Vidéo de la leçon: Instruments de mesure Physique

Transcription de la vidéo

Dans cette vidéo, nous allons parler des outils utilisés pour effectuer des mesu. Certains d’entre eux seront plus familiers que d’autres, mais ils ont tous en commun d'être utilisés pour mesurer des grandeurs physiques. Il existe toutes sortes de grandeurs, mais nous allons nous concentrer sur trois d'entre elles: la longueur, le temps et la masse. Les outils que nous allons voir sont conçus pour effectuer ces types de mesures. Et pour chacune de ces trois catégories, nous connaissons certainement déjà certains outils permettant de mesurer cette grandeur, que ce soit la longueur, le temps ou la masse.

Par exemple, nous avons probablement déjà utilisé une règle pour mesurer des longueurs. Cependant, nous allons également découvrir un outil appelé pied à coulisse à vernier, ainsi qu’un outil appelé micromètre, tous deux utilisés pour mesurer des longueurs. Lorsqu'il s’agit de mesurer le temps, nous avons vu lors de l'ouverturede cette vidéo un outil utilisé à cet effet, appelé sablier. Il existe d’autres manières de mesurer le temps, comme par exemple avec à une horloge à pendule, parfois appelée horloge de grand-père, ou avec un chronomètre numérique.

Lorsque l'on veut mesurer des masses, les outils que l'on utilise pour cela sont souvent moins familiers que ceux que l'on utilise pour mesurer des longueurs et des temps. Mais ils sont néanmoins très utiles. Deux de ces outils dont nous allons parler dans cette leçon sont la balance à ressort et la balance à fléau. Il est important de percevoir que ces listes d'instruments dont nous disposons pour mesurer ces grandeurs ne sont pas exhaustives. Mais comme ces instruments sont parmi les plus courants, nous allons nous concentrer sur ceux-ci.

Commençons par examiner les outils utilisés pour mesurer des longueurs. Nous avons mentionné qu'une règle est l’un des outils les plus courants pour mesurer cette grandeur. À chaque fois que l'on utilise une règle pour mesurer une longueur, il est important de faire attention à l’échelle dans laquelle la règle est graduée. L'échelle nous indique de quelle distance sont espacés les repères numérotés sur la règle.

Pour une règle graduée de cette façon, si on souhaite mesurer la longueur maximale d’un objet, il faut alors commencer par aligner le bord de cet objet avec le zéro sur la règle. Puis il faut faire pivoter l’objet ou la règle de sorte que la plus grande longueur de l’objet soit le long d’une ligne parallèle au bord de la règle. Une fois alignés de cette manière, il suffit de trouver l’endroit où l'extrémité de notre objet situé à droite s’aligne avec le bord de la règle puis de relever cette valeur à la plus petite échelle de distance indiquée sur notre règle. Dans ce cas, ce sont des centimètres. On relève donc la longueur maximale de cet objet comme étant de neuf centimètres.

Cependant, une règle est souvent graduée avec plus de précision. Il n’est pas rare de trouver des règles graduées en centimètres mais comportant également des repères plus petits entre chaque centimètre. Ici, nous avons une vue agrandie montrant à quoi ressemblent ces repères entre huit et neuf centimètres. Si on commence au repère des huit centimètres et que l'on compte le nombre de plus petits repères, alors on a un, deux, trois, quatre, cinq, six, sept, huit, neuf de ces repères avant d’atteindre le prochain centimètre entier. En d’autres termes, les plus petits repères divisent un centimètre en 10 parties égales.

Cela signifie que chacun indique un dixième de centimètre, ou bien, une distance d'un millimètre. Grâce à une telle graduation, on peut enregistrer la longueur de notre objet avec plus de précision. Au lieu de mesurer cette longueur au centimètre près, ce qui était le cas auparavant, on peut maintenant mesurer cette longueur au dixième de centimètre près. On remarque que notre ligne de mesure, en rose, s’aligne au mieux avec ce petit repère ici. Et puisque ceci correspond à neuf dixièmes de la distance entre huit et neuf centimètres, grâce à ces graduations supplémentaires, on peut donc mesurer la longueur de notre objet comme étant 8.9 centimètres.

Maintenant, afin de montrer les différences entre ces divers outils de mesure de longueur, à côté de chaque outil, nous allons écrire pour chacun leur résolution de mesure propre. Ces résolutions que nous allons écrire ne sont pas garanties si nous utilisons l’un de ces outils. Par exemple, nous avons déjà vu avec l'exemple de la règle que certains outils ont une résolution au centimètre près, tandis que d’autres, avec une graduation plus fine, peuvent mesurer au millimètre près.

