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MI-SVT au Lycée Marie CURIE ECHIROLLES par francois.tilquin@ac-grenoble.fr

professeur de SVT

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Le lycée Marie Curie possède 4 groupes de MPI de 18 élèves. Un de ces groupes est confié a un professeur de SVT : Voici quelques thèmes traités par ce professeur.

 

Les thèmes de SVT particulièrement adaptés :

 

Premier thème : La sonde à oxygène :

Comment mesurer le taux d’oxygène dans la même eau confiée à 8 groupes d’élèves. Liberté d’imaginer un protocole : Les élèves utilisent un multimètre qui ne fournit pas les résultats attendus. On utilise donc un capteur particulier (oxymètre), une interface et un logiciel.

On mesure sans agitation, et les mesures ne sont pas stables. On décide d’agiter (la sonde consomme de l’O2 pour le mesurer)

Sans calibrage, les résultats sont très différents d’un élève à l’autre. On choisit deux outils mathématiques tel que la moyenne et l’écart-type pour évaluer la pertinence de la mesure.

Après réflexion et un exemple sur les notes d’une classe, les élèves découvrent qu’un écart-type le plus faible correspond à une série de valeurs proches, donc est le garant d’une mesure plus fiable.

Le calibrage se fait peu à peu sentir : on règle le 21% avec le gain (réglage imposé) : on refait la mesure, l’écart-type est plus faible.

Après discussion on se rend compte de la nécessité d’avoir un deuxième point de calibrage : le zéro, puis on refait le 21% : Discussion sur l’ordre dans lequel on fait ce calibrage. (le gain ne change pas le zéro 0*x=0 par contre le décalage le changerait : donc on fait d’abord le zéro avec le décalage, puis le 21% avec le gain)

Le nouvel écart-type est encore plus faible (la mesure est donc meilleure)

Moyenne et écart-type sont donc deux notions fondamentales dans la mesure. Discussion sur la relativité de la mesure.

Résultats de mesures du taux d’oxygène d’un même liquide sans ou avec agitation, sans ou avec calibrages.


Rôle de la température :

On fait le zéro et le 21%, puis on met la sonde dans l’air : on approche une lampe qui chauffe la sonde : le taux d’oxygène mesuré augmente. D’où l’influence de la température sur la mesure (relativité de la mesure).

Oxygène et température de la sonde

 

Les sondes peuvent être compensées en température : on étudie les broches de la sonde et on s’aperçoit que deux d’entre elles ont une résistance qui varie avec la température : la sonde à oxygène est également une sonde thermique à coefficient négatif (CTN)

Mesure de la résistance aux bornes de 2 broches de la sonde à oxygène

 

 

Mesure du paramètre qui varie avec la température et un thermomètre analogique : les valeurs sont entrées dans un tableur et l’équation de la variation de la résistance en fonction de la température est calculée par le tableur. R=f(T).

L’interface ne mesure que les tensions, donc le problème devient comment mesurer une résistance avec une tension. La loi d’Ohm s’impose, mais les élèves mettent la sonde dans un montage simple et ne mesurent aucunes variations de tension lorsque la température varie.

L’idée de mettre deux résistances en série est imposée, puis le pont diviseur est étudié avec deux résistances, et la loi des tensions apparaît

De la tension mesurée aux borne de la CTN, on déduit par le calcul la résistance, et de la résistance en prenant la fonction inverse de la fonction calculée  par le tableur, on déduit la température. T=f -1(R)

Comparaison de la CTN programmée et du thermomètre de la sonde à 02

 

On utilise ensuite la sonde à oxygène comme sonde thermique, et un capteur CTN dans un pont diviseur, le tout connecté à une interface dans laquelle on peut entrer des formules, avec affichage des deux valeurs à l’écran qui doivent être le plus proche possible.

Au passage, on remarque que si la tension d’alimentation de la CTN est trop forte, cette dernière chauffe : grosses discussion sur la puissance maximale dissipée et sur la sécurité des composants (P=UI et Pmax=500mW pour les composants classiques).

Les résultats âprement acquis suscitent toujours l’enthousiasme et l’admiration

 


Deuxième thème Sismologie.

