Brevet FR2793583A1 — publié le 20001117

L'invention se rapporte au domaine de l'enseigne ment et concerne un dispositif d'expérimentation à carac tère pédagogique visant à faciliter l'étude pratique des mouvements uniformes, accélérés et décélérés d'un mobile en déplacement linéaire. Ce dispositif est destiné en particu lier à l'enseignement dans les lycées et collèges. Dans le cadre de l'enseignement des sciences physiques, notamment dans les lycées et collèges, l'étude théorique des mouvements linéaires et de leurs paramètres (position, vitesse, accélération), peut être utilement complétée par une approche plus expérimentale. C'est pourquoi il est apparu utile de concevoir un dispositif d'expérimentation utilisable par le professeur ou directe ment par les élèves, et permettant l'observation directe, la description, et même la mesure du mouvement d'un objet en déplacement linéaire. Selon l'invention, on prévoit un dispositif d'expérimentation à caractère pédagogique pour l'étude des mouvements uniformes, accélérés et décélérés d'un mobile en déplacement linéaire, comportant - un module moteur comprenant un bâti fixe équipé d'un moteur électrique dont l'arbre est accouplé à une poulie motrice et dont la vitesse de rotation est commandée par une unité électronique associée possédant trois programmes de commande susceptibles d'être sélection nés de façon exclusive au moyen d'un sélecteur de program me, avec un premier programme imprimant à l'arbre du moteur une vitesse constante, un second programme imprimant à l'arbre du moteur une vitesse accélérée, et un troisième programme imprimant à l'arbre du moteur une vitesse décélérée, - un module de retour comprenant un bâti fixe sur lequel est montée à rotation libre une poulie de retour, - un filin tendu entre la poulie motrice et la poulie de retour, et - un mobile porté et tracté par le filin pour se déplacer linéairement selon un mouvement qui est respecti vement uniforme, accéléré ou décéléré selon que le sélec teur de programme du module moteur lance le premier, le second ou le troisième programme. Le dispositif ainsi conçu permet aux élèves de reconnaître concrètement un mouvement de type accéléré, décéléré ou uniforme, et d'établir ainsi une liaison entre leur approche intuitive de ces phénomènes et le cours théorique prodigué par l'enseignant. De plus, le dispositif permet de décrire et de mesurer ces phénomènes selon une approche à la fois scientifique et expérimentale. A cet effet, l'élève (ou le professeur) choisit ainsi, grâce au sélecteur de programme, le type de mouvement qu'il souhaite étudier : uniforme, accéléré, ou décéléré. Sur une feuille de papier ou un tableau disposé le long de la trajectoire du mobile, l'élève suit le déplacement du mobile et note sa position à un intervalle de temps régulier (par exemple de quelques secondes). La distance parcourue, la durée de trajet, la vitesse moyenne, etc... pourront ainsi être mesurées et calculées. Des relevés de position du mobile pourront être également effectués et des graphiques représentant la distance parcourue et la vitesse en fonction du temps pourront être tracés, éventuellement avec l'assistance d'un ordinateur. Selon une première caractéristique avantageuse de l'invention, l'unité électronique de commande comporte un variateur permettant de régler la vitesse de rotation de l'arbre du moteur dans les trois programmes de commande. Il est ainsi possible d'augmenter ou de réduire la vitesse pour faciliter l'observation ou les mesures, en fonction de l'expérience à mener. I1 pourra par exemple être commode et satisfai sant d'utiliser un variateur de type binaire, avec une vitesse lente et une vitesse rapide. Selon une seconde caractéristique avantageuse de l'invention, le sélecteur de programme du module moteur comporte trois boutons correspondant respectivement aux trois programmes, l'enclenchement de l'un de ces boutons lançant le programme auquel il est dédié et désenclenchant les deux autres boutons. Selon une troisième caractéristique avantageuse de l'invention, l'accouplement de l'arbre du moteur à la poulie motrice du module moteur est réalisé par l'intermé diaire d'un ensemble réducteur. On pourra par exemple utiliser un ensemble réducteur du type à poulie et cour roie. Dans un mode de réalisation avantageux, le bâti du module moteur est réalisé sous la forme d'un boîtier qui renferme le moteur et l'unité électronique de commande, et sur l'extérieur duquel sont montés la poulie motrice et l'ensemble réducteur, l'arbre du moteur traversant la paroi du boîtier pour son accouplement à l'ensemble