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Nous allons étudier dans ce blog le phénomène acoustique de battements. Cette effet est très facile à créer avec l’application FizziQ et riche en découvertes dans le contexte de la démarche d’investigation. Un battement acoustique apparaît lorsque l’on émet simultanément deux sons purs de fréquences très proches. On entend alors nettement la pulsation qui résulte de l’interférence périodique des deux sons. Voilà un exemple de battements acoustique. Le battement acoustique a été utilisé historiquement pour accorder des instruments de musique, mais vos élèves reconnaitront surement cet effet souvent utilisée aujourd’hui par les compositeurs de musique électronique du genre Future Bass, comme Flume ou San Holo. On appelle cet effet le LFO, ou Low Frequency Oscillator (Oscillateur Basse fréquence). Pour étudier le phénomène de battement avec l’application FizziQ, demandez à vos élèves d’utiliser le synthétiseur de fréquences de l’onglet Outils pour générer un son de fréquence 600 hertz sur la première voie et un son à 660 hertz sur la deuxième. Puis demandez leur de réduire progressivement la fréquence de la deuxième voie jusqu’à 600 hertz. Quand la fréquence de la deuxième voie est inférieure à 620 hertz, ils commenceront à percevoir le phénomène de battement. On abordera alors les questions suivantes. Comment décrire le phénomène acoustique qui apparait quand les deux les deux fréquences sont très proches ? Quand ce phénomène apparait-il ? Comment définir la fréquence du battement ? Comment ralentir ou accélérer la fréquence du battement ? Le battement est-il une illusion de notre cerveau ou un phénomène physiques mesurable ? Le battement est caractérisé par un phénomène de pulsation du volume sonore. En expérimentant avec le synthétiseur, les élèves constateront que le battement devient perceptible quand la différence entre les deux fréquences est inférieure à 20 hertz. Les élèves découvriront également que plus la différence de fréquence entre les deux sons est faible et plus la fréquence du battement est faible également. Finalement il pourront s’assurer que le battement n’est pas une illusion de notre cerveau en faisant l’expérience suivante : en utilisant deux portables générant chacun une seule fréquence, ils vérifieront que l’on entend le battement si on place les portables à côté l’un de l’autre. Par contre si on place un portable près de l’oreille droite et l’autre près de l’oreille gauche, le phénomène disparait. Il s’agit donc bien d’un phénomène physique d’interaction entre les deux ondes et non pas une illusion auditive. Une fois l’analyse générale du phénomène terminée, et ayant constaté que la fréquence du battement dépend de la fréquences deux sons, on demandera aux élèves de chercher une relation empirique entre ces grandeurs. En chronométrant la période du battement peuvent-ils déterminer empiriquement cette relation ? Pour calculer plus précisément cette relation, peuvent-ils utiliser un instrument de mesure de l’application FizziQ pour mesurer précisément la période des battements ? La relation déterminée est-elle dépendante du niveau absolu des fréquences ou seulement de leur différence ? Les élèves détermineront aisément que la fréquence du battement est égale à la différence des fréquence. Ils pourront pour cela utiliser un chronomètre et mesurer la période ou mieux enregistrer le volume sonore dans l’onglet Mesures et analyser la séquence dans leur cahier d’expérience. Il pourront refaire la mesure pour différentes combinaisons et ainsi vérifier que la fréquence du battement ne dépend pas du niveau absolu des fréquences mais uniquement de leur différence. Ces analyses pourront être récapitulées par l’élève dans le cahier d’expérience sous forme de graphiques ou d’un tableau récapitulatif auxquels les élèves ajouteront du texte pour expliquer leurs hypothèses et leurs conclusions. Pour mieux visualiser le phénomène de battement, vous pourrez ensuite demander aux élèves d’utiliser l’oscillogramme pour étudier l’amplitude du signal sonore. Il est préférable d’utiliser deux sons purs ayant un écarts de fréquence de l’ordre de 15 à 20 hertz. L’échelle de l’oscilloscope peut être ajusté grâce au bouton d’échelle en haut à gauche. En étudiant le phénomène avec l’oscilloscope, on demandera aux élèves de caractériser la courbe suivie par l’amplitude du signal ? On parle souvent de phénomène d’enveloppe, quelle est l’enveloppe de cette courbe ? Les élèves peuvent-ils mesurer la période de l’enveloppe ? Peuvent-ils également mesurer la fréquence du signal qui est enveloppé ? Que peuvent-ils déduire de cette analyse ? L’oscillogramme permet aux élèves de visualiser le phénomène de façon très précise. Ils détermineront que l’enveloppe permet de moduler un signal en augmentant et réduisant le volume sonore de ce signal de manière régulière. Il pourront ainsi mieux interpréter le phénomène de