Le smartphone, couteau suisse pour la physique

David Larousserie

Didactique Des physiciens proposent 61 méthodes pour mesurer un immeuble à l'aide d'un téléphone

Combien y a-t-il de manières de mesurer la hauteur d'un immeuble avec un smartphone ? Dix ? Vingt ? Cinquante ? Au moins soixante et une, selon quatre chercheurs des universités Paris-Saclay et La Sapienza, à Rome, qui publient ce constat dans l'édition de septembre du journal Physics Education.

L'envie n'était pas de battre un record mais « de continuer à repenser l'enseignement de physique expérimentale en déconstruisant les classiques travaux pratiques », indique Frédéric Bouquet, enseignant-chercheur à l'Université Paris-Saclay, membre de l'équipe « La physique autrement », spécialisée dans les nouvelles manières de vulgariser ou d'enseigner la physique. Dans ce but, quoi de plus simple pour les étudiants en licence qu'utiliser un objet toujours dans leur poche et aux capacités parfois inexploitées : le smartphone ?

Celui-ci est un vrai laboratoire miniature, disposant d'un microphone (capteur de son), d'une caméra (capteur d'images), d'accéléromètres (passage en position paysage), voire de baromètres, gyroscopes, magnétomètres... Plusieurs applications, comme Phyphox ou Physics Toolbox, permettent de récupérer les informations de ces capteurs pour mesurer des vitesses, accélérations, intensités lumineuses, acoustiques, etc. Et de pousser les étudiants à arpenter les toits des locaux de leur université. Pendants les séances, les téléphones sont soumis à rude épreuve : chute libre du haut du bâtiment, balancement au bout d'une corde, comptage de marches, sorties nocturnes pour mieux observer les effets optiques... Plusieurs domaines de la physique sont exploités : la mécanique, avec la chute des corps et la loi de la gravitation universelle (la hauteur est proportionnelle au temps de chute au carré), ou l'oscillation du pendule, dont la période dépend de la longueur. Mais aussi l'acoustique (le son se propage à une vitesse finie), l'électromagnétisme (l'intensité d'une onde diminue comme l'inverse de la distance au carré), ou encore l'optique (en mesurant des ombres projetées). Les chercheurs ont même essayé la relativité générale, qui montre que la vitesse d'écoulement du temps dépend de l'altitude. Mais les chronomètres des téléphones ne sont pas assez précis... et donnent une hauteur entre o et 3 millions de kilomètres !

Taches de diffraction

La méthode la plus originale fait passer du microscopique au macroscopique. Une goutte d'eau sur l'objectif du téléphone le transforme en microscope pour mesurer le diamètre d'un cheveu. Ce cheveu est ensuite éclairé au sommet du bâtiment de nuit par un pointeur laser pour observer au sol la taille des taches de diffraction, qui dépend de la hauteur. « Le but premier n'est pas que les étudiants apprennent mieux la physique — mais pas non plus qu'ils l'apprennent moins bien !Il s'agit qu'ils comprennent ce qu'est une mesure en physique, et qu'ils s'interrogent sur les écarts de résultats entre les groupes », résume Frédéric Bouquet. Chaque méthode a en effet ses incertitudes, l'une des plus précises étant la plus spectaculaire : le pendule, dont l'oscillation peut être mesurée d'au moins huit façons différentes (par le son, l'image, le magnétomètre...). L'exercice permet aussi de se rendre compte de la différence entre la loi idéale de la chute des corps dans le vide, indépendante de la masse des objets, et la réalité, qui tient compte des frottements de l'air. Pour les enseignants en lycée ou en université, un site Web propose des fiches résumant chaque méthode.

Pour le clin d'oeil, ces physiciens ont remis au goût du jour la légende urbaine qui attribue à l'un des fondateurs de la mécanique quantique, Niels Bohr (1885-1962), plus d'une douzaine de façons de mesurer la taille d'un immeuble avec un baromètre, l'une d'elles consistant à demander la réponse au propriétaire du bâtiment... en échange du baromètre. Ainsi, la soixante et unième méthode de ces descendants de Bohr prescrit l'utilisation du smartphone pour appeler le propriétaire.