IV.011’Etude des grandeurs caractéristiques du son à l’oscilloscope’

Les deux tâches précédentes ont permis de rappeler les relations entre les phénomènes sonores et les caractéristiques de la vibration explicitées via les caractéristiques de la tension électrique (amplitude et fréquence). L’objectif des quatre tâches suivantes, correspondant à une page-écran, est de fournir à l’aide de l’oscilloscope⁷⁵ une nouvelle représentation des caractéristiques de la vibration souvent non observables directement :

• la première, intitulée ’Introduction’, fournit une définition et une simulation ’réduite’ d’un oscilloscope,

• les deux pages-écrans suivantes donnent lieu à deux tâches mettant en jeu la représentation graphique de la tension électrique visualisée sur l’écran de l’oscilloscope pour déterminer les caractéristiques du son et les caractéristiques de la vibration.

• cette tâche se termine par un résumé illustré de deux vidéos d’expériences.

Le groupe Soc (Annexe A) considère que donner la possibilité aux élèves d’utiliser une nouvelle représentation des caractéristiques de la tension électrique peut permettre :

• de renforcer la mise en relation entre la perception sonore et les caractéristiques de la vibration,

• d’éviter une étude cloisonnée des grandeurs physiques (fréquence et amplitude) sans lien avec la perception sonore ou le comportement du milieu matériel,

• d’écarter certaines confusions que l’on rencontre dans les expressions du type ’augmenter le son’ lorsque l’on augmente l’amplitude de la tension électrique.

IV.1 Tâche 11 : ’Introduction’

IV.1.1 Enoncé

’Un oscilloscope, branché aux bornes d’un générateur basse fréquence, permet de visualiser en fonction du temps, les variations de l’amplitude et de la fréquence d’une tension électrique. Le temps est représenté sur l’axe des abscisses et l’amplitude sur l’axe des ordonnées.

Augmenter puis diminuer la fréquence et l’amplitude de la tension délivrée par le générateur au haut-parleur (voir l’expérience en réelle). Observer la courbe à l’oscilloscope et écouter le son émis.’

Dans la demi-page-écran de droite est proposée une simulation ’réduite’ d’un oscilloscope. Il est possible d’observer en fonction du temps, les variations de l’amplitude et de la fréquence d’une tension électrique que l’on modifie à partir de deux boutons ’réglage de la fréquence’ et ’réglage de l’amplitude’. De plus, situé en dessous de la simulation, un ’QCM’ questionne l’élève sur le sens qu’il confère à la courbe visualisée sur l’oscilloscope : ’Que représente la courbe visualisée’. La demi-page écran de gauche contient la définition de l’oscilloscope et une consigne.

En outre, la construction par demi-page-écran selon le système de représentation (langage naturel et représentation dynamique) a pour objectif que les élèves :

• Reformulent la définition de l’oscilloscope ;

• réalisent une conversion et une coordination des deux représentations.

Les réponses données à la question ’Que représente la courbe visualisée’ nous permettront d’estimer la coordination entre les représentations.

IV.1.2 Les éléments de la situation

IV.1.2.1 L’organisation de la page-écran

Le Tableau 34 décrit l’organisation de la page-écran selon les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques.

IV.1.2.2 Les ressources

Les ressources internes

Deux types de ressources internes : des escamots sur les termes oscilloscope, amplitude, fréquence et générateur basse fréquence et le mini-dictionnaire.

IV.1.2.3Le système institutionnel

• Le bouton de demande de validation de la réponse
  Suite à la sélection de l’une des propositions à la question ’Que représente la courbe visualisée’, dans le cas où la réponse ne correspond pas à celle qui est attendue, nous retournons le message ’Avez vous bien lu la définition d’un oscilloscope dans la page de gauche ?’, dans le cas contraire, le message est ’C’est exact !!! Cependant, il vous est conseillé de consulter la réponse du professeur pour en savoir plus’.

• Le bouton réponse (du professeur)
  En sélectionnant le bouton réponse, le message retourné correspond à la réponse ’du professeur’ qui est le suivant ’La courbe visualisée est la représentation graphique de la tension électrique délivrée par le générateur au haut-parleur en fonction du temps’.

