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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 œuvre son enseignement
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Le télémètre à ultrasons
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Le fichier source
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modifiable est THÈME : DES SIGNAUX POUR OBSERVER ET COMMUNIQUER (SIGNAUX SONORES)
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disponible en
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téléchargement Attendus de fin de cycle :
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Le télémètre à ultrasons • Caractériser différents types de signaux.
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• Utiliser les propriétés de ces signaux.
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Registre d’enseignement : enseignement commun.
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Descriptif : Après avoir abordé la notion d’ultrasons et compris le principe de l’écholocalisation, l’élève
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réinvestira ses nouvelles connaissances dans un nouveau contexte en fabriquant un télémètre à ultrasons avec
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une carte d’acquisition à micro-contrôleur et un émetteur récepteur d’ultrasons.
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A travers cette activité, l’élève va comprendre le fonctionnement d’un système technique (le télémètre à
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ultrasons) et le fabriquer en sollicitant des savoirs et compétences interdisciplinaires :
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• en physique-chimie (propriétés des ondes sonores et utilisation d’un capteur) ;
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• en technologie (fabrication d’un objet technique) ;
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• en mathématiques (programmation).
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Repère de progressivité : Cette séance se positionne après l’étude des conditions de propagation d’un son, de
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la notion de fréquence : sons audibles, infrasons et ultrasons ainsi que de la vitesse de propagation des ondes
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sonores.
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Elle permettra de relier la distance parcourue par un son à la durée de propagation. C’est aussi l’occasion
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d’utiliser la relation entre distance, vitesse et durée (en réinvestissement si elle a été vue dans la partie
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« Mouvement et interactions »).
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Il semble raisonnable de ne l’aborder qu’en fin de cycle.
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Objectifs d’apprentissage (programme, connaissances, capacités) :
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• Caractériser des ultrasons (fréquence, vitesse de propagation).
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• Relier la distance parcourue par un son à la durée de propagation.
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• Utiliser une interface d’acquisition et un logiciel de traitement de données.
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale - Octobre 2017 1
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CYCLE 4 I PHYSIQUE CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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THÈME : DES SIGNAUX POUR OBSERVER ET COMMUNIQUER (SIGNAUX SONORES)
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Compétences travaillées
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Pratiquer des démarches scientifiques
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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’observations et mettre en œuvre des démarches
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propres aux sciences.
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Concevoir, créer, réaliser
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• Concevoir et réaliser un dispositif de mesure ou d’observation.
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• L’élève imagine, conçoit et fabrique des objets et des systèmes techniques. Il sollicite les savoirs et
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compétences scientifiques et technologiques.
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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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Autres compétences
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• Prélever, organiser et traiter l’information utile.
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• Imaginer, concevoir et fabriquer des objets et des systèmes techniques. Solliciter les savoirs et compétences
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scientifiques et technologiques.
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• Mettre en œuvre les principes de base de l’algorithmique et de la conception des programmes informatiques
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pour créer des applications simples.
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• Utiliser les principes du système de numération décimal et les langages formels (lettres, symboles...) propres
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aux mathématiques et aux disciplines scientifiques, notamment pour effectuer des calculs.
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Connaissances et compétences associées
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Relier la distance parcourue par un son à la durée de propagation.
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• Vitesse de propagation.
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• Notion de fréquence : sons audibles, infrasons et ultrasons.
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Prérequis :
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Signaux sonores :
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• Décrire les conditions de propagation d’un son
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• Vitesse de propagation
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• Notion de fréquence
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Nature de la ressource : Séquence comprenant une activité documentaire et une activité expérimentale.
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Contribution à un parcours : Pour contribuer au parcours Avenir, il peut être demandé à l’élève de rédiger une
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fiche sur le métier de métreur (géomètre, architecte ...) et éventuellement de développeur informatique du fait de
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la programmation proposée.
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Mots clefs : Télémètre, ultrasons, Arduino, sonar.
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Présentation de la séquence
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Situation déclenchante
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Le professeur présente un télémètre à ultrasons et effectue une mesure de distance.
