Accompagnement du matériel Centre Pilote du département du LOT

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1 Accompagnement du matériel Centre Pilote du département du LOT FICHE PEDAGOGIQUE CYCLE LES CIRCUITS ELECTRIQUES Items de la compétence 3 du socle commun, PALIER 2 LA CULTURE SCIENTIFIQUE ET TECHNOLOGIQUE : (réf : livret personnel de compétences) - PRATIQUER une DEMARCHE SCIENTIFIQUE ou TECHNOLOGIQUE : Manipuler et expérimenter, formuler une hypothèse et la tester, argumenter, mettre à l essai plusieurs pistes de solutions Exprimer et exploiter les résultats d une mesure et d une recherche en utilisant un vocabulaire scientifique à l écrit ou à l oral - MAITRISER DES CONNAISSANCES dans les DIVERS DOMAINES SCIENTIFIQUES et les mobiliser dans des contextes scientifiques différents et dans les activités de la vie courante : Les objets techniques Ceci est une proposition d une séquence pour le cycle 3 complet. Il appartient à l équipe pédagogique de chaque école de l intégrer dans sa programmation, sur une ou plusieurs classes. Les repères de progression (BO de janvier 2012) préconisent le travail sur les objets électriques aux niveaux du CE2 et du CM1 : 1) Règles de sécurité, dangers de l électricité (CE2) - Avoir des notions sur la sécurité dans l usage de l électricité au quotidien et savoir que le passage de l électricité dans le corps humain présente des dangers qui peuvent être mortels. - Distinguer l électricité de la pile et celle délivrée par le secteur. (CM1) - Approcher la notion de fusible et de disjoncteur. - Réaliser un montage permettant de mettre en évidence la conductivité des solutions et du corps humain. Le détecteur utilisé sera une DEL. - Savoir que les disjoncteurs et les fusibles permettent, dans certaines limites, d assurer la sécurité dans une installation domestique. Vocabulaire : fusible, court-circuit, disjoncteurs, électrocution. CONNEXIONS avec d autres domaines : Le fonctionnement du corps humain et la santé. Apprendre à porter secours (se protéger, protéger autrui). Instruction civique et morale - Gestes de premiers secours 2) Circuits électriques alimentés par des piles (CE2) - Analyser le fonctionnement de différents objets techniques de la vie quotidienne (lampes de poche, jouets à pile...). - Effectuer une première distinction entre conducteurs et isolants électriques. Le détecteur de courant sera ici une lampe adaptée à une pile usuelle. - Réaliser des montages ou objets techniques comprenant des composants divers (vibreurs, moteurs, ampoules...). - Construire une première représentation de la notion de circuit électrique : savoir qu un circuit est constitué d une pile avec entre ses deux bornes une chaîne continue et fermée de composants et de conducteurs. Savoir que si cette chaîne est rompue, les composants ne fonctionnent plus. Vocabulaire : circuit électrique, lampe, interrupteur, conducteur, isolant, pile, bornes. (CM1) - Réaliser et comparer des montages en série et en dérivation alimentant des lampes. - Savoir schématiser des circuits électriques simples. Vocabulaire : circuit ouvert, circuit fermé, série, dérivation Voici une variante de progression, spécialement établie pour des classes de cycle 3 à multi niveaux. Ce document a été conçu pour répondre aux besoins spécifiques d un département rural. Les choix retenus conservent la logique et les éléments essentiels de la progression proposée au BO de janvier Extrait de ce document, disponible sur le site sciences du Lot : CE2 CM1 CM2 DES OBJETS ELECTRIQUES Circuits électriques alimentés par des piles. Règles de sécurité, dangers de l électricité. Une lampe de poche. Circuit électrique Utilisation de circuits simples : Jeux électriques, simple (une seule ampoule) maquette Conducteurs et isolants Polarité, «sens du courant électrique» (circuit avec moteur ou un élément polarisé : buzzer piézo électrique) Le «court-circuit» et les dangers de l électricité RAPPEL : Le «court-circuit» et les dangers de l électricité. Rôle de protection des fusibles et disjoncteurs Montages électriques en série ou en dérivation RAPPEL : Le «court-circuit» et les dangers de l électricité. Réaliser un montage permettant de mettre en évidence la conductivité des solutions et du corps humain. Le détecteur utilisé sera une DEL

