La chaîne de mesure est le dispositif qui permet à un appareil de capter une grandeur physique et de la convertir en mesure. Elle fait partie du processus d’acquisition de données. En ExAO, ce dispositif comprend plusieurs éléments qui peuvent être regroupés en quatre catégories : le capteur, le traitement, l’éditeur et l’enregistreur. La figure 8, inspirée de Perdijon (2004, p.27), permet de visualiser le passage de la grandeur physique à la mesure à travers la chaîne de mesure classique en ExAO.
Pour expliciter ce dispositif de mesurage, nous utiliserons la chaîne de mesure des systèmes MicrolabExAO qui seront utilisés par l’apprenant dans notre intervention didactique. La figure 9 présente cette chaîne de mesure en établissant un parallèle entre les composantes physiques du système et son fonctionnement.
Tout d’abord, le phénomène physique (1) et sa variable peuvent être étudiés par un ou plusieurs capteurs dont la composante principale est le transducteur électronique (2), c’est-à-dire un composant qui permet de transformer une grandeur physique en une nouvelle grandeur physique. Par exemple, un thermistor est un transducteur qui transforme la variation de température en variation de tension. Ainsi, en ExAO, cette nouvelle grandeur physique est un signal électrique. Ce signal subit un traitement via un amplificateur à décalage (3) ou est diminué par un diviseur de tension pour se situer entre 0 et 3,5V. La figure 10 présente ce traitement du signal électrique.
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(3) (4)
(5)
Figure 9 : La chaîne de mesure de MicrolabExAO Capteur Logiciel MicrolabExAOé Conversion analogique- numérique Enregistrementen Grandeur physique Signal électrique 0-3.5V Mesure Amplification, décalage, filtration Modélisation Visualisation (1) (2)
49 Lorsque le signal électrique est transformé, il peut ensuite être converti en signal numérique via le convertisseur analogique-numérique (4). Celui-ci permet de convertir le signal électrique en signal numérique avec une résolution de 10 bits. Le capteur peut ainsi détecter 210 états de variation de la variable mesurée, soit 1024 états (210=1024). Par exemple, il est possible de mesurer la pression absolue entre 0 et 1500 hPa. Ceci signifie que le capteur peut prendre une mesure à chaque (1500/1024) hPa, soit à chaque 1,46hPa. Pour le capteur de température 0 à 100oC, le capteur pourra prendre des données à chaque (100/1024)oC, soit avec une résolution théorique de 0,1oC7. Le signal numérique pourra ensuite être affiché sur l’écran et enregistré par l’ordinateur (5).
Nous pensons que ces explications sur la résolution sont accessibles à l’élève en fin de 4e secondaire ou 5e secondaire et peuvent même l’aider à comprendre l’erreur de mesure associée à un instrument. Par exemple, si le thermomètre électronique mesure 35,2oC, comme il sait que la résolution théorique de ce thermomètre est de 0,1oC, l’intervalle de sa mesure sera alors de 35,1oC à 35,3oC.
Il est possible de s’interroger sur la complexité de la compréhension de cette chaîne de mesure pour un élève du secondaire. De prime abord, le fonctionnement d’un appareil de mesure électronique pourrait être plus difficile à comprendre que celui d’un instrument de mesure traditionnel. Nous pourrions reprendre l’exemple du capteur de température et du thermomètre à alcool. Le thermomètre à alcool permet d’afficher des mesures de température à cause du phénomène de dilatation et de contraction de l’alcool suite à un transfert de chaleur avec le milieu extérieur. Pour prendre des mesures justes, lors de sa fabrication, ce thermomètre peut être étalonné avec un autre thermomètre à alcool. Suite à sa fabrication, il serait possible de tester ce thermomètre avec des valeurs de référence comme les températures de fusion et de vaporisation de l’eau à température ambiante et pression normale qui sont respectivement de 0 et de 100oC. Cette explication est accessible
7 L'amplificateur à décalage de MicrolabExAO pourrait aussi permettre de placer le signal dans une plus
petite fenêtre de variation et de l'amplifier pour augmenter la résolution de ce capteur de température. Par exemple, il serait possible d'amplifier le signal pour prendre des données entre 25 et 35oC. Dans ce cas, la
50 à l’élève du secondaire. Le fonctionnement de ce thermomètre grâce à la dilatation et à la contraction de l’alcool pourrait même lui être intuitif au deuxième cycle.
Le fonctionnement d’un thermomètre électronique pourrait être plus difficile à cerner. Tout d’abord, une thermistance capte la température. La résistance interne de la thermistance, composant électronique de la famille des semi-conducteurs, varie proportionnellement au changement de température du milieu extérieur. Le changement de cette résistance interne fait varier la tension aux bornes de la thermistance selon la loi d’Ohm U=RI : U est la tension aux bornes de la thermistance, R la résistance de la thermistance au moment où la mesure est prise et I l’intensité du courant passant par la thermistance. La tension aux bornes de la thermistance subit ensuite un traitement qui lui permet d’être utilisée comme signal numérique via le convertisseur analogique-numérique. Ce signal numérique, la tension, est reconnu par l’ordinateur qui le convertit en mesure en utilisant une équation algébrique de transfert T=aU+b, enregistrée dans le logiciel : U est la tension aux bornes de la thermistance après le traitement, T la température qui sera affichée sur l’écran d’ordinateur, a la pente de la relation directement proportionnelle qui unit T et U, et b l’ordonnée à l’origine de cette droite. Le tout, de la prise d’une mesure à l’aide du thermomètre électronique à l’affichage d’une valeur de température sur l’écran d’ordinateur, se fait instantanément sans qu’il y ait de délai perceptible à l’œil. L’ordinateur pourrait enregistrer plusieurs mesures dans une même acquisition sous la forme graphique. Toute cette description détaillée pour comprendre que le fonctionnement d’un thermomètre électronique n’est pas intuitif pour l’élève du secondaire. Cependant, il serait envisageable qu’un élève en fin de 4e secondaire ou en 5e secondaire comprenne le fonctionnement tel qu’expliqué précédemment. Pour ce faire, nous pensons qu’il doit concevoir et construire cet instrument de mesure. En reprenant les travaux préliminaires de Fournier (2001), c’est l’élève qui devra déterminer l’équation algébrique de transfert. Par exemple, pour construire un thermomètre électronique, il mettra en relation de causalité la tension d’un transducteur avec la mesure d’un thermomètre à alcool. En faisant chauffer de l’eau lors d’une expérimentation en ExAO, l’élève associera la température affichée par le thermomètre à alcool pour chaque valeur de tension délivrée par le transducteur. Après avoir fait l’acquisition d’au moins une dizaine de mesures, affichées sur le graphique,
51 l’élève pourra modéliser algébriquement son nuage de points, obtenant ainsi une équation algébrique de transfert T=aU+b. En attribuant cette équation à la tension délivrée par le transducteur, il permet à celui-ci de prendre des mesures de température.
Une telle activité en ExAO ajoute un 7e niveau au langage graphique (voir section 2.7 pour les six niveaux du langage graphique), soit le fait d’utiliser l’expression mathématique déterminée lors de la modélisation algébrique, c’est-à-dire l’équation algébrique de transfert, pour transformer une variable détectée (la tension) en une variable calculée (la température) et affichée sur l’écran d’ordinateur. Cette activité demande aussi à l’élève de mobiliser des savoirs et savoir-faire en sciences expérimentales, en technologie et en mathématique pour réaliser son instrument. La technologie est alors ici un objet