Smartphone en chute libre

Niveau
Testé en classe de seconde, option science et laboratoire

Type de ressource
Enseigner avec les équipements individuels mobiles (EIM)
 

Outil utilisé pour le test en classe

Dans cette activité, les élèves utilisent l’accéléromètre d’un smartphone lesté pour mesurer sa durée de chute sur une hauteur de 50 cm afin de conclure si un objet plus lourd tombe plus vite qu’un objet léger.
 

Compétences mobilisées
S’approprier, analyser, réaliser, valider

Scénario d'apprentissage

Étape 1

Lors de la séance précédente, on décrit la problématique par une vidéo déclenchante présentant Galilée et la chute des corps. L’objectif est d’adapter l’expérience de Galilée afin de la moderniser à l’aide d’un smartphone, objet du quotidien aux performances scientifiques intéressantes.

Étape 2

Les élèves installent chez eux une application scientifique dédiée pour relever les données de l’accéléromètre sur leur smartphone

Étape 3

Les élèves réalisent deux investigations préliminaires pour prendre en main les applications du smartphone et comprendre les phénomènes physiques associés : repérage des 3 axes x, y, z de leur accéléromètre et analyse d’un modèle simplifié de l’accéléromètre

Étape 4

Les élèves proposent un protocole aboutissant à la mesure de la durée de chute d’un smartphone lesté en fonction de sa masse

Étape 5

Les élèves réalisent le protocole pour répondre à la problématique : la durée de la chute dépend-t-elle de la masse de l’objet ?

Prolongements possibles

L’émission de La Tête au carré (mercredi 6 décembre 2017 : Galilée à l'épreuve des décimales) + vidéo Marteau et plume en chute libre sur la lune +  un historique de la mesure : satellite Microscope (14 zéros)
  

L'élève pendant l'activité

Où est l'élève pendant l'activité ? 
En classe pendant les étapes 1, 3 et 4
Hors classe pendant l'étape 2

Que fait l'élève pendant l'activité ?
Il met en œuvre la démarche expérimentale (individuellement ou en groupe)
Il conserve une trace écrite sur son carnet de bord de sa démarche expérimentale (protocole, résultats et conclusion).

Que fait l'enseignant ?
Il vérifie que les élèves ont compris le travail à faire, respectent les consignes et les règles de sécurité.
Il aide à l’utilisation de l’outil numérique pour les élèves en difficulté (tableur grapheur et application).
Il fournit des aides ciblées en cas de difficulté d’analyse.
Il joue le rôle de médiateur si le groupe ne travaille pas dans un esprit coopératif.
Il consulte les résultats transmis par les élèves et remédie au besoin (erreurs de mesure flagrants).
  

Différenciation / Diversification

Différenciation  :

Chaque élève peut comparer ses propres résultats expérimentaux afin d’en tirer une conclusion à la problématique.

Les groupes avancent à leur rythme sur leur travail expérimental. Les élèves en avance font une analyse graphique plus précise ou ont pour rôle d’aider les groupes en difficulté.

Diversification :

Utilisation du smartphone, objet du quotidien dont les applications scientifiques sont méconnues des élèves. Il est possible de faire étudier la chute à des hauteurs différentes.

L’élève utilise son équipement personnel (smartphone) et un équipement de l’école (ordinateur portable).

Une connexion internet est nécessaire pour installer l’application.

Tests et résultats

Cette activité s’inscrit dans un projet global en Science et Laboratoire consistant à comparer les performances de mesures d’un smartphone avec celles d’autres appareils utilisés habituellement en laboratoire. Cette étude a permis d’aborder des sujets en lien avec le programme de seconde antérieur à la réforme de 2019 : chronométrage, relativité du mouvement et inertie.

Scénario détaillé et commentaires pour le professeur (annexe 1)

Exemple de fiche récapitulative (annexe 2)

Choisir et installer la bonne application

Nous avons choisi d’utiliser l’application Phyphox, notamment car sa fréquence d’échantillonnage réelle de 100 Hz est suffisante pour étudier un phénomène aussi rapide qu’une chute libre sur 50 cm. Depuis 2019, l’application Phyphox permet très simplement d’enregistrer et d’exploiter graphiquement les données de l’accéléromètre du smartphone.

