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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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Des oreilles bien accordées
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et préservées
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Le fichier source au
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format Word disponible THÈME : DES SIGNAUX POUR OBSERVER ET COMMUNIQUER
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en téléchargement
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« Signal - séquence Attendus de fin de cycle : Caractériser différents types de signaux (lumineux, sonores, radio…).
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oreilles ». Utiliser les propriétés de ces signaux.
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Registre d’enseignement : enseignement commun.
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Descriptif :
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Cette ressource propose deux activités.
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• Une démarche d’investigation : « Des oreilles bien accordées », qui aborde la notion de fréquence des sons
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audibles et le lien avec la perception du son (hauteur) dans le cas de notes de musique. La situation de départ
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consiste en une écoute de deux notes de musique enregistrées sur le logiciel Audacity® (deux notes LA
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séparées d’une octave). Les élèves ont à effectuer un lien qualitatif entre l’allure du signal enregistré et la
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hauteur (aigu/grave) du son, puis, après définition de la fréquence, à effectuer un lien quantitatif à travers la
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détermination expérimentale des valeurs des fréquences et leur comparaison. En termes de différenciation,
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une distribution d’aides est proposée tout au long du déroulement, ainsi qu’une étude supplémentaire pour les
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élèves les plus rapides.
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• Une activité documentaire intitulée « Une sonnerie que les moins de 30 ans ne peuvent pas entendre ! », dans
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laquelle est réinvestie la notion de fréquence à travers sa détermination sur l’enregistrement du son d’une
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sonnerie, accompagnée d’un prolongement sur la notion de sons audibles, ultrasons et infrasons.
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Repère de progressivité : Les élèves découvrent la notion de fréquence au cours de la première séance ; elle
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est ensuite définie plus précisément par le professeur. Cette séance se positionne en début d’apprentissage de
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la notion de fréquence, et elle peut se positionner avant ou après l’étude de la vitesse de propagation du son. Il
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semble raisonnable de ne pas l’envisager avant la classe de quatrième.
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Objectifs d’apprentissage
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• Caractériser la hauteur d’un son par sa fréquence.
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• Définir la fréquence.
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• Mesurer la fréquence d’un son en exploitant l’enregistrement du signal sonore associé.
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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.
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• Mesurer des grandeurs physiques de manière directe ou indirecte.
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Mobiliser des outils numériques
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• Utiliser des outils d’acquisition et de traitement de données (domaine 2).
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Adopter un comportement éthique et responsable
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• Expliquer les fondements des règles de sécurité en acoustique.
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Pratiquer des langages
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• Lire et comprendre des documents scientifiques (domaine 1).
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• Utiliser la langue française pour rendre compte des observations, expériences, hypothèses et conclusions.
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(domaine1).
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Retrouvez Éduscol sur
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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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THÈME : DES SIGNAUX POUR OBSERVER ET COMMUNIQUER
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Compétences et connaissances associées
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Notion de fréquence : sons audibles, infrasons et ultrasons.
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Autres compétences
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Définir une fréquence, la mesurer à partir d’une représentation graphique de l’enregistrement d’un signal.
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Prérequis (Cycle 3) : Identifier différentes formes de signaux (sonores, lumineux, radio...).
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Nature de la ressource : Démarche d’investigation, activité documentaire
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Mots clefs : Fréquence, mesure d’une fréquence, note de musique, octave.
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Une séance expérimentale : « Des oreilles bien accordées »
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Le logiciel Audacity® est logiciel gratuit dont le téléchargement et utilisation sont décrits
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en annexe de la ressource « enregistrer et analyser des sons par des outils numériques » ;
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une notice d’utilisation est fournie pour le logiciel qui permet, non seulement d’enregistrer
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grâce à la carte son et d’écouter une bande sonore sur l’ordinateur, mais aussi de visualiser
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l’enregistrement du signal sonore.
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Pour faire travailler les élèves sur l’enregistrement d’un son, il faut veiller à ne pas séparer les
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fichiers Audacity® du dossier data du même nom, pour être en mesure de les ouvrir. L’idéal
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est d’enregistrer les deux fichiers dans un même dossier et de les ouvrir depuis le logiciel.
