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Smartphones en Sciences-Physiques

Les smartphones ont envahi nos établissements scolaires, la plupart des élèves en possèdent un. Mais ils sont loin d’utiliser toutes leurs possibilités. Pourquoi ne pas les utiliser en cours et en travaux pratiques ? Les smartphones ont des moyens de calculs puissants et ils sont dotés également de capteurs permettant de faire des mesures en science. D’autre part, grâce à leur taille, les expériences peuvent se dérouler à l’extérieur. Ce dossier explore l’utilisation des smartphones en travaux pratiques en science. Par exemple, en mécanique (utilisation des accéléromètre des gyromètres et des magnétomètres) mais aussi en optique, acoustique, en astronomie, seismologie…). Les possibilités sont vastes nous ne sommes qu’au début de leur exploration.


Smartphones en sciences-physiques

Philippe Jeanjacquot

Professeur de Sciences-Physiques
Lycée Chaplin-Becquerel, Décines

Publié par

Gérard Vidal

Directeur de collection
ENS de Lyon/Ifé
Résumé

Les smartphones ont envahi nos établissements scolaires, la plupart des élèves en possèdent un. Mais ils sont loin d’utiliser toutes leurs possibilités. Pourquoi ne pas les utiliser en cours et en travaux pratiques ? Les smartphones ont des moyens de calculs puissants et ils sont dotés également de capteurs permettant de faire des mesures en science. D’autre part, grâce à leur taille, les expériences peuvent se dérouler à l’extérieur. Ce dossier explore l’utilisation des smartphones en travaux pratiques en science. Par exemple, en mécanique (utilisation des accéléromètre des gyromètres et des magnétomètres) mais aussi en optique, acoustique, en astronomie, seismologie…). Les possibilités sont vastes nous ne sommes qu’au début de leur exploration.


Table des matières
Liste des illustrations
Liste des figures Contenant une vidéo
Liste des figures Contenant un son
Liste des tableaux

Introduction


Figure 1. Utilisation des smartphones en éducation

Autour de la mesure d'Eratosthène

Résumé

Dans la mesure d'Eratosthène, il est souvent délicat de mesurer la hauteur du Soleil. Voici une méthode simple pour mesurer la hauteur du Soleil avec un smartphone.


Table des matières

Présentation :

Au IIème siècle avant JC, Eratosthène réalisa la mesure de la circonférence de la Terre grâce à la position du Soleil dans le ciel au même moment (midi solaire) à deux endroits de latitude différente.

En effet, le jour du solstice d'été,  les rayons du Soleil vont jusqu'au fond d'un puits vertical à Syène (actuellement Assouan) alors que les obélisques d'Alexandrie possèdent une ombre. Ce qui signifie qu'à Assouan le Soleil est au Zénith alors qu'il ne l'est pas à Alexandrie.

Figure 1. Principe de la mesure d'Eratosthene

Pour déterminer la circonférence de la Terre il faut faire deux mesures. La distance entre les deux points de mesure. L'idéal est que les deux villes soient sur le même axe Nord-Sud.

Dans le cas de la mesure de la mesure d'Ératosthène, il faut mesurer l'angle formé par l'obelisque, supposé vertical et les rayons du Soleil.

Liens :

Regroupement de mesures d'Eratosthène

Un exemple de mesure d'Eratosthène

Site du lycée français du Caire sur Eratosthène

Intérêts des smartphones

Les smartphones permettent de mesurer facilement la hauteur du Soleil.

Les applications utilisées :

Pour IOS Angle meter (gratuit)

Ou theodolite (4€)

Pour Android : Theodolite droid (gratuit)

Mesure et astuces

Figure 2. Présentation de la mesure avec un smartphone

Position pour la mesure
Figure 3. Position pour la mesure

Pour mesurer la hauteur du Soleil, il suffit de se placer dos au Soleil et de viser l'ombre du téléphone, plus précisément l'endroit de l'ombre où est la caméra.


 L'intérêt de l'appli payante « théodolite » est de pouvoir zoomer et ainsi d'augmenter la précision.