2 PLAN GENERAL Nombre de séances : 6 + prolongements technologie (première séance modulable en fonction du travail fait en cycle 2) Durée de chaque séance : 50 à 60 minutes N séances Objectif spécifique niveaux Contenus , Notion de circuit électrique simple Circuit ouvert / circuit fermé La sécurité électrique Notions de fusible et de court-circuit Matières «conductrice» ou «non conductrice» Notions de circuit en série/ circuits en dérivation La sécurité électrique Conductivité des solutions et du corps humain. Prolongements technologie : Utilisations d un circuit électrique simple pour animer divers objets techniques Evaluation CE2/CM1 CE2/CM1 CE2/CM CE2/CM CM1/CM2 CM1/CM2 CE2/CM En partant d un objet technique simple, la lampe de poche, analyse de ses éléments constitutifs pour définir ce qu est un circuit électrique simple (un générateur + une ampoule) amener les élèves à être capable de faire briller une lampe dans un circuit série, en reliant une pile à une chaîne continue de conducteurs. Savoir que si cette chaîne est interrompue, la lampe ne brille pas. Connaître le vocabulaire associé : circuit ouvert/ fermé, savoir représenter un montage par un schéma légendé comprendre la notion de court-circuit et les amener à percevoir l intérêt de protection des fusibles (ou des disjoncteurs) pour limiter les dangers des courtscircuits dans les maisons par exemple. Connaître le vocabulaire associé identifier des matières bonnes conductrices de l électricité (on se limitera aux divers métaux) de celles conduisant mal ou très mal l électricité (le vocabulaire «isolant» est à utiliser avec précaution, une matière «isolante» ne l étant pas de façon absolue (voir séance sur la conductivité de l eau) réaliser des montages en série et en dérivation, à distinguer les deux types de circuits en mettant en évidence leurs propriétés, connaître le vocabulaire associé connaître les règles de sécurité électrique, savoir que le corps humain et l eau conduisent légèrement l électricité, suffisamment pour augmenter les dangers de l électricité du secteur. Connaître le vocabulaire associé Réinvestissement des acquis, découverte de la polarisation du courant électrique en utilisant divers objets consommateurs d électricité à la place de la lampe (moteur électrique ou «buzzer») Fabrication de jeux électriques associés, de maquettes animées (liaison avec transmission de mouvements et énergie). MATERIEL La séquence est adaptée au matériel présent dans les différentes malles «cycle 3» proposées par le Centre pilote Main à la pâte du Lot. Ce matériel de base, peu coûteux, peut aussi être acquis par les écoles. Chaque malle contient suffisamment de matériel pour 26 élèves. Au-delà de cet effectif, le travail suggéré pourra s effectuer par groupe de 3 élèves à la place des binômes. Les consommables (piles) sont à acquérir par l école emprunteuse. Des objets de récupération peuvent être utilisés (voir liste dans le tableau ci-dessous). Par sécurité, il est interdit en classe de réaliser des expériences sur le courant 220V du secteur (pour information, un courant supérieur à 50V est létal). L usage de transformateurs reliés au secteur est également à proscrire, toutes les expériences sont à mener sur pile plate de 4,5 v ou pile ronde type AA. Matériel fourni dans la malle Matériel complémentaire à acquérir Réf : Malle circuits électriques simples cycle 3 - Centre Pilote main à la pâte du Lot élèves - 5 lampes de poche plates - 26 ampoules - 26 supports d'ampoule - 2 «buzzers» - 1 détecteur de courant faible (DEL) - 13 interrupteurs pédagogiques ronds (système visible) - 13 interrupteurs «bouton» (système caché) - 13 fils de liaison pince crocodile vert - 13 fils de liaison pince crocodile jaune - 13 fils de liaison pince crocodile noir - 13 fils de liaison pince crocodile blanc - un peu de paille de fer - 5 DEL avec résistance protectrice - 1 lampe de poche ronde avec ses piles (rondes) - quelques objets techniques - jouets électriques fonctionnant avec leurs piles piles plates 4,5V - une boite pour le jeu «de l objet mystère» - des objets de récupération «conducteurs/isolants» (en particulier des fils de toutes sortes) - un kit «objets en panne» (ampoules «grillées», pile «à plat», câbles de liaison sectionnés)

