Vous voulez étudier des chronophotographies en classe ? Cet article contient toutes les informations pour trouver des chronophotographies, analyser les mouvements avec FizziQ, et partager les données dans un tableur.
Table de matières :
La chronophotographie et la science - Quelles chronophotographies utiliser en classe ? Quels TPs réaliser avec la chronophotographie ? - Télécharger une photographie dans FizziQ - Analyser une chronophotographie - Utiliser le cahier d'expérience - Exporter les données - Pour en savoir plus
La chronophotographie et la science
Tout d'abord un peu d'histoire !
Trois photographes ont développé la technique de la chronophotographie, technique photographique qui consiste à capturer plusieurs images d'un objet en mouvement à intervalles réguliers de temps, puis à les assembler en une seule image. Ces artistes et scientifiques sont Étienne-Jules Marey, Eadweard Muybridge et Berenice Abbott.
La chronophotographie a été inventée par le photographe français Étienne-Jules Marey au 19e siècle et a été largement utilisée pour analyser les mouvements des animaux, des humains et des objets mécaniques. Il a inventé le fusil photographique, un appareil capable de prendre plusieurs images en succession rapide sur une seule plaque photographique.
Eadweard Muybridge est célèbre pour ses études sur le mouvement des animaux, en particulier pour sa série de photographies intitulée "Sallie Gardner at a Gallop". C'est notamment grâce à lui qu'à été mis fin à la controverse de savoir si les chevaux lèvent leurs quatre pattes du sol pendant certaines phases du galop. Son analyse a montré que c'était le cas et est la première fois que la photographie est utilisée pour résoudre un problème scientifique.
Berenice Abbott était une photographe américaine célèbre pour ses photographies documentaires de la ville de New York dans les années 1930. Dans les années 1950 et 1960, Abbott a travaillé sur un projet appelé "Documenting Science", où elle a exploré diverses techniques photographiques pour illustrer les principes scientifiques et rendre la science plus accessible au grand public. Dans le cadre de ce projet, elle a utilisé des méthodes de photographie à haute vitesse et stroboscopiques pour capturer des images de phénomènes en mouvement rapide.
Ces photographes ont montré l'apport que pouvait faire la chronophotographie pour l'étude et l'enseignement des sciences. Grace à leur travail, les enseignants ont à leur disposition les ressources pour faire découvrir à leurs élèves de nombreux aspects de la physique.
Quelles chronophotographies utiliser en classe ?
Idéalement il faudrait faire participer les élèves à la production des images. Malheureusement la production de chronophotographies par Photoshop ou autre est un processus long et il semble que l'application qui existait pour créer sa propre chronophotographie à partir d'un film n'est plus disponible. Si on souhaite faire participer sa classe à la production, il faut mieux se tourner vers l'analyse de vidéos cinématiques.
Sur internet on trouve de belles chronophotographies parfaitement adaptées au travail en classe. On en trouve également sur les livres de sciences. On peut aussi utiliser des photographies anciennes qui sont amusantes pour les élèves. Sur la page https://www.fizziq.org/chronophotographies vous trouverez également de nombreuses chronophotographies à utiliser en classe.
Astuce : si vous avez un document sur lequel est imprimé une chronophotographie et que vous souhaitez analyser cette image avec FizziQ, le plus facile est de prendre ce document en photo, et il pourra être utilisé directement dans l'application FizziQ.
FizziQ permet d'étudier à peu près tout type de chronophotographie : un dessin, une image la pellicule photo, ou une chronophotographie disponible sur une adresse web ou sur fizziq.org. Toutes ces images peuvent être téléchargées dans l'application et nous décrirons dans la prochaine section comment faire.
Pour qu'une chronophotographie soit utilisable et réaliser une analyse cinématique de qualité, il faut qu'elle ait plusieurs caractéristiques :
L'échelle doit être facilement lisible
La fréquence de capture des images doit être connue
Les différentes positions de l'objet doivent être faciles à pointer avec précision (pas de flou ou de recouvrement)
les position doivent être à (ou proche de) la même distance de l'objectif
Nous avons publié 7 recommendations importantes quand on désire créer une vidéo pour la cinématique et ces remarques peuvent être également utiles en chronophotographie.
Quels TPs réaliser avec la chronophotographie ?
Une chronophotographie permet d'obtenir les informations suivantes sur le mouvement d'un objet ou d'une personne : les positions x et y, le vecteur vitesse, vecteur accélération, énergie cinétique et potentielle, l'angle et la vitesse de rotation.
Ces informations permettent d'étudier pratiquement tous aspects des programmes de mécanique au collège et lycée :
Mouvement uniforme : Vélo, personne marchant, balle lancée sur le sol. Etude de la trajectoire, calcul de vitesse.
Chute libre : Objet en chute. Trajectoire, vitesse, accélération, calcul de g, calcul des vecteurs vitesse, frottements.
Pendule simple : Analyse du mouvement oscillatoire d'un pendule simple. Conservation énergie mécanique, période et longueur de fil, amplitude, vitesse au point bas, calcul des vecteurs vitesse.
Mouvement parabolique : Objet lancé en l'air. Etude de trajectoire parabolique, portée, hauteur maximale, durée de vol, conservation de l'énergie mécanique.
Mouvement circulaire uniforme : Objet en mouvement circulaire uniforme, comme une bille attachée à un fil en rotation. Vitesse tangentielle.
Mouvement d'un ressort : Analyse du mouvement d'un objet attaché à un ressort en oscillation verticale ou horizontale. Mesure de la période, l'amplitude et la constante de raideur du ressort.
Frottement : Étude l'effet du frottement d'un volant de badminton ou d'un objet glissant sur une surface ou chute d'une goutte dans un liquide. Distance parcourue, vecteur vitesse coefficient de frottement.
