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ENSEIGNEMENT
SCIENTIFIQUE
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Projet expérimental
Classe de Première générale
Enseignement scientifique
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Table des matières
Extrait du bulletin de l’Éducation nationale ............................................................ 3
La démarche scientifique .......................................................................................... 4
1. Principe général ................................................................................................... 4
2. Les grandes étapes d’une démarche scientifique ................................................ 4
3. Mener une expérience ......................................................................................... 4
4. Rédiger un compte-rendu expérimental .............................................................. 5
Présentation de l’application Phyphox .................................................................... 6
1. Un laboratoire dans son smartphone ................................................................... 6
2. Télécharger l’application ....................................................................................... 6
3. Piloter et recueillir les données des capteurs depuis un navigateur Internet ....... 7
4. Exporter les données expérimentales ................................................................. 7
Utilisation d’un logiciel tableur-grapheur ................................................................ 8
1. Saisie manuelle des données ............................................................................... 8
2. Importation de données expérimentales............................................................... 8
3. Ajout de colonnes dont les valeurs sont calculées .............................................. 9
4. Représentation graphique des données .............................................................. 9
5. Modélisation des données ................................................................................. 10
6. Approche statistique, conformité des résultats .................................................. 11
Exemples de projets expérimentaux...................................................................... 12
Modalités .................................................................................................................. 14
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Extrait du bulletin officiel de l’Éducation nationale
« 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 des 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 est choisi librement, en lien avec le programme ou non. Il s’inscrit
éventuellement dans le cadre d’un projet de classe ou d’établissement. Ce travail se
déroule sur une douzaine d’heures, contiguës ou réparties au long de l’année. Il
s’organise dans des conditions matérielles qui permettent un travail effectif en petits
groupes d’élèves.
La dimension numérique repose sur l’utilisation de matériels (capteur éventuellement
associé à un microcontrôleur) et de logiciels (tableur, environnement de
programmation). »
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La démarche scientifique 🔍
1. Principe général
La démarche scientifique désigne la méthode employée par les scientifiques pour parvenir à expliquer
le fonctionnement du monde qui nous entoure (d’après le Commissariat à l’Énergie Atomique). La
démarche scientifique consiste à tester, à expérimenter, à mettre le monde à l’épreuve pour recueillir
des informations ou des données, dont le traitement permettra de dégager les mécanismes à l’œuvre
dans la nature. La validité des observations et des conclusions apportées par une démarche scientifique
doit être vérifiable : l’expérience doit pouvoir être reproduite plus tard ou ailleurs et dans les mêmes
conditions pour garantir que des résultats semblables sont à nouveau obtenus. Cela suppose la
transparence des modes opératoires et l’authenticité des résultats obtenus.
2. Les grandes étapes d’une démarche scientifique
À partir de l’observation d’un phénomène, une problématique est dégagée, par exemple sous la forme
d’une question. Cette problématique conduit à émettre une ou plusieurs hypothèses sur les
mécanismes observés. Ces hypothèses seront mises à l’épreuve, elles seront testées au cours de la
réalisation d’expériences. Les résultats obtenus subiront alors un traitement, par exemple
mathématique puis une interprétation qui conduira à confirmer ou à infirmer les hypothèses émises.
Le traitement des données peut conduire à une étape de modélisation des phénomènes voire à la
construction d’une théorie (d’après le Commissariat à l’Énergie Atomique).
3. Mener une expérience
L’indispensable transparence de la démarche scientifique impose à
l’expérimentateur de consigner sans tricher tous les phénomènes qu’il
rencontre ou toutes les données qu’il recueille pour les soumettre
ensuite à la communauté scientifique. En menant une expérience, il est
important de tenir un cahier de laboratoire dans lequel tout sera
consigné. Il peut s’agir des conditions expérimentales (température et
pressions ambiantes, luminosité, etc.), du mode opératoire suivi
(protocole, matériel, etc.), des résultats obtenus (photographie, relevé
de valeurs, tableaux, impressions d’écran, …), du traitement réalisé
(étude statistique, représentation graphique) et du modèle retenu
(modélisation du graphique par une fonction de référence, fonction
linéaire, fonction affine, qualité de l’ajustement entre le modèle et les
données expérimentales, calcul d’erreur relative, calcul d’incertitudes,
…). De grands scientifiques ont laissé dans l’Histoire leurs cahiers de
laboratoire (Lavoisier, Pasteur – ci-contre –, Claude Bernard, …) qui
témoignent de la traçabilité de leurs démarches.
