Mesureet Instrumentation

ProgrammeProgressionSéquence pédagogiquePerspectiveQuestionnement

Jeudi 19 janvier 2012

ProgrammeBulletin officiel spécial n° 3 du 17 mars 2011

Mesure et incertitudes de mesure ( Notions et contenus / Compétences )

• Définitions.▫ Utiliser le vocabulaire de base de la métrologie.

• Notions d’erreurs.▫ Identifier les limites du mesurage (étendue de mesure, seuil de détection, seuil de

quantification, etc.). ▫ Identifier les différentes sources d’erreur lors d’une mesure (mesurage).

• Notion d’incertitude. ▫ Évaluer les incertitudes associées à chaque source d’erreur. ▫ Comparer le poids des différentes sources d’erreur. ▫ Évaluer l’incertitude d’une mesure :

à partir de la documentation du constructeur ; à l’aide d’une formule d’évaluation (fournie à l’élève) ; donnée par un instrument analogique.

▫ Évaluer la valeur moyenne et l’écart-type expérimental d’une série de mesures effectuées dans des conditions de répétabilité.

▫ Évaluer l’incertitude de répétabilité à l’aide d’une formule d’évaluation (fournie à l’élève). • Expression et acceptabilité du résultat.

▫ Exprimer le résultat d’un mesurage par une valeur mesurée et une incertitude de mesure associée à un niveau de confiance.

▫ Définir les mesurages à conserver en fonction d’un critère donné. ▫ Faire des propositions pour améliorer la démarche. ▫ Vérifier un résultat de mesurage à l’aide d’un étalon. ▫ Évaluer l’exactitude de la mesure (fidélité et justesse).

ProgrammeBulletin officiel spécial n° 3 du 17 mars 2011

Instrumentation : instruments de mesure, chaîne de mesure numérique( Notions et contenus / Compétences )

• Capteur et principe physique associé.• Chaîne de traitement de l’information

▫ Associer la mesure d’une grandeur au principe physique d’un capteur. ▫ Mettre en œuvre un instrument de mesure, une chaîne de mesure numérique. ▫ Identifier les sources d’erreur et évaluer les incertitudes associées à chaque

étage de la chaîne. ▫ Étalonner un capteur, un transmetteur, une chaîne de mesure numérique.

• Utilisation des appareils de mesure Choix des appareils Étalonnage Dans le cadre d’une mesure, pour chaque appareil :

▫ Connaître la grandeur mesurée ; ▫ Choisir un instrument de mesure adapté en fonction de ses caractéristiques

(sensibilité, temps de réponse, fidélité, justesse, étendue de mesure) ; ▫ Indiquer le capteur utilisé ; ▫ Identifier les éléments de la chaîne de mesure ; ▫ Utiliser l'appareil, à l’aide d’une documentation, dans le cadre d’un protocole de

mesure ; ▫ Effectuer des mesures. Réaliser, régler et/ou étalonner les dispositifs expérimentaux dans les conditions de

précision correspondant au protocole.

ProgrammeBulletin officiel spécial n° 3 du 17 mars 2011

Les techniques de mesure ( Notions et contenus / Compétences )

• Mesures absolues et mesures relatives. • Mesures directes et indirectes. • Mesure par comparaison, méthode de zéro.

▫ Reconnaître les différents types de mesures. ▫ Choisir une technique de mesure et la mettre en œuvre afin de minimiser l’incertitude ou de

limiter l’effet des grandeurs d’influence.

Progression

1 1. a, b Règlement inter-laboratoire Sécurité Découverte du laboratoire et de la notion de mesure Notion de Mesure, Mesurande, Mesurage

Observation de la verrerie courante du laboratoire pour les critères suivants : - Plus grand volume mesurable - Plus petit volume mesurable - Volume entre deux graduations - Tolérance indiquée

2 1. a, b Limite de mesurage Utiliser les résultats d’une manipulation pour identifier les limites et étendues de mesure. Analyse de la dispersion des vitesses calculées. Synthèse sur les notions d’étendue de mesure, de limite supérieure ou inférieure de mesure.