Ecran de l'appli Théodolite avec les commentaires
Figure 4. Ecran de l'appli Théodolite avec les commentaires

Lors de la mesure vous obtenez une valeur négative. C'est l'opposé de la hauteur du Soleil.

L'image suivant a été réalisée le 15 septembre à 13H24. La hauteur théorique du Soleil est de 44°04'


Pour plus de précision, il vaut mieux avoir le smartphone horizontal (ce qui est donné à gauche sur les applis Théodolite.

Il y a une touche calibration qu'il est préférable de réaliser avant la mesure, l'écart peut être d'un ou deux degrés si cette opération n'est pas réalisée.

Si on utilise « angle meter » , c'est la même méthode  l'angle mesuré est le complémentaire de la hauteur. La hauteur en degrés s'obtient en soustrayant l'angle obtenu à 90°

Vue de l'écran de l'appli "angle meter"
Figure 5. Vue de l'écran de l'appli "angle meter"

Image réalisée le 30 septembre à 16h. Hauteur du Soleil 30°. Ici on mesure 90-60,6=29,4°


Il est possible de calibrer le téléphone avec un niveau à bulle. Coller le niveau au dos du téléphone. Mesurer l'angle obtenu quand le téléphone est vertical. Si cet angle est différent de 90° Soustraire l'angle mesuré à cette valeur.

Utilisation d'un niveau à bulle pour calibrer
Figure 6. Utilisation d'un niveau à bulle pour calibrer

Il est possible de calibrer en visant l'horizon, à condition que l'altitude de l'horizon soit la même que celle du smartphone


Pour une classe la mesure peut être réalisée par chaque élève disposant d'un smartphone qui a préalablement chargé l'application. Ce qui permet de diminuer les marges d'erreur

Classe faisant la mesure de hauteur du soleil
Figure 7. Classe faisant la mesure de hauteur du soleil

Une dizaine d'élèves dans ce groupe ont pu faire la même mesure en même temps


Essai de conversion d'un smartphone en microscope

Résumé

Pour transformer un smartphone en microscope, c'est très simple, il suffit... d'une goutte d'eau!


Table des matières

Voici la comparaison d'images avec et sans goutte d'eau

En général les smartphones ont deux capteurs qui servent de caméra et d'appareil photo. Un au-dessus de l'écran que j'appelle "caméra de la face écran" et un de l'autre côté que j'appelle "caméra de la face avant".

Pour faire office de microscope, il suffit de poser une goutte d'eau sur la caméra. La goutte d'eau est posée à l'aide d'une paille ou d'une petite pipette en plastique.

Pour la stabilité de la goutte d'eau, il est plus facile d'utiliser la face de l'écran. L'image est facilement visualisable à côté de la caméra utilisée. Par contre, la précision (définition) de cette caméra est moins bonne que celle située de l'autre côté du smartphone. 

L'utilisation de la caméra de la face avant permet d'obtenir des images plus précises. Mais il faut tenir le smartphone horizontalement au dessus de l'observateur pour que la goutte d'eau reste stable. 

Avec la caméra de la face écran

Sans goutte d'eau

Image d'une feuille de papier millimétré
Figure 1. Image d'une feuille de papier millimétré

Il y a 50mm pour 960 pixels soit 52µm par pixel (50000/960)


Avec la goutte d'eau

La goutte d'eau a été placée à l'aide d'une paille sur la caméra de la face écran du téléphone. 

Image de la goutte d'eau déposée
Figure 2. Image de la goutte d'eau déposée

Image du papier millimétré
Figure 3. Image du papier millimétré

Il y a 16mm pour 960 pixels soit 16µm par pixel (16000/960)


Avec la caméra de la face avant

Sans la goutte d'eau

Image nette sans goutte d'eau
Figure 4. Image nette sans goutte d'eau

Il y a 50 pixels par mm soit 20µm par pixel (1/50)


Avec la goutte d'eau:

Image de la goutte d'eau déposée.
Figure 5. Image de la goutte d'eau déposée.