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Situation déclenchante
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Télécharger les fichiers Écouter les deux notes enregistrés et visualiser les signaux produits par les microphones avec
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sons « des oreilles bien
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les deux signaux sonores sur le fichier Audacity : « Fichiers sons des oreilles bien accordées -
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accordées - 2 La »
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2 La ».
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Problématique : nos oreilles perçoivent deux sont différents, identifier ce qui
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différencie ces deux signaux
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Les élèves observent et analysent les deux représentations graphiques des enregistrements
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des signaux sonores sur le logiciel et comparent les signaux correspondant à chacune des
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deux notes. À partir de ces observations, ils formulent des hypothèses pour répondre à la
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problématique.
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Mise en commun des hypothèses et introduction de la notion de fréquence
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L’objectif de cette première mise en commun est de construire la notion de fréquence.
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Plusieurs points peuvent être abordés.
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• Le son produit par une note jouée est constitué d’une succession de vibrations de l’air iden-
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tiques qui se répètent dans le temps.
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• L’enregistrement d’un son permet d’avoir une représentation graphique qui donne des infor-
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mations sur ce son (amplitude, fréquence) ; à une vibration de l’air correspond un motif du
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signal électrique associé.
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• L’enregistrement correspondant au signal sonore, observé sur l’écran pour la note La la plus
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aigüe, présente plus de motifs, sur une durée donnée, que celui de la note La plus grave.
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Retrouvez Éduscol sur • Pour comparer la hauteur de deux sons, il faut compter et comparer le nombre de motifs sur
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l’écran (qui correspond au nombre de vibrations) pendant une même durée.
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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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• La fréquence d’une note est le nombre de motifs (vibrations) qui se répètent par seconde.
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Elle s’exprime en hertz.
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Remarque : il peut être intéressant d’introduire des fréquences d’autres signaux plus
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directement accessibles aux élèves, comme le rythme cardiaque qui s’exprime en nombre de
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pulsations par minute.
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Analyse des signaux et mesure des fréquences
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Dans cette partie, il est demandé aux élèves de mesurer la fréquence des signaux à partir de
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la définition établie lors de la mise en commun. Pour la mesure de cette fréquence, certains
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élèves peuvent rencontrer des difficultés car il n’est pas possible de compter le nombre de
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vibrations pendant une durée d’une seconde du fait de la valeur de la fréquence des signaux
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(440 vibrations par seconde pour le La3). Sur le fichier Audacity®, le comptage s’effectue donc
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sur une durée plus courte, puis il convient ensuite de transposer le résultat sur une seconde.
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Des aides peuvent être proposées.
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Les élèves rédigent un compte-rendu expliquant comment ils ont procédé, quelles valeurs ils
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ont obtenues et donnent une réponse à la problématique initiale.
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AIDE 1
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Pour mesurer une fréquence cardiaque, on compte généralement le nombre de pulsations pen-
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dant une durée de 20 secondes. Si on compte 25 pulsations en 20 secondes, quelle est la valeur
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du rythme cardiaque exprimée en pulsation par minute ? Peut-on utiliser une stratégie analogue
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pour la mesure de la fréquence des sons écoutés ?
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AIDE 2
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À l’aide de la loupe dans le logiciel Audacity®, visualiser le signal sur une durée de 100 ms ou
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50 ms, en compter le nombre de vibrations (motifs). Comment déduire de cette mesure, la fré-
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quence du signal ?
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Mise en commun : institutionnalisation des savoirs
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• Le son d’une note jouée est constitué d’une succession de vibrations de l’air identiques qui
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se répètent dans le temps.
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• Pour comparer la hauteur de deux sons, il faut compter et comparer le nombre de motifs sur
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l’écran (qui correspond au nombre de vibrations) pendant une même durée.
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• La fréquence d’un son est le nombre de motifs (vibrations) qui se répètent par seconde. Elle
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s’exprime en hertz.
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• Pour mesurer une fréquence, on compte le nombre de vibrations (motifs) pendant 1 seconde.
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Il est parfois nécessaire de compter sur une durée plus courte et il faut ensuite en déduire
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un nombre de vibrations sur 1 seconde.
