                                                             Informer et accompagner
                                                             les professionnels de l’éducation   CYCLES 2                         3 4
                                     PHYSIQUE CHIMIE
                                       Mettre en œuvre son enseignement




                                                      Le télémètre à ultrasons


             Le fichier source
               modifiable est    THÈME : DES SIGNAUX POUR OBSERVER ET COMMUNIQUER (SIGNAUX SONORES)
                 disponible en
              téléchargement     Attendus de fin de cycle :
     Le télémètre à ultrasons    • Caractériser différents types de signaux.
                                 • Utiliser les propriétés de ces signaux.

                                 Registre d’enseignement : enseignement commun.


                                 Descriptif : Après avoir abordé la notion d’ultrasons et compris le principe de l’écholocalisation, l’élève
                                 réinvestira ses nouvelles connaissances dans un nouveau contexte en fabriquant un télémètre à ultrasons avec
                                 une carte d’acquisition à micro-contrôleur et un émetteur récepteur d’ultrasons.
                                 A travers cette activité, l’élève va comprendre le fonctionnement d’un système technique (le télémètre à
                                 ultrasons) et le fabriquer en sollicitant des savoirs et compétences interdisciplinaires :
                                 • en physique-chimie (propriétés des ondes sonores et utilisation d’un capteur) ;
                                 • en technologie (fabrication d’un objet technique) ;
                                 • en mathématiques (programmation).

                                 Repère de progressivité : Cette séance se positionne après l’étude des conditions de propagation d’un son, de
                                 la notion de fréquence : sons audibles, infrasons et ultrasons ainsi que de la vitesse de propagation des ondes
                                 sonores.
                                 Elle permettra de relier la distance parcourue par un son à la durée de propagation. C’est aussi l’occasion
                                 d’utiliser la relation entre distance, vitesse et durée (en réinvestissement si elle a été vue dans la partie
                                 « Mouvement et interactions »).
                                 Il semble raisonnable de ne l’aborder qu’en fin de cycle.

                                 Objectifs d’apprentissage (programme, connaissances, capacités) :
                                 • Caractériser des ultrasons (fréquence, vitesse de propagation).
                                 • Relier la distance parcourue par un son à la durée de propagation.
                                 • Utiliser une interface d’acquisition et un logiciel de traitement de données.




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  CYCLE   4    I PHYSIQUE CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement




                                THÈME : DES SIGNAUX POUR OBSERVER ET COMMUNIQUER (SIGNAUX SONORES)

                                Compétences travaillées
                                Pratiquer des démarches scientifiques
                                • Mesurer des grandeurs physiques de manière directe ou indirecte.
                                • Développer des modèles simples pour expliquer des faits d’observations et mettre en œuvre des démarches
                                  propres aux sciences.
                                Concevoir, créer, réaliser
                                • Concevoir et réaliser un dispositif de mesure ou d’observation.
                                • L’élève imagine, conçoit et fabrique des objets et des systèmes techniques. Il sollicite les savoirs et
                                  compétences scientifiques et technologiques.
                                Mobiliser des outils numériques
                                • Utiliser des outils d’acquisition et de traitement de données, de simulations et de modèles numériques.
                                Autres compétences
                                • Prélever, organiser et traiter l’information utile.
                                • Imaginer, concevoir et fabriquer des objets et des systèmes techniques. Solliciter les savoirs et compétences
                                  scientifiques et technologiques.
                                • Mettre en œuvre les principes de base de l’algorithmique et de la conception des programmes informatiques
                                  pour créer des applications simples.
                                • Utiliser les principes du système de numération décimal et les langages formels (lettres, symboles...) propres
                                  aux mathématiques et aux disciplines scientifiques, notamment pour effectuer des calculs.

                                Connaissances et compétences associées
                                Relier la distance parcourue par un son à la durée de propagation.
                                • Vitesse de propagation.
                                • Notion de fréquence : sons audibles, infrasons et ultrasons.

                                Prérequis :
                                Signaux sonores :
                                • Décrire les conditions de propagation d’un son
                                • Vitesse de propagation
                                • Notion de fréquence

                                Nature de la ressource : Séquence comprenant une activité documentaire et une activité expérimentale.

