Utilisation de cellules piézo électriques en classe de 4ème

Quand les utiliser ? En classe de 4ème dans le chapitre : L’activité interne du globe dans la partie propre aux séismes et dans la partie sur la structure de la Terre.

Pourquoi les utiliser ? Matériel peu onéreux , donc possibilité de faire travailler les élèves par groupes de 3 élèves à condition d’avoir un nombre d’ordinateurs suffisant. Le logiciel permettant l’acquisition est gratuit (Audacity). Matériel facile à prendre en main et l’installation des cellules piézo électriques est très rapide (temps de branchement d’une prise à l’arrière de l’ordinateur.

Quel principe de fonctionnement ? Contrainte Déformation de cristaux Production d’un courant électrique Enregistrement

Quel ordinateur choisir ? Si vous utiliser un PC portable, vous ne pourrez réaliser que des enregistrements en mono (avec une seule cellule piézo électrique) via la prise microphone. Si vous utilisez un PC de bureau, vous pourrez réaliser des enregistrements en stéréo utilisant deux cellules piézo électriques via l’entrée en ligne Certains réglages permettent un enregistrement stéreo sur portable

Quel matériel ? Chaque cellule piézo électrique est reliée à une prise RCA mâle par un câble. Les fiches RCA mâles sont reliée à un adaptateur double RCA femelle jack 3,5 mm stéréo.

Détail du matériel

Quels branchements sur le PC ?   Repérer l’entrée en ligne (in) généralement de couleur bleue sur les ordinateurs récents Brancher la prise jack double dans l’entrée de couleur bleue

Comment paramétrer son ordinateur ? Double cliquer, dans la barre des taches, sur l’icône haut-parleur  

Cliquer sur Option / Propriétés Vérifier que la case entrée ligne est cochée. Si ce n’est pas le cas la cocher

Comment télécharger le logiciel Audacity ?

Comment configurer le logiciel Audacity ? -Lancer le logiciel Audacity -Sélectionner Entrée ligne - Dans le menu Edition cliquer sur préférences -        

Selon l’activité choisie Dans canaux, choisir 1 (Mono) ou 2 (Stéréo) Selon l’activité choisie

Comment lancer un enregistrement dans Audacity ? Pour lancer l’enregistrement cliquer sur le cercle rouge Pour stopper l’enregistrement cliquer sur le carré jaune  

Comment rendre les résultats exploitables ? Si l’enregistrement est peu lisible Sélectionner à l’aide de la souris la partie de l’enregistrement qui présente un intérêt particulier (la partie sélectionner se teinte en violet)  

Cliquer sur Effet puis sur Amplification Cliquer sur la loupe plusieurs fois de suite pour agrandir la portion de courbe intéressante   Cliquer sur Effet puis sur Amplification

Régler l’amplification souhaitée à l’aide du curseur puis cocher la case Autoriser la saturation, cliquer sur OK On obtient des courbes amplifiées et donc plus lisibles

Quelles activités sont réalisables ?

Origine des séismes Connaissances Les séismes résultent d’une rupture brutale des roches en profondeur. Des contraintes s’exerçant en permanence sur les roches conduisent à une accumulation d’énergie qui finit par provoquer leur rupture au niveau d’une faille

Montage expérimental : Un bloc de polystyrène est maintenu à l’aide d’un serre-joint sur un support en bois. Une cellule piézoélectrique est placée à la surface du polystyrène par un élastique. A l’arrière du support en bois se trouve une équerre métallique pour maintenir le tout verticalement. Réalisation de la manipulation Lancer l’enregistrement sur le logiciel Audacity. Tourner la poignée du serre-joint jusqu’à rupture du bloc de polystyrène. Après rupture arrêter l’enregistrement.

Après la rupture

Propagation des ondes Connaissances : A partir du foyer la déformation se propage sous forme d’ondes sismiques enregistrables. Montrer la différence de temps d’arrivée des ondes sismiques entre deux stations diversement éloignée de l’épicentre (ceci peut aussi être montré avec sismolog)

Agrandissement

Amplitude des ondes dans 2 stations diversement éloignées de l’épicentre Montrer la différence d’amplitude des ondes sismiques entre deux stations diversement éloignée de l’épicentre (ceci peut aussi être montré avec Sismolog) pour expliquer les dégâts différents

Montrer les variations de vitesse en fonction de la température : Montrer que la variation des vitesses des ondes sismiques en profondeur permet de distinguer la lithosphère de l’asthénosphère.   Les variations de la vitesse des ondes sismiques en profondeur permettent de distinguer la lithosphère de l’asthénosphère. Comment expliquer cette variation de vitesse des ondes en profondeur ? On fait l’hypothèse que la température peut modifier la vitesse des ondes sismiques

Protocole : Placer le cierge au réfrigérateur la veille de l’expérience Le jour de l’expérience ont peut envisager de réaliser 3 mesures (une en début de séance, une en milieu de séance et une à la fin). Le temps de réchauffement du cierge est relativement long et les résultats ne sont vraiment significatifs que si les écarts de température sont importants. Mettre en place les cellules piézo électriques maintenues par des élastiques aux deux extrémités du cierge et placer le thermomètre à l’intérieur de celui-ci. Lancer l’enregistrement du logiciel Audacity. Lâcher la masse (gros plomb de pêche) située à l’extrémité du fil accroché au support qui vient percuter la bordure du cierge en amont de la première cellule piézo électrique. Relever la température du cierge sur le thermomètre. Mesurer l’écart entre les temps d’arrivée de l’onde au niveau des deux cellules piézo électriques. Connaissant l’écartement entre les deux cellules piézo électriques calculer la vitesse de déplacement de l’onde dans le cierge à la température donnée par le thermomètre. Recommencer les mêmes étapes à d’autres températures.

Différence de temps d'arrivée entre les deux cellules Horaire Température du cierge Différence de temps d'arrivée entre les deux cellules Distance entre les cellules Vitesse de l'onde 10 h 5°C 0 min : 00 s 000816 0,9 m 1,1 Km / s 10h 15 7,3°C 0 min : 00 s 001224 0,7 Km / s 10h 51 12,6°C 0 min : 00 s 002086 0,43 Km /s

Vitesse de propagation en Km /s (résultats obtenus) Montrer les variations de vitesse en fonction du type de roche : Roche Vitesse de propagation en Km /s (résultats obtenus) Calcaire 1,25 Granite 2,29

Quels fournisseurs pour acheter le matériel ? Conrad : fournisseur de composants électroniques http://www.conrad.fr/webapp/wcs/stores/servlet/TopCategoriesDisplay?catalogId=10001&storeId=10001&langId=-2 Page du catalogue Conrad concernant les cellules piézo électriques Tarif au 21 novembre 2007 : 0,7 euros pièce https://www.conrad.fr/webapp/wcs/stores/servlet/ProductDisplay?catalogId=10001&storeId=10001&productId=224749&langId=-2&ItemHighLightId=224750&from_fh=1

Quels fournisseurs pour acheter le matériel ? CIERGERIE DU SUD-EST : réalise des cierges de toutes tailles (jusqu’à 1,2 m) selon les demandes.  Tél. + 33 (0) 4.71.09.16.81        Z.A. Taulhac                                 Fax. + 33 (0) 4.71.02.09.43 43000 Le Puy en Velay            Web : www.Ciergerie.com             direction.commerciale@ciergerie.com  Coût approximatif : prévoir environ 30 euros pour un cierge de 1 m de long environ et de 6 cm de diamètre.