Activité 49 : Modélisation de l'enregistrement d'ondes (ExAO) 1. EXTRAITS REFERENTIELS DU BO Partie : L'activité interne du globe Connaissances Les séismes résultent d'une rupture brutale des roches en profondeur et Des contraintes s'exerçant en permanence sur les roches conduisent à une accumulation d énergie qui finit par provoquer leur rupture au niveau d une faille : - le foyer du séisme est le lieu où se produit la rupture ; - à partir du foyer, la déformation se propage sous forme d'ondes sismiques enregistrables. Les séismes sont particulièrement fréquents dans certaines zones de la surface terrestre. Ils se produisent surtout dans les chaînes de montagnes, près des fosses océaniques et aussi le long de l'axe des dorsales. Capacités déclinées dans une situation d apprentissage questionner, formuler des hypothèses et les valider, argumenter, modéliser pour relier les manifestations d'un séisme à des phénomènes qui se déroulent en profondeur. Percevoir la différence entre réalité (les ondes sismiques) et simulation (modèles de propagation d ondes) [Compétence 4 B2i domaine 3]. Percevoir le lien entre sciences (propagation des ondes) et techniques (sismogrammes). Exploiter une représentation cartographique, un planisphère [Compétence 5], [Compétence 4 B2i domaines 1 et 4] pour localiser les zones sismiques à l'échelle mondiale. Situer un séisme dans l espace en utilisant des cartes à différentes échelles. [Compétence 5] S informer, se documenter grâce à un logiciel ou un site Internet sur la localisation des séismes. [Compétence 4 B2i domaine 4] Exemples d'activités Modélisation de l enregistrement d ondes avec un dispositif adapté. Mise en relation du tracé d'un sismogramme avec la propagation d'ondes sismiques. Recherche des causes immédiates d'un séisme à partir d'un texte ou d'un autre document. Schématisation et localisation, sur un bloc diagramme du foyer, de l'épicentre, et du trajet des ondes sismiques. Recensement et localisation des séismes sur un planisphère ou grâce à un logiciel, ou un site Internet. [B2i] 2. PLACE DE L ACTIVITE DANS UNE PROGRESSION Chapitre I. Les séismes Activité 48 : Quand la Terre tremble : Découvrir les manifestations et les caractéristiques des séismes Activité 49 : Modélisation de l'enregistrement d'ondes (ExAO) PIERRON 2007 page 1/13
3. PRESENTATION DE L ACTIVITE - Objectifs de connaissances Cette activité permet de comprendre, par analogie, le mode de fonctionnement d'un sismographe scientifique et d'obtenir des tracés de signaux de type sismogrammes. - Objectifs méthodologiques et/ou technologiques Saisies d'informations et mise en relation EXAO : Modélisation de l'enregistrement d'ondes sismiques avec un dispositif adapté Saisie d'informations à partir d'un sismogramme - Liste du matériel : Sismodidac Réf 15479 (2 serre-joints si le matériel est disposé sur une table) Environnement ExAO pour Sismodidac : Interface Orphy USB Réf 21525 ou Orphy portable Réf 21805 Capsule voltmètre Réf 21701 Ordinateur Marteau ou maillet en caoutchouc Visualisation éventuelle de sismogrammes : plusieurs possibilités o Banque de données sismiques du réseau "Sismo des Ecoles" : possibilité de recherche de sismogrammes particuliers, analyse en ligne des sismogrammes ou possibilité de téléchargement des données ainsi que du logiciel de traitement. http://www.ac-nice.fr/svt/aster/data/data_index.htm o Cédérom "Etude de sismogrammes" Réf 20307 - Fiche technique pour l'utilisation de Sismodidac Mise en place de Sismodidac L'appareil est disposé sur la surface stable et statique où sera provoqué le choc : sur une table ou sur le sol. On rend l'appareil solidaire de son support en le fixant solidement sur la table au moyen de serre-joints ou en plaçant des masses sur sa base s'il est posé au sol. PIERRON 2007 page 2/13