réducteur. Selon une quatrième caractéristique avantageuse de l'invention, la poulie de retour est couplée avec un capteur de vitesse qui délivre à une unité électronique d'acquisition un signal électrique représentatif de la vitesse de rotation de ladite poulie de retour et donc de la vitesse linéaire du mobile, ladite unité électronique d'acquisition réalisant un traitement de ce signal pour délivrer à son tour deux signaux électriques représentatifs l'un de la vitesse et l'autre de l'accélération de la poulie de retour et donc du mobile. En outre, le bâti du module de retour peut être réalisé sous la forme d'un boîtier renfermant le capteur de vitesse et l'unité électronique d'acquisition et de traitement, et sur l'extérieur duquel sont montées d'une part la poulie de retour qui est montée sur un arbre traversant la paroi du boîtier pour sa liaison au capteur angulaire, et d'autre part des bornes de sortie des signaux électriques de vitesse et d'accélération délivrés par l'unité électronique d'acquisition et de traitement. D'autres caractéristiques et avantages de l'in vention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier, donné à titre d'exemple non limitatif. Il sera fait référence aux figures du dessin annexé, où - la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif d'expérimentation à caractère pédagogique pour l'étude des mouvements d'un mobile en déplacement linéaire, conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue en plan de dessus du dispositif de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue de profil du dispositif de la figure 1. En référence aux figures, un dispositif d'expéri mentation à caractère pédagogique pour l'étude des mouve ments uniformes, accélérés et décélérés d'un mobile en déplacement linéaire, comporte un module moteur 1 compre nant un bâti fixe 2 qui est ici réalisé sous la forme d'un boîtier en matière plastique moulé. Le boîtier 2 se présente sous la forme d'un parallélépipède qui possède une face inférieure sur laquelle est rapportée une plaque de support 3 qui protège le boîtier 2 et qui permet une assise stable et adhérente sur une surface plane, horizontale ou non, et une face supérieure notée 2.1. Le boîtier 2 renferme un boîtier électrique (non visible aux figures) dont l'arbre 5 traverse l'ouverture 6 du boîtier 2 pour faire saillie de la face supérieure 2.1 de ce boîtier. Le moteur électrique logé dans le boîtier 2 est alimenté par l'intermédiaire d'une unité électronique associée (non visible aux figures) qui possède trois programmes de commande : un premier programme imprimant une vitesse constante à l'arbre 5 du moteur, un second pro gramme imprimant à l'arbre 5 une vitesse accélérée, et un troisième programme imprimant à l'arbre 5 une vitesse décélérée. Ces trois programmes de commande sont suscepti bles d'être sélectionnés de façon exclusive, c'est-à-dire un et un seul à la fois, au moyen d'un sélecteur de programme piloté directement par l'utilisateur. En l'espè ce, ce sélecteur de programme est constitué de trois boutons 7,8,9 correspondant aux trois programmes. L'enclen chement de l'un de ces boutons lance le programme auquel il est dédié et désenclenche simultanément les deux autres boutons. L'unité électronique de commande logée dans le boîtier 2 comporte de plus un variateur 10 permettant de régler la vitesse de rotation de l'arbre 5 du moteur quel que soit le programme de commande auquel il est assujetti. En l'espèce, le variateur 10 est de type binaire à deux positions, l'une de vitesse lente, l'autre de vitesse rapide. L'arbre 5 du moteur est accouplé à une poulie motrice 11 par l'intermédiaire d'un ensemble réducteur 12. La poulie motrice il et l'ensemble réducteur 12 sont extérieurs au boîtier 2. L'ensemble réducteur est ici du type à poulie et courroie. Il comporte deux poulies doubles 13,14 montées en rotation libre autour d'un axe vertical agencé sur la face supérieure 2.1 du boîtier 2. La première poulie double 13 possède un plateau inférieur 15 de grand diamètre, qui est accouplé à l'arbre 5 du moteur par une courroie 16, et un plateau supérieur 17 de petit diamètre. La seconde poulie double 14 possède quant à elle un plateau supérieur 19 de grand diamètre, qui est accouplé au plateau supérieur 17 de la première poulie double 13 par une courroie 18, et un plateau inférieur de petit diamètre qui constitue la poulie motrice 11. Le dispositif d'expérimentation comporte d'autre part un module de retour 20 qui possède un bâti fixe 21 similaire au bâti 2 du module moteur 1. Ce bâti 21 se présente ainsi sous la forme d'un boîtier en matière