EXEMPLES D EXERCICES COMPLEXES EN SCIENCES PHYSIQUES ET CHIMIQUES

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1 EXEMPLES D EXERCICES COMPLEXES EN SCIENCES PHYSIQUES ET CHIMIQUES Le préambule du socle commun précise que : «Maîtriser le socle commun, c est être capable de mobiliser ses acquis dans des tâches et des situations complexes, à l école puis dans sa vie» (BO n 29 du 20 juillet 2006). Les exercices le plus souvent rencontrés par les élèves sont constitués d une succession de tâches simples. Les résoudre impose des procédures qui ne laissent que peu de place à leur prise d initiative. S il est nécessaire de faire acquérir aux élèves des capacités au travers de tâches simples, il convient également de leur donner l occasion de mobiliser leurs connaissances et leurs capacités dans le cadre d exercices leur imposant de développer leur propre démarche de résolution. Les exercices «complexes» qui suivent ont été conçus par le groupe de formateurs pour le collège de l académie de Rennes. Pour leur résolution, les élèves doivent mobiliser des connaissances et capacités construites lors de précédentes séances. Dans ce contexte, «complexe» ne signifie pas «compliqué». Des aides possibles doivent être prévues, non pas pour donner des réponses mais pour guider les élèves dans leur recherche de solution. Il peut s agir d aide à la démarche de résolution, d un apport de savoir-faire ou de connaissances nécessaires pour répondre à la question posée. Pour chaque exemple, les items du socle mis en œuvre sont repérés de façon non exhaustive. Des critères d évaluation et des indicateurs de réussite possibles sont listés. Certains d entre eux peuvent être utilisés par le professeur ou par l élève dans le cadre d une auto-évaluation. Certains de ces exercices peuvent être déclinés en «situations complexes» selon les acquis des élèves au moment où ils sont proposés. Dans ce cas, la réalisation de la tâche entraîne la construction de nouvelles connaissances. Les exemples sont classés selon l ordre de lecture des programmes. Il convient de rappeler que la pratique pédagogique quotidienne passe par la mise en œuvre d activités très diversifiées. 1

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3 Classe de 4 ème Un laborantin bien trop étourdi.. p 5 Un bricoleur demande de l aide. p 6 Calculer une tension électrique.. p 9 Ce dipôle est-il une résistance?... p 11 Un écran de téléphone défectueux... p 15 Classe de 3ème : Implantation d une éolienne. p 18 Un petit air de physique... p 20 Sur quelle planète se trouve ce scientifique?.. p 23 3

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5 Un laborantin bien trop étourdi Niveau : 4 ème Programme : Connaissances Un volume de gaz possède une masse. Un litre d air a une masse d environ un gramme dans les conditions usuelles de température et de pression. Capacités Mesurer des volumes ; mesurer des masses. Comprendre qu'à une mesure est associée une incertitude (liée aux conditions expérimentales). Situation proposée : (travail réalisé en binôme) Max, employé dans un laboratoire, a dû déterminer la masse d un litre de dioxyde de carbone. Pour cela, il a utilisé une méthode similaire à celle employée en classe avec une bouteille de 50cL. Sur son brouillon, l étourdi a oublié de noter certaines valeurs. Extrait d une table de données Masse d un litre d air : 1,2 g Masse d un litre de dioxyde de carbone : 1,8 g Masse d un litre de dioxygène : 1,4 g Masse d un litre d eau : 1000 g Brouillon de Max: Masse du ballon au début de l expérience : Volume bouteille : Masse Bouteille : 190 g Masse du ballon à la fin de l expérience : 359 g Votre mission consiste à compléter le brouillon de Max et à faire apparaître les étapes de votre démarche. Exemples d aides possibles : Démarche de résolution : o Quels sont les éléments utiles/ inutiles sur le brouillon de Max et dans la table de données? o Comment varie la masse d un ballon lorsqu on extrait une partie du gaz qu il contient? o Conversion cl L Réalisation d une expérience : o Mise à disposition d étapes d un protocole Critères d évaluations Pratiquer une démarche scientifique ou technologique, résoudre des problèmes Item Sous-item Indicateurs de réussite Rechercher, extraire et organiser Extraire d un document papier, d un Choix pertinent des données l information utile fait observé les informations utiles Réaliser, manipuler, mesurer Effectuer un calcul Calculs réalisés entièrement, partiellement Raisonner, argumenter, pratiquer une Proposer une méthode, un calcul, une Le protocole étant proposé, l élève sait démarche expérimentale ou expérience (protocole), un outil retrouver la méthode de calcul à technologique adapté ; Faire des essais (choisir, adapter une méthode un protocole) employer. Présenter la démarche suivie, les résultats obtenus, communiquer Exprimer le résultat d une mesure Exprimer un résultat par une phrase correcte. Exprimer les résultats (ordre des étapes, démarches ) Choix correct de l unité Texte rédigé dans un langage accessible à l ensemble des élèves, et faisant apparaître les résultats demandés. Expliciter oralement ou par écrit la méthode employée. 5

