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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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Les milieux de propagation des sons
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SOMMAIRE
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Thème : Des signaux pour observer et communiquer.................................... 1
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Les milieux de propagation des sons (activité documentaire)........................ 3
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Propagation du son dans un solide : l’acier (activité expérimentale). ............ 4
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Deux expériences historiques sur la mesure de la vitesse de propagation du
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son dans différents milieux (activités documentaires)................................... 8
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Voir le fichier Word
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THÈME : DES SIGNAUX POUR OBSERVER ET COMMUNIQUER
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source « Signal -
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séquence milieux
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Attendus de fin de cycle : Caractériser différents types de signaux (lumineux, sonores, radio…).
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de propagation ».
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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 comporte :
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• une activité documentaire : deux documents sont présentés aux élèves, ils présentent la propagation du son
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dans un liquide (l’eau de mer) et dans un solide (rail de chemin de fer) et permettent aux élèves de répondre à
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la problématique proposée ;
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• une activité expérimentale : les élèves établissent un protocole qui leur permet de comparer la propagation du
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son dans l’air et dans une barre en acier ;
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• deux expériences historiques de mesure de la vitesse de propagation du son dans l’air et dans l’eau sont
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décrites et exploitées pour déterminer les valeurs des vitesses de propagation dans les deux milieux et les
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comparer. Elles amènent aussi à comparer les vitesses de propagation du son et de la lumière dans l’air.
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Repère de progressivité : Ces activités prennent place dans la partie « Signaux sonores ».
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Dans le cadre d’une démarche spiralaire, en classe de 5e, après la découverte de la nature du son et des condi-
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tions de sa propagation dans l’air, on peut proposer les deux premières activités qualitatives peuvent être propo-
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sées en 5e . La détermination expérimentale de la vitesse de propagation du son dans l’air, puis l’exploitation des
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deux expériences historiques peuvent quant à elles être proposées en classe de 4e.
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Objectifs d’apprentissage :
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• Savoir qu’un son peut se propager dans un milieu matériel différent de l’air : propagation dans un liquide et
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dans un solide.
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Retrouvez Éduscol sur • Relier la distance parcourue par un son à la durée de sa propagation.
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• Déterminer une vitesse de 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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THÈME : DES SIGNAUX POUR OBSERVER ET COMMUNIQUER
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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 (Domaine 4).
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• Concevoir une expérience pour la ou les tester scientifique (Domaine 4).
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• Mesurer des grandeurs physiques (Domaine 4).
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• Interpréter des résultats expérimentaux, en tirer des conclusions et les communiquer en argumentant
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(Domaine 4).
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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 en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des
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observations, expériences, hypothèses et conclusions (Domaine 1).
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• Passer d’une forme de langage scientifique à un autre (Domaine 1).
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Concevoir, créer, réaliser
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• Concevoir et réaliser un dispositif de mesure ou d’observation (Domaine 4).
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Prérequis (Cycle 3) : Connaître la nature du son et les conditions de sa propagation dans l’air.
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Nature de la ressource : Activités documentaires et expérimentale..
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Type d’approche pédagogique : Pour l’activité documentaire, les élèves travaillent seuls ou en groupes. Ils
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répondent à la problématique à l’aide d’un court texte. Des aides permettant une différenciation sont proposées.
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Pour l’activité expérimentale, les élèves en groupes élaborent un protocole. Une différenciation est possible
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avec des aides proposées aux groupes en difficulté. La manipulation est réalisée, après mise en commun et en
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fonction du matériel disponible, par les élèves en groupes ou par le professeur.
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Pour les deux autres activités documentaires.
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Mots clefs : Son, propagation, vitesse de 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 2
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en oeuvre son enseignement
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Les milieux de propagation des sons (activité documentaire)
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Problématique
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Nous savons que le son a besoin d’air pour se propager mais peut-il également se propager
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dans un autre milieu matériel ?
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Documents possibles
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• Document 1 : Le chant des cétacés
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• Document 2 : Comment les indiens repéraient-ils l’approche d’un train ?
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Remarque : il est aussi possible de s’appuyer sur l’extrait d’une bande dessinée, par exemple
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sur Lucky Luke, tome 12 : Les Cousins Dalton par Morris, René Goscinny, Dupuis, 1977, page 24.
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Travail à réaliser
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Formuler des hypothèses permettant de répondre à la problématique (à partir des documents
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ci-dessus).
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Déroulement de la séance
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Dans le cadre de la différenciation, il est possible de proposer des aides aux élèves.
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AIDE 1
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Dans quel milieu se déplace le son quand un cétacé « chante » ?
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AIDE 2
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Dans quel milieu se déplace le son entendu pas l’indien ?
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AIDE 3
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Quel est l’état physique de chaque milieu ?
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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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Propagation du son dans un solide : l’acier
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(activité expérimentale)
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Problématique
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L’activité expérimentale suivante peut être proposée aux élèves avant de répondre à la
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problématique précédente ou après.
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Pourquoi entend-on mieux un train éloigné si on colle son oreille au rail ?