Il s’agit de mesurer l’activité sismique de la planète.

L’intérêt est de déterminer les lieux dangereux afin de protéger les bâtiments et les personnes. Le problème est donc double : mesurer les mouvements du sol avec quelque-chose posé sur le sol, donc qui va bouger en même temps, et deuxièmement de connaître le lieu de déclenchement du séisme.

 

Construction d’un sismomètre de table :

Le sismomètre doit donc posséder un élément qui ne va pas bouger lorsque le sol va bouger : la notion d’inertie arrive assez vite et avec elle la nécessité d’avoir un système qui déconnecte le sol d’une masse inerte (ressors).

On utilise alors l’induction électromagnétique avec une bobine, un ressors, un aimant, une potence, une interface et son logiciel.

La sensibilité devient vite un nouveau problème, de même que l’oscillation du ressors qui se poursuit alors que le mouvement de la table a cessé.

Un amortisseur à eau constitué d’une rondelle reliée à l’aimant et d’un récipient plein d’eau pallie à l’oscillation indésirable. Un amplificateur opérationnel branché en amplificateur non inverseur permet d’amplifier l’oscillation et d’avoir un appareil beaucoup plus sensible.

Construction d’un sismomètre de table avec amplification et mesure ExAO

 
Légende encadrée 2: Montage ampliopLégende encadrée 2: InterfaceLégende encadrée 2: Alim de l’ampliopLégende encadrée 2: RessorsLégende encadrée 2: amortisseurLégende encadrée 2: Bobine

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Détermination de l’épicentre d’un séisme :

On ne connaît ni la vitesse de propagation de l’onde, ni d’où elle vient, ni l’heure à laquelle elle est partie..

Après discussion sur les problèmes de triangulation, notion très abstraite qui ne fonctionne pas du tout dans notre cas, la méthode des demi-plans est décrite et expérimentée grâce au logiciel Sismolog. Le temps d’arrivée va peu à peu s’avérer la notion fondamentale dans cette méthode.

Nous préférons au sismomètre de table, des microphones faisant office de géophone (le passage de l’un à l’autre doit se faire à l’occasion d’une petite discussion bien sûr).

Les élèves prennent le TP en main : la sollicitation sismique sera un coup de marteau dans la salle, la mesure se fait avec 9 microphones posés sur le sol reliés aux 9 interfaces.

C’est le déclenchement de l’acquisition qui va vite poser problème. La nécessité de la synchronisation se fait vite sentir et on passe d’un « top » vocal, beaucoup trop imprécis à une synchronisation électronique. L’acquisition devra être lancée simultanément en raison de la grande vitesse de propagation des ondes dans la salle. Un fil de synchronisation alimenté par du 6 V, court dans toute la salle, et chaque interface se lancera lorsque la tension franchira un front ascendant sur une des deux voies libres.

Un autre problème survient également assez vite, celui de la fréquence d’échantillonnage : en raison de la faible différence des temps d’arrivée de l’onde à chaque microphone, les élèves se rendent vite compte que la fréquence d’échantillonnage doit être maximale (100000 Hz).

Les résultats des temps d’arrivée sont consignés au tableau et chaque groupe va devoir déterminer la position du choc en hachurant, pour chaque couple de station, le demi plan ne contenant pas le séisme (celui dont l’onde est arrivée en deuxième)

La méthode est assez précise si la détermination du temps d’arrivée est correcte.

 

Simulation d’un micro-séisme

 
Légende encadrée 2: Microphones posés sur le sol
(Géophones)
Légende encadrée 2: Traces enregistrées à 3 microphones différentsLégende encadrée 2: Fil de synchronisation de l’acquisitionLégende encadrée 2: Montage expérimentalLégende encadrée 2: Temps d’arrivée consignés au tableauLégende encadrée 2: Interface d’acquisition

Les élèves découvrent la nécessité d’une synchronisation de l’acquisition de toutes les interfaces (utilité du GPS).