6 Un bricoleur demande de l aide M. Nesépafer décide d'ajouter deux spots basse tension (12 V) dans le plafond de sa cuisine qu'il est en train de refaire. Il monte les lampes avec le générateur 12 V et s'aperçoit que les lampes n'éclairent pratiquement pas. Avant d'aller réclamer chez Bricolorama, il décide de poser quelques questions sur un forum internet. spot 12V alimentation 12 V Document extrait du site : Et toi, as-tu compris pourquoi les lampes de M.Nesépafer n'éclairent pratiquement pas? Alors explique-lui en rédigeant un compte-rendu avec des schémas, et les différentes valeurs. 6

7 Contexte : Exercice proposé aux élèves de 4ème Les élèves peuvent disposer de leur cahier avec la leçon Prérequis des élèves : mesure de l'intensité dans un circuit en série et dans un circuit avec dérivation mesure de la tension dans un circuit en série et dans un circuit avec dérivation lois des intensités dans un circuit en série et dans un circuit avec dérivation lois des tensions dans un circuit en série et dans un circuit avec dérivation tension nominale, surtension et sous-tension Compétences évaluées : Compétence 3 Les principaux éléments de mathématiques et la culture scientifique et technologique Pratiquer une demarche scientifique et technologique, résoudre des problèmes Rechercher, extraire et organiser l information utile Raisonner, argumenter, pratiquer une démarche expérimentale ou technologique, démontrer Présenter la démarche suivie, les résultats obtenus, communiquer à l aide d un langage adapté Les difficultés rencontrées par les élèves : difficulté à rédiger leur réponse Réponse attendue : La tension nominale des lampes étant de 12 V, elles ont besoin d'une tension à leurs bornes d'environ 12 V pour briller normalement. Le circuit réalisé par M. Nesépafer est un circuit en série. On sait que dans un circuit en série, la tension fournie par le générateur est égale à la somme des tensions aux bornes des autres dipôles du circuit. La tension aux bornes du générateur étant de 12 V et les 2 lampes étant identiques, la tension aux bornes de chacune est donc égale à 6 V. Les lampes sont donc en sous-tension et brillent faiblement. + _ L 1 L 2 U G = U L1 + U L2 U L1 = U L2 = U L 12 = 2 x U L U G : tension aux bornes du générateur U L1 : tension aux bornes de L 1 U L2 : tension aux bornes de L 2 U L = 6 V << 12 V (tension nominale de U L ) Dans un circuit en dérivation, la tension aux bornes de chacune des branches dérivées est égale à celle aux bornes de la branche principale. Si les lampes avaient été branchées en dérivation, alors la tension à leurs bornes auraient été de 12 V. Elles auraient donc briller normalement. L 1 L 2 + _ U G = U L1 = U L2 = 12 V 7

8 Quelques exemples de réponses d'élèves : Commentaires : l'élève donne les réponses sans les justifier il fait des schémas parce que c'est demandé, mais ses schémas n'apportent pas les explications attendues Commentaires : l'élève a bien compris quel circuit il fallait réaliser et pourquoi, mais il ne fait pas la distinction entre la tension aux bornes de la lampe et sa tension nominale. Les schémas ne permettent donc pas de comprendre le raisonnement. Commentaires : - certes, l'élève est maladroit dans ses explications, mais son raisonnement est intéressant puisqu'il n'évoque pas la possibilité de faire un circuit en dérivation mais de changer le générateur! Pourquoi pas! 8