Image du papier millimétré:
Figure 6. Image du papier millimétré:

Il y a 200 pixels par mm soit 5µm par pixel (1/200)


Conclusion

Sans parler du principe optique qui n'est pas celui du microscope, la meilleure résolution obtenue ici (5µm par pixel) n'atteint pas dans ce cas celle des microscopes. Les meilleurs microscopes optiques peuvent atteindre la limite de diffraction de 0,3µm.

Mais, bien sûr, l'usage et le coût sont totalement différents. 

Microscope x150 pour Smartphone

Auteur : Jean-Luc Richter

Début 2014, un financement Kickstarter a permis à Thomas Larson de créer une lentille miniature ventousable au téléphone portable et permettant un grossissement de 150x pour l'observation de lamelles de microscope...

Le kit est arrivé peu avant noël et il faut bien avouer que le résultat est assez bluffant !! La mise en place est simple : on sort délicatement la lentille de la boite et on la pose sur l'objectif du smartphone, le plus au centre possible. On peut alors viser la lampe à LED fournie pour s'assurer que la lentille est bien centrée. Il ne reste alors plus qu'à la pousser du plat de l'ongle pour bien la fixer.

La mise au point se fait ensuite en pressant plus ou moins fortement sur la lamelle, que l'on tient contre l'objectif, avec le smartphone en main pour éclairer avec la lampe. Il faut un petit peu d'habitude pour obtenir une image nette, mais cinq à dix minutes suffisent pour se débrouiller. On a alors accès à des images spectaculaires, pour peu qu'on ait quelques lamelles à disposition. Je n'ai eu qu'à faire appel à mes collègues enseignants de SVT pour les quelques photos que vous verrez plus bas : pattes de mouches (impressionnants crochets !), volvox, matrice d'écran LCD de mon ordinateur portable et tout peut être pris en photo ou filmé !

La lentille existe en deux versions : 15x pour 15 $ et 150x pour 50 $ (avec la lampe LED), ports compris, sur le site de Micro Phone Lens.

Figure 7. Le Contenu du Kit et la lentille posée sur un capteur de smartphone.

Figure 8. Exemples d'images : Bout de patte de mouche, volvox, matrice LCD

Utilisation de l’application « Instant Heart rate » pour mesurer sa fréquence cardiaque

Résumé

De plus en plus d'activités font référence à la mesure de la fréquence cardiaque, par exemple en classe de seconde en physique chimie. Cette application permet de mesurer de façon très simple cette fréquence.


Table des matières

Téléchargement de l'application

Avant l’activité vous devez charger l’application chez vous. L’application s’appelle « INSTANT HEART RATE ». Il y a une version pour IOS et Android. Voici les liens pour accéder aux applications

Tableau 1. Téléchargement de l'application « Instant Heart rate »

Utilisation de l’application

Figure 1. Mode d'emploi de l'application

Acoustique


Table des matières

Etude des risques acoustiques grâce aux smartphones.

Formasciences, le 26 février 2015
Figure 1. Formasciences, le 26 février 2015

Outils de mesure

L'activité se fait avec les microphones des Smartphones (éventuellement microphone branché sur le Smartphone)

Intérêts du Smartphone

Mobilité, disponibilité, outil qui utilise le son souvent en haute définition

Les élèves peuvent utiliser leur propre outil réaliser des mesures dans différents lieu à différentes heures, ils peuvent par exemple dresser une carte de « pollution acoustique »

Echelle de mesure

Ici on mesure le niveau acoustique en dB.  Le son est considéré à risques à partir de 85dB.

Etude des casques de baladeur

Exemple avec deux Smartphones : Un des Smartphones génère le son, l'autre mesure le niveau acoustique

Simulation du canal auditif

Le canal auditif mesure 25mm de long et à un diamètre d'environ 10mm

Simulation du canal auditif
Figure 2. Simulation du canal auditif

Le canal auditif est simulé par un tuyau semi flexible en matière plastique


Où est le microphone ?

Avant de commencer l'activité, il faut trouver ou est le microphone (en général il est en bas à gauche. Pour trouver le microphone, nous allons nous aider du « canal auditif relié à un casque de baladeur (intra auriculaire) »

Générer le son.