Les ressorts du capteur doivent être tendus au maximum et la bobine centrée dans l'aimant. Le réglage se fait à l'aide des 4 vis moletées qui permettent de rectifier la tension des ressorts. Sismodidac est relié à la capsule voltmètre +/- 100 mv au niveau des 2 douilles de branchement rouge et noir. La capsule est reliée à l'interface Orphy USB elle-même raccordée et alimentée directement sur le port USB de l'ordinateur. Le capteur et l'interface doivent être disposés sur une surface différente de celle où est posé l'ordinateur en raison des chocs qui seront portés et aussi de la présence d'aimants puissants dans Sismodidac. Prise en main du logiciel WinOrphy Au lancement du logiciel : - Cocher "Collège" et µorphy - Puis "Appliquer" Cliquer sur " Détection" = détection automatique de l'interface Puis sur "Acquisition" PIERRON 2007 page 3/13
Le capteur est reconnu. Cliquer sur le mode de fonctionnement "temporel" L'écran de travail s'ouvre. L'aide du logiciel explicite de manière précise la signification des différents boutons de la barre d'outils. Pour obtenir des traces correctes, il est nécessaire de paramétrer l'acquisition. Cliquer ensuite sur "Poursuivre" L'acquisition est lancée par un clic sur le bouton Un clic gauche sur ce bouton permet un affichage de type "zoom automatique" de la trace enregistrée Un clic droit sur ce bouton entraîne un affichage réglé sur le minimum et le maximum du capteur. - Intégration pédagogique Les élèves ont observé précédemment les manifestations de surface de plusieurs séismes et découvert qu'elles résultent de vibrations du sol susceptibles de se propage Si le sismographe est généralement connu, le principe d'enregistrement n'est toutefois pas simple : une approche expérimentale permet de mieux le pressentir. Cette séquence permet, par une expérimentation assistée par ordinateur, de capter des ondes de choc, de visualiser et étudier leur enregistrement : ainsi, de faire le lien entre un fait scientifique (la propagation des ondes) et un tracé. De plus, l'analogie de Sismodidac avec un véritable sismographe est importante. (Attention : Sismodidac ne capte que les ondes longitudinales de type P) (Si le temps le permet, il est possible de présenter ensuite aux élèves de véritables sismogrammes et de leur demander de les exploiter par analogie avec les enregistrements obtenus par Sismodidac. Voir Activité 48). Cette activité permet de compléter la mise en place d'une situation motivante pour la démarche d'investigation qui sera proposée aux élèves par la suite. PIERRON 2007 page 4/13
Fiche élève - 4 e Nom : Prénom : Classe : Date : Evaluation expérimentale S.V.T. Activité 49 : Modélisation de l'enregistrement d'ondes (ExAO) Un sismographe est un appareil capable de détecter de très petits mouvements du sol et de les enregistrer. Au cours d'un séisme, les mouvements de la Terre se mesurent par rapport à un objet quelconque qui reste indépendant de ces mouvements. Une masse est suspendue sur des ressorts à l'intérieur d'une boîte solidaire du sol. Au cours d'un tremblement de terre, la masse reste immobile pendant que la boîte autour d'elle se déplace avec les mouvements du sol. Dans la plupart des sismographes modernes, la masse est une bobine susceptible de se déplacer dans un aimant en forme de couronne. Lors d'une secousse, les mouvements de la boîte par rapport à la masse, créent de faibles courants électriques qui sont détectés et transmis à un appareil enregistreur ; le tracé obtenu est un sismogramme. Nous allons utiliser un "modèle" de sismographe scientifique : Sismodidac. 1. Observer Sismodidac pour en comprendre le principe et le fonctionnement Sur le schéma suivant : a) Colorie en rouge les parties solidaires du support b) Colorie en bleu les parties non solidaires du support c) Annote le schéma en utilisant les mots : masse = bobine, ressort, aimant PIERRON 2007 page 5/13
Fiche élève - 4 e PIERRON 2007 page 6/13