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Cahier de laboratoire de Marie Curie, qui est aujourd’hui encore radioactif
Dans le cas d’un projet, il est aussi important de préparer une programmation (un planning) des tâches
à accomplir au cours du temps comme les phases de recherche, d’organisation, d’appropriation, de
réalisation, de traitement, de synthèse, de rédaction, de mise en forme, de concertation, etc.
Une programmation prévisionnelle est construite en amont du projet pour servir de guide et elle peut
être ajustée en fonction des contraintes ou de l’avancement du projet. Il peut être intéressant de
comparer la prévision faite et le rythme réellement suivi lors de la réalisation du projet pour prendre la
mesure de l’ampleur des différentes tâches.
4. Rédiger un compte-rendu expérimental ✏
Le compte-rendu expérimental est une production soignée qui reflète et met en forme le cahier de
laboratoire du scientifique. Il rend compte de sa problématique, de ses hypothèses, du mode opératoire
qu’il a suivi, des résultats qu’il a obtenus, du traitement qu’il en a fait, du modèle qu’il a retenu et du
regard critique qu’il porte sur sa démarche. Il s’accompagne au besoin de photographies, de schémas,
de vidéos, d’illustrations qui éclairent le contenu de l’expérience.
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Présentation de l’application Phyphox 📱
1. Un laboratoire dans son smartphone
« Votre téléphone est un laboratoire mobile ». L’application
Phyphox vous permet d’utiliser les capteurs de votre
téléphone pour vos expériences. Par exemple, détecter la
fréquence d’un pendule en utilisant l’accéléromètre ou
mesurer l’effet Doppler en utilisant son microphone.
Vous pouvez contrôler votre expérience à partir de
n’importe quel navigateur Internet. Par exemple, vous
pouvez contrôler Phyphox depuis votre ordinateur et
télécharger les données directement sur votre bureau.
Vous pouvez exporter les données dans des formats
communs pour les exploiter dans vos logiciels favoris. »
traduit d’après phyphox.org
Le projet numérique de l’enseignement scientifique peut avoir lieu depuis chez soi. Pour cela, il est
possible d’exploiter son smartphone pour recueillir des données expérimentales. Selon le modèle de
smartphone, différents capteurs pourront être exploités. Des propositions d’expériences à réaliser sont
fournies dans la suite de ce document pour accompagner les élèves dans leurs démarches.
L’application fournit également des nombreuses informations sur les expériences sous la forme de
pages Wiki à consulter ou de vidéos.
2. Télécharger l’application ⬇
Fournie par l’Institut de physique de l’Université technique de Rhénanie-Westphalie à Aix-la-Chapelle,
l’application est gratuite et disponible sur les plateformes de téléchargement pour smartphones Google
Play et App Store. La taille de l’application est de 25,5 Mo.
L’utilisation de Phyphox ne réclame pas de création de compte utilisateur, ni de saisir une adresse mail.
L’application est en open source et est soutenue par les Directions académiques au numérique éducatif.
De nombreuses informations sont également disponibles sur le site Internet de l’application
https://phyphox.org/, disponible en anglais ou en allemand. Les élèves qui rencontreraient des
difficultés avec ces langues peuvent demander conseils auprès de l’enseignant.
Illustration de la page
d’accueil de l’application sur
un smartphone
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3. Piloter et recueillir les données des capteurs depuis un navigateur Internet
Il est parfois difficile de consulter son smartphone pour lire les inscriptions sur l’écran lorsque le
smartphone est utilisé durant une expérience de physique.
Il est alors possible d’accéder aux informations recueillies via un navigateur Internet depuis un
ordinateur, une tablette ou un autre smartphone, connectés sur le même réseau WiFi que le
smartphone-capteur (typiquement deux appareils domestiques connectés au WiFi de la box Internet du
domicile).