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• Notre oreille nous permet de détecter les sons de différentes fréquences : plus un signal
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sonore a une fréquence élevée, plus il nous semble aigu.
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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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Pour aller plus loin
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Cette partie peut être proposée aux élèves qui ont terminé plus tôt, ou être traitée dans un
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deuxième temps.
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Questionnement possible :
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• pour les musiciens, reconnaissez-vous ces deux notes ? Quel lien existe-t-il entre elles du
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point de vue de la musique ? de la physique ?
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• vous pourrez écouter le fichier Audacity intitulé « fichier son DO » et faire une étude ana-
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logue à la précédente ;
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• quelle relation simple existe entre les fréquences de deux notes séparées d’une octave ?
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Ces notions peuvent être réinvesties en classe dans une activité documentaire ou dans le
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cadre d’un travail interdisciplinaire (avec le professeur d’éducation musicale) pour une étude
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plus appliquée à l’acoustique musicale. On peut alors introduire les autres caractéristiques
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d’un son : intensité et timbre.
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Exemple : grâce à l’observation d’un extrait d’un orchestre philharmonique, on peut réfléchir
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sur la variété et le nombre des instruments utilisés et sur la spécificité de chacun en
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réinvestissant les caractéristiques des sons (hauteur, timbre, intensité) et en les associant aux
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caractéristiques physiques du signal (fréquence, allure, intensité). On peut aussi poursuivre
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cette étude pour différencier un bruit d’un son. Une proposition d’EPI sur cette thématique est
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disponible sur le site Eduscol.
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Organisation possible du travail de l’élève
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• En groupe : Appropriation de la problématique :
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--ouvrir le logiciel Audacity® ;
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--écouter et visualiser les représentations relatives aux enregistrements des deux sons dans
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le fichier Audacity : « fichier son LA » ;
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--problématique : Nos oreilles perçoivent deux sont différents, identifier ce qui différencie ces
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deux signaux ;
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--quelles propositions pouvez-vous faire pour répondre à la problématique ?
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• En classe entière : Première mise en commun : définition de la fréquence.
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• En groupe : Analyse des signaux et mesure de la fréquence :
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--mesurer la fréquence de chacun des signaux ;
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--rédiger le protocole que vous avez utilisé ;
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--conclure sur la problématique initiale.
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• Classe entière : Mise en commun et institutionnalisation des savoirs.
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Retrouvez Éduscol sur
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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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Une activité documentaire : « Une sonnerie que les plus
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de 30 ans ne peuvent pas entendre ! »
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Situation déclenchante
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Alexandre, élève de troisième, à la recherche d’une nouvelle sonnerie pour son portable,
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trouve sur internet l’article suivant.
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« Vous voulez pouvoir recevoir des appels téléphoniques, réceptionner des sms n’importe où et
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à n’importe quelle heure, sans déranger qui que ce soit, alors téléchargez “l’ultrasonnerie” qui
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est inaudible pour les plus de 30 ans, sur votre téléphone portable … »
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Il est très tenté, mais il craint de payer pour cette sonnerie qui ne tiendrait pas ses promesses.
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Appropriation du problème : la sonnerie commercialisée est-elle audible par
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les parents d’Alexandre?
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Le professeur fournit aux élèves les deux documents ci-dessous.
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Document 1 : Une évolution moyenne de la sensibilité de l’oreille humaine en fonction de l’âge
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Télécharger le fichier Document 2 : Un enregistrement sur Audacity® du signal sonore émis par la sonnerie secrète
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« sonnerie secrète »
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À partir de l’analyse de ces deux documents et de leurs connaissances scientifiques, les élèves
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doivent proposer des pistes de résolution.
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Les élèves peuvent travailler par groupe. Le professeur pourra prévoir de guider les élèves
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plus en difficultés pour élaborer une stratégie de résolution et analyser les documents, en
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proposant des questions intermédiaires, comme celles qui suivent par exemple.
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1. Une personne de 60 ans entend-elle de la même façon un signal de 8000 Hz qu’une
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personne de 30 ans ?
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Retrouvez Éduscol sur 2. Quels sont les signaux qu’une personne de plus de 30 ans détecte moins bien ?
