Incertitude
Analyser les incertitudes de mesures
Level :
Lycée
Author:
Guillaume Le Franc
Objectif pédagogique :
Cette activité permet aux élèves de comprendre la différence entre signal et bruit dans une mesure physique. Elle développe l'esprit critique face aux données et l'approche statistique en sciences expérimentales.
Concepts abordés :
Distribution statistique des mesures; Rapport signal/bruit; Écart-type et variance; Gyroscope MEMS; Exactitude vs précision
Description de l'activité :
L'élève compare les données du gyroscope de FizziQ dans deux situations: smartphone immobile puis en rotation. En analysant les histogrammes des deux mesures l'élève observe la différence de distribution et d'écart-type et en déduit comment différencier un signal réel du bruit de fond inhérent à tout instrument de mesure.
Matériel requis :
Smartphone avec l'application FizziQ; Espace dégagé pour tourner en sécurité; Optionnel: plateau tournant pour comparaison supplémentaire; Cahier d'expérience FizziQ
Eclairage scientifique
Le gyroscope d'un smartphone est un capteur MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) qui mesure la vitesse de rotation autour des trois axes. Même lorsque l'appareil est parfaitement immobile, le capteur enregistre de petites fluctuations aléatoires autour de zéro, composées principalement de bruit électronique et de micro-vibrations environnementales. Ces fluctuations suivent généralement une distribution normale (gaussienne) centrée sur zéro, caractérisée par son écart-type σ. Cet écart-type définit la sensibilité limite du capteur: tout signal dont l'amplitude est inférieure à 2-3σ risque d'être indiscernable du bruit. Lorsque le smartphone est mis en rotation, un signal réel s'ajoute au bruit de fond. L'histogramme change alors considérablement: la distribution s'élargit, se décentre, et peut même devenir bimodale ou multimodale selon le type de mouvement. L'écart-type augmente significativement, reflétant la dispersion plus large des valeurs mesurées. En métrologie, on distingue deux concepts fondamentaux: la précision (reproductibilité des mesures, liée à l'écart-type) et l'exactitude (proximité avec la valeur réelle). Un capteur peut être précis mais inexact si ses mesures sont cohérentes entre elles mais décalées par rapport à la réalité (biais systématique). L'expérience avec un plateau tournant permet d'approfondir l'analyse en comparant un mouvement régulier (rotation constante) à un mouvement humain naturellement plus variable. Les gyroscopes des smartphones modernes atteignent une précision d'environ ±0,1-0,5°/s, suffisante pour de nombreuses applications comme les jeux ou la réalité augmentée.