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Problématique
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Un échange entre l’enseignant et la classe peut conduire
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à dégager la problématique : Comment un appareil peut-
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il effectuer une mesure de distance en émettant une onde
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ultrasonore ?
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale - Octobre 2017 2
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CYCLE 4 I PHYSIQUE CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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Organisation de la séquence
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1ère partie : Activité documentaire - principe de fonctionnement d’un télémètre (voir page 8)
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En croisant ses connaissances personnelles et les documents fournis, l’élève se familiarise
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avec la notion d’écholocalisation et réinvestit la relation V=d/t pour comprendre le
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fonctionnement d’un télémètre à ultrasons.
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Après une mise en commun des résultats de l’activité proposée lors de cette 1ère partie, on
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transfère les acquis à l’étude du télémètre.
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2ème partie : Activité expérimentale – Fabrication d’un télémètre (voir page 12)
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Il est demandé à l’élève de trouver la relation reliant la distance qui sépare le capteur de
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l’obstacle avec la durée mis par le son pour faire un aller-retour.
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Il est ensuite donné le programme incomplet permettant d’obtenir la distance à partir de
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la mesure de durée effectuée par les capteurs. Le professeur en explicite quelques lignes
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et demande d’effectuer un commentaire sur une ligne et d’insérer la relation permettant le
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calcul de la valeur de la distance.
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Il est enfin proposé de réaliser une mesure pour tester l’appareil.
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Point de vigilance
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Le langage de programmation d’Arduino n’est pas simple. L’objectif de la séance n’est pas de
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faire écrire l’ensemble du programme mais de faire comprendre à l’élève la structure et les
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fonctions essentielles de celui qui est utilisé pour fabriquer le télémètre avec l’interface Arduino.
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L’élève aura à compléter les 2 lignes nécessaires, puis à réaliser un copier-coller du programme
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dans l’interface Arduino.
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Prolongement possible autour de la problématique de la mesure avec le
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télémètre fabriqué
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Comme tout instrument de mesure, le télémètre est caractérisé par une précision et des
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limites d’utilisation. Une sensibilisation à la problématique des incertitudes liées à toute
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mesure peut être proposée aux élèves avec le télémètre fabriqué.
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Plusieurs activités peuvent être proposées aux élèves.
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• Répéter plusieurs fois la mesure d’une même distance, étudier la dispersion des valeurs
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obtenues, déterminer la moyenne des différentes valeurs obtenues et la présenter comme le
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résultat de la mesure. Ce résultat peut être assorti d’une précision : intervalle de valeurs au
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sein duquel la valeur de la mesure est incluse.
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• Effectuer des mesures pour des objets proches ou très éloignés ou des plaques inclinées
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pour découvrir, sans formalisme les problèmes liés à l’atténuation, à la réflexion… et pour
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appréhender les limitations possibles.
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale - Octobre 2017 3
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CYCLE 4 I PHYSIQUE CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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Compétences évaluables
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Il est possible d’évaluer certaines compétences qui ont été travaillées en amont de cette
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séance.
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MAÎTRISE MAÎTRISE MAÎTRISE TRÈS BONNE
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COMPÉTENCES ÉVALUÉES INSUFFISANTE FRAGILE SATISFAISANTE MAÎTRISE
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Pratiquer des Mesurer des grandeurs
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démarches physiques de manière directe
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scientifiques ou indirecte.
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Prélever, organiser et traiter
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l’information utile
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Autres Mettre en œuvre les
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compétences principes de base de
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l’algorithmique et de la
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conception des programmes
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informatiques pour créer des
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applications simples.
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Utiliser les principes du
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système de numération
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décimal et les langages
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formels (lettres, symboles...)
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propres aux mathématiques
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et aux disciplines
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scientifiques, notamment
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pour effectuer des calculs.
