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En février 2026, Elon Musk annonce vouloir installer des centres de données en orbite pour faire fonctionner l’intelligence artificielle. Très vite, un argument s’impose dans les commentaires : dans l’espace, le refroidissement serait « gratuit », puisqu’il y fait très froid. Cette affirmation, largement partagée, est pourtant fausse. Elle révèle une confusion fréquente entre température, chaleur et transfert thermique. Elle offre surtout une occasion précieuse de développer l’esprit critique et de revenir à des questions simples, mais fondamentales : qu’est-ce que la température ? Comment la chaleur se déplace-t-elle d’un objet à un autre ? Et l’espace est-il vraiment un environnement froid ? Qu’est-ce que la température ? La température est une des grandeurs physiques les plus familières de notre quotidien : nous la consultons chaque matin pour savoir comment nous habiller, nous la surveillons lorsque nous cuisinons, nous la mesurons quand un enfant a de la fièvre. Mais que mesure-t-on exactement ? La température caractérise le degré d’agitation des particules qui composent la matière. Dans un gaz, les molécules se déplacent librement dans toutes les directions, rebondissant les unes contre les autres. Plus elles se déplacent vite, plus le gaz est chaud. Dans un solide, les atomes vibrent autour de leur position d’équilibre : plus les vibrations sont intenses, plus le solide est chaud. La température est donc, fondamentalement, une mesure de l’énergie cinétique moyenne des particules d’un corps. Un premier problème est donc posé, si pour qu'un objet ait une température, il faut qu'il soit constitué de matière, peut-on parler de température dans le vide ? Si un objet chaud placé dans le vide peut-il seulement se refroidir, puisqu'il n'y a aucune matière autour de lui pour échanger sa chaleur ? Les trois modes de transfert de chaleur La chaleur se déplace toujours d’un corps chaud vers un corps froid. C’est le second principe de la thermodynamique : jamais l’inverse ne se produit spontanément. Ce transfert peut se faire selon trois mécanismes. La plupart du temps ces phénomènes sont simultanés mais dans certains cas un seul de ces transferts entre en jeu. Conduction Convection Rayonnement Mécanisme Contact entre particules Mouvement d’un fluide Ondes électromagnétiques Milieu nécessaire Solide, liquide ou gaz Liquide ou gaz Aucun (fonctionne dans le vide) Exemple quotidien Poignée de casserole brûlante Radiateur qui chauffe une pièce Chaleur du Soleil sur la peau Sur Terre Oui Oui Oui Dans l’espace Au sein du satellite uniquement Non (pas de fluide extérieur) Oui (seul mode vers l’extérieur) Sur Terre, les trois modes coexistent en permanence. Quand vous tenez une tasse de café chaud, la chaleur se transmet à vos doigts par conduction à travers la céramique, l’air au-dessus du café s’élève par convection, et votre visage ressent la chaleur par rayonnement infrarouge. C’est cette combinaison qui rend le refroidissement sur Terre si efficace. Dans l’espace, en revanche, seul le rayonnement reste disponible pour évacuer la chaleur vers l’extérieur. Cette différence fondamentale est au cœur du défi posé par les serveurs IA orbitaux. La conduction : la chaleur par contact La conduction est le transfert de chaleur de proche en proche par contact direct entre particules voisines. Lorsque vous touchez une cuillère métallique plongée dans une soupe chaude, les atomes très agités du métal au contact du liquide transmettent progressivement leur énergie cinétique aux atomes voisins, et ainsi de suite jusqu’à l’extrémité de la cuillère, puis à votre main. Il n’y a pas de déplacement de matière : ce sont les vibrations qui se propagent. Tous les matériaux ne conduisent pas la chaleur de la même manière. Les métaux, dont les électrons libres peuvent transporter l’énergie très rapidement, sont d’excellents conducteurs. Le cuivre conduit la chaleur environ 10 000 fois mieux que l’air. À l’inverse, les matériaux comme le bois, le polystyrène ou l’air immobile sont des isolants thermiques : ils ralentissent considérablement le flux de chaleur. La loi qui décrit la conduction a été formulée en 1822 par le mathématicien français Joseph Fourier. Elle établit que le flux de chaleur à travers un matériau est proportionnel à la conductivité thermique du matériau et au gradient de température (la différence de température par unité de longueur). Plus le matériau conduit bien et plus l’écart de température est grand, plus la chaleur traverse vite. Dans un satellite, la conduction joue un rôle essentiel pour acheminer la chaleur depuis les composants électroniques vers les surfaces extérieures. Les ingénieurs utilisent des caloducs (heat pipes) : des tubes fermés contenant un fluide qui s’évapore au contact du composant chaud et se condense au contact de la surface froide, transportant la chaleur par un cycle d’évaporation-condensation. Ce cycle ne nécessite aucune énergie externe et peut transporter de grandes quantités de chaleur sur de courtes distances. En classe Cycle 3 : Toucher différents objets posés sur une même table : une cuillère en métal, un crayon en bois, un verre en plastique. Ils sont tous à la même température (la température ambiante), pourtant le métal semble « plus froid » que le bois. Pourquoi ? [9] Collège : On fixe  de petites billes de cire à intervalles réguliers sur des tiges de même longueur en cuivre, aluminium, acier et bois. En chauffant simultanément une extrémité de chaque tige (avec une bougie), on observe l’ordre dans lequel les billes fondent et tombent : d’abord sur le cuivre, puis l’aluminium, puis l’acier. Tracer les courbes T = f(t) pour chaque matériau et en déduire un classement des conductivités thermiques. Lycée : Introduire la loi de Fourier et calculer le flux thermique à travers un mur. Comprendre le concept de résistance thermique utilisé dans l’isolation des bâtiments et l’étiquette énergétique des logements. La convection : la chaleur en mouvement La convection est le transfert de chaleur par déplacement de matière, un fluide (gaz ou liquide) qui se met en mouvement pour transporter l’énergie thermique. C’est le mécanisme de refroidissement le plus efficace dans notre vie quotidienne. Quand un radiateur chauffe l’air à son contact, cet air se dilate, devient moins dense et s’élève. De l’air plus frais vient le remplacer par en dessous, créant un courant circulaire : c’est la convection naturelle. On peut aussi forcer le mouvement du fluide avec un ventilateur ou une pompe. Cette convection forcée est bien plus efficace que la convection naturelle. C’est le principe du ventilateur de votre ordinateur, du système de climatisation d’une voiture, ou des tours de refroidissement des centres de données. La convection joue un rôle fondamental dans les phénomènes naturels à grande échelle. C’est elle qui redistribue la chaleur dans l’atmosphère terrestre, crée les vents, les courants océaniques, et même les mouvements du magma dans le manteau terrestre. C’est aussi la convection qui est le véritable responsable de l’élévation de température dans l’expérience classique du bocal fermé censée illustrer l’effet de serre : en supprimant les courants d’air par un couvercle, on empêche le refroidissement convectif, ce qui fait monter la température[4]. Pour les fenêtres qui laissent passer la lumière, le double vitrage limite la conduction grâce à deux vitres et réduit fortement la convection en piégeant une couche d’air immobile entre elles. En classe Cycle 3 : Observer les mouvements de l’eau colorée chauffée dans un bécher. En déduire que « l’eau chaude monte » et que cela crée un mouvement circulaire. Relier à la brise de mer : la terre chauffe plus vite que l’eau en journée, l’air chaud monte au-dessus de la terre et crée un appel d’air frais depuis la mer. Collège : Comparer quantitativement le refroidissement avec et sans ventilateur à l’aide de sondes connectées (FizziQ). Tracer les deux courbes et calculer la différence de vitesse de refroidissement. Faire le lien avec le refroidissement éolien (« wind chill ») : par vent fort, notre corps perd de la chaleur plus vite, ce qui explique pourquoi on a « plus froid » même si la température de l’air n’a pas changé. Lycée : Discuter les cellules de convection atmosphériques (cellules de Hadley) et leur rôle dans la distribution de la chaleur sur le globe. Comprendre pourquoi la convection est absente dans l’espace (pas de fluide) et ce que cela implique pour le refroidissement des satellites. Le rayonnement : la chaleur sans matière Le rayonnement thermique est le plus mystérieux des trois modes de transfert. Contrairement à la conduction et à la convection, il ne nécessite aucun support matériel. L’énergie se propage sous forme d’ondes électromagnétiques, à la vitesse de la lumière, et traverse le vide sans difficulté. C’est par rayonnement que la chaleur du Soleil nous parvient après avoir traversé 150 millions de kilomètres de vide. Tout corps dont la température est supérieure au zéro absolu émet un rayonnement électromagnétique. À température ambiante (environ 20 °C ou 293 K), ce rayonnement se situe principalement dans l’infrarouge, invisible à l’œil nu. Le corps humain, à 37 °C, rayonne une puissance d’environ 100 watts, l’équivalent d’une ampoule à incandescence. Lorsqu’un objet est chauffé au-delà de 500 °C environ, une partie du rayonnement entre dans le spectre visible. L’objet commence à rougeoyer (vers 700 °C), puis devient orange, jaune, et finalement blanc bleuâté à très haute température. La surface du Soleil, à 5 800 K, apparaît blanche. Le lien entre la couleur de la lumière émise et la température a été découvert en 1800 par l’astronome William Herschel, qui a mis en évidence le rayonnement infrarouge en mesurant la température au-delà du rouge dans un spectre solaire. Ce rayonnement invisible qu’Herschel nomma rayonnement calorifique est précisément celui qui est au cœur de l’effet de serre climatique et du refroidissement des satellites. En classe Cycle 3 : L’expérience de la télécommande infrarouge émerveille les élèves : on peut « voir l’invisible » grâce au smartphone. Discuter d’autres exemples de rayonnement invisible : les ondes radio, les micro-ondes, les rayons X. Pourquoi les télécommandes utilisent-elles l’infrarouge ? Simplicité, coût réduit, sans danger, portée limitée et suffisamment directionnel [4]. Collège : Reproduire l’expérience d’Herschel : avec un prisme et des sondes de température (FizziQ Connect), mesurer la température dans chaque zone colorée du spectre et au-delà du rouge. Découvrir que la zone la plus chaude est au-delà du visible [8]. Lycée : Introduire le spectre électromagnétique complet. Relier la longueur d’onde du maximum d’émission à la température par la loi de Wien : λ_max = 2 898 / T(K) en micromètres. Calculer que le Soleil (à 5 800 K) émet surtout dans le visible (~0,5 µm) tandis que la Terre (à 288 K) émet dans l’infrarouge (~10 µm). La loi de Stefan-Boltzmann En 1879, le physicien autrichien Josef Stefan a découvert une loi remarquable en analysant les mesures d’émission infrarouge réalisées par John Tyndall. La puissance totale rayonnée par un corps par unité de surface est proportionnelle à la quatrième puissance de sa température absolue. P = ε × σ × A × T⁴ où P est la puissance rayonnée (en watts), ε l’émissivité (entre 0 et 1), σ la constante de Stefan-Boltzmann (5,67 × 10⁻⁸ W/m²/K⁴), A la surface (en m²) et T la température absolue (en kelvins). Cette loi a des conséquences spectaculaires. Si l’on double la température d’un objet (de 300 K à 600 K), la puissance rayonnée ne double pas : elle est multipliée par 2⁴ = 16. C’est cette dépendance en T⁴ qui explique pourquoi les étoiles les plus chaudes sont aussi les plus lumineuses. Exemple concret : un mètre carré de surface noire (ε = 1) à température ambiante (300 K) rayonne σ × 300⁴ ≈ 460 watts. Mais en pratique, cet objet absorbe aussi le rayonnement de son environnement. La puissance nette échangée est la différence : P_nette = εσA(T_objet⁴ – T_environnement⁴). Un radiateur de satellite tourné vers le vide (à 2,7 K) évacue toute sa puissance, car T_environnement⁴ est négligeable. Mais exposé au Soleil, il absorbe 1 361 W/m², ce qui limite sa capacité de refroidissement. En classe Cycle 3 et Collège : Mesurer avec des sondes connectées la température de surfaces de différentes couleurs exposées à une lampe. Constater que les surfaces sombres chauffent plus. Introduire la notion d’albédo et relier aux problématiques climatiques (fonte de la banquise, îlots de chaleur urbains). Lycée : Calculer la puissance rayonnée par le corps humain (surface ~1,7 m², T = 310 K, ε ≈ 0,98) dans un environnement à 293 K. Résultat : environ 100 W nets, cohérent avec le métabolisme au repos. Calculer aussi la température d’équilibre d’une sphère noire à la distance Terre-Soleil : environ 279 K (6 °C), proche de la température moyenne terrestre sans effet de serre. L’espace est-il froid ? Un malentendu tenace Les films de science-fiction montrent régulièrement des personnages qui gèlent instantanément dans le vide spatial. Cette image est profondément trompeuse. La réalité est contre-intuitive : l’espace n’est ni chaud ni froid, c’est un isolant thermique quasi parfait. La raison est simple : pour qu’il y ait une « température ambiante », il faut de la matière capable de transférer de la chaleur par contact (conduction) ou par courant (convection). L’espace est essentiellement vide : à peine quelques particules par centimètre cube, contre 27 milliards de milliards dans l’atmosphère au niveau de la mer. L’espace se comporte exactement comme l’intérieur d’un thermos, dont les parois à double vitrage enfermant du vide empêchent le café de refroidir. Les conditions thermiques en orbite terrestre sont extrêmes, mais pas comme on le croit. La face d’un satellite exposée au Soleil peut atteindre +121 °C, tandis que la face à l’ombre peut descendre à –157 °C. La Station spatiale internationale subit ces écarts à chaque orbite de 90 minutes. Ce n’est pas un « congélateur géant », mais une alternance brutale entre fournaise et glacière dans un environnement où seul le rayonnement permet d’équilibrer les températures. Alors, les films de science fiction nous trompent-ils avec ces images de corps soumis au vide et gelés ? Si un corps exposé au vide ne se refroidit pas instantanément, la peau peut tout de même givrer, mais pour une tout autre raison. Dans le vide, la pression est quasi nulle, ce qui fait chuter drastiquement le point d'ébullition de l'eau. Les fluides corporels, salive, larmes, humidité de la peau, se mettent alors à bouillir, provoquant un refroidissement local par évaporation, selon le même principe que la transpiration, mais beaucoup plus brutal. La peau peut donc givrer en surface, tandis que le corps dans son ensemble reste chaud longtemps. Un astronaute non protégé mourrait d'asphyxie et des effets de la décompression bien avant d'avoir froid. En classe Cycle 3 : Verser de l’eau chaude dans un thermos et dans un verre ordinaire. Mesurer la température toutes les cinq minutes pendant une demi-heure. Tracer les deux courbes de refroidissement. Le thermos garde la chaleur. Poser la question : « Et si on mettait un objet chaud dans l’espace, se refroidirait-il vite ? » Collège : Débat guidé : montrer des extraits de films (2001, Les Gardiens de la Galaxie) où des personnages gèlent dans l’espace. Est-ce réaliste ? Quel mode de transfert est supprimé dans le vide ? Combien de temps faudrait-il réellement pour qu’un corps se refroidisse ? (Plusieurs heures, pas quelques secondes.) Lycée : Calculer la température d’équilibre d’une sphère en orbite terrestre en fonction de son albédo et de son émissivité, en utilisant le bilan radiatif : flux solaire absorbé + infrarouge terrestre = émission propre. Comment refroidit-on un satellite ? Le contrôle thermique est un défi majeur de l’ingénierie spatiale. Chaque composant d’un satellite possède une plage de température de fonctionnement : les processeurs entre 0 °C et 85 °C, les batteries entre –10 °C et 45 °C, certains détecteurs infrarouges en dessous de –170 °C. Les systèmes passifs Les revêtements de surface constituent la première ligne de défense. Une peinture blanche réfléchit la lumière solaire (faible absorptivité) tout en émettant dans l’infrarouge (forte émissivité), favorisant le refroidissement. Les couvertures multicouche (MLI), ces « couvertures de survie » dorées des satellites, réfléchissent le rayonnement et réduisent les pertes thermiques. Les caloducs transportent la chaleur des composants chauds vers les radiateurs. Enfin, les radiateurs, grands panneaux blancs orientés vers le vide, évacuent la chaleur par rayonnement infrarouge. Les systèmes actifs Les résistances chauffantes empêchent les composants de descendre sous leur température minimale pendant les éclipses. Les boucles fluides pompées font circuler un liquide caloporteur entre les sources de chaleur et les radiateurs. Les cryoréfrigérateurs refroidissent les instruments nécessitant des températures cryogéniques, comme les détecteurs du télescope James Webb (à 40 K, soit –233 °C). Les matériaux à émissivité variable, à base de dioxyde de vanadium (VO₂), changent automatiquement d’émissivité selon la température : un thermostat passif [5]. En classe Cycle 3 : Construire un « mini-satellite » avec une boîte en carton recouverte de différents matériaux (aluminium brillant, papier noir, coton blanc) et mesurer la température intérieure sous une lampe. Discuter : quel revêtement garderait un satellite au frais ? Collège : Comparer les évolutions de température du mini-satellite avec et sans ventilation (convection forcée). Discuter : que se passe-t-il quand on supprime le ventilateur ? C’est exactement la situation dans l’espace. Lycée : Calculer la surface de radiateur nécessaire pour dissiper 1 kW de chaleur dans l’espace (T_radiateur = 350 K, ε = 0,9) en utilisant la loi de Stefan-Boltzmann. Résultat : environ 1,5 m². Comparer avec la puissance d’un GPU Nvidia H100 (~700 W) pour mesurer le défi du refroidissement d’un centre de données orbital. Serveurs IA : dans l’espace ou dans le Sahara ? Elon Musk n'est pas le premier à aborder la question de placer des serveurs dans l'espace. En novembre 2025, une équipe de chercheurs de Google a publié un article scientifique détaillé proposant de construire des "centres de données" en orbite terrestre basse [2], constitués de flottes de satellites équipés de puces d'intelligence artificielle, alimentés par l'énergie solaire et reliés entre eux par des liens optiques à très haut débit. Maintenant que nous en savons plus sur la notion de température, que devons-nous en penser ? Le refroidissement : le vrai défi Sur Terre, les centres de données disposent des trois modes de transfert. La convection forcée, ventilateurs, circuits d'eau, tours de refroidissement, est le mécanisme principal. Un grand centre consomme jusqu'à 7,5 millions de litres d'eau par jour et jusqu'à 40 % de son électricité pour le refroidissement [3]. C'est coûteux, mais très efficace. Dans l'espace, seul le rayonnement est disponible pour évacuer la chaleur vers l'extérieur. Or, comme nous l'avons vu, c'est le moins efficace des trois modes à basse température. Un processeur graphique (GPU) de dernière génération dissipe environ 700 watts. Pour évacuer cette chaleur par rayonnement avec un radiateur à 80 °C (353 K, ε = 0,9), la loi de Stefan-Boltzmann donne environ 660 W/m² : il faut plus d'un mètre carré de radiateur pour un seul GPU. Un autre problème que soulève l'article de Google est que si les serveurs volent en constellation serrées, le rayonnement infrarouge émis par un satellite réchauffe ses voisins, réduisant l'efficacité de leurs propres radiateurs. Il faut donc concevoir la constellation de manière à minimiser cette interférence thermique. Et tout cet appareillage — radiateurs, caloducs, protections — doit être envoyé en orbite par fusée, à un coût significatif. Le vide, loin d'être un réfrigérateur, se comporte comme un thermos qui emprisonne la chaleur. Comme le résume le professeur Josep Jornet de Northeastern University : sans système de refroidissement adapté, un processeur surchaufferait dans l'espace plus vite que sur Terre, car au moins l'air terrestre peut emporter une partie de la chaleur par convection [1]. Pourquoi l'espace ? La vraie motivation La principale raison de ces projets n'est pas le refroidissement, mais l'énergie. Le Soleil émet une puissance de 3,86 × 10²⁶ watts, soit plus de 100 000 milliards de fois la production électrique de l'humanité. En orbite, les panneaux solaires reçoivent jusqu'à 8 fois plus d'énergie par an qu'un panneau situé sur Terre à moyenne latitude : pas de nuit (en orbite sun-synchrone aube-crépuscule), pas de nuages, pas d'atmosphère qui absorbe une partie du rayonnement. L'équipe de Google estime que si les coûts de lancement atteignent environ 200 dollars par kilogramme d'ici 2035, ce que les tendances historiques rendent plausible, le coût annualisé de l'énergie en orbite pourrait devenir comparable à celui des centres de données terrestres, de l'ordre de 600 à 3 000 dollars par kilowatt et par an. Le calcul économique repose donc avant tout sur l'accès à une source d'énergie quasi-illimitée, pas sur la facilité du refroidissement. Alors, faisable ou non ? Le développement de l'intelligence articifielle nécessite la création de nouvelles solutions technologiques si en même temps on souhaite suivre un développement durable. Plus qu'un problème de physique, c'est un problème d'ingénieirie. Les ingénieurs disposent de solutions, caloducs passifs, radiateurs dédiés, matériaux à émissivité variable, qui sont déjà utilisées sur des satellites et des stations spatiales. La Station spatiale internationale dissipe environ 100 kW grâce à 150 m² de radiateurs [6]. L'équipe de Google a par ailleurs testé ses puces TPU sous un faisceau de protons simulant les conditions de radiation en orbite, démontrant leur survie pour une mission de 5 ans. Ce sont des résultats concrets, pas de simples spéculations. La question n'est donc pas de savoir si c'est physiquement impossible, mais si l'ingénierie peut rendre le refroidissement suffisamment efficace pour que les avantages de l'espace, énergie solaire quasi-continue, absence de consommation d'eau, pas d'emprise foncière, scalabilité potentiellement illimitée, compensent cette difficulté. Comme le note la Deutsche Bank dans une analyse récente, les obstacles sont « plus d'ingénierie que de physique » [7]. Le bilan comparé Critère Centre de données terrestre Centre de données orbital Modes de refroidissement Conduction + convection + rayonnement Rayonnement uniquement vers l'extérieur Température extérieure 30 à 55 °C mais air disponible –157 °C à +121 °C selon exposition Efficacité du refroidissement Élevée : ventilateurs, eau, évaporation Limitée : grands radiateurs nécessaires Eau nécessaire Jusqu'à 7,5 millions de litres/jour Zéro Énergie solaire disponible ~1 000 W/m² (6–10 h/jour) ~1 361 W/m² quasi en continu Coût énergétique annualisé ~570–3 000 $/kW/an ~810 $/kW/an (projection 2035) Maintenance Facile : techniciens sur site Très coûteuse ou impossible Risque de surchauffe Faible si bien dimensionné Élevé : le vide est un isolant En classe Cycle 3 : Débat : « Si tu devais installer un ordinateur très puissant qui chauffe beaucoup, tu le mettrais dans le désert ou dans l’espace ? » Mobiliser tout ce qui a été appris sur les trois modes de transfert. Collège : Remplir le tableau comparatif Terre/Espace à partir des connaissances acquises dans les sections précédentes. Argumenter en faveur de chaque solution puis trancher. Lycée : Calculer combien de mètres carrés de radiateurs seraient nécessaires pour refroidir 10 000 GPU dans l’espace. Comparer avec la surface de radiateurs de la Station spatiale internationale (~150 m² pour ~100 kW). Évaluer la faisabilité économique en incluant le coût de mise en orbite (~2 700 €/kg avec SpaceX) et avec tarif future de 250 €/kg ? Conclusion : la force de l'esprit critique Cet article n'a pas pour but de trancher le débat entre serveurs terrestres et serveurs orbitaux. Les ingénieurs, les économistes et les décideurs politiques auront le dernier mot. Notre propos est ailleurs. Face à l'annonce spectaculaire de mettre des serveurs dans l'espace, de nombreux commentateurs, trompés par un manque de culture scientifique et par des représentations mal interprétées de certains films de science-fiction, ont conclu que la raison principale était que « le refroidissement est gratuit dans l'espace ». Pourtant nous avons vu qu'à travers de simples raisonnements et des expériences réalisables chez soi ou en classe, il est possible de réfléchir à ces annonces, de poser le problème de manière rigoureuse et d'arriver à une conclusion surprenante : le vide spatial est un isolant, pas un réfrigérateur, et le refroidissement y est plus difficile que sur Terre, pas plus facile. C'est précisément l'objectif de la démarche d'investigation : partir d'une question concrète, mobiliser ses connaissances, expérimenter, raisonner — et oser se confronter à un problème qui semble hors de portée. Car cet exercice n'a rien d'inaccessible. Chacun dispose des outils pour le faire : les notions de physique apprises à l'école, la capacité de raisonner à partir de principes connus, et le courage de se lancer dans l'aventure. Chaque nouvelle situation est une occasion d'apprendre, de raisonner et d'utiliser ce qui fait de l'être humain un être unique : son cerveau. En savoir plus [1] Dano, M. "Musk's massive space data center: Super scale or sheer folly?", Light Reading, février 2026. https://www.lightreading.com/satellite/musk-s-massive-space-based-data-center-super-scale-or-sheer-folly- [2] Agüera y Arcas, B., Beals, T., Biggs, M., Bloom, J.V., Fischbacher, T., Gromov, K., Köster, U., Pravahan, R. et Manyika, J. "Towards a future space-based, highly scalable AI infrastructure system design", arXiv:2511.19468, novembre 2025. https://arxiv.org/abs/2511.19468 [3] Shehabi, A., Smith, S.J. et al. "United States Data Center Energy Usage Report", Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL-2024-1000, décembre 2024. https://eta-publications.lbl.gov/sites/default/files/2024-12/lbnl-2024-united-states-data-center-energy-usage-report_1.pdf [4] Chazot, C. "Sept expériences pour comprendre l'effet de serre", FizziQ. https://www.fizziq.org/post/effetdeserre [5] Shannon, S. et al. "Variable Emittance Coatings for Spacecraft Thermal Control", Surface Optics Corporation, 2025. https://surfaceoptics.com [6] NASA. "Active Thermal Control System Overview", International Space Station Program. https://www.nasa.gov/wp-content/uploads/2021/02/473486main_iss_atcs_overview.pdf [7] Deutsche Bank Research. "Space-based data centres — engineering challenges and economic outlook", 2026. [8] https://wiki.fablab.sorbonne-universite.fr/BookStack/books/experience-de-herschel/page/experience-de-herschel [9] https://fondation-lamap.org/sequence-d-activites/sensation-de-chaudfroid#:~:text=On%20peut%20monter%20jusqu'à,attention%20aux%20risques%20de%20brûlures

