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

                                      Des signaux pour observer et communiquer / L’énergie et ses conversions


                                                                 Les écrans tactiles
                                THÈME : DES SIGNAUX POUR OBSERVER ET COMMUNIQUER / L’ENERGIE ET SES CONVERSIONS

                                Attendus de fin de cycle :
                                • Caractériser différents types de signaux.
        Le fichier source       • Utiliser les propriétés de ces signaux.
         au format Word         • Réaliser des circuits électriques simples et exploiter les lois de l’électricité.
            disponible en
         téléchargement         Registre d’enseignement : enseignement commun ou dans le cadre d’un EPI.
  « Les écrans tactiles »
                                Descriptif : À partir d’une situation déclenchante et d’observations de la vie courante, les élèves sont ame-
                                nés à s’interroger sur le fonctionnement des écrans tactiles. À l’aide de documents et à travers la réalisation
                                d’expériences simples, ils se familiarisent avec quelques technologies mises en œuvre dans les écrans tactiles :
                                technologies à infrarouges, résistive et capacitive. Une activité est proposée pour chaque type d’écran. Pour finir,
                                l’élève teste l’écran tactile de son téléphone portable afin d’identifier la nature de celui-ci.

                                Repère de progressivité : les élèves réinvestissent la notion de propagation rectiligne de la lumière, ainsi que le
                                modèle du rayon lumineux. Ils mettent en œuvre un protocole expérimental permettant la réalisation d’un circuit
                                électrique simple. Ils doivent reconnaître une situation de proportionnalité. Il semble raisonnable de ne pas envi-
                                sager ces activités en début de cycle.

                                Objectifs d’apprentissage :
                                • Exploiter expérimentalement la propagation rectiligne de la lumière dans le vide et le modèle du rayon lumineux.
                                • Découvrir différents types de rayonnements ; lumière visible, rayonnement infrarouge.
                                • Connaître les risques d’emploi des sources lumineuses (laser).
                                • Comprendre que l’utilisation de la lumière permet d’émettre, de transporter un signal donc une information.
                                • Réaliser des circuits électriques simples.

                                Compétences travaillées
                                Pratiquer des démarches scientifiques
                                • Identifier des questions de nature scientifique.
                                • Concevoir des expériences.
                                • Mesurer des grandeurs physiques.
                                • Interpréter des résultats expérimentaux, en tirer des conclusions.
                                Pratiquer des langages
                                • Lire et comprendre des documents scientifiques.
                                • Produire un schéma, un tableau, un graphique.

                                Connaissances et compétences associées
                                Caractériser différents types de signaux, utiliser les propriétés de ces signaux :
                                • Exploiter expérimentalement la propagation rectiligne de la lumière dans le vide et le modèle du rayon lumineux.
                                • Lumière : sources, propagation.
                                Réaliser des circuits électriques simples et exploiter les lois de l’électricité :
                                • L’intensité du courant électrique est la même en tout point d’un circuit qui ne compte que des dipôles en série.
                                • Relation courant-tension : loi d’Ohm.

                                Prérequis (cycles 2 et 3) :
                                • Identifier les propriétés de la matière vis-à-vis du courant électrique. Exemples de bons conducteurs et d’isolants.
                                • Constitution de la matière à l’échelle macroscopique (conducteur, isolant).
                                • Identifier différentes formes de signaux (sonores, lumineux, radio…).

                                Nature de la ressource : activités documentaires et expérimentales.

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                                Mots clefs : écran tactile, résistance, ohmmètre, photorésistance, laser, lumière visible, rayonnement infrarouge,
                                proportionnalité.


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                             Situation déclenchante
                             L’utilisation des bornes tactiles pour prendre un billet de train peut se faire avec des gants de
                             laine alors qu’il n’est pas possible de taper un texto sur un téléphone portable avec ces mêmes
                             gants. Pourquoi ?

                             Remarque : cette situation peut être présentée sous forme d’une vidéo.