3 DEROULEMENT 1 ère séance (CE2/CM1): la lampe de poche, notion de circuit électrique simple REMARQUE : Cette séance peut être omise ou écourtée en fonction des travaux déjà effectués sur le cycle 2. Cette séance complète est plus longue que les autres mais peut être scindée (Durée : 1h15-1h30) Objectifs : En partant d un objet technique simple, analyse de ses éléments constitutifs pour définir ce qu est un circuit électrique simple (un générateur + une ampoule) Déroulé de la séance : 1. Le jeu de la «boite mystère» est un bon moyen d'aborder le sujet : placer dans une boite confiée à un groupe de 2 ou 3 élèves une lampe de poche plate (la lampe plate de la malle permet d'observer les connexions), ainsi qu une liste de 5 «mots interdits» (LAMPE, ECLAIRER, ECLAIRAGE, LUMIERE, BRILLER). Le groupe s isole pour observer puis doit faire deviner le nom de l objet mystère au reste de la classe mais sans utiliser les mots interdits. La classe reste silencieuse et chacun écrit sa réponse (si l ardoise est utilisée, demander ne pas l effacer ensuite pour modifier ce qui a été écrit). JOKER 1 : si des élèves n ont rien écrit, ils peuvent poser toute question «fermée» (hors la question «est ce que c est telle chose?» : le groupe répond alors par OUI ou NON. JOKER 2 : si certains élèves n ont toujours rien écrit, le groupe lit la liste des mots interdits. Chacun doit alors avoir écrit une réponse. Le but de ce jeu est de pouvoir faire émerger du vocabulaire pour la fonction de l objet, l énergie qui le fait fonctionner ainsi que certains des constituants de la lampe (ampoule, ou connexions, pile, interrupteur ou «bouton»). L enseignant peut intervenir si la description est non-conforme à la réalité (certains élèves qui doivent faire deviner mentionnant souvent des «fils électriques» alors qu ils n y en a aucun dans cette lampe). Ce jeu qui prend un peu de temps (30min environ). L enseignant peut imaginer d'autres moyens plus rapides pour introduire ce vocabulaire ou le réactiver si ce sujet a été travaillé en cycle Identifier ce qui est nécessaire pour «allumer une lumière». Réunir les avis des élèves à la question : Quels sont parmi les composants identifiés ceux qui sont indispensables? Par une manipulation rapide en retirant soit l'ampoule soit la pile (laisser les élèves les enlever) on peut conclure que ces éléments sont nécessaires : c est l ampoule qui dispense la lumière et la pile qui fournit l énergie nécessaire à son fonctionnement. On peut maintenant se demander si ces deux seuls éléments suffisent. Après avoir une nouvelle fois récupéré les différents avis de manière écrite, fournir une ampoule + une pile plate et laissez les élèves manipuler par groupe de deux. Faire dessiner précisément en particulier les zones de contact ampoule/pile. L analyse des dessins montre qu il y a deux qui fonctionnent (le plot de l ampoule placé soit sur la borne + soit sur la borne -). Ce sera l occasion d introduire le vocabulaire technique décrivant l ampoule (plot, culot, ampoule de verre) et de constater que la pile possède deux bornes. Remarque importante : cette manipulation va inévitablement conduire à des situations de court circuit lorsque le culot se trouve en contact avec les deux bornes de la pile en même temps. Celui-ci va alors s échauffer assez violemment (risque de brûlure légère). Il faut donc avertir les élèves de cette possibilité, soit en leur montrant ce qu il «ne faut pas faire», soit en leur disant de lâcher l ampoule s ils ressentent cet échauffement. Cette constatation leur permet de comprendre que c est l échauffement violent du filament qui génère de la lumière. Faire produire en trace écrite un dessin collectif légendé et un texte court qui reprend le vocabulaire appris lors de la séance et permet de retenir comment alimenter correctement une ampoule (la formulation peut être variable en fonction des apports des élèves) : Exemple : On peut faire briller une ampoule simplement avec une pile électrique. Pour cela, il faut que le courant électrique fourni par la pile puisse circuler dans l ampoule. On doit mettre en contact les deux bornes de la pile avec le culot et le plot de l ampoule. On peut en profiter pour donner deux premières règles permettant de légender correctement un dessin technique : - flèches dirigées du nom vers l élément - flèches non croisées et si possible horizontales - noms des éléments sans déterminant ni majuscule bornes de la pile pile électrique filament culot plot Matériel de la malle utilisé pour la séance 1 Réf : Malle circuits électriques simples cycle 3 - Centre Pilote du Lot élèves - 5 lampes de poche plates - 13 ampoules Matériel complémentaire à acquérir - 1 lampe de poche ronde avec ses piles (rondes) - 13 piles plates 4,5V - une boite pour le jeu «de l objet mystère»

