L’iPhone : "pocket lab" pour les étudiants en physique

Publié par Joel Chevrier, le 1 avril 2013   1.4k

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Professeur de physique à l'UJF et chercheur à l’Institut Néel, Joël Chevrier a souhaité partager avec nous une expérience de TP de physique utilisant… des iPhones.

Pour la première fois à l’Université Joseph Fourier (UJF), un groupe de 25 étudiants de première année de licence suit des travaux pratiques de physique avec des iPhone 4. Ce projet en phase d’expérimentation s’appelle iMecaProf (1). Pour en comprendre le principe, prenons l’exemple de la mesure de l’oscillation du pendule. Depuis les débuts de la Mécanique, l’oscillation du pendule a été un sujet d’étude important et fascinant. Dans la coupole du Panthéon, après l’expérience de 1851, le célèbre pendule de Foucault d’une masse de 28 kg au bout de ses 67 mètres de câble, oscille toujours imperturbablement dans un plan fixe par rapport aux étoiles révélant ainsi la rotation de la terre. A travers les albums de Tintin et Milou, le professeur Tournesol promène son pendule et sa fantaisie radiesthésiste. Très peu scientifique mais comment résister à ses "un peu plus à l'ouest".

Comme le montre l’image ci-dessous, un visiteur entrant dans la salle d’expérience de la plateforme CIME Nanotech pourrait trouver des étudiants en train de faire osciller avec une grande attention un iPhone au bout d’un câble. Un doute pourrait alors l’effleurer quant au sérieux de l’enseignement dispensé dans notre université grenobloise.

En fait, grâce aux microcapteurs qu’il contient, l’iPhone ainsi balancé envoie toutes les informations nécessaires à une étude détaillée de son mouvement 100 fois par seconde à un PC par Wifi. L’iPhone 4 est « perfect for gaming » [ndlr : parfait pour jouer] avait lancé Steve Jobs lors de son show de présentation de son smartphone. Allons plus loin : ses microcapteurs sont si performants qu’il s’agit non seulement d’une potentielle console de jeux mais aussi d’une plateforme  expérimentale de haut niveau : un « pocket lab » [ndlr : laboratoire de poche]. A l’UJF, nous cherchons à montrer que les smartphones sont « perfect for teaching science » [ndlr : parfaits pour enseigner la science].


Pocket Lab HD par pjeanjacquot

Autre exemple de cours de physique central en première année : la mécanique du point. Pour preuve le cours « Physics 1 : Classical Mechanics » est un des 10 cours les plus visionnés de la plateforme de cours du MIT. Notre logiciel iMecaProf permet de visualiser en temps réel les concepts et les outils de la physique associés (vitesse, accélération, orientation, énergie, vecteurs…). Nous pouvons ainsi aborder facilement les expériences classiques associées à ce cours qui sont d’habitude difficiles à mettre en œuvre. Pendule, chute libre (sic !), oscillation, rotation sur une platine vinyle… Pour les collisions en plein vol, nous avons finalement renoncé. Surprenant n’est-ce pas ?

Capture d'écran du logiciel iMecaProf

Bien sûr, c’est une surprise pour les étudiants, car c’est un usage des smartphones disons un peu décalé. Les nôtres n’ont pas de carte SIM et ne permettent pas de téléphoner ni de surfer sur le web. Des smartphones de physiciens… Ceci dit, nous sommes loin d’être les seuls à regarder les smartphones de plus près. Et même nous, nous aimons customiser nos appareils ! Une bille en verre de 20 micromètres placée sur la caméra du smartphone et le voilà transformé en microscope optique capable de voir les globules rouges (2). L’American Physical Society a produit une application gratuite SpectraSnapp pour faire chez soi l’analyse spectrale de la lumière. Le capteur CMOS de la camera peut aussi être utilisé comme détecteur de radioactivité (application Geiger CCD 2.0). Pas très performant sur la vidéo mais ça marche ! On peu également en faire un très bon détecteur de vibration ambiante.

Mécanique, optique, radiation, acoustique, vibration, etc. La liste est longue. Pas très étonnant car vu par un scientifique, un smartphone est certes un téléphone et un ordinateur, mais c’est aussi deux caméras, un micro, deux haut-parleurs, un gyroscope 3D, un accéléromètre 3D, un magnétomètre, ensemble dans une même boîte connectée au monde numérique. Un vrai terrain de jeu pour enseigner la physique au lycée et à l’université.

>> Notes :

  1. L’application iMecaProf est décrite dans Teaching Classical Mechanics using Smartphones
  2. Lire la publication “Cell-Phone-Based Platform for Biomedical Device Development and Education Applications” parue dans la revue PLOSone

>> Illustration slowburn♪ (Flickr, licence cc)