Ainsi, la résolution que nous allons écrire à côté de chaque outil sera basée sur la norme et non sur une valeur certaine. Cela dit, de nombreuses règles sont graduées au millimètre près. Et par conséquent, elles permettent de mesurer des longueurs avec cette résolution. On a donc vu comment mesurer des longueurs avec une règle. Maintenant, voyons ce qu'il en est de cet instrument appelé pied à coulisse à vernier.

Pour se représenter à quoi ressemble cet outil, voici un aperçu d'un pied à coulisse à vernier standard. Il offre plusieurs façons différentes de mesurer des longueurs, mais la plus courante consiste à insérer l’objet dont nous voulons mesurer la longueur ou une autre dimension entre ces deux pièces, appelées mâchoires. Puis il s'agit de refermer les mâchoires de l’étrier sur cet objet afin que sa longueur, dans ce cas, cette dimension, puisse être mesurée.

À présent, si on regarde cet étrier de près, on peut voir qu’il mesure les longueurs dans deux unités différentes. Le bord supérieur de l’étrier est gradué en pouces, tandis que le bord inférieur est gradué en centimètres. Cette partie de l’étrier ici avec les flèches est appelée l’échelle principale de l’étrier. En réalité, l’échelle principale n’est pas très différente d’une règle.

Mais ensuite, en plus de cette échelle principale, il y a une autre partie ici. Une vue en gros plan de cette partie nous montre une deuxième échelle de mesure qui, comme nous le verrons dans un instant, nous permet de mesurer la longueur d’objet plus précisément que si l'on utilisait simplement l’échelle principale. Cette deuxième échelle s’appelle l’échelle de Vernier. Et sur cette paire particulière d’étriers de Vernier, on voit que cette échelle de Vernier divise en 20 parties égales la plus petite graduation de l'échelle principale.

Et sur cette échelle principale, nous avons vu que bien que ces repères numérotés principaux soient espacés d’un centimètre, chacun de ces centimètres est divisé en 10 parties égales par de plus petits repères. Cela signifie que la meilleure résolution de cette échelle principale, comme nous l’avons vu avec la règle, est d'un millimètre, un dixième de centimètre. Et ce repère sur l'échelle de Vernier nous indique ici qu’en effectuant une mesure avec cette échelle, on va pouvoir mesurer les longueurs au vingtième de millimètre près. En d’autres termes, la résolution la plus fine avec cet instrument sera de 0,05 millimètre.

Pour voir comment ça marche, prenons un exemple où l'on va effectuer une mesure grâce à ces étriers. On a ici une cheville en bois. Et on souhaite mesurer la longueur de cette cheville. C’est-à-dire que l'on souhaite connaître cette dimension. Dans ce cas, on place une des extrémités de notre cheville contre cette mâchoire de l'étrier, puis on referme l’autre mâchoire sur la cheville de sorte qu’elle soit maintenant fermement fixée entre les deux mâchoires.

À ce stade, il faut faire attention à éviter une erreur de mesure commune lors de l'utilisation d'étriers à Vernier. On pourrait penser que puisqu’une extrémité de notre objet est ici, alors pour mesurer la longueur de l’objet, il suffit de relever la valeur indiquée à l'endroit où l’autre extrémité de l’objet arrive sur l'échelle principale. Mais si on relève cette valeur comme la longueur de notre cheville, on commet alors une erreur. En fait, cette première extrémité de notre objet ici ne correspond pas réellement au zéro sur l'échelle principale.

Donc, pour mesurer correctement la longueur de cet objet, il faut regarder ici le zéro de l'échelle de Vernier, et regarder où cette droite croise les repères de l’échelle principale. À cet endroit, nous relevons le repère de l'échelle principale qui se trouve immédiatement à gauche du zéro sur l'échelle de Vernier. Dans ce cas, il s’agit de ce repère de l’échelle principale. Et d'après la graduation de l'échelle principle, cela vaut 2,5 centimètres.

Ainsi, la longueur totale de notre cheville, que l'on peut appeler longueur L, est égale à 2,5 centimètres plus une valeur que nous allons à présent déterminer. Cette valeur supplémentaire est obtenue grâce à l'échelle de Vernier grâce à sa résolution plus fine. Donc, on peut dire que cette partie de la longueur de notre objet provient de la lecture sur l’échelle principale. Puis, cette partie provient de l’échelle de Vernier.

Mais comment doit-on lire cette échelle en question? Pour ce faire, il faut comparer les positions des repères de l'échelle principale par rapport à ceux de l'échelle de Vernier. On cherche à trouver l'endroit où ces repères s’alignent. On va donc devoir balayer visuellement l'échelle de Vernier. Jusqu'à voir où les repères de cette échelle s’alignent avec ceux de l'échelle principale.