4 2 ème séance (CE2/CM1) : Notions de circuit ouvert / circuit fermé Objectifs : amener les élèves à être capable de faire briller une lampe dans un circuit série, en reliant une pile à une chaîne continue de conducteurs. Savoir que si cette chaîne est interrompue, la lampe ne brille pas. Connaître le vocabulaire associé : circuit ouvert/ fermé ; savoir représenter par un schéma légendé un montage (ou un dessin épuré) Déroulé de la séance : Cette fois-ci, le défi sera d'allumer et d éteindre une ampoule «loin de la pile». Présenter avant toute chose la douille et expliciter son utilité : elle permet de rendre plot et culot plus accessibles et de faciliter les branchements électriques. Puis présenter le matériel mis à disposition: il comprendra des piles des ampoules (déjà vissées dans les douilles pour éviter les accidents de casse), des interrupteurs pédagogiques ainsi que divers «fils» conducteurs (bandes de papier aluminium, du fil de fer, du fil électrique fin gainé etc... tout ce qui peut conduire l'électricité et supporter le courant de la pile). Remarque: La différence entre «fils conducteur» et «fil isolant» sera à réserver pour la séance 4. Anticipation : sur leur cahier d expériences les élèves réalisent le schéma (ou dessin) légendé du montage qu'ils souhaitent réaliser. Ce dessin permettra de dresser la liste du matériel nécessaire mais aussi de repérer les risques de court-circuit et de les limiter (ils sont inévitables). Ensuite donner le matériel, et laisser manipuler pour réaliser le montage. Manipulation : Les groupes d'élèves expérimentent, notent le résultat et explicitent ce qu ils ont compris. Explication : les élèves explicitent à la classe ce qu ils ont compris. Structuration : rédaction d une trace écrite collective (dessin légendé, exemples ci dessous). Faites remarquer l'idée de boucle entre les deux bornes de la pile, particulièrement avec les interrupteurs (s ils sont utilisés). Pour faire un circuit, il faut une boucle comprenant la pile et l'ampoule. On parle alors de circuit électrique fermé (le courant circule et l ampoule brille). Si la boucle est interrompue, le courant électrique ne circule plus et l ampoule s éteint : on parle alors de circuit électrique ouvert. L interrupteur permet d ouvrir et de fermer facilement un circuit électrique. Matériel de la malle utilisé pour la séance Réf : Malle circuits électriques simples cycle 3 - Centre Pilote du Lot élèves - 16 ampoules - 13 interrupteurs pédagogiques ronds (système visible) - 13 supports d'ampoule - 13 fils de liaison pince crocodile vert - 13 fils de liaison pince crocodile jaune - 13 fils de liaison pince crocodile noir - 13 fils de liaison pince crocodile blanc Matériel complémentaire à acquérir - 13 piles plates 4,5V - des objets de récupération «conducteurs» (en particulier des fils de toutes sortes)

5 3 ème séance (CE2/CM) : Notions de fusible et de court-circuit. Objectifs : amener les élèves à comprendre la notion de court-circuit et les amener à percevoir l intérêt de protection des fusibles (ou des disjoncteurs) pour limiter les dangers des courts-circuits dans les maisons par exemple. Connaître le vocabulaire associé (fusible, court-circuit, disjoncteur). Remarque avant de commencer : les courts-circuits, il y en en certainement déjà eu lors des manipulations précédentes. On montre ici qu ils sont dangereux et peuvent aboutir à des incendies. Déroulé de la séance : Commencer par définir un court-circuit qui est «une boucle qui ne contient qu'une pile». (Dessin par un élève au tableau). Anticipation : Rappel des différents cas déjà observés et leurs effets : chaleur, étincelles, autant de raisons qui rendent ce phénomène passionnant pour les enfants. Il est d autant plus crucial de leur en faire comprendre les dangers. Demander aux élèves d exprimer quelles peuvent être les conséquences d un court circuit. Manipulation : Pour des raisons de sécurité, c est l enseignant qui manipule (prévoir lunettes de protection pour lui et distance suffisante pour les élèves qui observent). Il y a danger à faire réaliser cette manipulation par les élèves. Préparation : relier quelques brins de paille de fer formant un «filament» aux pinces croco de deux câbles de liaison. Les brancher ensuite sur la pile neuve. Selon la taille du filament, celui-ci va brûler, juste fumer, ou ne rien faire de façon visible (dans ce cas le débrancher rapidement et recommencer avec un filament plus fin. Explication : Demander aux élèves quel est l'intérêt d'un tel dispositif. Mettre l accent sur des dangers de l'électricité, même avec une simple pile mais aussi remarquer la conséquence, c'est-à-dire la rupture de la boucle, phénomène qui peut être utilisé. Structuration : présenter la mise à profit de ce phénomène de surchauffe dans deux dispositifs de sécurité : - le fusible «qui grille» comme le filament de l expérience, présent dans certains appareils électriques. Il agit en cas de court circuit. (Remarque : un fusible «grillé» avec filament apparent se trouve dans la malle pour exemple) - les disjoncteurs, obligatoires pour la protection des circuits électriques des habitations. Cette présentation pourra se faire sous la forme d un document à lire précisant les normes de sécurité. Ce document mettra en avant le danger principal d incendie mais aussi la protection des personnes contre l électrocution. Exemple de documents : Exemple de fusible avec filament apparent Dessin d un disjoncteur thermique electromécanique Le coupe-circuit à fusible, en abrégé fusible, est, en électricité et électronique, un organe de sécurité dont le rôle est d'ouvrir un circuit électrique lorsque le courant électrique dans celui-ci atteint une valeur d'intensité dangereuse [ ], ramenant ainsi l'intensité de ce courant à zéro. Son nom vient de ce qu'il fonctionne par fusion d'un filament conducteur, sous l'effet de l'élévation de température provoquée par la surintensité. Cette protection permet: de garantir l'intégrité et la possibilité de remise en service du circuit d'alimentation, une fois le défaut éliminé ; d'éviter les conséquences potentiellement catastrophiques qu'engendrerait [ ] un court-circuit : dégradation des isolants, destruction d'appareils, projection de matières en fusion, départ d'incendie, etc. Un fusible ne sert qu une fois : il doit être changé après avoir éliminé la cause du court circuit. d après article Wikipédia Encyclopédie en ligne Un disjoncteur est un dispositif électromécanique de protection dont la fonction est d'interrompre le courant électrique en cas d'incident sur un circuit électrique. Il est capable, en particulier, d'interrompre un courant de court-circuit dans une installation. [ ] Sa principale caractéristique par rapport au fusible est qu'il est réarmable : il est prévu pour ne subir aucune avarie lors de son fonctionnement et peut donc servir à nouveau une fois que l on a éliminé la cause du court-circuit. d après article Wikipédia Encyclopédie en ligne Matériel de la malle utilisé pour la séance Tableau électrique domestique avec disjoncteur Matériel complémentaire à acquérir Réf : Malle circuits électriques simples cycle 3 - Centre Pilote du Lot élèves - un peu de paille de fer - 1 pile plate 4,5V en bon état, si possible neuve - un fusible «grillé» se trouve dans la malle - fusibles du commerce en état de marche