Utiliser une des applications « générateur de signal »

sur IOS: https://itunes.apple.com/us/app/audio-function-generator/id768229610?mt=8

sur Android: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.crescendosystems.afg&hl=fr

Démarrer l'application. Générer un son de 4500Hz, puissance maximale

Exemple de génération du signal avec Function Generator sur IOS
Figure 3. Exemple de génération du signal avec Function Generator sur IOS

Mesurer le niveau acoustique

Démarrer l'application : Decibel 10th (existe sur les deux systèmes d'exploitation)

Sur IOS: https://itunes.apple.com/fr/app/decibel-10th/id448155923?mt=8

Sur Android: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.skypaw.decibel

Recherche du microphone
Figure 4. Recherche du microphone

Déplacer l'ensemble (casque+ Canal auditif) vers les lieux susceptibles de correspondre au microphone. Le niveau acoustique est maximal lorsque le canal auditif est en face du microphone.


Nécessité d'une calibration
Figure 5. Nécessité d'une calibration

Les smartphones ne sont pas calibrés. Soumis à un même bruit, ils donnent des valeurs de niveaux acoustiques différents


Calibrer avec un bruit rose
Figure 6. Calibrer avec un bruit rose

Le bruit rose délivre une puissance similaire par octave (par exemple il délivre la même puissance dans l'intervalle 256Hz-512Hz et l'intervalle 512Hz-1024Hz.


Le bruit blanc délivre une puissance constante quelque-soit la fréquence.

Bruit blanc
Figure 7. Bruit blanc

Pour des raisons de similitude avec l'audition humaine, c'est le bruit rose qui est utilisé pour calibrer les appareils de mesures auditifs.

Figure 8. Calibration

 Aller dans les réglages et ajuster le niveau sonore


Ecoute musique ou signal à une fréquence donnée.

Approcher le casque du baladeur du microphone, prendre par exemple 4500Hz, sinusoidal, amplitude 100.

Mesurer le niveau sonore ;

Faire varier, mettre le baladeur au maximum. Mesurer le niveau sonore.

Niveau sonore maximal.

Augmenter le niveau sonore (pb sur certains smartphones, par exemple le wiko cink five (85dB) et le nexus5 ( le micro sature à 90dB) 

Repérer les maximum des smartphones

Simulation du conduit auditif

Le signal est plus stable. 

Pour le vérifier, il suffit de faire une mesure avec et sans le conduit auditif.

Test des bouchons d'oreille

Avec conduits auditifs de la même taille un vide, le deuxième avec un bouchon en silicone, le troisième avec un bouchon en mousse. Atténuation suivant la fréquence. Il est possible de mesurer l'atténuation en fonction de la fréquence.

Test des bouchons d'oreille
Figure 9. Test des bouchons d'oreille

Autres possibilités

Mesurer le niveau acoustique dans différentes parties du lycée en fonction de l'heure. Dans la ville…

Références pour les risques en acoustique

http://acces.ens-lyon.fr/acces/classe/numerique/smartphones

http://www.inrs.fr/risques/bruit/reglementation.html

http://www.inpes.sante.fr/CFESBases/catalogue/pdf/1362.pdf

http://www.ecoute-ton-oreille.com/

Activité Acoustique musicale

 Pour préparer  l'activité 

Pour cette étude, un Smartphone simule un instrument de musique, l'autre analyse le spectre du son émis.

Télécharger les applications dont les liens sont donnés au la section intitulée « Liste d'applications pour faire de l'acoustique musicale »

Bien regarder les tutoriels video des applications du la section intitulée « Annexe :Tutoriels vidéos d'applications musicales »

Activité pratique

Si le binôme n'a qu'un seul Smartphone. Il est préférable de l'utiliser comme analyseur de spectre sonore.  Le groupe peut

venir au bureau du professeur où un Smartphone est branché à des hauts parleurs

  • Suivre les instructions permettant de:

    1. De mesurer la hauteur du son émis par le Smartphone qui simule l'instrument ,

    2. De vérifier que la hauteur d'une même note ne dépend pas de l'instrument.

    3. De vérifier la relation entre la fréquence du fondamental et des harmoniques

    4. De vérifier les différences de timbre pour différents instruments.

    5. De vérifier le rapport entre deux notes séparée par une octave (par exemple le DO 3 et le DO 4)

    6. De vérifier que le rapport des fréquences entre deux notes consécutives est 21/12.

  • Défi : créer un son pur La 3 à 440Hz en sifflant face au Smartphone.