                             Problématique
                             À partir de la situation déclenchante et d’observations de la vie courante, le professeur
                             amène les élèves à s’interroger sur le fonctionnement des écrans tactiles ; écrans de
                             tablette, écrans de distributeurs de billets de banque, écrans des caisses automatiques dans
                             les supermarchés, écrans des GPS, écrans des consoles de jeux, écrans des téléphones
                             portables…


                                   Pourquoi certains écrans ne réagissent-ils pas lorsqu’on porte des gants, alors que pour d’autres
                                   cela n’a aucune importance ? Quel est le principe de fonctionnement des écrans tactiles ?


                             Afin de répondre à ces questions, trois activités, assorties d’expériences sont proposées aux
                             élèves. Elles ont pour but de leur faire découvrir la physique sous-jacente aux principales
                             technologies utilisées dans les écrans tactiles ; technologies infrarouge, résistive et capacitive.
                             À l’issue de ces activités, l’élève remplit un tableau de synthèse.


                             Première activité : l’écran à technologie infrarouge
                             Les écrans à technologie infrarouge, le plus souvent de grande taille, sont utilisés dans les
                             bornes intérieures et extérieures, les distributeurs automatiques de billets, en instrumentation
                             médicale, dans les salles d’opération des hôpitaux, les transports commerciaux… Lorsque
                             l’utilisateur touche l’écran, certains rayons infrarouges sont arrêtés. Les récepteurs
                             correspondants à ces rayons sont privés de lumière ; ils détectent ainsi le point d’impact. Ces
                             écrans ont une grande durée de vie et offrent une très bonne qualité optique. C’est la seule
                             technologie qui n’utilise aucune dalle ou substrat pour enregistrer un toucher.

                             Document proposé aux élèves

                             Principe de fonctionnement d’un écran à infrarouges

                             Un écran tactile infrarouge comporte des émetteurs (E) et des récepteurs (R) de rayonnement
                             infrarouge. Emetteurs (E) et récepteurs (R) créent à la surface de l’écran un « quadrillage de
                             rayons infrarouges ». Lorsque l’utilisateur touche l’écran, certains rayons infrarouges sont
                             arrêtés par le doigt. Les récepteurs (R) privés de lumière infrarouge détectent le point d’impact
                             et transmettent les coordonnées du point d’impact X et Y à l’appareil.

                             D’après : Les écrans tactiles et la société




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                             Schéma rendant compte du fonctionnement de l’écran tactile

                             Qu’est-ce que le rayonnement infrarouge ?

                             Le rayonnement infrarouge est invisible pour nos yeux. La lumière visible, par exemple
                             provenant du Soleil, est composée de « lumières colorées » de toutes les couleurs de l’arc en
                             ciel, allant du rouge au violet, en passant par l’orange, le jaune, le vert et le bleu ; chacune
                             d’elle est caractérisée par une fréquence. Le Soleil émet aussi des rayonnements invisibles
                             pour l’homme ; les rayonnements de fréquence inférieure à celle de la lumière rouge sont
                             appelés rayonnements infrarouges et ceux de fréquence supérieure à celle de la lumière
                             violette sont appelés rayonnements ultraviolets.

                             D’après une vidéo du CEA : Qu’est-ce que la lumière infrarouge ?

                             Domaine de fréquences des rayonnements infrarouges (IR)




                             Questions pouvant être posées à l’élève
                             1. Dans le premier document, on peut lire : « émetteurs et récepteurs créent un quadrillage de
                             rayons infrarouges. »
                                 a) Quelle propriété de la lumière permet de créer un tel « quadrillage » ?
                                 b) Ce quadrillage est-il visible ? Justifier la réponse.
                             2. Comment l’appareil détecte-t-il la position du doigt sur l’écran ?
                             3. On dispose du matériel suivant : deux émetteurs de lumière (lasers), deux récepteurs de
                             lumière (photorésistances), deux ohmmètres, des câbles électriques. Une photorésistance est
                             un dipôle dont la valeur de la résistance varie en fonction de l’éclairage.
                                 a) Proposer une expérience pour illustrer la propriété de la photorésistance.
                                 b) Proposer une expérience permettant de reproduire le principe d’un écran infrarouge.