9 Calculer une tension électrique Niveau : 4 ème Programme : Connaissances Loi d additivité des tensions dans un circuit série. Pour un générateur donné, dans un circuit électrique en série : l intensité du courant électrique dépend de la valeur de la «résistance» ; plus la «résistance» est grande, plus l intensité du courant est petite. L ohm (Ω) est l unité de la résistance électrique du SI. Enoncé de la loi d Ohm et relation la traduisant en précisant les unités. Capacités Traduire la loi d Ohm par une relation mathématique. Calculer, utiliser une formule. Exercice complexe proposé : Circuit 1 Circuit 2 U 1 = 4,5 V I 1 = 300 ma U 2 = 2,3 V I 2 = 100 ma On réalise le circuit 1, puis on y introduit une résistance de 22 Ω (circuit 2). Calculer la tension aux bornes de la résistance. Utiliser une deuxième méthode pour calculer la tension aux bornes de la résistance. Pratiquer une démarche scientifique, résoudre des problèmes Item Explicitation des items Indications pour l évaluation Rechercher, extraire et organiser l information utile Calculer, appliquer des consignes Raisonner, démontrer argumenter, Observer, recenser des informations : extraire d un document les informations utiles. Confronter l information disponible à ses connaissances. Organiser les informations pour les utiliser : traduire, décoder Calculer, utiliser une formule. Proposer une démarche de résolution : proposer une méthode, un calcul. Exploiter les résultats : confronter le résultat obtenu au résultat attendu. L élève extrait des informations à partir d un ensemble de documents (papier) en relation avec le thème de travail. Dans un énoncé, un élève repère des informations en accord ou non avec ses connaissances antérieures. L élève traduit une information codée (schéma normalisé). L élève mène à bien un calcul numérique, utilise une expression littérale. Le problème étant clairement identifié, l élève applique une formule, un théorème. L élève peut expliquer une méthode, un raisonnement qu il a mis en œuvre. 9

10 Présenter la démarche suivie, les résultats obtenus, communiquer à l aide d un langage adapté Présenter, sous une forme appropriée, une démarche (aboutie ou non), un résultat, une solution : par un texte écrit ; à l oral. L élève ordonne et structure une solution, une conclusion, un ensemble de résultats. L élève propose un ou des modes d expression ou de représentation appropriés pour exprimer le résultat de sa recherche (calcul). L élève sait rendre compte de sa démarche de résolution selon une forme qu il choisit. Aide apportée sous forme de questions loi d ohm quelle est la loi appliquée? quelle est la relation correspondante? quelle est la valeur du courant traversant la résistance? Pourquoi? loi d additivité des tensions quelle est la tension aux bornes du générateur? quelle relation existe-t-il entre les différentes tensions du circuit? si la difficulté réside dans l application des relations (utilisation des formules mathématiques), il peut être judicieux que la remédiation se fasse en concertation avec le professeur de mathématiques Grille d auto évaluation, donnée après la recherche par l élève C A Je connais la loi d Ohm Je connais la loi d additivité des tensions Je sais réaliser une conversion Je sais utiliser une formule pour en déduire des valeurs Je donne le résultat d un calcul avec une unité Je sais expliquer la solution donnée oui non Co 10

11 Ce dipôle est-il une résistance? ou Proportionnalité entre la tension aux bornes d'une résistance et l'intensité du courant qui la traverse. Niveau : 4 ème Programme : Connaissances Enoncé de la loi d Ohm et relation la traduisant en précisant les unités. Capacités Traduire la loi d Ohm par une relation mathématique. Calculer, utiliser une formule. Exercice complexe proposé : Lorsque la tension aux bornes d'un dipôle vaut 3V, l'intensité du courant qui le traverse est de 20 ma. Lorsque la tension aux bornes d'un dipôle vaut 5V, l'intensité du courant qui le traverse est de 33 ma. 1) Ce dipôle est-il une «résistance»? Justifie ta réponse en rédigeant ton raisonnement. I = 20 ma I = 33 ma U = 3 V U = 5 V 2) Si la tension aux bornes de ce dipôle est de 6V, quelle est l'intensité du courant qui le traverse? Justifie ta réponse en rédigeant ton raisonnement. I =? U = 6 V Grille d'auto évaluation donnée à chaque élève qu'il complète lors la correction commune (permet à l'élève de se situer par rapports aux exigences et initie les remédiations nécessaires) : Grille d'auto évaluation : indicateurs de réussite Oui Non J'ai su exprimer le fait que pour une résistance, la tension à ses bornes et l'intensité du courant qui la traverse sont proportionnelles. J'ai su exploiter les hypothèses (tensions et intensités) pour prouver qu'il y avait proportionnalité entre les deux grandeurs. Soit : en présentant graphiquement la tension en fonction de l'intensité (une droite passant par l'origine); en faisant les rapports de la tension par l'intensité qu'on trouve égaux (ou en calculant le coefficient de proportionnalité); en la vérifiant par le calcul d'une quatrième proportionnelle. en exploitant une autre propriété de la proportionnalité. J'ai su exploiter les hypothèses pour trouver l'intensité recherchée. Soit : en exploitant la représentation graphique de la tension en fonction de l'intensité (détermination de l'intensité par lecture graphique); en la calculant par la loi d'ohm (en utilisant le coefficient de proportionnalité entre la tension et l'intensité). par le calcul d'une quatrième proportionnelle. en exploitant une autre propriété du tableau de proportionnalité. 11

