Présentation du projet expérimental et numérique

Le programme d’enseignement scientifique de Première prévoit un travail qui se déroulera sur une douzaine d’heures, dans des conditions matérielles qui permettent un travail pratique effectif en petits groupes d’élèves.
Le projet s’articule autour de la mesure et des données qu’elle produit, qui sont au cœur des sciences expérimentales. L’objectif est de confronter les élèves à la pratique d’une démarche scientifique expérimentale, de l’utilisation de matériels (capteurs et logiciels) à l’analyse critique des résultats.

Le projet expérimental et numérique comporte trois dimensions :

  • utilisation d’un capteur éventuellement réalisé en classe ;
  • acquisition numérique de données ;
  • traitement mathématique, représentation et interprétation de ces données. Selon les projets, l’une ou l’autre de ces dimensions peut être plus ou moins développée.
    L’objet d’étude peut être choisi librement, en lien avec le programme ou non. Il s’inscrit éventuellement dans le cadre d’un projet de classe ou d’établissement.
    L’objectif n’est pas d’introduire des notions nouvelles.

Liens avec le programme de l’enseignement scientifique première (extraits)

Comprendre la nature du savoir scientifique et ses méthodes d’élaboration

Le savoir scientifique résulte d’une construction rationnelle. Il se distingue d’une croyance ou d’une opinion. Il s’appuie sur l’analyse de faits extraits de la réalité complexe ou produits au cours d’expériences. Il cherche à expliquer la réalité par des causes matérielles.

Identifier et mettre en œuvre des pratiques scientifiques

Le scientifique, au cours de son activité de production du savoir, met en œuvre un certain nombre de pratiques qui, si elles ne sont pas spécifiques de son travail, en sont néanmoins des aspects incontournables. Quelques mots-clés permettent de les présenter : observer, décrire, mesurer, quantifier, calculer, imaginer, modéliser, simuler, raisonner, prévoir le futur ou remonter dans le passé.

Identifier et comprendre les effets de la science sur les sociétés et sur l’environnement

Les sociétés modernes sont profondément transformées par la science et ses applications technologiques. Leurs effets touchent […] la protection de l’environnement, etc. La compréhension de ces transformations est indispensable à la prise de décision ; […] De même, les activités humaines exercent sur l’environnement des effets que la science permet de comprendre et de contrôler.

Une place réservée à l’observation et l’expérience en laboratoire

La pratique expérimentale des élèves est essentielle. […] l’élève se livre lui-même à la confrontation entre faits et idées et comprend, en la pratiquant, la construction du savoir scientifique.

Un usage explicité des outils numériques

Des outils numériques variés trouvent des applications dans le cadre de l’enseignement scientifique : logiciels de calcul ou de simulation, environnements de programmation, logiciels tableurs, etc…

Lien avec le programme de spécialité SVT en terminale

Il est possible dans la partie Reconstituer et comprendre les variations climatiques passées d’utiliser des variantes de ce TP par exemple faire baisser le taux de CO2 dans l’enceinte et de mesurer le nouvel équilibre vers la bas… ou de mettre en place cette mesure en première et de l’utiliser en terminale.

Mise en situation :

Les experts du GIEC dans leur rapport de 2018 estiment que la température du globe augmentera de environ 1,5°C d’ici 2040.Cette augmentation est lié en grande partie aux apports anthropiques de CO2 dans l’atmosphère par son rôle de forçage dans l’effet de serre.

Source :

http://www.meteofrance.fr/climat-passe-et-futur/le-giec-groupe-dexperts-intergouvernemental-sur-levolution-du-climat/rapport-special-2018-du-giec

Comment mettre en évidence que la modification de l’effet de serre par l’apport de CO2 est un déplacement de l’équilibre thermique du système atmosphérique (température pour laquelle le système est à l’équilibre) vers une autre température ?

Recherches de stratégies possibles :

Il est possible de faire réfléchir les élèves sur la notion de modèle analogique et ses limites.

