rbille

Réaliser une chronophotographie

à l'aide d'un appareil photo numérique

(d'après une idée de W. Fortin)


Voici un moyen d'étudier un mouvement à partir d'une image réalisée en classe, pour ceux qui sont découragés par les difficultés de la vidéo.

 

Il suffit d'un appareil photo numérique et d'un stroboscope.

L'idée est de réaliser un cliché à pose longue (de l'ordre de 2 à 3 secondes), pendant le mouvement, en se plaçant dans la pénombre ou l'obscurité. Le mobile, éclairé par les flashs d'un strobscope, apparaît à des positions successives. Une fois la photo imprimée, on peut mesurer les positions à la règle, et en déduire des données, comme les vitesses instantanées.

La durée de la pose longue correspond bien entendu à celle du mouvement. Si l'appareil photo utilisé ne dispose pas de mode 'manuel' pour sélectionner la durée de la prise de vue, on peut se placer en mode 'nuit', pour forcer l'appareil à rallonger le temps de pose. On peut ainsi arriver à 2 ou 3 secondes.

Le stroboscope indique une fréquence en flashs/minute ; une fréquence de 300 flashs/minute est bien adaptée au roulement d'une bille sur un plan incliné de quelques degrés. Une fréquence multiple de 60 rend commode les calculs de vitesses par la suite.

Il est préférable de déplacer le stroboscope durant le mouvement, pour qu'il éclaire le mobile au maximum ; sinon, certaines positions risquent de ne pas apparaître assez clairement sur le cliché final.

Il faut penser à placer dans le champ de la photo une mire ou tout autre objet servant d'étalon pour obtenir une échelle de longueurs.

La réalisation du cliché avec cette méthode est plutôt destinée à être réalisée collectivement, et non pas en binômes. Il faut 1 personne pour déclencher l'appareil photo, 1 pour lâcher le mobile, 1 pour tenir le stroboscope, et 1 qui reste près de l'interrupteur de lumière de la salle.

Après avoir obtenu le cliché, il suffit de l'imprimer pour que les élèves puissent ensuite travailler dessus.

Voici quelques exemples de clichés obtenus :

une chute libre verticale

(balle de tennis)

roulement d'une bille sur plan incliné

roulement bille

échelle : chaque bande colorée de la mire mesure 4,0 cm

 

Balle de golf :

chronoroulement3


A partir des positions successives et des intervalles de temps donnés par le stroboscope, on peut estimer les vitesses instantanées, et tracer l'évolution de la vitesse au cours du temps.

Parmi les clichés ci-dessus, celui de la bille sur un plan incliné donne les meilleurs résultats (netteté, et précision sur la position du centre de l'objet). On obtient par exemple : 

resultats bille

 

La modélisation donne ici une accélération de 25 cm/s².

Cette expérience correspond au programme de Première STL - STI2D, dans la partie Mécanique "Transport - Mise en mouvement - vitesse, accélération".


convection

Visualiser les mouvements

de convection dans l'eau

(Cliquer sur la photo ci-dessus pour voir la vidéo)

On peut illustrer le transfert thermique par convection, dans un récipient d'eau posé sur une plaque chauffante, en déposant quelques gouttes de colorant (permanganate), avec une pipette, à différents endroits du liquide.

On pose le récipient rempli sur la plaque déjà très chaude. Après environ 1 minute, les courant de convection sont visibles avec le permanganate :

- en déposant le colorant au centre, juste sous la surface, il tombre au fond

- en le déposant contre le bord, au fond, il remonte

Cette expérience peut être utilisée comme expérience de cours en classe de 1e STL - Biotechnologies, pour illustrer les transferts thermiques.


etoile metaux

Conduction dans les métaux

 


Ce dispositif permet de comparer qualitativement la conduction thermique dans différents métaux.

3 électrodes cylindriques (récupérées d'un montage d'électrolyse), en cuivre, fer, et nickel, sont maintenues ensemble au moyen d'une tige filetée (tire-fond) et de 2 rondelles.

L'ensemble est suspendu au-dessus d'une lampe à alcool.