Vous avez probablement déjà tenté de perturber une boussole en approchant un aimant, mais avez-vous essayé de faire la même chose avec la boussole électronique de votre smartphone ? Dans la vidéo ci-dessous, nous avons mené l’expérience, et le résultat est surprenant : la boussole du smartphone semble rester insensible à l’approche d’un aimant. Pourquoi un tel comportement ? Et quelles en sont les implications pour la mesure des champs magnétiques avec un smartphone ? Peut-on avoir confiance dans les données du magnétomètre ? C’est ce que nous allons explorer dans cet article. A quoi sert un magnétomètre dans un smartphone ? Si l’accéléromètre a fait partie intégrante des smartphones dès les premières générations, avec pour fonction initiale de déterminer l'orientation horizontale ou verticale de l'appareil, les capteurs magnétiques (ou magnétomètres) n'ont été ajoutés que bien plus tard. Le HTC Dream, lancé en octobre 2008, est souvent considéré comme le premier smartphone Android à intégrer officiellement un capteur magnétique. Chez Apple, l’iPhone 3GS, sorti en juin 2009, est le premier iPhone à embarquer un magnétomètre. Pourquoi un tel délai ? A l'époque la fonctionalité principale des magnétomètres dans les smartphones était la boussole numérique. Cette fonctionnalité était utile pour la navigation, qu’il s’agisse de randonnée ou de conduite automobile, mais elle ne suffisait pas à justifier à elle seule le surcoût et les efforts nécessaires à l'intégration de ce capteur. D'autant plus que le magnétomètre est très sensible aux éléments éxtérieurs et donc n'était pas toujours fiable. Cependant avec l'augmentation des capacités de calcul des smartphones sont apparu de nouvelles applications, comme les jeux motion-based ou la réalité virtuelle et la réalité augmentée, qui demandent une nouvelle fonctionnalité : la capacité la capacité à suivre précisément la position du smartphone dans l’espace . Par exemple en bougeant son smartphone on peut piloter une voiture ou un vaisseau spatial ou observer les différentes face d'un objet virtuel. Ce sont ces applications qui ont poussé les constructeurs à intégrer dans les smartphones de nouveaux capteurs, dont en particulier le magnétomètre, pour le plus grand plaisir des jouers ... et des scientifiques. S'orienter dans l'espace au meilleur coût Pour déterminer la position d’un objet à un instant donné, deux approches sont possibles : Utiliser un référentiel fixe : Cette méthode consiste à disposer d’un référentiel immobile et d’un instrument capable de mesurer l’orientation par rapport à ce référentiel. Calculer les variations incrémentales : Partant d’une position connue, on mesure les changements successifs à travers les mesures d'accélération et de rotation pour déduire la nouvelle position. Les sous-marins utilisent cette deuxième méthode. Grâce à des gyroscopes et des accéléromètres extrêmement précis, ils peuvent naviguer sans repères externes pendant plusieurs jours. Cependant, l'accumulation d’erreurs (dérive) peut entraîner des écarts de plusieurs kilomètres par rapport à leur position réelle. Pour les smartphones, qui subissent des déplacements beaucoup plus limités, le magnétomètre est une alternative très avantageuse car le champ magnétique terrestre est un très bon référentiel local. Il offre plusieurs atouts : Simplicité des calculs : Les mesures sont directement liées au champ magnétique terrestre . Absence de dérive : Contrairement aux gyroscopes et accéléromètres, il n’y a pas d’accumulation d’erreurs. Faible consommation d’énergie : Un magnétomètre consomme entre 10 µA et 500 µA, tandis qu’un accéléromètre consomme environ 10 fois plus et un gyroscope jusqu’à 100 fois plus. Étant donné les capacités limitées des batteries des smartphones, cette faible consommation est un atout majeur, car elle permet de préserver l’autonomie tout en assurant des mesures fiables et économiques. La difficile mesure du champ magnétique Si le magnétomètre semble être l’instrument idéal pour déterminer la position dans l’espace d’un smartphone, un obstacle majeur complique son utilisation : la faible intensité du champ magnétique terrestre. Le champ magnétique terrestre a une intensité d’ environ 50 microteslas, répartie entre une composante horizontale (utile pour déterminer le nord) et une composante verticale (indiquant la latitude magnétique). À titre de comparaison, un simple aimant naturel, comme la magnétite, peut générer un champ atteignant 0,05 tesla – soit mille fois plus intense. Cela signifie que le moindre champ magnétique parasite à proximité du capteur peut fausser totalement les mesures. Par exemple, une vidéo démontre que le magnétomètre d’un smartphone peut détecter le champ généré par une simple boussole en rotation, même à une distance de vingt centimètres. Sensibilité du magnétomètre à la rotation d'une boussole Les aimants ne sont pas les seuls responsables des erreurs : divers matériaux peuvent également perturber les mesures en modifiant ou en déformant le champ magnétique. Matériaux ferromagnétiques (fer, nickel, cobalt, acier) : Ils s’aimantent durablement et interagissent fortement avec le champ magnétique. Matériaux paramagnétiques (aluminium, platine, magnésium) : Faiblement attirés par le champ, car leurs électrons non appariés s’alignent temporairement avec lui. Matériaux diamagnétiques (cuivre, or, graphite, eau) : Légèrement repoussés par le champ, car leurs électrons appariés créent un champ opposé. En outre, les circuits internes du smartphone génèrent eux-mêmes des perturbations. Les courants électriques qui traversent les composants produisent des champs magnétiques proportionnels à l’intensité des courants et à la disposition des circuits. Ces champs varient en fonction des activités du smartphone, comme le processeur en fonctionnement ou les communications réseau. Par conséquent, ces champs parasites interfèrent directement avec les mesures du magnétomètre, rendant les données moins fiables si la calibration n’est pas rigoureuse. Pour des mesures précises, il est donc nécessaire de calibrer le magnétomètre afin de compenser les influences des matériaux environnants et des champs parasites produits par le smartphone lui-même. La calibration statique Pour corriger les différents effets qui perturbent le champ magnétique ambiant et empêchent le magnétomètre de détecter correctement la direction et l’intensité du champ terrestre, les ingénieurs ont mis au point un mécanisme de calibration . Deux grandes catégories de perturbations sont visées : l’ effet hard iron , dû à des éléments aimantés en permanence (comme une vis ou un aimant de haut-parleur), et l’ effet soft iron , qui résulte de matériaux non aimantés déformant localement les lignes du champ. Pour compenser ces perturbations, on fait décrire au smartphone un large éventail de mouvements (par exemple la fameuse figure en « huit » ). Avec cette figure, le magnétomètre est exposé à toutes les orientations, ce qui permet de corriger les erreurs de biais et d'échelle tout en compensant les perturbations locales. En appliquant ces corrections, le système parvient à fournir une mesure beaucoup plus fiable du champ magnétique, indispensable pour indiquer précisément la direction du champ magnétioque terrestre, et le positionnement du smartphone dans l'espace. La calibration dynamique La calibration statique permet de déterminer l'ensemble des ajustements nécessaires pour isoler le champ magnétique terrestre de toutes les perturbations internes du smartphone. Mais que se passe-t-il lorsque l’on approche un aimant du téléphone, ou qu’on le place dans une voiture ? On sait que les mesures seront perturnées et que le magnétomètre sera inutile. Comment compenser ces éléments perturbateurs ? Les premières versions de smartphones obligeaient l'utilisateurs à recalibrer l'appareil dès que l’environnement changeait, en décrivant le fameux huit de calibration . Progressivement, les développeurs ont cependant mis au point des algorithmes plus sophistiqués, capables de détecter et compenser automatiquement les variations anormales du champ magnétique en mesurant en permanence le champ magnétique détecté et en le comparant à sa valeur théorique. Pour cela le système utilise l'accéléromètre et le gyroscope. Ainsi, si le téléphone est posé sur une table et qu’on y approche un aimant, le logiciel va détecter le champ additionnel, mesurer la variation sur les trois axes et ajuster la calibration pour aligner la valeur sur le champ initial. Que se passe-t-il si, en même temps, on fait tourner le téléphone ? Le gyroscope et l’accéléromètre sont alors utilisé pour pour calculer la rotation du smartphone, estimer le champ magnétique « théorique » sans l’aimant, et adapter la correction en conséquence. Le problème de la fusion des capteurs Aujourd’hui, dans un smartphone, il est difficile de dissocier les trois capteurs de positionnement que sont le magnétomètre, le gyroscope et l’accéléromètre. Ces capteurs fonctionnent en synergie pour fournir des informations de positionnement précises tout en minimisant la consommation énergétique. Cette intégration des capteurs, combinée à d’autres comme le GPS, est appelée fusion des capteurs . Le système d’exploitation du smartphone analyse en permanence les données de ces capteurs et effectue des ajustements en fonction des objectifs ou des fonctionnalités utilisées. Par exemple, pour économiser de l’énergie, le smartphone privilégiera le magnétomètre ou l’accéléromètre dans certaines situations, et activera le GPS uniquement si nécessaire. Si cette fusion est bénéfique pour l’utilisateur et les applications spécialisées, elle pose un défi pour les scientifiques et les enseignants . En effet, les données brutes des capteurs sont plus difficiles à récupérer, et les données en libre accès sont souvent altérées par les ajustements constants du système, comme la calibration automatique. Ces modifications compliquent l’interprétation des données pour des expériences ou des analyses précises. Ceci est particulièrement vrai dans le cas du magnétomètre. La quasi totalité des applications qui proposent des mesurent du champ magnétique utilisent des données compensées qui ne reflètent pas la réalité et donc avec lesquels il est difficile de faire des mesures fiables. Mesurer le champ magnétique réel Pour mesurer le champ magnétique réel , il faut donc à la fois accéder aux données brutes du magnétomètre, puis tenir compte des composants internes du smartphone (effets hard iron et soft iron). C’est ce que propose FizziQ avec la fonction « Champ Magnétique Brut ». Cette fonction fait partie d'un ensemble de mesures que nous avons développé dans FizziQ et qui permettent un accès direct aux valeurs brutes des accéléromètres. L'enseignant dispose ainsi de plusieurs outils permettant de mener une grande variété d’expériences en classe sur le magnétisme sans utiliser d'appareil extérieur autre qu'un smartphone : a. Champ Magnétique Automatique C’est la valeur calibrée fournie par le smartphone, adaptée à une utilisation type boussole. b. Champ Magnétique Brut Il s’agit de la lecture directe du magnétomètre, sans ajustement. On peut l’aligner avec la valeur théorique en appuyant sur « Calibration », ce qui calcule des correctifs statiques (hard iron et soft iron) sans les réactualiser en continu. De cette manière, la mesure reste cohérente pour analyser le champ magnétique réel. c. Champ Y & Déviation du Nord Magnétique FizziQ calcule le champ magnétique réel selon l’axe Y, ainsi que l’angle entre le champ mesuré et le Nord magnétique. On retrouve bien qu'un aimant affecte le champ magnétique et la direction de la boussole. Conclusion Le magnétomètre est un composant essentiel des smartphones, à la fois pour la navigation (en identifiant la direction du champ magnétique terrestre) et pour fournir, avec une consommation électrique minimale, une mesure fiable de l’orientation du téléphone dans l’espace. Cette précision est particulièrement utile pour les jeux interactifs et les applications de réalité virtuelle ou augmentée. Cependant, utiliser ce capteur en classe nécessite une compréhension approfondie de son fonctionnement, notamment des mécanismes d’acquisition des données et des biais introduits par les processus de calibration automatiques des smartphones qui perturbent les mesures. C’est dans cette optique que nous avons développé, au sein de FizziQ, un module d’instruments dédié à la mesure du champ magnétique. Ce module permet aux enseignants de proposer une grande variété d’expériences en classe, comme l’étude du champ magnétique terrestre, des dipôles magnétiques, de l’effet Oersted ou encore des propriétés magnétiques de différents matériaux.

L’émergence des grands modèles de langage a profondément transformé l’accès à l’intelligence artificielle dans le champ éducatif. Des outils généralistes, facilement accessibles, sont désormais capables de produire des explications détaillées, des raisonnements structurés et des réponses immédiates à des questions scolaires. Cette puissance soulève toutefois une difficulté majeure pour l’enseignement : comment intégrer l’IA dans les apprentissages sans qu’elle ne devienne un simple générateur de réponses, court-circuitant la réflexion de l’élève et les intentions pédagogiques de l’enseignant ? Comment s’assurer que les réponses produites sont adaptées au niveau des élèves et que les connaissances mobilisées sont alignées avec celles que l’enseignant souhaite transmettre ? Comment utiliser les dialogues entre élève et machine pour mieux comprendre les difficultés des élèves et les guider ? Ces questions, largement discutées dans la littérature récente, soulignent à la fois les opportunités et les risques associés aux modèles de langage en éducation : risque d’« aide trop directe », de dépendance cognitive, mais aussi enjeux d’équité et de protection des données lorsque ces outils sont introduits en classe [2]. Elles invitent à concevoir des dispositifs capables de contraindre, contextualiser et orienter le comportement de l’IA plutôt que de laisser l’élève seul face à un agent conversationnel généraliste [3] [4]. C’est dans cette perspective que nous avons conçu AskFizziQ Web , une extension du module déjà présente dans l'appli FizziQ [5], accessible en ligne ayant pour objectif de répondre aux questions des élèves sans fournir directement les réponses , et d’opérer exclusivement dans un cadre défini par l’enseignant. AskFizziQ Web ne cherche pas à reproduire le comportement d’un expert omniscient. Il s’agit au contraire de transformer l’IA en un outil d’étayage contrôlé , au service de la démarche de l’élève et des objectifs fixés par l’enseignant, en continuité avec nos travaux antérieurs sur l’usage de l’IA dans l’enseignement des sciences [1]. AskFizziQ Web a été utilisé dans le cadre d’une première expérimentation portant sur l’étayage en séance de travaux pratiques de chimie en classe de première au lycée de Villaroy, et sera prochainement mobilisé dans une autre expérimentation portant sur l’usage d’un assistant de recherche lors de séances de travaux pratiques de physique. Le présent article ne vise pas à présenter les résultats de ces travaux, mais à décrire les fonctionnalités de l’outil qui rendent ces usages possibles. Une IA encadrée par l’enseignant : principes de conception Le principe fondateur d’AskFizziQ Web repose sur une idée simple : l’enseignant est l’architecte de l’environnement d’apprentissage assisté par IA . Plutôt que de laisser les élèves dialoguer librement avec un modèle de langage généraliste, l’outil permet de définir en amont ce que l’IA sait, ce qu’elle peut dire et la manière dont elle doit interagir avec les élèves. Cette approche vise notamment à répondre à une limite souvent décrite pour les agents conversationnels : la difficulté à ajuster finement le niveau d’explication, le registre et la forme des réponses selon la situation d’apprentissage.⁶⁻⁷ En plaçant la contextualisation (documents, données, consignes) et les règles de dialogue (ce que l’IA doit faire / ne pas faire) au cœur du dispositif, AskFizziQ Web cherche à rendre l’IA pédagogiquement gouvernable . Le parcours de l’enseignant : construire un environnement d’apprentissage contextualisé Création de l’exercice et accès des élèves Le travail de l’enseignant débute par la création d’un exercice dans l’interface AskFizziQ Web. Chaque exercice est associé à un code unique, communiqué aux élèves pour leur permettre d’y accéder sans création de compte. L’enseignant définit le titre de l’exercice, le niveau scolaire visé et peut, s’il le souhaite, le protéger par un mot de passe afin d’en conserver la maîtrise. Construction d’une base de connaissances contextualisée L’un des éléments centraux du dispositif est la base de connaissances associée à chaque exercice . L’enseignant peut y intégrer différents types de ressources : documents explicatifs, rappels de cours, données expérimentales ou tableaux de données au format CSV. Ces ressources constituent le socle sur lequel l’IA s’appuie pour construire ses réponses, afin d’éviter une assistance « hors-sol » et de maintenir l’alignement avec ce que l’enseignant souhaite faire travailler.⁷ Chaque document est accompagné d’une description rédigée par l’enseignant, permettant à l’IA d’en comprendre le rôle et le contenu. Lorsqu’un élève pose une question, l’assistant peut ainsi renvoyer vers un document pertinent, en exploiter certains éléments ou inviter explicitement à sa consultation. Structuration des questions et du guidage L’enseignant structure ensuite l’exercice sous la forme d’une série de questions. Pour chacune d’elles, il peut préciser l’énoncé, la correction attendue (invisible pour l’élève), les attentes pédagogiques et, surtout, des indices de guidage . Ces indices constituent une traduction explicite de l’intention pédagogique de l’enseignant : ils fournissent à l’IA des pistes qu’elle pourra mobiliser pour aider l’élève à progresser, sans jamais révéler la solution attendue. Paramétrer le comportement de l’IA AskFizziQ Web offre à l’enseignant la possibilité de définir un prompt système personnalisé , qui régit le comportement global de l’IA. Ce prompt fixe les règles du dialogue : interdiction de donner les réponses, incitation à poser des questions en retour, niveau de langage à adopter, renvoi systématique aux documents ou type de démarche à privilégier. Par défaut, l’IA adopte une posture de tuteur socratique , fondée sur le questionnement et l’indice progressif. Cette logique rejoint les recommandations issues des travaux sur l’usage éducatif des modèles de langage : privilégier l’accompagnement du raisonnement plutôt que la production directe de solutions.⁵⁻⁶ AskFizziQ permet également de choisir le modèle d’IA utilisé parmi plusieurs fournisseurs et niveaux de performance. Ce choix offre une flexibilité supplémentaire, permettant d’ajuster les capacités de raisonnement de l’assistant au type d’activité proposée. Par défaut, l’outil utilise le modèle GPT-5 mini , qui offre un compromis adapté entre rapidité de réponse et coût. Le parcours de l’élève : dialoguer sans recevoir la réponse Du point de vue de l’élève, l’accès à l’exercice se fait simplement à l’aide du code fourni. L’identification repose sur un pseudonyme, garantissant l’anonymat des échanges. L’élève peut consulter les questions et les documents mis à disposition, puis engager un dialogue avec l’assistant. L’IA connaît le contexte complet de l’exercice, mais respecte strictement les contraintes définies par l’enseignant. Elle questionne, reformule, suggère, rappelle des notions ou des données issues des documents, sans jamais livrer directement la réponse attendue. Les échanges prennent la forme d’un dialogue structuré, visant à encourager l’explicitation du raisonnement et la formulation d’hypothèses.⁶ Les conversations sont persistantes : un élève peut interrompre son travail et le reprendre ultérieurement en retrouvant l’historique complet de ses échanges. L’enregistrement des conversations : un outil pour l’analyse et la recherche Toutes les interactions entre les élèves et l’IA sont enregistrées. Ces traces constituent une ressource précieuse pour l’enseignant comme pour la recherche en didactique. Elles permettent d’identifier les difficultés récurrentes, les notions mal comprises, les stratégies de questionnement des élèves et leur évolution au cours du temps. Conçu dans une logique de respect des données, le dispositif repose exclusivement sur des pseudonymes. Aucune donnée personnelle nominative n’est transmise à l’IA ni stockée dans les journaux de conversation, conformément aux recommandations de prudence et de gouvernance relatives à l’usage de l’IA générative en éducation. Conclusion AskFizziQ Web propose une approche de l’IA éducative fondée sur le contrôle pédagogique, la contextualisation et la complémentarité avec l’enseignant . L’IA n’y est ni autonome ni prescriptive : elle est configurée, contrainte et orientée par l’enseignant pour accompagner le raisonnement de l’élève. En articulant base de connaissances contextualisée, questions structurées, guidage explicite et enregistrement des interactions, l’outil offre un cadre cohérent pour une utilisation raisonnée de l’intelligence artificielle en classe, en phase avec les opportunités et les exigences mises en avant par la littérature récente. AskFizziQ Web est proposé gratuitement , dans un objectif de recherche et d’expérimentation pédagogique. Il a vocation à être utilisé, testé et discuté par des enseignants souhaitant explorer de nouveaux usages de l’IA en classe, en particulier dans l’enseignement des sciences expérimentales. Les enseignants intéressés peuvent accéder librement à l’outil et sont invités à en faire usage dans leurs pratiques, afin de contribuer à une réflexion collective sur les conditions d’intégration de l’intelligence artificielle au service des apprentissages. Un lien vers l’outil pourra être partagé sur demande à juliette@fizziqlab.org . Références https://www.fizziq.org/post/ia-et-sciences Kasneci, E., Sessler, K., Küchemann, S., Bannert, M., Dementieva, D., Fischer, F., … Kasneci, G. (2023). ChatGPT for good? On opportunities and challenges of large language models for education. Learning and Individual Differences, 103 , 102274. Wollny, S., Schneider, J., Di Mitri, D., Weidlich, J., Rittberger, M., & Drachsler, H. (2021). Are chatbots effective in education? A systematic review of the literature. International Journal of Educational Technology in Higher Education, 18 (1), 1–32. UNESCO. (2023). Guidance for generative AI in education and research. UNESCO Publishing. https://www.fizziq.org/post/comment-ask-fizziq-a-été-conçu-pour-dialoguer-avec-les-élèves

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 : mise à l'échelle , pointage , résultats . 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.