Travail par groupe : - Mesurer le temps d’un déplacement à l’aide de : chronomètre, montre, comptage mental - Mesurer la distance parcourue à l’aide de : double décimètre, corde, mètre ruban

Calcul de vitesse. Interrogation écrite sur les notions de sécurité.

3 1. a, c Mettre en œuvre un instrument de mesure Pipette jaugée

Transfert de volumes d’eau (20 mL) à l’aide pipette jaugée. Exercices : expression de volumes dans différentes unités. Evaluation du cahier de laboratoire.

4 1. a, c Mettre en œuvre un instrument de mesure Balance analytique

Pesée de 1 g de NaCl. Exercices : expression de masse dans différentes unités Interrogation écrite sur les notions de mesure, mesurage, mesurande.

5 1. a, c, d, e Influence de divers facteurs sur un mesurage - Classification à l’aide du diagramme des 5M Classification des facteurs d’influence. Analyse de l’étendue pour l’influence de la main d’œuvre. Construction du diagramme des 5M Application au monde du travail.

TP : Mesurage de la masse d’eau dans différentes conditions Pesée de l’eau :

- méthode (balance préparative - balance analytique) - milieu (eau à température ambiante et eau froide) - matière première (eau - eau frelatée avec éthanol) - matériel (pipette jaugée - éprouvette) - manipulateur (tous les élèves)

Evaluation de l’utilisation de la balance. 6 1. a, f Evaluer l’incertitude d’une mesure

Notion de concentration massique et molaire. Calcul de l’incertitude de la mesure à l’aide d’une formule de calcul simplifiée fournie à ’élève. Estimation de l’incertitude de la mesure à l’aide d’une formule de calcul simplifiée et par le biais de l’affichage.

Préparation d’une solution de NaCl à 5g.L-1 (pesée 0,5g, 100 mL). Recherche des tolérances des instruments (documentation constructeur). Exercices changements d’unités et calcul de concentration.

Progression7 1. a, f Evaluer l’incertitude d’une mesure

Notion de concentration massique et molaire. Estimation de l’incertitude de la mesure à l’aide d’une formule de calcul simplifiée.

Dilution d’une solution de KMnO4 (10 dans 100 mL). Mesure de la « concentration » par spectrophotométrie en mode concentration. Exercices changements d’unités et calcul de concentration. Evaluation de l’utilisation de la pipette jaugée.

8 1. a, g, h, i, j Analyse statistique d’une série de mesure séance 1 Tracer de la courbe : Concentration = f(essai) Calcul de la moyenne, s r et CVr. Conclusion partielle sur la fidélité en condition répétabilité.

Dilution répétée 8 fois d’un colorant alimentaire et mesure de la concentration par spectrophotométrie en mode concentration.

9 Analyse statistique d’une série de mesure séance 2 Reprise des résultats de chaque élève par Excel : moyenne, écart type et CVr bruts Notion de fidélité en condition de répétabilité. Reprise de l’ensemble des résultats (16 x 8) par Excel : moyenne, écart type et CVR. Notion de fidélité en condition de reproductibilité (main d’œuvre). Présentation formule liant sr à sR. Détermination sr de référence. Comparaison sr de référence et sr élève. Présentation de la notion de valeur de référence et de la notion de justesse. Présentation des formules de calcul pour le biais et le biais relatif. Conclusion sur la notion d’exactitude Exactitude = fidélité + justesse.

Appropriation du sr et CVr. Appropriation de la notion de fidélité en condition de répétabilité. Appropriation du sR et CVR Appropriation de la notion de fidélité en condition de reproductibilité. Auto-évaluation de la fidélité en condition de répétabilité de la série de mesure. Calcul du biais et du biais relatif. Auto-évaluation de la justesse de la série de mesure. Appropriation de schémas de présentation des notions.

10 Mettre en œuvre un instrument de mesure Burette

Mesurer des volumes d’eau à l’aide d’une burette de 10 mL et de 25 mL. Interrogation écrite sur les calculs de conversion et de concentration.

