Travail de maturité 2010 - Gymnase Auguste Piccard

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Travail'de'maturité'2010':'
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Le#Système#
d’acquisition#et#
d’analyse#
Vernier#
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Par$Victor$Cannilla,$2‐3MS3,$Auguste$Piccard$
Sujet$de$Physique$de$M.$Roger$Dayer$
Document$rendu$le$8$novembre$2010$
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!Résumé!du!travail!de!maturité!
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L’objectif"principal"de"mon"travail"de"maturité"en"physique"est"de"maîtriser"le"système"
d’acquisition" et" d’analyse" de" données" conçu" par" la" marque" Américaine" Vernier," puis" en"
évaluer"les"performances,"ainsi"que"les"défauts"et"les"limites."Celui‐ci"est"composé"d’une"très"
large" variété" de" capteurs" permettant" de" réaliser" des" mesures" dans" les" domaines" de" la"
physique," la" chimie" et" la" biologie." Pour" cela," il" est" nécessaire" de" disposer" d’une" interface"
Vernier," à" laquelle" seront" connectés" les" capteurs." Les" données" peuvent" ensuite" être"
transférées" vers" un" ordinateur" doté" du" programme" nommé" «"Logger" Pro"»." Celui‐ci,"
également"conçu"par"la"firme"Vernier,"permet"d’analyser"les"mesures,"notamment"au"moyen"
de"tableaux,"de"graphiques"et"de"nombreux"outils"permettant,"entre"autres,"l’élaboration"de"
modèles" mathématiques," une" analyse" spectrale" en" série" de" Fourier" et" l’intégration"
numérique"des"valeurs"relevées."
J’ai"donc"réalisé"des"expériences"dans"les"domaines"suivants":"
‐la"cinématique"
‐les"frottements"dans"les"fluides"
‐l’impulsion"
‐les"condensateurs"
‐l’induction"magnétique"
‐l’effet"Doppler"
‐le"timbre"de"différents"instruments"de"musique"
‐la"spectrométrie"
Je"ne"vais"donc"pas,"à"l’inverse"de"beaucoup"de"camarades,"me"plonger"dans"un"sujet"
précis"et"clairement"défini,"mais"plutôt"tester"la"polyvalence"du"système"Vernier,"ainsi"que"sa"
dimension"pratique"et"éducative."En"effet,"il"a"initialement"été"conçu"afin"de"permettre"à"de"
jeunes"étudiants"de"réaliser,"à"l’aide"d’un"système"simple"mais"efficace"et"doté"de"capteurs"
performants,"pratiques"et"précis,"une"multitude"d’expériences"très"variées.""
Après" la" réalisation" de" ces" expériences," il" s’est" avéré" que" le" système" d’acquisition" et"
d’analyse" Vernier" convient" parfaitement," selon" moi," à" des" travaux" pratiques" d’un" niveau"
gymnasial." Je" n’ai" bien" entendu" pas" effectué" de" mesures" dans" le" cadre" de" biologie" ou" de"
chimie"mais,"en"physique,"il"m’a"semblé"évident"qu’il"serait"bénéfique"aux"élèves"de"gymnase"
de"disposer"de"ce"matériel.""
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Table!des!matières!
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1.!PRÉSENTATION!DU!TRAVAIL!DE!MATURITÉ!...........................................!1!
1.1"L’ENTREPRISE"VERNIER".................................................................................."4!
1.2"PRÉSENTATION"DU"SYSTÈME"D’ACQUISITION"ET"D’ANALYSE"................................"4!
1.3"DESCRIPTIONS"ET"ILLUSTRATIONS"DU"MATÉRIEL"................................................"5!
1.4"BUT"DE"CE"TRAVAIL"DE"MATURITÉ"................................................................."10"
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2.!EXPÉRIENCES!ET!ANALYSES!.................................................................!11!
2.1"DÉTERMINER"LA"VALEUR"DE"G"......................................................................"11!
2.2"RÉSISTANCE"DE"L’AIR"..................................................................................."14!
2.3"IMPULSION"ET"QUANTITÉ"DE"MOUVEMENT"...................................................."17!
2.4"DÉCHARGE"D’UN"CONDENSATEUR"................................................................."20!
2.5"ANALYSE"SUPPLÉMENTAIRE":"INDUCTION"......................................................."25!
2.6"L’EFFET"DOPPLER"........................................................................................"28!
2.7"INSTRUMENTS"ET"RICHESSE"DE"LEUR"TIMBRES"................................................"32!
2.8"SPECTRE"LUMINEUX"...................................................................................."35!
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3.!REMARQUES!ET!CONCLUSION!.............................................................!40!
3.1"CRITIQUES"DU"MATÉRIEL"VERNIER"................................................................"40!
3.2"CONCLUSION"............................................................................................."40!
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4.!ANNEXES!.........................................................................................!‐!42!‐!
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5.!RÉFÉRENCES!....................................................................................!‐!46!‐!