                                Contribution à un parcours : Pour contribuer au parcours Avenir, il peut être demandé à l’élève de rédiger une
                                fiche sur le métier de métreur (géomètre, architecte ...) et éventuellement de développeur informatique du fait de
                                la programmation proposée.

                                Mots clefs : Télémètre, ultrasons, Arduino, sonar.



                             Présentation de la séquence
                             Situation déclenchante
                             Le professeur présente un télémètre à ultrasons et effectue une mesure de distance.


                             Problématique
                             Un échange entre l’enseignant et la classe peut conduire
                             à dégager la problématique : Comment un appareil peut-
                             il effectuer une mesure de distance en émettant une onde
                             ultrasonore ?




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  CYCLE   4    I PHYSIQUE CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement




                             Organisation de la séquence
                             1ère partie : Activité documentaire - principe de fonctionnement d’un télémètre (voir page 8)

                             En croisant ses connaissances personnelles et les documents fournis, l’élève se familiarise
                             avec la notion d’écholocalisation et réinvestit la relation V=d/t pour comprendre le
                             fonctionnement d’un télémètre à ultrasons.

                             Après une mise en commun des résultats de l’activité proposée lors de cette 1ère partie, on
                             transfère les acquis à l’étude du télémètre.

                             2ème partie : Activité expérimentale – Fabrication d’un télémètre (voir page 12)

                             Il est demandé à l’élève de trouver la relation reliant la distance qui sépare le capteur de
                             l’obstacle avec la durée mis par le son pour faire un aller-retour.

                             Il est ensuite donné le programme incomplet permettant d’obtenir la distance à partir de
                             la mesure de durée effectuée par les capteurs. Le professeur en explicite quelques lignes
                             et demande d’effectuer un commentaire sur une ligne et d’insérer la relation permettant le
                             calcul de la valeur de la distance.

                             Il est enfin proposé de réaliser une mesure pour tester l’appareil.



                                   Point de vigilance
                                   Le langage de programmation d’Arduino n’est pas simple. L’objectif de la séance n’est pas de
                                   faire écrire l’ensemble du programme mais de faire comprendre à l’élève la structure et les
                                   fonctions essentielles de celui qui est utilisé pour fabriquer le télémètre avec l’interface Arduino.
                                   L’élève aura à compléter les 2 lignes nécessaires, puis à réaliser un copier-coller du programme
                                   dans l’interface Arduino.




                             Prolongement possible autour de la problématique de la mesure avec le
                             télémètre fabriqué
                             Comme tout instrument de mesure, le télémètre est caractérisé par une précision et des
                             limites d’utilisation. Une sensibilisation à la problématique des incertitudes liées à toute
                             mesure peut être proposée aux élèves avec le télémètre fabriqué.

                             Plusieurs activités peuvent être proposées aux élèves.

                             • Répéter plusieurs fois la mesure d’une même distance, étudier la dispersion des valeurs
                               obtenues, déterminer la moyenne des différentes valeurs obtenues et la présenter comme le
                               résultat de la mesure. Ce résultat peut être assorti d’une précision : intervalle de valeurs au
                               sein duquel la valeur de la mesure est incluse.
                             • Effectuer des mesures pour des objets proches ou très éloignés ou des plaques inclinées
                               pour découvrir, sans formalisme les problèmes liés à l’atténuation, à la réflexion… et pour
                               appréhender les limitations possibles.




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                             Compétences évaluables
                             Il est possible d’évaluer certaines compétences qui ont été travaillées en amont de cette
                             séance.


                                                                                   MAÎTRISE       MAÎTRISE   MAÎTRISE        TRÈS BONNE
                              COMPÉTENCES ÉVALUÉES                                 INSUFFISANTE   FRAGILE    SATISFAISANTE   MAÎTRISE


                              Pratiquer des       Mesurer des grandeurs
                              démarches           physiques de manière directe
                              scientifiques       ou indirecte.
                                                  Prélever, organiser et traiter
                                                  l’information utile
                              Autres              Mettre en œuvre les
                              compétences         principes de base de
                                                  l’algorithmique et de la
                                                  conception des programmes
                                                  informatiques pour créer des
                                                  applications simples.
                                                  Utiliser les principes du
                                                  système de numération
                                                  décimal et les langages
                                                  formels (lettres, symboles...)
                                                  propres aux mathématiques
                                                  et aux disciplines
                                                  scientifiques, notamment
                                                  pour effectuer des calculs.