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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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3. Le signal proposé pour la sonnerie secrète fait-il partie des signaux que détectent le moins
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bien les plus de 30 ans ?
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Pour l’analyse du signal sonore de la sonnerie, les élèves doivent exploiter le fichier son avec
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Audacity® pour déterminer la fréquence de la sonnerie commercialisée, puis conclure et
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expliquer à Alexandre s’il peut ou non acheter cette sonnerie.
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Des aides peuvent leur être fournies pour l’exploitation du fichier son. En voici quelques
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exemples.
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AIDE 1 : UNE DÉFINITION DE LA FRÉQUENCE
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La fréquence d’un signal correspond au nombre de motifs qui se répètent par seconde.
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Elle s’exprime en Hertz.
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AIDE 2 : MICROSECONDE
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Une microseconde (µs) correspond à un millionième de seconde (10-6 s).
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Prolongement possible : les moins de 20 ans peuvent-ils entendre tous les sons ?
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Il est possible de proposer une expérience aux élèves pour qu’ils perçoivent, par eux-mêmes,
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les limites de leur audition, et éventuellement pour qu’ils prennent conscience qu’elles ne sont
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pas les mêmes pour tous les élèves.
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L’oscilloscope n’est pas indispensable et une lecture directe sur le GBF peut aussi être
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envisagée.
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En augmentant progressivement la fréquence du signal électrique envoyé au haut-parleur1,
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chaque élève pourra noter les fréquences limites inférieure et supérieure à partir desquelles il
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ne perçoit plus le son et il pourra représenter son intervalle d’audition.
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Le professeur pourra en faire de même et montrer aux élèves que son intervalle d’audition est
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plus petit, ce qui permet de revenir sur la problématique de la sonnerie secrète.
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Une analyse globale des fréquences limites pourra être menée pour faire prendre conscience
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des disparités qu’il peut y avoir d’un individu à l’autre, en fonction de l’âge d’une part, mais
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aussi pour des individus du même âge.
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Retrouvez Éduscol sur
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1. Il faudra faire admettre aux élèves que la fréquence du signal sonore est la même que celle du signal électrique qui
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alimente le haut-parleur ou enregistrer le son émis par le haut-parleur et en mesurer la fréquence.
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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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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en oeuvre son enseignement
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Cette activité permettra de sensibiliser les élèves sur la réservation de leur audition, ceux qui
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écoutent de la musique à fort volume sonore percevant généralement moins bien les sons
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aigus que les autres.
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Mise en commun et institutionnalisation des savoirs
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Tous les sons ne sont pas perçus par l’oreille humaine : l’être humain n’entend, au mieux, que
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ceux dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 kHz.
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Ceux dont la fréquence est inférieure à 20 Hz sont des infrasons et ceux dont la fréquence est
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supérieure à 20 kHz sont des ultrasons.
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Source : INERIS Institut National de l’Environnement industriel et des risques2
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De plus notre ouïe évolue avec l’âge : nous percevons de moins en moins bien les sons aigus.
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Afin de limiter ce phénomène, il est indispensable de prendre soin de ses oreilles en évitant de
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les exposer à des sons d’intensité trop élevée.
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Compétences qui peuvent être évaluées lors de l’activité
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MAÎTRISE MAÎTRISE MAÎTRISE TRÈS BONNE
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INSUFFISANTE FRAGILE SATISFAISANTE MAÎTRISE
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Pratiquer des démarches scientifiques (domaine 4)
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• Identifier des questions de nature scientifique.
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• Interpréter des résultats expérimentaux, en tirer des
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conclusions et les communiquer en argumentant.
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Utiliser des langages scientifiques et mathématiques
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(domaine 1)
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• Extraire des informations d’un graphique.
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• Effectuer un calcul en utilisant une relation de pro-
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portionnalité.
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• Utiliser les unités adaptées et convertir.
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Utiliser la langue française pour formuler des hypo-
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thèses, argumenter, conclure (domaine 1)
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Retrouvez Éduscol sur
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2. Remarque : une institutionnalisation sous forme textuelle sera avantageusement complétée par une
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institutionnalisation sous forme graphique. Ceci permet d’activer d’autres registres et de favoriser les
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apprentissages et la mémorisation.
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