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des matières
Table à digitaliser DIGDEDOC:
mouvements à deux dimensions

I Objectifs
II Matériel et logiciels
III Acquisitions avec Regressi pour table Digdedoc
IV Exploitation dans Regressi
V Exemples: mouvements horizontaux
VI Exemples: plan incliné
VII Relation entre angle a et accélération:
détermination de l'accélération de la pesanteur g
VIII Étude énergétique
IX Numérisation d'une courbe
Fichier
Word correspondant

 | Étudier un mouvement à deux dimensions, avec des frottements
négligeables. |
 | Trouver les caractéristiques cinématiques d'un mouvement rectiligne,
circulaire, parabolique, etc. |
 | Déduire vitesse et accélération de l'enregistrement. |
 | Trouver la relation entre accélération et forces appliquées au mobile. |
 | Déduire de l'acquisition les énergies cinétique, potentielle, et
mécanique. |
 | Vérifier la conservation de l'énergie mécanique. |
 | Modéliser les variations de x(t), y(t), et v(t) pour
en déduire l'accélération (et la vitesse initiale) du mouvement. |
 | Trouver avec le maximum de précision la valeur de l'accélération de la
pesanteur au lieu de l'expérience. |
 | Numériser une courbe dessinée sur un support papier (chronophotographie
ancienne, carte routière, etc.). |
|
 |
A. Les logiciels d'acquisition; installation de
 | "Regressi pour Table Digdedoc "
permet d'effectuer directement les acquisitions avec la table à digitaliser
DIGDEDOC: dans l'installateur de Regressi, il suffit de choisir le module
correspondant. |
 | On peut également copier le programme "table.exe" sur le
disque dur, puis rajouter manuellement ce programme dans l'onglet
"Acquisition" des Options de Regressi. Attention: en cas
d'utilisation du fichier de configuration "ConfigRegressi.exe"
pour modifier ces Options, il faut passer par ce dernier, qui est
prioritaire (1).
|
Dans le dernier cas, opérer ainsi:
(1) menu Options/ onglet Acquisitions
(2) cliquer sur le bouton +Ajouter acquisition
(3) localiser et choisir le programme d'acquisition
"Table.exe" |
 |
 | Le logiciel "Digwin", beaucoup plus ancien, gère aussi les
acquisitions avec cette table; il permet ensuite de transférer les données
acquises vers Regressi pour les exploiter. |
B. Table à digitaliser: principe de fonctionnement
La surface à digitaliser (1)
comporte une trame croisée (plaque inductive) perpendiculairement de fils en
X-Y (X horizontal, et Y inclinable d'un angle a
selon la ligne de plus grande pente. Le mobile à coussin d'air comporte une
bobine alimentée en courant alternatif (± 2 V
à 50 kHz); sa présence (même immobile) sur la surface sensible détermine une
f.é.m. d'induction à l'intersection de 2 fils: l'information est relevée par
le logiciel sous forme de coordonnées (X-Y) du point correspondant.
(1) bobine inductrice
(palet)
(2) trame d'induit (table)
|

|
La surface sensible est de plus petites dimensions que le
cadre inclinable dans lequel elle est enchâssée, ce qui permet au palet de sortir
de cette surface avant de buter contre les bordures.
Le connecteur série est utilisé (en plus de la transmission
des données vers le port Com) pour apporter à la table et au palet leur
alimentation électrique.
(1) surface sensible (à
numériser)
(2) palet à coussin d'air
(3) passe fil en caoutchouc
(4) potence réglable pour
l'inclinaison a
(5)
socle |
 |
C. Mise en œuvre de l'ensemble
|
Le tuyau assurant le coussin d'air du palet renferme en même
temps les deux conducteurs souples alimentant la bobine d'excitation; passer ce
tuyau dans le passe fil en caoutchouc (clipsé en haut de la potence) et régler
sa longueur de façon qu'elle gêne le moins possible le mouvement libre du
palet.
|
 | Brancher l'alimentation électrique moulée noire 220 V/basse
tension (commune table/palet), ainsi que la prise série (port Com);
mettre la table en marche (bouton "On" sur le côté de la
table), et lancer le logiciel Regressi. |
|

|

|
Le logiciel doit détecter la table, et l'indiquer en bas de
la fenêtre. Si le palet se trouve sur la zone sensible, son image apparaît
sous forme de curseur (1)
sur l'écran, et les coordonnées du point courant s'affichent en bas (2).
En cas de non-détection, éteindre et rallumer la table, ou
utiliser le bouton Reset de la table. Vérifier également que le modèle
de palet fourni (en cas de réassortiment) est bien celui qui convient
(variations en fonction du modèle de table et de son ancienneté).