LFO qui leur est très familier. D’autre part ils constateront également que le signal modulé a une fréquence égale à la moyenne des deux signaux. Il est difficile d’aller plus loin dans l’analyse pour les élèves plus jeunes, mais pour ceux de terminale dans le cadre du grand oral, ou en première année d’université, la prochaine étape est alors d’expliquer les résultats de ces expériences par la théorie. Considérons deux ondes de fréquences f1 et f2 de même amplitude maximale A. Les équations de ces deux ondes sont : f1(t) = A cos(2*pi*f1*t + phi1) f2(t) = A cos(2*pi*f2*t + phi2) Si l’on ajoute ces deux ondes, on obtient l’équation f(t) = A(cos(2*pi*f1*t + phi1) + cos(2*pi*f2*t + phi2)) En utilisant l’équation de la somme des cosinus cos(a) + cos(b) = 2cos((a+b)/2)*cos((a-b)/2) On obtient f(t) = 2*A*cos(2*pi*(f1+f2)/2t + (phi1+phi2)/2)*cos(2*pi(f1-f2)t/2 + (phi1-phi2)/2) Cette équation est le produit de deux signaux sinusoïdaux, l’un de fréquence égale à la moyenne des fréquences des deux ondes, et l’autre de fréquence beaucoup plus basse et proportionnelle à la différence des deux fréquences. Si l’on s’abstrait des variation du volume, on entend le son produit par les variations d’amplitude du premier terme de l’équation, soit un son de fréquence égale à la moyenne des deux fréquences. Ce résultat correspond bien aux résultats de l’analyse de l’oscillogramme. C’est la deuxième oscillation très lente est celle qui créée la sensation de pulsation, ce que l’on appelle l’enveloppe du son. L’oreille humaine ne détecte pas les sons de fréquence inférieures à 20 hertz, ce signal est donc interprétée comme une variation du volume sonore. On note que le son est minimum deux fois par cycle, la fréquence perçue du battement est donc le double de la fréquence, soit f1-f2. Nous avons couvert avec les battements de nombreuses caractéristiques d’une onde sonore et utilisé largement la méthode d’investigation pour cette analyse. L’étude des battements acoustique est passionnant à la fois pour les plus jeunes, familier avec l’effet de LFO, et les plus agés qui mettront en pratique la théorie des ondes. L’utilisation de FizziQ simplifie le processus d’expérimentation et permet aux élèves de conduire rapidement et simplement une vraie démarche d’investigation.

Vous avez surement remarqué qu’il existe dans FizziQ plusieurs types de mesures différentes sur la lumière : la luminance et l’éclairement. Quelle est la différence entre ces deux types de mesures, et comment l’application FizziQ calcule-t-elle ces quantités ? Quantifier la lumière n’est ni aisé ni intuitif. Doit-on se référer à la quantité d’énergie consommée par la source lumineuse, à la quantité de photons qu’elle émet, ou à la perception que nous avons du rayonnement ? Doit-on considérer l’émetteur ou le récepteur ? La photométrie définie les mesures qui caractérisent ces différents éléments. Considérons tout d’abord une source lumineuse ponctuelle. On définit le flux lumineux, ou flux visuel, comme la puissance lumineuse efficace pour l’oeil, c’est à-dire ce que l’oeil est capable d’interpréter. Cette mesure dépend donc des longueurs d’ondes émises. Le flux lumineux est exprimé en lumen (lm) et un lumen correspond à peu près à la puissance efficace émise par une bougie. Une ampoule à incandescence de 75 watt produit environ 900 lumen, autant qu’une ampoule LED consommant 13 watts. Une source lumineuse ponctuelle émet dans toutes les directions, et pour prendre en compte le fait que certaines directions peuvent être occultées, on préfère donc utiliser la notion d’intensité lumineuse qui est le flux lumineux par unité d’angle solide. Cette intensité est exprimée en candelas (cd). Par exemple les phares marins, visibles à plus de 30 km, ont une intensité lumineuse supérieure à 200 000 candelas. Dans le monde réel, les sources ne sont pas ponctuelles. Si deux ampoules émettent le même flux lumineux mais ont des tailles différentes, la plus petite apparaitra plus brillante, d’où la notion de luminance. La luminance est l’intensité lumineuse émise par unité de surface émettrice. Elle est exprimée en candelas par mètres carrés. Plus la luminance est élevée et plus la lumière apparaitra brillante. Le soleil au zénith a une luminance de un milliard cd/m2, une feuille de papier blanc au soleil, 25 000 cd/m2, et la pleine lune, 2 000 cd/m2. Finalement, nous n’avons pour le moment caractérisé que les sources émettrices mais nous pouvons également nous intéresser à la quantité de lumière que reçoit une surface donnée quand elle est éclairée par plusieurs sources lumineuses. La quantité qui est utilisée est l’éclairement qui est le flux lumineux reçu par unité de surface. Un lux est l’éclairement reçu par une surface de 1m2 sur laquelle tombe un flux de 1 lumen. Quand on étudie des panneaux solaires, on s‘intéressera particulièrement à l’éclairement. Alors éclairement ou luminance ? Tout dépend de ce que l'on veut mesurer !