L'analyse cinématique est l'une des fonctionnalités les plus utilisées dans FizziQ. Et ce pour une bonneraison : cette activité est extrèmement facile et rapide à mettre en place dans une classe et permet des ouverture pédagiogiques passionantes pour les élèves. La version Anthracite de FizziQ apporte de nouvelles fonctionalités pour rendre l'étude encore plus simple et intéressante pour les élèves. Qu'est-ce que l'analyse cinématique ? L'analyse cinématique par vidéo ou chronophotographie est une méthode utilisée pour étudier le mouvement des objets. Elle permet de visualiser et d'analyser comment un objet se déplace dans l'espace au fil du temps. Cette technique consiste à capturer une série d'images (photos ou vidéos) d'un objet en mouvement, puis à les examiner image par image. Dans une chronophotographie, plusieurs phases d'un mouvement sont capturées en une seule image où les différentes positions sont superposées. Cette méthode est particulièrement utile pour observer des mouvements rapides ou complexes, comme le vol d'un oiseau ou le mouvement d'un athlète. Avec l'analyse vidéo, les mouvements sont enregistrés en temps réel et peuvent ensuite être analysés en ralentissant la vidéo. Cela permet d'observer les détails du mouvement qui ne sont pas perceptibles à l'œil nu. Comment accéder au mode Cinématique Dans FizziQ, vous pouvez accéder au mode Cinématique depuis l'écran Mesures, dans la section Instruments. FizziQ propose deux méthodes d'analyse du mouvement : Cinématique par vidéo : Permet d'étudier un mouvement en analysant les images d'une vidéo Chronophotographie : Permet d'étudier un mouvement en analysant les images d'une chronophotographie Étapes d'analyse d'un mouvement Sélection de la source vidéo ou photo Lorsque vous lancez l'outil cinématique, vous avez plusieurs options pour choisir votre source : Mes vidéos/Mes images : Sélectionnez une vidéo ou une image depuis votre galerie Télécharger : Importez une vidéo ou une image depuis internet en copiant son URL Librairie vidéos/Librairie photo : Accéder à une bibliothèques de vidéos spécifalement créées pour l'analyse en classe. Vous y trouverez des vidéos de mouvements sur le sport, des collisons, des chutes, des mouvements paraboliques ou de rotations. L'application propose également quelques exemples intégrés comme "Chute libre", "Parabole" et "Pendule". Paramètres de la vidéo Si vous avez opté pour l'analyse d'une vidéo, le logiciel va déterminer automatiquement le nombre d'images et la longuer de la vidéo et en déduire la cadence de la vidéo (nombre d'images par secondes). Il va également déterminer l'orientation de la vidéo. Par défaut toutes les images sont utilisées (échantillonage). Il est possible de modifier ces informations en allant dans les réglages dans l'écran de calibration (voir plus loin). Pour une chronophotographie, il faudra entrer ces données manuellement. Calibration de l'échelle et réglages L'étape suivante consiste à calibrer l'échelle pour que les mesures soient précises : Positionnez la règle sur l'écran en déplaçant son origine et son extrémité Définissez la longueur réelle de cette règle en mètres (en appuyant sur la valeur numérique) La direction du repère est déterminer selon les positions relatives de l'origine et l'extrèmeité. Il est ainsi possible d'orienter le repère dirigé vers le haut ou le bas ou vers la droite ou la gauche. Par défaut l'origine est déterminée par l'intersection des deux axes, mais elle peut également être détachée des axes pour être placée n'importe ou sur l'écran. Dans cet écran vous avez également accès à différents réglages en utilsant le bouton de réglages en haut à droite de la fenètre. Vous pouvez ainsi modifier la cadence, l'échantillonage (pour sauter des images), l'orientation de la vidéo, et la séparation de l'origine des axes. Pointage des positions Après la calibration, vous passez au pointage des positions : Utilisez la mire (cercle rouge) pour pointer précisément l'objet dont vous voulez suivre le mouvement Tapez sur l'écran pour valider chaque point Pour une vidéo, utilisez les flèches et le curseur pour avancer ou reculer dans le temps et placer des points sur l'objet à chaque étape du mouvement Analyse des résultats Une fois tous les points placés, appuyez sur le bouton "Résultats" pour visualiser l'analyse cinématique. L'analyse peut inclure de nombreux paramètres comme : Les positions X et Y La distance à l'origine Les vitesses instantanées (V, Vx et Vy) Les accélérations horizontale et verticale L'angle de rotation L'énergie cinétique et potentielle (si la masse est définie) Sélectionnez entre 1 et 5 données, et exportez ces données dans le cahier en appuyant sur l'onglet "Cahier". Les données sont alors accessibles dans le cahier d'expérience pour être analysées sous la forme d'un tableur. Navigation Il est possible de naviguer entre les différents écrans et de revenir en arrière sans perdre l'analyse ou le pointage. De même, une fois dans le cahier, on peut revenir à l'analyse pour analyser des éléments particuliers. Utilisation du tableur pour l'analyse de données Lorsque vous enregistrez vos résultats d'analyse cinématique dans votre cahier d'expérience, ils apparaissent sous forme d'une carte d'observation tableau. Le tableur FizziQ vous offre de nombreuses fonctionnalités pour exploiter ces données : Manipulation des données Personnalisation des colonnes : Modifiez les labels des colonnes pour les adapter à votre étude (ex : "Position x", "Vitesse y") Ajustez le nombre de décimales affichées pour chaque colonne selon la précision requise Calculs supplémentaires : Ajoutez de nouvelles colonnes pour calculer d'autres grandeurs physiques Par exemple, calculez l'énergie mécanique totale en additionnant l'énergie cinétique et potentielle Utilisation des formules pour l'analyse cinématique Voici quelques exemples de formules particulièrement utiles pour l'analyse cinématique : Calcul de la vitesse moyenne : =(B - prec(B)) / (A - prec(A)) Où A est le temps et B la position Calcul de l'accélération : =DERIVE(C, A) Où C est la colonne de vitesse et A le temps Calcul de l'énergie cinétique : =0.5 M (C^2 + D^2) Où M est la masse, C la vitesse selon x et D la vitesse selon y Calcul de l'énergie potentielle : =M 9.81 B Où M est la masse et B la position verticale Visualisation graphique des données cinématiques Le mode graphique du tableur est particulièrement utile pour visualiser les résultats : Visualisation des trajectoires : Sélectionnez la position X en abscisse et la position Y en ordonnée pour visualiser la trajectoire spatiale Étude de la vitesse et de l'accélération : Graphique du temps (abscisse) par rapport à la position, la vitesse ou l'accélération (ordonnée) Superposez plusieurs courbes pour comparer différentes grandeurs Utilisation des interpolations : Les interpolations linéaires et quadratique sont particulièrement adaptée pour les mouvements à accélération constante (chute libre, mouvement parabolique) L'interpolation sinusoïdale est idéale pour les mouvements périodiques (pendule) Extraction de paramètres physiques : Pour un mouvement à accélération constante, la pente de la courbe vitesse-temps donne l'accélération Pour un mouvement périodique, la période peut être déterminée en mesurant l'intervalle entre deux maxima Conseils pratiques L'utilisation d'un smartphone pour est particulièrement intéressant pour l'apprentissage des concepts de la cinématique en classe. La raisqon principale est que les élèves peuvent créer leur propre vidéo t l'analyser immédiatement, ce qui est particulièrement motivant pour eux. Vous trouverez ci-dessous quelques bonnes pratiques pour faire une bonne vidéo à analyser : Qualité de la vidéo : Utilisez des vidéos avec une bonne résolution et un bon éclairage pour faciliter le pointage. Référence d'échelle : Assurez-vous d'avoir un objet de dimension connue dans la vidéo pour calibrer correctement l'échelle. Points de référence : Choisissez des points facilement identifiables sur l'objet pour obtenir un suivi cohérent. Angle de vue : Filmez perpendiculairement au plan du mouvement pour éviter les distorsions de perspective. Cadence adaptée : Pour les mouvements lents, utilisez l'échantillonnage pour espacer les points et faciliter l'analyse. Masse de l'objet : Si vous souhaitez calculer des énergies, n'oubliez pas de spécifier la masse de l'objet en mouvement.

L'intégration de l'intelligence artificielle (IA) dans l'éducation ouvre des perspectives fascinantes pour enrichir l'apprentissage, mais elle pose une question essentielle : comment utiliser cet outil sans nuire au développement de la pensée critique et de l'autonomie des élèves ? Pour explorer cette question, nous proposons une activité réalisable dans le cadre scolaire : les Travaux Pratiques (TP) dopés à l'IA. Les sciences offrent un cadre idéal pour exploiter tout le potentiel des modèles génératifs actuels. Déjà adoptée par les scientifiques pour accélérer leurs recherches, l'IA peut intervenir à presque toutes les étapes d'une investigation scientifique : recherche documentaire, analyse de données, modélisation et diffusion des résultats. Dans un contexte d'expérimentation pratique, elle peut apporter une nouvelle motivation et démultiplier les possibilités pédagogiques. Dans les paragraphes qui suivent, vous découvrirez comment l'étude de l'oscillation d'un smartphone au bout d'un élastique permet d'établir un dialogue fructueurx entre entre l'élève et l'IA. Une méthode d'investigation scientifique dopée à l'IA Contrairement à un étayage pédagogique classique, généralement ponctuel et porté par l’enseignant, l’intégration de l’IA permet un accompagnement continu, à la demande de l’élève, tout au long de la démarche d’investigation. La méthode d'investigation repose sur l'idée que les élèves apprennent de manière plus efficace en étant actifs et en explorant par eux-mêmes, plutôt qu'en recevant passivement des informations. Dans cette méthode, l'élève utilise tous les outils à sa disposition pour "enquêter" sur un phénomène à la manière d'un chercheur. Notre proposition est d'intégrer l'IA dans cette démarche pour amplifier les capacités d'investigation des élèves. L'objectif que nous recherchons est que son utilisation raisonnée encourage l'élève à aller plus loin dans le questionnement et la démarche d'investigation. Équipé d'outils d'IA, ses moyens sont décuplés et amplifiés. La méthode scientifique en est renforcée, car l'élève peut se concentrer davantage sur son application et sa réflexion critique. Une investigation scientifique dopée à l'IA pourra comporter les étapes suivantes : Recherche documentaire : L'élève utilise des assistants virtuels pour mener plus facilement une recherche exhaustive des différents aspects du problème et mieux comprendre les enjeux. Expérimentation : L'IA peut guider l'élève sur les meilleurs instruments à utiliser et les erreurs qu'il est préférable d'éviter pour réaliser la partie expérimentale. Analyse de données : L'élève utilise l'IA pour analyser les données par le dialogue, identifier des motifs ou des anomalies, et représenter les données sous forme graphique. Modélisation : L'élève échange avec l'IA pour finaliser un modèle théorique basé sur les observations et les données expérimentales. Étude et discussion du modèle : L'élève utilise l'IA pour analyser le comportement du modèle sous différentes conditions, y compris les valeurs limites, et explorer la sensibilité aux paramètres. Applications et innovation : La recherche d'applications est facilitée par la base de donnée exhaustive des IA Conclusions et communication : L'élève et l'IA collaborent pour obtenir un rapport d'activité clair, logique et cohérent. Partage : L'élève et l'IA s'accordent sur le meilleur moyen de structurer et diffuser la communication. L'objectif pédagogique de la séance est de montrer à l'élève comment l'IA peut l'aider à aller plus loin dans ses recherches, comment organiser son travail avec cet outil, quels dialogues initier, découvrir les forces et les faiblesses de ces modèles, et enfin mieux comprendre comment en obtenir le meilleur. Sujet d'étude et aspects pratiques Nous proposons dans cet article de réaliser un travail d'investigation scientifique sur un phénomène physique simple à mettre en œuvre par les élèves, mais suffisamment complexe pour que le rôle de l'IA soit significatif. Nous positionnons ce TP dans le cadre du programme de première, en spécialité "Physique-Chimie" ou "Sciences de l'ingénieur". La complexité du phénomène étudié va délibérément au-delà des attentes du programme, avec pour objectif d'encourager les élèves à solliciter l'aide de l'IA et à repousser leurs limites. Pour cet article nous choisissons le défi suivant pour les élèves : "En combinant une approche expérimentale et l'utilisation de l'IA, étudiez avec l'accéléromètre de votre smartphone la mécanique d'un pendule élastique vertical et rédigez une publication scientifique." La publication devra inclure les éléments habituels d'une recherche scientifique : recherche documentaire, manipulation expérimentale, analyse des données, modélisation et rattachement à la théorie, étude et discussion du modèle, applications et communication. Pour faciliter cette manipulation, il est fourni aux élèves un élastique de 40 cm de long qui servira de ressort, ainsi qu'un sac en plastique pour y placer le smartphone. L'exercice peut être réalisé en laboratoire ou en classe, à condition de pouvoir y suspendre les pendules. Pour l'IA, nous utilisons dans cet article ChatGPT, mais toute autre IA donnerait des résultats équivalents et nous encourageons chacun à choisir le sytème de son choix. Ces outils évoluent très rapidement, donc d'autres possibilités que celles décrites peuvent exister. En pratique, les élèves pourront utiliser les ordinateurs de la classe s'ils sont disponibles, ou bien les tablettes et smartphones permettant d'accéder à l'application dédiée ChatGPT. Calibrer l'IA Avant de commencer une étude expérimentale, il faut calibrer ses instruments. Il en va de même avec l'IA. Ce processus s'appelle le prompting . Les prompts sont les instructions ou les questions fournies par l'utilisateur pour guider l'IA dans sa réponse. En d'autres termes, un prompt est le point de départ qui indique à l'IA ce que l'utilisateur souhaite obtenir en termes d'information ou d'aide. On utilise les prompts pour : Orienter les réponses : Un prompt permet à l'IA de comprendre le contexte et l'objectif de la question. Par exemple, un prompt précis et bien formulé aide l'IA à générer une réponse plus pertinente et ciblée. Définir le ton et la structure : Le type de prompt peut indiquer à l'IA le style de réponse attendu (formel, informatif, créatif, concis, etc.). Un prompt demandant une explication simple pour un élève de lycée, par exemple, oriente l'IA vers un ton plus pédagogique et accessible. Spécifier des actions ou des formats : Certains prompts peuvent demander à l'IA de structurer la réponse de manière spécifique (par exemple, sous forme de liste, de paragraphe ou d'exemple pratique). Cela permet de recevoir une réponse qui correspond à un format ou une exigence particulière. Personnaliser les résultats : Les prompts permettent d'adapter la réponse à des besoins spécifiques, comme demander une explication adaptée à un certain niveau de connaissance ou un domaine précis (sciences, histoire, technologie, etc.). Pour commencer un travail avec modèle génératif, il est donc important de rédiger un prompt initial qui définit le contexte, l'objectif de la recherche, le type de réponses que l'on souhaite obtenir, et le niveau de complexité des réponses. Il est essentiel que l'élève et son groupe, avec l'aide de l'enseignant, définissent un ou plusieurs prompts introductifs adaptés à la recherche et au niveau des étudiants. Le risque si cette phase introductive n'est pas suivie est que l'IA donne des résultats trop complexes ou mal adapté au niveau des élèves. En appuyant sur l'onglet > ci-dessous, vous pouvez visualiser le prompt que nous avons utilisé pour la suite de l'exercice. Voir le Dialogue avec ChatGPT Question : Dans la suite, je suis une/une élève de première scientifique et avec mon groupe nous voulons étudier le mouvement vertical d'un pendule attaché à un élastique. Pour cela nous faire une expérience pour recueillir les données fournies par l'accéléromètre du pendule. Nous allons te poser des questions, veille à nous aider mais à te souvenir que nous ne sommes qu'en première et que les réponses doivent être concises et pas trop compliquées. C'est noté ! Je serai là pour vous aider avec des réponses simples et concises. Quelle est votre première question ? Recherche documentaire La recherche documentaire à l'aide de l'intelligence artificielle est l'utilisation la plus simple et commune des modèles génératifs. Cependant, dans le cadre de la méthode d'investigation scientifique, l'IA apporte des atouts pédagogiques importants. L'objectif de la recherche documentaire est de fournir aux élèves les bases théoriques nécessaires pour comprendre le pendule oscillant, en explorant des concepts clés tels que les oscillations, l'amortissement et la modélisation mathématique. Elle les prépare également à utiliser des outils de mesure modernes, comme les capteurs de smartphones, et à poser les bases pour l'analyse et la modélisation des données expérimentales. Enfin, elle encourage une réflexion scientifique structurée avant de passer à la manipulation expérimentale. L'IA est intéressante pédagogiquement dans ce contexte car elle permet un accès rapide à des informations précises et adaptées à leurs questions spécifiques à travers un dialogue interactif. Elle les guide dans leur réflexion en suggérant des pistes pertinentes et en clarifiant des concepts complexes. L'IA personnalise l'apprentissage en s'adaptant au niveau de compréhension des élèves, tout en synthétisant des informations pour leur permettre de se concentrer sur l'essentiel. En facilitant la compréhension et en orientant la recherche, l'IA permet aux élèves de structurer leur démarche scientifique de manière plus fluide et efficace. En ouvrant l'onglet > ci-dessous, vous découvrirez le début d'une conversation entre un élève et une IA, qui a permis à l'élève de circonscrire le sujet et d'obtenir de premières hypothèses sur le modèle mathématique de l'accélération du pendule. Voir le Dialogue avec Chat GPT Question : Pourquoi ce pendule est différent du pendule simple ? Le pendule attaché à un élastique est différent d'un pendule simple car l'élastique peut s'étirer et se contracter. Cela change la longueur du pendule pendant son mouvement, ce qui rend son comportement plus complexe. Dans un pendule simple, la longueur est fixe et le mouvement est régulier, mais avec un élastique, la force varie en fonction de l'étirement, créant un mouvement plus irrégulier et non linéaire. Question : Quels sont les scientifiques qui ont découvert le pendule élastique ? Le concept du  pendule élastique  (ou pendule à ressort) n’a pas de "découverte" attribuée à un seul scientifique, mais est plutôt le résultat d'une évolution des travaux sur les systèmes oscillants et la mécanique des ressorts. Robert Hooke  (1635-1703) est souvent cité comme l'un des premiers à poser les bases théoriques pour comprendre le comportement d'un pendule élastique, grâce à sa  loi de Hooke , (....). Christiaan Huygens  (1629-1695), bien qu'il soit plus connu pour ses travaux sur le pendule simple et l'horloge à pendule, a également influencé l'étude des systèmes oscillants plus complexes, comme le pendule à ressort. Ses travaux sur les oscillations (....) Leonhard Euler  (1707-1783) et  Jean le Rond d'Alembert  (1717-1783) ont contribué à la formulation des équations différentielles utilisées pour modéliser des systèmes comme le pendule élastique. (...) Le  pendule élastique  est donc le résultat de l'application de plusieurs concepts issus des travaux de ces scientifiques sur les forces élastiques et les oscillations. Question : Quelle sont les applications du pendule élastique ? Le  pendule élastique  a plusieurs applications dans divers domaines scientifiques et technologiques : Étude des oscillations et systèmes dynamiques  : Le pendule élastique est utilisé pour étudier les oscillations complexes et les systèmes non linéaires, souvent dans les cours de physique avancée. Il permet de comprendre les forces en jeu lorsque des systèmes oscillants sont soumis à des forces de rappel non constantes, comme dans les ressorts ou les élastiques. Modélisation des vibrations  : Les principes du pendule élastique sont utilisés pour modéliser les vibrations dans de nombreux systèmes mécaniques, comme les suspensions de véhicules, les ponts suspendus, ou les gratte-ciels soumis à des forces sismiques. Applications dans les capteurs  : Les capteurs modernes, comme les accéléromètres dans les smartphones, peuvent être utilisés pour analyser les mouvements du pendule élastique. Médecine et biomécanique  : En biomécanique, les modèles basés sur le pendule élastique sont utilisés pour simuler le mouvement des muscles et des tendons, qui se comportent souvent comme des ressorts lors de mouvements articulaires. Systèmes d'énergie renouvelable  : Le pendule élastique a des applications dans certains systèmes de récupération d'énergie, comme les systèmes qui exploitent l'énergie des vagues ou des marées. Ces exemples montrent comment un concept relativement simple peut être appliqué à une grande variété de domaines pour modéliser des phénomènes complexes. Question : Y-a-t-il des articles scientifiques qui explorent l'étude des pendules avec un élastique et un smartphone ? Oui, il existe des articles scientifiques qui explorent l'utilisation des smartphones pour étudier le mouvement des pendules élastiques. Par exemple, plusieurs études ont utilisé l'accéléromètre d'un smartphone pour analyser les phénomènes liés au pendule, y compris des versions avec ressorts ou élastiques. Une étude intéressante a utilisé des smartphones fixés à des ressorts pour mesurer les oscillations et obtenir des données de mouvement, qui ont ensuite été exportées vers des logiciels comme Excel pour analyse plus approfondie. Ils ont pu déterminer des paramètres importants comme la constante du ressort et la fréquence des oscillations. Un autre article a même introduit l'usage des capteurs LiDAR présents dans certains smartphones pour des mesures de distance précises, en complément des données fournies par l'accéléromètre, améliorant ainsi la précision des résultats pour l'étude des pendules à ressorts et élastiques. Cela permet une meilleure compréhension des oscillations amorties et des phénomènes dynamiques associés​ Question : Quelle est l'équation mathématique de l'accélération en fonction du temps ? Question : Quelles autres questions devrais-je te poser pour faire une recherche documentaire complète ? Pour mener une  recherche documentaire complète  sur le pendule élastique, voici quelques questions supplémentaires à poser, qui te permettront d’approfondir différents aspects du sujet : Historique du pendule élastique  : Quels sont les premiers travaux historiques sur le pendule élastique et comment ont-ils influencé la physique moderne ? Comment le pendule élastique a-t-il été utilisé dans l'histoire des sciences ? Aspects théoriques et mathématiques  : Quelles sont les principales équations différentielles associées aux mouvements d'un pendule élastique ? Quelles sont les différences entre le comportement linéaire et non linéaire du pendule élastique ? Comment la loi de Hooke s'applique-t-elle au mouvement du pendule élastique ? Comparaison avec d’autres systèmes oscillants  : Quelles sont les différences entre un pendule simple, un pendule conique, et un pendule élastique ? Quelles sont les similitudes et différences entre un pendule élastique et d’autres systèmes oscillants, comme un oscillateur harmonique simple ? Applications modernes  : Comment les principes du pendule élastique sont-ils utilisés dans la conception de structures architecturales (ex : ponts, bâtiments) pour absorber les vibrations ? Quelles sont les applications du pendule élastique dans le domaine médical, par exemple dans l’étude du mouvement des muscles et tendons ? Comment les smartphones et leurs capteurs (accéléromètres, LiDAR) sont-ils utilisés pour étudier le mouvement des pendules élastiques ? Expériences pratiques  : Quelles expériences simples peut-on réaliser pour étudier un pendule élastique, avec des outils comme un smartphone ? Comment analyser les données d’accélération et de mouvement obtenues par un smartphone attaché à un pendule élastique ? Modélisation et simulation  : Quels logiciels sont utilisés pour modéliser le mouvement d’un pendule élastique ? Quelles sont les méthodes numériques utilisées pour simuler les oscillations d’un pendule élastique ? Problèmes ouverts et recherches actuelles  : Quels sont les défis actuels dans l'étude des pendules élastiques, notamment en mécanique non linéaire ? Quelles recherches sont menées actuellement pour mieux comprendre les phénomènes liés aux pendules élastiques ? Ces questions t'aideront à explorer les différents aspects théoriques, historiques, et pratiques du sujet, tout en couvrant les applications modernes et les recherches actuelles. Manipulation expérimentale Une fois la recherche documentaire terminée, l'élève et son groupe passent aux manipulations expérimentales. Pour réussir cette phase, plusieurs éléments doivent être réunis : comment mettre en place le dispositif expérimental, les règles de sécurité à suivre, enregistrer les données et les exporter pour analyse. Ces aspects peuvent être soumis à l'IA pour obtenir des suggestions, ajustées en fonction du contexte de l'expérience. Nous proposons ci-dessous plusieurs questions que l'élève pourra poser à l'IA. Il est important de noter que l'IA n'est pas toujours la solution idéale, ce qui constitue un apprentissage précieux pour les élèves. Par exemple, les explications fournies par l'IA sur le dispositif expérimental peuvent manquer de précision. Dans ce cas, l'élève devra expérimenter pour trouver une solution simple et efficace par lui-même. De plus, l'IA, comme ChatGPT, ne connaît pas toujours certaines spécificités