Module 3 : L électricité

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1 Sciences 9 e année Nom : Classe : Module 3 : L électricité Partie 1 : Électricité statique et courant électrique (chapitre 7 et début du chapitre 8) 1. L électrostatique a. Les charges et les décharges électriques. (p ) b. La mesure des charges électriques : le coulomb (C) (p.232) c. Les conducteurs et les isolants électriques d. Les forces électriques : Les trois lois de l électrostatique (p.239) e. Les applications de l électricité statique (p.233); le photocopieur (p.241) 2. Le courant électrique a. Le mouvement des électrons dans le courant électrique (activité passe-les-crayons) b. La mesure du courant : l ampère (A) (p.264) c. La différence entre électricité statique et courant électrique d. Les éléments d un circuit (source/conducteur/charge/interrupteur) (p.262) e. L énergie potentielle électrique et la tension (voltage); le volt (V) (p ) f. La différence entre courant et voltage. Partie 2 : Les circuits et la loi d Ohm (fin du chapitre 8 et début du chapitre 9) 1. Les diagrammes de circuits (p ) 2. La résistance : l Ohm (Ω) (p.270 et 273) a. La perte d énergie électrique (p.276) b. Les facteurs qui affectent la résistance d un fil électrique (pas dans le livre) c. Les résistors (p.275) 3. La résistance et le courant : la loi d Ohm (p ) 4. Laboratoire requis : La loi d Ohm (p ) 5. Les circuits en série (p.288) et en parallèle (p ) a. Les piles et les ampoules en série (p ), b. Les piles et les ampoules en parallèle (p ) c. Laboratoire requis : Les résistors en série et en parallèle (p ) 6. La protection des circuits électriques : les fusibles, les disjoncteurs, et la mise à terre. (p ) p.1

2 Partie 3 : L énergie électrique et la société (fin du chapitre 9) Plan du carnet et guide d étude 1. La consommation de l énergie électrique a. L énergie, la puissance et le travail b. La relation entre la puissance, le voltage et le courant c. La relation entre l énergie, la puissance et le temps. d. Les kilowattheures e. Le coût de l électricité. 2. Les carrières dans l électricité 3. Le rendement a. Les lois de conservation de la masse et de l énergie b. Les conversions d énergie (p.316) c. Le rendement (p ) d. Le calcul du rendement (p ) e. Le rendement comparé de différents appareils; les étiquettes Énerguide (p.320) 4. Les moyens d économiser l électricité (p ) 5. La génération d électricité a. Les génératrices (p.326) b. Les sources d énergie pour générerer l électricité : les centrales hydroélectrique, thermique, nucléaire (p.327) c. Le transport de l énergie électrique (p ) Les lignes de transmission Les tranformateurs d. Autres sources d énergie électrique : éoliennes, énergie solaire, piles à combustible (p ) e. Impact sur l environnement des différentes méthodes de génération d électricité. p.2

3 Partie 1 : Électricité statique et courant électrique Les charges et les décharges électriques Les forces créées par l accumulation d électricité s appellent. 2. L est l accumulation de charge électrique d un objet. 3. Une est le retrait d une charge électrique d un objet 4. Pourquoi est-ce qu un ballon devient «chargé» quand on le frotte sur un chandail? 5.Pourquoi est-ce qu on reçoit un choc électrique quand on frotte les pieds sur le tapis et on touche un bouton de porte? 6.Qu est-ce que c est une décharge électrique? 7. Comment peut-on charger électriquement un objet? 8. En utilisant tes connaissances sur l atome, explique pourquoi les charges négatives peuvent être transférées d un objet à l autre mais pas les charges positives. 9. Quelle unité de mesure utilise-t-on pour mesurer les charges électriques? p.3

4 Les conducteurs et les isolants électriques. 10. Complète le tableau : Conducteurs Isolants Définition exemples 11. Pourquoi est-ce qu on peut charger un isolant par frottement, mais pas un conducteur? 12. Qu est-ce qu il faut faire si tu veux charger un objet de métal? p.4

5 Les forces électrostatiques 13. Qu est-ce que c est une force électrostatique? 14.Les 3 lois de l électrostatique. Écrite Dessin p.5

6 Les applications de l électricité statique p.6

7 Le courant électrique Avec la classe, fais l activité «Passe-les-électrons». Avec ton groupe, réfléchis à comment cette activité ressemble au courant des électrons dans un vrai circuit, et complétez le tableau. Les objets Dans l activité Le conducteur les électrons La pile Dans un vrai circuit Le courant des électrons Comment mesure-ton le «courant»? Comment est-ce que les «électrons» bougent dans le «conducteur» Pourquoi est-ce que le circuit doit être un cercle fermé? p.7