12 Le but est de s'assurer que : l'élève ait compris : - qu'au delà de la relation U = R.I, la tension aux bornes d'une résistance est proportionnelle à l'intensité du courant qui la traverse. - qu'une relation de proportionnalité entre l'intensité du courant dans un dipôle et la tension à ses bornes est caractéristique d'une «résistance». l'élève sache identifier cette relation puis l'exploiter soit : - en utilisant les rapports de la tension par l'intensité (en utilisant le coefficient de proportionnalité) ; - en utilisant les propriétés de linéarité (représentation graphique) ; - par le calcul d'une quatrième proportionnelle ou l'exploitation d'autres propriétés d'un tableau de proportionnalité. Aides possibles sous forme de questions posées aux élèves : Aide méthodologique : Aurais-tu une hypothèse à formuler sur la nature de ce dipôle? Comment prouver que la tension et l'intensité du courant sont proportionnels? Réalise un tableau dans lequel tu placeras tes hypothèses. Représente graphiquement les variations de l'intensité en fonction de la tension. Rappel de connaissance : Quelle est la nature de la relation entre la tension aux bornes d'une «résistance» et l'intensité du courant la traversant? Items du socle et indicateurs de réussite : Items Organisation et gestion de données Réaliser, manipuler, mesurer, calculer, appliquer des consignes Raisonner, argumenter, pratiquer une démarche expérimentale ou technologique, démontrer En situation, l élève est capable de : Indicateurs de réussite Reconnaître si deux grandeurs sont ou non proportionnelles et, dans l affirmative : - utiliser les propriétés de linéarité; - calculer une quatrième proportionnelle. Faire un tableau. L élève construit un tableau en choisissant lui-même un paramètre de représentation. Effectuer un calcul (de proportionnalité). Faire un graphique. L élève construit un graphique en choisissant luimême un paramètre de représentation (échelle, axes ). Émettre une hypothèse, une conjecture : proposer une méthode, un calcul, un algorithme, une procédure, une expérience (protocole), un outil adapté ;faire des essais ; choisir, adapter une méthode, un protocole. Confronter le résultat au résultat attendu, mettre en relation, déduire, valider ou invalider (la conjecture), l hypothèse. Être autonome dans son travail : savoir l organiser, le planifier, l anticiper, rechercher et sélectionner des informations utiles. S impliquer dans un projet individuel ou collectif. L élève peut expliquer une méthode, un algorithme, un raisonnement qu il a mis en œuvre. L'élève travaille sur son brouillon. L'élève a su repérer les hypothèses utiles et a su les présenter de façon exploitable (tableau, graphique...). L'élève a su s'impliquer dans son travail. Remédiations possibles : Les difficultés étant d'ordre mathématique, méthodologique dans l'établissement et l'exploitation de la proportionnalité, deux fiches méthode élaborées avec les professeurs de mathématique peuvent être proposées aux élèves en difficulté suivie d'autres exercices personnels (fiches ci-après). 12

13 Fiche méthode Je sais prouver que deux grandeurs sont proportionnelles Une relation de proportionnalité est une relation simple entre deux grandeurs : lorsque l'une des grandeurs est obtenue à partir d'une première en étant multipliée par un nombre, l'autre grandeur l'est également: elles suivent les mêmes proportions. (ex : si l'une est doublée, l'autre aussi) Ou : Deux grandeurs sont proportionnelles si l'on peut obtenir l'une en multipliant l'autre par un même nombre appelé coefficient de proportionnalité. Les méthodes Il est possible de vérifier si deux grandeurs sont proportionnelles en vérifiant ces définitions. Pour prouver que deux grandeurs sont proportionnelles, il faut disposer d'au moins deux couples de valeur Pour savoir si les deux grandeurs sont ou non proportionnelles, il suffit de vérifier si : Exemple Voici les mesures réalisées de la distance parcourue par une voiture et de la durée correspondante : (Il est préférable de présenter les grandeurs dans un tableau. Dans ce tableau, les valeurs d'une même grandeur doivent être exprimées dans la même unité). Distance (m) Durée (s) La distance parcourue et la durée sont-elles proportionnelles? 2 20 leur rapports sont égaux ; (il existe un coefficient de proportionnalité permettant de calculer l'une des grandeurs à partir de l'autre); ou Comme = = = 20, alors la distance et la durée du parcours sont proportionnelles. Ce rapport constant peut être placé dans le tableau : c'est le coefficient de proportionnalité permettant de calculer la distance connaissant la durée du parcourt: les produits en croix sont égaux ; ou Comme = 200 5, alors la distance et la durée du parcours sont proportionnelles. Distance (m) La représentation graphique de l'une des grandeurs en fonction de l'autre est une droite passant par l'origine ou Durée (s) Comme la représentation graphique de d en fonction de t est une droite passant par l'origine, alors la distance et la durée du parcours sont proportionnelles. lorsque l'une des grandeurs est obtenue à partir d'une première en étant multipliée par un nombre, l'autre grandeur l'est également Comme = 200, mais comme également : 5 2 = 10 alors la distance et la durée du parcours sont proportionnelles. Remarque : si l'une des grandeurs est nulle et pas l'autre, elles ne peuvent pas être proportionnelles. 13