Pour cela, suivre la procédure suivante :
avec le smartphone-capteur, ouvrir l’application Phyphox ;
dans la liste de la page d’accueil, sélectionner le capteur utilisé lors de l’expérience à venir ;
dans la nouvelle fenêtre à l’écran, cliquer sur l’icône de menu déroulant, en haut à droite de l’écran,
formée de trois petits points disposés les uns en dessous des autres ;
dans le menu déroulant qui s’affiche, cliquer sur « Activer l’accès à distance » ;
dans la fenêtre d’avertissement, cliquer sur « OK » ;
noter l’URL qui s’affiche dans l’application, par exemple http://192.168.1.19/ ;
avec le deuxième appareil, ouvrir un navigateur Internet ;
dans la barre d’adresse du navigateur, saisir l’URL notée précédemment.
Les icônes présentes dans la barre de menu permettent de déclencher la mesure, de la mettre en pause
ou bien d’effacer les données recueillies.
Icônes présentes dans la barre de menu avant et pendant l’acquisition des données expérimentales.
4. Exporter les données expérimentales
À la fin de l’expérience, il est possible d’exporter les données mesurées dans différents formats de
fichiers exploitables par des logiciels, notamment des tableurs-grapheurs comme Microsoft Excel,
LatisPro ou LibreOffice Calc.
Pour cela, dans l’application Phyphox ou dans le navigateur, utiliser l’icône de menu déroulant de la
barre de menu (en forme de trois petits points les uns en-dessous des autres) puis choisir « Exporter
les mesures ».
La fenêtre qui s’affiche permet alors d’enregistrer au format CSV en choisissant le séparateur de
colonnes (tabulation, virgule ou point-virgule) et le séparateur décimal (point ou virgule). Le choix à
retenir dépend du logiciel tableur-grapheur qui sera employé pour exploiter ces données. Avec Microsoft
Excel, un mode d’exportation est dédié dans l’application. Pour LibreOffice Calc, c’est le tableur-
grapheur qui demandera quels sont les séparateurs à prendre en compte dans le fichier CSV importé.
Il est conseillé d’exporter en choisissant les tabulations comme séparateurs de données et les virgules
comme séparateurs décimaux.
Info : le menu déroulant disponible dans la page d’un capteur permet souvent d’afficher des
informations techniques, ou de principe de l’expérience, ou même des vidéos illustrant l’utilisation de
l’application. Cette ressource est très utile.
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Utilisation d’un logiciel tableur-grapheur 📈
Les logiciels tableurs-grapheurs, comme Microsoft Excel, LatisPro, LibreOffice Calc, Google Sheets,
etc, sont des logiciels dédiés au traitement de données et à leur représentation graphique.
Les fonctionnalités de base de ces logiciels seront illustrées ci-dessous à l’aide du logiciel LibreOffice
Calc, disponible gratuitement sur fr.libreoffice.org. Les mêmes fonctions se retrouvent dans les autres
logiciels selon des modalités semblables. En cas de question technique sur le fonctionnement de ces
logiciels, les élèves peuvent contacter l’enseignant.
En guise d’exemple, les données utilisées ci-dessous concernent l’expérience de mesure de la vitesse
du son. Une règle graduée permet de mesurer la distance d en cm séparant un dispositif sonore d’un
obstacle ; un détecteur sonore permet de mesurer la durée t qui s’écoule entre le départ du son et le
retour de l’onde sonore en écho après réflexion sur l’obstacle.
1. Saisie manuelle des données 🖐
La saisie des données expérimentales dans le logiciel est
réalisée en colonnes. La première case d’une colonne
indique le symbole de la grandeur concernée et son unité.
La première colonne est attribuée à la grandeur contrôlable
par l’expérimentateur (ici la distance entre le dispositif
sonore et l’obstacle).
Les données recueillies pendant l’expérience sont saisies
au clavier les unes sous les autres, en vérifiant la bonne
correspondance sur une ligne entre les mesures.
