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LOPTION « MESURES PHYSIQUES ET INFORMATIQUES » (M.P.I.) au lycée de Louis Davier.

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1 LOPTION « MESURES PHYSIQUES ET INFORMATIQUES » (M.P.I.) au lycée de Louis Davier.

2 Avec le logiciel Synchronie et un boîtier dacquisition de mesures relié à un port U.S.B., lordinateur permet la mesure de grandeurs physiques pouvant varier très rapidement Exemple : laxe dun moteur fait tourner une paille. Un capteur optique relié au boîtier de mesures permet de déterminer la durée dun tour.

3 Le logiciel Synchronie permet la mémorisation des valeurs mesurées et laffichage de courbes montrant lévolution des grandeurs mesurées en fonction du temps : chaque trait rouge correspond au passage de la paille devant le capteur.

4 Le logiciel Synchronie permet aussi laffichage de courbes montrant lévolution dune grandeur physique en fonction dune autre. Exemple: mesure de la concentration dune solution colorée à laide dun capteur photosensible.

5 Le bécher contenant la solution colorée est intercalé entre la lampe et le capteur photosensible qui est connecté au boîtier de mesures.

6 A chaque valeur de la tension Ur mesurée (en V), la courbe fait correspondre une valeur de la concentration tm de la solution (en mg/L) : cette courbe permet de déduire la concentration dune solution inconnue placée dans les mêmes conditions devant le capteur.

7 Pour connaître la relation qui existe entre la tension Ua (en V) qui existe entre les bornes dune ampoule et lintensité I (en A) qui la traverse, on construit le circuit ci-contre et on fait mesurer par lordinateur valeurs des tensions Ua et Ur pendant quon augmente de 0 à 10 V la tension imposée par le générateur. On saisit la valeur de la résistance R = 10, et on demande au logiciel de calculer les valeurs de lintensité I qui traverse la lampe et la résistance : I = Ur/10. (En effet, la loi dOhm pour la résistance sécrit Ur = 10 I).

8 Le logiciel peut alors tracer la courbe Ua en fonction de I (cest la courbe caractéristique de lampoule).

9 En plus du calcul très rapide de nouvelles grandeurs à partir des grandeurs mesurées, le logiciel Synchronie permet la modélisation mathématique, cest à dire la détermination de léquation dune courbe trouvée par lexpérience. Par exemple, on peut étudier la durée de chute de diverses billes, lancées horizontalement de hauteurs diverses, et avec des vitesses variées.

10 Un capteur optique connecté à la voie N° 0 du boîtier de mesures détecte le passage de la bille au début de la chute. Un micro connecté à la voie N°1 du boîtier de mesures détecte larrivée de la bille en fin de chute. Le logiciel est configuré pour que le chronométrage démarre quand la bille coupe le faisceau du capteur optique.

11 Chaque groupe de 2 élèves réalise lexpérience avec une hauteur de chute h différente et détermine avec un réticule la durée de chute tc correspondante. Durée de chute Signal fourni par le micro (en bleu). Signal fourni par le capteur optique. (en noir).

12 {Modèle=a0+a1*X+a2*X^2} a0= a1= a2=4.744 Léquation trouvée par le logiciel montre que après une durée de chute t, la distance parcourue est h = ½. g. t 2 (avec g = 9,81).

13 Date : Compte rendu de TP Groupe : Pigné Jérémy et Michel Elodie Objectif du TP : Calculer la fréquence de rotation du moteur. Outils utilisés et branchements : -Générateur. -Moteur E. -Capteur optique. -Boîtier dinterface. Le moteur E a été branché au générateur réglé à une tension de 5V de même pour le capteur optique qui a été relié au boîtier dinterface. Configuration du logiciel Synchronie2003 : points pour 1seconde Détermination de la durée dun tour : T La durée qui sépare 2 pics correspond à ½ tour car la paille passe 2 fois par tour devant le capteur. Nous avons donc mesuré la durée correspondant à 20 intervalles pour avoir la durée de 10 tours : 286 ms, puis nous avons divisé par 10 cette durée pour trouver la durée dun tour. Un tour dure environ 28.6 ms Nous avons mesuré la durée de 10 tours devant le capteur, car cela donne une moyenne qui réduit ainsi le taux dincertitude par 10. Calcul du nombre de tours par seconde (fréquence de rotation) : Une seconde est égale à 1000 ms. Et nous avons divisé une seconde par la durée dun tour ms/28.6 = soit environ t/s