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Travail à réaliser
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Elaborer une hypothèse, décrire un protocole expérimental pour valider cette hypothèse et
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rédiger une liste de matériel nécessaire.
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Liste de matériel
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Description de l’expérience
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Schéma de l’expérience
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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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Déroulement de la séance
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Les élèves travaillent par groupes (bi-, tri-, ou quadrinômes selon l’effectif et la configuration
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de la classe).
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Le matériel disponible peut être disposé dans la classe avec par exemple : objets en bois,
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métal, matière plastique de formes diverses ; microphone et dispositif d’acquisition ;
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sonomètre.
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Aides pour la différenciation
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La constitution des groupes d’élèves, selon les choix faits d’une homogénéité ou d’une
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hétérogénéité, permet d’envisager une différenciation du travail proposé ; on peut alors
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utiliser les aides proposées ci-dessous.
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AIDE 1
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Pour reproduire l’expérience en classe, il faut simuler les trois éléments de la situation réelle :
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• la source sonore (l’émetteur) ;
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• le milieu de propagation ;
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• le récepteur.
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Les aides suivantes peut être décomposée selon les besoins des groupes d’élèves.
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AIDE 2
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Aide 2a (émetteur) : la source sonore est le train. Dans le rail, on entend le « tac tac tac... »
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(bruit de choc métallique) provoqué par le passage des roues sur les extrémités des rails.
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Aide 2b (milieu de propagation) : le milieu de propagation est le rail.
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Aide 2c (récepteur) : le récepteur est l’oreille, qui envoie une information au cerveau.
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AIDE 3
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Aide 3a (émetteur) : l’émetteur peut être simulé en faisant des chocs avec un objet métallique.
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Aide 3b (milieu de propagation) : le milieu de propagation est une barre métallique.
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Aide 3c (récepteur) : le récepteur peut être un microphone relié à un système d’acquisition (ordi-
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nateur par exemple).
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Exemple de réponse expérimentale possible
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Liste du matériel
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• 3 potences avec noix et pinces ;
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• une barre en acier (par exemple : diamètre 10 mm et longueur 1m vendue chez un détaillant
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de matériaux de construction) ;
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• petit objet métallique (ciseaux ou spatule de chimie) ;
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• microphone ;
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• interface d’acquisition et ordinateur ou oscilloscope ;
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• quelques feuilles de papier (pour atténuer les vibrations entre la barre et les pinces et entre
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les potences et la table).
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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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Description de l’expérience
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Le professeur produira un signal sonore en donnant des coups avec un objet métallique à une
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extrémité d’une barre métallique qui simule un rail.
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Il placera un microphone à l’autre extrémité et visualisera le signal transmis par le
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microphone à l’ordinateur (ou l’oscilloscope) quand le microphone est au contact de la barre
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ou légèrement à côté pour détecter d’une part le son qui s’est propagé dans le métal, et
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d’autre part, le son qui s’est propagé dans l’air; la distance au point d’émission devant être
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sensiblement identique dans les deux cas pour effectuer des comparaisons.
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Schéma de l’expérience
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Photo du dispositif expérimental
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Résultats expérimentaux
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Captures d’écran obtenues : à gauche elle correspond à la propagation du son dans le métal et
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à droite à la propagation du son dans l’air.
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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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Conclusion
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Réponse à la problématique : Le son se propage dans d’autres milieux que l’air. Il se propage
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dans l’eau (chants des baleines) ainsi que dans les métaux (rails de chemin de fer). Le son
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produit dans le métal se propage dans la barre en acier (d’où l’indien entend le son produit par
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train) et à égale distance du lieu d’émission le son est plus fort que dans l’air.
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Ce résultat conduit à une nouvelle interrogation, le son se propage-t-il plus vite dans l’eau, le
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métal ou l’air ?
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Eléments éventuellement pris en compte pour une évaluation des produc-
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tions écrites
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Lors de cette activité, il est possible d’évaluer certaines compétences :
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• utiliser la langue française (domaine 1) ;
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• utiliser des langages spécifiques permettant de comprendre le monde : vocabulaire scienti-
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fique spécifique, schématisation. (domaine 1) ;
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• décrire et expliquer des phénomènes naturels. (domaine 4) ;
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• pratiquer une démarche scientifique (domaine 4).
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Juin 2016 7
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en oeuvre son enseignement
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Deux expériences historiques sur la mesure de la vitesse
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de propagation du son dans différents milieux
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(activités documentaires)
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Propagation du son dans l’eau
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13,5 km
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Des expériences furent faites par Colladon et Sturm en 1828 sur le lac Léman de nuit.
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Le son était produit par une cloche immergée dans le lac et frappée par un marteau. Un
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dispositif lié au marteau produisait un signal lumineux au moment où la cloche était frappée.
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Dans une barque située 13.5 km, l’autre expérimentateur voyait l’éclairement dû au signal
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lumineux, puis percevait le son environ 9,1 secondes plus tard au moyen d’un grand cornet
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acoustique immergé dans le lac.