A. Réglages
Lors de la 1è utilisation (ensuite, les paramètres choisis
restent mémorisés et deviennent donc ceux par défaut), cliquer sur le bouton (3)
"Options" pour:
 |
 | Vérifier les dimensions de la table (la surface sensible en réalité!),
par exemple 12"*12", soit 305*305 mm² environ. NB: ces
informations n'affectent pas les valeurs relevées par le système, elles
servent juste à gérer les dimensions de l'affichage à l'écran. |
 | Choisir la fréquence d'échantillonnage f (reliée par f= 1/dt
à l'intervalle entre 2 positions enregistrées): la valeur max de
128 Hz ne garantissant pas un fonctionnement optimal (possibilité de
points aberrants ou manquants), prendre éventuellement 64 Hz |
 | Choisir ou non l'arrêt de l'acquisition dès la sortie de la table (par
exemple décocher pour étudier des rebonds successifs contre les bordures
en caoutchouc). |
 | L'imprimante choisie dans la ligne de saisie permet d'imprimer directement
à partir de l'écran d'acquisition, sans transférer au préalable les
données dans le tableur grapheur Regressi. |
|
NB: le n° de port série (COM1-2-3) utilisé est détecté
automatiquement au lancement du logiciel.
B. Acquisitions
 | Positionner le palet en fonction de l'expérience choisie |
 | cliquer sur le bouton , ou appuyer sur la barre
d'espace, pour lancer l'acquisition: celle-ci démarre alors dès que le
palet se trouve dans la zone sensible |
 | la courbe s'affiche au fur et à mesure sur l'écran (points ou/et ligne,
selon options) |
 | pour stopper l'acquisition, cliquer sur , ou
attendre que la palet quitte la zone sensible (en fonction de l'option
choisie précédemment) |
Un premier traitement peut être réalisé directement sur
l'écran d'acquisition, ou de façon plus complète après transfert vers
Regressi. Pour annuler ou recommencer une nouvelle acquisition, remettre à
zéro avec .
C. Traitement immédiat dans l'écran d'acquisition
D. Transfert pour exploitation dans Regressi
 | Cliquer sur pour transférer les données vers
Regressi. |
A. Variables transférées
Ä
t, x et y
Dans la fenêtre "Grandeurs" (à
ouvrir avec ) de
Regressi, , onglet "Variables", on dispose alors d'un
tableau à 3 variables: t, x et y; observer leurs
valeurs, ainsi que l'incrémentation de chacune d'entre elles:
 | variable temporelle: à 64 Hz par exemple en acquisition, on retrouve
la période d'échantillonnage dt= 1/f
= 13.1 ms; ou bien 7.8 ms pour 128 Hz. |
 | variables d'espace: à part la 1è ligne, on observe bien des
progressions arithmétique pour x, et géométrique pour y
(cas d'un mouvement sur plan incliné). |
|