14 Tous les domaines scientifiques sont donc concernés : mécanique, optique, acoustique, magnétisme, chimie, et évidemment électricité, puisque tous les capteurs utilisés fournissent des tensions très souvent proportionnelles aux grandeurs physiques que ces capteurs mesurent. Cela explique que nous consacrons aussi un certain nombre de séances à létude expérimentale des lois fondamentales de lélectricité, ainsi quà celle de composants électroniques utiles pour nos mesures : amplificateurs et comparateurs notamment.

15 Létude de lélectricité est rendue plus attrayante et moins risquée par lutilisation dun bon logiciel de simulation : Crocodile Physic.

16 Dans loption M.P.I., on ne fait pas de technologie, cest à dire quon ne cherche pas à organiser une production : On y pratique les sciences physiques. Le programme est orienté essentiellement vers la mesure de grandeurs physiques à laide de lordinateur en utilisant divers capteurs que lon intègre dans des montages simples : capteurs de pression, de température, de lumière, de vitesse, capteurs sonores, de champ magnétique, de force, etc...

17 Le programme propose aussi une initiation à lélectronique numérique permettant la compréhension de la manière dont lordinateur effectue les mesures et stocke les données. Létude des portes logiques est très utile pour les futurs élèves des sections S-SI (sciences de lingénieur).

18 On peut ainsi apprendre à commander le défilement des chiffres sur un afficheur ou la mise en rotation de laxe dun moteur pas à pas.

19 Organisation de lenseignement. Loption propose une approche pratique des sciences physiques à des groupes de 20 élèves au maximum, à raison de 3 heures (à la suite) par semaine.

20 Les élèves manipulent généralement par groupes de deux. Chaque groupe dispose dun ordinateur muni dun système de mesure et de logiciels de simulation et de traitement de texte afin de permettre lédition dun compte-rendu. Les contrôles comportent généralement une partie théorique et une partie pratique où lélève manipule seul.

21 Les élèves disposent aussi dun ensemble plus classique de matériel délectronique (fils, générateurs, multimètres, oscilloscopes, plaques dessais et composants…) quils prennent et rangent eux-même dans les armoires.

22 Recrutement: Loption M.P.I. sadresse à des élèves de seconde intéressés par les sciences physiques, mais cette option ne nécessite pas de connaissance préalable particulière en physique ou en chimie. Elle est généralement couplée : Soit avec loption S.V.T. (Sciences de la Vie et de la Terre), Soit avec loption I.S.I. (Initiation aux Sciences de lIngénieur).

23 FINALITES: Loption M.P.I. sadresse surtout à des élèves tentés par la voie scientifique (filière S): elle leur permet daccéder au plaisir de la recherche en manipulant à chaque séance, mais elle exige du sérieux et de la persévérance.

24 Cette approche expérimentale qui facilite la compréhension des relations qui existent entre les différentes grandeurs physiques est une bonne préparation aux études scientifiques ultérieures. Les élèves y acquièrent une grande autonomie, et leur maîtrise du matériel leur sera très utile dès la 1ère S.

25 Les élèves intéressés par cette approche expérimentale des sciences physiques pourront choisir ensuite lenseignement de spécialité de sciences physiques proposé en terminale S. Les élèves qui ont suivi loption M.P.I. en seconde, bien familiarisés avec le matériel, réussissent généralement très bien à lépreuve expérimentale du baccalauréat S.


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