IV.1.3 Réalisation de la tâche et activités des élèves

IV.1.3.1 Réponses possibles

A la question, ’Que représente la courbe visualisée’, nous attendons que les élèves répondent ’la tension électrique délivrée par le générateur basse fréquence’, les éléments de la réponse étant dans la page-écran (la définition de l’oscilloscope, la simulation de l’oscilloscope associée à la consigne). La réponse nécessite de mettre en oeuvre le niveau de la théorie-modèle. Toutefois, il est tout à fait possible que les élèves répondent ’le son’ ou ’l’image du son’ si l’on tient compte des ’risques de confusion voire de fusion entre l’action sur un appareil et la perception sonore associée’ (Voir annexe A Environnement conceptuel du TP3) que peuvent réaliser les élèves.

IV.1.3.2 Activités des élèves

Nous supposons que l’activité des élèves se limite à lire, à actionner la simulation et à cocher une réponse. La figure suivante présente schématiquement les niveaux de savoir de l’énoncé, les niveaux à utiliser pour résoudre la tâche et enfin les relations attendues.

IV.1.4 Connaissances à mobiliser

Nous faisons l’hypothèse que lors de cette tâche les élèves mobiliseront les connaissances relatives à la définition de l’oscilloscope et se référeront à leurs connaissances personnelles liées au cours d’électricité.

IV.2 Tâche 12 : ’Expérience : Etude des grandeurs caractéristiques du son’

IV.2.1 Enoncé

’Etude des grandeurs caractéristiques du son (volume sonore et hauteur) à l’oscilloscope.

Par rapport au son émis par le haut-parleur de référence déterminer les caractéristiques du son associées à l’oscillogramme du haut-parleur à étudier. Valider et vérifier votre réponse en comparant les deux sons.

Remarque

La sensibilité et la vitesse de balayage ont toujours la même valeur durant l’expérience.’

L’objectif de la tâche est donc d’amener les élèves à comparer les grandeurs caractéristiques des tensions électriques alimentant les deux haut-parleurs via les deux oscillogrammes puis à élaborer le lien avec la perception sonore.

IV.2.2 Les éléments de la situation

IV.2.2.1 L’organisation de la page-écran

L’analyse de la page-écran selon les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques est présentée dans le tableau suivant :

IV.2.2.2 Les ressources

Les ressources internes

Les ressources internes sont de trois types : le mini-dictionnaire, escamots sur les termes volume sonore, hauteur et oscilloscope et un onglet Aide que nous détaillons dans le tableau ci-dessous.

IV.2.2.3 Le système institutionnel

Bouton de demande de validation

Il est proposé successivement six oscillogrammes qui nécessitent à chaque fois une demande de validation de la réponse dont le message retourné est un point coloré désignant l’état de la réponse. Au sixième coup, le système comptabilisant le nombre de bonnes et mauvaises réponses retourne soit le message ’ Le nombre de bonnes réponses est insuffisant. Il est conseillé de consulter l’aide puis de faire à nouveau le test’ soit ’ Vous avez eu au moins cinq bonnes réponses sur six : c’est très bien. Vous pouvez soit refaire cette activité soit continuer le TP’.

IV.2.2.4 Divers

L’onglet Fripini donne des conseils pour résoudre la tâche : ’comparer les deux oscillogrammes, puis répondez à la question posée. Valider votre réponse puis cliquez sur les deux haut-parleurs pour écouter les deux sons. Faire suite pour continuer’.

IV.2.3 Réalisation de la tâche et activités des élèves

IV.2.3.1 Réponse possible

Nous attendons que les élèves réalisent cette tâche en deux étapes. La première consiste à comparer les grandeurs caractéristiques de la tension électrique (fréquence et amplitude) à partir des oscillogrammes. Deux stratégies peuvent être mises en oeuvre :

• La première peut être issue d’une connaissance procédurale construite durant les cours d’électricité.
  L’élève compare les périodes⁷⁶ et les amplitudes⁷⁷ des deux tensions périodiques en comptant :

  • le nombre de carreaux correspondant à la largeur du motif de base pour la période. Il est possible que certains élèves tentent de calculer la fréquence en effectuant le rapport F = 1/T (T la période),

  • le nombre de carreaux entre le maximum et un minimum (de la tension) pour rechercher la valeur de l’amplitude.