|
Dans la fenêtre 'Graphiques' (menu Fenêtre/graphe
Variables), vérifier qu'on a bien y= f(x),
sinon cliquer-D pour choisir 'Coordonnées' dans le menu contextuel, ou
cliquer-G sur l'icône correspondante
pour choisir:
 | x en abscisses |
 | y en ordonnées (axe à gauche) |
Observer la régularité de la courbe obtenue: on peut
éliminer éventuellement des points erronés:
 | en opérant directement sur le graphe: cliquer-G sur le point
incriminé, qui apparaît alors grossi, et appuyer sur la touche 'Suppr'
(la visibilité des points sera facilitée en demandant dans la fenêtre
"Coordonnées"
les points seuls, i.e. sans ligne pour le tracé) |
 | ou sur le tableau des valeurs: sélectionner la cellule ou la ligne
concernée(2) puis appuyer sur le bouton
de la fenêtre 'Grandeurs' (message de confirmation dans ce cas).
|
B. Remarques sur le dispositif d'acquisition
A ce stade, un certain nombre de questions peuvent déjà
être posées aux élèves, pour les faire réfléchir sur l'outil d'acquisition
et les principes de son fonctionnement:
 | La vitesse initiale enregistrée est-elle nulle? Pourquoi? |
 | L'abscisse initiale est-elle nulle? Pourquoi? L'ordonnée? |
 | Que peut-on remarquer dans la progression des valeurs de x et de y?
Expliquer pourquoi. |
 | De quoi dépend le nombre de valeurs acquises? Ce nombre est-il
modifiable? Comment? |
C. Nature du mouvement
 | En observant le tableau, comment peut-on montrer que le mouvement est
accéléré? Uniforme? |
 | Comment montrer que l'accélération est constante? Nulle? |
Conclure sur la nature du mouvement (type de loi horaire).
Une première détermination de l'accélération (ou de la vitesse) peut alors
être déduite du tableau, l'autre le sera ensuite de la modélisation (voir les
exemples suivants).
 | Paramétrer les options de
façon que l'acquisition soit stoppée à la sortie de la zone sensible
(pour éviter d'enregistrer les rebonds). |
A. Mouvement rectiligne uniforme
 |
Lancer dans une direction quelconque le palet depuis le
bord de la table.
|
B. Mouvement circulaire
 | Attacher un fil inextensible entre le côté du palet et un point fixe ;
lancer perpendiculairement au fil tendu. |
 | Transférer vers le tableur
grapheur Regressi. |

Charger le
fichier
C. Tracé des vecteurs vitesse et accélération
Les options de tracé sont accessibles à condition d'enfoncer
le bouton dans la boîte "Coordonnées".

Charger le
fichier
On peut produire par exemple un mouvement parabolique, ou un
mouvement rectiligne uniformément varié, en fonction des conditions
initiales:
A. Mouvement parabolique avec vitesse initiale V0

|
 | Choisir une inclinaison de la table et noter l'angle a
correspondant |
 | Paramétrer les options de façon que l'acquisition soit stoppée à
la sortie de la zone sensible (pour éviter d'enregistrer les rebonds) |
 | Lancer le palet à partir d'un des angles inférieurs du plan
incliné, en faisant éventuellement en sorte d'obtenir un rebond |

(A) mouvement
parabolique avec vitesse initiale
(B) mouvement
rectiligne sans vitesse initiale
|
 | On peut visualiser directement les vecteurs vitesse et accélération avec
les boutons et
|
 | Transférer
vers le tableur
grapheur Regressi lorsque l'acquisition obtenue est satisfaisante. |
1. Graphique des variations de y(t); nettoyage des points
Dans la fenêtre 'Graphiques' ,
observer les variations de y(t) pour constater que la pente n'est pas
constante. Des points erronés éventuels, en début ou fin d'acquisition,
peuvent être supprimés directement dans le graphique (sélection par clic-G,
puis frappe de la touche "Suppr"), ou après mise en sur brillance
dans le tableau de valeurs ( puis touche "Suppr", ou clic-G sur
icône ). Les 1ers
points dans l'ordre chronologique doivent toujours être supprimés puisqu'ils
correspondent au début du mouvement où le palet est encore tenu à la main (en
cours de lancement), donc pas libre.
2. Calcul de l'accélération par modélisations des
variations de y(t)
Cliquer-D pour choisir 'Modélisation' dans le menu
contextuel, ou cliquer-G sur l'icône correspondante ,
ou frapper touche F9: un volet supplémentaire s'ouvre alors dans la
partie gauche de la fenêtre graphique. Saisir dans la zone "Expression du
modèle" le type de fonction choisie; il peut être intéressant de ne pas
donner tout de suite aux élèves la bonne solution, mais de leur faire comparer
les modèles linéaire et parabolique:
y=0.5*a*t^2+b*t+c
ou y=b'*t+c'
et valider par l'icône de mise à jour ,
ou touche F2, ou double frappe de la touche Entrée(3).
Demander au logiciel d'ajuster (clic-G sur le bouton "ajuster")
le modèle à la courbe expérimentale: il calcule la valeur des
paramètres figurant dans l'équation du modèle et donne la valeur de l'accélération
(ici c).
|