techniques, comme l'existence d'une mesure directe de la norme sur FizziQ, que les élèves découvriront en cours de route. Pour visualiser la discussion avec l'IA, appuyez sur l'onglet > ci-dessous. Voir le Dialogue avec ChatGPT Question : Y-a-t-il un risque à faire cette expérience ? Faire des expériences avec un pendule élastique est généralement sûr, mais comme avec toute expérience impliquant des mouvements physiques et des forces, il y a quelques précautions à prendre pour minimiser les risques : Chute de l'objet : Assurez-vous que l'objet attaché à l'élastique (dans ce cas, un smartphone) est bien sécurisé. Une fixation lâche pourrait entraîner la chute de l'objet, ce qui pourrait l'endommager ou blesser quelqu'un se trouvant en dessous. Rupture de l'élastique : Si l'élastique n'est pas conçu pour supporter le poids ou la tension exercée, il pourrait se rompre. Utilisez un élastique adapté à la masse de l'objet et à l'amplitude des oscillations envisagées. Impact avec l'environnement : L'objet en oscillation pourrait entrer en collision avec d'autres objets ou personnes à proximité. Assurez-vous de dégager suffisamment d'espace autour de la zone d'expérimentation. Réactions inattendues : Dans le cas d'élastiques très extensibles ou de systèmes sous forte tension, les mouvements pourraient être plus violents ou imprévisibles que prévu. Testez toujours dans un environnement contrôlé avant d'augmenter la masse ou la tension. Question : Comment fixer le smartphone à l'élastique pour améliorer les mesures ? Il est important de fixer le smartphone solidement et de manière symétrique au ressort ou à l’élastique pour éviter toute interférence. Voici quelques conseils : Position centrale : Fixe le smartphone en son centre de gravité pour garantir que son poids soit réparti uniformément, ce qui minimisera les oscillations parasites. Utilise des attaches souples mais sécurisées (comme des élastiques supplémentaires ou des bandes de velcro) pour ne pas gêner le mouvement vertical du pendule. Fixation rigide : Veille à ce que le smartphone soit bien maintenu dans l’axe du ressort sans qu’il puisse glisser ou se balancer latéralement, car cela pourrait introduire des mouvements indésirables. Orientation : Positionne le smartphone de manière à ce que l’axe de l’accéléromètre le plus pertinent soit aligné avec l’axe vertical du mouvement (généralement l'axe z dans les smartphones), pour une mesure précise des accélérations verticales. Quel est le meilleur smartphone pour effectuer ces mesures d'accélérations ? Pour des mesures d'accélération précises, il est recommandé d'utiliser un smartphone équipé de capteurs d’accéléromètre et de gyroscope de haute qualité. Les modèles récents de smartphones tels que ceux de la gamme iPhone (iPhone 12 et versions ultérieures) ou Samsung Galaxy (S20, S21 et versions ultérieures) offrent une excellente précision pour la collecte de données. Ces appareils possèdent des capteurs de mouvements très sensibles et calibrés avec soin. De plus, ils sont compatibles avec des applications scientifiques comme FizziQ et Phyphox , qui permettent d’accéder facilement aux données des capteurs. Question : Quelle application est la mieux pour réaliser les mesures ? Les deux meilleures applications pour réaliser ces mesures sont FizziQ et Phyphox : FizziQ : Développée spécifiquement pour l'enseignement scientifique, FizziQ permet de mesurer et d'enregistrer des données de capteurs de manière intuitive. Elle offre des outils pour visualiser les graphiques et interpréter les données directement via l'interface. Elle est particulièrement bien adaptée pour des expériences pédagogiques, avec une interface utilisateur claire et simple. Phyphox : Cette application est également très populaire pour les mesures scientifiques. Elle donne un accès direct aux capteurs du smartphone et propose une large gamme d'outils d'analyse, avec la possibilité de configurer des expériences complexes et de personnaliser les paramètres des capteurs. Phyphox est très flexible et propose des visualisations des données en temps réel. Question : Quelle mesure je dois utiliser sur FizziQ si je veux mesurer la norme de l'accélération sur le smartphone ? Sur FizziQ , si tu veux mesurer la norme de l'accélération sur le smartphone (c'est-à-dire l'accélération totale combinant les axes xx, yy, et zz), tu dois utiliser les mesures provenant du capteur d'accéléromètre . Bien que FizziQ n'ait peut-être pas une option explicite pour calculer directement la norme, voici comment procéder : Sélectionner le capteur "Accéléromètre" : Accède à l'application FizziQ et sélectionne le capteur Accéléromètre . Ce capteur te fournira les données d'accélération sur les trois axes xx, yy, et zz. Exporter les données ou calculer manuellement : Si FizziQ ne propose pas de mesure directe de la norme (accélération totale), tu peux exporter les données des trois axes xx, yy, et zz au format CSV. Utilise ensuite un logiciel comme Excel pour calculer la norme de l'accélération à l'aide de la formule suivante :aglobal=ax2+ay2+az2aglobal​=ax2​+ay2​+az2​​ Cela te permettra d'obtenir la norme de l'accélération en combinant les trois axes. Vérifier les paramètres dans FizziQ : Il est possible que certaines versions ou configurations de FizziQ offrent une option pour afficher directement la norme de l'accélération dans l'interface graphique. Si cette option est disponible, tu n’auras pas besoin de faire le calcul manuellement. Question : Comment exporter les données avec FizziQ ? Avec FizziQ , l'exportation des données est simple et rapide : Après avoir réalisé une mesure, les données sont visualisées dans l'application sous forme de graphique. Pour exporter les données, il suffit de cliquer sur l'option "Exporter les données" (ou une icône dédiée). L'application propose plusieurs formats d'exportation, notamment le CSV (format texte de données tabulaires). Tu peux envoyer ces données par email directement depuis l'application, ou les sauvegarder dans un espace de stockage sur ton smartphone (par exemple Google Drive ou Dropbox). Ensuite, tu peux ouvrir le fichier CSV dans un logiciel comme Excel ou Google Sheets pour analyser les données plus en détail. Après avoir vérifié que le graphique généré présente suffisamment d'oscillations, les données sont exportées dans un fichier CSV. La phase expérimentale est donc achevée, nous pouvons maintenant revenir à l'utilisation de l'IA pour analyser les données ! Analyse de données L'analyse des données vise à examiner les informations expérimentales enregistrées pour en extraire les éléments clés et tirer des conclusions sur les caractéristiques physiques du mouvement observé. Cette démarche comprend la suppression des segments inutiles pour nettoyer les données, le lissage des données pour réduire le bruit, et l'identification de caractéristiques telles que la période du mouvement ou l'amortissement des oscillations. Les modèles génératifs modernes permettent non seulement une analyse approfondie graphique ou statistique, mais aussi un retraitement direct des données grâce à une interface en langage naturel, plus intuitif pour l'élève. L'élève peut bien sûr demander de l'aide pour réaliser ces operations ou comprendre leur utilité. Rapidement, l'élève pourra ainsi : Visualiser les données : Pour obtenir une représentation graphique qui facilite la compréhension des tendances. Nettoyer les données : En éliminant les anomalies ou les valeurs extrêmes qui pourraient fausser l'analyse. Lisser les données : Pour atténuer les fluctuations aléatoires et mieux voir les tendances principales. Calculer et interpréter les caractéristiques : Comme déterminer la période des oscillations et évaluer l'efficacité de l'amortissement. Exporter les données : Pour les utiliser dans d'autres logiciels ou les partager. Dans notre dialogue ci-dessous, nous avons analysé et nettoyé les données provenant du tableau exporté dans la partie expérimentale. Cette analyse a révélé des aspects importants du comportement de l'accélération au cours du temps et permis de détecter des invariants dans le mouvement. Ouvrez l'onglet > pour découvrir le dialogue entre l'élève et l'IA Vois le Dialogue avec ChatGPT Question : Fais le graphique des données jointes en fichier CSV Voici le graphique de l'accélération absolue au cours du temps, basé sur les données que vous avez fournies. Ce tracé montre les fluctuations de l'accélération absolue. Si vous souhaitez apporter des modifications ou si vous avez besoin d'autres analyses, dites-le moi ! Question : Dans ce graphique enlève les données avant le point le plus bas et après 10 s Voici le graphique de l'accélération absolue filtré pour afficher les données entre environ 2,3 secondes et 10 secondes. Cela vous montre les fluctuations de l'accélération pendant cette période spécifique. Si vous avez besoin de plus d'ajustements ou de d'autres analyses, n'hésitez pas à demander. Question : Lisse les données pour que je puisse mieux observer le phénomène Question : Quelle est la période du phénomène ? Après avoir lissé les données et calculé les périodes entre les pics et les creux, la période moyenne du phénomène, sur les données lissées, est d'environ 0.69 secondes. Ce calcul est basé à la fois sur les pics et les creux, qui donnent des valeurs très proches, confirmant la régularité du phénomène observé. Si vous avez d'autres questions ou besoin d'analyses supplémentaires, je suis là pour vous aider ! Question : La période est-elle stable ? La période moyenne est d'environ 0,69 secondes, avec un écart-type de 0,015 secondes. Cela indique que la période est relativement stable, avec de petites variations autour de la moyenne. Les fluctuations sont minimes, suggérant que le phénomène observé est régulier. Si vous avez besoin de plus de détails ou d'une analyse supplémentaire, n'hésitez pas à me le dire ! ​ Question : Peux tu étudier l'amortissement des oscillations ? Pour caractériser l'amortissement de l'amplitude des oscillations de manière plus quantitative, nous pouvons utiliser une approche de régression pour estimer comment l'amplitude des pics diminue avec le temps. Une approche courante consiste à ajuster une fonction exponentielle de décroissance, typiquement utilisée pour modéliser l'amortissement dans les systèmes oscillants. Je vais ajuster un modèle exponentiel aux amplitudes des pics et vous montrer les résultats. L'ajustement de la décroissance exponentielle sur les amplitudes des pics montre effectivement un amortissement des oscillations. Les paramètres de l'ajustement sont les suivants : A≈15.04A≈15.04 : amplitude initiale. B≈0.273B≈0.273 : taux de décroissance. C≈9.99C≈9.99 : valeur asymptotique vers laquelle l'amplitude tend. La courbe rouge sur le graphique représente l'ajustement de la décroissance exponentielle, et il est clair que les amplitudes des pics diminuent avec le temps, indiquant un amortissement notable des oscillations. Exporte les données lissées dans un tableau Les données lissées ont été exportées dans un tableau Excel. Tu peux les télécharger en suivant ce lien : Télécharger le fichier Excel. Si tu as besoin d'autres ajustements, n'hésite pas à demander ! Modélisation Dans le raisonnement scientifique, la relation entre théorie, modèle et données peut s'articuler de plusieurs manières, chacune reflétant une approche différente de la recherche. Une méthode directe consiste à partir de la théorie et à vérifier que les données expérimentales confirment les équations mathématiques qui en découlent. Il est également possible de construire un modèle mathématique qui semble bien expliquer les données, afin de guider la réflexion théorique dans une direction spécifique. Ces deux approches peuvent être facilitées par l'utilisation de l'intelligence artificielle. Dans notre exemple, lors de leur recherche documentaire, les élèves ont été orientés vers une évolution périodique sinusoïdale de l'accélération. En analysant les courbes, ils ont également observé que, bien que cette évolution soit périodique, l'amplitude des oscillations semble diminuer avec le temps. Ces observations sont transmises à l'IA pour tenter de déterminer un modèle qui explique les données, et obtenir des indications sur les raisons théoriques expliquant ce modèle. Pour visualiser la discussion avec l'IA, ouvrez l'onglet > ci-dessous. Voir la Discussion avec ChatGPT Question : Utilise les données lissées et essaie de voir si le modèle mathématique que tu as cité permet d'expliquer ces données ? Pour vérifier si le modèle que j'ai mentionné (basé sur un pendule élastique) peut expliquer ces données, nous allons comparer les données expérimentales à un modèle d'accélération théorique, en tenant compte de l'équation du mouvement du pendule élastique. Je vais ajuster un modèle théorique à tes données et vérifier comment ils correspondent. Je vais d'abord essayer d'ajuster une fonction basée sur une oscillation avec amortissement, typique d'un pendule élastique, et voir comment elle se compare à tes mesures. Le modèle d'oscillation amortie ajusté aux données expérimentales donne les paramètres suivants : Amplitude (A)  : 15.78 Facteur d'amortissement (gamma)  : 0.26 Fréquence angulaire (omega)  : 9.09 rad/s Phase initiale (phi)  : -8.23 rad Décalage vertical (offset)  : 9.83 Le graphique montre une bonne correspondance entre les données mesurées et le modèle théorique, ce qui suggère que le mouvement observé peut être bien décrit par une oscillation amortie, typique d'un pendule élastique. Si tu souhaites explorer plus en détail les données ou modifier le modèle, fais-le-moi savoir ! Question : Ca a l'air de bien coller, non ? Oui, le modèle d'oscillation amortie semble bien correspondre aux données mesurées, ce qui indique que le comportement du pendule élastique que vous avez observé suit effectivement une dynamique d'oscillation avec amortissement. Cela signifie que les forces en jeu, comme l'étirement de l'élastique et l'amortissement dû aux frottements ou à la dissipation d'énergie, sont bien prises en compte par ce modèle. Si vous souhaitez approfondir ou tester d'autres modèles ou scénarios, n'hésitez pas à poser d'autres questions ! Question : Comment est ce que je peux expliquer cette équation de l'accélération simplement ? Pour expliquer l'équation de l'accélération du  pendule élastique  de manière simple, on peut dire : Amplitude (A)  : C’est la force initiale ou l’étendue du mouvement. Plus l'amplitude est grande, plus le pendule bouge vite au début. Facteur d'amortissement (γ)  : C’est la diminution progressive de la vitesse du pendule à cause des frottements ou de la résistance. Cela fait que les oscillations deviennent de plus en plus petites avec le temps. Fréquence angulaire (ω)  : C’est la vitesse à laquelle le pendule oscille. Elle dépend de la raideur de l’élastique et de la masse du pendule. Phase (ϕ)  : C’est la position de départ du pendule dans son mouvement. Cela affecte où il se trouve au moment où on commence à observer. Décalage (offset)  : C’est la valeur de base autour de laquelle l’oscillation se fait. Ici, ça peut être une sorte de "niveau de base" d'accélération. En résumé, cette équation dit que l’accélération du pendule diminue au fil du temps à cause de l’amortissement, tout en oscillant autour d’une position centrale, en suivant un mouvement qui ralentit progressivement. Question : J'ai du mal à comprendre, je suis un élève de première, peux-tu mieux expliquer pourquoi l'accélération suit une telle fonction mathématique ? Nous voyons à travers ces échanges que l'IA peut s'adapter au niveau de la personne avec laquelle elle échange. Pour un élève de première, l'explication est beaucoup plus claire. Elle peut être encore plus simple si nécessaire. Etude du modèle L'étude du modèle a pour objectif d'analyser le comportement du modèle théorique déterminé. Dans le contexte de notre étude, l'élève cherche à comprendre comment différents paramètres du système – tels que l'amortissement ou l'élasticité d'un élastique – influencent les oscillations d'un pendule élastique . Certains de ces paramètres ne pourront être découverts qu'après plusieurs allers-retours dans le questionnement, un processus qui participe à l'apprentissage de l'élève. Cette étude nécessite souvent la création d'un programme informatique pour générer des courbes et faciliter l'exploration des variations de paramètres. L'IA est un excellent assistant en programmation et peut aider l'élève dans ce processus de création. L'outil peut également réaliser ces analyses en ligne, en utilisant un langage naturel. Pour découvrir l'échange entre l'élève et l'IA, ouvrez la boîte de dialogue > ci-dessous : Voir la Dialogue avec ChatGPT Question : En utilisant le modèle, trace les courbes pendant 10 secondes entre un élastique ayant les même caractéristiques que notre élastique, un élastique sans amortissement et un élastique avec le double amortissement Voici la simulation étendue pour 20 secondes, montrant les comportements des trois types d'élastiques : Rouge (Modèle amorti étendu)  : Montre une diminution continue de l'amplitude des oscillations due à l'amortissement. Vert (Modèle idéal sans amortissement étendu)  : Présente des oscillations constantes en amplitude, indiquant un mouvement perpétuel sans perte d'énergie. Violet (Modèle avec le double d'amortissement étendu)  : L'amplitude des oscillations diminue plus rapidement que dans le modèle d'amortissement standard, illustrant l'effet d'un amortissement plus fort sur la rapidité avec laquelle l'énergie du système est dissipée. Cette visualisation aide à comprendre les différences fondamentales entre un système avec et sans amortissement, et comment l'augmentation de l'amortissement impacte le mouvement d'un pendule élastique sur une période prolongée. ​ Question : trace à présent les courbes entre un élastique très peu extensible et un très extensible et le notre Voici les courbes pour trois différents niveaux d'extensibilité de l'élastique : Bleu (Élasticité normale)  : C'est notre modèle de référence qui montre une oscillation avec un amortissement standard. Vert (Moins extensible)  : Ce modèle représente un élastique moins extensible (plus rigide). Les oscillations sont plus rapides en raison d'une fréquence angulaire plus élevée, ce qui indique une plus grande raideur. Rouge (Plus extensible)  : Ici, l'élastique est plus extensible (moins rigide), donc les oscillations sont plus lentes avec une fréquence angulaire réduite, reflétant une raideur moindre. Ces courbes illustrent bien comment la raideur de l'élastique influence la dynamique du système, affectant la fréquence des oscillations. Un élastique plus rigide réagit plus rapidement, tandis qu'un plus souple montre des oscillations plus étendues dans le temps. Question : Je vois que la période change, quelle est l'influence de l'élasticité de l'élastique sur la période ? La période d'oscillation d'un pendule élastique est directement influencée par l'élasticité (ou raideur) de l'élastique utilisé. Cette relation est définie par les propriétés physiques de l'élastique, particulièrement par la constante de raideur du ressort kk et la masse mm suspendue. Voici comment l'élasticité affecte la période d'un pendule élastique : Constante de Raideur (k)  : La constante de raideur kk d'un ressort mesure combien le ressort est difficile à étirer ou comprimer. Plus kk est élevé, plus le ressort est rigide. Masse (m)  : La masse suspendue au ressort affecte aussi la période des oscillations. Plus la masse est lourde, plus la période des oscillations est longue, car il faut plus de temps pour que le ressort étire ou comprime sous l'effet de cette masse. Formule de la Période  : La période TT des oscillations pour un pendule élastique (système masse-ressort) est donnée par la formule : T=2π √ (m/k) Cette formule montre que la période est proportionnelle à la racine carrée de la masse et inversement proportionnelle à la racine carrée de la constante de raideur. Plus Extensible  : Si l'élastique est plus extensible (moins rigide, donc kk plus petit), cela augmente la période des oscillations, car le système est moins prompt à revenir à sa position d'équilibre. Moins Extensible  : Si l'élastique est moins extensible (plus rigide, donc kk plus grand), cela diminue la période des oscillations, car le système revient plus rapidement à sa position d'équilibre. En résumé, plus l'élastique est rigide, plus la période des oscillations est courte, et inversement, plus l'élastique est souple, plus la période est longue. Cette relation est cruciale pour comprendre comment les différents types de ressorts ou d'élastiques influencent le mouvement dans des applications pratiques, comme dans les amortisseurs ou les systèmes de suspension. Question : Pour pouvoir faire ces calculs seul, peux tu écrire un programme python qui me permet d'entrer les paramètres du modèle et d'obtenir une courbe de l'évolution de l'accélération sur 10 secondes ? Communication La rédaction d'un document de recherche est probablement la partie la mieux connue des applications des modèles génératif. L'IA peut aider un élève à rédiger un document de recherche bien structuré, cohérent, et adapté au public visé, en offrant un soutien tout au long du processus d'écriture. 1. Structuration du document 2. Clarté et fluidité 3. Conseils sur l'adaptation au public 4. Rappel des éléments à ne pas oublier 5. Cohérence dans l'argumentation et le raisonnement scientifique 6. Vérification finale et relecture Liste de questions à ChatGPT Structuration du document : "Peux-tu me proposer une structure complète et logique pour mon document de recherche scientifique ?" Introduction : "Comment puis-je rédiger une introduction claire qui présente mon sujet de recherche et mes hypothèses de départ ?" Clarté et fluidité : "Peux-tu reformuler ce passage pour le rendre plus clair et plus facile à comprendre pour un public de première scientifique ?" Explication des résultats : "Comment puis-je expliquer simplement les résultats de mon expérience tout en restant précis scientifiquement ?" Adaptation au public : "Comment puis-je adapter la complexité de mes explications pour un public d'élèves de première ?" Discussion des résultats : "Quels points dois-je inclure dans la discussion pour bien relier mes résultats à la théorie étudiée ?" Rappel des éléments importants : "Ai-je oublié des étapes importantes dans ma démarche scientifique que je devrais inclure dans le document ?" Cohérence de l'argumentation : "Est-ce que mes hypothèses, mes résultats et ma conclusion sont bien connectés de manière cohérente ?" Amélioration de la conclusion : "Comment puis-je améliorer la conclusion pour qu'elle résume bien mes découvertes et souligne leur importance scientifique ?" Vérification finale et relecture : "Peux-tu relire l'ensemble du document pour corriger les fautes et améliorer le style ?" Partage Les élèves seront probablement intéressés par un autre aspect de la recherche qui est sa diffusion. L'IA peut grandement faciliter la diffusion d'un document de recherche et optimiser sa visibilité en ligne grâce à des techniques de SEO (Search Engine Optimization). L'IA pourra guider l'élève pour ces différentes tâches : Optimisation SEO : L'IA suggère des mots-clés pertinents, rédige des balises titre et méta-descriptions optimisées, et vérifie la densité des mots-clés pour améliorer le référencement sur Google. Création de titres et sous-titres : Elle reformule les titres et sous-titres pour les rendre plus accrocheurs et optimisés pour le SEO. Rédaction de résumés : L'IA produit des résumés percutants et adaptés pour les réseaux sociaux ou newsletters, attirant ainsi les lecteurs. Contenus pour réseaux sociaux : Elle génère des posts spécifiques pour chaque plateforme (Twitter, LinkedIn, Facebook), assurant une diffusion optimale. Cette partie du travail permet également à l'élève de réfléchir sur la manière dont les moteurs de recherche donnent leurs réponses. Liste de question à ChatGPT Recherche sur Google : "Comment est ce que Google choisit quels sites afficher à la suite d'une question ?" "Comment améliorer la visibilité en ligne de mon article sur Google ?" Choix des mots-clés pertinents : "Quels mots-clés devrais-je utiliser pour optimiser mon article sur les moteurs de recherche ?" Optimisation des balises SEO : "Peux-tu proposer une balise titre (moins 70 caractères )et une méta-description (moins de 300 caractères) pour mon article ?" "Comment rédiger une bonne méta-description pour que mon article attire plus de clics sur Google ?" Création de titres et sous-titres attractifs : "Comment puis-je rendre mes titres plus percutants pour les lecteurs et les moteurs de recherche ?" Rédaction de résumés et d'abstracts : "Comment écrire un résumé qui attire l'attention ?" Création de contenus pour les réseaux sociaux : "Peux-tu rédiger un post pour Twitter et Facebook pour promouvoir mon article ?" Vérification finale du SEO : "Est-ce que mon article est bien optimisé pour apparaître dans les résultats de recherche ?" Optimisation du contenu pour différents publics : "Comment puis-je adapter mon texte pour différents publics ?" Conclusion Dans cet article, nous avons proposé une approche à la fois pratique et motivante pour initier les élèves aux vastes possibilités offertes par les modèles génératifs, en intégrant l'intelligence artificielle (IA) dans des Travaux Pratiques (TP) scientifiques. Bien que partant d'une expérience et de données réalisées par nos équipes, le dialogue entre l'élève et l'IA est imaginaire. Nous encourageons les enseignants à conduire leur propre investigation en réalisant cette expérience en classe. Nous sommes ouverts à vos retours sur cette expérience. L'IA ne doit pas être vue comme une solution ni comme une panacée ni comme une menace, mais plutôt comme un catalyseur de réflexion et d'innovation. Elle aide les élèves non seulement à maîtriser les sciences, mais aussi à développer des compétences numériques essentielles pour le XXIe siècle. Le défi consiste désormais à trouver un équilibre entre l'exploitation de cette technologie prometteuse et le maintien de l'autonomie intellectuelle des apprenants, afin de former des esprits critiques capables d'utiliser ces outils de manière éclairée et responsable.