6 4 ème séance (CE2/CM): Matière «conductrice» ou «non conductrice» Objectifs : Amener les élèves à identifier des matières bonnes conductrices de l électricité (on se limitera aux divers métaux) de celles conduisant mal ou très mal l électricité (le vocabulaire «isolant» est à utiliser avec précaution, une matière «isolante» ne l étant pas de façon absolue, (voir séance 6) Déroulé de la séance : Commencer par reprendre le principe de la boucle en y plaçant un objet en bois ( un cure dent par exemple). Anticipation : Poser la question : Que se passe-t-il si une partie de la boucle est faite de bois? Noter les réponses de chaque groupe Manipulation : distribuer le matériel pour expérimenter (une pile, 3 fils pince croco, une ampoule sur support et un cure dent). Constatation et première explication : L ampoule ne brille pas, exactement comme quand l interrupteur est ouvert : le bois ne conduit pas l électricité et le circuit est donc ouvert. On dit que le bois est un isolant électrique. Proposer ensuite des objets (une dizaine objets préparés au préalable pour chaque groupe) et qui sont destinés à remplacer le cure dent. Les objets peuvent être identiques pour chaque groupe à l autre ou bien différents d un groupe à l autre mais composés de la même matière (exemple : une règle en aluminium et du papier aluminium).remarque : Il est intéressant de faire tester la gaine vide d'un câble électrique afin de mettre en évidence son coté sécuritaire. Anticipation : Lesquels vont permettre à l ampoule de briller? Noter individuellement les prévisions dans un tableau (commencer par le cure dent) Manipulation : distribuer ce matériel pour expérimenter par groupe. Noter le résultat dans le tableau Ce que je pensais (prévisions) Ce que nous constatons L ampoule brillera L ampoule ne brillera pas L ampoule brillera L ampoule ne brillera pas Cure dent en bois X X Papier aluminium X X Règle en plastique X X Règle en métal X X Gaine de fil électrique X X Fil de laine X X - PILE 4,5V + Matériaux à tester Structuration : Dans cette partie, on se détachera des objets pour citer les matières qui les composent. Une différenciation avait été faite : le bois et le métal ne se comportent pas de la même manière. Le tableau sera repris collectivement sous cette forme : Ce que nous constatons L ampoule L ampoule ne Ce que nous pouvons en conclure MATIERES brille brille pas bois X Le bois est une matière isolante aluminium X L aluminium est une matière conductrice plastique X Le plastique est une matière isolante cuivre X Le cuivre est une matière conductrice : carton X Le carton est une matière isolante verre X Le verre est une matière isolante fer X le fer est une matière conductrice Faire constater que tous les métaux testés sont de bons conducteurs de l électricité. Le rôle isolant, et donc protecteur, de la gaine plastique du fil électrique sera aussi explicité. ATTENTION! ne pas généraliser sur le «plastique» : certaines matières plastiques ou assimilées (fibre de carbone en particulier) sont conductrices de l électricité. Cette information sera donnée par l enseignant dans le cadre de l éducation à la sécurité.. Matériel de la malle utilisé pour la séance Matériel complémentaire à acquérir Réf : Malle circuits électriques simples cycle 3 - Centre Pilote du Lot élèves - 16 ampoules - 13 supports d'ampoule - 13 fils de liaison pince crocodile vert - 13 fils de liaison pince crocodile jaune - 13 fils de liaison pince crocodile noir - quelques cure dent en bois - 13 piles plates 4,5V - des objets de récupération «conducteurs/isolants»(en particulier des fils de toutes sortes)

