Modèle des grains en électricité classe de 4 ème

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1 Modèle des grains en électricité classe de 4 ème François Connes, collège Feuchères de NIMES francois.connes@ac-montpellier.fr Remerciements... 1 Avant propos : la démarche suivie... 1 Mes objectifs (certes ambitieux!)... 2 Quelques remarques préalables... 3 La progression en 3 parties... 4 I-Mise en place du modèle microscopique du courant :... 4 II Définition et mesures des grandeurs électriques... 6 III Les lois du courant continu Annexe figures Remerciements Je tiens à remercier Monsieur Jean-Loup Canal qui a transformé mon regard sur les sciences-physiques et leur enseignement et qui a initié tout mon travail sur l utilisation des modèles. Je voudrais aussi remercier Anne-Elen Libot pour son aide toujours riche et les nombreux échanges que nous avons, notamment autour de cette progression. Merci enfin et surtout à Madame Courtillot pour ses précieux conseils pour la rédaction de cet article, et surtout sa grande patience! Note : afin de réduire la taille de ce fichier, tous les schémas du modèle sont rassemblés dans un autre fichier qui constitue l annexe de cet article. Avant propos : la démarche suivie La progression proposée est une adaptation au nouveau programme de 4 ème des travaux de Jean-Loup Canal (voir BUP n 886 juillet/août/septembre 2006) que j ai eu la chance de rencontrer lors d une de ses formations à Montpellier. Les schémas sont extraits de cet article. Cette progression reprend très largement les activités de ses fiches. Seules certaines «articulations» ont été modifiées. La séquence décrite ci-dessous a été faite deux années de suite et m a semblé très concluante : les élèves confondent beaucoup moins les deux grandeurs tension et intensité. Nombre de séances : de 10 à 12 séances (ce qui correspond, quand on ajoute la loi d ohm et les évaluations) aux préconisations du programme officiel de 35% du volume total de 4 ème pour la partie électricité). 1 / 12

2 Mes objectifs (certes ambitieux!) 1 ER OBJECTIF : DONNER DU SENS AUX GRANDEURS TENSION, INTENSITE ET RESISTANCE Chaque grandeur est définie concrètement AVANT d être mesurée. Le tension est une «énergie par grain d électricité», l intensité est «le nombre de grain d électricité circulant par seconde en un point». La grandeur n est donc pas simplement le résultat d une mesure. Les trois grandeurs électriques -tension, intensité et résistance- sont introduites «conjointement» et non plus successivement. Le lien existant entre elle devient plus évident. 2 ème OBJECTIF : METTRE EN ŒUVRE DES DEMARCHES D INVESTIGATION Le plus souvent possible, je demande à l élève d émettre des hypothèses argumentées à l aide du modèle des grains, puis de les valider, par exemple, par des expériences ou des mesures. 3 ème OBJECTIF : UTILISER UN MODELE SCIENTIFIQUE On fait appel à une description microscopique pour dépasser la seule observation macroscopique de 5 ème et entrer dans l explication par la modélisation, c est la nouveauté du programme de 4 ème. On retrouve cela très explicitement en chimie avec le modèle moléculaire. Je mets en place un modèle microscopique du courant électrique que j appelle le modèle des petits grains d électricité. Trois aspects du modèle sont abordés dans les séances suivantes : - décrire le fonctionnement d un circuit ; - prévoir des valeurs de tensions, d intensités ou établir des lois ; - le faire évoluer quand il ne permet plus d expliquer convenablement les phénomènes observés par les élèves Cette triple utilisation est bien caractéristique d un modèle scientifique. Ainsi au début, seule la tension est introduite dans le modèle puis on s aperçoit qu une autre grandeur l intensité- doit être introduite aussi pour expliquer la différence d éclat de deux lampes différentes. Une amélioration du modèle a donc été nécessaire. J ouvre la porte à cette évolution, je la présente oralement comme faisant partie intégrante de l activité de modélisation scientifique. 2 / 12

3 IMPORTANT : Le modèle microscopique est illustré par une analogie mécanique qui permet à l élève de se faire une image de ce qui se passe à l intérieur des matériaux du circuit. Le modèle des petits grains d électricité est donc du type modèle analogique. Quelques remarques préalables 1. A propos du modèle : il faut veiller à ce que l élève ne mélange pas le modèle microscopique et l analogie mécanique ou avec la réalité. Le modèle théorique microscopique du courant électrique est une description de la réalité et l analogie mécanique n est qu une image qui facilite l appropriation du modèle et son fonctionnement. Jean-Loup Canal parle de simulation lorsque les élèves jouent avec les grains ce qui facilite la compréhension de ce modèle analogique. L enjeu ici n est pas que les élèves se représentent le courant comme un ensemble de petits grains d électricité circulant dans les conducteurs mais bien d obtenir qu ils représentent le courant par un ensemble de petits grains circulant. G. Robardet et J.C. Guillaud expliquent que «si nous voulons que les élèves utilisent les modèles, l enseignement doit clairement privilégier la fonction outil à la fonction objet». Générale qui tend à l universelle Partiel et adapté à un champ expérimental donné THÉORIE Donne le sens MODÈLE prédit interprète RÉALITÉ générale RÉALITÉ locale (Champ expérimental de référence) 3 / 12