|
N.B. L'ajustage est automatique dans le cas du modèle affine
si ce choix a été coché dans l'onglet 'Modélisation' du menu 'Options'.
 | Comparer les écarts relatifs (1)
modèle/expérience indiqués dans chaque
cas par le logiciel, et valider ainsi le choix du modèle parabolique par
rapport au modèle linéaire... |
On peut utiliser en place de saisie manuelle des modèles
prédéfinis(4) (accès par clic-G sur icône correspondante ):
dans ce cas, le modèle proposé porte uniquement sur la première variable
située sur l'axe de gauche. Demander au logiciel d'ajuster le modèle à
la courbe expérimentale: cela lance le calcul et l'affichage de la valeur des
paramètres figurant dans l'équation du modèle.
3. Relation avec l'accélération de la pesanteur
Dans l'exemple ci-dessus, l'angle d'inclinaison a
donné à la table (a= 10°)
vérifie bien la formule:
a= g* sin( a)
d'où: g= a/ sin(a)= 1.69/sin(10°)= 9.73 m.s-2.
la légère sous-évaluation de cette constante peut
s'expliquer éventuellement par la présence de petits frottements résiduels au
contact palet/ table, ou aussi par les légères forces de rappel que le
tuyau flexible en caoutchouc exerce.
4. Calcul de la vitesse (dérivée)
 | Les nouvelles variables (au sens de Regressi, en réalité elles-mêmes
fonctions d'autres variables) se créent directement dans la fenêtre "Grandeurs" ,
dans l'onglet "Variables": cliquer sur le bouton ,
cocher le type de grandeur souhaitée (ici "Dérivée") et
renseigner les lignes de saisie avant de valider; vérifier l'actualisation
dans le tableau des Variables
 | Les nouvelles variables peuvent aussi se créer dans la fenêtre "Grandeurs",
onglet "Expressions", à la suite des commentaires
importés de l'acquisition: |
|
Dans l'onglet "Expressions", saisir
avec la syntaxe(5) de Regressi:
vy=diff(y, t)
Dans la fenêtre "Graphiques", faire afficher
le graphe des variations de vy(t): cliquer-G sur
l'icône , et
ajouter une 2è ordonnée vy, à droite (car
échelle différente!), puis valider. Remarquer que cette fois-ci la
représentation graphique est rectiligne.
5. Modélisation de la vitesse vy
Revenir à la modélisation dans la fenêtre
"Graphiques". Saisir dans la zone "Expression du modèle"
le type de fonction choisie sous la forme:
vy=a'*t+v0
et valider par l'icône de mise à jour .
On obtient une nouvelle détermination expérimentale de l'accélération a'
très proche de la précédente a.
B. Mouvement rectiligne sans vitesse initiale
 | Choisir une inclinaison de la table et noter l'angle a
correspondant |
 | Paramétrer les options de façon que l'acquisition soit stoppée à la
sortie de la zone sensible (pour éviter d'enregistrer les rebonds) |
 | Lâcher le palet sans vitesse initiale du haut du plan incliné |
 | Cliquer sur pour
transférer les données vers Regressi |
Ä t, x
et y
en conservant la trace de la valeur de a
(voir plus loin) par exemple sous forme de commentaire de page dans la barre de
saisie en haut de la fenêtre.
1. Exploitation et modélisation
Après affichage de x(t) et y(t) comme
précédemment, modéliser y(t) pour remonter à l'accélération a, de
valeur propre à celle utilisée pour a.
2. Détermination éventuelle de l'accélération de la
pesanteur
Avec plusieurs pages d'acquisition, correspondant à
différentes valeurs d'inclinaison a,
on pourra déterminer une valeur moyenne de l'accélération de la pesanteur g
dans la fenêtre du "Graphe des paramètres": voir paragraphe
suivant détaillé.
A. Principe
Pour pouvoir étudier facilement cette relation il suffit
d'ajouter au même fichier précédent, d'autres pages acquises chacune
pour une nouvelle valeur de l'angle a : on obtiendra
alors un couple de valeurs (a, a) par page,
et on les regroupera dans le "Graphe des paramètres" pour
modéliser la relation a =f(a ), et
montrer par exemple que celle-ci n'est pas linéaire.
B. Acquisition
 | Revenir au logiciel d'acquisition, soit par la combinaison de touches "Alt+Tab",
soit en cliquant sur une des deux icônes "Acquisition en tâche de
fond" ou "Basculer
vers acquisition" (juste sous la barre
de menus principale de Regressi). |
 | Choisir une nouvelle inclinaison du banc, préparer le mobile, et réaliser
l'acquisition. |
C. Transfert dans une nouvelle page
D. Modélisation des pages successives
Il suffit en faisant défiler les pages successives (clic sur flèche de
défilement   
sous la barre de menus, ou menu "Pages/Suivante" (Page/ Précédente),
ou raccourci F8/ F7) de cliquer à chaque fois sur le bouton "Ajuster"
puisque le modèle est toujours le même.
Utiliser le bouton pour superposer ensuite toutes les
pages traitées, et éventuellement pour faire afficher
automatiquement à côté de chaque courbe la valeur du paramètre d'angle
correspondant. Faire afficher l'équation du modèle avec ,
ou clic-D/ Titre.