7 5 ème séance : Notions de circuit en série/ circuits en dérivation Objectifs : amener les élèves à réaliser des montages en série et en dérivation, à distinguer les deux types de circuits en mettant en évidence leurs propriétés, connaître le vocabulaire associé circuit série, circuits en dérivation ou circuits dérivés. Déroulé de la séance : Cette fois-ci, le défi du jour sera d'allumer deux ampoules avec une seule pile (et des fils conducteurs). Il n y aura pas d interrupteur distribué pour plus de simplicité. Anticipation : Demandez aux élèves de dessiner sur leur cahier d expérience le circuit tel qu'ils l'imaginent (par groupe de 2). Manipulation : distribuer le matériel pour expérimenter (une pile, 2 ampoules identiques sur support + le nombre de fils pince croco dessinés). 3 solutions fonctionnelles peuvent apparaitre suivant 2 types de circuits (voir illustrations ci-dessous): N 1 : Montage en dérivation (4 fils). Le plus fréquent est le doublement d un circuit simple. N 2 : Montage en dérivation (4 fils). Plus rare, avec reprise des pôles aux bornes de la première ampoule. S il n'est pas apparu, on peut s en passer. N 3 : Montage en série (3 fils). Il est possible que ce circuit en série n'apparaisse pas du tout. Si c est le cas, demandez de refaire l'exercice précédent avec seulement 3 fils. Une fois cette première observation faite, faite expérimenter l'autre type de circuit à chaque groupe. Donner le vocabulaire. Constatation: il y a plusieurs solutions pour allumer 2 ampoules avec une même pile. Faire dessiner les deux types de circuit (un en dérivation et celui en série) N 3 2 types de circuits électriques allumant deux ampoules, 3 solutions fonctionnelles N 2 N 1 Anticipation : Une fois que tous les élèves ont expérimenté par eux mêmes les deux types de circuits, leur demander ce qui va se passer si on dévisse une des ampoules dans chacun des circuits. Faire noter les prévisions. Manipulation : faire expérimenter et noter les constatations (faire exprimer la présence de deux boucles dans le montage en dérivation). Structuration: les deux types de circuits ne sont pas équivalents : - Si on dévisse une des deux ampoules dans le montage en série, l autre s éteint aussitôt. La boucle est ouverte et le courant électrique ne circule plus - Si on dévisse une des deux ampoules dans le montage en dérivation, l autre continue à briller. Il y a deux boucles et seule la boucle où se trouve l ampoule dévissée est ouverte. La deuxième boucle reste fermée et le courant électrique continue à y circuler. Annexe1 : demander d observer la luminosité des ampoules lorsque les deux sont allumées.normalement le circuit en série est moins lumineux (pas toujours évident à observer). Annexe 2 : Information complémentaire apportée par l enseignant (pas de vérification possible ici): les circuits en dérivation déchargent la pile plus rapidement. On peut conclure la séance en demandant quel type de montage électrique est utilisé pour alimenter une habitation. Lorsqu on éteint la lampe de la cuisine, celle de la chambre reste allumée Prolongement technologie par la réalisation d une maquette de maison. Matériel de la malle utilisé pour la séance Matériel complémentaire à acquérir Réf : Malle circuits électriques simples cycle 3 - Centre Pilote du Lot élèves - 26 ampoules - 26 supports d'ampoule - 13 fils de liaison pince crocodile vert - 13 piles plates 4,5V - 13 fils de liaison pince crocodile jaune - 13 fils de liaison pince crocodile noir - 13 fils de liaison pince crocodile blanc

8 6 ème séance (CM1/CM2): Mise en évidence de la conductivité des solutions et du corps humain. Objectifs : Amener les élèves à connaître les règles de sécurité électrique, savoir que le corps humain et l eau conduisent légèrement l électricité, suffisamment pour augmenter les dangers de l électricité du secteur. Connaître le vocabulaire associé (électrocution). Le protocole suivant doit permettre de nuancer la notion «d isolant» vu en séance 4 Pour réactiver notion et vocabulaire, repartir de la gaine du câble électrique, redemander son utilité. Noter les réponses, voire l'expérience des enfants en matière de sécurité électrique. Le mot «électrocution» lié au courant du secteur sera peut être à introduire. Présentation du protocole expérimental par l enseignant (modèle au tableau). Les élèves doivent mettre en oeuvre ce protocole, en 4 groupes, observer et noter les résultats, puis dégager une conclusion. On prendra comme solution ici l'eau du robinet légèrement salée. Pour mettre en valeur sa conduction, il faudra utiliser une DEL (pour Diode Electro Luminescente). Ce n'est pas une «petite ampoule» : la DEL a besoin de beaucoup moins de courant pour fonctionner qu'une ampoule, mais elle a une polarité, c est à dire un sens de branchement (petite patte reliée à la borne - de la pile, grande au +). Si la diode ne s'allume pas, inversez le sens de branchement. Ce sera ainsi l occasion d expliciter ces signes en montrant que le courant électrique a un sens. ATTENTION : ne branchez jamais la DEL directement sur la pile, elle grillerait immédiatement! Ne plongez pas non plus directement les fils conducteurs dans l'eau du robinet, reliez les plutôt à deux clous de fer. Manipulation : Les élèves doivent dessiner le protocole et noter leurs observations et leur conclusion. Pour gagner du temps ou différencier, le protocole pourra être photocopié et complété par chaque élève sur son cahier d expériences Placer un morceau de plastique entre les deux clous Que constatez-vous? Quelle conclusion en tirez-vous? Les deux clous sont plongés dans une eau légèrement salée Que constatez-vous? Quelle conclusion en tirez-vous? Explication : formulation des résultats et interprétation par mise en commun (à l oral). Les élèves confrontent leurs résultats et proposent une explication. Structuration (en commun): La trace écrite devra comporter les éléments suivants : la DEL prouve la légère conduction de l eau, (renforcée par le sel) donc celle du corps humain (rappel SVT, place de l eau dans l organisme). Danger d électrocution, précautions particulières pour un usage de l électricité en milieu humide. Attention! bien insister sur le fait que l'eau conduit mal le courant d'une pile, mais très bien celui d'une prise du secteur! Matériel de la malle utilisé pour la séance Réf : Malle circuits électriques simples cycle 3 - Centre Pilote du Lot élèves - 2 détecteurs de courant faible DEL - 2 ampoules + 2 porte ampoule - 4 fils pinces crocodiles noir - 13 piles plates 4,5V - 8 fils pinces crocodiles rouge (2 couleurs différentes pour pouvoir facilement repérer les polarités de la pile) Matériel complémentaire à acquérir

