TP première Spécialité SVT ou prolongement possible pour des élèves faisant svt spécialité dans le projet numérique d’enseignement scientifique

objectifs généraux de formation (extraits du BO spécialité SVT 1re programme 2019)

Le numérique et les SVT

Les SVT requièrent l’usage des outils numériques généralistes (Internet, tableurs) et le recours à l’expérimentation assistée par ordinateur, qui peut se prolonger par l’exploitation de capteurs connectés à des microcontrôleurs programmables.

Compétences travaillées

Observer, questionner, formuler une hypothèse, en déduire ses conséquences testables ou vérifiables, expérimenter, raisonner avec rigueur, modéliser, argumenter.Interpréter des résultats et en tirer des conclusions…

+ compétences numériques.

Lien avec le programme

extrait du programme de spécialité SVT de première partie « La Terre une planète singulière »

… Le profil d’évolution de la température interne présente des différences suivant les enveloppes internes de la Terre, liées aux modes de transfert thermique : la conduction et la convection. Le manteau terrestre est animé de mouvements de convection, mécanisme efficace de transfert thermique.

mise en situation possible :

Dans les roches de la lithosphère la diffusion de la chaleur se fait par conduction cette méthode de transfert de chaleur est peu efficace dans les roches et dépend des propriétés du matériaux.

Il est possible de comparer la conduction dans différentes roches et autres matériaux (métal…).

principe de l’expérience :

on place des sondes température à différentes distances sur (dans) une barre de roche on chauffe une extrémité de la barre et on mesure l’évolution de la température au cours du temps.

Matériels et montages

info document -  voir en grand cette image
- Une carte arduino reliée par USB à l’ordinateur éditeur et son grove shield
- 4 câbles grove de 50cm
- 4 sondes de température grove temperature sensor V1.2
- Branchements sur ports A0 à A3
info document -  voir en grand cette imageinfo document -  voir en grand cette image
Le montage en fonctionnementavec mètre ruban et élastiques de fixation Capture des données du port com 3 avec puTTY

critique du modèle les sondes sont à la surface de la roche et pas dans l’échantillon (valeur sans doute sous estimée.). il faudrait insérer les sondes dans la roche (entailles dans le longueur de l’échantillon)

Mise en fonction de la carte arduino par les élèves

La programmation de la carte arduino se fait par l’intermédiaire de lDE arduino et se fait en langage C++.

Voir utilisation de l’Environnement de Développement Intégré de arduino.

Le programme disponible sur ce site pour ce projet est un programme complet généraliste, simple et très annoté, permettant de gérer 4 sondes de température branchées sur les ports A du shield grove.

Ce programme est libre de droit, diffusable et modifiable à condition d’en citer les auteurs.

Mais plusieurs possibilités sont envisageables en fonction du niveau informatique des élèves ayant choisi ce projet. Il est possible de modifier le programme ou de donner des versions plus ou moins complètes du programme à téléverser dans la carte arduino.

Possibilité d’utiliser ardublock…

la récolte des données

peut se faire de plusieurs manières par le port com3 de l’ordinateur.

  • possibilité 1 : Visualisation directe des données dans le moniteur série de l’IDE arduino

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et capture par un copier-coller du contenu de la fenêtre (ctrl+a puis ctrl+c)

cette première manière permet de vérifier que la carte arduino envoie bien les données attendues et que l’ordinateur les reçoit bien.

  • possibilité 2 : utilisation du logiciel puTTY pour capturer les données provenant de l’USB de la carte arduino (Logiciel à installer en même temps que l’IDE arduino par votre service informatique)

voir la fiche utilisation de puTTY

avantage de cette dernière solution : permet de générer un fichier texte (.log) dans lequel les données sont enregistrées ce qui facilite l’importation dans un tableur et l’enregistrement sur de longues durées.

Utilisation d’un tableur pour mettre en forme les données

les fonctionnalités classiques de création d’un graphique sont utilisées pour choisir les données pertinentes et les communiquer.

Remarque : les logiciels sont basés sur le système anglo-saxon qui met des points pour matérialiser les virgules. Si vous utilisez libre office ou open office, pensez à remplacer tous les points par des virgules pour retrouver un format numérique utilisable pour les graphiques.

info document -  voir en grand cette imageExemple de graphique de résultats obtenus par traitement des données obtenues dans un tableur type libre office calc ou excel

Il est possible d’utiliser un programme python d’affichage graphique « affichagedestemperaturesdessondes.py » utilisant les bibliothèques numpy, pyplot et une fonction d’extraction du fichier csv « csvtolist.py ».