Par exemple, regardez le repère 1 sur l'échelle de Vernier . Nous voyons que cela n'est pas tout à fait aligné avec les reprères de l'échelle principale, pas plus que le repère 2. Il est légèrement décalé. Le repère 3 est plus proche. Mais on voit, en regardant davantage les graduations, que l'on peut faire encore mieux. Regardez le repère 4 sur l'échelle de Vernier et son alignement avec un repère de l'échelle principale. Si on passe au repère 5, on voit qu'il ne s'aligne pas très bien avec le repère de l’échelle principale. Pas plus que celui correspondant à six ou sept ou huit ou neuf et ainsi de suite. Le meilleur alignement, le meilleur accord donc, entre nos deux échelles est ici le repère quatre sur notre échelle de Vernier.

Maintenant, si on regarde encore plus attentivement cette partie de l'échelle, on peut voir encore mieux comme ces repères sont alignés. Cela nous indique que la longueur qu'il faut ajouter ici (qui nous donnera la longueur totale, une fois ajoutée à cette première longueur lue), est indiquée par la position du repère 4 sur l'échelle de Vernier. Rappelons que chacune des graduations individuelles de l'échelle de Vernier correspond à un vingtième de la plus petite unité de mesure de l'échelle principale. Cette unité de mesure était d’un millimètre. Ainsi, chacune des graduations inscrites sur l'échelle de Vernier correspond à un vingtième de cette unité.

A présent, il faut également faire attention à autre chose. Ce repère 4 ne correspond en fait pas à la quatrième graduation de l'échelle de Vernier. En réalité, chaque nombre entier sur cette échelle, trois, quatre, cinq et ainsi de suite, possède un repère supplémentaire situé entre celui-ci et le nombre entier suivant. Et ce sont les distances entre ces plus petites unités de graduation qui correspondent à un vingtième de millimètre.

Cela signifie que si on regarde à nouveau une vue légèrement agrandie de l'échelle de Vernier, le repère indiqué ici comme étant 4, si on compte depuis le zéro, correspond à un, deux, trois, quatre, cinq, six, sept, huit repères sur l'échelle. Donc, cela signifie qu'il faut prendre la plus petite unité de distance indiquée par l'échelle, et la multiplier par huit. Un vingtième de millimètre est égal à 0.05 millimètre. Une fois multiplié par huit, cela fait 0.40 millimètres. Donc, c’est cette valeur qu'il faut ajouter à la mesure lue sur l'échelle principale afin d’obtenir la longueur totale de notre cheville.

Par ailleurs, on sait que 2,5 centimètres est la même chose que 25 millimètres. Donc, en utilisant ce pied à coulisse à vernier, la longueur finale mesurée pour cette cheville est de 25.40 millimètres. Et la résolution maximale de cet outil, comme nous l’avons vu, est d’un vingtième de millimètre.

Aisni, on peut écrire cela comme la résolution de longueur standard d'un pied à coulisse à Vernier. Ici, nous avons vu qu’un pied à coulisse utilise une échelle supplémentaire appelée échelle de Vernier pour améliorer la précision de ses mesures. Maintenant, nous allons voir un instrument appelé un micromètre, qui fonctionne de la même manière.

Pour mesurer une longueur à l’aide d’un micromètre, prenons un objet que l'on souhaite mesurer, puis refermons le micromètre, comme nous l’avons fait avec la mâchoire inférieure du pied à coulisse. Ceci étant fait, on peut lire la valeur indiquée sur l’échelle principale du micromètre. Sur une vue agrandie de cette échelle, la mesure retenue correspond au dernièr repère vertical sur cette échelle, dans ce cas, ce repère ci.

Pour un micromètre, il est courant que la distance entre ce repère et le prochain repère soit d’un millimètre. Et également, que la distance entre ce repère et celui de l’autre côté de cette ligne soit égale à la moitié, soit un demi-millimètre. Ainsi, la lecture de l’échelle principale sur un micromètre nous donne une valeur correcte au demi-millimètre près.

C’est à ce stade que la lecture de l’autre échelle, appelée échelle du tambour, entre en jeu. Cette échelle est appelée ainsi car elle peut être tournée pour ajuster la position du micromètre lors d'une mesure. Les repères sur l’échelle du tambour correspondent à des unités de longueur plus petites que celles de l’échelle principale. En particulier, ils divisent la plus petite unité de longueur de l’échelle principale (qui, comme nous l’avons vu, est souvent d’un demi-millimètre), en un certain nombre de parties égales.