Savez-vous qu'avec un simple smartphone, il est possible de reproduire les expériences de grandes figures de la science ? Dans cet article, nous vous proposons de réaliser 12 expériences conçues par des scientifiques de renom tels que Pythagore, Robert Boyle ou Albert Einstein. Ces expériences, accessibles à tous, ne nécessitent pas d'appareillage complexe. Êtes-vous prêts à découvrir le travail de nos prédécesseurs et à vous immerger dans des découvertes scientifiques fascinantes ? Préparez vos smartphones ! Table des matières Pythagore et l'invention de la gamme - Galilée et le pendule - Toricelli et l'écoulement de l'eau - Newton et la gravitation - Leibniz et la conservation de l'énergie - Boyle et les ondes sonores - Einstein et l'expérience de pensée de l'ascenceur - Doppler et l'effet Doppler - Nollet et la mesure de la vitesse du son - Young et la théorie des couleurs - Delambre et la mesure du méridien - Von Helmotz et le résonateur Pythagore et l'invention de la gamme Un jour, en se promenant près d'une forge, on raconte que Pythagore fut frappé par les sons harmonieux produits par les marteaux frappant l'enclume. Intrigué, il remarqua que la hauteur des sons dépendait de la taille et du poids des marteaux. Il mena alors des expériences en suspendant différents poids à des cordes et en les frappant, découvrant que des rapports de poids spécifiques produisaient des sons harmonieux. Pythagore identifia trois intervalles musicaux fondamentaux : l'octave (rapport 1:2), la quinte (rapport 2:3) et la quarte (rapport 3:4). Ces intervalles formèrent la base de la gamme diatonique pythagoricienne. Pythagore, l'un des plus grands génies de la Grèce antique (570-495 av. J.-C.), était mathématicien, philosophe, musicien et mystique. Fondateur du mouvement pythagoricien, il mettait l'accent sur les mathématiques, la musique et l'harmonie universelle. Ses contributions incluent le célèbre théorème de Pythagore, et son intérêt pour la musique l'a conduit à explorer les intervalles musicaux et le concept de "l'harmonie des sphères". Pour faire une analyse semblable à celle de Pythagore et retrouver ses intuitions, nous vous proposons d'utiliser le synthétiseur de sons de l'application et de déterminer expérimentalement les accords de fréquences qui vous paraissent harmonieux. Essayez par exemple, en choisissant une fréquence de base de 600 hertz, puis en ajoutant une deuxième voie, identifiez les accords "harmoniques". Sont-ils ceux trouvés par Pythagore ? Les intervalles de Pythagore sonnent-ils différemment des autres accords ? Analysez ces accords avec l'oscilloscope de l'application pour comprendre pourquoi ils sont agréables à l'oreille. Pour en savoir plus sur les ondes sonores et les accords harmoniques, vous pouvez consulter notre article : Peut-on voir un son ? Galilée et le pendule Tout le monde connaît l'anecdote de Galilée et la chute des poids du haut de la tour de Pise, une structure penchée faisant partie de l'ensemble architectural de la cathédrale de Pise, chef-d'œuvre de l'architecture romane construite entre le XIe et le XIIe siècle. Une autre anecdote moins connue se déroule à l'intérieur de cette cathédrale. Alors qu'il était étudiant en médecine à l'université, Galilée remarqua une lampe suspendue se balançant durant un office religieux. Intrigué par le mouvement régulier de la lampe, il utilisa son pouls pour mesurer le temps entre les oscillations et constata que, quelle que soit l'amplitude du balancement, la période des oscillations restait remarquablement constante. Cette observation marqua le début de ses expériences avec des pendules, contribuant de manière significative à la physique classique, notamment à la mesure précise du temps et à l'élaboration de la théorie de la mécanique. Cent ans plus tard, Christian Huyghens confirmera l'hypothèse de Galilée et donnera une modélisation du pendule simple dont la période des oscillations ne dépend que de la longueur du fil et de la gravité. Pour des petites oscillations : T = 2π * √ (l/g) où T est la période en secondes, l est la longueur du fil en mètres et g est l'accélération due à la gravité en mètres par seconde carré. Vous pouvez montrer expérimentalement cette relation avec un smartphone. Fixez un crochet au plafond et attachez une longue corde avec un smartphone au bout, fixé dans une pochette en plastique, puis faites-le osciller. La période peut être mesurée de multiples manières grâce aux capteurs des smartphones, par exemple en mesurant l'accélération, les variations du champ magnétique par rapport à un aimant sur le sol ou la luminosité en placant le smartphone sur le sol et au bout du pendule une boule qui cache le détecteur. Si vous disposez d'un pendule de Newton, vérifiez la régularité des oscillations en mesurant le temps entre les chocs grâce à la mesure du niveau sonore. Pour en savoir plus, vous pouvez découvrir toutes les expériences que nous proposons sur le thème du pendule avec un smartphone : Activités sur le pendule. Toricelli et l'écoulement de l'eau Evangelista Torricelli (1608-1647) était un mathématicien et physicien italien, principalement connu pour son invention du baromètre à mercure. Élève de Galileo Galilei, Torricelli a poursuivi ses travaux sur la pression atmosphérique et les fluides, développant des principes fondamentaux de la dynamique des fluides. À l'époque, les scientifiques ne comprenaient pas pourquoi les pompes à eau ne pouvaient pas soulever l'eau au-delà de 10 mètres. Torricelli a émis l'hypothèse que la pression de l'air exercée sur l'eau de la cuve fait équilibre à la colonne d'eau. Pour tester cette idée, il a rempli un tube de mercure, plus dense que l'eau, et l'a inversé dans un bassin de mercure. Une colonne de mercure de 76 cm est restée, créant le vide dans la partie supérieure, et était équivalent à une colonne d'eau de 10 m en tenant compte de la densité du mercure (13,6). Cette expérience a prouvé l'existence de la pression atmosphérique et du vide, posant ainsi les bases de la météorologie moderne et de la physique des fluides. Une autre contribution du scientifique est la loi de Torricelli, qui explique que la vitesse d'écoulement d'un fluide par un orifice sous un réservoir est proportionnelle à la racine carrée de la hauteur du fluide au-dessus de l'orifice. La loi de Torricelli stipule que la vitesse d'écoulement d'un fluide par un orifice sous un réservoir est proportionnelle à la racine carrée de la hauteur du fluide au-dessus de l'orifice. Formellement, la vitesse v est donnée par v= √( 2gh)​, où g est l'accélération de la pesanteur et h est la hauteur de la colonne de fluide. Cette loi découle des principes de conservation de l'énergie et de la dynamique des fluides, illustrant comment la pression et la hauteur influencent le débit d'écoulement. Pour reproduire cette expérience, on peut réaliser l'expérience simple suivante : choisissez une bouteille d'eau et percez un trou près de son fond. Filmez ensuite la bouteille avec un smartphone pendant qu'elle se vide. Cette vidéo peut être analysée grâce à l'analyse cinématique pour observer la relation entre la hauteur de l'eau et la vitesse d'écoulement. Newton et la gravitation La découverte de la gravitation par Isaac Newton est l'une des légendes les plus célèbres de l'histoire de la science, souvent embellie par l'anecdote de la pomme tombant d'un arbre. Bien que cette histoire soit populaire, la véritable manière dont Newton a formulé sa théorie de la gravitation universelle est plus complexe et repose sur des années de recherches et d'observations minutieuses. Vers le milieu des années 1660, Newton était déjà profondément engagé dans l'étude de la physique et des mathématiques à l'Université de Cambridge. Lorsqu'une épidémie de peste força l'université à fermer en 1665, Newton retourna à Woolsthorpe, sa ville natale. C'est durant cette période de retraite forcée, connue comme son "annus mirabilis" ou année miraculeuse, qu'il commença à développer ses idées révolutionnaires en physique. La fameuse histoire de la pomme suggère que Newton fut inspiré à formuler sa théorie de la gravitation après avoir vu une pomme tomber d'un arbre. Selon des récits rapportés par William Stukeley, un ami de Newton, et John Conduitt, son beau-fils, Newton leur a raconté que l'incident de la pomme l'avait fait réfléchir à la nature de la force qui faisait tomber la pomme perpendiculairement au sol. Cependant, la vraie percée de Newton ne fut pas simplement de réaliser que les objets tombent vers la Terre, mais plutôt de généraliser cette attraction pour comprendre que tous les corps dans l'univers s'attirent mutuellement. Newton commença à penser que la même force qui faisait tomber la pomme était aussi responsable du maintien des planètes en orbite autour du Soleil. Il formula sa loi de la gravitation universelle, qui stipule que chaque particule de matière dans l'univers attire chaque autre particule avec une force directement proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance entre leurs centres. Ces travaux furent publiés en 1687 dans son œuvre majeure, les "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica" (Principes mathématiques de la philosophie naturelle), qui établissent les fondements de la mécanique classique. Pour mieux comprendre la gravité, on peut laisser tomber son smartphone à la place de la pomme. Une telle expérience permettra de faire rapidement une estimation de g en mesurant la durée de la chute d'une certaine hauteur. Bien sûr, il faut s'assurer que le smartphone tombe sur une surface molle et mesurer précisément la hauteur et le temps écoulé lors de la chute. Suivez le protocole d'activité suivant qui décrit la marche à suivre : Mesure de g . Leibniz et la conservation de l'énergie Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716) était un polymathe allemand, reconnu pour ses contributions significatives à la philosophie, aux mathématiques, à la logique, à la théologie et aux sciences. Né à Leipzig dans une famille de juristes, Leibniz montra dès son jeune âge une intelligence remarquable et une curiosité insatiable pour divers domaines du savoir. Polyglotte, il maîtrisait plusieurs langues, dont le latin, le grec, le français et l'allemand, et possédait des notions en anglais, en italien et en néerlandais. Cet intérêt pour les langues le poussa à proposer des idées pour améliorer l'efficacité de la communication humaine, notamment en travaillant sur le développement d'une langue universelle, ou "caractéristique universelle", basée sur un système logique de symboles permettant de représenter des concepts. Il pensait que cette langue universelle pourrait non seulement faciliter la communication entre les différents peuples, mais également aider à résoudre des différends philosophiques ou scientifiques en clarifiant les concepts. Malgré ses efforts et ses recherches approfondies, il ne réussit jamais à mettre en œuvre cette idée. Leibniz n'était pas convaincu de la vision cartésienne selon laquelle la quantité de mouvement (le produit de la masse et de la vitesse) était conservée dans les collisions. Il observa que cette théorie ne tenait pas compte de toutes les observations expérimentales, notamment celles des collisions élastiques, où la somme des produits de la masse et de la vitesse semblait varier. Pour résoudre cette incohérence, Leibniz proposa le concept de "vis viva" (force vive), qu'il définissait comme le produit de la masse et du carré de la vitesse (mv ²   ). Il démontra que dans un système isolé, la somme de ces vis viva se conservait, même si la quantité de mouvement ne le faisait pas nécessairement. Cette idée novatrice jeta les bases de notre compréhension moderne de l'énergie cinétique, en mettant en lumière l'importance de la conservation de l'énergie dans les phénomènes mécaniques. De nombreuses expériences peuvent être réalisées avec un smartphone pour illustrer la conservation de l'énergie lors de chocs. Pour faire cette étude au mieux, utilisez le module cinématique de l'application FizziQ. Avec un smartphone, filmez un choc élastique puis un choc inélastique, et étudiez les lois de conservation de la quantité de mouvement et de l'énergie. On trouvera sur le site fizziq.org une vidéo qui permettra de faire des mesures précises : Collision. Boyle et les ondes sonores Robert Boyle (1627-1691), chimiste et physicien irlandais, est considéré comme l'un des fondateurs de la chimie moderne. Il est surtout connu pour la loi de Boyle, qui décrit la relation inverse entre la pression et le volume d'un gaz à température constante. Ses expériences avec une pompe à vide ont démontré l'importance de la pression atmosphérique et ont jeté les bases de la chimie physique. L'une de ses expériences les plus célèbres impliquait une tortue placée dans une chambre à vide pour observer les effets du vide sur un organisme vivant. Boyle et son assistant, Robert Hooke, ont noté que, à mesure qu'ils retiraient l'air de la chambre, la tortue devenait de plus en plus inactive. Ils ont rapidement réintroduit l'air avant que la tortue ne subisse des dommages permanents, démontrant ainsi de manière spectaculaire l'importance de l'air pour la survie des êtres vivants. À partir de cette constatation, Boyle a mené de nombreuses expériences, notamment sur la propagation des sons. Il a montré que le son ne peut se propager dans le vide en plaçant une horloge à carillon dans une cloche de verre reliée à une pompe à vide. En retirant progressivement l'air de la cloche, il a observé que le son de l'horloge devenait de plus en plus faible jusqu'à devenir inaudible lorsque le vide était presque complet. Cette expérience a prouvé que le son nécessite un milieu matériel, comme l'air, pour se propager, confirmant que le vide est un isolant acoustique efficace et illustrant les principes de la transmission des ondes sonores. Vous pouvez reproduire une telle expérience en utilisant un bocal dans lequel vous pouvez diminuer la pression atmosphérique, comme ceux utilisés pour conserver des aliments, ou mieux encore, une cloche à vide de laboratoire. Placez un smartphone émettant un son d'intensité constante dans le bocal, ce smartphone servant également à mesurer la pression atmosphérique (les smartphones Apple comportent des capteurs de pression atmosphérique). À l'extérieur de la cloche, mesurez l'intensité sonore avec un autre smartphone. En diminuant progressivement la pression dans la cloche, mesurez la baisse de l'intensité sonore. Vous vérifierez ainsi que l'intensité sonore diminue logarithmiquement à mesure que la pression dans la cloche diminue. Einstein et l'expérience de pensée de l'ascenceur Une expérience de pensée est un scénario hypothétique utilisé pour explorer les conséquences d'un principe ou d'une théorie en l'absence d'expérimentation physique réelle. Elle consiste à raisonner sur un problème en utilisant uniquement l'imagination et la connaissance des lois physiques, sans nécessiter de preuves empiriques ou d'exécution pratique. Employées dans divers domaines, y compris la physique, la philosophie, les mathématiques et l'éthique, les expériences de pensée servent d'outils puissants pour conceptualiser des idées, remettre en question les notions existantes et stimuler l'exploration intellectuelle. Albert Einstein, l'un des utilisateurs les plus éminents des expériences de pensée, les a largement utilisées pour développer ses théories révolutionnaires en physique, notamment les théories de la relativité restreinte et générale. Ces expériences lui ont permis de visualiser des problèmes complexes et des paradoxes en physique, difficiles ou impossibles à tester avec la technologie de son époque. L'une des expériences de pensée les plus célèbres d'Einstein concerne la théorie de la relativité générale : l'expérience de l'ascenseur. Einstein s'imaginait à l'intérieur d'un ascenseur fermé dans l'espace profond, qui accélère vers le haut. Une balle lâchée dans l'ascenseur semble tomber vers le sol de manière similaire à l'attraction gravitationnelle de la Terre. En contraste, un ascenseur stationnaire près d'une planète subit un effet similaire dû à la gravité. L'essence de cette expérience est que, dans les limites de l'ascenseur, on ne peut pas distinguer entre les effets de la gravité et l'accélération pure. Pour réaliser cette expérience, placez un smartphone sur une table et ouvrez l’instrument de mesure Accélération absolue de l'application FizziQ. Vous verrez apparaître la valeur de 9,80 m/s², correspondant à l'accélération de la pesanteur. Ensuite, placez un matelas par terre, ou utilisez un lit moelleux, appuyez sur le bouton enregistrer, puis lancez le smartphone pour qu'il décrive une parabole et retombe sur le matelas. Après avoir arrêté l'enregistrement et ajouté les données au cahier d'expérience, vous constaterez que pendant toute la période en l’air, l’accélération mesurée est nulle. Bien que le smartphone soit en chute libre, et donc que sa vitesse verticale varie pour un observateur placé sur terre, le smartphone lui-même ne perçoit aucune force, il est en apesanteur. Cette expérience reproduit exactement l'expérience de pensée de l'ascenseur d'Einstein. Le smartphone est équivalent à un ascenseur qui tombe avec la même accélération que la gravité. À l'intérieur du smartphone, l'accéléromètre ne peut pas détecter s'il est en chute libre ou si la gravité est nulle. Pour lui, comme pour la personne présente dans l'ascenseur, la gravité est équivalente à une accélération. Pour en savoir plus vous pouvez consulter nos deux articles sur le sujet : un article consacrée à la gravité , et un article expliquant comment fonctionne un accéléromètre . Doppler et l'effet Doppler En 1842, Christian Doppler, un physicien autrichien, propose une nouvelle théorie sur le décalage de la fréquence d'une onde lorsque la source se déplace par rapport à l'observateur. Sa théorie est accueillie avec un grand scepticisme par la communauté scientifique, principalement parce que les moyens de déplacement de l'époque ne permettaient pas de démontrer clairement ce que la théorie prédisait. Cependant, une preuve irréfutable de la théorie de Doppler est apportée en 1845 par le météorologue Buys-Ballot. Il organise une expérience spectaculaire en plaçant des musiciens sur une plateforme d'un train lancé à 70 km/h, leur faisant jouer une note constante. Les personnes le long du trajet ont pu constater le changement de fréquence des sons émis par l'orchestre lorsque le train passait devant elles, confirmant que l'effet Doppler n'était pas une illusion. La fréquence d'une onde, qu'elle soit sonore ou lumineuse, est affectée par le mouvement de la source par rapport à l'observateur. Ce décalage de fréquence est directement proportionnel à la vitesse, selon l'équation : Δf = f * Vmobile / Vonde, ​​où Vmobile ​est la vitesse du mobile et Vonde ​est la vitesse de l'onde. Aujourd'hui, l'effet Doppler est utilisé dans de nombreuses technologies, telles que le radar météorologique, l'imagerie médicale, ainsi que pour le contrôle et la sécurité. Il s'est révélé être un outil précieux pour les astronomes, leur permettant de comprendre les mouvements célestes et de découvrir de nouveaux objets comme les exoplanètes. Des humbles débuts dans le laboratoire de Doppler jusqu'aux observatoires modernes scrutant les profondeurs de l'espace, l'effet Doppler a façonné notre compréhension de l'univers, nous offrant des fenêtres sur le mouvement et la composition des corps célestes. De nombreuses expériences peuvent être réalisées avec un smartphone pour mettre en évidence et vérifier expérimentalement la loi de Doppler. Pour cela, on peut utiliser le synthétiseur sonore des smartphones pour générer des sons et mesurer la fréquence des sons grâce au microphone. Ces expériences permettent de démontrer concrètement le décalage de fréquence observé lorsque la source sonore est en mouvement par rapport à l'observateur. Vous trouverez 5 expériences à réaliser sur ce sujet en suivant ce lien : https://www.fizziq.org/post/experiment-doppler-effect Nollet et la mesure de la vitesse du son Jean-Antoine Nollet (1700-1770), également connu sous le nom de l'Abbé Nollet, était un physicien et prêtre français renommé pour ses contributions à l'étude de l'électricité et de l'acoustique. Né à Pimprez, Nollet commença sa carrière en théologie avant de se tourner vers les sciences naturelles. Il devint membre de l'Académie des Sciences et enseigna la physique expérimentale au Collège de Navarre à Paris. Nollet est surtout connu pour ses travaux sur l'électricité. Il fut l'un des premiers à démontrer les effets de l'électricité statique et à populariser les expériences électriques en Europe. Il inventa l'électromètre, un appareil pour mesurer la charge électrique, et réalisa des démonstrations publiques spectaculaires qui captivèrent l'imagination de son époque. En 1738, l'Académie des Sciences chargea Nollet de déterminer avec précision la vitesse du son. Utilisant la topographie du bassin parisien, Nollet plaça un canon sur la tour de Montlhéry, avec des observateurs postés sur la butte Montmartre, à 28 kilomètres de là. De nuit, ils chronométrèrent le temps écoulé entre la vue du flash lumineux et l'écoute du "BANG" d'un coup de canon. La lumière du coup de feu étant perçue presque instantanément, ils mesurèrent ensuite le temps nécessaire pour entendre le son. Nollet calcula la vitesse du son en utilisant la distance et le temps mesuré, rapportant une vitesse de 337,2 mètres par seconde à l'Académie des Sciences. Cette valeur, très proche de la mesure moderne (environ 343 m/s à 20°C), démontra la précision et la rigueur de sa méthode scientifique. Son expérience marqua un tournant dans l'étude des ondes sonores et reste un exemple marquant de l'application pratique des principes scientifiques. On peut facilement reproduire cette expérience en classe ou à la maison avec deux smartphones équipés de l'application FizziQ. Pour cela, utilisez les chronomètres acoustiques de l'application, qui permettent de mesurer le temps écoulé entre deux événements sonores. Placez les deux smartphones côte à côte et déclenchez les chronomètres en battant des mains. Ensuite, déplacez l'un des deux téléphones d'une distance d'au moins 5 mètres et claquez à nouveau des mains près de l'autre téléphone. Les chronomètres s'arrêtent et la vitesse du son peut être calculée en divisant la distance par la différence de temps entre les deux chronomètres. Pour réaliser cette expérience, suivez le lien suivant : mesure de la vitesse du son Young et la théorie des couleurs Thomas Young, physicien et polymathe britannique, est célèbre pour ses travaux révolutionnaires sur la théorie des couleurs et la vision trichromatique. Au début du XIXe siècle, Young s'intéressa à la manière dont l'œil humain perçoit les couleurs. En 1801, il proposa que la vision des couleurs repose sur trois types de récepteurs dans l'œil, chacun étant sensible à l'une des trois couleurs primaires : rouge, vert et bleu. Pour tester sa théorie, Young utilisa des filtres colorés et des sources lumineuses de différentes longueurs d'onde. Il démontra que la combinaison de ces trois couleurs de base pouvait reproduire toutes les autres couleurs perceptibles par l'œil humain. Par exemple, en combinant les lumières rouge et verte, il pouvait créer du jaune ; en combinant le bleu et le rouge, il obtenait du magenta ; et en combinant les trois, il obtenait du blanc. Il fallut plus de 150 ans avant que l'existence de cellules sensibles à trois différentes gammes de longueurs d'onde (les plus sensibles au vert-jaune, au vert-bleu et au bleu – et non au rouge, vert et bleu) soit confirmée. Ces cellules furent identifiées en 1956 par Gunnar Svaetichin. En 1983, cette découverte fut validée dans les rétines humaines lors d'une expérience menée par Herbert Dartnall, James Bowmaker et John Mollon, qui obtinrent des lectures microspectrophotométriques des cônes individuels des yeux humains. Cette découverte a eu une profonde influence sur la science de l'optique, la compréhension de la perception visuelle, et a également été fondamentale pour le développement de technologies modernes telles que les écrans de télévision et d'ordinateur, qui utilisent des pixels rouges, verts et bleus pour afficher une gamme complète de couleurs. Pour reproduire expérimentalement l'expérience de Thomas Young avec un smartphone, suivez l'expérience suivante : en utilisant l'instrument Couleur de l'application FizziQ, visez une couleur puis ajoutez cette mesure au cahier d'expérience. Cette mesure vous donnera la quantité des couleurs primaires rouge, vert et bleu qui composent cette couleur. En utilisant le Synthétiseur de couleur dans les Outils avec les quantités déterminées par le spectre, vous pouvez alors reconstruire cette couleur. Quelle que soit la couleur, elle peut être recomposée à partir des trois couleurs principales. Les trois couleurs primaires, mélangées, suffisent donc pour créer n'importe quelle couleur que nous percevons. Delambre et la mesure du méridien En 1790, l'Assemblée nationale française décide d'établir un système de mesure unique, utilisant la Terre comme référence. Le mètre est alors défini comme la dix millionième partie du quart du méridien terrestre. Pierre Méchain et Jean-Baptiste Delambre, astronomes et mathématiciens, sont chargés de mesurer ce méridien en 1792, afin d'établir une estimation la plus précise possible de la distance entre Dunkerque et Barcelone. Il s'ensuit pour les deux scientifiques une aventure de sept années. La période de la Terreur révolutionnaire rendait les déplacements périlleux, surtout avec un appareil de mesure inhabituel, le cercle répétiteur. Delambre a souvent dû faire face à des gardes nationaux méfiants et peu coopératifs, ce qui l'a empêché de travailler pendant une année entière. Méchain, au départ plus chanceux, a vu ses efforts compliqués en 1793 lorsque l'Espagne a déclaré la guerre à la France. Cette situation politique tendue a entravé ses travaux et ses déplacements. De plus, Méchain a découvert une anomalie de quelques secondes d'arc dans ses mesures, ce qui l'a poussé à cacher ses résultats par crainte de discrédit. Ces défis logistiques, politiques et personnels ont sérieusement compliqué la mission de définir le mètre comme la dix millionième partie du quart du méridien terrestre. En 1799, ils déterminent finalement la longueur du mètre à 0,513074 toise. Méchain, confronté à une anomalie dans ses mesures, choisit cependant de les dissimuler. Leurs travaux posent les bases de la définition du mètre moderne. La triangulation est l'outil mathématique de base qu'ont utilisés les deux scientifiques. C'est une méthode géométrique utilisée pour déterminer la position précise d'un point en mesurant les angles à partir de deux points de référence fixes et connus. Ce procédé repose sur la création de triangles pour lesquels les distances entre les points peuvent être calculées en utilisant les lois de la trigonométrie. En pratique, on commence par mesurer une ligne de base entre deux points fixes, puis on mesure les angles entre cette ligne de base et un troisième point visible. À partir de ces mesures, la distance au troisième point peut être calculée. En répétant ce processus, une série de triangles est formée, permettant de cartographier de vastes zones avec une grande précision. Un exercice de triangulation peut être réalisé simplement en utilisant le théodolite de l'application FizziQ. Cet exercice permet, par exemple, de calculer des distances qui sont trop grandes ou sur lesquelles se trouvent des obstacles, rendant la mesure directe impossible.Pour en savoir plus sur la triangulation avec FizziQ, on peut consulter la video : la triangulation avec FizziQ . Von Helmotz et le résonateur Hermann von Helmholtz est un scientifique allemand célèbre pour ses contributions dans de nombreux domaines, notamment la physique, la physiologie et la psychologie. Une anecdote particulièrement intéressante concernant Helmholtz se rapporte à son invention du résonateur de Helmholtz, développé pour identifier les différentes fréquences des sons produits par divers instruments de musique. Dans sa quête pour comprendre comment les humains perçoivent les sons, Helmholtz conçut une série de sphères de différentes tailles avec des ouvertures étroites. Ces sphères, appelées résonateurs de Helmholtz, étaient destinées à vibrer en résonance avec des fréquences spécifiques. Helmholtz utilisait ces résonateurs en les plaçant près de son oreille pour écouter les sons produits par différents instruments. Chaque résonateur était calibré pour amplifier une fréquence particulière, permettant à Helmholtz d'analyser très précisément le spectre sonore de la musique. Vous pouvez facilement construire un résonateur de Helmholtz à l'aide d'un tube à essai. En soufflant au-dessus du tube, un son est émis dont la fréquence est propre à la géométrie du tube. Pour un tube fermé, la fréquence fondamentale de résonance est :  f₀ = c/(4.L+1,6.D) où L est la longueur du tube, D le diamètre du tube . Grâce au fréquencemètre de l'application FizziQ, vous pouvez vérifier que la fréquence du son émis correspond bien au calcul de la fréquence de résonance du tube. Une autre expérience amusante consiste à mesurer la fréquence du "pop" émis lorsqu'on ouvre une bouteille de vin. Cette fréquence dépend de la cavité entre le liquide et le bouchon. La fréquence théorique du son peut également être calculée et vérifiée avec les outils appropriés. Essayez avec la vidéo suivante : Ouverture d'une bouteille de vin . Conclusion Partir à la découverte des scientifiques et des expériences qu'ils ont réalisés permet de faire vivre la science et ses progrès. Grâce au smartphone et à la tablette, les élèves peuvent réaliser rapidement des expériences qui leur permet de rentrer dans la peau de grand scientifiques et des problématiques qu'ils essayeintde résoudre. Ces activités non seulement enrichissent la compréhension scientifique des élèves, mais elles rendent également l'apprentissage interactif et engageant. Pour en savoir plus sur l'utilisation en classe de sciences des smartphones ou des tablettes, vous pouvez lire notre article sur le sujet : Utiliser FizziQ en classe .