E. Graphique des paramètres de la modélisation
Le coefficient g calculé ainsi représentera une
valeur expérimentale du coefficient de gravitation. Une valeur légèrement
inférieure à 9.81 (comme c'est le cas ci-dessous) peut s'expliquer par la
présence de frottements résiduels au contact palet/ table (ou par les
forces de rappel du tuyau flexible).
 | Clic-D/ Identifier les points pour faire apparaître à côté
de chaque point sa signification (valeur du paramètre a) |
 | Il et possible de désactiver un point (cas d'une acquisition
mauvaise qui fausse la modélisation) en double-cliquant dessus: il
apparaît alors en grisé; un nouveau double-clic le fait réapparaître. |

Cliquer (3) sur l'icône pour
titrer le graphique avec l'équation du modèle.
Les paramètres expérimentaux (tels que la masse du palet,
c'est-à-dire des constantes) se créent comme précédemment dans la fenêtre
"Grandeurs" (onglet "Expressions"). Commencer par saisir la
valeur de la masse du mobile, avec son unité:
m=0.210_kg (7)
et valider de la façon habituelle ( ,
ou F2, etc.). La masse devient ainsi un paramètre global, réutilisable
dans des formules littérales avec l'unité S.I., à n'importe quelle page du
fichier Regressi ouvert.
On peut aussi utiliser le bouton dans l'onglet
"Variables", et choisir "Paramètre expérimental"
dans la boîte qui s'ouvre.
A. Énergie cinétique
Puis pour les énergies qui y font appel, saisir sur une
nouvelle ligne (saut de ligne par touche "Entrée") du
"mémo":
Ec=½*m*(vx*vx+vy*vy)
Après validation, la variable correspondante remplit une
nouvelle colonne dans l'onglet "Variables".
B. Énergie potentielle
Celle-ci n'est définie qu'à une constante près,
dépendant du niveau choisi comme référence. Si on choisit par exemple
celui situé en bas du plan incliné, saisir sur une nouvelle ligne du
"mémo":
Ep=m*9.81*y*sin( a)_J
(8)
et mettre à jour. L'unité de g = 9.81 m/s²
étant inconnue du logiciel, on peut aussi passer dans l'onglet
"Incertitudes/Unités" pour indiquer manuellement l'unité de Ep;
à moins d'avoir déclaré initialement g comme paramètre global
avec son unité (comme on l'a fait plus haut pour m).
C. Énergie mécanique
Rentrer alors:
Em=Ep+Ec
pour créer la variable d'énergie mécanique. Observer
dans l'onglet "Variables" de :
le tableau des valeurs montre les variations éventuelles de l'énergie
mécanique (cas de frottements parasites dans l'air ou sur la table), ou
sa constance. |

|
D. Visualisation graphique
Passer dans la Fenêtre "Graphiques" et demander
dans la boîte "Coordonnées" ou
l'affichage d'ordonnées supplémentaires pour Ep , Ec,
et Em à droite (car échelle
différente!), en laissant éventuellement x