plastique moulée de forme parallépipédique, ayant une face inférieure contre laquelle est rapportée une plaque de support 220 servant à la protection et à l'assise du boîtier 21 sur une surface plane. Une poulie de retour 22 est montée pour tourner librement autour d'un axe vertical agencé sur le boîtier 21; cette poulie de retour 22 est extérieure au boîtier 21 et est disposée en saillie d'une face supérieure horizon tale 21.1 de ce boîtier. La hauteur des boîtiers 2 et 21 est sensiblement identique, si bien que leurs faces supé rieures respectives 2.1 et 21.1 et les poulies motrices 11 et de retour 22 qu'elles portent se trouvent sensiblement à la même hauteur lorsque les deux boîtiers sont posés comme illustré ici sur une surface horizontale. Un filin horizontal 23 est tendu en boucle entre la poulie motrice il et la poulie de retour 22. Un mobile 25 est suspendu au filin 23. Ce mobile peut en l'espèce être constitué par une simple plaquette portant une illustration 25.1 et un repère visuel 25.2. Le boîtier 21 renferme un capteur de vitesse (non visible aux figures) qui est associé à la poulie 22 pour capter sa vitesse de rotation. Ce capteur délivre à une unité électronique d'acquisition (non visible aux figures) un signal électrique représentatif de la vitesse de rotation de la poulie de retour 22, et donc de la vitesse linéaire du mobile 25. L'unité électronique d'acquisition réalise un traitement de ce signal qui est délivré à son tour à des bornes de sortie 26,27 accessibles par une face latérale 21.2 du boîtier 21 : on trouve en l'espèce deux signaux électriques représentatifs, l'un de la vitesse, l'autre de l'accélération de la poulie de retour 22, et donc du mobile 25. L'utilisation du dispositif qui vient d'être décrit se déroule de la manière suivante. Après avoir disposé une feuille de papier 28 ou équivalent entre le module moteur 1 et le module de retour 20, l'élève sélectionne le programme correspondant au type de mouvement qu'il souhaite étudier. Ainsi, s'il appuie sur le bouton 8, le premier programme est sélectionné : l'unité électronique de commande alimente alors le moteur de telle sorte que la vitesse de rotation de son arbre 5 soit constante. Le mobile 25 est donc animé d'un mouvement uniforme. Si l'élève appuie sur le bouton 7, le second programme est sélectionné l'unité électronique de commande alimente alors le moteur de telle sorte que la vitesse de rotation de son arbre 5 augmente progressive ment. Le mobile 25 est alors animé d'un mouvement accéléré. Enfin, si l'élève appuie sur le bouton 9, le troisième programme est sélectionné l'unité électronique de commande alimente le moteur de telle sorte que son arbre 5 décélère progressivement. Le mobile 25 est alors animé d'un mouvement décéléré. Après avoir choisi le type de mouvement qu'il souhaite étudier au moyen des boutons de sélection 7,8,9, l'élève peut encore choisir l'échelle des vitesses qu'il souhaite étudier en plaçant le variateur 10 sur une position de vitesse lente ou de vitesse rapide. Il pourra par exemple choisir de placer le variateur 10 en position de vitesse lente pour effectuer des relevés et des calculs plus précis comme indiqué ci-après, ou au contraire choisir une vitesse plus rapide pour améliorer sa perception du phénomène ou tout simplement pour diminuer le temps de l'expérience. Dès qu'il a enclenché le mouvement du mobile 25 en sélectionnant l'un des trois programmes, l'élève peut, soit apprécier de façon approximative et intuitive des différences entre les trois types de mouvement uniformes, accélérés et décélérés, ou, dans une approche plus scienti fique et expérimentale, effectuer des relevés et des mesures. Dans ce second cas, l'élève suit le déplacement du mobile 25 en notant sur la feuille 28 sa position à l'intervalles de temps réguliers (ou selon une échelle logarithmique). Le repérage de la position du mobile 25 est facilité par le repère 25.2 qu'il porte. Eventuellement, pour l'aider dans sa tâche, un binôme peut se charger de lui indiquer les instants précis auxquels il doit effectuer les relevés. A partir des relevés de position effectués, il peut mesurer des trajets en fonction de la durée, calculer des vitesses moyennes ou instantanées, ou bien même tracer des graphiques relatifs à la position instantanée du mobile, à sa vitesse ou à son accélération, en fonction du temps. Bien entendu, ces différents calculs et graphiques pourront être réalisés avec l'assistance d'un ordinateur qui pourra alors être couplé, par l'intermédiaire d'une interface et d'un logiciel d'acquisition adéquat, aux bornes de sortie 26,27 du module de retour 20, pour relever de façon automatique et en temps réel la vitesse et/ou l'accélération du mobile 25. Bien que l'on ait décrit le dispositif avec ses deux boîtiers en appui sur une surface plane horizontale, il va de soi que l'on pourra envisager de plaquer le dispositif contre une surface verticale, de façon à rendre possible l'examen visuel par toute la classe. Il pourra alors être avantageux de prévoir une surface d'appui métallique et des socles de boîtier qui sont aimantés, ce qui permet de figer des positions déterminées, avec un filin horizontal ou incliné. