Physique et Chimie

Pourquoi mesurer la pression ?

http://spc.ac-amiens.fr/725-pourquoi-mesurer-la-pression.html

Le programme de la future spécialité de physique chimie de première propose d’utiliser dans le thème mouvement et interaction, partie 2. description d’un fluide au repos, les capacités expérimentale exigibles suivantes : "Tester la loi de Mariotte, par exemple en utilisant un dispositif comportant un microcontrôleur" et de " Tester la loi fondamentale de la statique des fluides".
Le document exposé ici propose dans une première partie de donner un sens concret à ces capacités en réalisant des appareils de mesures expérimentaux à l’aide d’un pressiomètre déjà largement utilisé dans les laboratoires de physique chimie (ou d’un capteur de pression) associé à un microcontrôleur de type ArduinoTM ou équivalent.

L’idée n’est pas seulement de mesurer une pression et de vérifier une loi de la physique mais d’utiliser la mesure de la pression et les lois de la physique pour réaliser des instruments utilisés dans le domaine de la plongée sous-marine (profondimètre numérique, enregistreur de profil de plongée ...) ou dans le domaine de l’aviation (altimètre et anémomètre). On pourra également utiliser le montage et la technique proposée pour faire des relevés barométriques pour une station météo par exemple.
Dans un deuxième temps, le document propose d’utiliser un capteur différentiel de pression pour réaliser un profondimètre et un anémomètre de bonne précision.
Enfin, ce document n’a pas vocation à proposer des activités "clés en main" que l’on pourrait donner directement à des élèves mais donne quelques pistes de réflexion pour la mise en œuvre d’activités pédagogiques. Ce document propose également des solutions techniques testées, validées et fonctionnelles mais qui doivent probablement être adaptées aux situations locales. Les codes sont issus des exemples de l’IDE Arduino ont été commentés à minima et certains des commentaires des exemples sources sont restés sans modification par manque de temps.

Contexte pédagogique

Environnement pédagogique :

• Pré-requis des élèves ou formation des élèves : savoir utiliser l’IDE Arduino ou Ardublock.
• Durée de l’usage variable suivant l’activité ou le projet envisagé (1h30 à 2h30 pour l’activité en une à deux séances : 6h au minimum pour les projets)
• Estimation du temps de travail de l’élève : 4h au minimum en classe, recherche à la maison entre les deux séances sur la structure due l’algorithme à mettre en œuvre.
• Travail en groupe : binômes d’élèves et 16 élèves maxi (soit 8 postes de travail)
• De quel matériel/logiciel avez-vous besoin : un pressiomètre avec sortie analogique et/ou un capteur différentiel de pression classiquement utilisé dans les lycée pour le thème de la pression, un microcontrôleur compatible ArduinoTM, logiciel Arduino ou Ardublock (libre de droits) .
• Une connexion internet est-elle nécessaire ? Oui pour les recherches lors des démarches de projets

Niveau

• SL,
• 1ère spécialité PC,
• enseignement scientifique

Objectifs

• Numériser la tension fournie par un pressiomètre ou par un capteur différentiel de pression ; (tous niveaux lycée)

• - Traiter la valeur numérisée de la tension fournie par un pressiomètre ou par un capteur différentiel de pression pour afficher la profondeur dans un liquide : fabrication d’un profondimètre expérimental ; (manipulation de niveau 1ère spécialité ou en SL)

• - Traiter la valeur numérisée de la tension fournie par un pressiomètre pour afficher l’altitude par rapport au niveau de la mer ou une variation d’altitude (hauteur par rapport au sol) : fabrication d’un altimètre expérimental ; (projet numérique enseignement scientifique)
  Note : ce projet ne peut se faire qu’avec un pressiomètre ou avec un capteur de pression absolue.

• - A un niveau plus élevé (enseignement supérieur) ou en démarche de projet pour l’enseignement scientifique en 1ère ou en terminale, on pourra également mesurer la vitesse d’écoulement d’un fluide. (anémomètre de type Pitot dans un avion ou débitmètre à carburant dans une voiture).

Compétences du programme

• Développement de l’esprit d’analyse et de synthèse ;
• développement de l’autonomie ;
• démarche de projet en PC ;

Compétences Numériques

• Algorithmique et codage en PC ;
• lien entre activité numérique et PC ;
• utilisation de capteurs en PC ;

Outils ou fonctionnalités utilisées

• Une carte compatible Arduino UnoTM montée sur une platine support comportant une platine de prototypage (plaque de connexion multitrous ou breadboard en anglais).
• Un ordinateur et l’IDE Arduino ou Ardublock.
• Un pressiomètre et/ou un capteur différentiel de pression voire un capteur de pression absolue.
• fils de connexion et pinces crocodiles.

Les apports

• Réflexion sur la mise en œuvre d’un capteur : notion de conditionnement du signal.
• Découvrir et expérimenter de manière pratique et ludique des lois physiques sur le comportement des fluides.
• Concevoir et réaliser un appareil de mesures expérimental reproduisant le fonctionnement d’un système réel existant.
• Utilisation de l’algorithmique pour l’optimisation d’un processus de mesure.
• Pratiquer une démarche de projet développant l’autonomie et la prise d’initiative.
• Eveil ou réveil de la curiosité chez l’élève...

Les freins

• La mise en œuvre expérimentale de l’activité ou des projets n’est possible qu’avec des séances en groupes à faible effectif : une demi classe soit 16 élèves.

Documents complets

Eléments Techniques

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Pistes d’activités

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Fichier capteurpressiondiff ino

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Auteur

Marc Gyr