                             Présentation de l’interface Arduino (pour le professeur)
                             Les cartes Arduino sont des cartes électroniques sous licence matérielle libre, bon marché,
                             permettant l’acquisition de grandeurs physiques par des capteurs et la commande de
                             systèmes automatisés simples. Elles peuvent se programmer à l’aide de divers logiciels libres
                             (Arduino, Ardublock, Scratch…).

                             Matériel et montage

                             Le capteur de distance à ultrasons

                             Un émetteur d’ultrasons (T) envoie un train d’ondes sonores
                             (8 impulsions à 40 kHz).

                             Les ondes se réfléchissent sur un obstacle et reviennent
                             vers un récepteur (R).




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                             La carte Arduino
                             C’est une carte programmable qui permettra d’exploiter les mesures faites par le capteur de
                             distance.




                             Le montage
                             Brancher l’émetteur et le récepteur d’ultrasons respectivement sur les entrées/sorties 6 et 7
                             de la carte Arduino.




                             Photos du montage




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                             Le résultat à l’écran après programmation de la carte Arduino




                             Programmation
                             Le logiciel Arduino doit être téléchargé. Pour faire fonctionner le capteur ultrasons, il faut par
                             ailleurs télécharger la bibliothèque NewPing.h et l’installer dans le répertoire « libraries » du
                             logiciel Arduino.

                             Dans le logiciel Arduino :

                             • sélectionner la carte en fonction du modèle disponible (Menu « Outils » -> « Type de
                               carte ») ;
                             • choisir le port correspondant à la carte (Menu « Outils » -> « Port »).
                             Une fois le programme finalisé et téléversé (envoyé à la carte) il faudra afficher le moniteur
                             série et sélectionner une vitesse de transfert de 115200 bauds.




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                                   Le programme commenté (// = commentaire) sera donné aux élèves sans les parties en gras ci-
                                   dessous et ils devront les compléter par eux-mêmes (cf 2ème partie – activité expérimentale).


                             #include <NewPing.h> // appel à la librairie Newping
                             #define distMax 400 // distance maximale mesurable (en cm)
                             int trig = 7; // broche trig du capteur US HC-SR04
                             int echo = 6; // broche echo du capteur US HC-SR04

                             NewPing sonar(trig, echo, distMax); // initialisation de NewPing
                             (broches et distance max)

                             void setup() // setup est déroulé une seule fois après la remise à
                             zéro
                             {
                                Serial.begin(115200); // initialisation de la liaison série à
                             115200 bauds
                             }

                             void loop() // loop est déroulé indéfiniment
                             {
                               int temps = sonar.ping();// lecture de la durée des ultrasons

                               Serial.print(“Le temps mis par les ultrasons est de : ”);
                               Serial.print( temps ); // affichage durée du trajet des ultrasons en
                             microsecondes
                               Serial.println(“ microsecondes”);

                               float t = temps*0.000001 ; // conversion de la durée du trajet des
                             ultrasons en seconde
                               Serial.print(“Le temps mis par les ultrasons est de : ”);
                               Serial.print( t,6 ); // affichage durée du trajet des ultrasons en
                             secondes
                               Serial.println(“secondes ”);

                                 float d = t*170 ; // calcul de la distance nous séparant de l’objet
                                 Serial.print(“La distance est de :    ”);
                                 Serial.print( d ); // calcul de la distance en mètres
                                 Serial.println(“ m ”);
                                 delay(5000); //attente pendant 5 secondes
                             }




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                             1ère partie : Activité documentaire : principe de
                             fonctionnement d’un télémètre à ulstrasons
                             3 documents sont proposés, suivis de questions, déclinées en trois niveaux de différenciation.