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Présentation de l’interface Arduino (pour le professeur)
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Les cartes Arduino sont des cartes électroniques sous licence matérielle libre, bon marché,
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permettant l’acquisition de grandeurs physiques par des capteurs et la commande de
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systèmes automatisés simples. Elles peuvent se programmer à l’aide de divers logiciels libres
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(Arduino, Ardublock, Scratch…).
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Matériel et montage
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Le capteur de distance à ultrasons
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Un émetteur d’ultrasons (T) envoie un train d’ondes sonores
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(8 impulsions à 40 kHz).
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Les ondes se réfléchissent sur un obstacle et reviennent
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vers un récepteur (R).
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CYCLE 4 I PHYSIQUE CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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La carte Arduino
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C’est une carte programmable qui permettra d’exploiter les mesures faites par le capteur de
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distance.
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Le montage
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Brancher l’émetteur et le récepteur d’ultrasons respectivement sur les entrées/sorties 6 et 7
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de la carte Arduino.
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Photos du montage
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CYCLE 4 I PHYSIQUE CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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Le résultat à l’écran après programmation de la carte Arduino
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Programmation
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Le logiciel Arduino doit être téléchargé. Pour faire fonctionner le capteur ultrasons, il faut par
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ailleurs télécharger la bibliothèque NewPing.h et l’installer dans le répertoire « libraries » du
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logiciel Arduino.
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Dans le logiciel Arduino :
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• sélectionner la carte en fonction du modèle disponible (Menu « Outils » -> « Type de
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carte ») ;
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• choisir le port correspondant à la carte (Menu « Outils » -> « Port »).
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Une fois le programme finalisé et téléversé (envoyé à la carte) il faudra afficher le moniteur
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série et sélectionner une vitesse de transfert de 115200 bauds.
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CYCLE 4 I PHYSIQUE CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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Le programme commenté (// = commentaire) sera donné aux élèves sans les parties en gras ci-
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dessous et ils devront les compléter par eux-mêmes (cf 2ème partie – activité expérimentale).
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#include <NewPing.h> // appel à la librairie Newping
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#define distMax 400 // distance maximale mesurable (en cm)
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int trig = 7; // broche trig du capteur US HC-SR04
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int echo = 6; // broche echo du capteur US HC-SR04
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NewPing sonar(trig, echo, distMax); // initialisation de NewPing
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(broches et distance max)
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void setup() // setup est déroulé une seule fois après la remise à
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zéro
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{
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Serial.begin(115200); // initialisation de la liaison série à
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115200 bauds
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}
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void loop() // loop est déroulé indéfiniment
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{
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int temps = sonar.ping();// lecture de la durée des ultrasons
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Serial.print(“Le temps mis par les ultrasons est de : ”);
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Serial.print( temps ); // affichage durée du trajet des ultrasons en
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microsecondes
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Serial.println(“ microsecondes”);
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float t = temps*0.000001 ; // conversion de la durée du trajet des
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ultrasons en seconde
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||
Serial.print(“Le temps mis par les ultrasons est de : ”);
|
||
Serial.print( t,6 ); // affichage durée du trajet des ultrasons en
|
||
secondes
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Serial.println(“secondes ”);
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float d = t*170 ; // calcul de la distance nous séparant de l’objet
|
||
Serial.print(“La distance est de : ”);
|
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Serial.print( d ); // calcul de la distance en mètres
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Serial.println(“ m ”);
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delay(5000); //attente pendant 5 secondes
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}
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CYCLE 4 I PHYSIQUE CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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1ère partie : Activité documentaire : principe de
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fonctionnement d’un télémètre à ulstrasons
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3 documents sont proposés, suivis de questions, déclinées en trois niveaux de différenciation.
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Documents
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Document 1 - Le télémètre à ultrasons
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Le télémètre à ultrasons est composé de deux parties,
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l’une émettrice et l’autre réceptrice. La première partie
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va donc émettre une « onde sonore inaudible » qui sera
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réfléchie par les objets. « L’onde » réfléchie sera captée
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par le récepteur qui, en mesurant la durée d’un aller-
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retour de l’onde, fournira une information sur la distance
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entre le capteur et l’objet.