Pour simplifier l’utilisation de python le package édupython a été choisi.

Ce package souvent utilisé par les professeurs de mathématique et en SNT est fréquemment installé dans les lycées.

Il a l’avantage d’inclure, dans sa dernière version, et sans modification, de nombreuses bibliothèques qui permettent de travailler les calculs mathématiques, les graphiques, le traitement des images, les fichiers csv…

En mathématiques la programmation python au lycée aborde la notion de boucles et l’usage de listes employées dans ce programme.

info document -  voir en grand cette image Graphique obtenu par traitement des données dans un programme python affichagedestemperaturesdessondes.py et le module csvtolist.py avec utilisation de la bibliothèque graphique mathplotlib.pyplot.

Exploitation possible des données

Il est possible de réaliser un calcul associé sur le transfert d’énergie dans la barre de roche.

le flux thermique dans la roche peut être calculé en première approximation* suivant la formule suivante

Φ 1 → 2 = λ .S. T 1 − T 2 .e = T 1 − T 2 R t hinfo document -  voir en grand cette image\displaystyle \Phi _1\rightarrow 2=\lambda \,S\,\frac T_1-T_2e=\frac T_1-T_2R_\mathrm th

matériauxConductivité thermique (λ en W.m-1.K-1)
Eau 0,6
Asphalte pur 0,7
Béton caverneux < 10 % de sable de rivière 0,7
Brique (terre cuite) 0,84
Amiante-ciment 0,95
Terre cuite 1 - 1,35
Pierre tendre 1,05
Asphalte sablé 1,15
Béton caverneux - Granulats lourds siliceux, silico-calcaires et calcaires 1,4
Béton plein - Bétons de granulats lourds de laitier de hauts fourneaux de Lorraine 1,4
Béton armé et mortier 1,5
Verre 1,5
Pierre ferme calcaire 1,7
Béton plein - Bétons de granulats lourds siliceux, silico-calcaires et calcaires 1,75
Ardoise 2,1
Pierre dure calcaire 2,2
Lave 2,9
Marbre 2,9
Basalte 3,5
Gneiss 3,5
Granite 3,5

Source https://bilans-thermiques.fr/energetique-batiments/isolation-thermique/conductivite-thermique-materiaux

le schiste peut être assimilé à de l’ardoise soit un λ de 2,1 W.m-1.K-1

distance entre les 2 sondes e=0,05m

l’échantillon à une section de 5cmX5cm la surface (S) est donc de 0,0025m2

la différence de température entre la sonde 1 et la sonde 2 au bout d’une heure (équilibre thermique presque atteint) delta T= 14,24 °C (K)

le flux dans la roche entre les sondes 1 et 2 est donc

2,1X0,05X0,0025X14,24 = 0,003738W

et peut être comparé au flux dans d’autres roches

* les sondes étant à la surface de l’échantillon et la section réduite, la mesure ne permet qu’une approximation

source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Conduction_thermique

d’autres projets expérimentaux

Utiliser un microcontrôleur arduino en Sciences de la Terre au lycée : Mettre en évidence la transmission de chaleur par convection, capturer des données et les traiter dans un tableur ou par un programme python.

Projet expérimental et numérique en SVT : mesurer la croissance de végétaux en faisant varier les conditions de culture et traiter les données dans un tableur ou un programme en python.

Projet expérimental et numérique en SVT : Mesurer l’effet de serre pour différents taux de CO2 en utilisant un microcontrôleur arduino et traiter les données récoltées dans un tableur ou un programme en python.

Projet expérimental et numérique en SVT : Mesurer l’effet de serre en fonction de l’humidité en utilisant un microcontrôleur arduino et traitement des données récoltées dans un tableur ou un programme python.

liens utiles

IDE arduino

https://www.arduino.cc/

edupython

http://edupython.tuxfamily.org/

logiciel putty

https://www.putty.org/

acheter des cartes et des sondes

Dans beaucoup de lycées en raison de la réforme du lycée 2019 demandant de la programmation d’objets connectés, il y a des cartes arduino. Voyez avec vos collègues de physique, de numérique (SNT, NSI…) ou de mathématiques.

Le site original

https://www.seeedstudio.com/category/Grove-c-1003.html

Des sites qui prennent les mandats administratifs

https://www.generationrobots.com/fr/249-grove

https://boutique.semageek.com/fr/75-grove

https://www.technologieservices.fr/produits/robotique-et-programmation/cartes-programmables/modules-grove.html

http://duinoedu.com/store1/33-04-modules-grove

https://www.jeulin.fr/produits/technologie/robotique/grove.html