L’objectif est de comprendre comment les sismologues peuvent localiser un séisme. (Coup de marteau ici)

Un plan de la salle est fait au tableau, et les temps d’arrivée du séisme à déterminer sont notés pour chaque station. La méthode des demi-plans permet cette localisation à un carreau près. L’acquisition se fait à 100000 Hz.(v. ondes =3.2 Km/s)

 

Montage expérimental de détermination d’un épicentre en salle de classe.


Utilisation de notre station sismique.

Nous avons  la chance d’avoir une station sismique trois composantes qui peut, par détermination de l’azimut, nous indiquer l’épicentre. Nous n’avons pas encore utilisé cette possibilité en raison des calculs importants que cette méthode requiert, par contre nous pouvons solliciter le bâtiment en sautant à une classe entière à l’étage, ce qui provoque un signal sur la composante verticale.

Station sismique du Lycée Marie Curie

 
Légende encadrée 2: Salle de TPLégende encadrée 2: GPSLégende encadrée 2: Salle de TP de MPILégende encadrée 2: Local pour l’ordinateur temps réel en réseau accessible par VNCLégende encadrée 2: Pilier NordLégende encadrée 2: Mur OuestLégende encadrée 2: Espace clos intérieurLégende encadrée 2: Capteur sismique protégéLégende encadrée 2: Câbles alimentation, réseau, capteurLégende encadrée 2: Ecran temps réelLégende encadrée 2: Câbles GPS et vidéoLégende encadrée 2: Passerelle reliant les couloirsLégende encadrée 2: Boîtier SAGE

 

http://www.ac-grenoble.fr/webcurie/sismo


Les constructions parasismiques : http://www.ac-grenoble.fr/webcurie/bio/seismes

Le problème étudié consiste dans l’observation des dégâts des séismes, variables en un même endroit en fonction de la taille des bâtiments et de leur constructions.

Les premières observations se basent sur du réel. Puis nous construisons des maquettes de bâtiments de taille différente que nous sollicitons avec une interface connectée à un vibreur lui même relié à un modèle de sol et des maquettes de bâtiments. Les observations montrent vite que dans certaines circonstances, les petits bâtiments vibrent beaucoup plus que les grands ce qui peut paraître paradoxal. Une sollicitation contrôlée est alors utilisée (GBF) sur des lames vibrantes de taille différente. Ainsi on découvre la loi de la résonance pour des lames libres: les bâtiments de petites tailles résonnent pour des fréquences élevées par rapport à la fréquence de résonance des bâtiments de grande taille.

La loi n’est pas linéaire.

On obtient une loi analogue en faisant chanter les règles sur les tables avec mesure de la fréquence de résonance en fonction de la longueur laissée libre en dehors de la table. (transformée de Fourier)

Ainsi la loi étant décrite sans être expliquée, on détermine aussi deux modes de résonance : un dans lequel la longueur du bâtiment représente lamda/4 (lamda est la longueur de l’onde qui parcourt le bâtiment) et un autre en 3 lamda/4 avec un nœud présent au 2/3 du bâtiment.

Ces observations sont très faciles à faire, et le principe d’une des protections parasismiques est d’éviter la fréquence de résonance sachant quand même que dans un séisme toutes les fréquences sont représentées mais le jeu de résonance du sol (effet de site) en privilégieraient certaines.

On place alors sur la règle ou sur les lames en carton, ou sur les bâtiments en carton, un élément plus lourd ce qui change la fréquence de résonance. (cette technique est utilisée dans certains bâtiments au Japon)

 

Table vibrante pédagogique

 
Légende encadrée 3: Générateur de signal sinusoïdalLégende encadrée 3: ordinateur contrôlant l’interface Power CASSYLégende encadrée 3: Bâtiments réduits à leur structureLégende encadrée 3: Vibreur connecté à l’interface ou au G.B.FLégende encadrée 3: Logiciel générateur de séismes Légende encadrée 3: Interface 
Power Cassy
Légende encadrée 3: Sol mobile portant des bâtiments

 

Modification de l’architecture des bâtiments en carton afin de limiter les dégâts pour un même séisme : rigidifier les rectangles (chaînage), placer des contreventements, désolidariser le bâtiment du sol (en utilisant de petits ressorts) , alourdir la partie supérieure du bâtiment en jouant sur l’inertie.