9 ANNEXES : prolongements en technologie Utilisations d un circuit électrique simple pour animer divers objets techniques ANNEXE 1 : Fabrication d un testeur Nous vous proposons de faire réaliser un «testeur de continuité» assez robuste pour rester ensuite dans la classe. La construction de cet objet est à la portée des élèves. Comme elle reprend le circuit simple de la lampe de poche, cet exercice permettra d évaluer l acquisition des connaissances des élèves. On pourra donner diverses fonctions à cet objet, à commencer par sa fonction première : - tester la conductivité de divers matériaux («conducteur» / «non conducteurs») - détecter une panne liée à une mauvaise liaison sur un circuit électrique (lampe grillée, câble rompu, ) Mais il pourra aussi être utilisé avec divers jeux comme : - des fiches câblées «question(s)/réponses» (voir construction ci après) - des jeux d adresse (type «nervosimètre» ou «Docteur maboul» HASBRO ) Matériel : A. Boitier VHS vide (récupération) ou boite en carton de dimensions similaires B. Pile plate C. Petite ampoule 3,5V D. Douille à ailettes (support pour l ampoule) E. 3 câbles électriques avec pince crocodile ou système équivalent (pour éviter les soudures) F. feuilles blanches A4 G. Ruban adhésif fort H. Ciseaux et si possible emporte pièce A B C D E G

10 Étape de la construction Image Matériel 1. Découper à la dimension du boiter VHS la feuille de papier. La décorer en prévoyant l emplacement de l ampoule puis la positionner à l intérieur de la pochette plastique qui recouvre le boitier VHS (ou la coller sur la boite en carton). Feuille A4, boitier 2. Percer deux petits trous sur le bord du boitier (assez grands pour laisser passer les câbles) et un plus large sur la face avant à la place de l ampoule, en traversant les trois épaisseurs (plus facile avec un emporte pièce). Ciseaux ou emporte pièce, boitier VHS 3. Placer l ampoule dans son trou, de manière à ce que seul le bulbe soit visible de l extérieur. C A Ampoule, boitier VHS Astuce : si nécessaire, on peut au préalable colorer l ampoule avec du vernis à ongles 4. Fixer l ampoule à l intérieur du boitier avec un morceau de ruban adhésif troué. Ruban adhésif fort, ciseaux Attention : pour ne pas compromettre les contacts, ne pas recouvrir le plot et laisser libre la majorité du culot 4. Visser le culot qui dépasse à l intérieur du boitier dans la douille à ailettes. Douille à ailettes Astuce : on peut vérifier les contacts en utilisant la pile (chacune des 2 bornes sur une ailette du support) 5. Fixer la pile au fond du boitier avec l adhésif. Pile, ruban adhésif

11 6. Relier à l aide d un câble électrique un pôle de la pile et une ailette de la douille. 1 câble électrique 7. Connecter un autre câble à l autre pôle de la pile, et le faire passer à travers un des deux trous sur le côté du boitier. 1 câble électrique 8. Connecter le dernier câble à l autre ailette de la douille et le faire passer à travers le trou restant sur le côté. 1 câble électrique Et voilà! Ce testeur est finalement un circuit ouvert comprenant une pile et une ampoule. Il s utilise selon le schéma suivant (non conventionnel) : Place de l objet à tester Pile