Après 2 minutes de chauffage, on peut mesurer la température au bout de chaque électrode, avec une sonde à thermocouple. On note un écart de plus de 10 °C entre les 3 métaux.

Cette expérience est adaptée au programme de 1e STL - Biotechnologies - STI2D, dans la partie "Transferts thermiques".


oeufs

Un oeuf coule dans l'eau douce,

mais flotte dans l'eau salée

définition et mesure de la masse volumique 


 En se demandant comment expliquer cette observation, on est amené à définir une nouvelle grandeur : la masse volumique.

Avec un appareillage simple (balance, éprouvette graduée), on peut mesurer les masses volumiques de l'eau douce, de l'eau salée, mais aussi de l'oeuf. Les résultats de mesures permettent de dégager un critère de flottabilité d'un solide dans un liquide.

Cette activité est à adapter selon que les élèves connaissent déjà ou pas la notion de masse volumique.

Le document proposé ici est conçu pour la classe de Terminale ST2S (thème "Circulation sanguine"). Il est assez directif, mais l'activité est propice à une démarche d'investigation.

Le document texte

Le document pdf


herschel

L'expérience historique de Herschel :

mise en évidence

du rayonnement infrarouge

dans le spectre solaire

 


Cette expérience, datée de 1800, demande peu de matériel, et offre beaucoup de perspectives en matière de démarche scientifique avec les élèves.

Le principe : on réalise le spectre de la lumière solaire. On place des thermomètres identiques, dans différentes zones du spectre (chacun étant éclairé par une couleur différente). L'un des thermomètres est situé juste au-delà du rouge, donc non éclairé par la lumière visible.

L'observation : les thermomètres affichent des températures différentes (croissantes du bleu au rouge). Le thermomètre placé au-delà du rouge affiche la température la plus élevée.

 

Le matériel nécessaire :

  • une boîte en carton (type boîte de papier d'imprimante)
  • un prisme de bonne qualité
  • 3 ou 4 thermomètres à liquide identiques
  • des ciseaux
  • un feutre noir
  • du ruban adhésif
  • une cale pour incliner la boîte (ou encore mieux : un support élévateur de chimie)
  • du soleil...

 

Découper une encoche sur le bord haut de la boîte en carton, un peu moins large que le prisme, pour qu'il puisse y être coincé.

A l'aide d'un feutre, noircir soigneusement le bout des thermomètres contenant le réservoir de liquide. Cette précaution est indispensable pour obtenir des résultats satisfaisants.

Orienter la boîte en direction du soleil, en réglant l'inclinaison du prisme et de la boîte, de façon à voir apparaître le spectre au fond de la boîte. L'ensemble doit ensuite rester dans la même position.

Placer les thermomètres parallèlement, au fond de la boîte, de manière à ce que chaque réservoir de liquide soit éclairé par une couleur différentes du spectre : par exemple, un pour le bleu, un pour le jaune, et un au-delà du rouge. Il peut être intéressant, pour l'application de la démarche scientifique, de placer un thermomètre supplémentaire non éclairé, au fond de la boîte, et servant de témoin.

Comme la boîte est inclinée, il sera certainement nécessaire de fixer les thermomètres avec du ruban adhésif, et de percer un côté du carton pour les faire dépasser, s'ils sont trop longs.

Au bout de quelques minutes, les thermomètres affichent des températures croissantes du bleu vers l'infrarouge.

Quelques photos de l'expérience :

le spectre au fond de la boîte, avec les thermomètres :

 

 

Les températures affichées, après quelques minutes au soleil : 

 

 

Pour une étude plus approfondie de l'utilisation de l'expérience de Herschel avec des élèves, avec le contexte historique, un prolongement avec le télescope Herschel mis en service récemment, et pour des précisions sur la démarche expérimentale, on pourra consulter le dossier suivant (en anglais), sur le site de "science net links", un projet éducatif basé aux Etats-Unis.

On trouvera notamment, réparti sur plusieurs pages web du site, un excellent dossier pdf de 26 pages.

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