Légende encadrée 2: Contreventement : le bâtiment résiste

Légende encadrée 2: Le bâtiment s’effondre sous l’effet d’une trace sismique réelle

Le bâtiment s’effondre (manque de solidarité mur-étage),

Le bâtiment résiste

 

                   

Légende encadrée 2: Contreventement triangulé (fils et coton-tiges)

Contreventement triangulé du bâtiment qui protège la forme :

 

Légende encadrée 2: Microphone captant le son produit, relié à l’interface.

Légende encadrée 2: Transformée de Fourier.

Légende encadrée 2: Règle frottée avec le pouce, et de longueur variable.

Légende encadrée 2: Interface d’acquisition de données.

 

Mesure de la fréquence de résonance d’une règle mise en vibration


Troisième thème : mesure des temps de réponse à l’activité réflexe et volontaire.

Cette mesure doit nous permettre de caractériser l’activité réflexe et l’activité volontaire. Il s’agit de mesurer un temps d’arrivée de l’onde électrique présente à la surface de la peau et qui traduit l’activité électrique d’un muscle en réponse à une sollicitation nerveuse.

Cette sollicitation est déclenchée par le marteau réflexe. On mesure les temps de réponse pour deux réflexes : le réflexe Achilléen, et le réflexe rotulien. Il s’agit ensuite de faire des hypothèses sur le trajet suivi par l’information. On place sur une courbe la distance et le temps supposé parcouru par l’information (soit direct du marteau aux électrodes, soit en passant par le cerveau et retour, soit en passant par la moelle et retour.

La méthode va peu à peu se faire jour, par la recherche d’une proportionnalité qui ne sera effective qu’avec l’hypothèse moelle.

L’activité volontaire est alors testée en demandant au sujet d’étendre le pied ou la cuisse dès qu’il ressent le choc du marteau. Sur le même enregistrement on obtient le réflexe stéréotypé à 35 ms pour le mollet et l’activité volontaire variable (de 120 à 200 ms).

Outre que cette méthode permet de comparer les deux types d’activités (volontaire et réflexe),  on compare cette réponse à la réponse à une sollicitation visuelle dont le temps est mesuré par le temps qu’il faut au sujet pour presser la touche ENTREE dès l’apparition d’une figure.

L’écart-type et la moyenne se révèlent être encore des outils utiles. La comparaison entre le temps de réponse à une sollicitation visuelle (200 ms) et à une sollicitation tactile (120 ms) nous montre de grandes différences, avec une distance qui va encore accentuer cette différence.

Les sources d’erreur : la mesure ne porte pas sur la même chose. Activité électrique, activité mécanique. De plus le marteau est inerte : la mesure sera effectuée en comparant le moment du choc (son) et le moment de fermeture de l’interrupteur.

Nous pouvons également mesurer le temps qui sépare l’activité électrique et l’activité mécanique (en utilisant un spiromètre pour mesurer le déplacement du pied et un électro-myographe pour l’activité électrique du mollet). La vitesse de propagation de l’information sur la chaîne nerveuse est évaluée en comparant les deux réflexes.

L’ensemble constitue un problème très complexe dans lequel la relativité de la mesure est flagrant.

Il n’en reste pas moins vrai que la réponse à une sollicitation visuelle est plus lente, en raison du traitement de l’information (rétine, ganglions, aire visuelle et retour sur l’aire motrice primaire)

Légende encadrée 2: Activité volontaire variable entre 120 et 150 msLégende encadrée 2: Réflexe stéréotypé à 35 ms

Réflexe rotulien

stéréotypé à environ 35 ms suivi d’une activité volontaire qui apparaît entre 120 et 150 ms, variable et plus complexe.

Légende encadrée 2: Réflexe stéréotypé à 15 msLégende encadrée 2: Activité volontaire variable entre 120 et 150 ms

Mesure de l’activité réflexe et de l’activité volontaire

 

Réflexe achilléen

stéréotypé à environ 15 ms suivi d’une activité volontaire qui apparaît  entre 120 et 150 ms, variable et plus complexe.