  • Répondre aux questions suivantes :

    1. Pour une même note, la fréquence du son dépend-elle de l'instrument utilisé ?

    2. Le son produit par le diapason est qualifié de pur. Décrire l'enregistrement d'un son pur.

    3. Le son produit par les autres instruments est qualifié de complexe. Décrire l'enregistrement d'un son complexe.

    4. La hauteur d'un son est relative au caractère grave ou aigüe d'un son. A quelle grandeur est liée la hauteur d'un son?

    5. On appelle timbre d'un son la propriété qui permet de distinguer deux mêmes notes jouées par des instruments différents. Quel élément du signal permet de différencier les timbres des instruments utilisés ?

      Pour cette partie, vous pouvez taper votre compte-rendu, inclure des copies d'écran de vos smartphones pour expliquer votre protocole. Vous pouvez annoter vos captures d'écran grâce à l'application gratuite Skitch. Voir dans la liste d'applications. http://tinyurl.com/ouszdsd

 

Liste d'applications pour faire de l'acoustique musicale

Voici une liste d'applications gratuites pour réaliser des activités d'acoustique musicale

Applications pour l'étude de l'acoustique musicale avec les smartphones  :

Androïd

Simuler les instruments

Enregistrer le spectre des sons

Spectrum analyzer  :

https://play.google.com/store/apps/details?id=com.raspw.SpectrumAnalyze

Mesurer l'intensité sonore

Android sensor box  :

https://play.google.com/store/apps/details?id=imoblife.androidsensorbox&hl=fr

Pour générer un son pur

Générateur Audio Test Son

https://play.google.com/store/apps/details?id=de.guentherkrauss.audio.audiotesttonegenerator&hl=fr_BE

IOS

Simuler les instruments

Garageband  : (gratuit sur tablette)

https://itunes.apple.com/fr/app/garageband/id408709785?mt=8

Pianolo free

https://itunes.apple.com/fr/app/pianolo-free/id418545016?mt=8

Enregistrer le spectre des sons

Ianalyzerlite  :

https://itunes.apple.com/fr/app/ianalyzer-lite/id342456044?mt=8

Eventuellement, Spectrum view (le pointeur est difficile à utiliser sur iphone mais l'échelle de l'abscisse est linéaire).

https://itunes.apple.com/us/app/spectrumview/id472662922?mt=8

Mesurer l'intensité sonore

Decibel 10th

https://itunes.apple.com/fr/app/decibel-10th/id448155923?mt=8

Pour générer un son pur

Audio gen

https://itunes.apple.com/fr/app/signal-generator-audio-test/id543661843?mt=8

Comptes rendus d'élèves de l'activité acoustique musicale

Avec Androïd : Compte rendu réalisé par Anita et Amandine élèves en terminale scientifique au lycée Chaplin de Décines (Rhône)

Avec IOS: Compte rendu réalisé par Bilel et Florian élèves en terminale scientifique au lycée Chaplin de Décines (Rhône)

Annexe : Exemples d'activités en terminale S en acoustique

par Emmanuel Thibault

Annexe :Tutoriels vidéos d'applications musicales

Pour ces expériences, il faut deux smartphones :

  • le premier qui simule l’instrument

  • le deuxième qui réalise le spectre du son.

Figure 10. Comment simuler un instrument de musique avec IOS

Figure 11. Comment simuler un instrument de musique avec Android

Figure 12. Comment étudier un spectre acoustique avec IOS

Figure 13. Comment étudier un spectre acoustique avec Androïd

Tableau des fréquences des notes.