                             Garder une trace écrite du travail.
                             Attention ! Respecter les consignes de sécurité relatives à l’usage du laser.
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                             Commentaires concernant les expériences à réaliser

                             Objectifs des expériences

                             Il s’agit de s’approprier l’utilisation de la photorésistance comme détecteur de lumière et de
                             modéliser le principe de fonctionnement d’un écran à technologie infrarouge.


                             Règles de sécurité

                             Les sources de lumière utilisées sont des lasers de classe 2. Les lasers sont fixés sur des
                             supports au ras de la table. Il faut absolument veiller à ne pas les mettre à hauteur des yeux.
                             Le professeur rappellera les consignes de sécurité.


                                  RÈGLES DE SÉCURITÉ RELATIVES À L’USAGE DES LASERS
                                  Note ministérielle du 12-10-1999 relative aux dispositifs LASER.




                             Description de l’expérience modélisant le fonctionnement de l’écran
          Voir la vidéo de
                             Deux photorésistances sont éclairées par des sources laser. Ces éléments sont placés de
  présentation de l’expé-
    rience modélisant le
                             telle sorte que deux « rayons lumineux » se croisent. Chaque photorésistance est reliée à
    fonctionnement d’un      un ohmmètre. L’ohmmètre permet de détecter les variations de valeurs de résistance donc
        écran infrarouge     d’intensité de la lumière reçue par la photorésistance.

                                                                            Sur le calibre 2 kΩ, chaque ohmmètre affiche environ
                                                                            0,8 kΩ lorsque la photorésistance est éclairée par la
                                                                            source laser.




                                                                            Si on interrompt la trajectoire d’un « rayon lumineux »
                                                                            avec le doigt, la photorésistance reçoit moins (voire
                                                                            pas) de lumière et la valeur de la résistance augmente.
                                                                            C’est pourquoi l’ohmmètre affiche une valeur plus
                                                                            importante, voire au-delà du calibre 2 kΩ, ce qui
                                                                            conduit à un affichage hors calibre souvent sous la
                                                                            forme « I ».

                                                                            Si on coupe deux « rayons lumineux » avec le doigt,
                                                                            les deux ohmmètres sont hors calibre affichent « I ».
                                                                            Le point d’impact situé à l’intersection de ces deux
                                                                            « rayons » est ainsi repéré.




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                             Institutionnalisation des connaissances

                             Connaissances réinvesties au cours de ces activités et qu’il est nécessaire d’expliciter :
                             • la lumière se propage en ligne droite ;
                             • le trajet de la lumière est modélisé par un rayon lumineux ;
                             • un objet opaque ne laisse pas passer la lumière ;
                             • mesure de valeurs de résistances ;
                             • le laser présente un danger pour l’œil.

                             Connaissances acquises au cours de ces activités et qu’il est nécessaire d’institutionnaliser :
                             • le rayonnement infrarouge est un rayonnement de même nature que la lumière visible, mais
                             que nos yeux ne peuvent percevoir ;
                             • l’utilisation de la lumière infrarouge permet de transporter un signal, donc une information :
                             c’est grâce aux rayons infrarouges qui sont interrompus, que l’écran à technologie infrarouge
                             arrive à détecter la position du point d’impact sur l’écran.




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                             Deuxième activité : l’écran à technologie résistive
                             Les écrans à technologie résistive sont très courants dans la vie quotidienne, on les trouve
                             notamment dans les distributeurs de billets de banque, les bornes interactives des caisses
                             automatiques de supermarchés, les GPS et les consoles de jeux. Ils sont peu coûteux et
                             consomment peu d’énergie. Les rayures peu profondes n’altèrent pas le fonctionnement de
                             l’écran. Comme l’écran répond à une pression exercée, il peut être utilisé avec un stylet, à
                             mains nues ou avec des gants.