Dans le cas de mesures régulièrement espacées, comme
c’est le cas dans la colonne A ci-contre, où les valeurs sont
toutes séparées d’un centimètre, il est possible de saisir les
premières (1,0 ; 2,0 ; 3,0), de les sélectionner en un bloc
puis de cliquer-glisser le carré noir (indiqué ci-contre par
une flèche) vers le bas ; le logiciel complète alors par lui-
même avec les valeurs suivantes (4,0 ; 5,0 ; 6,0 ; etc.).
2. Importation de données expérimentales
Il est possible d’importer des données expérimentales
depuis un fichier CSV dans le logiciel tableur-
grapheur en suivant les commandes Fichier >
Ouvrir… ou Fichier > Importer… selon le logiciel. La
reconnaissance des caractères séparateurs est
configurable avec LibreOffice (ici l’expérience mesure
la pression au cours du temps, les données sont
stockées dans le fichier Raw%Data.csv, séparées
entre elles par des tabulations et le séparateur
décimal est la virgule).
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3. Ajout de colonnes dont les valeurs sont calculées 🔨
Il est possible d’automatiser certains calculs dans le tableur-grapheur, par exemple dans la situation
où une grandeur doit être élevée au carrée, ou bien doublée.
En reprenant l’exemple de l’expérience sonore, dans la mesure où l’onde sonore parcourt la distance
d à l’aller puis au retour, il faut considérer que le trajet de l’onde mesure 2×d. Il faut alors insérer une
colonne, baptisée par exemple ℓ / cm, et dans laquelle chacune des valeurs vaut le double de d.
Exemple d’instruction de calcul automatique dans la case B2
Il suffit alors de se placer dans la cellule concernée, de taper le symbole « = » ce qui déclenche pour le
logiciel l’écoute d’un calcul à réaliser. Au clavier, il faut ensuite taper « 2* » puis, avec la souris par
exemple, sélectionner la case de gauche, en position A2 de la grille. Un appui sur la touche Entrée du
clavier termine l’instruction et indique au logiciel de réaliser le calcul.
Les règles générales de calcul en mathématiques sont vérifiées dans le tableur, comme la priorité des
opérations, le parenthésage, etc. Certaines fonctions spécifiques sont indiquées au logiciel sous la
forme d’une chaîne de caractère ; par exemple la racine de 5 s’obtient grâce à l’instruction suivante :
=sqrt(5) ; le code sqrt ayant été choisi pour l’anglais square root, à savoir racine carrée.
En cas de question sur le code à indiquer dans une cellule pour un calcul spécifique, les élèves peuvent
demander conseils à l’enseignant.
4. Représentation graphique des données 📈
Une fois les données totalement renseignées dans les colonnes du logiciel, il est possible d’en produire
une représentation graphique. Pour cela,
à l’aide de la souris ou du clavier, sélectionner les cases de la première colonne, y compris la
première case indiquant le symbole et l’unité de la grandeur ;
maintenir la touche Ctrl du clavier enfoncée ;
sélectionner les cases de la deuxième colonne ;
relâcher la touche Ctrl du clavier ;
sélectionner la commande Insertion > Graphique … ou Insertion > Diagramme … ;
parmi les différents types de graphique proposés, choisir « XY (dispersion) » ou « nuage de
points ».
Les logiciels permettent ensuite, par des menus ou des fenêtres contextuelles, d’indiquer le nom des
axes, le titre du graphique, les unités ou encore de changer la forme du marqueur des points (ronds,
carrés, triangles, croix, plus, …), de modifier la couleur, le fond, le quadrillage, etc.
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5. Modélisation des données
La disposition des points sur le graphique est parfois modélisable, par exemple parce que les points
semblent alignés aux erreurs d’expérience près. Il est alors possible de modéliser les résultats
expérimentaux à l’aide de courbes de tendance, encore appelées courbes de régression. Les logiciels
offrent classiquement la possibilité de modéliser des données suivant quelques fonctions
mathématiques de référence comme :
les fonctions linéaires, dont la représentation
graphique est une droite passant par l’origine et dont
l’équation est de la forme 𝑦 = 𝑎𝑥 ;
les fonctions affines, dont la représentation graphique
est une droite ne passant pas par l’origine, et dont
l’équation est de la forme 𝑦 = 𝑎𝑥 + 𝑏 ;
les fonctions polynomiales dont les équations sont de
la forme 𝑦 = 𝑎𝑥2 + 𝑏𝑥 + 𝑐 (degré 2) ou
𝑦 = 𝑎𝑥3 + 𝑏𝑥2 + 𝑐𝑥 + 𝑑 (degré 3), etc ;
les fonctions exponentielles dont l’équation est de la
forme 𝑦 = 𝑘 × 𝑒𝑎𝑥 ;
etc.
