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Informer et accompagner
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les professionnels de l’éducation CYCLES 2 3 4
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PHYSIQUE-CHIMIE
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Mettre en oeuvre son enseignement
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Des signaux pour observer et communiquer
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De l’orage dans l’air
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Le fichier source
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au format Word THÈME : DES SIGNAUX POUR OBSERVER ET COMMUNIQUER
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disponible en
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téléchargement « Signal Attendus de fin de cycle : Utiliser les propriétés des signaux sonores.
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- séquence orage ».
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Registre d’enseignement : enseignement commun.
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Descriptif :
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Dans cette ressource, la mesure de la vitesse du son est intégrée dans une démarche d’investigation.
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L’affirmation suivante est communiquée aux élèves : « il suffit de compter le nombre de secondes écoulées entre la
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vision de l’éclair et la perception du tonnerre puis de diviser ce nombre par trois. Le résultat obtenu donne la distance
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en kilomètre séparant de l’orage ». Les élèves doivent chercher à valider ou non cette affirmation et dans ce cadre
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ils seront conduits à mesurer sa vitesse de propagation du son dans l’air.
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Une analyse plus fine de l’expérience permet une différenciation pédagogique. Toujours dans le cadre cette
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différenciation, des aides peuvent être fournies.
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Repère de progressivité : Cette séance se situe en cours de cycle, il est nécessaire d’avoir commencé à aborder
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la relation entre distance, vitesse et durée. Cette séance peut aussi s’intégrer dans le thème « Mouvement et
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interactions ».
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Objectifs d’apprentissage :
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• Relier la distance parcourue par un son à la durée de propagation.
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• Mesurer la vitesse de propagation du son.
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Compétences travaillées
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Pratiquer des démarches scientifiques
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• Proposer une ou des hypothèses pour répondre à une question scientifique. Concevoir une expérience pour la
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ou les tester.
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• Mesurer des grandeurs physiques de manière directe ou indirecte.
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• Développer des modèles simples pour expliquer des faits d’observation.
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Pratiquer des langages
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• Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des
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observations, expériences, hypothèses et conclusions.
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Mobiliser des outils numériques
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• Utiliser des outils d’acquisition et de traitement de données, de simulations et de modèles numériques.
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Prérequis (Cycle 3) : Premières notions du la relation entre distance, vitesse et temps.
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Nature de la ressource : Activité expérimentale.
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Type d’approche pédagogique : Tâche complexe (avec prise d’initiatives).
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Mots clefs : Orage, son, propagation.
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Juin 2016 1
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en oeuvre son enseignement
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Présentation de la séance
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Situation déclenchante
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Lors d’un orage, le tonnerre s’entend uniquement quelques instants après avoir vu l’éclair.
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Le grand-père de Sabrina lui explique que, pour savoir à quelle distance se trouve l’orage :
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« il suffit de compter le nombre de secondes écoulées entre la vision de l’éclair et la perception
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du tonnerre puis de diviser ce nombre par trois. Le résultat obtenu donne la distance en kilomètre
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séparant de l’orage ».
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Sabrina souhaite vérifier ce que lui a raconté son grand-père.
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Problématique
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Problème : La méthode proposée par le grand-père de Sabrina pour déterminer la distance où
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se trouve l’orage est-elle correcte ?
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L’analyse du problème posé conduit à une problématique du type : « comment relier la durée
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de propagation du tonnerre à la distance à laquelle se situe l’orage ? »
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Pour répondre à cette problématique, les élèves auront besoin à un moment ou à un autre
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de la vitesse de propagation du son dans l’air. Comme il est donné une marge d’autonomie
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aux élèves pour la résolution du problème, l’expérience sur la mesure de la vitesse du son
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sera plus guidée. Les élèves disposeront d’un protocole et utiliseront le logiciel Audacity pour
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déterminer la vitesse de propagation du son dans l’air.
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Mesure de la vitesse du son et vérification de la « méthode du grand-père »
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Remarque : certains ordinateurs portables ne sont pas équipés d’une entrée microphone stéréo.
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Si tel est le cas, l’enregistrement du son ne sera pas possible avec cette méthode.