4 2. Le modèle n étant pas une compétence exigible du programme, il ne devrait pas donner lieu à une évaluation. Toutefois, il est précisé dans l introduction générale des programmes que l enseignement au collège doit permettre à l élève de «modéliser de façon élémentaire».on pourra laisser à la disposition de l élève, comme document de travail, les différentes hypothèses et définitions constituant le modèle des grains. On privilégiera plutôt son utilisation que sa mémorisation, mais quoi qu il en soit la représentation imagée et mémorisée peut aussi être une aide à la compréhension, en particulier à la différenciation U et I! 3. Je fais circuler les grains d électricité dans le sens du courant. Le terme d électrons n est pas précisé sauf par les élèves eux-mêmes. Le modèle ayant comme caractéristique d être évolutif, le nom des «grains» d électricité et leur sens de déplacement seront précisés en troisième dans le chapitre «comprendre la conduction dans les métaux» où les élèves ont les moyens de comprendre ce sens. L inversion du sens des mouvements des électrons n a posé aucun problème avec mes classes de Troisième. A ceux qui me disaient qu «ils avaient appris des trucs faux», j ai pu répondre que l évolution d un modèle en fonction de l avancée des connaissances était une des caractéristiques intrinsèques d un modèle. 4. La loi d ohm n est pas présentée dans cet article, elle n est en fait qu un cas particulier du lien entre tension, intensité et résistance. Je la traite à l issue de cette progression de façon classique avec mesures, tracé de caractéristiques de différents dipôles (lampes notamment) et mise en évidence de la proportionnalité de U et I dans le cas d un résistor. La progression en 3 parties I- Mise en place du modèle II- Définitions des grandeurs tension, intensité et résistance III- Les lois du courant continu I-Mise en place du modèle microscopique du courant : Situation de départ n 1 : questionnaire de rappel des résultats de 5ème aboutissant à une question : pourquoi l éclat de 2 lampes montées en série n est pas le même que dans le cas de 2 lampes en dérivation? 4 / 12

5 L explication nécessite de comprendre comment se comporte le courant dans le circuit. C est une réalité invisible, les scientifiques utilisent dans ce cas un modèle pour rendre accessible à nos sens cette réalité invisible. Les «germes» du modèle sont donnés ainsi que sa première utilisation pour expliquer l émission de lumière par une lampe : Modèle des grains d électricité : - Il y a dans les éléments d un circuit électrique des «grains d électricité», tous identiques, qui peuvent se déplacer. Le déplacement de ces «grains d électricité» correspond à ce qu on appelle le courant électrique. - Le frottement des grains d électricité avec les matériaux du filament provoque un échauffement tel que le filament est porté à incandescence. Situation de départ n 2 : Où se trouvent les grains dans le circuit? Situation 1 Situation 2 Note : dans ce schéma, quand on retire la tige, les grains circulent, quand on la remet ils ne peuvent plus circuler. On ne parle pas d interrupteur ouvert ou fermé, nomenclature qui prête à confusion au début du cours d électricité. Les élèves complètent individuellement ce document, les versions les plus intéressantes sont recopiées sur transparent ou au tableau pour être simulées, discutées, validées ou écartées. Quelques productions d élèves où l on retrouve certaines conceptions comme la pile réservoir ou le courant qui s arrête à l interrupteur : Situation 1 : - les grains d électricité sont tous dans le générateur ; - les grains d électricité sont entre le générateur et la tige ; 5 / 12