                             Document proposé aux élèves

                             Principe de fonctionnement d’un écran à technologie résistive

                             Comment l’appareil détermine-t-il les coordonnées (X, Y) du point d’impact ? (fig.1)




                             Un écran résistif est constitué de deux couches conductrices séparées par une couche isolante
                             (fig.2). Lorsque l’écran est touché, les deux couches conductrices entrent en contact.




                             L’objectif est, dans un premier temps, de comprendre comment on repère la position X du
                             doigt selon l’axe Ox.

                             Une tension UG = 5 V est appliquée entre les deux extrémités de l’écran suivant l’axe Ox. Quand
                             le doigt touche l’écran, il appuie sur la plaque supérieure et la met au contact de la plaque
                             inférieure. La tension U entre le doigt et l’extrémité de la plaque supérieure est alors égale à la
                             tension entre la plaque inférieure et cette extrémité de la plaque supérieure.

                             La tension U mesurée est proportionnelle à la distance entre le doigt et l’extrémité de la
                             plaque supérieure et permet de déterminer l’abscisse X du point d’impact du doigt (fig.3).




                                                                               U

                                                                                          UG

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                             Le même principe est mis en œuvre suivant l’axe Oy pour déterminer l’ordonnée Y du point
                             d’impact du doigt.


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                             Sources
                             • Comment fonctionne un écran tactile ? www.linternaute.com
                             • Le tactile, comment ça marche ?
                             • Wie funktionieren Touchpad und Touchscreen ?
                             • Touchscreentechnologie, une conférence de Julian Harms (2010)


                             Travail demandé aux élèves

                             Matériel mis à disposition : une bandelette de 30 cm de long et de 3 cm de large de papier à
                             dessin (épais) recouverte d’une couche conductrice de laque graphite, une alimentation 12 V,
                             un multimètre, des câbles et des pinces crocodile.


                                  Proposer une expérience permettant de vérifier l’affirmation du document précédent : « La
                                  tension U mesurée est proportionnelle à la distance entre le doigt et l’extrémité de la plaque
                                  supérieure et permet de déterminer l’abscisse X du point d’impact du doigt ».


                             Commentaires

                             L’expérience que les élèves doivent proposer est basée sur le principe du potentiomètre.
                             Pour que les élèves puissent trouver le protocole, il parait indispensable de fournir la liste du
                             matériel.

                             Une tension de 12 V est appliquée entre les deux extrémités d’une bandelette conductrice. Il
                             s’agit de papier à dessin sur lequel on a vaporisé de la laque « graphite » (vernis conducteur
                             que l’on trouve facilement dans le commerce). Un voltmètre mesure la tension entre une
                             extrémité de la bandelette et le point d’impact. On attend que les élèves fassent varier la
                             position du point d’impact et mesurent la tension correspondante. En autonomie, les élèves
                             peuvent exploiter les mesures à l’aide d’un tableau de proportionnalité ou d’un graphique. La
                             procédure reliant fonction linéaire et proportionnalité entre les grandeurs n’est utilisée qu’en
                             fin de cycle en mathématiques.

                             Il serait également possible de faire cette étude en mesurant directement la résistance de
                             la bandelette en fonction de la position du point d’impact. Dans ce cas, il faudrait faire le lien
                             entre la résistance et la tension via la loi d’Ohm, mais cela complexifie la démarche pour les
                             élèves.

                             Pour aller plus loin, il est possible, à partir de l’exploitation des mesures, de programmer une
                             carte à microcontrôleur, pour obtenir directement l’affichage de la position du doigt.

                             Cette activité peut être aussi l’occasion de réinvestir les lois de l’électricité en proposant aux
                             élèves une modélisation de la bande de papier vernis par une association de résistances et en
                             leur demandant de valider ce modèle.

                             Différenciation

                             On peut proposer cette activité avec trois niveaux de différenciation, en apportant plus ou
                             moins d’aides aux élèves en fonction de leur besoin.