On va comparer l’évolution de la température dans deux enceintes (analogie système atmosphérique ) éclairées de façon identiques (soleil) avec des teneurs différentes en CO2 .

On va utiliser des sondes de température et mesurer la température en faisant varier le taux de CO2 …

On s’attend à ce que la température à l’équilibre soit plus élevée dans l’enceinte contenant davantage de CO2 que dans l’enceinte témoin.

On s’attend à ce que la température augmente plus vite dans l’enceinte contenant davantage de CO2 que dans l’enceinte témoin.

Principe de l’expérience :

Mesurer la différence de vitesse d’augmentation de température et la température obtenue à l’équilibre thermique des deux systèmes (effets de serre différents) dans deux enceintes avec des teneurs en CO2 différentes.

Matériels et montages

arduino montage sondes CO2
Le montage présenté ci-contre est le montage utilisé
- Une carte arduino reliée par USB à l’ordinateur éditeur et son grove shield
- Deux câbles grove de 50cm
- Deux sondes de température grove temperature sensor V1.2
- Branchements sur ports A0 et A1
montage enceintes éclairées {JPEG}Ajout de CO2 {JPEG}Eclairement montage CO2 {JPEG}
Le montage (2 cloches à salades éclairées par 2 halogènes) L’ajout de CO2 dans l’enceinte Le fonctionnement

Le montage amène une réflexion des élèves sur les précautions scientifiques de départ des conditions expérimentales pour la validité de l’expérience.

Lampes avec ampoules identiques, égales distances, sondes bien identiques (temps de polarisation)…

Ici la production de CO2 se fait par réaction d’acide sur du calcaire ce qui produit également de l’eau mais l’effet est considéré comme négligeable, la réaction se faisant dans l’eau. La réaction est également faiblement exothermique mais on peut attendre l’équilibrage des température avant l’allumage de la lampe et la mesure.

Remarque : l’ajout de CO2 par bombe aérosol provoque une baisse de la température de départ dans l’enceinte.

Il est possible aussi de diminuer le CO2 dans l’enceinte grâce à de l’eau de chaux mais l’humidité augmente ce qui modifie l’effet de serre (voir projet effet de serre et humidité).

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 document téléchargeable 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…

On peut par exemple donner le programme complet non modifié et demander aux élèves de supprimer dans le programme les éléments concernant les deux ports analogiques non utilisées pour les mesures. Les élèves devant ainsi faire le lien entre le port d’entrée utilisé, son nom (A0, A1…) et les parties du programme qui le gère .

la récolte des données

peut se faire de plusieurs manières par le port com3 de l’ordinateur (A vérifier avant la mesure, parfois la carte s’installe sur le port com8).

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

JPEG

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.

Graphique variation Température Excel
Ci-contre :Exemple de résultats obtenus en 1h de mesure et traités dans un tableur type 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.

Voici un exemple de graphique obtenu en python en utilisant les mêmes données et les programmes fournis
Graphique variation température python

exploitation des résultats

Après une augmentation plus rapide au début dans l’enceinte enrichie en CO2, la température se stabilise après 20 minute. La température d’équilibre est de 24 °C dans l’enceinte avec de l’air ambiant et autour de 26 °C dans l’enceinte enrichie en CO2

Un équilibre thermique différent est obtenu dans les deux enceintes.

Il y a donc déplacement de l’équilibre thermique du système à une température plus élevée si la quantité de CO2 augmente.

Sur le même principe, il est possible de faire varier un autre gaz à effet de serre, l’eau.

Projet expérimental et numérique en SVT : mesure de l’effet de serre en fonction de l’humidité

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.

Utiliser un microcontrôleur arduino en Sciences de la Terre au lycée : Obtenir des données sur le transfert de chaleur par conduction dans les roches 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 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 souvent avec des shield grove. 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

effet de serre et CO2 python pyplot graphe calc montage CO2 éclairé montage effet de serre CO2 production CO2