14 Fiche méthode Je sais exploiter une relation de proportionnalité Les méthodes Exemple Lorsqu'une relation de proportionnalité existe entre deux grandeurs, il est alors possible, connaissant certaines d'entre elles d'en déduire la valeur d'une autre et ceci de plusieurs façons : Une voiture roule à vitesse constante sur une route de ville. On a mesuré les temps de passage pour différentes positions. La distance parcourue par une voiture (d) et la durée du trajet (t) sont deux grandeurs proportionnelles (elles suivent les mêmes proportions : lorsque le temps est doublé, la distance parcourue est également doublée). D'après ces hypothèses, quelle est la distance d parcourue en 15s? En utilisant un tableau : Un tableau de proportionnalité est un tableau dans lequel les deux grandeurs qui sont proportionnelles sont présentées. Dans ce tableau, toutes les valeurs d'une même grandeur doivent être exprimées dans la même unité. Un tel tableau présente des propriétés : Il existe des coefficients permettant de passer : - d'une colonne à une autre - d'une ligne à une autre (coefficient de proportionnalité) Ces coefficients permettent de calculer une valeur du tableau inconnue. Les opérations d'addition ou de soustraction valables pour une ligne, le sont également pour la deuxième. Distance (m) d? Temps (s) A l'aide de coefficients : A l'aide d'une addition : d = 200 x 1,5 = 300 m ou d = 15 x 20 = 300 m ou... Comme = 15 s, alors d = = 300m 2 1, Quand deux grandeurs sont proportionnelles, leur rapport est toujours le même, il est possible de calculer une quatrième proportionnelle connaissant trois autres valeurs et donc de calculer une valeur du tableau inconnue (produit en croix). Distance (m) d? Temps (s) d Comme =, d = = 300 m En utilisant un graphique : La représentation graphique de l'une des grandeurs en fonction de la deuxième qui lui est proportionnelle est une droite passant par l'origine. Distance parcourue (m) En traçant cette droite, par lecture graphique, il est possible de connaître d'autres valeurs non mesurées et jusqu'alors inconnues Temps (s) :Points mesurés Évolution de la distance parcourue en fonction du temps Lorsque t = 15 s, graphiquement, on obtient d = 300 m. 14

15 Un écran de téléphone défectueux Niveau : 4 ème Programme : Connaissances Des lumières de couleurs bleue, rouge et verte permettent de reconstituer des lumières colorées et la lumière blanche par synthèse additive. Capacités Faire des essais avec différents filtres pour obtenir des lumières colorées par superposition de lumières colorées. Situation proposée : Exemplaire Magasin NOTRE OBJECTIF : 100 % DE CLIENTS SATISFAITS Bon de prise en charge du : 30 / 02 / 2015 Nom du vendeur : Laurent Vos coordonnées : MME, M : Touille Sacha Rue : 5 rue des Platanes Ville : Lorient Mobile Le produit retourné : Un téléphone portable Marque : XXXXXX Date d achat : 32/12/2015 Descriptif de panne(s) : Un pixel de l écran du téléphone portable reste jaune quand la cliente est sur une page blanche d internet par exemple. Remarque : peux tu examiner très attentivement l écran téléphone et rédiger une explication claire et simple dans le rapport technique de panne(s). La cliente souhaite vraiment comprendre pourquoi un point de son écran est jaune. Suivant ton explication elle remplacera ou non ce téléphone défaillant Merci, Laurent Rapport technique de panne(s) : Nom du technicien (à compléter absolument) : 15