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                             Questions pouvant être posées
                             1. Dans le document, il est indiqué : « La tension U mesurée est proportionnelle à la distance
                             entre le doigt et l’extrémité de la plaque supérieure et permet de déterminer l’abscisse X du
                             point d’impact du doigt ». On se propose de vérifier cette affirmation à l’aide d’une expérience.
                                 a) Décrire l’expérience à réaliser.
                                 b) Schématiser l’expérience.
                                    Faire valider par le professeur.
                             2. Dresser un tableau de mesures comportant les deux grandeurs mesurées. Effectuer au
                             moins 7 mesures.
                             3. Réaliser le graphique de l’évolution de la tension en fonction de la position de l’impact du
                             doigt (position de la pince crocodile).
                             4. Exploiter ce graphique afin de tirer les conclusions de cette expérience.
                             5. En quoi cette expérience modélise-t-elle le fonctionnement de l’écran à technologie
                             résistive ?

                             Pour aller plus loin et utiliser les outils numériques :
                             6. Programmer une carte à microcontrôleur, pour afficher directement la valeur de la position
                             du point d’impact du doigt (position de la pince crocodile) sur la bande de papier à dessin (voir
                             annexe en fin de document).

                             Pour aller plus loin, réinvestir les lois de l’électricité et comprendre la terminologie de technologie «
                             résistive » :
                             7. On modélise, dans l’expérience réalisée, la bande de papier à dessin vernie par une
                             résistance de valeur R et la portion de bande de papier aux bornes de laquelle la tension U est
                             mesurée par une résistance de valeur Rx, Rx étant proportionnelle à la longueur X de la bande
                             de papier correspondante. Le schéma correspondant au circuit équivalent est représenté ci-
                             après.




                                 a) Montrer, à l’aide des lois de l’électricité, que la tension U mesurée aux bornes de la
                                 résistance de valeur Rx vaut U = UG
                                 b) Montrer que ce modèle est compatible avec les résultats de l’expérience.

                             Aides possibles

                             Aide n°1 Une photo de l’expérience




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                             Aide n°2 Un tableau de mesures à compléter (à distribuer une fois l’expérience validée par le
                             professeur)


                              _____________(cm)


                              ______________(V)


                             Autres pistes de différenciation

                             On peut faire le choix de dispenser les élèves ayant le plus de difficultés de rédiger le protocole
                             et se contenter de leur demander de schématiser l’expérience. En effet, il parait plus
                             important que l’élève utilise le temps imparti pour réaliser l’expérience, faire les mesures,
                             tracer et exploiter le graphique.

                             Aide n°1 Une photo de l’expérience




                             Aide n°2 Sur la photo, figure un multimètre. Quelle grandeur mesure un multimètre ?

                             Aide n°3 Sur la photo, figure une règle. Quelle grandeur mesure une règle ?

                             Aide n°4 Tableau de mesures (à distribuer une fois l’expérience validée par le professeur)


                              Longueur L (cm)    0           4           8           12          16          20          24          28

                              Tension U (V)



                             Aide n°5 Les échelles à utiliser pour le graphique
                             • en abscisse : 1 cm sur l’axe équivaut à 1 cm dans la réalité.
                             • en ordonnée : 1 cm sur l’axe équivaut à 1 V.

                             Aide n°6 : une fiche réalisée en AP ou en mathématiques1 intitulée « comment reconnaitre une
                             situation de proportionnalité ? »




                               1. « Reconnaître une situation de proportionnalité ou de non proportionnalité » est une compétence associée à
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                               l’attendu de fin de cycle « Résoudre des problèmes de proportionnalité » du programme de mathématiques du cycle 4.
                               « Identifier une situation de proportionnalité entre deux grandeurs » est une compétence travaillée dans la partie
                               « Grandeurs et mesures » du programme de mathématiques du cycle 3.

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                             Institutionnalisation

                             Connaissances relatives à l’attendu de fin de cycle «Réaliser des circuits électriques
                             simples et exploiter les lois de l’électricité. »
                             • Il y a unicité de l’intensité du courant dans un circuit en série.
                             • La loi d’Ohm s’applique pour la tension aux bornes d’une résistance ; elle s’écrit U = R × I.
                             • La valeur de la tension aux bornes d’un dipôle se mesure à l’aide d’un voltmètre branché en
                             dérivation (éventuellement la valeur de la résistance d’un dipôle avec un ohmmètre placé aux
                             bornes du dipôle).