Le colorimètre de FizziQ permet d’analyser en temps réel les caractéristiques de couleur des objets observés avec l’appareil photo d’un smartphone. Il permet notamment de calculer les intensités lumineuses dans les trois couleurs primaires rouge, vert et bleu. Ces mesures objectives permettent de conduire un grand type d’expériences passionnantes pour les élèves sur la composition des objets et solutions, le fonctionnement de l’oeil, la composition de la lumière, ou les battements du coeur. Comment fonctionne un colorimètre ? Les capteurs photographiques de nos portables sont constitués d’une matrice de photodiodes microscopiques. Ces diodes, qui transforment un rayonnement en signal électrique, sont sensibles à une grande plage de longueurs d’ondes. Pour séparer les couleurs on place sur le capteur photographique une mosaïque de filtres colorés. Le filtre le plus fréquemment sépare les couleurs rouge vert et bleu et s’appelle un filtre de Bayer. (Auteur: Gilles Boisclair , Interscript inc. ) La couleur est ensuite codée dans les programmes comme une combinaison de certaines quantités de rouge, vert ou bleu qui sont les intensités lumineuses perçues par les capteurs de lumière qui se trouvent derrière chaque microscopique filtre de couleur. On utilise en général une une échelle pour chaque nombre allant de 0 (minimum) à 255 (maximum). Ainsi la couleur rouge sera représentée par la matrice (255, 0,0), et du jaune (255,255,0). Comparaison avec l'oeil humain La manière dont sont perçues les couleurs dans un smartphone est donc très proche de la façon dont l’œil humain perçoit la couleur. L’oeil humain posé de un avantage supplémentaire avec des cellules particulières, les bâtonnets en pointillés noirs qui sont spécialement adaptés aux faibles luminosités. Quelles mesures peut-on faire avec le colorimètre de FizziQ ? Le colorimètre analyse en temps réel les données provenant du capteur photographique pour créer des informations pertinentes pour l’utilisateur. Le « spectre » de couleurs donne des informations sur les proportions relatives des intensités perçues à travers les filtres rouge, vert et bleu. Ces mesures permettent de nommer les couleurs, une information que l’in retrouve dans la mesure « Couleur ». Le mesure d’ « intensité » permet d’étudier l’intensité lumineuse pour un filtre particulier, rouge, vert et bleu. Par exemple si l’on veut enregistrer la composition en chlorophylle verte de plusieurs feuilles dans un tableau. Enfin l’ « absorbance » mesure le logarithme de l’intensité mesurée par rapport à une valeur de référence. Toutes ces mesures permettent de faire des analyses de qualité sur les couleurs grâce à l’appareil photo de son portable. En quoi le colorimètre est-il différent d’un spectromètre ? Un colorimètre mesure la lumière réfléchie par un objet, et cette mesure dépend donc de la qualité de la lumière incidente, et de la qualité du capteur photographique et des filtres. Le spectromètre fonctionne de façon différente. Un spectromètre contient un petit dispositif appelé monochromateur, qui permet de générer des lumières de longueur d’ondes particulières qui éclaireront l’échantillon. C’est l’intensité réfléchie par l’objet éclairé par la lumière incidente monochromatique qui est mesurée. Un spectromètre permet donc des mesures de meilleures qualité qu’un colorimètre car il ne dépend pas de la qualité des filtres et de la lumière incidente, mais également car il permet d’analyser toutes les longueurs d’ondes et non pas uniquement les sensibilités centrées autour de trois longues d’ondes particulières. A quoi sert un colorimètre en classe ? Le colorimètre est un outil extrêmement utile pour l’enseignement en classe, peu cher et facilement utilisable sur le en classe, terrain ou à la maison. Les informations qu’il produit sont suffisamment précises pour permettre des expériences de qualité sur des sujets très variés. Par exemple : 1. Analyse des couleurs des feuilles 2. Mesure de la fréquence cardiaque 3. Confirmation de la loi de Beer-Lambert 4. Déficiences de la vision 5. Décomposition et recomposition des couleurs En complément du colorimètre, vous retrouverez dans les Outils de l’application FizziQ un synthétiseur de couleur qui permet de conduire des expériences sur l’addition des couleurs. Il peut également être utilisé comme source coloré dans de nom creuses expériences. En conclusion Le colorimètre ouvre des voies pédagogiques nouvelles pour tous les niveaux et nous espérons que vous serez tout aussi intéressés à utiliser cet outil avec vos élèves que nous avons été passionnés à le développer. Pour en savoir plus : https://askabiologist.asu.edu/batonnets-et-cones http://pascalhenry.e-monsite.com/pages/matrice-de-bayer/

