Il y a déjà quelques années, j’avais mis en place une activité de chronophotographie (ici et là), par ailleurs tellement intéressante que je ne manquais pas de la faire chaque année. Étudier le mouvement en utilisant plusieurs photos prises à intervalle de temps fixe permet en effet de le décomposer, de voir l’accélération, de calculer la vitesse, de tracer un diagramme, etc. Une activité complète, mais plutôt réalisée par le prof face à la classe, même si les élèves avaient des petits rôles (lancer une balle, mesurer au tableau, entrer les valeurs dans un tableur, etc.).

Un collègue me montre cette année le logiciel Dartfish, sur iPad, utilisé généralement par les sportifs voulant faire des arrêts sur image, analyser leur position, etc. L’utilisation est très simple : une fois la vidéo créée, un curseur permet de faire défiler les images et de s’arrêter où l’on veut dans la vidéo, puis de dessiner sur les images. La précision est assez bonne puisqu’on arrive facilement à travailler sur des images au 1/20 de seconde. Tout se fait sur la tablette.

Il a utilisé ça pour voir les modifications de vitesse en filmant un élève qui marche à vitesse constante, accélère, ralentit puis en décomposant les mouvements. J’imagine alors modifier un peu mon activité de chronophotographie pour intégrer davantage les élèves dans la réalisation de l’expérience.

Mise en place

Avant de détailler la méthode, une remarque : j’ai tendance parfois à avoir une idée et la tester immédiatement sans trop réfléchir à tous les détails, en me disant qu’on verra bien ce qui arrivera… C’est ce que j’ai fait ici, donc la mise en place décrite ici est améliorable, je fais à ce sujet quelques commentaires en fin d’article.

Les nouveaux moyens de sciences proposent d’analyser 6 mouvements :

  • constant horizontal : un chariot roule sur un rail
  • accélération horizontale : un chariot est poussé par le vent
  • ralentissement horizontal : un chariot est freiné par le vent
  • constant vertical : un parachute
  • accélération verticale : chute libre d’une balle
  • ralentissement vertical : une balle lancée vers le haut

J’ai donc réparti les mouvements à 6 groupes de 3 élèves et transmis deux tablettes par groupe. Après une rapide présentation de l’activité, ces tablettes servent à

  • filmer et analyser le mouvement avec Dartfish
  • relever les mesures et faire les calculs avec Excel

Les lecteurs assidus trouveront bizarre de voir ici deux logiciels propriétaires, la raison est toute simple : pas vraiment d’alternative sur nos iPads, et en plus, je voulais tester l’utilisation d’Office365 sur la tablette.

Les groupes ont donc reçu un chariot et un rail pour certains, une balle pour d’autres. Ils ont fabriqué une voile ou un parachute, et apporté depuis chez eux un foehn pour souffler sur le chariot. Ils n’ont pas oublié de placer en arrière-plan une règle permettant d’utiliser l’échelle de la vidéo pour les calculs.

Mesures et calculs

Une fois la vidéo faite, sans aucune difficulté, il s’agit de mesurer la distance parcourue par l’objet en mouvement. Les élèves doivent donc

  1. choisir un intervalle de temps (je leur propose 1/10 de seconde, mais j’aurais dû dire 1/20, voir le commentaire ci-dessous)
  2. placer un point zéro pour identifier le début de l’analyse
  3. mesurer la distance parcourue pour chaque photo, à partir du point zéro, avec une règle (poser la règle sur l’écran)
  4. noter cette distance dans la première colonne du tableur

Les mesures relevées, vient le temps des calculs, qui ne sont pas si évidents que ça, puisqu’il s’agit de

  • soustraire les distances parcourues depuis le point zéro afin d’obtenir les distances entre deux photos
  • utiliser l’échelle pour avoir des distances réelles
  • calculer les vitesses pour chaque distance parcourue
  • tracer un diagramme de la distance par rapport au temps

Pour mieux comprendre, voici ce que ça donne dans un tableur :

Analyse d’un mouvement ralenti vertical

J’ai juste retouché un peu les en-têtes pour que ce soit bien compréhensible, et les légendes du diagramme. Le reste a été fait par les élèves.

  • B5=A5-A4 ; B6=A6-A5 ; etc. (calcul de la distance parcourue en un temps donné)
  • C5=B5/3.2 (échelle)
  • D5=C5/0.1 (\(V=\frac{d}{t}\) et intervalle de temps d’un dixième de seconde)

Les physiciens puristes me diront que mon calcul n’est pas juste, qu’il faut que je fasse

\[V_2 = V_\textrm{moyenne entre 1 et 3} = \frac{d_3 – d_1}{t_3 – t_1}\]

J’ai décidé de calculer la vitesse moyenne sur l’intervalle de temps entre deux photos et non pas à la position donnée, c’est tout aussi compréhensible pour les élèves, ça limite un peu les calculs et ça ne change pas grand-chose.

On voit bien le ralentissement sur le diagramme, par contre, c’est un peu moins bien que la version précédente de l’activité. C’est pourquoi je rajoute quelques commentaires pour faire mieux la prochaine fois.

Commentaires parce que ce n’est pas l’idéal ce que j’ai fait

Sur l’exemple ci-dessus (et j’ai pas pris le pire), il y a 5 mesures de distance sur les photos, donc 4 intervalles de temps et 4 vitesses. Ce n’est pas beaucoup. Pour les mouvements horizontaux, c’était un peu mieux (une dizaine de mesures), mais pour les verticaux ça va trop vite. Pour la balle qui tombe, les élèves ont fait 4 mesures seulement… Il aurait donc fallu prendre des intervalles de temps de 1/20 seconde.

Les élèves ont eu un peu de peine à bien savoir ce qu’il fallait faire. Ce n’est pas trop grave, ils doivent ainsi davantage réfléchir, s’engager dans l’activité. Mais ça a pris un peu plus de temps que prévu, disons 3 périodes environ. Je pense qu’on peut faire ça en moins de temps. Il faut cependant prendre en compte le fait que je découvrais l’utilisation d’Excel sur iPad, avec une connexion à leur compte Office365. Pour eux aussi, c’était nouveau et ça nécessitait quelques manipulations. J’ai fini par aller en salle d’informatique la 3ᵉ heure pour finir les calculs et réaliser les diagrammes avec un ordinateur plutôt qu’une tablette, mais on a eu des problèmes techniques dus à Office… Bref, je ne me suis pas simplifié la vie ! La prochaine fois, peut-être faut-il séparer la partie « Mesures » et « Calculs » en prenant des notes sur papier et en utilisant dans un deuxième temps un tableur.

Pour gagner du temps, j’aurais aussi pu leur fournir une marche à suivre plus détaillée pour la prise de mesure. En effet, certains élèves ont intelligemment placé une grande règle derrière leur chariot qui roule ou leur balle qui tombe, et voulu ensuite directement extraire de la vidéo des mesures réelles. Le manque de précision de la lecture de la règle sur l’image était alors trop grand pour obtenir des données assez représentatives.

J’aurais aussi pu analyser frontalement un des mouvements (ce que j’ai fait, mais plutôt rapidement) et distribué ensuite les 5 autres dans la classe. Ça aurait été plus rapide et efficace, mais par contre, ils auraient moins dû faire fonctionner leur matière grise… Laisser patauger un peu des élèves de niveau 1, ça ne fait pas de mal !

Conclusion

Activité top ! À peaufiner un peu, mais top !