                             Autres connaissances et compétences
                             • Pour savoir si deux grandeurs sont proportionnelles, on peut tracer un graphique en repor-
                             tant sur chaque axe une des deux grandeurs. Si la représentation graphique est une droite
                             passant par l’origine, alors les deux grandeurs sont proportionnelles.
                             • Pour savoir si deux grandeurs sont proportionnelles, on peut reporter les valeurs de ces
                             grandeurs dans un tableau et effectuer le rapport entre ces grandeurs. Si le rapport est le
                             même (aux erreurs de mesure près), alors les deux grandeurs sont proportionnelles et la
                             valeur du rapport s’appelle le coefficient de proportionnalité.

                             Remarque : il serait opportun de proposer des registres différents pour l’institutionnalisation
                             et de compléter le texte n’utilisant que la langue française, par exemple par :
                             • des schémas électriques pour l’unicité du courant, la loi d’Ohm, la mesure d’une tension
                             avec un voltmètre, la mesure d’une résistance avec un ohmmètre ;
                             • une représentation graphique pour la procédure de recherche de proportionnalité à partir
                             d’un graphe ;
                             • un tableau pour la procédure de recherche de proportionnalité avec un tableau et le calcul
                             d’un rapport entre les grandeurs.




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                             Troisième activité : l’écran à technologie capacitive
                             Les écrans à technologie capacitive sont aussi très couramment utilisés. Un simple
                             effleurement suffit à faire fonctionner l’écran.


                             Document proposé aux élèves

                             Principe de fonctionnement d’un écran à technologie capacitive

                             Un écran à technologie capacitive comporte une couche conductrice qui accumule des charges
                             électriques (fig.1).




                             Lorsque l’usager touche la plaque avec son doigt, certaines de ces charges électriques lui
                             sont transférées. Les charges qui quittent la plaque capacitive créent un manque (fig.2). Des
                             capteurs situés aux quatre coins de la plaque mesurent ce manque et déterminent ainsi les
                             coordonnées (X, Y) du point d’impact du doigt.




                             Source
                             • Comment fonctionne un écran tactile ? www.linternaute.com
                             • Le tactile, comment ça marche ?
                             • Wie funktionieren Touchpad und Touchscreen ?
                             • Touchscreentechnologie, une conférence de Julian Harms (2010)


                             Questions pouvant être posées aux élèves
                             1. Quelle propriété électrique du doigt permet le transfert des charges électriques ?
                             2. On peut actionner un écran à technologie capacitive à l’aide d’un stylet. Quelle doit être la
                             propriété électrique de ce stylet ? Justifier la réponse.
                             3. Comparer le fonctionnement de cet écran avec les écrans à technologie infrarouge et
                             résistive.
                             4. Réaliser des essais sur l’écran tactile d’un téléphone portable pour identifier la technologie
                             correspondante.




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  CYCLE   4    I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en oeuvre son enseignement




                             Retour sur la problématique initiale
                             5. Que peut-on dire des bornes interactives distribuant les billets de train ?
                             6. Pourquoi n’est-il pas possible de taper un texto avec des gants de laine ?
                             7. On trouve actuellement dans le commerce des gants tactiles spécialement conçus pour les
                             smartphones. Quelles caractéristiques présentent-ils ?



                             Commentaires

                             L’élève réinvestit la notion de conducteur et d’isolant (constitution de la matière au niveau
                             macroscopique) acquise au cycle 3 : le doigt ainsi que certains stylets sont des conducteurs.

                             Un écran à technologie infrarouge réagit à tout type d’objet, pourvu qu’il soit opaque au
                             rayonnement infrarouge.

                             Dans un écran à technologie résistive, il faut que deux couches conductrices se touchent au
                             point d’impact. L’écran réagit à une pression et donc peu importe que l’objet soit conducteur
                             ou isolant.