Remarque : LibreOffice Calc traite de la même manière les
fonctions linéaires et affines sous l’appellation « Linéaire ».
Bien souvent, il est possible d’indiquer au logiciel d’afficher l’équation de la courbe de tendance sur le
graphique, ce qui permet de modéliser quantitativement la relation entre les grandeurs représentées.
Dans l’exemple de la propagation des ondes sonores, le tableur-grapheur conduit au traitement suivant :
Comme 6,74…×10-15 est une très petite valeur, on peut alors considérer grâce à l’équation du
modèle que : ℓ
𝑐𝑚= 0,0345 ×
𝑡
µ𝑠
ou encore que ℓ = 0,0345𝑐𝑚
µ𝑠× 𝑡, soit après conversions, ℓ = 345
𝑚
𝑠× 𝑡. L’expérience indique que dans
ces conditions, la vitesse du son est de 345 m·s-1.
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6. Approche statistique, conformité des résultats ☑
Dans le cas où plusieurs valeurs d’une grandeur sont obtenues à la suite de plusieurs expériences, il
est possible de les traiter par une approche statistique en calculant :
la moyenne �̅� des valeurs obtenues ;
l’écart-type 𝜎 des valeurs obtenues.
Ces deux résultats statistiques permettent d’apprécier la qualité de l’expérience réalisée, par exemple
en calculant leur rapport 𝜎
�̅� qui doit être typiquement inférieur à 5% (ce qui traduit une faible dispersion
des valeurs obtenues autour de leur moyenne).
Si la grandeur à l’étude est référencée dans la littérature, il est également possible de comparer les
résultats obtenus avec la valeur de référence. Notamment, l’expérience sera compatible avec la valeur
de référence 𝑥𝑟𝑒𝑓 si �̅� − 2𝜎 ≤ 𝑥𝑟𝑒𝑓 ≤ �̅� + 2𝜎.
Quelle que soit la méthode de traitement employée, graphique ou statistique, il est possible de quantifier
l’écart entre la mesure obtenue et la valeur de référence, en calculant l’erreur relative 𝜖 selon la formule
suivante :
𝜖 = |𝑣𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑒𝑥𝑝é𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙𝑒 − 𝑣𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑑𝑒 𝑟é𝑓é𝑟𝑒𝑛𝑐𝑒
𝑣𝑎𝑙𝑒𝑢𝑟 𝑑𝑒 𝑟é𝑓é𝑟𝑒𝑛𝑐𝑒|
Le résultat est alors souvent exprimé en % et une erreur relative inférieure à 5% indique une bonne
adéquation entre les résultats obtenus et les valeurs de référence dans la littérature.
Souvent, des fonctions mathématiques présentes nativement dans le logiciel tableur-graphique
permettent de calculer automatiquement la moyenne et l’écart-type d’une distribution, par exemple
=moyenne() ; =ecartypepa() ; =ecartstandard(), …
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Exemples de projets expérimentaux 💭
Projet Description Matériel Questionnements
possibles
Étude de la relation entre
pression, force et surface
Le capteur de pression du smartphone peut mesurer la pression de l’air qui l’entoure. Il est alors possible d’enfermer le smartphone dans un sachet de congélation gonflé d’air et fermé hermétiquement, puis de poser dessus un carton surmonté d’un objet de masse m mesurée à l’aide d’une balance.
▪smartphone ▪sachet congélation ▪carton à découper ▪petits objets variés ▪balance de cuisine
▪Comment la pression varie-t-elle avec la masse de l’objet ? ▪Comment la pression varie-t-elle avec l’aire du carton ?