Souvent, l’échelle du tambour comprend 50 graduations. Ces graduations sont réparties sur tout le périmètre du tambour, et ainsi, chaque repère indique un cinquantième de demi-millimètre. Parfois, au lieu de 50 repères, il peut y avoir seulement, disons, 25 repères. Dans ce cas, les graduations divisent en 25 parties égales la plus petite unité de l’échelle principale. Ainsi, l’échelle du tambour sur un micromètre fonctionne comme l’échelle de Vernier sur un pied à coulisse. Et tout comme avec le pied à coulisse, lorsque l'on effectue une mesure avec un micromètre, il faut d'abord relever la valeur de l’échelle principale, puis y ajouter la valeur indiquée sur l’échelle plus fine.

Lorsque l'échelle du tambour comporte 50 graduations également espacées, cela signifie que la résolution maximale que l'instrument peut atteindre est de l'ordre du centième de millimètre. Cela équivaut à 10 microns, c'est-à-dire 10 millionièmes de mètre. Donc, on peut définir un centième de millimètre comme étant la résolution standard possible d'un micromètre. Par ailleurs, on remarque que la résolution de mesure de ces outils augmente lorsque l'on passe de la règle au pied à coulisse à Vernier puis au micromètre. Nous avons vu ici différents outils permettant de mesurer des longueurs, étudions à présent certains instruments permettant de mesurer les temps.

On rappelle que les instruments présentés au début de cette vidéo étaient un sablier, une horloge à pendule et un chronomètre numérique. Chacun de ces instruments mesure le temps avec différents niveaux de précision. Par exemple, un sablier décompte généralement le temps à la minute près. Ainsi, on pourrait se procurer une minuterie de trois minutes, de cinq minutes ou de 15 minutes. On peut donc établir qu'un sablier permet de mesurer le temps à la minute près.

Une horloge à pendule utilise un pendule qui oscille permettant de mesurer le temps, et est généralement dotée d’une aiguille pour les heures, une autre pour les minutes et une trotteuse. En général, la période du pendule, c’est-à-dire le temps nécessaire au balancier pour effectuer un aller-retour, est de deux secondes. Cette période de temps est constante et permet donc à l'horloge de mesurer le temps avec précision à la seconde près.

Enfin, un instrument encore plus précis est le chronomètre numérique. Les chronomètres sont généralement capables de mesurer le temps au centième de seconde près. Ainsi, en fonction de la précision necessaire pour mesurer le temps, on pourrait utiliser un sablier, une horloge à pendule, un chronomètre numérique ou bien encore un autre appareil de mesure du temps.

Pour finir, voyons différents instruments permettant de mesurer la masse. Les outils utilisés pour mesurer la masse d’un objet sont ici une balance à ressort et une balance à fléau.

À l’intérieur d’une balance à ressort, se trouve un ressort, qui est calibré tel que certaines valeurs de son extension correspondent à une valeurs de masse connue. Donc, si on accroche une masse au crochet d'une balance à ressorts, le ressort s'étire sous le poids de cette masse. Et la longueur de laquelle il s'étire correspond à une valeur de masse mesurée.

D'autre part, en ce qui concerne la résolution d’une balance à ressort, la balance que nous examinons ici permet de mesurer au kilogramme près. Mais en fonction du ressort à l’intérieur de la balance, cela peut varier. Une balance à ressort peut être graduée en kilogrammes ou en grammes. Et il n’y a pas de résolution de mesure unique que l'on puisse définir comme étant standard.

Il en va de même pour cet autre appareil de mesure de masse, la balance à fléau. Lorsque nous plaçons un objet ayant une certaine quantité de masse sur la balance à fléau. Nous mesurons cette masse en ajustant la position d’une série de contrepoids qui, lorsqu'ils sont correctement positionnés, permettent d'aligner le bras de la balance avec une marque fixe. En fonction du nombre et de la taille des bras d'équilibrage, une balance à fléau peut mesurer de très petites ou de très grandes masses. Ici encore, on peut établir que la résolution de mesure varie.

Résumons à présent les outils de mesure que nous avons vus. Dans cette leçon, nous avons étudié des instruments permettant de mesurer la longueur, le temps et la masse. Nous avons vu que l'on peut mesurer des longueurs de trois façons différentes en utilisant une règle, un pied à coulisse ou un micromètre. Nous avons également identifié les résolutions de mesure standard de ces outils.

Nous en avons fait de même pour les instruments permettant de mesurer le temps. Nous avons vu qu'un sablier peut mesurer le temps à la minute près. Les horloges à pendule peuvent effectuer une mesure à la seconde près. Enfin, parmi ces instruments de mesure du temps, les chronomètres sont les plus précis, et sont capables de mesurer le temps au centième de seconde près. Pour finir, nous avons examiné des outils permettant de mesurer la masse. Nous avons vu que ces deux outils, la balance à ressort et la balance à fléau, sont capables de mesurer la masse avec des niveaux de précision variables.