Pour l'enseignant qui souhaite organiser une séance d'analyse vidéo d'un mouvement, l'un des défis est souvent de trouver une vidéo adéquate. C'est pourquoi nous avons créé une bibliothèque gratuite de vidéos et de chronophotographies, directement accessible depuis l'application FizziQ. Ces ressources peuvent être facilement téléchargées et utilisées immédiatement dans l'application. Pourquoi utiliser la bibliothèque de vidéos ? Dans le cadre de l'apprentissage de la cinématique, l'idéal est que l'élève réalise sa propre vidéo. Cela est facilement réalisable avec un smartphone, et les vidéos ainsi produites sont directement exploitables par FizziQ. Pour faciliter le travail des élèves nous avons créé un guide spécifique sur les 7 bonnes pratiques pour une vidéo pour l'analyse cinématique . Cependant, dans de nombreux cas, il peut être utile pour l'enseignant de proposer aux élèves une vidéo existante. C'est là que la bibliothèque de vidéos FizziQ devient un atout précieux. La bibliothèque gratuite de viéos et chronophotographies offre plusieurs avantages : Gain de temps : Pas besoin de filmer soi-même des vidéos, elles sont prêtes à l'emploi. Qualité optimisée : Les vidéos sont tournées de manière à assurer une bonne visibilité et un pointage précis. Diversité des situations : La bibliothèque propose différents types de mouvements pour couvrir un large éventail d'expériences en physique. Accès direct : Les utilisateurs peuvent intégrer directement ces vidéos dans FizziQ pour commencer leur analyse sans manipulation supplémentaire. Comment télécharger une vidéo dans l'application FizziQ ? Le processus de téléchargement d'une vidéo depuis la bibliothèque de FizziQ est très simple : Ouvrez l'application FizziQ. Appuyez sur l'icône "Analyse cinématique" . Sélectionner Cinématique par vidéo par exemple (le processus est le même pour l'analyse de chronophotographies) Cliquez sur "Librairie vidéos" . Sélectionnez la vidéo de votre choix parmi la liste proposée (une connexion internet est nécéssaire).. 5Ajouter cette activité. L'activité est alors ajoutée dans le module cinématique. Quels types de vidéos sont disponibles ? La bibliothèque contient une variété de vidéos adaptées aux besoins des enseignants et des élèves : Sports et performances athlétiques : Saut à la perche, descente de ski (JO), patinage de vitesse, tennis, plongée, football (penalty), badminton, cycliste sur piste, curling, javelot, lancer de disque, lancer de marteau. Expériences physiques : Chute libre, mouvement uniforme et accéléré, forces de frottement, cycloïde, pendule simple et pendule de Newton, choc entre objets. Autres : Goutte de colorant dans l'huile (accéléré x15), collision, SpaceX, voitures, vélo, train. D'autres vidéos sont régulièrement ajoutées à la bibliothèque dont certaines créées par nos utilisateurs. Si vous souhgaitez partager avec nous une vidéo, vous pouvez nous contacter à juliette@fizziqlab.org . Associées à ces vidéos, nous avons également créé des activités sur le mouvement ou l'énergie que vous pouvez retrouver ici : 👉 Activités pour la cinématique Les chronophotographies : une alternative aux vidéos Pour introduire l'analyse cinématique, il est souvent préférable de commencer par l' étude des chronophotographies . Ces images séquentielles capturent différentes phases d'un mouvement sur une seule image, permettant une observation précise et détaillée des trajectoires et variations de vitesse. Pour plus d'informations sur l'organisation d'un TP sur la chronophotographie, suivez ce lien . La bibliothèque FizziQ propose une collection de chronophotographies originales permettant d'étudier une large gamme de mouvements en classe ou en autonomie. Il est également possible de photographier une chronophotographie existante depuis un livre afin de l’analyser directement avec l’application FizziQ. Il peut être notamment intéressant d'étudier des anciennes chronophotographies de Jules Marey ou Berenice Abbott Caractéristiques des prises de vue Les caractéristiques des vidéos, telles que le format et le nombre d’images par seconde (ou cadence) , sont automatiquement détectées par l’application. La plupart des vidéos sont tournées à 30 images par seconde, mais certaines sont filmées à des cadences différentes (25 ou 60 im/s). Ces indications sont présentes sur chaque vidéo ou chronophotographie. Chaque ressource intègre également une échelle visuelle permettant à l’élève d’effectuer une mise à l’échelle précise lors de son analyse. Conclusion La bibliothèque de vidéos de FizziQ est un outil puissant qui simplifie l'apprentissage et l'enseignement de la cinématique. En mettant à disposition des vidéos optimisées et directement exploitables, elle permet aux élèves de se concentrer sur l'analyse et l'interprétation des mouvements plutôt que sur la capture de données.

La mesure de la vitesse du son dans l'air est une des expériences les plus facilement réalisables avec un smartphone . Pour les élèves, ce calcul est très satisfaisant, car si les ondes sonores sont un concept souvent abstrait, les nombreuses propriétés physiques de ce phénomène peuvent être facilement être étudiées avec l'appareil qu'ils ont dans leur poche. Table des matières Les ondes sonores et leur propagation - Les méthodes pour mesurer la vitesse du son - Mesure par la durée de propagation - Mesure par la fréquence de résonance   - Mesure par la longueur d'onde - Conclusion Les ondes sonores et leur propagation Une onde sonore est une vibration mécanique qui se propage dans un milieu matériel, comme l’air ou un liquide. La vitesse du son est la vitesse à laquelle cette onde se propage dans un milieu donné, elle dépend de la température, de la pression et de la densité du milieu à travers lequel elle se propage. Dans l'air, si on l'assimile à un gaz parfait diatomique, on peut calculer la vitesse du son par l'équation : c = sqrt(γ * RT/Ma) c est la célérité du son, γ est le rapport des capacités calorifiques à pression et volume constants. γ= 7/5 pour l’air, R est la constante des gaz parfaits, T est la température absolue du milieu, Ma est la masse molaire de l'air : Ma = 29g/mol. La formule précédente nous permet de calculer la vitesse théorique du son aux conditions habituelles de température et de pression : c = 343 m/s pour une température de 20 degrés, soit environ 1 235 km/h . Dans l’eau, le son se propage plus de 4 fois plus vite que dans l’air, c’est-à-dire à environ 1482 mètres par seconde, et dans certains métaux come le fer doux, elle se propage 15 fois plus vite à environ 5 960m/s (21 456km/h). Les différentes méthodes pour calculer la vitesse du son dans l'air Il existe de nombreuses méthodes pour calculer la vitesse du son avec un smartphone. Nous les avons classé en trois catégories distinctes : Mesure de la durée de propagation Mesure de la fréquence de résonance Mesure de longueur d’onde Ce sont ces méthodes qui ont été utilisées par des génération de scientifiques pour déterminer la célérité du son, dont on savait depuis longtemps qu'elle était élevée mais pas instantanée à cause du phénomène d'écho : ➡️ Mersenne, le premier, évalue en 1635 la vitesse du son dans l'air à 448 m/s par la méthode de la durée de propagation. Valeur affinée ultérieurement par les savants Viviani et Borelli en 1656 avec une valeur de 344 m/s. ➡️ Newton prend une approche différente par une méthode analytique en la déterminant à partir des fréquences de résonance des ondes sonores dans un tube en U et détaille sa méthode dans la première édition des Principia (1687). ➡️ Au cours des siècles les calculs se sont affinés mais une incertitude persistait : l'humain pouvait-il aller plus vite que la vitesse du son ? Cette question sera résolue en 1947 quand l'aviateur américain Chuck Yeager atteint Mach 1 à bord de l'avion X-1. Encore une fois, l'humain avait franchit une barrière infranchissable. Aujourd'hui chacun peut réaliser la mesure emblématique, avec un ou plusieurs smartphone, sans équipement spécial, et toucher du doigt un peu d'histoire de l'aviation et des sciences ! Alors, à vos portables ... Mesure par la durée de propagation Comme tout calcul de vitesse, l’objectif de cette méthode est de déterminer le temps que met l’onde sonore pour parcourir une certaine distance. La vitesse du son étant élevée, la mesure du temps nécessite un appareillage spécifique : le chronomètre sonore , ou chronomètre acoustique . Un chronomètre sonore ou acoustique permet de mesurer l’écart de temps séparant deux sons dont le niveau sonore dépasse un certain seuil. Cet appareil ne se trouve pas sur une paillasse de labo mais de nombreuses applications pour smartphones existent qui proposent cette fonctionnalité. Dans FizziQ, l'élève peut soit accéder directement à un chronomètre sonore dans le menu Outils, soit construire son propre chronomètre à partir des Déclencheurs. Mesure de la vitesse du son avec FizziQ Le protocole traditionnel pour mesurer la vitesse du son avec un chronomètre sonore est le suivant : on écarte deux portables d’une certaine distance (au moins 5 mètres), et on place près de chaque téléphone un opérateur. A tour de rôle, les opérateurs tapent dans leurs mains, déclenchant et arrêtant les deux chronomètres sonores. On vérifie que le décalage de temps dt entre les deux chronomètres est dt = 2*d/c, où d est la distance entre les smartphones, c la vitesse du son. Cette expérience permet une précision comprise entre 5 et 10%, et peut-être améliorée en réalisant plusieurs mesures. Ce protocole fonctionne bien, mais il est souvent difficile à comprendre pour les élèves car le calcul du décalage n’est pas intuitif. Nous préférons une variation de ce protocole développé par Aline Chaillou de la Fondation La main à la pâte. Dans ce second protocole, on commence par synchroniser les chronomètres en les mettant côte à côte et on déclenche les chronomètres sonores en frappant dans les mains. Puis on déplace un des deux portables, d’une distance d. L’opérateur situé près de ce second portable arrête alors les deux chronomètres en frappant dans ses mains. Le calcul du décalage est alors très intuitif pour les élèves car ils ont mettent tout de suite en relation l'écart de distance qui créée le déphasage avec le déplacement d'un des deux portables. L’écart de temps dt est égal à : dt = d/c. Ce second protocole permet également d’introduire la notion de synchronisation des horloges. C'est le même concept de synchronisation qui a été utilisée dans la fameuse expérience de Hafele-Keating en 1971 pour prouver la relativité restreinte. Attention à bien calibrer le niveau de déclenchement du chronomètre sonore pour ne pas qu’il se déclenche quand on déplace un des deux smartphones. Mesure par la fréquence de résonance La deuxième méthode de calcul de la vitesse du son que nous étudions s’appuie sur le principe de la résonance acoustique, qui est 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. Un premier protocole tout simple consiste à souffler sur le bord d’une éprouvette  graduée pour émettre un son dont on mesure la fréquence fondamentale. Pour un tube fermé, la fréquence fondamentale de résonance est : f₀ = c/(4.L+1,6.D) où L est la longueur du tube, D le diamètre du tube. En mesurant avec le fréquencemètre de l’application la fréquence fondamentale émise par le tube, on peut déduire la vitesse du son. Pour faire des mesures plus précises, on pourra mesurer la fréquence pour différentes hauteurs d’eau dans l’éprouvette, et en faisant une régression linéaire des résultats, on déterminera de façon précise la vitesse du son à moins d’un pour cent près. Calcul de la vitesse du son par mesure de la fréquence de résonance Si l'on est amateur de Bordeaux et que l'on dispose d'une bouteille vide,  on peut utiliser une bouteille venant de cette région et dont les caractéristiques volumétriques sont immuables.  Ulysse Delabre dans cette vidé o détaille les calculs pour la mesure de la fréquence de résonance quand on souffle dans la bouteille. Pour simplifier les calculs on peut remplir la bouteille jusqu'au bas du goulot, et on peut appliquer la formule du tube fermé. Que faire si la bouteille n'est pas ouverte ? Il est quand même possible de réaliser l'expérience et, paradoxalement, de manière encore plus simple : en la débouchonnant !  Quand on enlève le bouchon, un "pop" retentit qui est du à la résonance de l'air dans la partie comprise entre le liquide et le haut de la bouteille. Si on mesure la fréquence du pop avec le fréquencemètre, on peut utiliser la formule précédente de la fréquence de résonance d'un tube pour en déduire la vitesse du son. Un dernier protocole toujours surprenant pour les étudiants utilise le fait que 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. Si l’on mesure le spectre d’un bruit blanc émis dans cette cavité, les fréquences harmoniques de la fréquence de résonance sont mises en évidence par rapport aux autres. On rappelle qu’un bruit blanc  est une succession aléatoire de son émis dans toutes les fréquences. Prenons donc un tube ouvert aux deux bouts, tel qu’un rouleau de Sopalin ou un tuyau d’aspirateur. A un bout du tube, nous allons émettre un bruit blanc que l’on peut générer avec la bibliothèque de sons de FizziQ ou en utilisant le son d'une vidéo émettant un bruit blanc ou rose . A l’autre bout du tube, nous mesurons le spectre de fréquences. La mesure du spectre du bruit blanc au travers d’un tube fera apparaître des pics pour la fréquence fondamentale et ses harmoniques. On déduit la fréquence de résonance puis la vitesse du son par la formule de la fréquence de résonance d’un tube ouvert : f₀ = c/(2.L+1,6.D) On obtient souvent de meilleurs résultats avec un bruit rose  qui est semblable au bruit blanc, mais avec une intensité sonore réduite pour les sons aigus.  L'utilisation du bruit rose permet de renforcer l'intensité de la fréquence fondamentale  de résonance par rapport à ses harmoniques plus aigus. Finalement, on peut faire différentes mesures avec des tailles différentes du tube, et déduire c par mesure de la pente sur le graphique. Mesure par la longueur d’onde Ce troisième type de protocole s’appuie sur la mesure de la longueur d’onde d’un son pur de fréquence connue, en général par des expérience impliquant des interférences. On déduit la vitesse par la relation : c = l.f, avec l la longueur d’onde et f la fréquence. La méthode souvent utilisée en laboratoire de physique utilise une source sonore et deux micros placés à une certaine distance de cette source et connectés à un oscilloscope à double entrée. En déplaçant les deux micros l’un par rapport à l’autre on trouve la distance pour laquelle les deux ondes sont en phase, qui est la longueur d’onde. Avec un smartphone, cette manip n’est pas possible car il ne dispose pas d’une double entrée … mais avec un peu d’imagination on peut trouver d’autres moyens ! Le premier protocole que nous proposons consiste à utiliser deux smartphones qui émettent le même son pur, par exemple de fréquence 680 hertz. En plaçant les smartphones à une certaine distance, on va calculer les endroits d'addition et d'annulation des deux ondes sonores. Avec FizziQ on pourra utiliser le son à 680 hertz de la bibliothèque de son. On place ces deux smartphones à environ 3 mètres l’un de l’autre. Avec un troisième smartphone, on mesure l’intensité sonore (instrument oscillogramme sur FizziQ) le long de l’axe des deux smartphones. Les interférences des deux ondes créent des zones d’intensités très élevées, les ventres, et d’autres très faibles, les noeuds. La distance entre les noeuds (environ 50 cm) est égale à la longueur d’onde de l’onde sonore pour la fréquence 680 hertz. En mesurant l’écart entre les noeuds (ou les ventres), on calcule la vitesse du son. Cette expérience permet également d'ouvrir la discussion sur la manière dont les casques à réduction de bruit active fonctionnent en réalisant une petite activité : https://www.fizziq.org/team/une-bulle-sans-bruit On peut également réaliser l'expérience avec seulement deux téléphones portables. Un des deux smartphones sert alors d’émetteur, et également d’outil de mesure du volume sonore. Un deuxième portable qui émet un son pur de même fréquence est approché du premier, et on note la distance entre le noeud et le ventre constaté en mesurant le volume sonore sur le premier smartphone, identifié par les variations d’intensité. Pour réaliser cette expérience avec FizziQ, on préfère utiliser l’intensité sonore mesurée avec l’instrument Oscilloscope et qui est plus précise que le volume sonore en décibels. Finalement, si l'on ne dispose que d'un smartphone, il est également possible de réaliser cette expérience en plaçant une surface réfléchissante à la place du deuxième smartphone de l’expérience précédente. La précision en est encore amoindrie mais le calcul est néanmoins possible ! Ces différentes expériences permettent de calculer la vitesse du son avec une précision d’environ 10%. En conclusion Nous avons proposé différentes expériences différentes pour calculer la vitesse du son. Ces expériences peuvent être classées en trois catégories qui font appel à différentes propriétés des ondes sonores. Toutes ces expériences peuvent être réalisées avec FizziQ, ou avec d’autres applications sur téléphone portable ou tablette, selon votre préférence. Le smartphone est un des meilleurs outils disponibles pour mesurer la vitesse du son, offrant de multiples manières d’aborder le même problème, et facilement accessible aux élèves. Bonne expérimentation ! Pour en savoir plus sur l'histoire de la mesure de la vitesse du son : https://www.academia.edu/6511050/Calculer_la_vitesse_du_son_après_Newton_le_défi_du_jeune_Euler_1727_

Découvert en 1842, l'effet Doppler s'est imposé comme un outil d'investigation indispensable de la science moderne. Cet article détaille cinq activités adaptées à différents niveaux d'apprentissage, à réaliser en classe, chez soi ou en plein air, simplement équipés d'un smartphone ou d'une tablette. Nous fournirons également des conseils précis pour optimiser leur mise en œuvre. Ces expériences pratiques offrent une opportunité unique de saisir les applications concrètes de l'effet Doppler dans notre quotidien, ainsi que son rôle dans des domaines plus avancés tels que la détection d'exo-planètes. Table des matières : Un peu d'histoire - Etudier l'effet Doppler avec un smartphone - Mise en évidence de l'effet Doppler - Mesures Doppler à partir d'un enregistrement - Mesure de la vitesse d'un cycliste - Identification d'exo-planètes - Mesure de hauteur - Effet Doppler et battements acoustiques - Conclusion Un peu d'histoire ... En 1842, Christian Doppler, un physicien autrichien, a proposé une nouvelle théorie : la fréquence d'une onde (qu'elle soit sonore ou lumineuse) est affectée par le mouvement de la source par rapport à l'observateur. Ce décalage de fréquence est directement proportionnel à la vitesse : Δf = f.V mobile /V onde où V mobile est la vitesse du mobile et V onde est la vitesse de l'onde. Initialement, la théorie de Christian Doppler a été accueillie avec scepticisme. Cependant, une preuve irréfutable a été apportée bientôt par le météorologue Buys-Ballot : en 1845, il organise une expérience spectaculaire en plaçant des musiciens sur une plateforme d'un train lancé à la vitesse de 70 km/h et en leur faisant jouer une note constante. Chaque personne sur le trajet du train a pu constater le changement de fréquence des sons émis par l'orchestre lorsque le train passait devant elle, se persuadant ainsi que l'effet Doppler n'était pas une illusion. En élaborant sa théorie, Christian Doppler espérait expliquer les variations de couleur des étoiles par le changement de leur fréquence lumineuse dû à leur vitesse par rapport à la Terre. Nous savons aujourd'hui que la température des étoiles est le principal facteur de leur coloration. Cependant, il existe bien pour la lumière un effet Doppler relativiste, qui est une extension de l'effet Doppler classique, prenant en compte les effets de la relativité restreinte d'Einstein : en relativité restreinte, il faut considérer la dilatation temporelle et la contraction des longueurs (contraction de Lorentz), qui sont des conséquences de la théorie de la relativité. L'effet Doppler relativiste peut alors être décrit par les formules suivantes pour un objet s'éloignant de la source (Doppler rouge) : f' = f* [(1+ β)/(1-β)] ½ avec β = v/c, v vitesse relative et c vitesse de la lumière Aujourd'hui, l'effet Doppler est utilisé dans de nombreuses technologies, telles que le radar météorologique, l'imagerie médicale, ainsi que pour le contrôle et la sécurité. Il s'est révélé être un outil précieux pour les astronomes, leur permettant de comprendre les mouvements célestes et de découvrir de nouveaux objets comme les exoplanètes. Des humbles débuts dans le laboratoire de Doppler jusqu'aux observatoires modernes scrutant les profondeurs de l'espace, l'effet Doppler a façonné notre compréhension de l'univers, nous offrant des fenêtres sur le mouvement et la composition des corps célestes. Etudier l'effet Doppler avec un smartphone ? Si l'étude de l'effet Doppler pour la lumière se révèle difficile, voire impossible en dehors d'un laboratoire, chacun peut très facilement mettre en place des expériences montrant son effet sur les ondes sonores. Tout ce dont nous aurons besoin pour ces expériences est une source sonore et un fréquencemètre, deux instruments dont on dispose facilement avec un smartphone ou une tablette. Pour la source sonore, vous pourrez utiliser le haut-parleur de votre téléphone, ou mieux, une enceinte connectée, plus robuste et compacte. Il est plus facile pour l'analyse de travailler avec des sons purs et facilement identifiables. L'application FizziQ comprend un synthétiseur qui se trouve dans le menu Outils et que l'on peut connecter à une enceinte externe. Pour améliorer la précision, on préférera utiliser une fréquence élevée, supérieure à 1000 hertz, mais pas trop aiguë pour ne pas fatiguer ses tympans. Bien entendu, il faut ajuster le volume sonore pour qu'il soit confortable pour l'expérimentateur. Pour les mesures de fréquence, on utilisera le fréquencemètre de l'application FizziQ. Celui-ci utilise le microphone du smartphone ou de la tablette. Le microphone a été inventé par Emile Berliner en 1876. Les vibrations d'une membrane sont converties en signaux électriques qui peuvent être amplifiés, enregistrés ou transmis. Les microphones des smartphones sont extrêmement sensibles et analysent les ondes sonores en capturant près de 44 000 informations par seconde. Ces caractéristiques, associées à des puissances de calcul importantes des outils digitaux, permettent d'obtenir des données précises sur les formes et périodes des ondes sonores. A noter qu'avec l'application FizziQ on peut émettre un son pur et en même temps analyser les sons avec le microphone. Dans la majorité des cas on a donc besoin que de deux téléphones. FizziQ propose plusieurs mesures pour la fréquence d'une onde sonore : la fréquence fondamentale, qui est calculée dans FizziQ avec un algorithme de Yin ; la fréquence dominante, qui est la fréquence de plus grande intensité du spectre et qui est calculée par une transformation en série de Fourier ; et le spectre de fréquences, qui permet d'analyser des sons complexes. Un des problèmes fréquents que l'on rencontre lorsqu'on fait une manipulation sur l'effet Doppler est le bruit ambiant qui vient perturber les mesures. Ceci est particulièrement vrai quand on travaille en extérieur. Il faut donc privilégier un lieu calme comme une impasse ou un parking, et travailler avec des fréquences pures pour faciliter les mesures de fréquence. Sur le terrain, la tentation de procéder à des mesures directes est forte. Or les mesures sur le son sont délicates, particulièrement en extérieur et en groupe. Nous recommandons donc plutôt d'effectuer des enregistrements sonores pendant les expériences et de procéder à l'analyse de ces enregistrements ultérieurement, en laboratoire ou en classe. Cette approche permet non seulement de gagner du temps, d'ajuster les méthodes de mesure de manière optimale, mais aussi de faciliter le partage des données entre différents groupes, assurant ainsi une collaboration efficace et enrichissante. Enfin pour ceux qui vivent en ville, ou n'ont pas accès à des endroits calmes pour réaliser les expériences, on peut utiliser des fichiers sonores présents dans la bibliothèque de sons de l'application FizziQ ou disponibles sur internet. Cette utilisation présente également l'avantage de pouvoir faire des mesures reproductibles. On voit donc que grâce aux évolutions de la technologie, élèves, amateurs de sciences et enseignants ont à leur disposition des outils puissants pour aborder la question de l'effet Doppler. Passons maintenant aux expériences que l'on peut réaliser pour comprendre ce phénomène et ses applications. Mise en évidence de l'effet Doppler Notre première expérience consiste simplement à mettre en évidence le concept d'effet Doppler. Pour cela, rien de plus simple ! On télécharge l'application FizziQ sur un smartphone (ou toute autre application donnant accès à un synthétiseur de sons). Dans l'onglet Outil, on sélectionne le Synthétiseur et on génère un son pur d'une fréquence de 1000 hertz. On agite alors le smartphone devant nous par de grands mouvements de gauche à droite puis de droite à gauche. On entend clairement un décalage du son : du plus grave au plus aigu quand le smartphone se rapproche, puis plus grave quand il s'éloigne. On peut vérifier que l'effet Doppler est également présent si le détecteur bouge, plutôt que la source sonore. En agitant le smartphone récepteur, on constate de la même manière