• La seconde stratégie consiste à s’appuyer sur la forme des oscillogrammes :

  • lorsque la fréquence est élevée (ou faible) : le nombre de fois que le motif de base se répète en un temps donné est plus ou moins grand (’ça devient plus serré’)

  • lorsque l’amplitude est élevée (ou faible) : la hauteur du motif est plus ou moins haute.

Lors de cette première étape, nous supposons que les élèves mettent principalement en oeuvre les niveaux de la théorie-modèle (fréquence et amplitude) et les objets événements simulés (l’oscillogramme) et élaborent la relation entre les deux.

La seconde étape consiste à mettre en relation les grandeurs caractéristiques de la tension électrique et la perception sonore. Cela laisse supposer que les élèves ont construit une relation entre les caractéristiques de la vibration et celle de la tension électrique à partir des deux tâches précédentes. Durant cette dernière phase, les élèves seront censés mettre en relation les niveaux de la théorie-modèle et des objets événements simulés (son). Il est tout à fait possible qu’au bout du second item, les élèves déterminent les caractéristiques du son sans faire une analyse explicite des oscillogrammes. Ils mettront alors en oeuvre principalement le niveau du modèle.

Du point de vue de l’activité sémiotique, nous supposons que la détermination des grandeurs caractéristiques de la tension électrique nécessite d’articuler lors de la stratégie 1, successivement trois systèmes sémiotiques : la représentation graphique, la représentation symbolique et le langage naturel. Dans le cas où les élèves réalise la stratégie 2, nous supposons que l’activité sémiotique consiste à réaliser un traitement sur la représentation graphique fournie en comparant cette dernière à celle que les élèves se sont construites puis de l’articuler ave le langage naturel (relation perception sonore et caractéristiques de la vibration).

IV.2.3.2 Activités des élèves

Nous supposons que l’activité observable des élèves est réduite à lire un texte, observer des oscillogrammes et cocher une case. La Figure 127 présente selon les niveaux de savoir de l’énoncé, les niveaux à utiliser pour résoudre la tâche et enfin les relations attendues.

IV.2.4 Connaissances à mobiliser

Nous faisons l’hypothèse que les élèves mettront en oeuvre des connaissances relatives à la définition d’un oscillogramme, aux relations entre les grandeurs caractéristiques de la vibration et la perception sonore, à leur cours d’électricité à propos de la manière à déterminer les valeurs des grandeurs caractéristiques de la tension électrique périodique à partir d’un oscilloscope.

IV.3 Tâche 13 : ’Expérience : Etude des grandeurs caractéristiques physiques’

IV.3.1 Enoncé

’Etude des grandeurs caractéristiques physiques de la vibration (fréquence et amplitude) à l’oscilloscope.

Comparer les deux oscillogrammes donnés par le haut-parleur de référence et le haut-parleur à étudier et, déterminer les caractéristiques physiques de la vibration correspondant à l’oscillogramme de droite. Valider et vérifier votre réponse en comparant les deux sons.

Remarque

La sensibilité et la vitesse de balayage ont toujours la même valeur durant l’expérience.’

Nous ne présentons pas cette tâche car elle correspond à la première étape dans la résolution de la tâche précédente : détermination des grandeurs caractéristiques de la vibration. Nous donnons l’organisation de la page-écran selon les niveaux de savoir et les systèmes sémiotiques dans le tableau suivant.

IV.4 Tâche 14 : En résumé

IV.4.1 Enoncé

’La hauteur d’un son est essentiellement liée à la fréquence de vibration.

Le volume (ou niveau sonore) d’un son est essentiellement lié à l’amplitude de vibration.’

Deux vidéos d’expériences situées dans la demi-page-écran de gauche illustrent le rappel des relations entre la perception sonore et les grandeurs caractéristiques de la vibration.

IV.4.2 Les éléments de la situation

IV.4.2.1 L’organisation de la page-écran

L’organisation de la page-écran est présentée dans le tableau ci-dessous (Tableau 38).

IV.4.3 Activités des élèves

Nous nous attendons à ce que l’activité des élèves soit réduite à lire et observer les vidéos.