Annexe : Applications pour l’analyse de données et la rédaction de documents

Smartphones et DNL - Formations

Philippe Jeanjacquot

Professeur de Sciences-Physiques
Lycée Chaplin-Becquerel, Décines

Jean-Luc Richter

Professeur de Sciences-Physiques
Collège J.J.Waltz, Marckolsheim

Table des matières

Smartphones en sciences-physiques en DNL

How to determine the location of the accelerometer in a smartphone thanks a record player

The idea is to use an inquiry method to find the position of the accelerometer in the smartphone without open it (of course !). This work is for a K12 pupil (or student, they are so tall…) To do so, the students will use the properties of uniform circular motion. More specifically, they will determine the radius of the circle covered by the accelerometer when the smartphone is in two different positions on a rotating disk. The intersection of the two circles will give them the position of the accelerometer in the smartphone. The uniform circular motion is created by the rotation of a record player (33rpm). They can use the documents for help and set up the procedure to locate the accelerometer in the smartphone. Locate it. Compare the results with the manufacturer's specifications.

Télécharger la fiche d'activités

Doppler effect, Smartphones and exoplanets

How to use the Smarphone to simulate the method of exoplanets detection with the radial velocity

Télécharger la fiche d'activités

Activity music and acoustic with smartphones

Work about the pitch, the tone and all of the different parameter of the sound make by a musical instrument

Télécharger la fiche d'activités

Télécharger le rapport des étudiants

Smartphone et éducation

Interview de Jean-Louis Richer

Présentation de Jean-Luc Richter, professeur de Physique/Chimie au collège J.J.Waltz de Marckolsheim et participant du groupe classe numérique à l'ifé.

Figure 1. Interview de Jean-Louis Richer

Figure 2. Introduction : Utilisation des capteurs

Figure 3. Introduction : Prise de notes, calculs et périphériques Bluetooth

Figure 4. Introduction : Liens avec les programmes de physique-chimie

Figure 5. Comment projeter l'écran de son smartphone

Figure 6. Exemples en mécanique

Figure 7. Exemples en acoustique

Figure 8. Exemples en diffraction

Figure 9. Exemple : Les battements du coeur

Figure 10. Exemple : OpenSignal

Figure 11. Exemple en optique

Le livret "Smartphone in Science Teaching"

Ce livre gratuit auquel ont contribué trois enseignants de l'équipe CANOé est publié par Science On Stage : il regroupe des activités dont le point commun est l'usage des smartphones.

Les smartphones sont maintenant un point incontournable de la vie de tous les jours. En particulier, les jeunes utilisent ces nouvelles technologies de façon tout à fait naturelle. C'est aussi une belle opportunité pour les enseignements de sciences et de technologie. 20 enseignants de 14 pays d'Europe on contribué à l'élaboration de 11 unités d'enseignement qui montrent comment les smartphones et les applications peuvent être utilisés pour réaliser des expériences fascinantes en math, physique, chimie ou biologie. Depuis les mesures de l'Univers, au contrôle des nuisances sonores ou de la vitesse des voitures: Les smartphones offrent aux étudiants et aux enseignants de nombreuses opportunités de pratiquer la démarche d'investigation.

Figure 12. Présentation de Science On Stage et de Istage2

Le livret "Smartphones in Science teaching"
Figure 13. Le livret "Smartphones in Science teaching"

Figure 14. Présentation du livret Smartphones in Science teaching

Lien sur la page complète de présentation.

Télécharger le livret en anglais

Liens utiles


Istage : ressources pédagogiques, activités en classe avec les smartphones pour toutes les disciplines scientifiques. Travail réalisé par un groupe de professeurs européens. Le document est en cours de traduction
Blog post : très complet sur toutes les activités pédagogiques liées au smartphones, réalisé par l'équipe d'OpenSignal ( en anglais). Article du blogpost sur les smartphones en physique. Article du blogpost sur les smartphones en physique
Communauté Google+ créée par deux collègues américains (M et Mme Vieyra) autour de l'enseignement avec les smartphones (en anglais)
Applications d'utilisation des capteurs des smartphones pour l'enseignement créés par M et Mme Vieyra
Le centre national de création musicale (GRAME) a créé une série d'applications "smartfaust" qui permet de transformer les smarphones (IOS et Android) en instruments de musique innovants. Ce qui permet de nouvelles approches pédagogiques en enseignement musical. Sous IOS ou sous Androïd.
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