des décalages de fréquence. Finalement, on s'assurera que si les deux smartphones sont agités ensemble mais sans que l'un ne bouge par rapport à l'autre, l'effet Doppler est alors nul. C'est donc bien le mouvement relatif de la source par rapport au récepteur qui crée l'effet Doppler. Si on le souhaite, on peut réaliser une expérience plus spectaculaire : on place un smartphone dans un sac en plastique et on effectue des rotations à bout de bras avec le sac. Si on se place perpendiculairement à l'axe de rotation, on entendra clairement la différence de fréquence quand le sac se rapproche et quand il s'éloigne. En revanche, si on se place à quelques mètres exactement dans l'axe de rotation, on n'entendra pas de changement de fréquence car la vitesse du smartphone le long de cet axe est nulle si la rotation est uniforme. Finalement, mettons en évidence par la mesure le changement de fréquence que nous percevons à l'oreille. Pour cela, on utilise un deuxième smartphone sur lequel on a également installé l'application FizziQ. Sur ce deuxième smartphone, nous sélectionnons la Fréquence Dominante dans l'instrument Microphone, et on constate bien que la fréquence augmente quand la source se déplace vers le capteur et diminue quand elle s'éloigne. On a bien mis en évidence l'effet Doppler. Mesures Doppler à partir d'un enregistrement Etudier l'effet Doppler n'a jamais été aussi facile depuis l'avènement des outils digitaux. Il suffit de télécharger une application qui mesure les fréquences et de jouer sur un autre smartphone ou une enceinte connectée un fichier son contenant un enregistrement d'effet Doppler. En quelques minutes les élèves peuvent réaliser une première mesure et appliquer les formules théoriques apprises en cours. Il existe de nombreux fichiers disponibles sur internet. Les plus faciles à analyser sont ceux qui utilisent un mobile émettant un son pur. Si le son est complexe on utilisera la mesure de fréquence fondamentale ou un historique du spectre de fréquence. L'application FizziQ contient tout ce dont a besoin pour étudier l'effet Doppler : La bibliothèque de Sons du menu Outil offre le choix de deux sons différents d'effet Doppler : un mobile en déplacement émettant un son pur de 1000 hertz, et le son d'un pendule sonore. Pour faire les mesures de fréquence on utilisera la mesure de fréquence dominante ou la mesure de fréquence fondamentale dans l'onglet de Mesures. On enregistrera ces mesures sur la période de temps nécessaire. Dans FizziQ il est possible de faire à la fois la génération de sons et la mesure en même temps. on a donc besoin d'un seul smartphone pour faire l'analyse. Le cahier d'expérience permet d'analyser les graphiques et données, d'écrire du texte, d'ajouter des photos et de partager le cahier en PDF. Il est aussi intéressant d'exporter les données vers Excel. Grâce à la puissance des outils digitaux modernes, il est très facile pour les enseignants de mettre en pratique la théorie de l'e ffet Doppler en quelques minutes à l'issue du cours théorique. Cependant il est encore plus éducatif pour les élèves de faire leur propre fichier son, et cela est finalement plus simple à faire qu'on ne le pense ... Mesurer la vitesse d'un cycliste par effet Doppler Comment réaliser une expérience d'effet Doppler en grandeur nature ? Quelles sont les précautions que l'on doit prendre ? Quelles sont les meilleures activités ? Nous verrons que même si les expériences d'effet Doppler en grandeur nature peuvent être parfois difficiles à réaliser, avec un peu de persévérance on peut réaliser des mesures très intéressantes et le challenge de faire ces mesures a un grand intérêt pédagogique. Une expérience facile à réaliser utilise un vélo, une enceinte connectée et un smartphone. On fixe l'enceinte connectée à l'avant du vélo, et on émet sur cette enceinte un son pur par exemple de fréquence 1000 hertz généré par le synthétiseur de son de l'application fizziQ. Le cycliste roule alors à une vitesse constante et passe près d'un opérateur qui mesure la fréquence . Sur FizziQ, on enregistrera la fréquence durant le passage du vélo n appuyant sur le bouton REC. En mesurant la fréquence avant et après le passage du vélo, on déduit la fréquence moyenne et le décalage de fréquence, puis la vitesse du mobile. Effet Doppler - Passage d'un cycliste Pour vérifier les mesures effectuées, on pourra enregistrer également la vitesse GPS, soit avec un autre smartphone, soit par l'option de mesure double, mode Duo, une option qui se retrouve dans le menu Outils. Attention de bien sélection la fréquence comme premier instrument car c'est celui-ci qui dicte la fréquence d'acquisition. Comment réaliser cette expérience avec le maximum de chances que votre visite sur le terrain ne soit pas un échec ? Privilégier les environnements sans bruits extérieur et on utilisera un son pur pour l'émission. Un parc, une impasse ou un parking d'école pourront faire l'affaire. Plutôt que d'essayer de faire les mesures sur place, réalisez un enregistrement audio du passage du cycliste, fichier audio que l'on partagera et analysera en classe. Ainsi chacun pourra faire sa propre analyse. S'assurer que le haut parleur diffuse dans toutes les directions, pas juste devant, et faire attention au niveau de volume sonore qui représente un danger pour la santé. Certains élèves questionneront si ces mesures sont les même que celles faite par la gendarmerie pour mesurer les vitesses des voitures. Le radar Doppler fonctionne en émettant des ondes radio (ondes de longueurs d'onde très faible) vers les véhicules en mouvement sur la route. Lorsque ces ondes radio entrent en contact avec un véhicule en mouvement, elles sont réfléchies et reviennent vers le radar. En mesurant le changement de fréquence de ces ondes réfléchies par rapport à celles émises, l'effet Doppler permet au radar de déterminer la vitesse du véhicule ciblé. Identification d'exo-planètes La première exoplanète a été découverte par les astronomes Michel Mayor et Didier Queloz en 1995. Cette avancée a ouvert la voie à la recherche d'autres mondes au-delà de notre propre système solaire et plus de 5000 nouvelles planètes ont été identifiées à ce jour. Etant donné leur éloignement, il est impossible de les détecter visuellement mais on peut néanmoins détecter leur présence par la mesure. Il existe plusieurs méthodes pour la détection d'exo-planètes : la méthode des transits qui consiste à mesurer la diminution de la luminosité d'une étoile lorsque la planète passe devant elle, l'astrométrie qui mesure les petites oscillations d'une étoile mais nécessite une très grande précision dans les mesures, et les variations de vitesse des étoiles par mesure d'effet Doppler. Quand une planète orbite autour d'une étoile, la gravité fait en sorte que les deux corps exercent une attraction mutuelle. Même si l'étoile est bien plus massive et semble peu influencée par la planète, elle effectue en réalité un petit mouvement de va-et-vient autour d'un point commun, appelé centre de masse du système. Cet infime balancement stellaire se manifeste comme une oscillation régulière, synchronisée avec l'orbite de la planète. Cet effet, bien que subtil, entraîne des variations périodiques dans sa vitesse dans l'espace. Ces variations modifient légèrement la couleur (ou la longueur d'onde) de la lumière émise par l'étoile à cause de l'effet Doppler. En observant les raies spectrales de l'étoile, qui sont des lignes très précises dans son spectre lumineux caractéristiques de certains éléments chimiques, les astronomes peuvent détecter ces minuscules changements de couleur et calculer avec précision la vitesse radiale de l'étoile. L'amplitude des décalages donne également des indications sur la masse de la planète, car une planète plus massive induira un mouvement plus prononcé de l'étoile. De plus, en observant la périodicité de ce mouvement, on peut déduire la période orbitale de la planète, et, en appliquant les lois de la mécanique céleste, comme la troisième loi de Kepler et les principes de la gravitation universelle de Newton, les scientifiques peuvent déterminer des caractéristiques clés de l'exoplanète, telles que sa masse et la forme de son orbite. Pour comprendre ce phénomène on peut faire une expérience sur le son plutôt que sur la lumière. Dans cette expérience on étudie les variations de fréquence d'un pendule sonore en rotation. On place un smartphone réglé sur la mesure de la fréquence fondamentale (ou dominante) et à une distance d'un mètre on fait tourner un pendule composé d'une source sonore émettant un son pur de 1000 hertz. L'analyse de la fréquence permet d'obtenir deux informations qui vont nous renseigner sur le diamètre du cercle décrit par le pendule pesant. Découverte d'exo-planètes par effet Doppler Cette expérience montre qu'à distance on peut connaître des informations précieuses sur les objets distants, à condition qu'ils suivent des lois physiques bien particulière. Ici, nous savons que le mobile décrit un cercle et donc la vitesse tangentielle et la période permettent de déduire le rayon du cercle parcouru. Dans le cas des exo-planètes, c'est la connaissance des lois de Newton qui permettra de déduire la masse et la distance à l'étoile. Pour en savoir plus on pourra consulter de TP sur l'étoile Pégase 51 : https://faculty.uca.edu/njaustin/PHYS1401/Laboratory/exoPlanet.pdf Mesure de hauteur par effet Doppler Peut-on connaître la hauteur d'un bâtiment grâce en utilisant l'effet Doppler ? Cette question rappellera sans doute l'anecdote à propos de Niels Bohr, alors étudiant, à qui l'on demandait comment mesurer la hauteur d'un immeuble à l'aide d'un baromètre. Confronté à cette question, le jeune Bohr imagina un catalogue de solutions, dont certaines étaient humoristiques en omettant à dessein la solution qu'attendait son professeur et qui utilisait la dépendance de la pression atmosphérique en fonction de l'altitude. Une solution consiste à faire tomber un appareil générant source sonore du haut du bâtiment et à mesurer au niveau du sol la fréquence du son. Par effet Doppler, en connaissant la fréquence de la source on déterminera la vitesse à l'atterrissage, et comme on connaît d'autre part la loi de la gravitation, on peut en déduire la hauteur du bâtiment. En effet h = 1/2.g.T ²   , Vmobile = g.T et d'autre part Δf = f.V mobile /V onde d'où h = ( Δf.V onde /f) ²   /(2.g) avec h, hauteur du bâtiment, T durée de la chute, V mobile vitesse de l'objet en chute libre, g l'accelération de la pesanteur soit 9,81 m/s2 et V onde la vitesse du son soit 340 m/s. Bien sûr il n'est pas question de lâcher un smartphone du haut d'un immeuble mais on peut faire l'expérience d'une hauteur de 2m en plaçant un coussin pour amortir le choc de la source sonore qui tombe. Cette source sonore peut être une petite enceinte connectée qui émet un son de 1000 hertz par exemple. Effet Doppler et battements acoustiques Nous avons vu que nous pouvions mesurer la vitesse d'un objet émettant on son et en mesurant sa fréquence, mais peut-on également mesurer cette vitesse si nous ne disposons pas d'un fréquencemètre ? Un outil intéressant que les musiciens ont utilisé depuis de nombreux siècles pour mesurer des petites décalage de fréquence est le phénomène de battement acoustique; concept que nous avons abordé dans un autre article : le battement acoustique . Un battement acoustique est une variation régulière de l'intensité sonore, facilement détectable à l'oreille, et qui se produit quand deux sons purs sont émis en même temps avec un faible décalage de fréquence. Si ce décalage est inférieur à 20 hertz, on entend à l'oreille les variations régulières et périodique dues aux interférences entre les deux ondes sonores. Pour des décalages supérieur on met le phénomène en évidence par une du niveau d'intensité sonore qui montre les variations périodiques d'intensité caractéristiques. Si nous considérons à présent un mobile en mouvement émettant un son pur d'une certaine fréquence f. Pour un observateur immobile l'onde est décalée d'une fréquence Δf due à l'effet Doppler. Pour des vitesses inférieures à 10 m/s, cette variation sera de l'ordre de quelques dizaines de hertz. Si en même temps cet émetteur émet un son de même fréquence f, les deux ondes vont interférer et créer un battement de fréquence Δf qui peut être mesuré grâce à la mesure de niveau sonore. On a donc un moyen de mesurer la fréquence du décalage Doppler, sans mesurer la fréquence du signal, mais en mesurant son intensité, résultat de l'interférence de deux sources sonores de même fréquence, l'une en mouvement et l'autre immobile. Réalisons ce montage avec un pendule sonore. Nous attaquons au bout d'un pendule une source sonore d'une certaine fréquence f. Nous plaçons ensuite une source sonore de même fréquence f que celle émise par le pendule sonore à côté du point le plus bas du pendule, au repos nous n'entendrons qu'une seule fréquence. Mais si le pendule oscille, du fait de l'effet Doppler le son émis par le pendule sera décalé en fonction de la vitesse du pendule par rapport à la source sonore, et un phénomène de battement apparaitra. La fréquence du battement sera maximale quand le pendule passe par son point le plus bas, et minimale (et nulle), à son point le plus haut quand la vitesse est nulle. On en déduit la vitesse maximale par effet Doppler V max = c/(T*f) avec c la vitesse du son, T la période du battement et f la fréquence utilisée. L'expérience a été réalisée avec une petite enceinte connectée comme mobile, une fréquence de 300 hertz, et l'utilisation d'un smartphone avec FizziQ à la fois comme source sonore fixe et comme outil de mesure de l'intensité sonore. Nous avons trouvé une vitesse 2,83 m/s. Comme il s'agit d'un pendule nous avons un moyen simple de vérifier ce résultat. En effet pour un pendule la vitesse maximale dépend de la hauteur h à laquelle le pendule est lâché. Par conservation de l'énergie mécanique en négligeant les frottements, la vitesse au point le plus bas est alors V max = (2*g*h) ½, avec h la hauteur pour laquelle on lâche le mobile. Dans notre exemple la vitesse théorique est V theo = 2,8 m/s donc une valeur très proche de celle que nous avons calculé par la méthode du battement acoustique. Effet Doppler et battements acoustiques La combinaison de l'effet Doppler et des battements acoustique a été popularisée par Ulysse Delabre qui l'a utilisée pour effectuer une estimation de la vitesse du son. les détails se trouvent sur cette video : https://www.canal-u.tv/chaines/univ-bordeaux/les-smartphones/18-les-smartphones-determination-de-la-vitesse-du-son-par Conclusion L'exploration de l'effet Doppler à travers l'utilisation de smartphones offre une perspective éducative riche en possibilités. Cette approche pédagogique permet d'aborder des concepts scientifiques complexes de manière pratique et interactive, tout en tirant parti de la technologie moderne. Les élèves peuvent ainsi développer leur compréhension des principes physiques fondamentaux tout en acquérant des compétences essentielles en observation, en mesure et en analyse de données. Cette approche éducative, en intégrant la technologie mobile omniprésente dans la vie quotidienne des élèves, offre également une occasion unique de susciter leur intérêt pour les sciences et de les encourager à envisager des carrières dans des domaines liés à la science, à la technologie, à l'ingénierie et aux mathématiques (STEM), mais également de leur ouvrir les yeux sur les technologies qui sont utilisées dans la vie de tous les jours.

L'accéléromètre est devenu un des capteurs le plus important de nos téléphones portables. Dans cet article nous découvrons en détail à quoi il sert et comment il fonctionne. Table des matières A quoi sert l'accéléromètre dans un smartphone ? - Les différentes manières de calculer l'accélération - Principe de fonctionnement de l'accéléromètre - Mesure du déplacement - La technologie MEMS - Accélération absolue et accélération linéaire - Précision et calibration d'un accéléromètre MEMS A quoi sert l'accéléromètre d'un smartphone ? Jusqu'à l'introduction des capteurs dans les téléphones portables, l'accéléromètre était un instrument scientifique peu connu, cantonné à des applications très spécialisées comme les stations inertielles des avions et des sous-marins, la détection de chocs pour les déclenchement d'airbags, ou l'étude des tremblements de terre . Avec les progrès de la miniaturisation qui a permis d'avoir des puces accéléromètres de taille inférieures au millimètre, ce capteur a pris une autre envergure et est maintenant présent dans tous les smartphones. Avec la sortie de l'iPhone en 2007 il a été utilisé pour gérer l'orientation automatique de l'écran , puis au fil des années il a pris dans nos appareils digitaux une place croissante. Aujourd'hui, les accéléromètres sont utilisés dans le domaine de la prévention , pour alerter les services médicaux d'urgence lors de chutes. Il est également utilisé pour analyser notre activité physique , par exemple, de reconnaître si nous marchons et combien de pas nous avons fait, ou si nous montons des escaliers. Couplé à d'autres capteurs comme le gyroscope ou le magnétomètre, ils est utilisé pour connaître la position a tout moment d'un mobile et est utilisé dans les jeux par exemple. Les différentes manières de calculer l'accélération L'accélération est une grandeur physique qui décrit la variation de la vitesse d'un objet au cours du temps. Elle correspond à la mesure de l'augmentation ou de la diminution de la vitesse d'un objet par unité de temps. L'accélération peut être positive ou négative, en fonction du sens de la variation de la vitesse, et elle s'exprime en mètres par seconde carré (m/s²) dans le système international d'unités (SI). Mathématiquement, l'accélération est donnée par la formule : a = δ v/ δ t où a est l'accélération, v la vitesse et t le temps. Il existe pratiquement deux moyens de calculer l'accélération : A partir de la vitesse de l'objet en dérivant sa valeur A partir de la deuxième loi de Newton, aussi appelé Principe Fondamental de la Dynamique Pour utiliser la première méthode, il faut donc disposer d'un moyen de calculer avec précision la vitesse. Malheureusement dans la plupart des cas il est difficile voire impossible de calculer la vitesse d'un objet avec suffisamment de précision . un outil souvent utilisé est le GPS mais sa précision et la fréquence d'actualisation des données ne sont pas suffisamment précises pour calculer l'accélération avec précision. On pourrait imaginer d'autres moyens mais aucun n'est suffisamment facile à mettre en place ou précis pour produire une donnée acceptable pour l'accélération. La deuxième manière de calculer l'accélération utilise la deuxième loi de Newton ou principe fondamental de la dynamique qui affirme qu' une force résultante exercée sur un objet est toujours égale au produit de la masse de cet objet par son accélération . Si on est capable de mesurer la force qui s'exerce sur un mobile, alors on peut déduire l'accélération à laquelle il est soumis. Nous allons voir qu'en utilisant quelques composants mis ensemble de manière astucieuse, on peut déterminer la force qui s'exerce sur un corps donc déterminer son accélération. Principe de fonctionnement de l'accéléromètre Imaginons que nous connections une petite masse d'un poids suffisamment faible et à un ressort lui-même connecté au cadre de l'appareil dont on veut connaître l'accélération, comme représenté sur le graphique ci-dessous. Accéléromètre à ressort dans un smartphone Considérons les composants du schéma ci-dessus. Si l'on déplace le smartphone, la petite masse va initialement rester à sa position par inertie, et la longueur du ressort va se modifier d'une valeur que l'on note x. Cette déformation du ressort crée une force de rappel qui est proportionnelle à son allongement : F = kx avec k la raideur du ressort, et x le déplacement. D'après la deuxième loi de Newton cette force crée une accélération de la masse telle que F = ma où a est l'accélération de la masse et m son poids. On en déduit que kx = ma d'où a, l'accélération de la masse : a = kx/m. La résolution de l'équation différentielle montre que l'accélération du portable est égale à la somme de deux termes : un terme dépendant du déplacement x et une oscillation dont la dépend (k/m)^0,5. Si la raideur du ressort k est importante par rapport à m, le terme d'oscillation est négligeable et l'accélération du smartphone est directement proportionnelles au déplacement x . Mesure du déplacement Comment mesurer le déplacement x ? La lecture directe ne peut être utilisée que dans les cas où l'accélération est continue. Par exemple pour calculer l'accélération auquel est soumis un astronaute dans une centrifugeuse ou un pilote dans un avion. Mais si cette valeur value rapidement cette méthode ne convient pas. Une des méthodes que l'on utilise dans les capteurs modernes fait appel aux caractéristiques des condensateurs. Un condensateur est composé de deux armatures conductrices séparées par un isolant. Sa principale propriété est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses renforts. Il s'avère que la capacité de stockage d'un condensateur est inversement proportionnelle à la distance entre les plaques conductrices. Il existe de nombreuses manières de calculer électroniquement la capacité d'un condensateur, si l'on connecte une plaque sur le mobile et une autre sur la masse connectée au ressort, on peut alors estimer l'espacement des plaques en calculant la capacité du condensateur. Utilisation d'un condensateur pour déterminer la distance La combinaison d'un ressort et d'un condensateur est la méthode la plus utilisée pour calculer l'accélération. La technologie MEMS Une des difficultés qu'on rencontré les ingénieurs est de réduire la taille du capteur pour que cet instrument de mesure tienne dans un portable. C'est là qu'intervient la technologie des MEMS, qui signifie Micro Electro Mechanical System. Un MEMS est un petit circuit intégré dans lequel nous avons des pièces mécaniques et des pièces électroniques complètement intégrées. Les premiers MEMS ont été développés dans les années 1970. À quoi ressemble un accéléromètre MEMS? Il s'agit de la photo MEMS d'un iPhone 4 (https://www.memsjournal.com/2010/12/motion-sensing-in-the-iphone-4-mems-accelerometer.html). On voit sur cette photo les ressorts, la masse qui entoure l'objet, et les condensateurs qui sont orientés dans deux directions, X et Y. Ces deux séries de condensateurs sont orientées à angle droit pour mesurer l'accélération dans deux directions. Si on veut connaître l'accélération dans les trois directions, il faut ajouter un troisième accéléromètre dans la direction de la face du smartphone. Comme ceux-ci sont en général peu épais, les ingénieurs ont modifié le design et sur la photo on voit ce capteur au-dessus des deux autres. Accélération absolue et accélération linéaire Maintenant que nous savons comment fonctionne l'accéléromètre de nos smartphones, essayons de comprendre ce qu'ils mesurent exactement. Lorsque nous plaçons notre capteur vertical, la masse des accéléromètres est attirée par la gravité, et ainsi le capteur indiquera une force et donc une accélération, celle de la pesanteur, g. C'est la raison pour laquelle le capteur affiche la gravité quand il est au repos. Si je laisse tomber mon portable, le portable est alors en apesanteur pendant un court instant, et l'accélération absolue est nulle. Vous pouvez le vérifier avec FizziQ en laissant tomber votre portable sur un lit (bien moelleux) et en enregistrant l'accélération absolue. Cette expérience vous permettra d'ailleurs de calculer la gravité g en mesurant la durée de la chute. L'accélération qui est calculée par l'accéléromètre est appelée accélération absolue , on l'appelle également accélération avec g car elle inclue le pesanteur. On la distingue de l' accélération linéaire ou accélération sans g , qui est l'accélération d'un mobile quand on enlève le vecteur de la pesanteur. Nous verrons dans un autre article comment calculer cette valeur qui est indispensable pour certaine applications. Précision et calibration de l'accéléromètre L'accélération mesurée par les MEMS de nos portables est par construction affectée par la pesanteur, et donc au repos l'accéléromètre affichera la valeur égale à l'accélération de la pesanteur, soit 9,81 m/s². En utilisant les différentes composantes de l'accélération absolue, on peut déterminer l'orientation du portable. Si je sélectionne l'accélération verticale absolue, je trouverai la projection de l'accélération due à la pesanteur sur l'axe vertical de mon portable. Mon portable à plat affiche zéro, mais verticalement, la mesure est de 9,81 m/s² ... La calibration de l'accéléromètre est un processus qui permet de corriger les éventuelles erreurs de mesure de l'accéléromètre en le recalibrant. Cela peut être nécessaire si l'appareil ne détecte pas correctement les mouvements ou s'il enregistre des mesures incorrectes. Si on mesure l'accélération absolue d'un portable au repos, on trouve que le nombre affiché n'est pas exactement égal à 9,81 m/s² mais à une valeur approchée de cette valeur. En fait, tous les portables afficheront des valeurs différentes car les capteurs ne sont pas calibrés avec précision pour donner ces informations. Est-ce un un problème ? Pas vraiment car une précision meilleure que 1% n'est pas forcément nécessaire pour les applications habituelles de reconnaissance de mouvement. Ce serait une autre histoire si nous utilisions ces capteurs pour calculer notre position comme le font les sous-marins nucléaires ... Note : Merci à Daniel Rouan pour sa contribution sur les calculs théoriques.