12 ANNEXE 1 Utilisation du testeur pour animer des jeux 1. Les jeux d adresse 1.1 le «nervosimètre» : Relier une des bornes du testeur à un anneau métallique, l autre borne à un câble métallique dénudé formant un circuit plus ou moins compliqué. Le but du jeu est de faire parcourir à l anneau le circuit sans allumer l ampoule. Si vous ne craigniez pas le bruit, une variante sera de remplacer l ampoule par un «buzzer». Attention cependant au sens de branchement de cet élément : le buzzer piézoélectrique, contrairement à l ampoule, est polarisé c'est-à-dire qu il ne fonctionne que dans un seul sens (faire un test préalable) Ampoule ou buzzer Pile parcours Un exemple de réalisation d élève Le circuit d Agathe CE2 Ecole MLF Total de Puerto la Cruz Sur le même principe, on peut brancher le testeur sur un «jeu d opérations» (type Docteur Maboul HASBRO) Un exemple de réalisation d élève : le dessin percé en certains endroits, est collé sur une feuille d aluminium (on peut aussi utiliser un plat jetable en aluminium). Des pièces en plastiques y sont déposées, le but du jeu étant de les retirer sans allumer l ampoule. Une borne est reliée à cette plaque, l autre à une pince à épiler métallique qui sert aux «opérations».

13 ANNEXE 1 Utilisation du testeur pour animer des jeux 2. Les jeux «question/réponse(s)» : le but du jeu est de relier correctement une question à sa réponse sur une fiche préalablement «câblée» de façon invisible. On se sert directement des deux câbles du testeur. Les fiches terminées peuvent être échangées entre élèves et servir ensuite dans la classe en jeu collectif. En fonction de l âge, on peut réaliser des fiches de deux types : 2.1 NIVEAU 1 (GS/CP/CE1/CE2): La fiche comporte une question et plusieurs réponses (4 au minimum) Modèle Centre pilote du Lot (disponible au format.doc en téléchargement) Pour éviter les problèmes liés au retournement sur l envers, mieux vaut réaliser le câblage sur l endroit d une première fiche : l élève y rédige ses textes (qui peuvent être corrigés par l enseignant) et y colle «le chemin de l électricité» (ruban de papier alu). Les plots des réponses fausses sont recouverts d une simple pastille d aluminium. L enfant peut ensuite recopier au propre sur une autre fiche, percée celle-ci, qui recouvrira la première. Cette seconde fiche peut aussi être écrite avec un logiciel de PAO. Astuce: perforations en périphérie de la carte (permettent l utilisation d une perforatrice) 2.2 NIVEAU 2 (CE2/CM1/CM2/6 e ): La fiche comporte plusieurs couples de question/réponse Le câblage implique obligatoirement plusieurs «chemins de l électricité» qui se croisent. Ces rubans de papier aluminium seront isolés les uns des autres en les séparant par du ruban adhésif transparent. Exemples de réalisations d élèves (CM1) La partie visible de la fiche peut être écrite avec un logiciel de PAO (Modèle Centre pilote du Lot, disponible au format.doc).

14 ANNEXES : prolongements technologie Utilisations d un circuit électrique simple pour animer divers objets techniques ANNEXE 2 : Utilisation d un moteur électrique Le remplacement de l ampoule par un moteur électrique permet de réaliser des maquettes animées. En électricité, l intérêt principal est que le moteur permet de visualiser très simplement le sens du courant électrique puisque la rotation change de sens si on inverse les bornes d alimentation sur la pile. Les élèves comprendront alors pourquoi ces bornes sont repérés avec les signes «+» et «-» Remarque : ne pas se lancer dans l explication sur le sens du flux d électrons, puisque ceux-ci se déplacent à l inverse du sens intuitif, c'est-à-dire du «-» vers le «+»! Liens avec d autres domaines des sciences Dans le domaine de l énergie, ces montages permettent d illustrer la transformation de l énergie électrique de la pile en énergie cinétique du mouvement et en chaleur (le moteur s échauffe) Pour les cours moyens, on pourra aussi rechercher l origine de l énergie électrique générée par la pile (énergie chimique) et faire constater que la pile s échauffe aussi lorsqu elle alimente un circuit. Remarque : ne pas dire que la pile «fabrique» de l électricité. C est faux du point de vue scientifique. Il faut plutôt la voir comme une «pompe» qui met en mouvement les électrons préexistants dans le circuit (analogie hydraulique). On peut dire que la pile est un générateur de courant électrique. Energie chimique Energie électrique + Chaleur Energie cinétique + Chaleur Dans le domaine de la transmission et la transformation du mouvement, le couplage au moteur d un système mécanique à l aide d une courroie permet d illustrer la transformation vitesse et sens. Un bracelet élastique fera très bien l affaire. Remarque : si la notion de force n est pas au programme du primaire (sauf sensibilisation par les leviers), on pourra cependant faire constater que ralentir la vitesse de rotation permet d animer des objets plus lourds. Dans cet exemple schématisé, la petite poulie sur l axe du moteur Entraîne, via la courroie, une poulie de diamètre 4 fois supérieur dont l axe peut être celui d un manège. Le mouvement résultant est une rotation de même sens que celui du moteur mais de vitesse angulaire 4 fois plus petite : lorsque le moteur fait 4 tours, la grande poulie en fait un seul. Axe moteur

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