6 Situation 2 : - les grains d électricité sont répartis partout ; - les grains d électricité sont dans le circuit, mais pas dans le générateur ; La simulation peut consister à faire jouer le rôle des grains par les élèves, deux tables serrées joueront le rôle de filament, le circuit est «matérialisé» dans la classe. Cette démarche active, certes un peu sportive, permet un réel ancrage du résultat final : Les grains sont partout dans le circuit qu il soit ouvert ou fermé. Quand le circuit est fermé les grains sont en mouvement, quand il est ouvert, ils sont immobiles. La pile n est pas un réservoir de grain mais joue le rôle de pompe. II Définition et mesures des grandeurs électriques Situation de départ n 3 : introduction d une analogie mécanique du circuit. Voir l annexe : Figure 1 Circuit mécanique avec un dispositif pour l entrainement des grains. L analogie mécanique permet de mieux se représenter la circulation des grains et surtout les transferts d énergie dans le circuit. Elle vient en support visuel du modèle microscopique et facilite sa manipulation et les raisonnements des élèves. 1 er étape: faire reconnaître les éléments du circuit électrique dans cette analogie mécanique et faire expliquer le fonctionnement de ce circuit mécanique. Un soin particulier doit être apporté à l explication du fonctionnement de la pile et un modèle réduit fonctionnant s avère très utile. J ai fabriqué avec un matériel de mécano simple un modèle mécanique du générateur (voir photo sur l annonce de l article) qui reproduit le dispositif représenté sur la figure 1 en annexe. La phrase «magique» à utiliser dans toutes les explications est «tout se passe comme si» 6 / 12

7 2ème étape: Une série de questions amènent l élève à relier l énergie du contrepoids transmise au bonhomme et le «voltage» d une pile électrique. (Voir fiche N 3 de l article de Jean-Loup Canal) Dans le circuit électrique, «tout se passe comme si» chaque grain d électricité recevait sous forme de poussée une part de l énergie de la pile, et la transmettait au filament. La TENSION est l énergie par grain d électricité reçue dans la pile ou cédée dans les récepteurs. Compétence exigible : la tension aux bornes d un dipôle est notée U, elle a pour unité le Volt (symbole V) et se mesure à l aide d un voltmètre branché en dérivation avec le dipôle. Situation de départ n 4 : mesures de tensions avec le voltmètre. Séance expérimentale classique avec découverte du multimètre utilisé en voltmètre, mise en place d un mode d emploi, mesure aux bornes de dipôles isolés, puis dans un circuit. Tous les résultats de mesures peuvent être prévus à l aide du modèle, en faisant des considérations énergétiques. - pas d échauffement du fil, pas de frottement tension nulle aux bornes d un fil. - pas de circulation de grains dans les dipôles isolés donc pas d énergie cédée tension nulle aux bornes d un dipôle isolé Pour certaines explications (tension de la pile à vide, tension aux bornes d un interrupteur ouvert.) je rappelle que «tout se passe comme si» l énergie transportée par chaque grain était une énergie acquise sous forme de poussée dans la pile-tourniquet Le voltmètre peut être présenté comme un appareil mesurant la différence entre l énergie des grains avant le dipôle et après (d où son branchement en dérivation avec un fil avant et un fil après le dipôle) : - la tension à vide s illustre avec l analogie mécanique : même si le grain ne circule pas, il est tout de même poussé par le tourniquet de la pile mécanique ; - la tension aux bornes de l interrupteur ouvert ne peut s expliquer que par cette transmission de poussée dans la «file» de bonhommes grains, sans perte d énergie puisqu il n y pas de frottement sans circulation ; le grain qui est du coté + 7 / 12

8 du générateur reçoit cette poussée, celui qui est de l autre côte de l interrupteur ne subit aucune poussée. On retrouve donc la tension du générateur aux bornes d un interrupteur ouvert. On atteint certes ici les limites du modèle mais cela fonctionne encore de façon assez satisfaisante. Bilan pour le modèle : la tension est l énergie par grain d électricité soit reçue dans le générateur et cédée dans les récepteurs, chaque grain ne peut céder que ce qu il a reçu pas plus. Il cède toute son énergie au circuit avant de retourner au générateur. Situation de départ N 5 : comment faire briller davantage une lampe? Faut-il resserrer ou élargir le filament? Ici on utilise le modèle pour prédire et/ou expliquer une situation. Voir image de l annexe figure 2. Manipulations sur la paillasse du professeur : deux montages avec générateur 6V, Lampe L1 (6V ; 0,3A) et Lampe L2(6V ;0,1A) avec deux voltmètres affichant 6,4V et deux éclats visiblement différents. Note : dans un premier temps, les caractéristiques des lampes ne sont pas données à la classe. Les Tensions sont identiques donc la tension ne permet pas d expliquer la différence d éclat hypothèses : Majoritairement les élèves optent pour resserrer le filament pour que ça frotte plus donc que ça chauffe plus. Un petit nombre fait un raisonnement correct : il faut faire passer plus de grains à la fois. Validation : par une observation du filament à la caméra didactique en gros plan celui de L2 est plus fin que celui de L1. Explication : Pour l expliquer, on utilise le modèle mécanique. Il faut cependant guider le raisonnement. (La fiche Jean-Loup Canal N 5 donner des détails de la démarche). 8 / 12

