Guide de l enseignant

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1 Le Centre de Découverte des Sciences de la Terre (CDST) Conseil Général de Martinique Guide de l enseignant Exposition : Qu y a-t-il derrière la prise? Conçue et réalisée par la Cité des Sciences et de l Industrie Au CDST de juillet à décembre 2014

2 I) Présentation générale de l exposition L exposition «Qu y a-t il derrière la prise?» propose de comprendre et de découvrir l électricité par le biais de manipulations. Elle s articule autour de trois thèmes, à découvrir dans l ordre de son choix. I) Comment ça marche? 1) La pile 2) Le moteur et le générateur 3) L ampoule II) L électricité au quotidien III) Apprivoiser le courant électrique Cette exposition interactive est particulièrement adaptée aux enfants et répond à leurs questions par des jeux, des manipulations et des expériences concrètes. 2

3 II) Parcours de l exposition I) Comment ça marche? Comment est fabriqué le courant? Pourquoi l ampoule s allume-t-elle? Ce thème propose une approche technique et technologique pour comprendre le fonctionnement du matériel électrique : la pile, le moteur électrique, le générateur et l ampoule 1) La pile Une pile géante incite à la découverte de ses différents éléments (conducteurs, électrolyte). À l intérieur, leur combinaison repose toujours sur le même principe. Le choix d une pile dépend non de sa taille mais de la tension qu elle fournit. Mais l addition de plusieurs piles permet d augmenter cette tension. La pile humaine montre comment une réaction chimique peut être à l origine de la production de courant électrique. >Table «Des piles en pile» Pour faire fonctionner un circuit électrique comprenant une locomotive, une ampoule et une sonnette, l'enfant a la possibilité d'associer plusieurs piles afin que leur tension s'ajoute. Il découvre ainsi la règle d'association des piles en série. >Table «Qu y a-t-il à l intérieur d une pile?» Pour créer une tension électrique, les enfants doivent connecter les fiches à deux électrodes conductrices, une en cuivre et une en zinc, et les plonger dans un milieu appelé électrolyte. Les piles sont fabriquées sur ce principe. >Table «Quelle pile choisir?» Pour faire fonctionner un petit manège, l'enfant doit choisir entre trois piles différentes. Il découvre ainsi la tension en tant que caractéristique d'une pile. S'il inverse les fils, il constate que le courant a un sens en observant la rotation du manège. >Table «La pile humaine» 3

4 2) Le moteur et le générateur Un moteur géant suscite l envie de découvrir sa composition et son fonctionnement dont un des principes est la mise en rotation d un aimant créée par le champ magnétique de plusieurs bobines. Le déplacement d une bobine dans un aimant fabrique de l électricité. >Table «Le principe du moteur» L'enfant fait fonctionner un moteur simplifié aux éléments bien apparents. Il constate que le moteur tourne d'autant plus vite que les aimants (stator) sont proches de la bobine >Table «La génératrice (ou générateur) fabrique de l électricité» A l'aide d'une manivelle, l'enfant fait tourner une bobine dans l'entrefer d'un gros aimant. Il observe qu'une tension et un courant sont ainsi produits, d'autant plus importants que la manivelle est tournée rapidement. >Table «Faire tourner un aimant avec du courant» L'enfant met un aimant en rotation en faisant passer successivement du courant électrique dans trois bobines disposées autour de l'aimant. Il découvre ainsi un autre type de moteur électrique. >Table «L aimant dans la bobine» La rotation de l'aimant dans la bobine met en évidence l'induction électromagnétique : un levier permet de modifier la position d'un aimant autour d'une bobine tournante ou d'une bobine autour d'un aimant tournant. L'enfant constate ainsi que c'est l'interaction entre les deux éléments qui crée le courant électrique. >Objet géant «Un moteur» Un trou de souris permet aux enfants de distinguer les principaux composants du moteur et mieux comprendre ainsi comment il fonctionne. 3) L ampoule Les enfants sont face à une ampoule géante. Ils peuvent distinguer les principaux éléments qui la constituent (culot, filament ) et observer les liaisons électriques entre ces éléments La luminosité du filament dépend en partie de l intensité du courant. Si le filament est cassé, le circuit est interrompu. La puissance électrique dépend de la puissance mécanique pour la produire. 4