11 Mise en application des notions de qualité au laboratoire : dosage volumétrique séance 1

Etalonnage d’une solution ‘acide chlorhydrique par une solution d’hydrogénocarbonate de potassium Evaluation du geste pipette jaugée

12 Mise en application des notions de qualité au laboratoire : dosage volumétrique séance 2

Réaction du compte rendu Tableau de sécurité Tableau de résultat Equations des réactions Equivalence Etablissement de l’équation aux grandeurs Calcul des concentrations molaires Acceptabilité des résultats Rappel de la fidélité en condition de répétabilité et de reproductibilité Justesse

Séquence pédagogiqueIntitulé de la séance 02 Limite de mesurage Pré-requis Utilisation des instruments de mesurage de longueur et de temps

Objectifs

Connaissances (savoirs)

Limites et étendue de mesurage

Capacités (savoir-faire)

Réaliser les mesurages demandés, construire un tableau de résultats, analyser des résultats expérimentaux

Attitudes (savoir-être) Communiquer

Déroulement de la séance Temps Activités professeur Activités élève Support

Interrogation 10 min Interrogation, en début de séance, sur les notions de sécurité.

Réponds aux questions MI 02 prof EV sécurité

Activité expérimentale 30 min Présentation et organisation de l’activité expérimentale (oralement):

- Mesurer le temps d’un déplacement à l’aide de : chronomètre, montre, comptage mental

- Mesurer la distance parcourue à l’aide de : double décimètre, corde, mètre ruban

Réalisation de l’activité proposée Compléter le tableau de résultats (phase 1 = mesure)

Tableau de résultats

Calculs de vitesse 20 min Instructions pour construire le tableau des vitesses Construire le tableau des vitesses Calcul de vitesse en m.s-1

Tableau et / ou informatique

Analyse des résultats 30 min Analyse de la dispersion des vitesses calculées Retour sur les grandeurs mesurées : limites et étendues de mesure

Echange avec le professeur Compléter le tableau de résultats (phase 2 = notions)

Tableau de résultats

Conclusion 10 min Synthèse sur les notions d’étendue de mesure, de limite supérieure où inférieure de mesure

Echange avec le professeur

Exercice d’application 10 min Interrogation complémentaire sur l’activité 1 Compléter le tableau de la séance 1 (étendue de mesure)

Séquence pédagogique

Utilisation des instruments de mesurage de longueur et de temps

Les élèves travaillent par groupe de 4 et étudient une distance différente dans le laboratoire. Marquer les distances avec des post-It dans le labo. Faire marcher un élève d’un point A à un point B. Mesurer le temps et la distance du parcours avec des instruments différents. Mesurage : temps de parcours et distance parcourue mesurée avec différentes outils Mesurande : temps et distance Mesure : valeurs avec une unité Instruments Temps en s Temps le plus grand

mesurable en s Temps le plus petit

mesurable en s Etendue de mesure en s

(max –min) Mesure du temps de parcours

Chronomètre

Comptage « dans la tête »

Montre analogique

1s à 43 200 s (12h)

Instruments Distances en Distance la plus grande

mesurable en cm Distance la plus petite

mesurable en cm Etendue de

mesure en cm cm m Mesure de la distance parcourue

Règle

Corde de 1 m

100 cm 100 cm 100 cm

Mètre ruban

Séquence pédagogiqueMesure et instrumentation

Calculer les vitesses de parcours en m.s-1 et présenter les résultats sous forme de tableau à deux entrées (les instruments de mesure de la distance, les instruments de mesure du temps). Chronomètre Comptage « dans la tête » Montre Règle

Corde de 1 m

Mètre ruban

Normalement même vitesse : puisque même distance et même temps On observe des différences de vitesses : Notion de dispersion des valeurs entre elles. Pourquoi ? Utilisation instruments de mesurage différents ? Caractéristiques des instruments de mesurage ? Approche des notions :

- d’étendue de mesure : intervalle (max-min) - de seuil de détection : plus petite valeur que l’on peut obtenir avec un mesurage donné

(On peut introduire une petite notion de chiffre significatif). On revient sur le premier TP : compléter le tableau de la verrerie courante (colonne vierge) avec l’étendue de mesure.