 

Mesure du réflexe achilléen et d’une activité volontaire par flexion volontaire dès le coup de marteau

 

Résultats d’une série de tests de plusieurs type d’activité volontaire.

Moyenne et écart-type indiquent l’état de vigilance de l’individu.

http://www.ac-grenoble.fr/webcurie/bio/enerve

Quatrième thème: le pouvoir séparateur de l’intensité de la stimulation et de l’espace.

La loi de Fechner ou le pouvoir discriminant des intensités de stimulation.

Peut-on évaluer la sensation ? La sensation est-elle proportionnelle à la stimulation ?

Il s’agit d’évaluer par la mesure le seuil différentiel de Weber, c’est à dire de mesurer en fonction de l’intensité de la stimulation, la valeur à lui ajouter ou à lui enlever de façon à avoir une sensation différente. Le matériel est constitué de deux bouteilles que l’on rempli plus ou moins d’eau, accrochées à deux ficelles et que l’on soupèse les mains dans le dos :  ont doit déterminer la plus lourde en plusieurs essais. On montre que le delta (Intensité)/Intensité est une valeur constante c’est à dire provoque toujours la même delta (sensation). Si l’on veut sortir la sensation, il faut intégrer de delta(sensation) ce qui indique que Sensation =k*log(intensité stimulation).

Le tableur permet de collecter les résultats et de trouver le modèle de la relation.

Naturellement il faut faire des statistiques, et on doit parvenir à évaluer un phénomène subjectif de façon la plus objective que possible.

Il serait très intéressant de pouvoir faire la même expérience avec des sons et son rôle dans la prévention de l’oreille interne serait justifié dans la mesure où on montrerait que l’oreille distingue mieux les différences dans les intensités faibles que dans les intensités fortes, ainsi on perçoit mieux les nuances des musiques dans les intensités faibles.

 

Le pouvoir séparateur dans l’espace :

Expériences sur la vision en rétine centrale ou périphérique. (logiciel De Visu)

Expériences sur le toucher (à différents endroits du corps tels que le pouce ou le bras)

 

Module « Centre périphérie »

Module destiné à mesurer l’acuité visuelle en retrouvant l’orientation de mires dont l’épaisseur et la distance avec la fovéa changent.

Module « Taille des cellules visuelles »

Le pouvoir séparateur de l’œil est mesuré grâce à des mires de Foucault et la taille des cellules est évaluée par trigonométrie en vision centrale ou périphérique.

Extraits du logiciel De Visu

http://acces.inrp.fr/acces/ressources/neurosciences/vision/de_visu/logiciel-de-visu-1


Cinquième thème : programmation, binaire, système de régulation en constance, robotique:

La régulation de l’ouverture de l’iris de l’œil.

Le thème consiste dans la création d’un système robotisé simulant l’ouverture de l’iris. Le système est constitué d’un moteur pas à pas actionnant un iris de microscope derrière lequel on trouve une photorésistance dans un pont diviseur de tension. La photorésistance mesure l’intensité lumineuse captée par l’interface. L’ensemble est intégré grâce à un logiciel sous Labview.

 

La progression doit permettre d’aborder les éléments techniques et de programmation nécessaires à la création de la boucle de régulation : le binaire, les tableaux, le moteur pas à pas, le pont diviseur, la mesure d’une grandeur physique à l’interface, les boucles, les variables globales, les structures conditionnelles, le point de consigne, la notion de calibration, la sortie d’une valeur sur le port etc…

 

Bulle rectangulaire: Iris de microscopeBulle rectangulaire: Alimentation du pont diviseurBulle rectangulaire: Résistance de pontBulle rectangulaire: PhotoresistorBulle rectangulaire: Elastique de rappelBulle rectangulaire: Ruban enroulé sur la poulie du moteur PAP Bulle rectangulaire: Module moteur pas à pas phytexBulle rectangulaire: Module port parallèle de phytexBulle rectangulaire: En provenance du port parallèle de l’ordinateurBulle rectangulaire: Alimentation du système moteur pas à pasBulle rectangulaire: Interface d’acquisition de la tension en voie ABulle rectangulaire: Lampe de pocheBulle rectangulaire: Logiciel en delphi ou Labview gérant l’auto-régulation

Montage expérimental du projet Iris

 

Principe de la régulation :

- La résistance du photo-resistor est d’autant plus faible que la lumière est forte : la tension aux bornes en sera donc d’autant plus forte que la lumière est faible.