                             Documents

                             Document 1 - Le télémètre à ultrasons
                             Le télémètre à ultrasons est composé de deux parties,
                             l’une émettrice et l’autre réceptrice. La première partie
                             va donc émettre une « onde sonore inaudible » qui sera
                             réfléchie par les objets. « L’onde » réfléchie sera captée
                             par le récepteur qui, en mesurant la durée d’un aller-
                             retour de l’onde, fournira une information sur la distance
                             entre le capteur et l’objet.




                             Document 2 - Les ultrasons
                             Un son est une vibration qui se propage dans un milieu matériel (eau, air, métal…). Plus il y
                             a de vibrations par seconde, plus la fréquence du son est élevée et plus le son est aigu. Les
                             ultrasons sont des sons trop aigus pour pouvoir être audibles par l’homme. Leur fréquence est
                             supérieure à 20 000 Hz.


                             Document 3 - L’écholocalisation
                             Les ultrasons sont utilisés pour mesurer la distance qui
                             sépare l’émetteur d’un obstacle.

                             Certains animaux comme le dauphin ou la chauve-souris
                             peuvent ainsi créer une véritable carte sonore de leur
                             environnement.

                             L’être humain s’est inspiré de ce système animal pour créer
                             des sonars, notamment pour les bateaux.




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                             Questions – version autonome

                                   A l’aide des documents ci-dessus, réponds aux questions suivantes.




                             Un dauphin se trouve à 75 m d’un banc de poisson. Quelle est la distance parcourue par l’onde
                             sonore lorsque son écho revient au dauphin ?




                             L’onde sonore revient au dauphin 0,1 s après son émission. Quelle est la vitesse de propagation
                             du son dans l’eau ?




                             La vitesse de propagation du son dans l’air est de 340 m/s. Un télémètre à ultrasons mesure
                             une durée de 20 ms entre l’émission et la réception du signal sonore. À quelle distance se
                             trouve l’obstacle ?




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                             Questions – version experte

                                   A l’aide des documents ci-dessus, réponds aux questions suivantes.




                             Un dauphin se trouve à 75 m d’un banc de poisson. Quelle est la distance parcourue par l’onde
                             sonore lorsque son écho revient au dauphin ? Attention ! L’onde parcourt un aller-retour.




                             L’onde sonore revient au dauphin 0,1 s après son émission. Quelle est la vitesse de propagation
                             du son dans l’eau ? On rappelle que la vitesse est donnée par la relation V=d/t.




                             La vitesse de propagation du son dans l’air est de 340 m/s. Un télémètre mesure une durée de
                             20 ms entre l’émission et la réception du signal sonore. En utilisant la relation V=d/t, calculer à
                             quelle distance se trouve l’obstacle. Attention aux unités.




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                             Questions – version avec des aides

                                   A l’aide des documents ci-dessus, réponds aux questions suivantes.




                             Un dauphin se trouve à 75 m d’un banc de poisson. Montrer que la distance parcourue par
                             l’onde sonore après un aller-retour est de 150 m lorsque son écho revient au dauphin.




                             L’onde sonore revient au dauphin 0,1 s après son émission. Quelle est la vitesse de propagation
                             du son dans l’eau ? On utilise pour cela la relation entre la vitesse, la distance et le temps.




                             La vitesse de propagation du son dans l’air est de 340 m/s. Un télémètre à ultrasons mesure
                             une durée de 0,02 s entre l’émission et la réception du signal sonore. Calculer la distance à
                             laquelle se trouve l’obstacle.




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                             2ème partie – Activité expérimentale : Fabrication d’un
                             télémètre à ultrasons
                             Matériel et montage

                             Le capteur de distance à ultrasons
                             La mesure de distance par ultrasons est un des moyens
                             utilisés pour déterminer, sans contact, la distance d’un
                             obstacle. Un robot peut ainsi sonder son environnement.

                             Un émetteur d’ultrasons (T) envoie un train d’ondes sonores
                             (8 impulsions à 40 kHz, ce sont des ultrasons). Les ondes
                             se réfléchissent sur un obstacle et reviennent vers un
                             récepteur (R).