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La fiche de mesure de la vitesse de propagation du son (voir paragraphe 6 de ce document) est
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distribuée aux élèves qui mettent en œuvre le protocole. Un compte rendu expérimental est
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attendu.
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La vitesse de propagation du son étant mesurée, il est demandé aux élèves de rédiger un
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paragraphe pour répondre à la problématique et indiquer si la méthode proposée par le grand-
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père de Sabrina est correcte.
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Des aides peuvent être proposées, en cas de besoins identifiés par le professeur ou par les
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élèves eux-mêmes.
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• Aide 1 : Pourquoi voit-on l’éclair avant d’entendre le tonnerre ?
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• Aide 2 : L’expression de la vitesse : v = d / Δt
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• Aide 3 : relation entre la distance, la vitesse et le temps : d = v × Δt
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• Aide 4 : 1 km = 1000 m
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Juin 2016 2
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en oeuvre son enseignement
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Mise en commun : institutionnalisation des savoirs
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Le travail de mise en commun permet de stabiliser les connaissances et capacités associées à
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la séance.
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• Relier la distance parcourue par un son à la durée de propagation
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• Mesurer une vitesse de propagation
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• Produire un document scientifique en utilisant l’argumentation et le vocabulaire spécifique à
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physique chimie
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Il peut être intéressant de terminer par quelques applications numériques pour aider à
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l’opérationnalisation des connaissances.
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Remarque : dans le cadre d’une différenciation pédagogique, cette partie peut n’être destinée
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qu’aux élèves les plus rapides dans la précédente activité ou elle peut être proposée en
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prolongement lors de la séance suivante.
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Le questionnaire suivant peut être adressé aux élèves.
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• Y-a-t-il un décalage entre la production et l’observation de la lumière provenant de l’éclair ?
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Si les élèves ont déjà eu des données sur la vitesse de propagation de la lumière.
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• Comparer la valeur de ce décalage avec celui relatif au son du tonnerre ?
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• Conclure sur la validité de la « méthode du grand père ».
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Des aides peuvent être distribuées aux élèves :
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• Aide 1 : Vitesse de la lumière : v = 3x108 m/s
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• Aide 2 : Calculer la durée que met la lumière émise par l’éclair pour nous parvenir si on se
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trouve à 10 km, puis calculer la durée que met le son pour nous parvenir.
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Juin 2016 3
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en oeuvre son enseignement
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Organisation de travail de l’élève
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• Phase d’appropriation de la situation déclenchante
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Les élèves travaillent par groupes. Ils s’approprient la situation et proposent des pistes ou une
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stratégie pour résoudre le problème posé.
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• Phase d’expérimentation
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Les élèves mettent en œuvre un protocole expérimental qui leur est donné et mesurent la
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vitesse de propagation du son.
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• Les élèves donnent la valeur de la vitesse du son en explicitant leur raisonnement.
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• Vérification de « la méthode du grand-père »
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Les élèves :
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--exploitent la mesure de la vitesse du son pour résoudre le problème posé ;
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--expliquent toutes les étapes de leur raisonnement ;
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--effectuent les calculs ;
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--rédigent un paragraphe pour argumenter leur réponse.
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• Phase d’acquisition et de structuration des connaissances
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Compétences qui peuvent être évaluées lors de l’activité
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Les compétences suivantes peuvent éventuellement être évaluées au cours de l’activité.
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MAÎTRISE MAÎTRISE MAÎTRISE TRÈS BONNE
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COMPÉTENCES ÉVALUÉES
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INSUFFISANTE FRAGILE SATISFAISANTE MAÎTRISE
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L’élève s’exprime à l’écrit pour expliquer ou argumenter
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de façon claire et organisée. (domaine 1)
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Il utilise à bon escient les principales règles grammati-
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cales et orthographiques. (domaine 1)
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Il utilise les principes du système de numération décimal
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et les langages formels (lettres, symboles...) propres aux
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mathématiques et aux disciplines scientifiques, notam-
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ment pour effectuer des calculs. (domaine 1)
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L’élève prélève et traite l’information utile (domaine 4)
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Il exploite et communique les résultats de mesures ou
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de recherches en utilisant les langages scientifiques à
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bon escient. Il analyse et argumente. (domaine 4)
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Il résout des problèmes en pratiquant une démarche
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scientifique (formuler des hypothèses, réaliser, analyser,
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valider, communiquer). (domaine 4)
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L’élève comprend le sens des consignes. (domaine 2)
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Il développe le sens critique. (domaine 2)
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Pour aller plus loin
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Proposer aux élèves une activité documentaire sur les dangers des orages et les mesures de
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précaution à prendre pour se protéger de la foudre.
