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Life and earth sciences
 

The mobile phone, or smartphone, is the ideal tool for studying life and earth sciences. Transportable, with great autonomy, equipped with numerous scientific instruments such as the compass, the colorimeter or the GPS (Global Positioning System), the smartphone makes it possible to study the phenomena in the world around us. We have collected here science activities and experiments that can be done in the field such as studying the colors of fall, analyzing the heart rhythm by using the accelerometer or studying the physiology of the system vascular by photoplethysmography. 

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Our activities on Life and Earth Sciences

Reproduire la manœuvre d'injection translunaire d'Artémis II en simulation et trouver la vitesse de la trajectoire de retour libre Terre-Lune-Terre.

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L'élève utilise la simulation Orbites et gravitation de FizziQ Web pour reproduire en version simplifiée la manœuvre d'injection translunaire d'Artémis II. Il configure la Terre au centre, une sonde à 40 000 km et une Lune animée à 385 000 km, puis recherche par tâtonnement la vitesse initiale précise qui permet à la sonde de contourner la Lune et de revenir vers la Terre sans propulsion. Cette trajectoire de retour libre illustre la dépendance extrême des trajectoires interplanétaires aux conditions initiales et à la fenêtre de tir.
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Étudier la fronde gravitationnelle utilisée par les sondes spatiales en survolant Saturne en mouvement, et observer accélération ou ralentissement selon le côté de passage, avec la simulation Orbites et Gravitation de FizziQ Web.

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L'élève configure dans la simulation Orbites et Gravitation un système Saturne-sonde où Saturne se déplace horizontalement à 10 km/s (vitesse réelle de son orbite autour du Soleil) tandis qu'une sonde descend verticalement à 10 km/s. En faisant simplement varier la position horizontale de départ de la sonde, il réalise deux survols : un par l'arrière de Saturne et un par l'avant. Il calcule ensuite dans le tableur du cahier d'expérience les composantes V_x, V_y et la norme V de la vitesse, puis trace V(t) pour comparer la vitesse avant et après le survol. Il découvre que la fronde gravitationnelle accélère la sonde quand elle passe derrière la planète et la ralentit quand elle passe devant.
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Modéliser les quatre planètes telluriques (Mercure, Vénus, Terre, Mars) en orbite autour du Soleil avec leurs distances et vitesses réelles dans la simulation Orbites et Gravitation de FizziQ Web.

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L'élève configure dans la simulation Orbites et Gravitation un système à cinq corps : le Soleil et les quatre planètes telluriques (Mercure, Vénus, Terre, Mars), avec leurs masses, distances et vitesses orbitales réelles. Il lance la simulation et observe les quatre orbites colorées emboîtées autour du Soleil. Il mesure la période de révolution de chaque planète et la compare aux valeurs astronomiques (88, 225, 365 et 687 jours). Il découvre qu'une planète éloignée tourne plus lentement et calcule des rapports T²/r³ pour mettre en évidence une régularité commune aux quatre orbites.
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Simuler l'apesanteur d'un vol Zéro G en lançant un smartphone et en observant que l'accélération mesurée devient nulle en chute libre.

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L'élève découvre le phénomène d'apesanteur en utilisant l'accéléromètre du smartphone. En posant le téléphone sur une table, il constate que l'accélération absolue vaut 9,80 m/s². En lançant délicatement le smartphone au-dessus d'un matelas tout en enregistrant l'accélération, il observe que pendant toute la phase de vol libre, l'accélération mesurée est nulle. Cette expérience reproduit le principe des vols Zéro G utilisés pour entraîner les astronautes et illustre le principe d'équivalence d'Einstein.
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Explorer la relation entre la hauteur d'eau dans un tube et la note de musique produite en soufflant dedans.

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Les élèves explorent les concepts fondamentaux de la musique et de l'acoustique en utilisant des tubes en plastique et de l'eau. En groupes, ils expérimentent avec la hauteur des notes en ajoutant ou enlevant de l'eau dans les tubes, puis identifient les notes produites grâce à l'instrument de mesure Notes et au synthétiseur Flûte de FizziQ Junior. Ils découvrent le lien entre la longueur de la colonne d'air et la fréquence du son produit.
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Vérifier la relation a = ω²·R en tournant sur soi-même avec un smartphone tenu à bout de bras.