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Document 2 - Les ultrasons
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Un son est une vibration qui se propage dans un milieu matériel (eau, air, métal…). Plus il y
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a de vibrations par seconde, plus la fréquence du son est élevée et plus le son est aigu. Les
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ultrasons sont des sons trop aigus pour pouvoir être audibles par l’homme. Leur fréquence est
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supérieure à 20 000 Hz.
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Document 3 - L’écholocalisation
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Les ultrasons sont utilisés pour mesurer la distance qui
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sépare l’émetteur d’un obstacle.
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Certains animaux comme le dauphin ou la chauve-souris
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peuvent ainsi créer une véritable carte sonore de leur
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environnement.
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L’être humain s’est inspiré de ce système animal pour créer
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des sonars, notamment pour les bateaux.
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale - Octobre 2017 8
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CYCLE 4 I PHYSIQUE CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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Questions – version autonome
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A l’aide des documents ci-dessus, réponds aux questions suivantes.
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Un dauphin se trouve à 75 m d’un banc de poisson. Quelle est la distance parcourue par l’onde
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sonore lorsque son écho revient au dauphin ?
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L’onde sonore revient au dauphin 0,1 s après son émission. Quelle est la vitesse de propagation
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du son dans l’eau ?
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La vitesse de propagation du son dans l’air est de 340 m/s. Un télémètre à ultrasons mesure
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une durée de 20 ms entre l’émission et la réception du signal sonore. À quelle distance se
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trouve l’obstacle ?
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale - Octobre 2017 9
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CYCLE 4 I PHYSIQUE CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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Questions – version experte
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A l’aide des documents ci-dessus, réponds aux questions suivantes.
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Un dauphin se trouve à 75 m d’un banc de poisson. Quelle est la distance parcourue par l’onde
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sonore lorsque son écho revient au dauphin ? Attention ! L’onde parcourt un aller-retour.
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L’onde sonore revient au dauphin 0,1 s après son émission. Quelle est la vitesse de propagation
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du son dans l’eau ? On rappelle que la vitesse est donnée par la relation V=d/t.
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La vitesse de propagation du son dans l’air est de 340 m/s. Un télémètre mesure une durée de
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20 ms entre l’émission et la réception du signal sonore. En utilisant la relation V=d/t, calculer à
|
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quelle distance se trouve l’obstacle. Attention aux unités.
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale - Octobre 2017 10
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CYCLE 4 I PHYSIQUE CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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Questions – version avec des aides
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A l’aide des documents ci-dessus, réponds aux questions suivantes.
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Un dauphin se trouve à 75 m d’un banc de poisson. Montrer que la distance parcourue par
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l’onde sonore après un aller-retour est de 150 m lorsque son écho revient au dauphin.
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L’onde sonore revient au dauphin 0,1 s après son émission. Quelle est la vitesse de propagation
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du son dans l’eau ? On utilise pour cela la relation entre la vitesse, la distance et le temps.
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La vitesse de propagation du son dans l’air est de 340 m/s. Un télémètre à ultrasons mesure
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une durée de 0,02 s entre l’émission et la réception du signal sonore. Calculer la distance à
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laquelle se trouve l’obstacle.
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale - Octobre 2017 11
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CYCLE 4 I PHYSIQUE CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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2ème partie – Activité expérimentale : Fabrication d’un
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télémètre à ultrasons
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Matériel et montage
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Le capteur de distance à ultrasons
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La mesure de distance par ultrasons est un des moyens
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utilisés pour déterminer, sans contact, la distance d’un
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obstacle. Un robot peut ainsi sonder son environnement.
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Un émetteur d’ultrasons (T) envoie un train d’ondes sonores
|
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(8 impulsions à 40 kHz, ce sont des ultrasons). Les ondes
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se réfléchissent sur un obstacle et reviennent vers un
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récepteur (R).
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La carte Arduino
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C’est une carte programmable qui permettra d’exploiter les mesures faites par le capteur de
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distance.