▪La relation 𝑝 =𝐹
𝑆 est-elle
vérifiée ?
Le chant des bouteilles
Il est possible d’émettre un son en soufflant dans le goulot d’une bouteille en verre. Le son produit peut être analysé par le téléphone.
▪smartphone ▪bouteille de verre vide ▪eau du robinet ▪règle ▪balance de cuisine ▪verre doseur, …
▪Toutes les bouteilles produisent-elles le même son ? ▪Laisser de l’eau dans la bouteille change-t-il le son produit ? En quoi est-il différent ? ▪La quantité d’eau dans le fond de la bouteille a-t-elle une influence ? Laquelle ?
Chanter juste, chanter faux
Les sons peuvent être captés par le microphone du smartphone puis analysés informatiquement par l’appareil. De nombreuses informations peuvent être recueillies.
▪smartphone ▪En chantant do, ré, mi, fa, sol, la, si, do, peut-on déterminer avec quelle degré une personne chante juste ou faux ?
Tomber de haut
Le microphone du smartphone est capable de détecter le son généré par l’impact d’un objet avec le sol, voire même de mesurer l’intervalle de temps qui s’écoule durant les rebonds successifs de l’objet sur le sol.
▪smartphone ▪objets rebondissants (bille, balle de tennis, balle en caoutchouc, …) ▪règle
▪Comment déterminer la hauteur de chute de l’objet ? ▪Quelle relation existe-t-il entre les durées séparant deux rebonds successifs ? ▪Quelle proportion de son énergie un objet perd-il dans son impact avec le sol ?
L’essoreuse à salade
En plaçant son smartphone dans une essoreuse à salade, il est possible de mesurer l’accélération centripète de l’essoreuse lors de son fonctionnement.
▪smartphone ▪règle ▪linge pour maintenir le smartphone en place dans l’essoreuse
▪Quel est le nombre record de tours par minute accomplis par une essoreuse à salade ?
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La marche au pas
Grâce à l’accéléromètre du téléphone, il est possible de détecter l’impact généré par le pied sur le sol au cours de la marche
▪ smartphone ▪Quelle est la longueur moyenne d’un pas ? ▪À quelle fréquence bat-on des jambes en marchant ? ▪La longueur d’un pas dépend-elle de la vitesse de marche ?
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Modalités
▪ Le travail sera conduit par groupe de deux élèves idéalement, sinon individuellement. Il est possible
de se répartir le travail dans le groupe mais en veillant à l’équilibre des tâches accomplies par chacun.
Un groupe de trois ou plus n’est pas accepté pour garantir que chacun fournisse du travail. Il ne sera
pas fourni de mesure dérogatoire. Un élève qui ne dispose pas du matériel nécessaire à la réalisation
de l’expérience devra former un groupe avec un élève doté du matériel, ce premier d’entre eux pourra
alors conduire les tâches de saisie du cahier de laboratoire, mise en forme du compte-rendu
expérimental, traitement des données obtenues, modélisation, etc.
Dans la mesure où le lycée a fourni du matériel informatique à tous les élèves qui en ont fait la demande,
aucune limitation massive de matériel ne pourra empêcher la réalisation du projet.
▪ Un cahier de laboratoire doit être tenu pour chaque groupe, au format numérique idéalement. Il est
recommandé de travailler sur un fichier de saisie partagée (pad) disponible dans les applications de
l’ENT. Dans ce cas, il est bienvenu d’en confier l’accès à l’enseignant pour qu’il évalue l’avancement du
travail.
▪ Le travail réalisé devra être reporté individuellement et nominativement dans le cahier de laboratoire.
▪ L’enseignant pourra être efficacement mobilisé en cas de blocage, de question ou pour validation du
travail réalisé, au moyen de mails ou en entretiens menés en classe virtuelle.
▪ Le travail sera achevé pour le lundi 22 juin 2020, date limite à laquelle un compte rendu de projet
expérimental sera déposé numériquement à l’enseignant, soit par mail soit dans le casier de
l’enseignant sur l’ENT, et à raison d’un compte rendu par groupe. L’enseignant consignera la qualité du
travail produit dont il gardera une trace à la fin de l’année scolaire.