Fiche élève - 4 e 2. S'informer à partir des traces enregistrées : a) Réponse enregistrée à la suite d'un choc unique o Que représente l'abscisse du graphique? o Qu'observe-t-on sur le graphique avant l'action? o Qu'observe-t-on sur le graphique à la suite du choc porté? o Explique à quoi correspondent les oscillations enregistrées suite au choc? PIERRON 2007 page 7/13
Fiche élève - 4 e b) Réponses enregistrées à la suite de 3 chocs successifs d'intensité croissante Choc 1 Choc 2 Choc 3 Compare les 3 réponses : comment se traduit, sur l'enregistrement, le fait que les chocs 1, 2, et 3 aient été de plus en plus forts? c) En conclusion Par comparaison avec les observations réalisées grâce à Sismodidac, qui est un modèle de sismographe simplifié, dire quelles informations un sismologue peut tirer de l'analyse d'un sismogramme. PIERRON 2007 page 8/13
FICHE ELEVE CORRIGÉE Activité 49 : Modélisation de l'enregistrement d'ondes (ExAO) Un sismographe est un appareil capable de détecter de très petits mouvements du sol et de les enregistrer. Au cours d'un séisme, les mouvements de la Terre se mesurent par rapport à un objet quelconque qui reste indépendant de ces mouvements. Une masse est suspendue sur des ressorts à l'intérieur d'une boîte solidaire du sol. Au cours d'un tremblement de terre, la masse reste immobile pendant que la boîte autour d'elle se déplace avec les mouvements du sol. Dans la plupart des sismographes modernes, la masse est une bobine susceptible de se déplacer dans un aimant en forme de couronne. Lors d'une secousse, les mouvements de la boîte, par rapport à la masse créent de faibles courants électriques qui sont détectés et transmis à un appareil enregistreur. Nous allons utiliser un "modèle" de sismographe scientifique : Sismodidac. 1. Observer Sismodidac pour en comprendre le principe et le fonctionnement Sur le schéma suivant : a) Colorie en bleu les parties solidaires du support b) Colorie en rouge les parties non solidaires du support c) Annotez le schéma en utilisant les mots : masse = bobine, ressort, aimant PIERRON 2007 page 9/13
Ressort Aimant Masse = Bobine Parties solidaires du support Parties non solidaires du PIERRON 2007 page 10/13
2. S'informer à partir des traces enregistrées a) Réponse enregistrée à la suite d'un choc unique o Que représente l'abscisse du graphique? le temps en secondes o Qu'observe-t-on sur le graphique avant l'action? une trace quasiment rectiligne o Qu'observe-t-on sur le graphique à la suite du choc porté? des oscillations dont l'amplitude va en décroissant o Explique à quoi correspondent les oscillations enregistrées suite au choc? Les oscillations correspondent aux mouvements des parties de Sismodidac solidaires du support, autour de la masse suspendue par les ressorts qui reste fixe. Ces mouvements sont dus au choc porté. PIERRON 2007 page 11/13
b) Réponses enregistrées à la suite de 3 chocs successifs d'intensité croissante Choc 1 Choc 2 Choc 3 Compare les 3 réponses : comment se traduit, sur l'enregistrement, le fait que les chocs 1, 2, et 3 aient été de plus en plus forts? Les chocs de plus en plus forts provoquent des vibrations de plus en plus amples qui, dans tous les cas, s'atténuent progressivement. c) En conclusion : Par comparaison avec les observations réalisées grâce à SISMODIDAC, qui est un modèle de sismographe simplifié, dire quelles informations un sismologue peut tirer de l'analyse d'un sismogramme. L'étude d'un sismogramme renseigne le sismologue sur la durée et la force d'un séisme. PIERRON 2007 page 12/13
PISTES D EVALUATION PARTIES OBJECTIFS RESULTATS BAREME 1 Savoir observer et annoter un schéma 2 a o Savoir saisir des informations sur un graphe 2 2 o Savoir relier des faits avec un 2 enregistrement graphique b Savoir observer 2 c Savoir passer du modèle à la réalité 2 TOTAL 10 PIERRON 2007 page 13/13