                             Pour finir, l’élève teste son écran de téléphone portable avec différents objets et constate
                             que celui-ci ne réagit qu’avec des objets conducteurs. Il en déduit que son écran est de type
                             capacitif. S’il a un vieux modèle, il s’agira d’un écran à technologie résistive.

                             Le principe des gants tactiles est simple : le pouce et l’index bénéficient de fils conducteurs
                             qui permettent d’utiliser les gants sur un écran tactile.

  Télécharger les vidéos     Vidéos des expériences
associées : capacitif.mp4
          et resistif.mp4    Écran à technologie capacitive : l’écran ne réagit pas avec un coton tige sec (isolant). Par
                             contre si on mouille le coton tige et si on l’entoure de papier aluminium (conducteur), il réagit.

                             Comparaison avec un écran à technologie résistive : l’écran réagit, à condition d’appuyer
                             suffisamment fort (un effleurement ne suffit pas).

                             Différenciation

                             Les aides suivantes peuvent être proposées.

                             Aide n°1 Un déplacement de charges électriques correspond à un courant électrique.

                             Aide n°2 Le corps humain laisse-t-il passer le courant ?

                             Aide n°3 Comment appelle-t-on un matériau qui laisse passer le courant ?

                             Aide n°4 Comment appelle-t-on un matériau qui ne laisse pas passer le courant ?




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                             Synthèse des trois activités
                             À l’issue des trois activités, il peut être demandé aux élèves de remplir le tableau de synthèse
                             suivant :

                                                               ÉCRAN INFRAROUGE                ÉCRAN RÉSISTIF               ÉCRAN CAPACITIF

                              Éléments nécessaires à la        Émetteurs et récepteurs de      Deux plaques conductrices    Une plaque conduc-
                              détection de la position         lumière infrarouge              séparées par un isolant et   trice capable d’accu-
                                                                                               pouvant entrer en contact    muler des charges
                                                                                                                            électriques
                              Nature des signaux               Lumineux, électrique            Électrique                   Électrique

                              Toucher l’écran crée…            ... un obstacle à la propaga-   ... une tension entre les    ... un manque de
                                                               tion de la lumière              plaques                      charges




                              Propriété électrique que doit    Conducteur ou isolant           Conducteur ou isolant        L’objet doit être
                              avoir l’objet touchant l’écran                                                                conducteur




                             Autre synthèse possible

                             Il peut être demandé aux élèves d’attribuer à chaque écran les bonnes propositions (mettre
                             des flèches de gauche à droite, utiliser une couleur différente pour chaque type d’écran).




                             Solution :




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                             Organisation du travail des élèves
                             Il faut prévoir plusieurs séances pour cette activité.


                             Travail en groupe classe : situation déclenchante et appropriation de la pro-
                             blématique
                             • Discussion collective, représentations initiales des élèves

                             Travail en groupes d’élèves : l’écran à technologie infrarouge
                             • Travail expérimental en autonomie à partir d’une fiche élève
                             • Réalisation de l’expérience de modélisation du principe de fonctionnement de l’écran à tech-
                             nologie infrarouge

                             Travail en groupe classe : mise en commun et institutionnalisation des
                             connaissances
                             • Signaux lumineux
                             • Signal et information

                             Travail en groupes d’élèves : l’écran à technologie résistive
                             • Travail expérimental en autonomie à partir d’une fiche élève
                             • Mesure de la tension en fonction de la position du point d’impact
                             • Tracé du graphique et exploitation

                             Travail en groupe classe : mise en commun (écran résistif) et institutionnali-
                             sation des connaissances
                             • Lois de l’électricité, mesures des grandeurs électriques
                             • Mesure de tension. Situation de proportionnalité

                             Travail en groupes d’élèves : l’écran capacitif et la synthèse des trois activi-
                             tés
                             • Travail en autonomie à partir d’une fiche élèves
                             • Test de quelques écrans tactiles avec différents objets
                             • Comparaison des trois technologies et tableau de synthèse

                             Travail en groupe classe : mise en commun / correction du tableau de syn-
                             thèse

                             Autre organisation possible du travail des élèves
                             Une autre organisation est possible, consistant à diviser la classe en deux, afin de ne faire
                             étudier expérimentalement qu’un type d’écran (Infrarouge ou résistif) par groupe d’élèves,
                             puis organiser ensuite une présentation orale afin de mutualiser les résultats. L’étude de
                             l’écran capacitif étant abordée ensuite par tous les élèves.