Notons enfin que ces données sont exportables afin de pouvoir être traitées par un tableur grapheur. Par un contrôle à distance de cette application, le professeur peut afficher sur le vidéoprojecteur son expérience en temps réel.

Le difficile choix de l’application scientifique (annexe 3)
Utilisation de phyphox en accès distant - Vidéoprojection (annexe 4)

Le smartphone, un équipement personnel

Il est nécessaire que le règlement intérieur de l’établissement stipule que l’utilisation des smartphones est autorisée en classe à des fins pédagogiques. Une information aux familles décrivant la méthode de prévention des risques a paradoxalement été mal interprétée par les élèves qui se sont inquiétés des dangers qu’allait courir leur smartphone. Il a été nécessaire de montrer l’intérêt de la prévention du risque.

Fiche d’information concernant les risques d’utilisation du smartphone (annexe 5)

L’installation des applications n’a pas posé de problème, sauf dans le cas où les élèves avaient des smartphones microsoft ou un espace de stockage trop limité : les arguments manquent lorsqu’un élève n’efface pas de lui-même ses photos personnelles pour installer une application scientifique sur un smartphone à la mémoire saturée.

L’écran du smartphone est petit et sa tenue dans une main n’encourage pas forcément le travail en groupe. Pour sortir de son usage individuel, il est nécessaire de stimuler les échanges en donnant des rôles aux élèves et de basculer les résultats sur un grand écran favorisant les échanges dans le groupe et avec le professeur.

Résultats expérimentaux

La durée mesurée de la chute ne varie pas si on leste le smartphone. Un premier facteur d’incertitude est lié à la mesure de la hauteur de chute (environ ± 1 cm). Mais nous avons observé beaucoup de résultats aberrants à cause d’une interprétation graphique hasardeuse. Cette activité mobilise à ce titre énormément la compétence ANALYSER.

Exemple de données brutes et son analyse (annexe 6)

Exploitation des données : Bluetooth et  tableur grapheur (annexe 7)

Lester le smartphone par des livres de format poche de même taille permet de limiter l’influence de l’air entre deux expérience, de façon très simplifiée et efficace, tout en protégeant le smartphone. Une « piscine » à smartphone fabriquée par un matelas recouvert d’un drap épais est toutefois indispensable pour éviter tout dégât matériel.

Sens physique de l’accélération

La mesure de l’accélération par smartphone peut interroger bon nombre de physiciens qui n’y voient pas l’accélération au sens physique du terme. Tous les smartphones peuvent afficher une accélération dont la valeur inclue la contribution de l’accélération gravitationnelle. Au repos, cet accéléromètre renvoie une valeur de 9,8 m.s-2, ce qui est contraire à la valeur attendue par un physicien.

En exploitant les données du gyroscope et du magnétomètre, les applications scientifiques proposent depuis peu la mesure de l’« accélération linéaire » (appelée acceleration without g sur Phyphox). Lorsque l’appareil est au repos, cette « accélération linéaire » renvoie la valeur « 0 ».  Les smartphones qui possèdent un gyroscope peuvent donc mesurer une accélération au sens physique du terme. Mais ce n’est pas une majorité en 2017.

Pour plus de détail, voir (page en anglais)

phyphox.org/experiment/acceleration-without-g/

L’accéléromètre au service de la relativité du mouvement et du principe d’inertie

Afin d’éviter cette confusion bien réelle, le premier parti pris a consisté à ne pas utiliser le mot « accélération » mais plutôt « valeur affichée par l’accéléromètre ». Cette valeur est associée à une distance masse-support dont les variations sont en lien avec des notions de physique adaptées à la classe de seconde : relativité du mouvement et principe d’inertie.

 

 

  

Plus d'informations

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 Ressources

 

 
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