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L'élève tourne sur lui-même en tenant le smartphone vertical à bout de bras et enregistre l'accélération selon l'axe X avec FizziQ. En chronométrant le temps nécessaire pour effectuer trois tours, il calcule la vitesse angulaire ω, puis compare la valeur théorique a = ω²·R avec la moyenne de l'accélération mesurée. Cette expérience permet de vérifier expérimentalement la loi de l'accélération centripète et d'en comprendre les paramètres.
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Vérifier la relation fondamentale des ondes v = λ × f en faisant varier la fréquence et en mesurant la longueur d'onde avec la simulation Ondes sur un lac de FizziQ Web.

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L'élève utilise la simulation Ondes sur un lac de FizziQ Web pour observer la propagation d'ondes circulaires. En fixant la vitesse de propagation et en faisant varier la fréquence, il mesure la distance entre deux crêtes successives (longueur d'onde λ). Il trace λ en fonction de 1/f et vérifie que la courbe est une droite de pente v, confirmant la relation v = λ × f.
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Vérifier la loi de Boyle-Mariotte (PV = constante à température fixe) en comprimant et détendant un gaz avec le piston de la simulation Gaz parfaits de FizziQ Web.

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L'élève utilise la simulation Gaz parfaits de FizziQ Web en maintenant la température constante. Il déplace lentement le piston pour faire varier le volume du gaz, tout en enregistrant simultanément la pression et le volume. Il trace P en fonction de V (hyperbole), puis P en fonction de 1/V (droite), et vérifie que le produit PV reste constant : c'est la loi de Boyle-Mariotte.
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Découvrir que la période d'un pendule dépend de sa longueur mais pas de l'amplitude, et vérifier la formule T = 2π√(L/g) avec la simulation Pendule de FizziQ Web.

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L'élève utilise la simulation Pendule de FizziQ Web pour mesurer la période des oscillations en faisant varier la longueur du fil, puis l'angle initial. Il vérifie que T ne dépend pas de l'amplitude (petits angles), trace T² en fonction de L pour découvrir la relation T = 2π√(L/g), et explore la limite de l'approximation des petits angles pour les grands écarts.
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Comparer la trajectoire d'un projectile avec et sans résistance de l'air pour comprendre l'effet des frottements sur la portée et la forme de la trajectoire.

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L'élève réalise des tirs dans la simulation Balistique de FizziQ Web, d'abord sans résistance de l'air puis avec, en gardant les mêmes paramètres (angle, vitesse). Il compare les trajectoires superposées et mesure les portées. Il observe que l'air réduit la portée, brise la symétrie de la parabole et modifie l'angle optimal. Il explore ensuite l'effet de la masse sur la trajectoire en présence d'air.
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Étudier le chaos déterministe en mécanique céleste en simulant trois soleils en interaction gravitationnelle avec la simulation Orbites et Gravitation de FizziQ Web.

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L'élève configure dans la simulation Orbites et Gravitation un système original à trois soleils en mouvement, alignés verticalement avec des vitesses opposées et différentes. Il lance la simulation et observe les trajectoires complexes qui résultent de l'attraction mutuelle des trois corps. En modifiant très légèrement un seul paramètre (vitesse, masse ou distance), il découvre que le système évolue vers des destins radicalement différents : éjection d'un corps, collision, capture orbitale ou danse chaotique. L'activité illustre la sensibilité aux conditions initiales du problème à N corps, phénomène découvert par Henri Poincaré en 1889 et lié au concept moderne de chaos déterministe.
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Mettre en orbite géostationnaire un satellite météo à 36 000 km d'altitude pour surveiller le climat, avec la simulation Orbites et Gravitation de FizziQ Web.

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L'élève configure dans la simulation Orbites et Gravitation un satellite météo placé à 42 164 km du centre de la Terre (36 000 km d'altitude). Il choisit la vitesse initiale qui donne une orbite parfaitement circulaire (≈ 3,07 km/s) et constate qu'à cette altitude, la période de révolution vaut exactement 24 heures : c'est l'orbite géostationnaire utilisée par Meteosat, GOES et Himawari pour surveiller en continu une même région du globe. Il fait ensuite varier la vitesse pour explorer les régimes de chute, d'orbite elliptique et de libération, et comprend pourquoi cette altitude unique est cruciale pour la météo et la surveillance du changement climatique.
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Mesurer la période de révolution de la Lune autour de la Terre et la comparer à la valeur réelle de 27,3 jours avec la simulation Orbites et Gravitation de FizziQ Web.