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisa tion qui vient d'être décrit, mais englobe au contraire toute variante reprenant, avec des moyens équivalents, les caractéristiques précitées. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'expérimentation à caractère pédagogique pour l'étude des mouvements uniformes, accélé rés et décélérés d'un mobile en déplacement linéaire, caractérisé en ce qu'il comporte - un module moteur (1) comprenant un bâti fixe (2) équipé d'un moteur électrique dont l'arbre (5) est accouplé à une poulie motrice (11) et dont la vitesse de rotation est commandée par une unité électronique associée possédant trois programmes de commande susceptibles d'être sélectionnés de façon exclusive au moyen d'un sélecteur de programme, avec un premier programme imprimant à l'arbre (5) du moteur une vitesse constante, un second programme imprimant à l'arbre (5) du moteur une vitesse accélérée, et un troisième programme imprimant à l'arbre (5) du moteur une vitesse décélérée, - un module de retour (20) comprenant un bâti fixe (21) sur lequel est montée à rotation libre une poulie de retour (22), - un filin (23) tendu entre la poulie motrice (11) et la poulie de retour (22), et - un mobile (25) porté et tracté par le filin (23) pour se déplacer linéairement selon un mouvement qui est respectivement uniforme, accéléré ou décéléré selon que le sélecteur de programme du module moteur (1) lance le premier, le second ou le troisième programme 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté risé en ce que l'unité électronique de commande comporte un variateur (10) permettant de régler la vitesse de rotation de l'arbre (5) du moteur dans les trois programmes de commande. 3. Dispositif selon la revendication 2, caracté risé en ce que le variateur (10) est de type binaire, avec une vitesse lente et une vitesse rapide. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le sélecteur de pro gramme du module moteur (1) comporte trois boutons (7,8,9) correspondant respectivement aux trois programmes, l'en clenchement de l'un de ces boutons lançant le programme auquel il est dédié et désenclenchant les deux autres boutons. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'accouplement de l'arbre (5) du moteur à la poulie motrice (11) du module moteur (1) est réalisé par l'intermédiaire d'un ensemble réducteur (12). 6. Dispositif selon la revendication 5, caracté risé en ce que l'ensemble réducteur (12) est du type à poulie et courroie. 7. Dispositif selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que le bâti du module moteur (1) est réalisé sous la forme d'un boîtier (2) qui renferme le moteur et l'unité électronique de commande, et sur l'extérieur duquel sont montés la poulie motrice (11) et l'ensemble réducteur (12), l'arbre (5) du moteur traversant la paroi du boîtier (2) pour son accouplement à l'ensemble réducteur. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la poulie de retour (22) est couplée avec un capteur de vitesse qui délivre à une unité électronique d'acquisition un signal électrique représentatif de la vitesse de rotation de ladite poulie de retour, et donc de la vitesse linéaire du mobile (25), ladite unité électronique d'acquisition réalisant un traitement de ce signal pour délivrer à son tour deux signaux électriques représentatifs l'un de la vitesse et l'autre de l'accélération de la poulie de retour (22), et donc du mobile (25) 9. Dispositif selon la revendication 8, caracté- risé en ce que le bâti (21) du module de retour (20) est réalisé sous la forme d'un boîtier renfermant le capteur de vitesse et l'unité électronique d'acquisition et de traitement, et sur l'extérieur duquel sont montées d'une part la poulie de retour (22) qui est montée sur un arbre traversant la paroi du boîtier pour sa liaison au capteur angulaire, et d'autre part des bornes (26,27) de sortie des signaux électriques de vitesse et d'accélération délivrés par l'unité électronique d'acquisition et de traitement.