16 Durée de l exercice : (12 min) Aides distribuées après: (6 min) Aide 1 : Comment examiner avec précision, un écran de téléphone? Aide 2 : Et si tu utilisais une loupe? Aide 3 : Et si tu réalisais à nouveau l expérience, avec la source de lumière (à miroir latéraux), un écran blanc et les filtres colorés bleu, rouge, et vert? Aide 4 : Quelles sont les lumières colorés que tu utilises, à l aide de l expérience, pour «voir jaune» sur l écran? Conclure sur la panne 1 Aide 5 : Quelles sont les lumières colorés que tu utilises, à l aide de l expérience, pour «voir blanc» sur l écran? Conclure sur la «panne» 2 Items du socle commun et indicateurs de réussite : Socle commun Indicateur réussite Lire Adapter son mode de lecture à la nature du texte proposé et à l objectif poursuivi (1) Repérer les informations dans un texte à partir des éléments explicites et des éléments implicites nécessaires (1) Écrire Rédiger un texte bref, cohérent et ponctué, en réponse à une question ou à partir de consignes données (1) } L élève a regardé l écran et a rédigé un texte Le rapport de panne a été rédigé Pratiquer une Démarche Scientifique et Technologique, Résoudre des Problèmes Rechercher, extraire et organiser l information utile (3) Raisonner, argumenter, pratiquer une démarche expérimentale ou technologique, démontrer (3) Présenter la démarche suivie, les résultats obtenus, communiquer à l aide d un langage adapté (3) Savoir Utiliser des Connaissances dans Divers Domaines Scientifiques Les objets techniques : analyse, conception et réalisation ; fonctionnement et conditions d utilisation (3) L élève a regardé de très près un pixel sur son écran de téléphone ou de télé ou d ordinateur } Le rapport de panne propose une explication de la panne 1 et explique la supposée panne 2 n est pas une panne car tout fonctionne quand c est blanc L élève a sû mentionner les lumières : rouge, verte et bleue pour «obtenir du blanc» Faire Preuve d Initiative S engager dans un projet individuel (7) Manifester curiosité, créativité, motivation à travers des activités conduites ou reconnues par l établissement (7) } L élève a vraiment cherché à aboutir en : 1. examinant l écran 2. en examinant de près les pixels 3. en rédigeant un rapport technique de panne 4. en mobilisant certaines de ses connaissances 16

17 Ce qu'il faut retenir : Si on superpose des lumières de couleurs bleue, rouge ou verte, on voit comme si c était une autre lumière colorée Ex : si on superpose des lumières de couleurs rouge et verte, on voit comme si c était une lumière jaune Remédiations possibles : Répondre à des questions par qcm 1. Lorsqu on superpose une lumière bleue avec une lumière rouge, on voit comme si c était une lumière : cyan magenta jaune verte 2. Lorsqu on superpose une lumière verte avec une lumière bleue, on voit comme si c était une lumière : cyan magenta jaune verte 3. Pour voir comme si c était une lumière blanche, il faut superposer les lumières : marron bleue orange verte rouge 4. Et pour le noir? Pour «voir» noir, il faut superposer les lumières : bleue magenta jaune verte rouge aucune 17

18 Implantation d une éolienne Niveau : 3 ème Programme : Connaissances Sources d énergie renouvelables ou non. Capacités Extraire d un document les informations relatives aux sources d énergie. Compétences du socle mises en œuvre : Extraire et organiser l'information utile Calculer Raisonner, argumenter,démontrer (Utiliser un logiciel de simulation) Situation proposée : IMPLANTATION D' UNE EOLIENNE Dans un bureau d'étude vous étudiez le parc éolien d'un site naturel. Vous pouvez tester l'emplacement des éoliennes, la hauteur des mats et la longueur des pales pour convertir au mieux le vent en électricité. Le logiciel de simulation permet alors de calculer la puissance électrique fournie par chaque éolienne.dans le tableau suivant les résultats de quelques essais ont été notés. N de l'éolienne Nature du terrain Hauteur du mat (m) Diamètre du rotor (m) Vitesse du vent (m/s) Puissance (W) 1 champ ,34 2 forêt ,07 3 mer ,12 4 mer ,91 5 champ ,25 6 champ ,02 7 mer , Questions 1. Le lieu d'implantation le plus favorable d'une éolienne est la mer. Justifier en indiquant les numéros des essais qui le prouvent. 2. La puissance électrique disponible dépend-elle de la hauteur du mat? Justifier de la même façon. 3. La puissance électrique disponible est-elle proportionnelle à la vitesse du vent? Justifier. 4. La puissance électrique disponible est-elle proportionnelle au diamètre de l'hélice? Justifier. 18

