Niveau

Lycée - Première enseignement scientifique

Compétences

• Comprendre la nature du savoir scientifique et ses méthodes d’élaboration
• Identifier et mettre en œuvre des pratiques scientifiques avec un usage explicité des outils numériques.

 Connaissances et capacités associées

"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) ou de données expérimentales mises à disposition par des scientifiques à l’analyse critique des résultats."

Objectifs des activités et place dans la démarche

Pour en faciliter la lecture, cette ressource est présentée sous la forme d’un scénario possible. Elle ne constitue toutefois pas une progression « clé en main ». Chacun pourra y choisir les éléments qu’il souhaite développer –ou alléger- avec ses élèves en fonction de leurs besoins et des conditions matérielles d’enseignement. Certaines notions exposées ne sont (évidemment) pas exigibles mais sont des points clés pour comprendre ce qu’est un capteur en général et un géophone en particulier. Enfin, certaines notions sont volontairement à la croisée des sciences de la Terre, de la Physique, des Sciences de l’ingénieur et des Mathématiques…

L’ensemble des ressources présentées permet de s’interroger sur la pratique scientifique (que mesure-t-on vraiment ?), d’aborder les caractéristiques d’un capteur (sensibilité, justesse, pertinence…) à partir de l’étude des relevés d’une station sismique disponible dans certains lycées et collèges.

Description des activités : Résumé du contenu de la publication au format pdf (59 pages)

En sciences, un capteur est un objet complexe capable de renvoyer une valeur manipulable (au sens mathématique du terme), archivable, discutable (comparable…). Produire de telles valeurs dans le cas de l’étude des ondes sismiques n’est pas aisé. Les géophones sont des capteurs dont le principe physique est appréhendable par les élèves. Les problèmes que posent la calibration de ces détecteurs pour produire une valeur qui reflète réellement le phénomène étudié peuvent être discutés en classe. Enfin, l’étude du bruit pourtant enregistré permet l’exploration d’un problème technique dont la solution semblera probablement étonnante…

 Ci-dessous, un sommaire et des extraits du pdf

Sismoscope, Sismomètre, sismographe

  Quelques rappels utiles sur comment détecter, enregistrer et archiver les ondes sismiques

Trace conservée par un sismographe type Vibrato : signal, bruit, ligne de base, reconnaitre un séisme.

  Réflexion sur la variabilité de la trace brute générée par un géophone type vibrato - comment reconnaitre le signal d'un séisme au sein d'une trace brute ?

Principe de construction et de fonctionnement d’un sismomètre de type géophone

  Éléments constitutifs du capteur - dissection vidéo d'un géophone.

Géophone utilisé en sismique réfraction

https://www.guidelinegeo.com/help-articles/what-do-i-need-to-know-about-geophones/

Transduction du signal : Expérimentation à partir d’un dispositif simple

  Principe de la génération du signal, proposition d'un montage permettant de comprendre le principe d'un géophone

Montage expérimental pour comprendre le principe d'un géophone

Montage simple d'un aimant pouvant osciller dans une bobine : détection des vibrations verticales.

Notion de transduction, valeur d'entrée et signal de sortie d'un système de mesure.

Chaine de transduction : De la variation enregistrée au signal de sortie.

Analyse du signal restitué par le système expérimental : fréquence propre et amortissement

  Problème de la correspondance entre signal généré et phénomène étudié (valeur informative du signal)

Notions d'oscillateur harmonique, de fréquence propre, limites du système de mesure.

De l’oscillation à la trace sismique, quelques éléments

  Calibration et spécificité des géophones : correspondance sensibilité / onde sismique

Exemple de correspondance gamme de fréquences d’un géophone / fréquences des ondes sismiques de surfaces

(http://seeq.qc.ca/wp-content/uploads/2016/06/Article-6-G%C3%A9ophones-vs-acc%C3%A9l%C3%A9rom%C3%A8tres-principes-de-fonctionnement-et-limites-P-Andrieux.pdf)

Comprendre le bruit enregistré par un géophone

  Même calibré, un géophone génère des signaux non désirés. Quelles en sont les origines ?

Bruit généré par les mises en tension, interférences électriques (bruit spécifique à une seule station)...

Exemple de signaux non désirables ("bruit")

Le problème du bruit continu sur plusieurs heures, commun à plusieurs stations sismiques voisines

Bruit continu de longue durée enregistré à Aix et Marseille

Proposition d'une stratégie de résolution permettant de découvrir l'origine du bruit continu

Bruit microsismique généré par la houle

L ’astuce de Mac Gyver : Construire un géophone à partir d'un haut-parleur...

Les éléments constitutifs d'un haut-parleur.

Cette partie peut permettre un réinvestissement de ce qui aura pu être abordé dans la partie "Son"

Construire un géophone efficace avec du matériel de récupération …

Notions propres abordées se rapportant à ce qu'est un capteur :

• Capteur, Détecteur,Transducteur
• Pertinence
• Erreur accidentelle Erreur systématique
• FidélitéJustesse Précision
• Domaine de validité / Bande passante Sensibilité

Ressources 

Nouveaux programmes de première en enseignement scientifique

 Sciences de la Vie et de la Terre, Aix - Marseille, Actualités (ac-aix-marseille.fr)

Auteur

Lionel Roux