5 >Table «Laquelle de ces ampoules ne fonctionne pas?» L'enfant est invité à trouver l'ampoule dont le filament est cassé. Il peut vérifier que le courant ne passe pas lorsque le circuit est interrompu. >Table «Le filament de l ampoule» En agissant sur un bouton, l enfant fait varier l intensité dans un circuit comportant un filament, qui devient plus ou moins lumineux alors qu un thermomètre indique une température plus ou moins élevée. Cet élément met en évidence le phénomène d incandescence associé à une température élevée. >Table «Plus on allume de lampes, plus il faut d énergies» Grâce à une manivelle, l'enfant actionne une génératrice qui peut alimenter une ou plusieurs lampes. Il constate ainsi qu'il faut déployer une force d'autant plus grande que l'on veut allumer un plus grand nombre de lampes >Objet géant «Une ampoule» 5

6 II) Électricité au quotidien D où vient l électricité utilisée dans la maison? Quels sont les dangers de l électricité? Ce thème propose de découvrir d où vient le courant électrique dans l installation de la maison jusqu'à la centrale. Il aborde également les dangers de l électricité au quotidien et le caractère conducteur du corps humain. Qu y a-t-il derrière la prise? Brancher une lampe signifie se relier à tout un réseau de production et de distribution d électricité. >Objet géant «Une prise» >Borne «Petit voyage en électricité» >Table «Sentir l électricité» L enfant actionne une petite génératrice qui lui permet de ressentir une petite décharge. Il constate ainsi la sensibilité du corps humain à l électricité et prend conscience du danger qu elle peut représenter à forte dose. >Table «Mon corps laisse passer l électricité» Les enfants complètent un circuit électrique de très basse tension en formant une chaîne. Ils allument ainsi une série d ampoules et provoquent une manifestation sonore. Opération sécurité Certaines règles de sécurité sont nécessaires à l utilisation du matériel électrique domestique. 6

7 >Borne «Opération sécurité» >Panneau «Que faire en cas d accident?» Connaître les gestes d urgence. 7

8 III) Apprivoiser le courant électrique Le courant passe conditions et effets. Quelles sont les conditions nécessaires au passage du courant? Que se passe-t-il lorsque le courant circule? Ce thème aborde les principes physiques du courant électrique. Une approche expérimentale met en évidence les conditions de fonctionnement des circuits électriques et les principaux effets du courant. >Table «Quand le courant passe, ça chauffe!» En actionnant une génératrice, l'enfant produit du courant électrique qui provoque l'échauffement de deux fils. Il constate ainsi l'effet calorifique du courant et le rapport entre l'effort qu'il fournit et l'importance de l'effet produit. La température varie selon la résistance et la longueur du conducteur. >Table «Quand le courant passe, ça aimante!» En actionnant une génératrice, l'enfant alimente un électro-aimant avec lequel il peut agir sur de la limaille ou de petits objets en fer. Il constate ainsi l'effet magnétique du courant, d'autant plus intense qu il actionne rapidement la génératrice. Plus l énergie électrique est forte, plus les propriétés magnétiques du conducteur sont puissantes. >Table «Quand le courant passe, ça électrolyse!» En actionnant une génératrice, l'enfant produit du courant électrique qui traverse un bain électrolytique (eau vinaigrée ou salée) dans lequel deux électrodes sont plongées. Suivant le sens du courant, chaque électrode se couvre soit d'oxygène, soit d'hydrogène, mettant en évidence l'effet chimique (décomposition de l'eau) du courant électrique. L eau salée traversée par un courant électrique se transforme en oxygène et hydrogène. >Table «Pour que le courant passe, le circuit doit être fermé» L'enfant doit actionner une série d'interrupteurs-commutateurs pour fermer un circuit simple et obtenir ainsi l'allumage d'une lampe. Pour éclairer, une lampe doit être reliée aux deux bornes de la pile (négative et positive). >Table «Pour que le courant passe, le circuit doit être conducteur» Un circuit, constitué de piles et d'une lampe, est à compléter avec des tubes contenant divers matériaux isolants ou conducteurs. L'enfant constate que tous les éléments du circuit doivent être conducteurs pour que la lampe s'allume. Si un corps isolant est inclus dans le circuit, le courant ne peut plus passer. >Table «Pour que le courant passe, il faut relier l appareil à la pile» Grâce à plusieurs fils mis à sa disposition, l'enfant peut connecter différents appareils à une pile. Il découvre ainsi les règles de branchement assurant le fonctionnement correct d'un appareil Le circuit doit comporter impérativement une source (pile) et un récepteur (appareil). 8

9 >Table «Attention au court-circuit!» L'enfant est invité à provoquer un court-circuit aux bornes d'une pile et à en découvrir les conséquences. L'accent est mis sur les dangers du court-circuit Lorsque les deux bornes d une pile sont reliées directement, il y a court-circuit : il peut y avoir danger! 9