19 Pour aller plus loin : Ce simulateur utilise une formule de calcul de la puissance maximale théorique de l'éolienne placée dans les meilleures conditions (hauteur, lieu) Quatre formules de calcul sont proposées ci-dessous : P = 0,28 Dv 3 ; P = 0,28 D 2 v ; P = 0,28 Dv ; P = 0,28 D 2 v 3 P est la puissance électrique en watt. D est le diamètre du rotor en mètre. v est la vitesse du vent en mètre par seconde. Quelle est la bonne formule? Justifier Aides possibles 1. Pour étudier l'effet du lieu d'implantation de l'éolienne sur sa puissance électrique toutes les autres grandeurs doivent rester les mêmes. Seul le lieu est modifié. 2. Rappeler à quelle condition deux grandeurs X et Y sont proportionnelles. X 8 10 Y 2? 3. Si l'élève estime que les essais ne permettent pas de répondre, il peut proposer d'autres essais (n 8, 9, 10,...) les soumettre au professeur et utiliser le simulateur. Aller sur le site http : // rubrique animations en ligne et choisir l'activité éolienne. 4. Aide à l'utilisation de la calculatrice pour calculer les puissances. Remarque pour les élèves Les éoliennes (ou aérogénérateurs) de ce simulateur sont de petites tailles. Une éolienne industrielle actuelle fait 100 m de haut pour un diamètre de rotor de 70 m à 100m et sa puissance est de l'ordre de 1 MW à 4 MW selon les conditions. 19

20 Un petit air de physique Niveau : 3ème Programme : Connaissances Capacités Fréquence d une tension périodique et unité, l hertz (Hz), dans le Système international (SI). Relation entre la période et la fréquence. Extraire des informations d'un oscillogramme pour reconnaître une tension alternative périodique. Mesurer sur un oscillogramme la valeur maximale et la période en optimisant les conditions de mesure. UN PETIT AIR DE PHYSIQUE ÉCOUTE CES DEUX DO : ALORS? 1ère octave 2ème octave oscilloscope L'oscilloscope permet de visualiser un son par l'intermédiaire d'un micro. ampli flûte micro Ordinateur avec audacity Mais pour plus de commodité, tu vas utiliser le logiciel «audacity» qui te permet, comme l'oscilloscope, de visualiser un son. flûte micro 20

21 Ce que tu dois faire : A la flûte à bec, joue le do de la 1ère octave et enregistre le son. Puis joue le do de la 2ème octave et enregistre le son. Ce que tu dois trouver : Tu as enregistré un do grave et un do plus aigu car de l'octave supérieure : Qu'est ce qui les distingue? Rédige ta réponse en utilisant tes enregistrements, tes oscillogrammes, et en faisant des calculs pour expliquer ce qui caractérise, pour le physicien, 2 notes séparées d'une octave. Documents à ta disposition : Définition tirée de «larousse.fr» Fréquence des notes pour une octave Comment utiliser «audacity»? Pour enregistrer un son Pour agrandir l'oscillogramme Pour sélectionner une partie de l'oscillogramme Durée de la sélection 21

22 Contexte : les élèves disposent de leur cahier les élèves disposent d'une flûte à bec par groupe, d'un ordinateur avec le logiciel «audacity» (téléchargeable gratuitement) Prérequis : - tension alternative périodique - période - fréquence d'une tension périodique et unité - relation entre la période et la fréquence - mesure de la période sur un oscillogramme Compétences évaluées : Compétence 3 Les principaux éléments de mathématiques et la culture scientifique et technologique Pratiquer une démarche scientifique et technologique, résoudre des problèmes Rechercher, extraire et organiser l information utile Réaliser, manipuler, mesurer, calculer, appliquer des consignes Raisonner, argumenter, pratiquer une démarche expérimentale ou technologique, démontrer Présenter la démarche suivie, les résultats obtenus, communiquer à l aide d un langage adapté Compétence 4 La maîtrise des techniques usuelles de l information et de la communication S approprier un environnement informatique de travail Utiliser les périphériques à disposition Utiliser les logiciels et les services à disposition Réponse attendue : Calcul de la fréquence du do (1ère octave) : Après avoir repéré un motif sur l'oscillogramme, on lit la période du signal : T = 0, s On calcule la fréquence correspondante : f = 1/T = 1/0, = 506 Hz Calcul de la fréquence du do (2ème octave) : On fait de même que précédemment; On trouve f = 1050 Hz La fréquence du do (2ème octave) correspond environ au double de celle du do (1ère octave). Conclusion : une note située une octave au-dessus d'une autre a une fréquence double 22