Collision : Etude de collision élastique et non élastique. Energie cinétique des deux objets, détermination dy type de collision.
Ondes : Observez la propagation d'ondes à la surface de l'eau ou sur une corde tendue. Analyser la vitesse de propagation, la longueur d'onde et la fréquence des ondes.
Mouvements complexes : mouvements d'athlètes comportant plusieurs séquences comme le saut à la perche. Energie, vitesse, accélération
Centre d'inertie : Etude d'un objet lancé en rotation. détermination du centre d'inertie
Sur le site fizziq.org vous trouverez de nombreux exemples de TPs à faire en classe au collège et au lycée.
Télécharger une photographie dans FizziQ
On accède au module cinématique dans l'application à partir de l'onglet Outil de l'application, puis Etude Cinématique. A partir du menu on peut étudier une vidéo ou une chronophotographie. On sélectionne Chronophotographie et on accède au menu de sélection de la photo.
L'utilisateur peut télécharger :
une image de la pellicule. En appuyant sur Mes Images il accède à sa bibliothèque et peut choisir toute image disponible
une des images proposées dans l'application parmi celles de la chute libre, de la parabole ou du pendule
une image disponible sur internet, soit venant de la bibliothèque du site fizziq.org, soit provenant d'une adresse dans laquelle le fichier image est localisé
Pour télécharger une image de la bibliothèque d'images et de vidéos créée par FizziQ pour l'étude de la cinématique. : appuyer sur "FizziQ Ressources", puis copier le lien de l'image que vous souhaitez ajouter. Revenir dans l'application et appuyer sur "Internet", puis sur l'icône "Coller". Voilà, l'image est prête à être analysée.
Pour télécharger une image venant d'un fichier disponible sur internet : placer dans le presse-papier une copie du lien internet de cette image, dans l'application, appuyer sur "Internet" puis l'icône "Coller".
Analyser une chronophotographie
L'analyse d'une chronophotographie avec FizziQ se fait en trois étapes :
A tout moment on peut revenir à l'étape précédente pour changer l'échelle ou modifier des points du mouvement.
Mise à l'échelle
La mise à l'échelle se fait en trois étapes qui peuvent être réalisées dans n'importe quel ordre :
- positionnement de l'Origine en déplaçant le curseur avec le doigt
- positionnement de l'Extrémité
- entrée de la longueur de l'échelle
Tant que ces trois étapes n'ont pas été réalisées, on ne peut passer à l'étape suivante. Une fois la mise à l'échelle réalisée, on appuie sur l'onglet "Pointage" à droite
Pointage
le pointage consiste deux étapes :
- vérifier que l'intervalle de temps est bien celui qui correspond à la séquence d'images. Cet intervalle est entré en millisecondes,
- entrer tous les points du mouvements en déplaçant la mire avec le doigt pour la positionner, puis en appuyant sur le rond pour valider.
Si on s'est trompé on peut annuler en appuyant sur la poubelle. Pour cacher les indications qui peuvent perturber le pointage on peut appuyer sur l'oeil. Finalement l'appareil photo permet de prendre une copie d'écran.
Résultats
Après avoir pointé l'ensemble du mouvement, on peut alors passer à l'analyse qui se fait dans le cahier d'expérience en utilisant les possibilités graphiques de l'application :
- sélectionner les données que vous souhaitez transférer dans le cahier. Un maximum de 3 données peut être sélectionné,
- transférer les données en appuyant sur Cahier,
- l'application bascule vers le cahier d'expérience et les données sont ajoutées à la fin du cahier.
Utiliser le cahier d'expérience
Le cahier d'expérience est une des spécificités de l'application FizziQ. Il permet d'organiser les données, de les analyser sous forme de graphique, d'ajouter du texte et des photos pour documenter son raisonnement, puis de les exporter.
Les données venant de l'analyse cinématique sont ajoutées au cahier sous la forme d'une nouvelle carte d'observation de type tableau. Un tableau dans FizziQ est l'équivalent d'une feuille de tableur. Des lignes peuvent être ajoutées en appuyant sur le bouton +, ou supprimées en poussant la ligne vers la gauche (Swipe Left). La dernière ligne du tableau permettent d'ajouter des statistiques.
En bas de la carte on trouve les possibilités graphiques du tableau. Les boutons permettent de créer des graphiques combinant les 3 colonnes de données. Dans un graphique les boutons + et - permettent de changer l'échelle et le bouton haut-bas de centrer le graphique. Le bouton à droite permet de réaliser des interpolations linéaires ou quadratiques des données.
Le tableau est un outil en évolution et d'autres fonctionnalités sont ajoutées régulièrement.
Exporter les données
Un des atout de FizziQ est la capacité d'exporter très facilement les données. De nombreux enseignants préfèrent utiliser un tableur sur ordinateur mais utilisent la capacité du module cinématique pour faire analyser par leurs élèves les données rapidement avec leur smartphone.
Une fois les données dans le cahier d'expérience, elles peuvent être exportées dans un fichier au format CSV :
- dans le cahier, appuyer sur l'icône Partage en haut à droite de l'écran
- sélectionner "Crée un fichier CSV"
- décider d'un séparateur décimal point ou virgule en fonction de la configuration de votre tableur
- exporter le document
Pour en savoir plus
La Fondation la main à la pâte a publié un défi sur la chronophotographie.
Le module cinématique et l'utilisation de vidéos pour faire de la cinématique dans FizziQ est décrit dans ce tutoriel préparé notre l'équipe.
On pourra également consulter l'excellente vidéo de Jean-Michel Courty pour Billes de Sciences sur l'utilisation de l'application FizziQ pour l'analyse cinématique.