Perspective

Intitulé de la séance Réfractométrie et Réfractomètre - Activité 1 - Découverte de la réfractométrie Pré-requis Mesure des angles, maîtrise de la calculette

Objectifs

Connaissances (savoirs)

Notion de réflexion de la lumière Notion de réfraction de la lumière

Capacités (savoir-faire)

Schématisation d’expériences Conduite des calculs

Attitudes (savoir-être)

Curiosité face aux démonstrations Respect des consignes

Déroulement de la séance Temps Activités professeur Activités élève Support Réfraction, les expériences de mise en évidences du phénomène.

40 min Réalise les démonstrations Echange avec le professeur Schématisation des expériences sur le cahier de laboratoire

Paillasse professeur Tableau et TICE.

Réfraction (et Réflexion), les lois

30 min Présente les lois de Snell-Descartes pour la réflexion et la réfraction

Complète le document après avoir compris les notions évoquées

Document à compléter

Exercices 40 min Propose des exercices, anime l’avancée des travaux et corrige ces derniers

Font les exercices proposés Tableau Cahier de labo.

Perspective

Intitulé de la séance Réfractométrie et Réfractomètre - Activité 2 - Utilisation du Réfractomètre d’Abbe

Pré-requis Réalisation de dilutions en fiole jaugée Tracé de courbe d’étalonnage

Objectifs

Connaissances (savoirs)

Détermination de l’indice de réfraction à l’aide d’un réfractomètre d’Abbe

Capacités (savoir-faire)

Dilutions en fiole jaugée Manipulation d’un réfractomètre d’Abbe

Attitudes (savoir-être) Respect des consignes

Déroulement de la séance Temps Activités professeur Activités élève Support Activité expérimentale 60 min Présentation et organisation de l’activité

expérimentale : Préparation de solution étalons de glucose Mesure de l’indice de réfraction des solutions étalon Détermination de la concentration d’une solution de glucose par mesure de son indice de réfraction

Réalisation de l’activité proposée par groupe de 4

Fiches techniques : Utilisation du réfractomètre

Exploitation des résultats expérimentaux

50 min Détermination de la concentration en glucose de la solution inconnue

Conduite des différents tracé et calculs Echange avec le professeur

Tracer des courbes sur papier millimétré Tableau Cahier de labo

PerspectiveMesure et instrumentation

Intitulé de la séance Réfractométrie et Réfractomètre - Activité 3 - Réfractomètre d’Abbe, limites de mesurage

Pré-requis Réalisation de dilutions en fiole jaugée Savoir utiliser un réfractomètre d’Abbe

Objectifs

Connaissances (savoirs)

S’approprier des notions théoriques (définitions) pour proposer un protocole expérimental « Passer de la théorie à la pratique »

Capacités (savoir-faire)

Dilutions en fiole jaugée Manipulation d’un réfractomètre d’Abbe

Attitudes (savoir-être) Esprit d’initiative et rigueur dans la conduite du raisonnement et de l’expérimentation

Déroulement de la séance Temps Activités professeur Activités élève Support Définition et détermination des activités expérimentales

30 min Rappel les définitions des limites d’un mesurage Anime les échanges entre élèves pour aboutir à des propositions d’activité expérimentale.

Proposition des activités expérimentales à réaliser pour vérifier les limites du mesurage

TICE Protocole Cahier de labo

Activités expérimentales 65 min Détermination de la concentration en glucose de la solution inconnue

Réalisation des activités proposées par petits groupes Echange avec le professeur

Matériel de laboratoire Fiches techniques : Utilisation du réfractomètre

Conclusion 15 min Synthèse des travaux des différents groupes Echange avec le professeur Tableau Cahier de labo.

Questionnement

Les attendus du programme▫Des notions non abordées (méthode de

zéro)▫Des notions peu abordées (chaîne de

traitement de l’information)▫Des notions envisagées dans le cadre de

nos options (Biotechnologies et CBSV)▫Les choix d’une équipe enseignante

Questionnement

Les attendus de l’examen▫Où placer le « curseur » en terme

d’exigences ?▫Quelle évaluation ?▫Quand seront disponibles les sujets

« zéro » ?▫…