence de caméra permettant des vidéos de qualité et au ralenti offre des possibilités énormes d'analyse pour les élèves. Des protocoles passionnants sont accessibles pour tous les niveaux : https://www.fizziq.org/sports-cinematique