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Juin 2016 4
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en oeuvre son enseignement
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Protocole élève de mesure expérimentale de la vitesse de
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propagation du son dans l’air
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Mesure de la vitesse de propagation du son
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Pour mesure la vitesse de propagation du son, on utilise une paire d’écouteurs de baladeur
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et le logiciel Audacity®. Il suffit de séparer les écouteurs d’une distance connue, d’émettre
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un son face à l’un d’eux et de mesurer avec quel retard (après quelle durée) il parviendra au
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deuxième écouteur.
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La vitesse de propagation du son se calcule à partir de la distance qui sépare les écouteurs et
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de la durée que met le son pour se propager du premier écouteur au second.
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Mise en place du dispositif d’acquisition
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Relier la prise jack des écouteurs à l’entrée micro (rose) de la carte son de l’ordinateur.
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Pour vérifier que les écouteurs peuvent aussi servir de capteur de son, ouvrir le logiciel
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Audacity et lancer un enregistrement.
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Tapoter ensuite chacun des deux écouteurs sur la table et observer le signal à l’écran.
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ARRÊTER ENREGISTRER
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Après avoir vérifié que chacun d’eux peut faire office de capteur de son (microphone), les poser
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à sur la table en les éloignant autant que possible.
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Acquisition d’un son dans Audacity
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1. Ouvrir le logiciel Audacity.
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2. S’assurer que le volume d’enregistrement du microphone est au maximum.
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3. Pour une meilleure qualité d’enregistrement, on choisira
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« projet à 384000 » (en bas à gauche de la fenêtre).
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4. Lancer l’enregistrement :
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5. Emettre un son bref en frappant dans les mains au niveau du 1er écouteur.
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6. Arrêter l’enregistrement :
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Mesure du décalage de temps entre le son capté par le 1er capteur et celui
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capté par le 2e
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Juin 2016 5
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en oeuvre son enseignement
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Utiliser l’outil loupe pour zoomer sur la zone du signal.
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• Clic gauche = zoom avant
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• Clic gauche+touche « MAJ » = zoom arrière
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Zoomer jusqu’à avoir un affichage du temps à 5 décimales.
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Utiliser l’outil de sélection pour surligner la zone de temps qui sépare la réception du son
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entre les 2 capteurs.
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↑
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↑
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RÉCEPTION CAPTEUR 1 RÉCEPTION CAPTEUR 2
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Si le signal n’est pas suffisamment visible, la sensibilité de l’entrée microphone de l’ordinateur
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n’est peut-être pas suffisante. Il conviendra, dans ce cas, de l’augmenter
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Réglage de la sensibilité du microphone
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Un écouteur n’étant qu’un microphone de médiocre qualité, il est nécessaire d’augmenter la
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sensibilité du microphone afin d’avoir un signal exploitable. Une marche à suivre est fournie
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par ce tutoriel, auquel on peut accéder grâce au QR code suivant :
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Réalisation de la mesure
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1. Mettre en place le dispositif d’acquisition et tapoter chacun des écouteurs sur la table. À
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partir des observations, indiquer, en justifiant, s’il est possible de se servir des écouteurs
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pour capter un signal sonore.
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2. Après avoir posé les écouteurs (capteurs) sur la table en les éloignant autant que possible,
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mesurer la distance qui les sépare et déterminer la durée entre l’instant où le signal sonore
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est reçu par le premier capteur et celui où il est reçu par le second. En déduire la vitesse de
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propagation du son dans l’air. Détailler le raisonnement.
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3. La valeur de la vitesse de propagation du son dans l’air à 25°C est de 346 m/s. Le résultat
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obtenu expérimentalement est-il en accord avec cette valeur ? Quelles peuvent être les
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sources d’erreurs à l’origine de l’écart entre la valeur mesurée et la valeur trouvée dans les
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tables ?
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Juin 2016 6
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