9 Conclusion : pour faciliter le transfert d énergie (éclat de la lampe plus fort), il faut augmenter le débit de grains donc faciliter leur passage en diminuant la résistance au passage des grains. Notons qu ici le terme de «résistance» est utilisé dans le sens du langage courant. La mesure de la tension ne suffit pas à comprendre le fonctionnement d un circuit donc deux nouvelles grandeurs sont introduites : L INTENSITÉ est le nombre de grains qui passe à chaque seconde en un point du circuit. Cette intensité dépend notamment de la facilité de circulation dans les éléments du circuit. C est un débit de grains d électricité. Compétence exigible : l intensité du courant est notée I, son unité est l Ampère (symbole A) et elle se mesure avec un ampèremètre branché en série. On appelle RÉSISTANCE ÉLECTRIQUE la résistance du matériau au passage des petits grains. J indique alors que la résistance est notée R, son unité est l ohm (symbole Ω) et qu elle se mesure avec un ohmmètre. Situation de départ n 6 : de quoi dépend la résistance? (Voir la fiche de Jean-loup Canal N 6). Activité expérimentale, utilisation du multimètre utilisé en ohmmètre. Influence de la longueur, de la section et du matériau. Note : cette activité est l occasion de mettre en pratique une démarche expérimentale Complète. Situation de départ N 7 : Mesures d intensité Séance expérimentale classique avec découverte du multimètre utilisé en ampèremètre, mise en place d un mode d emploi. On demande aux élèves d émettre des hypothèses sur la valeur des intensités dans un circuit simple (boucle simple avec un générateur + une lampe), l objectif étant ici de casser la conception «d usure du courant». Prévoir les résultats des mesures dans un circuit simple lampe et générateur : - en regardant les valeurs nominales ; - en utilisant le modèle. 9 / 12

10 Validation par l expérience : résultats des mesures. Projection d une simulation où l on peut compter le débit de grain. (logiciel chimiz jeulin). Conclusion : l intensité est partout la même dans une boucle simple III Les lois du courant continu Le modèle étant en place, on va l utiliser pour expliquer le fonctionnement de certains circuits et prévoir les valeurs des tensions et des intensités. Les mesures viendront alors valider ou invalider les hypothèses émises par les élèves. Situation de départ N 8 : étude du circuit en série Manipulations sur la paillasse du professeur : Un circuit série avec un générateur de tension continue de 6V et deux lampes montées en série. On a évidemment choisi L1 (6V O, 1A) et L2 (6V ; 0,3A) sans le dire aux élèves. On constate que les deux lampes ne brillent pas de la même manière. L1 brille plus que L2. Comment expliquer cela? Hypothèses : On fournit aux élèves le schéma de la figure 3 de l annexe pour qu ils puissent argumenter leurs hypothèses. Les élèves arrivent assez bien à prévoir que toute l énergie est reçue par L1 et très peu par L2 Quelques-uns pensent à inverser les lampes pour voir l effet persiste, ou à lire les valeurs nominales. L utilisation du modèle élimine l explication par «usure du courant». Cependant très peu d élèves pensent à utiliser le modèle s ils ne sont pas incités à le faire. Validation : mesures de U et I Explications : il faut guider le raisonnement avec le modèle et revenir sur la taille des filaments (en fonction des valeurs nominales), donc la résistance du circuit et donc l intensité qui s établit. Conclusion : loi de l additivité des tensions et loi d unicité de l intensité en série. 10 / 12

11 Situation de départ N 9 : étude du circuit avec dérivation : Séance expérimentale en partie évaluée (Voir le document élèves à télécharger) Les élèves étudient un montage en dérivation. Ils ont un document du modèle avec une image de l analogie mécanique du circuit Travail à faire : - prévoir les valeurs des tensions et des intensités en utilisant le modèle (partie non évaluée ou en bonus), - faire les mesures, - énoncer les lois de la tension et l intensité dans un circuit avec dérivation. (Partie évaluée) Pour guider leur raisonnement, on sépare ce qui est donné comme rappel concernant le modèle et les questions posées sur le modèle : la tension est une énergie par grain donc on regarde le trajet d un grain lors d un tour de circuit, Combien de dipôle chaque grain traverse-t-il en un tour? 1 seul Quelle énergie chaque grain cède-t-il au dipôle? Toute l énergie qu il a reçue. D où unicité de la tension. L intensité est un nombre de grains par seconde, on suit donc la circulation d un paquet de grains, par exemple 10 grains, pour voir par où il passe. Si à chaque seconde 10 grains se présentent à un nœud, et si 4 passent dans une des branches alors 6 devront passer dans l autre. Annexe figures Figure 1 Situation de départ 3 Circuit mécanique avec un dispositif pour l entrainement des grains. Figure 2. Situation de départ 5 11 / 12

12 Figure 3 Situation de départ 8 Situation de départ 9 12 / 12