ou y sur l'axe de gauche. On voit alors très bien
l'effet de "vase communiquant" d'énergie entre les formes potentielle
et cinétique au cours du mouvement. L'énergie mécanique reste bien constante,
sauf en fin de mouvement (rappel plus important du flexible en bord de table?).
Le stylet livré avec la table Digdedoc permet de numériser
une courbe figurant sur un support papier: carte routière, ancienne
chronophotographie, dessin, etc. Il comporte à cet effet un petit doigt
latéral destiné à cliquer des points choisis.
(1)
tige à cliquer |
|
|
 | Brancher le stylet puis mettre sous tension la table |
 | Lancer le module d'acquisition avec |
A. Numérisation sans attention à la variable temporelle
 | Dans les "options" , laisser
décoché "Numériser une courbe", et choisir ou non l'arrêt
de l'acquisition à la sortie de la surface sensible |
 | Débuter l'acquisition avec et après remise
à zéro éventuelle  |
 | Suivre avec le stylet le contour à numériser (courbe, graphisme
quelconque, lettres, etc.) sans jamais cliquer sur le stylet:
celui-ci est utilisé alors de la même façon que le palet, avec la
fréquence d'échantillonnage qui figure dans la boite d'Options |
 | Terminer en sortant de la zone sensible, ou avec ,
et transférer avec . |

Charger le
fichier
B. Numérisation avec incrémentation contrôlée du temps
Ici c'est chaque clic
sur la barre du stylet qui déclenche une acquisition,
avec incrémentation de 1 en 1 fois la durée de base dt
indiquée préalablement; la valeur exacte des variables d'espace (x et y)
dépendra de celles rentrées lors de l'étalonnage:
1. Réglage de la période d'échantillonnage manuelle
 |
Dans les "options" ,
cocher "Numériser une courbe" et régler l'intervalle dt
entre deux points. Pour traiter par exemple une ancienne
chronophotographie (étincellographie, etc.), on prendra l'intervalle
utilisé entre 2 éclairs ou étincelles (donc par exemple 100 Hz
dans la plupart des étincellographies alimentées en 50 Hz).
|
2. Réglage de l'échelle
Ce réglage par étalonnage est destiné à prévenir des
décalages éventuels dans le positionnement de la surface sensible; il est
opéré à partir du positionnement de trois points connus: point 1,
point 2, point 3:
 | A la fermeture de la boîte de dialogue des "Options", le
bouton "Étalonner"
apparaît dans la barre supérieure de boutons: cliquer dessus,
sélectionner "Point 1" dans le menu
déroulant, placer le stylet sur le 1er point d'étalonnage et
cliquer dessus avec le stylet: son image apparaît sur l'écran (1)-(2) |
|
 |


3. Acquisition proprement dite
 | Lancer l'acquisition avec |
 | Parcourir la courbe avec le stylet en cliquant sa barre sur chaque point
à numériser: le clic provoque automatiquement sur la variable temporelle
l'incrémentation saisie dans la boite d'Options |
 | Stopper l'acquisition avec et
transférer . |
C. Autres méthodes de numérisation (rappel)
On arrive au même résultat avec Regavi (=Regressi multimédia),
en pointant avec la souris:
 |
 |
une image bitmap (obtenue avec un scanner ou un
appareil photo numérique) |
 |
un calque transparent apposé sur l'écran |
|

réalisés à partir de l'ancienne chronophotographie. Voir
à ce sujet le chapitre 27: "Cinématique
avec Regressi multimédia".
Cliquer ici pour ouvrir
la documentation complète de Regressi
retour
sommaire chapitre en cours

(1) Sous
peine de ne pouvoir sauver la nouvelle configuration (voir message
d'avertissement en rouge en bas de la boite de dialogue).
(2) ce
que fait automatiquement le programme lors d'un clic-G sur un point du graphique.
(3)
La simple frappe de cette touche effectue un saut de ligne, comme dans un
traitement de texte.
(4) accessibles
seulement si ce choix a été coché dans l'onglet 'Modélisation' du menu
'Options'.
(5) Consulter l'aide sur la
syntaxe avec l'icône .
(6) pour obtenir de bons
résultats avec la modélisation, il faut utiliser des valeurs de a
les plus élevées possibles, afin de sortir de la zone où sin(a)
et a sont proportionnels.
(7) le trait de soulignement
annonce au logiciel l'unité de la constante m.
(8) le trait de
soulignement annonce au logiciel l'unité de l'énergie potentielle. |