                             La carte Arduino
                             C’est une carte programmable qui permettra d’exploiter les mesures faites par le capteur de
                             distance.




                             Le montage


                                   Brancher l’émetteur et le récepteur d’ultrasons respectivement sur les entrées/sorties 6 et 7 de
                                   la carte Arduino.




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                             Principe de fonctionnement du télémètre à ultrasons
                             1. Pourquoi y a-t-il deux petits ronds sur le détecteur d’ultrasons ? Quel est le rôle de
                                chacun ?



                             2. L’émetteur envoie des ultrasons, mais entend-on quelque chose ? Pourquoi ?



                             3. Dessiner le trajet des ultrasons sur le schéma ci-dessous :




                             4. A quelle vitesse se propagent les ultrasons ? Ne pas oublier l’unité.



                             5. Exprimer la distance D parcourue par les ultrasons lorsqu’ils sont captés par le récepteur
                                en fonction de la distance d entre l’émetteur d’ultrasons et l’obstacle.



                             6. Exprimer la vitesse V de propagation des ultrasons en fonction de la durée t et la distance D
                                (distance totale parcourue par les ultrasons).



                             7. Exprimer la vitesse V de propagation des ultrasons en fonction de t et d (distance entre
                                l’émetteur et l’objet).



                             8. À partir de la relation précédente, exprimer la distance d qui sépare le détecteur d’ultrasons
                                de l’écran en fonction de V et t.



                             9. En remplaçant V par sa valeur, exprimer d en fonction de t.



                             10. Calculer la distance d si t = 10 ms.




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                             Programmation de la carte Arduino pour utiliser le capteur

                             Programme utilisé
                             Les doubles barres et les parties en italiques qui suivent sont des commentaires, ils ne sont
                             pas nécessaires au fonctionnement du programme.

                             #include <NewPing.h> // appel à la librairie Newping qui possède des
                             commandes pour le capteur ultrasons
                             #define distMax 400 // distance maximale mesurable (en cm)
                             int trig = 6; // broche trig du capteur US HC-SR04
                             int echo = 7; // broche echo du capteur US HC-SR04
                             NewPing sonar(trig, echo, distMax); // initialisation de NewPing
                             (broches et distance max)

                             void setup() // setup est déroulé une seule fois après la remise à
                             zéro
                             {
                                 Serial.begin(115200); // initialisation de la liaison série à
                             115200 bauds
                               }
                             void loop() // loop est déroulé indéfiniment
                             {
                               int temps = sonar.ping(); // lecture de la durée des ultrasons
                             Serial.print(“Le temps mis par les ultrasons est de : ”);
                             Serial.print( temps ); // affichage durée du trajet des ultrasons en
                             microsecondes
                             Serial.println(“ microsecondes”);
                             float t = temps*0.000001 ; //    …………………………………………………………………………
                             Serial.print(“Le temps mis par les ultrasons est de : ”);
                             Serial.print( t,6 ); // affichage durée du trajet des ultrasons en
                             secondes
                             Serial.println(“ secondes”);
                             float d = ……………………………… ; // calcul de la distance nous séparant de
                             l’objet
                             Serial.print(“La distance est de :    ”);
                             Serial.print( d ); // calcul de la distance en mètres
                             Serial.println(“ m”);
                             delay(5000); //attente pendant 5 secondes avant la prochaine mesure
                             }

                             Compréhension du programme


                                  Rajouter le commentaire sur les pointillés (Remarque : float permet de créer une nouvelle
                                  variable t ; pourquoi doit-on remplacer la variable temps par t = temps * 0,000001 ?)
                                  Il manque la formule permettant de calculer la distance d à l’obstacle. En se servant de ce qui a
                                  été étudié précédemment, compléter la formule sur les pointillés.




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                             Réalisation du programme et réalisation d’une mesure


                                   Copier le programme complété dans le logiciel Arduino. Le téléverser sur la carte à l’aide du
                                   câble USB. Tester ensuite le télémètre réalisé en effectuant une mesure de distance.



                             Remarque : pour afficher le moniteur série, il suffit de cliquer sur la loupe.




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   eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale - Octobre 2017                                        15