Si le programme de terminale s'apparente souvent à une course de sprint, les programmes de seconde et de première laissent plus de temps aux enseignants pour des séquences d'expérimentation. L'utilisation de FizziQ permet de rendre ces séquences plus attractives pour les élèves, tout en les simplifiant pour le professeur. Pour vous accompagner, nous avons rassemblé une vingtaine de protocoles qui permettent d'aborder différentes parties du programme de sciences en seconde et en première. Etude des ondes sonores : Etudier le son avec FizziQ est rendu extrêmement simple par l'utilisation de la bibliothèque de sons et du générateur de fréquence qui donnent accès à des sons calibrés qui peuvent être directement analysés par l'élève avec son portable ou sa tablette. L'étude expérimentale des ondes sonores devient accessible, et permet à l'enseignant d'illustrer des notions parfois difficiles à enseigner. Nous proposons ci-dessous une liste de 10 protocoles sur le son que vous pouvez utiliser en classe ou comme travaux à faire à la maison : Analyse de fréquences de diapasons de différentes époques : https://www.fizziq.org/team/diapasons Analyse spectrale de la prononciation de voyelles : https://www.fizziq.org/team/les-voyelles Etude de la gamme et des fréquences des notes de musique : https://www.fizziq.org/team/la-gamme Timbre d'un instrument et harmoniques : https://www.fizziq.org/team/le-timbre-d'un-instrument Sons non harmoniques par l'étude du son de cloches : https://www.fizziq.org/team/qu'est-ce-qui-cloche-%3F Effet Doppler : https://www.fizziq.org/team/effet-doppler Calcul de la vitesse du son : https://www.fizziq.org/team/boum Relation entre distance à la source et niveau sonore : https://www.fizziq.org/team/chloé-au-concert Addition de deux sources sonores : https://www.fizziq.org/post/l-addition-de-deux-sons-augmente-t-elle-le-niveau-sonore-de-3-décibels Battements acoustique et interférences: https://www.fizziq.org/team/flume Etude du mouvement : Les smartphones intègrent plusieurs capteurs très utiles pour l'étude du mouvement: l'accéléromètre et le gyroscope. Ces capteurs produisent des données à des fréquences élevées et sont intuitifs pour les élèves. Ils permettent de mettre en lumière certains concepts qui sont difficiles à étudier en laboratoire. Voici une liste de 6 expériences sur le mouvement, faciles à réaliseren classe et qui utilisent ces capteur : Relation entre accélération centripète et rotation : https://www.fizziq.org/team/astronaute-et-essoreuse Relation entre accélération centripète et rotation (2) : https://www.fizziq.org/team/en-orbite Mouvement rectiligne avec le déplacement d'un robot sur Mars : https://www.fizziq.org/team/perseverance-sur-mars Construire un podomètre avec l'accéléromètre : https://www.fizziq.org/team/un-kilomètre-à-pied Conservation de l'énergie d'un pendule : https://www.fizziq.org/team/leibnitz Analyse du rythme cardiaque : https://www.fizziq.org/team/accélérocardiogramme Etude cinématique : Les capteurs de mouvements tels que l'accéléromètre ou le gyroscope permettent une analyse microscopique des mouvements mais n'autorisent pas des analyse plus globales du mouvement. C'est pour cette raison que nous avons développé le module de cinématique qui permet d'analyser par la vidéo la position, la vitesse ou la rotation d'un objet dans l'espace. Grâce à la puissance des portables, l'élève peut analyser très rapidement avec son portable des séquences qu'il enregistrera lui-même ou qu'il trouvera sur le site www.fizziq.org ou qui lui seront transmis par son professeur. Voici deux exemples de protocoles qui peuvent être réalisés : Etude de la vitesse d'atterrissage d'une fusée Space X: https://www.fizziq.org/team/space-x Conservation de l'énergie par l'étude d'une vidéo de pendule : https://www.fizziq.org/team/huygens Mesures et grandeurs : en complément des analyses ci-dessus, il est important de réfléchir avec les élèves à la notion de précision des mesures. En effet, ils peuvent avoir l'impression que les données produites par le smartphones sont exactes et il est essentiel de leur faire mesurer l'imprécision de ces mesures. L'approche de cette notion est d'autant plus facile que les que les données capturées avec l'application peuvent être exportées dans un fichier Excel. La Fondation La main à la pâte a créé une ressource très complète sur ce thème : https://www.fondation-lamap.org/sites/default/files/upload/media/ressources/activites/fizziq/mesures-et-incertitudes-defi-fizziq.pdf