4"
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1.!Présentation!du!travail!de!maturité!
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1.1!L’entreprise!Vernier!
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«"Vernier" Software" &" Technology"»" est" une" compagnie" basée" dans" la" ville" de" Portland"
(Oregon," Etats‐Unis)" qui" produit" divers" logiciels" et" équipements" de" mesures" de" données."
Leur"matériel"peut"être"défini"comme"un"système"d’acquisition"et"d’analyse,"que"l’entreprise"
est"parvenue"à"rendre"aussi"bien"simple"d’utilisation"que"performant,"efficace"et"précis,"afin"
qu’il"puisse"être"utilisé"dans"le"cadre"de"l’éducation"scientifique."Fondée"il"y"a"plus"de"vingt‐
cinq" ans" par" David" Vernier," ex‐enseignant" gymnasial" de" physique," et" sa" femme" Christine,"
femme" d’affaire," l’entreprise" portant" leur" nom" compte" aujourd’hui" une" centaine"
d’employés."Une"multitude"de"leurs"capteurs,"interfaces"et"logiciels"sont"lauréats,"et"plus"de"
cent" vingt‐cinq" pays" y" ont" aujourd’hui" recours," principalement" dans" le" domaine" de"
l’enseignement."Bien"qu’elle"ne"soit"pas"encore"employée"dans"tous"les"gymnases"vaudois,"
l’établissement"du"Bugnon"(place"de"l’ours"à"Lausanne)"bénéficie"déjà"de"sa"gamme"variée"
de"produits,"qui"permet"d’utiliser"le"matériel"Vernier"en"physique,"chimie,"math"et"biologie.""
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1.2!Présentation!du!système!d’acquisition!et!d’analyse!
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"Le"système"d’acquisition"et"d’analyse"Vernier"comporte":""""""""
‐une"multitude"de"capteurs"à"haute"précision";"détecteurs"de"mouvement"par"émission"
d’ultrasons,"accéléromètres,"altimètres,"dynamomètres,"capteurs"de"lumière"ou"de"pression"
sonore," etc." Les" données" sont" recueilles" selon" une" certaine" fréquence," qui" peut" atteindre"
plusieurs"centaines"de"mesures"par"seconde,"et"permettent"une"analyse"détaillée"et"fiable"de"
différents"comportements."
‐différentes"interfaces,"qui"peuvent"être"autonomes"et"portatives"ou"qui"nécessitent"un"
branchement" à" l’ordinateur," qui" reçoivent" les" données" collectées" par" les" capteurs" (ces"
derniers"peuvent"être"connectés"par"câble"ou"sans"fil)."Ces"interfaces"sont"donc"la"connexion"
entre"les"capteurs"et"l’ordinateur,"entre"l’acquisition"et"l’analyse.""
‐le"logiciel"Logger"Pro,"grâce"auquel"il"est"possible"d’analyser"les"mesures"collectées,"et"
ce" dans" leurs" moindres" subtilités." Capable" de" fournir," entre" autres," tableaux" de" données,"
graphiques," statistiques," dérivées," intégrales" et" différents" modèles" mathématiques" de"

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comportement," ce" programme" a" été" conçu" exclusivement" dans" le" cadre" d’une" utilisation"
avec" les" différents" capteurs" Vernier," il" est" donc" parfaitement" adapté" aux" besoins" de"
l’expérimentateur."
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1.3!Descriptions!et!illustrations!du!matériel!!
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Cette"rubrique"comporte" une" brève" présentation" des" différents" capteurs" et" interfaces"
auxquels"j’ai"eu"recours"durant"l’élaboration"de"mon"travail"de"maturité,"ainsi"que"du"logiciel"
Logger"Pro."
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Les!différents!capteurs!:!
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Le" «"Motion" Detector"»":" il" permet" de"
déterminer" les" horaires" de" la" distance," de" la"
vitesse" et" de" l’accélération" subie" par" l’objet"
ciblé."Il"utilise"pour"cela"le"principe"des"radars,"
à" savoir" émettre" des" ondes" qui" vont" se"
réverbérer," puis" mesurer" le" temps" qu’elles"
mettent" pour" faire" l’aller‐retour." Ceci" permet"
de"déduire"l’horaire"de"la"distance"parcourue."
Il"suffit"alors"de"dériver"la"courbe"pour"trouver"
la"vitesse"(ou"utiliser"l’effet"Doppler"en"mesurant"le"changement"de"fréquence"du"signal),"et,"
en" dérivant" une" seconde" fois," l’accélération" subie" est" obtenue." Remarque":" le" «"Motion"
Detector"»" émet" des" ultrasons" afin" de" procéder" à" ses" mesures," alors" que" la" plupart" des"
radars"utilisent"des"ondes"radios."
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Le"«"Wireless"Dynamic"Sensor"System"»"
‐" ou" WDSS" –" est" un" capteur" très" pratique"
permettant"de"calculer"l’accélération"(selon"
trois" axes" orthonormés)" qu’il" subit." Il" est"
également"muni" d’un"altimètre" (permet"de"
calculer" l’altitude" à" laquelle" il" se" trouve)"
ainsi"que"d’un"dynamomètre"situé"à"la"base"
du"crochet"(capteur"de"forces)."Comme"son"
nom"l’indique,"il"peut"être"utilisé"de"façon"«"wireless"»,"c’est‐à‐dire"sans"fil,"car"il"peut"stocker"