- La suite des codes placés dans le tableau permet au moteur de tourner dans le sens horaire, ce qui ouvre le diaphragme et ce qui fait diminuer la tension au bornes du photo-resistor.

- Une variable incrément doit aller de 0 à 7 ce qui correspond au balayage du tableau.

On constate donc que lorsque l’incrément est égal à +1, on lit le tableau du haut vers le bas, donc on fait tourner le moteur dans le sens horaire ce qui fait ouvrir le diaphragme, donc diminuer la tension.

- Pour la régulation il faut étudier la valeur de la tension au bornes du photorésistor, la comparer à la valeur consigne et lire le tableau en conséquence puis envoyer le code du tableau au moteur:

- Si la tension est trop faible, c’est que la lumière est trop forte, il faut fermer le diaphragme, donc tourner le moteur dans le sens anti-horaire, donc lire le tableau du bas vers le haut donc imposer un incrément de –1.   

Inversement, si la tension est trop forte, c’est que la lumière est trop faible, donc il faut ouvrir le diaphragme, donc tourner le moteur dans le sens horaire, donc lire le tableau du haut vers le bas, donc imposer incrément de +1.

Extrait de la partie régulation du logiciel créé sous Labview : il n’y a pas de code à proprement parlé, mais les objets sont connectés entre eux et inclus dans des structures (boîtes).Ci dessous le même extrait en delphi :

procedure TForm1.Timer1Timer(Sender: TObject); //les instructions sont effectueés toutes les 20 ms

begin

if ya_interf=true then //si l’interface est présente

   v:=cassyserial1.ADCs[1,0,2]; //saisie de la valeur de la tension sur l’interface 1, la voie 0 (A) et la sensibilité 2 (+-3V)

label1.Caption:=inttostr(v);//affichage de la valeur de la tension dans un label

if regul=true then //l’appui sur la touche régulation met regul à true et lance la régulation

   begin

   if v>strtoint(edit_consigne.text)+strtoint(edit_interval.Text) then //si la tension est trop grande, la lumière est trop faible, donc on ouvre le diaphragme en tournant dans le sens horaire, donc on lit le tableau de haut en bas , donc on fixe l’incrément à +1 

      incr:=1//tableau lu du haut vers le bas donc incrément égal à 1

      else

   if v<strtoint(edit_consigne.text)-strtoint(edit_interval.Text) then//tension trop faible, donc lumière trop forte, on doit donc fermer le diaphragme,donc tourner le moteur dans le sens  moteur anti-horaire donc remonter dans le tableau

      incr:=-1//tableau lu du bas vers le haut donc increment égal à -1

      else

      incr:=0;// la tension est en dehors de l’intervalle de consigne. L’incrément est nul

   if (posit+incr>=0)and(posit+incr<posit_max)then//on effectue le mouvement et les mises a jour des variables si ds les limites

      begin

      rg:=rg+incr;//rg est le rg de la lecture dans le tableau

      posit:=posit+incr;//posit=position absolue du moteur

      lab_pos_mot.caption:=inttostr(posit);//on affiche la position absolue du moteur

      if rg<0 then rg:=7//on teste la valeur de rg dans le tableau et on impose une variation de [0 à 7]

         else

      if rg>7 then rg:=0;

      portwriteb(888,strtoint(memo1.lines[rg]));//on envoie la valeur du tableau au rang rg au moteur

      end;

   end;

end;

Labview peut paraître déroutant à celui qui programme par code, mais les principes généraux de la programmation se retrouvent dans Labview (variables, structures etc…) et les élèves préfèrent.  

http://www.ac-grenoble.fr/webcurie/bio/labview