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                             Compétences pouvant être évaluées
                                                               MAÎTRISE             MAÎTRISE   MAÎTRISE      TRÈS BONNE
                                                               INSUFFISANTE         FRAGILE    SATISFAISANTE MAÎTRISE
                              Pratiquer des démarches
                              scientifiques (domaine 4)
                              • Proposer une expérience
                              Utiliser des langages scien-
                              tifiques et mathématiques
                              (domaine 1) :
                              • Reconnaître une situation de
                              proportionnalité à partir d’un
                              graphique
                              Utiliser la langue française
                              pour argumenter, conclure.
                              (domaine 1)


                             Prolongement possible
                             Dans les documents proposés aux élèves, il n’a pas été précisé la composition chimique
                             des plaques conductrices des écrans résistifs et capacitifs, car cette information n’est pas
                             indispensable à la bonne compréhension du principe de fonctionnement de l’écran.

                             Les écrans tactiles résistifs et capacitifs sont composés d’un oxyde d’étain (SnO2) et d’un oxyde
                             d’indium (In2O3) Or les réserves en Indium, produit résidu de l’activité minière, devraient être
                             épuisées d’ici 2020.

                             Il peut être intéressant de l’évoquer afin de sensibiliser les élèves à l’impact environnemental
                             des appareils de notre quotidien. Une étude plus approfondie peut être proposée dans le cadre
                             d’un EPI.


                             Annexe pour aller plus loin : réaliser une mesure de dis-
                             tance et afficher sa valeur à l’aide d’une carte à microcon-
                             trôleur et du logiciel mBlock
                             Cette activité vient en complément de l’expérience de mesure de la résistance de bande de
                             papier vernis. Ayant montré lors de cette expérience que la tension entre une extrémité de la
                             bande et une position de la pince crocodile sur cette bande est proportionnelle à distance X
                             entre l’extrémité et la pince, l’activité proposée consiste à acquérir la tension avec une interface
                             et d’écrire les quelques lignes qui permettent de calculer directement la distance à partir de la
                             valeur de la tension mesurée à l’aide d’un logiciel de programmation graphique.




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                             Dispositif expérimental

                             Alimenter le montage à l’aide de la carte à microcontrôleur. Pour cela, relier les bornes « 5V »
                             et « GND » aux 2 pinces crocodiles placées aux extrémités de la bande de papier.
                             Brancher une extrémité du fil de connexion qui modélise le point d’impact sur l’écran à l’une
                             des entrées analogiques du dispositif (ici A0) et poser l’autre extrémité sur la bande de papier.



                             Écrire un programme à l’aide du logiciel mBlock
                             Dans le menu « Choix de la carte », choisir celle qui est adaptée à votre matériel.
                             Dans le menu « Connecter », choisir le bon port.
                             Écrire le programme :
                             • Créer une variable « distance ».
                             • Utiliser les instructions suivantes :




                             • Entrer la longueur en cm de la bande de papier (voir capture d’écran).
                             • Entrer la valeur obtenue en posant l’extrémité du fil mobile en C (voir capture d’écran).
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                             Penser à cliquer sur l’onglet « Téléverser le microprogramme de communication ».

                             Lancer le programme. Le panda indiquera la longueur entre la pince crocodile noire et le point
                             d’impact.


                             Capture d’écran




                             L’exemple de programmation est donné pour une bande de 20 cm de longueur et dont la
                             tension à ses bornes est de 0,923 V. La tension mesurée par cette interface est donnée en
                             millivolts.

                             La relation de proportionnalité entre la tension mesurée et la distance entre l’extrémité de
                             la bande de papier et la pince crocodile permet d’écrire la ligne centrale de code affecte à la
                             variable « distance » la valeur :




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