23 Sur quelle planète se trouve ce scientifique? Niveau : 3 ème Programme : Connaissances Le poids P et la masse m d un objet sont deux grandeurs de nature différente ; elles sont proportionnelles. L unité de poids est le newton (N). La relation de proportionnalité se traduit par P = m g Capacités Calculer, utiliser une formule. Compétences évaluées : Item Explicitation des items Critères de réussite Observer, recenser des informations : extraire d un document les informations utiles. Rechercher, extraire et organiser l information utile Calculer, appliquer des consignes Raisonner, démontrer argumenter, Organiser les informations pour les utiliser : traduire, décoder Calculer, utiliser une formule. Proposer une démarche de résolution : proposer une méthode, un calcul. Choisir dans le tableau la grandeur physique en lien avec l exercice. Indiquer la grandeur mesurée par la figure 1 et la figure 2. Savoir «manipuler» la bonne formule pour résoudre l exercice. Identifier les grandeurs utiles à la résolution de l exercice parmi les grandeurs proposées. Trouver le lien logique en ces grandeurs. Déduire du raisonnement, le nom de la planète. Grandeurs et mesures L Univers et la Terre Effectuer des conversions d unités relatives aux grandeurs étudiées. Connaissances des unités de masse. Effectuer la bonne conversion. Savoir que la Terre est un des objets du système solaire, lequel est gouverné par la gravitation. Dans un film de sciences fiction, un scientifique trouve un bloc de minerai très dense, de couleur grise, magnétique. Il utilise les instruments de mesures à sa disposition pour faire quelques expériences sur cette pierre. Figure 1 Documents extraits du manuel physique chimie 3 ème édition Bordas, avril 2003 Figure 2 Sur quelle planète se trouve ce scientifique? 23

24 Données : Planète Rayon de la planète Valeur de l intensité de pesanteur Durée de révolution autour du Soleil Mars km 3,7 N/kg 687 jours Vénus km 8,8 N/kg 225 jours Terre 6 378km 9,8 N/kg 365 jours Saturne km 10,4 N/kg 29,5 ans Neptune km 11,2 N/kg 165 ans Jupiter km 24,8 N/kg 12 ans Les aides possibles (par niveau) : Niveau 1 : a) Rappeler la relation entre le poids, la masse et l intensité de pesanteur. Préciser les unités. b) A l aide des figures 1 et 2, calculer l intensité de pesanteur g. c) En déduire le nom de la planète. Niveau 2 : a) Quelle est la grandeur mesurée sur la figure 1? b) Quelle est la grandeur mesurée sur la figure 2? c) Exprimer g (Intensité de pesanteur) en fonction du poids P et de la masse m. (Préciser les unités). d) Calculer g. e) En utilisant vos résultats de calculs et le tableau, déterminer le nom de la planète sur laquelle le film a été tourné. Les aides possibles par catégories : Connaissances : a) Rappeler la relation qui relie le poids à la masse en indiquant les unités correspondantes. b) Quelle grandeur est mesurée par la balance? Par le dynamomètre? Savoir faire : a) Exprimer g (intensité de pesanteur), en fonction de P (poids) et m (masse) ; préciser les unités. b) Exprimer la masse de l objet en kilogramme. Démarche de résolution : a) Quelles informations allez-vous utiliser pour résoudre l exercice? Les surligner. b) Ecrire les différentes étapes de la démarche de résolution adoptée. Remédiation : Entourer la bonne réponse 1. Pour mesurer la mase d un objet, on utilise : a) l éprouvette graduée b) la balance c) le dynamomètre 2. Comment mesurer le poids d un objet? (physique chimie Bordas 3 ème collection espace N 4 p129) Figure a Figure c Figure b Documents extraits du manuel physique chimie 3 ème édition Bordas, collection espace, avril 2008 (n 4 p 129) 24

25 3. Le poids est une grandeur qui s exprime en : a) newton b) litre c) tonne 4. La relation entre le poids P, la masse m et l intensité de pesanteur g est : a) p = m + g b) p = m / g c) p = m x g 5. L intensité de pesanteur, g, s exprime en a) kg / N b) N / kg c) km g = a) 0, 056 kg b) 0, 56 kg c) 56 kg 7. Le cartable d une élève a une masse de 4,5 kg. Quel est le poids du cartable? Donnée : g = 10 N / Kg. a) 0,45 N b) 4,5 N c) 45 N 25