Une expérience préparatoire à l’étude du magnétisme qui exploite les accéléromètres des téléphones intelligents pour développer le raisonnement 3D

Enseignants de physique, vous cherchez une façon d’aider vos étudiants à visualiser des vecteurs dans l’espace tridimensionnel? Nous partageons avec vous notre protocole pour une expérience de laboratoire (qui fonctionne autant en présence qu’à distance) que nous utilisons comme introduction pour étudier des phénomènes liés au magnétisme dans le cours Électricité et magnétisme du programme Sciences de la nature.

L’équipement nécessaire se limite à des objets communs (table, crayon à mine, livre, gourde d’eau, vis) et au téléphone intelligent de l’étudiant.

Le résultat attendu est une amélioration des habiletés de l’étudiant quant au raisonnement 3D et à l’utilisation de « la règle de la main droite ». Cela nous permet de sauver beaucoup de temps dans des explications que nous aurions habituellement faites dans un cours théorique.
Notez que nous n’utilisons pas le senseur de champ magnétique qui se trouve dans les téléphones intelligents, seulement l’accéléromètre.

L’expérience de laboratoire que nous vous proposons est composée de 3 parties.

Partie 1 – Diagrammes simplifiés

À l’aide d’un ensemble de diagrammes simplifiés, nous exploitons des représentations d’objets communs posés sur une table sous différentes vues de perspectives. L’étudiant passe d’une représentation simplifiée d’objets réels à la représentation abstraite de flèches orientées dans l’espace 3D.

À titre d’exemple, nous fournissons à l’étudiant un diagramme simplifié représentant 2 crayons et une bouteille posés sur une table, vue d’en haut. Nous demandons à l’étudiant de redessiner ce diagramme à partir des points de vues latéraux.

Diagramme simplifié représentant 2 crayons et une bouteille sur une table, accompagné d’une photo montrant une vue réelle de cette situation. (Source de la la photo: Marc-André Charron, technicien en physique au cégep du Vieux-Montréal)

Nous fournissons à l’étudiant un encadré où il doit représenter la même situation vue A) de l’avant de la table, B) du côté gauche de la table, C) de l’arrière de la table et D) du côté droit de la table.

À la fin de cet exercice, nous exploitons la représentation 3D des flèches orientées vers le haut, le bas, à droite, à gauche, entrant ou sortant, qui représentent les axes x, y et z.

Partie 2 – Études des différentes perspectives des systèmes de coordonnées à l’aide d’un téléphone intelligent

Un accéléromètre immobile produit toujours un vecteur pointant vers le haut par rapport à la surface de la Terre. L’application d’accéléromètre d’un téléphone intelligent (pour iOS ou pour Android) affiche 3 signaux d’accéléromètre, un pour chaque axe. Le signal non zéro correspond à l’axe qui est actuellement aligné avec l’axe terrestre, le « ciel terrestre ». Son signe indique si c’est le côté positif ou négatif de cet axe du téléphone qui est actuellement aligné avec la direction pointant vers le haut par rapport à la surface de la Terre.

Exemple de signaux produits avec l’application d’accéléromètre d’un téléphone intelligent sous iOS, quand on tient celui-ci selon une orientation bien particulière.

Le graphique en vert représente l’axe y et indique la valeur (+1) (en unités de g, l’accélération gravitationnelle), alors que les graphiques bleu et rouge représentent les axes z et x, respectivement, et indiquent chacun pratiquement la valeur zéro. Ainsi, la direction négative de l’axe y est alignée avec la direction pointant vers le haut par rapport à la surface de la Terre. (Dans un iPhone, la direction des axes est inversée par rapport au signe qu’indique l’application.)

D’abord, l’étudiant doit identifier les 3 directions qui sont les 3 coordonnées de son téléphone intelligent. Il peut le faire en tenant son téléphone selon différentes orientations (téléphone couché, debout ou sur le côté) et en analysant les signaux obtenus avec l’application de l’accéléromètre.

L’étudiant doit compléter ce document-réponse en indiquant dans les grands rectangles l’étiquette de l’axe (x, y ou z) et, dans les petits rectangles, le signe (positi ou négatif).

Ensuite, l’étudiant doit observer son téléphone intelligent selon ses différentes faces et déduire, dans chaque cas (6 cas au total), l’étiquette appropriée pour les 3 axes (horizontal, vertical, et perpendiculaire) par rapport à son point de vue ( « +x », « –x », « +y », « –y », « +z » ou « –z »). Voici un exemple de vue.

Une vue du côté « selfie » du téléphone intelligent, en regardant dans la direction « caméra ».

L’étudiant doit compléter l’étiquette des axes horizontal, vertical et perpendiculaire par rapport à la direction « caméra » avec les bons signes.

À la fin de cet exercice, l’étudiant développe son raisonnement 3D pour orienter un système de coordonnées (x, y, z) dans l’espace 3D.

Partie 3 – Étude d’une vis reliée à une clé

Ici, nous utilisons une vis en forme hexagonale reliée à une clé. (Pour simplifier, la clé est représentée par une flèche dans notre analyse.) L’étudiant est amené à observer le mouvement axial de la vis lorsqu’elle pivote d’une position initiale de la flèche vers une position finale de celle-ci. Il le fait de 2 points de vue différents: vue de haut et vue latérale.

Exemple de l’étude du mouvement d’une vis liée à une clé. L’étudiant doit représenter le mouvement de la direction axiale par un vecteur orienté dans l’espace 3D, dépendamment de son point de vue.

À gauche : mouvement axial de la vis en forme hexagonale à partir d’une position initiale ( ←) vers une position finale (↓) à partir de la vue d’en haut.

À droite : le même mouvement à partir de la vue latérale.

L’étudiant doit déterminer le mouvement de la direction axiale par une flèche orientée dans les diagrammes (c) et (f) telle que représentée.

À travers cet exercice, l’étudiant développe l’utilisation de « la règle de la main droite ».

Bilan de l’activité

À la fin de l’ensemble de l’activité de laboratoire proposée, l’étudiant intègre, de façon naturelle et familière, le formalisme du magnétisme. Il n’a plus peur des différentes orientations des axes x, y et z dans l’espace 3D, ni de l’orientation des différents vecteurs impliqués dans l’étude du magnétisme. En outre, l’étudiant est en mesure d’utiliser «la règle de la main droite » pour identifier, entre autres, la direction appropriée de la force magnétique.

Possibilités de collaboration et de partage de documents pédagogiques et de matériel

Les expériences de laboratoire utilisant l’application d’accéléromètre du téléphone intelligent et la technologie de l’impression 3D, projet financé par l’Entente Canada-Québec depuis 2016, font l’objet d’expérimentation dans des classes :

• au Collège John Abbott depuis l’automne 2017, sous la supervision de l’enseignant responsable du projet, Chris Isaac Larnder
• au Collège Marianopolis depuis l’automne 2018, avec la collaboration de l’enseignante Maggie Livingstone
• au Cégep du Vieux-Montréal depuis l’automne 2019, avec la collaboration de l’enseignante Faïza Nebia

Nous sommes ouverts et disponibles pour agrandir le réseau de partage de documents pédagogiques et de collaborations autour de ces expériences pour l’ensemble de la communauté collégiale.

Vous êtes enseignant de physique et cela vous intéresse? Essayez-les avec vos étudiants, améliorez les instructions et proposez des exercices qui font progresser les idées plus loin! Il nous fera plaisir d’en discuter!

Pour toute information, contactez Chris Isaac Larnder ou Faïza Nebia.