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Le montage
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Brancher l’émetteur et le récepteur d’ultrasons respectivement sur les entrées/sorties 6 et 7 de
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la carte Arduino.
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale - Octobre 2017 12
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CYCLE 4 I PHYSIQUE CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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Principe de fonctionnement du télémètre à ultrasons
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1. Pourquoi y a-t-il deux petits ronds sur le détecteur d’ultrasons ? Quel est le rôle de
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chacun ?
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2. L’émetteur envoie des ultrasons, mais entend-on quelque chose ? Pourquoi ?
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3. Dessiner le trajet des ultrasons sur le schéma ci-dessous :
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4. A quelle vitesse se propagent les ultrasons ? Ne pas oublier l’unité.
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5. Exprimer la distance D parcourue par les ultrasons lorsqu’ils sont captés par le récepteur
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en fonction de la distance d entre l’émetteur d’ultrasons et l’obstacle.
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6. Exprimer la vitesse V de propagation des ultrasons en fonction de la durée t et la distance D
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(distance totale parcourue par les ultrasons).
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7. Exprimer la vitesse V de propagation des ultrasons en fonction de t et d (distance entre
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l’émetteur et l’objet).
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8. À partir de la relation précédente, exprimer la distance d qui sépare le détecteur d’ultrasons
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de l’écran en fonction de V et t.
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9. En remplaçant V par sa valeur, exprimer d en fonction de t.
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10. Calculer la distance d si t = 10 ms.
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale - Octobre 2017 13
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CYCLE 4 I PHYSIQUE CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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Programmation de la carte Arduino pour utiliser le capteur
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Programme utilisé
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Les doubles barres et les parties en italiques qui suivent sont des commentaires, ils ne sont
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pas nécessaires au fonctionnement du programme.
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#include <NewPing.h> // appel à la librairie Newping qui possède des
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commandes pour le capteur ultrasons
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#define distMax 400 // distance maximale mesurable (en cm)
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int trig = 6; // broche trig du capteur US HC-SR04
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int echo = 7; // broche echo du capteur US HC-SR04
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NewPing sonar(trig, echo, distMax); // initialisation de NewPing
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(broches et distance max)
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void setup() // setup est déroulé une seule fois après la remise à
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zéro
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{
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Serial.begin(115200); // initialisation de la liaison série à
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115200 bauds
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}
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void loop() // loop est déroulé indéfiniment
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{
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int temps = sonar.ping(); // lecture de la durée des ultrasons
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Serial.print(“Le temps mis par les ultrasons est de : ”);
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Serial.print( temps ); // affichage durée du trajet des ultrasons en
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microsecondes
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Serial.println(“ microsecondes”);
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float t = temps*0.000001 ; // …………………………………………………………………………
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Serial.print(“Le temps mis par les ultrasons est de : ”);
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Serial.print( t,6 ); // affichage durée du trajet des ultrasons en
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secondes
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Serial.println(“ secondes”);
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float d = ……………………………… ; // calcul de la distance nous séparant de
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l’objet
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Serial.print(“La distance est de : ”);
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Serial.print( d ); // calcul de la distance en mètres
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Serial.println(“ m”);
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delay(5000); //attente pendant 5 secondes avant la prochaine mesure
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}
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Compréhension du programme
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Rajouter le commentaire sur les pointillés (Remarque : float permet de créer une nouvelle
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variable t ; pourquoi doit-on remplacer la variable temps par t = temps * 0,000001 ?)
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Il manque la formule permettant de calculer la distance d à l’obstacle. En se servant de ce qui a
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été étudié précédemment, compléter la formule sur les pointillés.
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CYCLE 4 I PHYSIQUE CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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Réalisation du programme et réalisation d’une mesure
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Copier le programme complété dans le logiciel Arduino. Le téléverser sur la carte à l’aide du
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câble USB. Tester ensuite le télémètre réalisé en effectuant une mesure de distance.
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Remarque : pour afficher le moniteur série, il suffit de cliquer sur la loupe.
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