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Déterminer, à l’aide des données de cette expérience historique, la valeur de la vitesse du son
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dans l’eau.
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Remarque : En fait, la description de cette expérience a été simplifiée par rapport à
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l’expérience réelle car, du fait de la rotondité de la Terre, les expérimentateurs ne pouvaient
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pas se voir. Etant donné la distance entre les deux lieux, le signal lumineux devrait être émis
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au moins à 13,3 m au-dessus du niveau de l’eau pour être perçu directement. Davantage de
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précisions sur l’expérience figurent sur le site de l’Université de Genève.
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Propagation du son dans l’air
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L’une des expériences historiques permettant de déterminer la valeur de la célérité du son
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dans l’air a été réalisée par François Arago, Louis Joseph Gay-Lussac et Gaspard de Prony en
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1822 près de Paris sur demande du Bureau des Longitudes.
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Juin 2016 8
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en oeuvre son enseignement
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François Arago Louis Joseph Gay-Lussac Gaspard Clair François
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(1786-1853) (1778-1850) Marie Riche, baron de Prony
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(1755- 1839)
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Astronome, physicien et Chimiste et physicien
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homme politique français français Ingénieur, hydraulicien et
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encyclopédiste français
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Présenté ci-dessous, l’extrait du traité élémentaire de physique (1836) de Monsieur l’abbé
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Pinault relate cette expérience.
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Les deux stations que l’on avait choisies étaient Villejuif et Montlhéry. À Villejuif, le capitaine Bos-
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cary fit déposer, sur un point élevé, une pièce de six1, avec des gargousses2 de deux et trois livres
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de poudre. À Montlhéry, le capitaine Pernetty fit déposer une pièce de même calibre, avec des
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gargousses de même poids.
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Les expériences furent faites de nuit et commencèrent à onze heures du soir, le 21 et le 22 juin
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1822. De Villejuif, on apercevait très distinctement le feu de l’explosion de Montlhéry et vice
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versa : le ciel était serein et à peu près calme.
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Les coups de canon des deux stations opposées étaient réciproques, de sorte que les résultats
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ne fussent pas influencés par le vent. Chacun des observateurs notait sur son chronomètre le
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temps qui s’écoulait entre l’apparition de la lumière et l’arrivée du son.
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On peut prendre 54,6 secondes pour le temps moyen que le son mettait à passer d’une station à
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l’autre, sous une pression de 756,4 millimètre de mercure, la température étant de 15,9° Celsius,
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et l’hygrométrie marquant 72°. Les deux canons étaient à une distance de 9 549,6 toises3.
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Donnée : Célérité de la lumière dans l’air, c = 3,00×108 m/s = 300 000 000 m/s.
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Version initiation
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1. Schématiser et légender l’expérience réalisée.
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2. Identifier les grandeurs mesurées nécessaires pour déterminer la vitesse de propagation du
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son dans l’air. Justifier.
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3. En déduire la valeur de la vitesse du son dans l’air, dans les conditions de l’expérience ?
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1. Pièce de canon.
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2. Charge de poudre contenue dans une enveloppe de tissu ou de papier au diamètre de la chambre du canon.
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3. Unité de longueur ancienne qui correspond à 1,949 m.
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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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On pourra s’interroger sur la simultanéité entre l’émission du feu de l’explosion et la
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perception visuelle de l’évènement, sur la durée de propagation de la lumière ou la
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comparaison des durées de propagation de la lumière et du son pour valider la mesure
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effectuée.
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Version avec prises d’initiative
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Après une appropriation personnelle de la situation par un temps de lecture individuelle, il
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peut être proposé de mettre les élèves par groupe de 4 ou 5 pour répondre aux questions et
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apporter des aides en tant que de besoin.
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Quelle valeur de la vitesse du son dans l’air a été trouvée, dans les conditions de cette expérience
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historique ? On pourra s’appuyer sur un schéma légendé de l’expérience.
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Pour les élèves les plus rapides, ou dans un deuxième temps, on pourra s’interroger sur la
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simultanéité entre l’émission du feu de l’explosion et la perception visuelle de l’évènement,
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sur la durée de propagation de la lumière ou la comparaison des durées de propagation de la
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lumière et du son pour valider la mesure effectuée.
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Conclusion à propos de l’influence du milieu sur la vitesse de propagation du son
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Il peut être envisagé de proposer un travail de synthèse aux élèves débutant par la
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comparaison les deux valeurs de vitesse de propagation obtenues à l’aide des expériences
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historiques.
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Des hypothèses peuvent ensuite être émises à propos de la vitesse de propagation du son
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dans les métaux, puis une validation de ces hypothèses peut être engagée par des recherches
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d’information dans des livres ou sur Internet.
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Une synthèse peut alors être établie sur l’influence des milieux sur les valeurs des vitesses de
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propagation.
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Enfin on peut revenir sur la problématique de l’Indien dont l’oreille était collée au rail et
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compléter la réponse proposée dans l’activité expérimentale.
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