L'effet de serre, à l’origine du phénomène de réchauffement climatique, est difficile à montrer par des expériences simples. De nombreuses propositions sont pourtant disponibles sur internet mais peu sont réellement reproductibles et nombreuses sont celles qui donnent de mauvaises représentations physiques du phénomène [1] . Cet article propose des méthodes pratiques et des outils accessibles pour aider les enseignants et les éducateurs à expliquer ce phénomène de manière engageante. Une expérience populaire de l'effet de serre - Les défis de l'effet de serre en bouteille - Les instruments de mesure - Le rayonnement infrarouge - Conduction et absorption - Rayonnement du corps noir - L’albédo - Identification des gaz à effet de serre - Spectre d’absorption du CO2 - Le refroidissement de la stratosphère Une expérience populaire de l'effet de serre Quelle est l'expérience idéale pour démontrer l'effet de serre ? En tapant « effet de serre expérience » sur un moteur de recherche, une suggestion revient souvent : comparer les températures de deux bocaux de verre, l'un ouvert et l'autre fermé, chacun contenant une feuille de papier noire au fond et exposé au soleil. Lorsqu'on ferme l'un des bocaux avec une vitre ou un plastique, la température dans le bocal fermé augmente plus rapidement que celle du bocal ouvert, atteignant jusqu'à 4 à 5 degrés de plus. Pourtant, si cette expérience est simple à mettre en oeuvre et produit des résultats toujours probants, il est bien établit qu'elle n'offre malheureusement pas une représentation réalistes des phénomènes à l'oeuvre dans l'effet de serre qui réchauffe la terre. En effet, si la température est plus élevée dans le bocal fermé, c'est essentiellement à cause de la suppression des courants de convection qui refroidissent l'air dans le bocal ouvert, et non pas de l'effet radiatif que l'on nomme effet de serre climatique. Cet explication a été proposé dès 1774 par le scientifique suisse Horace-Bénédict de Saussure et confirmé en 1909 par le scientifique Robert Williams Wood qui a montré que même en remplaçant le verre d'une serre par du halite, transparent aux infrarouges, la température augmentait de manière similaire, prouvant que l'effet observé est principalement lié à la convection. L'expérience précédente montre l'effet de serre "de serre" (ou "agricole") et non pas l'effet de serre "climatique" (ou "terrestre"). Si cette expérience continue d'être présentée en classe, ce n'est pas donc parcequ'elle offre une bonne représentation du phénomène, mais parcequ'elle donne une analogie simple et visuelle utile pour introduire les concepts de base de l'effet de serre, particulièrement à destination des plus jeunes. Elle est utile du point de vue pédagogique mais ne prouve rien en ce qui concerne le réchauffement climatique. Doit-on cependant en rester là ? Dans la suite nous verrons qu'il est possible d'offir des représentations beaucoup plus pertinentes du phénomène d'effet de serre climatique et de montrer expérimentalement l'effet radiatif des gaz à effet de serre. Cette tâche parfois un peu difficile est largement récompensée par la compréhension intime et précises que l'on peut alors avoir du phénomène. Les défis de l'effet de serre en bouteille Le phénomène d'effet de serre à l'otigine du réchauffement climatique est bien connu. Il est du au fait que certains gaz dans l'atmosphère terrestre, tels que le dioxyde de carbone (CO₂) et le méthane (CH₄), ainsi que la vapeur d'eau, absorbent et réémettent les radiations infrarouges émises par la surface terrestre. C'est cet effet radiatif que l'éducateur ou le jeune scientifique cherche à mettre en évidence à travers des activités expérimentales. Mettre cet effet de serre "en bouteille" est cependant plus hardu qu'il n'y parait : John Tyndall, le premier à avoir mesuré l'effet radiatif du CO2, rappelle ainsi qu'il a réalisé plus de 10 000 expériences différentes pour finalement prouver en 1859 que le gaz carbonique était un gaz à effet de serre [4] . Le premier obstacle que rencontre l'observateur est le fait que que la transmission de la chaleur est un phénomène complexe qui résulte de la combinaison de trois phénomènes différents : la conduction, la convection et le rayonnement. Ces phénomènes coexistent dans la plupart des expériences sur l'effet de serre, rendant très difficile l'isolation des effets individuels avec du matériel simple [2] . Cette difficulté est accrue par le fait que le réchauffement dû au rayonnement est relativement faible par rapport aux autres mécanismes. Une expérience d’effet radiatif impliquant une couche de 20 cm de CO₂ ne produirait au mieux qu'un réchauffement de un degré, la plupart du temps inférieur à l'impact de la convection ou de la conduction [3] . Du fait de la faible augmentation de chaleur qu'entrîane les phénomènes radiatifs, la reproductibilité des expériences est difficile. Les plus petites variations dans la distance des sources lumineuses, dans le choix des matériaux, dans la puissance des lampes, dans la concentration des gaz utilisés, peuvent avoir un impact significatif sur les résultats obtenus. Enfin, l'atmosphère terrestre est un environnement complexe structuré en plusieurs couches distinctes. Chaque couche présente des caractéristiques spécifiques qui contribuent à l'effet de serre, et des phénomènes de convection importants permettent de répartir la chaleur de manière homogène autour du globe. Modéliser un tel environnement dans une bouteille est impossible [6] . Pour toutes ces raisons, il n'existe pas d'expérience simple et irréfutable réalisable en classe ou chez soi qui démontre l'effet de serre « climatique » dans son ensemble. Cependant, il est possible de montrer différents aspects du réchauffement climatique par analogie ou en mesurant des effets spécifiques comme nous allons le découvrir. Les instruments de mesure Quels instruments de mesure utiliser pour montrer l'effet de serre et réaliser les expériences que nous décrivons dans la suite de cet article ? L’instrument le plus simple à utiliser et disponible est le thermomètre. Pour des mesures plus précises et dans la durée, un thermomètre digital, idéalement connecté à un ordinateur ou un smartphone pour faire de l’EXAO (Expérimentation assistée par Ordinateur), est préférable. Le thermomètre présente cependant plusieurs limitations : son temps de réaction est long, son placement dans l'étuve est crucial et il ne permet pas de mesurer directement le rayonnement. Pour mesurer les rayonnements infrarouges, on préférera utiliser une thermopile, inventé par le physicien italien Leopoldo Nobili au début du XIXe siècle . Composées de plusieurs thermocouples en série, elles permettent de mesurer à distance la température d'une surface pour des températures allant de -20 °C à 350 °C. L es thermopiles sont présentes dans les thermomètres infrarouges, mais aussi disponibles comme capteur externe pour des prix tout à fait réduits. Un autre instrument de mesure des rayons infrarouges mais plus onéreux est la caméra infrarouge, capable d'analyser le rayonnement des objets sous forme d'image. Des caméras infrarouges peuvent aujourd'hui être branchées sur un smartphone pour produire des photos ou des vidéos infrarouges. Ces nouveaux appareils, extrêmement pratiques, permettent d'analyser les phénomènes en vidéo. En complément des mesures de température, on peut utiliser des capteurs d’humidité, des capteurs de CO₂ pour mesurer les concentrations, et des cellules photoélectriques pour comparer les intensités lumineuses reçues ou mesurer l’albédo des matériaux. Tous ces capteurs existent de manière indépendante mais sont généralement assez coûteux, surtout pour faire de l’EXAO. Une solution consiste à utiliser des capteurs pour amateurs (hobbyists), connectés à un micro-contrôleur tel qu’un Arduino, ESP32 ou Microbit. On peut facilement analyser les données en connectant les contrôleurs à l’application FizziQ via Bluetooth , ce qui permet d’enregistrer et d’analyser les données dans des cahiers d’expériences. Pour ceux qui ne sont pas à l'aise avec les micro-contrôleurs, nous avons développé l'environnement FizziQ Connect , qui permet de réaliser des analyses en EXAO à un coût réduit par rapport aux autres solutions pédagogiques. FizziQ Connect utilise les capteurs M5 Stack , peu chers à l'achat et suffisament précis dans ce contexte. Un vaste choix est disponible chez d'autres fabricants comme Seed Studio . Le rayonnement infrarouge Pour comprendre le mécanisme de l’effet de serre terrestre, il est essentiel d'aborder en priorité le rayonnement infrarouge, ou "rayonnement calorifique" comme l'a nommé l'astronome britannique William Herschel en 1800. En menant une expérience avec un prisme pour décomposer la lumière du soleil en un spectre de couleurs, Herschel a observé que la température augmentait au-delà de la lumière rouge, dans une zone où aucune lumière visible n'était présente. Bien que le rayonnement infrarouge ne soit pas visible à l'œil nu, nous pouvons le ressentir sous forme de chaleur grâce à des thermorécepteurs situés dans notre peau . Certains animaux, comme les vipères, les pythons et les boas, possèdent des fossettes thermo-sensibles sur leur tête, leur permettant de détecter la chaleur infrarouge émise par les proies à sang chaud. Cela leur confère un avantage significatif pour chasser la nuit. Les capteurs des caméras de smartphones sont également sensibles aux rayons infrarouges, mais pour produire une image proche de ce que voit l'œil humain, les constructeurs ajoutent des filtres bloquant les infrarouges . Certains smartphones ont cependant des filtres moins performants ou à spectre plus large comme par exemple de nombreux smartphones Android bas de gamme. Une occasion de visualiser les rayons infrarouges ! Dans un endroit à éclairage modéré, ouvrez l'application caméra de votre smartphone et pointez-la vers l'émetteur infrarouge d'une télécommande de télévision. Appuyez sur un bouton de la télécommande tout en regardant l'émetteur à travers l'écran du smartphone. Vous verrez une lumière clignotante provenant de l'émetteur, visible sur l'écran même si elle est invisible à l'œil nu. Si votre smartphone ne détecte pas les infrarouges, cela signifie que le filtre infrarouge de la caméra est calibré pour donner une image la plus proche possible de ce que perçoit l'œil humain. Pourquoi les télécommandes utilisent-elles les rayons infrarouges plutôt que d'autres types de rayonnements ? Plusieurs raisons expliquent ce choix : simplicité technologique et coût réduit, mais aussi des caractéristiques spécifiques des rayons infrarouges. Ceux-ci sont invisibles à l'œil nu, sans danger pour la santé, ont une portée limitée et sont suffisamment directionnels pour permettre un contrôle précis des appareils sans interférer avec d'autres dispositifs électroniques à proximité. Conduction et absorption Une des avancées fondamentales de la théorie du réchauffement climatique est la découverte de l’interaction entre certains gaz, appelés gaz à effet de serre, et les rayons infrarouges [14] . Nous verrons dans d’autres expériences comment démontrer ce phénomène, mais pour le comprendre, il est plus simple d’expérimenter avec des surfaces solides. En effet, alors que certains matériaux comme le verre ou le plexiglas bloquent les rayons infrarouges (ou plutôt les absorbent), d’autres comme le polyéthylène basse densité (PEBD) transparent laissent passer les rayons infrarouges. Certains matériaux laissent même passer les rayons infrarouges alors qu’ils bloquent le rayonnement visible. Pour mettre en évidence ces notions de transparence, nous pouvons réaliser l'expérience suivante avec une thermopile ou un thermomètre digital infrarouge [5] . Une tasse est remplie d'eau chaude et une surface est intercalée entre la thermopile (circuit MLX90614) et la source de rayonnement infrarouge. Nous choisissons trois matériaux différents : une plaque de verre, un sac d’emballage transparent et un sac poubelle. Les résultats dans l’expérience que nous avons mené sont les suivants : sans matériau : 23,9 degrés, avec le verre : 18 degrés, avec le plastique transparent : 23,2 degrés, et avec le sac poubelle : 21,8 degrés. Le polyproéthylène du film alimentaire laisse donc passer 90% des rayons infrarouges, alors celui coloré des sac poubelle n'en laisse passer que 65% et que le verre est opaque. Cette expérience permet de comprendre comment l'atmosphère laisse passer les rayons visibles, mais bloque les rayons ultraviolets, dangereux pour l'homme, et certaines fréquences de rayons infrarouges. Rayonnement du corps noir L'atmosphère terrestre laisse passer les rayons visibles (et certains rayons infrarouges), qui sont ensuite absorbés par la surface de la Terre. Cette dernière réémet alors un rayonnement infrarouge, selon le principe du corps noir. Un corps noir est un objet théorique en physique qui absorbe parfaitement toutes les radiations électromagnétiques incidentes, sans en refléter ni en transmettre aucune. Il émet un rayonnement électromagnétique appelé rayonnement de corps noir, qui dépend uniquement de sa température et non de sa composition. Ce rayonnement suit la loi de Planck, décrivant la distribution spectrale de l'énergie émise. À des températures inférieures à 500 degrés Celsius, un corps noir émet des rayons infrarouges invisibles à l'œil nu. Cependant, à mesure que la température augmente, la quantité de radiation émise dans le spectre visible augmente également, rendant le corps noir visible. La loi de Wien nous permet de déterminer la longueur d'onde à laquelle le rayonnement est maximal. Pour visualiser l'effet du corps noir, on peut éclairer un carton noir avec une lampe LED et mesurer la température du carton et de la lampe avec une thermopile (ou un détecteur de température infrarouge). On constate que la température de la lampe est légèrement supérieure à celle de l'atmosphère. En effet, les lampes LED produisent très peu de chaleur, et sont donc très efficaces. Par contre la température du carton noir est plus élevée que celle de la lampe, car le carton a absorbé tous les rayons visibles et réémet des rayons infrarouges. L’albédo Un corps noir absorbe tous les rayonnements, mais dans la réalité seulement une partie est absorbé par les corps physique. Cette capacité à réfléchir la lumière incidente est l'albédo. Utilisé principalement en astronomie et en climatologie, l'albédo se situe entre 0 et 1, où 0 signifie que la surface absorbe toute la lumière et 1 qu'elle la réfléchit entièrement. Un matériau avec un albédo élevé, comme la neige ou la glace, renvoie la majorité de la lumière, contribuant ainsi à un refroidissement local. En revanche, une surface avec un albédo faible, comme l'océan ou une route asphaltée, reflète moins de lumière et en absorbe une partie. Cette fraction de lumière absorbée est convertie en chaleur, augmentant ainsi la température de la surface. C'est pour cette raison que le GIEC (Groupe d’Experts Intergouvernemental pour le Climat) affirme ainsi que « peindre les toits en blanc permettrait d'économiser 1Gt/an d'émissions de Gaz à Effet de Serre, soit l'équivalent de 250 millions de véhicules ». Une solution très ancienne puisque les Égyptiens peignaient dans l’antiquité leurs bâtiments en blanc pour réfléchir la chaleur du soleil, et les Romains utilisaient des marbres et autres matériaux réfléchissants dans les structures des bâtiments. Pour comprendre l'effet de l'albédo sur la température, rassemblez une lampe puissante (60W), des thermomètres ou capteurs connectés, et des matériaux de différentes couleurs (pâte à modeler jaune, rouge, orange, et bouteilles en aluminium grise et noire remplies d'eau). Placez les matériaux sous la lampe en gardant la même distance, inclinaison et orientation. Allumez la lampe pendant 10 minutes. Utilisez l'application FizziQ pour mesurer la luminance, une mesure de la lumière réfléchie, et calculez l'albédo comme le rapport de la luminance d'une surface par rapport à une feuille de papier blanc. Après l'exposition, mesurez les températures et observez que les matériaux sombres (rouge, noir) absorbent plus de lumière et chauffent davantage que les matériaux clairs (jaune, gris), démontrant ainsi l'impact de l'albédo sur la température. Cette expérience est décrite de façon détaillée sur le site de notre partenaire La main à la pâte en suivant ce lien . A partir de ce qui précède on peut estimer l'albédo de la terre. En proposant une répartition des surface de différentes couleurs du globe terrestre, on peut avoir une idée de l'abédo de la terre. On rapprochera cette valeur de l'estimation de 0,3 qui est généralement utilisée pour estimer quelle serait la température du globe en l'absence d'effet de serre, soit -18 degrés. Identification des gaz à effet de serre En 1856, l’expérimentatrice Eunice Foote publie dans les annales de l'American Association for the Advancement of Science un papier dans lequel elle compare le réchauffement relatif de bocaux remplis de l’air, de CO2 et de vapeur d’eau. Elle constate que les bocaux remplis de CO2 et de vapeur d’eau se réchauffent plus vite et conclu avec une phrase prophétique : "Une atmosphère remplie de ce gaz (CO2) donnerait à notre Terre une température plus élevée" [13] . On sait aujourd’hui que l’expérience telle qu’elle l’a réalisée ne permet pas d’expliquer l’effet de serre « climatique », et s’explique principalement par les différences de masse volumique différents entre l’air, le CO2, et des effets de conduction et de convection dans les bocaux en verre absorbants les rayons infrarouges. Cependant l’intuition de cette pionnière était la bonne et CO2 est identifié comme un gaz à effet de serre, c’est-à-dire un gaz qui absorbe certain rayons infra-rouges et les rediffuse. De nombreuses autres expériences que l'on trouve sur internet prétendent également pouvoir démontrer l'effet de CO2 comme gaz à effet de serre. Beaucoup de ces expériences ne sont pas reproductibles ou donnent des résultats faux. Dans ces expériences les effets de convection et de conduction ne sont pas évalués alors qu'ilssont dominants par rapport à l’effet radiatif du à l’absorption des rayons infrarouges pour les gaz à effet de serre [2] [7] [10] . Par contre le protocole suivant donne des résultats tout à fait interprétables. Il consiste à comparer deux gaz ayant des caractéristiques physiques proches mais dont l’un n’est pas un gaz à effet de serre. On aura alors trois mesures à notre disposition ce qui nous permettra également d'évaluer l'effet convectif. Un gaz couramment utilisé est l'argon l’argon qui est un gaz inerte et de caractéristqiues proches de celles du gaz carbonique. Les écarts de températures dus à l’effet radiatif sont de l’ordre de quelques dixième de degrés, la précision des mesures est donc très importante. Dans l’exemple sur la photo ci-dessus, nous avons pris une bouteille en plastique coupée et tapissée de papier noir, éclairée par un projecteur de 100 W à une hauteur de 60 cm. Une sonde est placée à l’intérieur, protégée par un morceau d’aluminium pour éviter les radiation directes de la lampe et une sonde extérieure est placée à 1,5 m comme référence. A l’équilibre on mesure l’écart ΔT de température entre la sonde intérieure et la référence. On constate un effet radiatif est de 0,5°C et un effet de convection de 0,4°C. Spectre d’absorption du CO2 La molécule de CO₂ absorbe les rayons infrarouges en raison de ses modes de vibration, notamment l'étirement asymétrique et les vibrations de flexion. Lorsque les atomes de la molécule vibrent de manière à changer le moment dipolaire, ils peuvent interagir avec le rayonnement infrarouge. Ces vibrations permettent à la molécule de CO₂ d'absorber et de ré-émettre l'énergie infrarouge. Cependant la molécule de CO2 n’absorbe pas toutes les fréquences. Comme John Tyndall l’a montré avec l’élaboration du premier spectre d’absorbance de différents gaz, le CO2 a des bandes d’absorption différentes dans les infrarouges moyens et lointains (4 micromètres et 15 micromètres). D’autres composés de l’atmosphère comme la vapeur d’eau participent également au réchauffement climatique en absorbant d’autres fréquences de rayons infrarouges, notamment les infrarouges moyens autour de 6,3 micromètres. Pour visualiser cette absorption on peut faire l’expérience suivante [11] . On gonfle un ballon avec du CO2 en utilisant du bicarbonate de soude et du vinaigre, et on gonfle un autre ballon avec de l’air. Puis on mesure grâce à une caméra infrarouge la température d’une flamme de bougie placée derrière le ballon. On constate que la température maximale de la flamme diminue quand on utilise un ballon rempli de CO2, du au fait que le rayonnement infrarouge est absorbé par le CO2 présent dans le ballon. Il est également possible de reproduire l'expérience de Tyndal en construisant une chambre fermée à une extrrémite et dans laquelle on place une thermopile. Devant ce dispositif est placé une bougie qui crée les rayons infraouges. On fait entrer dans cette chambre du gaz carboniqueou de l'air placé dans un ballon. On compare l'impact de l'air et du CO2. Cet appareillage précis et permattant des conditions parfaitement reproductible est le moyen idéal pour étudier l'effet des rayons infrarouges sur le CO2. Le refroidissement de la stratosphère Une des prédictions les plus probantes de la modélisation de l’effet de réchauffement climatique est le refroidissement de la stratosphère. La stratosphère est la deuxième couche de l'atmosphère terrestre, située au-dessus de la troposphère et s'étendant de 10 à 50 kilomètres d'altitude. Elle se caractérise par une augmentation progressive de la température avec l'altitude, en raison de l'absorption des rayons ultraviolets (UV) par l'ozone. Cette couche est essentielle pour la protection de la vie sur Terre, car elle contient la couche d'ozone, qui absorbe la majorité des UV nocifs du soleil. Contrairement à la troposphère, la stratosphère est relativement stable, avec peu de mouvements verticaux d’air. En 1967, les scientifiques Syukuro Manabe et Richard Wetherald, réalisent la première modélisation sur ordinaeur de l'impact d'un doublement de la concentration du CO2 dans l'atmosphère. Il calculent que l'effet de serre entrainerait un réchauffement de la troposphère mais également, et de façon plus surprenante, un refroidissement de la stratosphère. En effet, si il y a plus de gaz à effet de serre dans la stratosphère, celle-ci qui se comporte comme un corps noir va émettre plus de rayonnement infrarouge à la fois vers le ciel et vers la terre. Mais comme moins de chaleur atteint la stratosphère puisque cette chaleur est capturée dans les couches de la troposphère, cette couche atmosphérique se refroidit car elle émet plus de rayonnement qu’elle n’en reçoit. Ce contraste entre le réchauffement de la troposphère et le refroidissement de la stratosphère est une signature claire de l'impact des activités humaines sur le climat et les prédictions de Manabe et Wetherald ont bien été confirmé par les mesures par satellites et ballons sondes. Pour expérimenter avec cet effet particulier, nous pouvons utiliser avec une piscine solaire. Une piscine solaire, ou bassin solaire, est un est un récipient dans lequel on a placé une eau fortement salée et qui est placée au soleil. La densité de l'eau augmente avec la salinité car les sels dissous ajoutent de la masse à l'eau sans augmenter son volume de manière significative. Les couches dans la colonne d’eau se stratifient naturellement selon leur densité, avec les couches plus denses (plus salées) en bas et les couches moins denses (moins salées ou douces) en haut. Cette stratification crée une situation stable où les couches plus lourdes restent en bas, empêchant les mouvements de convection qui pourraient mélanger les couches. Dans les bassins solaires, cette stratification est exploitée pour créer un gradient thermique stable. La couche supérieure, peu salée, agit comme une isolation thermique. La couche intermédiaire, avec un gradient de salinité, empêche les mouvements de convection, piégeant ainsi la chaleur. La couche inférieure, très salée et dense, absorbe et stocke la chaleur solaire. Cette configuration permet au bassin solaire de retenir efficacement la chaleur, en empêchant le mélange des couches et en maximisant l'absorption et le stockage de l'énergie solaire. Cette chaleur piégée peut ensuite être extraite à l'aide d'échangeurs de chaleur et utilisée pour diverses applications telles que le chauffage des espaces, les processus industriels ou la production d'électricité. Le bassin solaire capture et retient l'énergie solaire de manière simple et efficiente, constituant une méthode efficace pour le stockage et l'utilisation de l'énergie thermique. Ce que l'on constate et qui permet de mieux comprendre l'effet de refroidissement de la stratosphère, est que si l'on augmente la concentration de sel, à éclairement constant, la températiure de la surface de l'eau diminue. En effet, plus d'énergie est piègée au fond de la piscine, et moins d'énergie est disponible pour réchauffer la surfacede la piscine. Experimental study of the temperature regime of the solar pond in the climatic conditions of the south of Uzbekistan - G. N. Uzakov - N S Elmurodov - X A Davlonov Conclusion Comprendre et démontrer l'effet de serre, clé du réchauffement climatique, est un défi expérimental majeur. Bien que de nombreuses expériences soient disponibles, peu sont fidèlement reproductibles. Cependant, il est possible avec du matériel peu couteux de réaliser des expériences tout à fait réalistes qui permettent de montrer différents aspects du phénomène d'effet de serre [11] [12] . Des approches combinées et des analogies permettent de saisir les aspects essentiels du réchauffement climatique, soulignant l'importance d'un enseignement scientifique rigoureux et varié. En savoir plus [1] http://climatechangeeducation.org/hands-on/difficulties/heating_greenhouse_gases/sound_examples/ [2] https://rtobin.phy.tufts.edu/Wagoner%20AJP%202010.pdf [3] https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/critique-tp-co2atm.xml [4] https://protonsforbreakfast.wordpress.com/2023/09/04/tyndall-1/ [5] https://planet-terre.ens-lyon.fr/ressource/rayonnement-effet-de-serre.xml [6] https://web.lmd.jussieu.fr/~jldufres/publi/1996/Manip_Billet_1996/Scan/p_dossier_3.pdf [7] https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0143-0807/35/2/025016 [8] https://culturesciencesphysique.ens-lyon.fr/ressource/Effet-serre-Dufresne.xml [9] https://web.lmd.jussieu.fr/~jldufres/publi/1996/Manip_Billet_1996/Scan/p_dossier_3.pdf [10] http://hharde.de/index_htm_files/Harde-Schnell-GHE-m.pdf [11] https://www.sentinel-hub.com/docs/student_exploration_with_infrared_light.pdf [12] https://pubs.aip.org/aapt/ajp/article-abstract/90/4/256/2819979/Balloon-borne-two-channel-infrared-spectral [13] https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsnr.2020.0031 [14] https://jancovici.com/changement-climatique/aspects-physiques/quest-ce-que-leffet-de-serre/ [15] https://climate-dynamics.org/wp-content/uploads/2016/06/manabe67.pdf