Positionnement possible dans les programmes de SVT :

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

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…

Partie du programme de première 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.

Présentation du Projet

angle possible :

travail sur le modèle et hypothèse,

problème de départ

Il existe 3 modes de diffusion de la chaleur, la conduction, la convection et le rayonnement (seulement dans les gaz ou le vide)

Dans les roches la chaleur diffuse par conduction (voir TP conduction)

travail sur hypothèses et résultats attendus :

Dans le montage présenté (voir plus bas) quel serait l’évolution des températures pour les sondes si la chaleur se transmettait seulement par conduction ?

Résultats attendus : Les deux sondes du bas devraient monter en température avant celles du haut.

d’après les distances par rapport à la source de chaleur la température devrait augmenter d’abord et être plus élevée sur la sonde A (c’est la sonde la plus proche de la source) puis B puis C puis D.

Le matériel
Le matériel
Le matériel :
1 arduino Uno et son shield grove
1 câble USB
4 sondes température grove temperature sensor V1.2
4 câbles grove 50cm
1 cristallisoir
2 potences, noix et pinces.
1 bougie chauffe plat
2 baguettes en bambou, 4 élastiques et de l’adhésif.
Arduino branchement -  voir en grand cette image
Arduino branchement
Le microcontrôleur arduino avec les 4 sondes branchées sur les ports A0 à A3 du shield grove
Le microcontrôleur est relié à l’ordinateur par le câble USB qui permet d’alimenter le carte et de transmettre les données vers l’ordinateur.
Les 4 sondes : 2 protégées, 2 nues -  voir en grand cette image
Les 4 sondes : 2 protégées, 2 nues
Détail des sondes pour permettre un usage des sondes sous l’eau à une profondeur déterminée, les sondes sont fixées grâce aux élastiques sur la pique en bambou (à droite) puis protégées dans un gant (à gauche).
Le montage des sondes se fait en carré
dispositif expérimental -  voir en grand cette image
dispositif expérimental
verticalement 2 sondes proches du fond (A et B) et 2 sondes proches de la surface (C et D).
Horizontalement 2 sondes au centre du cristallisoir au dessus de la source de chaleur (A et C) et 2 sondes en bordure du cristallisoir (B et D).

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 le fichier 02 L’IDE arduino .pdf et le fichier 4sondes_analogiques_sortie_serie.ino

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 }

Prise de mesures par le port COM3 de l’ordinateur correspondant à la connexion avec la carte arduino une mesure toute les 30 secondes.

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

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.

graphe 4 sondes calc -  voir en grand cette image
graphe 4 sondes calc
Récupération des données Graphe obtenu après traitement des donnés dans libre office calc

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 seconde 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…

graphe 4 sondes python -  voir en grand cette image
graphe 4 sondes python
Graphe obtenu par traitement des données CSV dans le programme python affichagedestemperaturesdessondes.py (fourni)

résultats et interprétation

- sonde placée au dessus de la source de chaleur (sonde A) est la première à enregistrer une augmentation de température après 1min 30 de chauffe.
- La sonde C est la deuxième après 2 min.
- La sonde D est la troisième après 3 min 30.
- enfin l’augmentation de température arrive à la sonde B après 4 min.
Image du montage avec les temps d’arrivée de l’augmentation de température

Nous pouvons déjà ici invalider notre hypothèse de transmission par conduction simple, la sonde B, 2e sonde la plus proche de la source de chaleur, capte une augmentation de température après toutes les autres sondes.

la transmission de chaleur s’effectue donc par un autre mécanisme, la convection.

A partir de 4 min l’augmentation de température sur toutes les sondes semble suivre une progression linéaire très proches (coefficients directeurs entre 0,247et 0,262) et la différence de température entre les sondes reste constante. 2,8°C entre les sondes A et B, 1°C entre les sondes A et C, 1,4°C entre les sondes A et D.

un régime de transfert de chaleur semble s’être mis à l’équilibre, et transfère la chaleur de la sonde A vers la sondes C puis la sonde B

c’est le déplacement de l’eau dans le cristallisoir qui permet ce transfert d’énergie par convection.

Schéma possible du déplacement de matière obtenu grâce aux résultats

remarque il est possible de matérialiser ce déplacement de matière par un colorant déposé avec une pipette près de la sonde A, mais ici il est intéressant que la création d’une représentation du réel se fasse par utilisation des données et pas simplement par l’observation directe. (je crois ce que je vois)

d’autres projets expérimentaux

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 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 il y a des cartes arduino. Voyez avec vos collègues de physique, de numérique (SNT, NSI…) ou de mathématiques.

l’original

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

des sites qui prennent les mandats abministratifs

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

ordre d'arrivée de la chaleur schéma bilanl

Documents à télécharger