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L'élève configure le système Terre-Lune dans la simulation Orbites et Gravitation, lance la modélisation et mesure le temps mis par la Lune pour effectuer un tour complet autour de la Terre. Il observe la trajectoire orbitale, repère les positions extrêmes au cours du temps et compare la période obtenue avec la valeur réelle de 27,3 jours. Il découvre comment la masse de la Terre attire la Lune et la maintient sur son orbite. L'activité illustre l'attraction gravitationnelle entre deux corps célestes.
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Explorer l'influence des saisons sur les heures de lever et de coucher du soleil avec l'éphéméride de FizziQ Junior.

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Les élèves utilisent l'éphéméride Soleil-Lune de FizziQ Junior pour rechercher les heures de lever et de coucher du soleil à différentes dates de l'année. Répartis en quatre groupes représentant chacun une saison, ils collectent et comparent les données pour observer les variations de la durée du jour. Ils découvrent ainsi le lien entre l'inclinaison de l'axe terrestre, les saisons et la durée d'ensoleillement, et discutent de l'impact de ces variations sur l'agriculture et les écosystèmes.
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Étudier comment la hauteur maximale du soleil dans le ciel varie au cours des saisons en utilisant l'éphéméride et l'inclinomètre de FizziQ Junior.

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Les élèves mesurent la hauteur du soleil dans le ciel à l'aide de l'inclinaison verticale de la tablette et comparent leurs mesures avec les données de l'éphéméride Soleil-Lune de FizziQ Junior. En explorant différentes dates de l'année, ils déterminent quand le soleil est le plus haut et le plus bas dans le ciel, découvrent le décalage entre l'heure solaire et l'heure légale, et relient ces observations aux saisons et à l'inclinaison de l'axe terrestre.
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Analyser le spectrogramme du chant des oiseaux pour identifier leur signature acoustique.

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L'élève importe un enregistrement de chant d'oiseau dans FizziQ Web et utilise le spectrogramme (parfois appelé sonogramme) pour visualiser les fréquences et la structure temporelle du chant. Il identifie les séquences sonores, mesure leur durée et leur périodicité, et détermine la gamme de fréquences utilisée par l'espèce. En comparant les spectrogrammes de deux espèces différentes, il comprend comment la signature spectrale permet d'identifier un oiseau par son chant, à la manière des algorithmes de reconnaissance utilisés par les applications comme Merlin ou BirdNET.
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Observer l'atténuation de l'amplitude d'une onde avec la distance grâce aux flotteurs de la simulation Ondes sur un lac de FizziQ Web.

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L'élève place des flotteurs à différentes distances de la source dans la simulation Ondes sur un lac de FizziQ Web. Il enregistre le mouvement vertical de chaque flotteur et mesure l'amplitude des oscillations. En traçant l'amplitude en fonction de la distance, il observe la décroissance et vérifie qu'elle suit une loi en 1/√r pour une onde circulaire en 2D.
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Vérifier la loi de Gay-Lussac (P proportionnel à T à volume constant) et estimer le zéro absolu avec la simulation Gaz parfaits de FizziQ Web.

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L'élève utilise la simulation Gaz parfaits de FizziQ Web en gardant le piston fixe (volume constant). Il fait varier lentement la température et enregistre simultanément la pression et la température. Le graphique P(T) est une droite, confirmant la proportionnalité. L'extrapolation de cette droite vers P = 0 donne une estimation du zéro absolu (-273°C).
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Découvrir l'angle de tir qui maximise la portée d'un projectile et observer la symétrie des trajectoires avec la simulation Balistique de FizziQ Web.

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L'élève utilise la simulation Balistique de FizziQ Web pour tirer des projectiles à différents angles tout en gardant la même vitesse initiale. Il enregistre la portée pour chaque angle (de 10° à 80° par pas de 10°), trace le graphique portée en fonction de l'angle, et découvre que le maximum se situe à 45°. Il observe également la symétrie : des angles complémentaires donnent la même portée.
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Vérifier la loi de Galilée sur le plan incliné : la distance parcourue est proportionnelle au carré du temps, et l'accélération vaut g × sin(α).

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L'élève utilise la simulation Plan incliné de FizziQ Web pour enregistrer la position d'une balle en fonction du temps pour différents angles. Il vérifie que la distance est proportionnelle à t² (mouvement uniformément accéléré). En mesurant l'accélération pour chaque angle, il trace a en fonction de sin(α) et vérifie la proportionnalité, avec g comme constante de proportionnalité.
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