8 La mesure du courant électrique 15. Définis : Le courant électrique : 16. Quelle est l unité de mesure du courant électrique, et comment cette unité est-elle définie? La différence entre l électricité statique et le courant électrique 17. Complète le tableau : Nomme deux différences entre l électricité statique et le courant électrique. l électricité statique le courant électrique Les éléments d un circuit 18. Nomme et explique les 4 éléments d un circuit électrique (la source, le conducteur, la charge, l interrupteur): Élément Ex) Une Source Fonctionne -transforme une autre forme d énergie en énergie électrique p.8

9 19. Lorsqu il y a un flux d électrons dans tout le circuit, on dit que le circuit est. 20. Lorsqu il ce flux est interrompu et que les électrons ne peuvent pas voyager dans tout le circuit, on dit que le circuit est. 21. On peut utiliser pour ouvrir et de fermer un circuit. 22. Étiquette le circuit avec les quatre composantes : la source, le conducteur, la charge, l interrupteur. Attention! Ne confonds pas «une charge électrique» avec «la charge d un circuit»! Explique ces deux termes. p.9

10 L énergie potentielle 23. Regarde les exemples d énergie potentielle. En groupe, explique ce qu ils ont en commun. 24. Définis : énergie potentielle. 25. L énergie électrique est p.10

11 La tension / voltage = La différence de potentiel. 26. Explique ce qu est la tension / voltage. 27. Explique la différence entre le courant et le voltage en utilisant la comparaison avec des chutes d eau. Dans la chute d eau Dans un courant électrique Le «voltage» est Le «courant» est p.11

12 Différences entre le voltage et le courant 28. Complète le tableau : unité de mesure instrument de mesure Explication Voltage Le voltage est une mesure de l énergie donnée aux électrons par la pile dans un circuit. courant Le courant est une mesure du nombre d électrons qui passent dans un circuit pendant une certaine période de temps. 29. Complète les phrases avec peu ou beaucoup: a) On peut avoir un circuit qui a un courant élevé et un voltage faible: cela veut dire que il y a d électrons qui circulent dans le circuit, mais que les électrons ont d énergie. b) Si on a un circuit qui a un voltage élevé mais un faible courant, cela veut dire qu il y a d électrons, mais que les électrons ont d énergie. p.12

13 Partie 2 : Les circuits et la loi d Ohm Les diagrammes de circuits 1. Écris le symbole et le nom de chaque appareil. Exercices de pratiques 2. Fais les schémas des circuits suivants p.13

14 p.14

15 La résistance 3. Nomme et explique 4 facteurs qui affectent la résistance d un fil électrique. Facteur Effet sur la résistance 4. a) Comment s appelle une substance qui possède une très grande résistance?. b) Donne 3 exemples de substances qui ont une très grande résistance.,, 5.a) Comment s appelle une substance qui a une résistance très faible.. b) Donne 3 exemples de telles substances.,, 6. Nomme les deux formes d énergie produites quand des électrons perdent de l énergie à cause de la résistance. i) ii) p.15

16 7. Nomme deux types de métaux qui ont une résistance au passage des électrons, et dis dans quel appareil on peut trouver un de ces métaux. Métal Appareil Lis les informations sur la résistance, et réponds aux questions. Exemple 1: une ampoule électrique incandescente. Une ampoule contient un filament de tungstène très mince, qui a une résistance élevé. Quand les électrons passent dans ce filament, ils perdent leur énergie sous forme de chaleur et de lumière, et c est pourquoi l ampoule nous éclaire. C est aussi pourquoi l ampoule devient chaude quand elle allumée. La raison pour laquelle le filament est entouré de verre est que le tungstène chauffé réagit avec l oxygène de l air très rapidement. Le filament brûlerait en très peu de temps s il entrait en contact avec l air. L ampoule est remplit d un gaz inerte (l azote) qui protège le filament contre l oxygène de l air. Exemple 2: un grille-pain. Un grille-pain contient des éléments chauffants qui ont aussi une grande résistance. Les électrons qui passent dans les éléments chauffant produisent surtout de la chaleur, mais aussi un peu de lumière, ce qui est la raison pourquoi les éléments luisent d une lumière rouge quand ils sont chauffés. 8.Quel est l effet de la résistance sur le courant dans un circuit? p.16

17 9. Quelles formes d énergie sont généralement produites quand les électrons perdent leur énergie en passant dans une résistance? 10.Donne deux raisons pourquoi la résistance est comme la friction. 11.Nomme deux autres appareils électriques que tu connais (autre que l ampoule et le grille-pain!) qui utilisent des résistances. Explique à quoi servent les résistances dans ces appareils. La loi d Ohm Observe la démonstration du professeur. Réponds aux questions. 12. Quelle est la relation entre le voltage total des piles, et l intensité de la lumière de l ampoule? 13. Qu est-ce que cela nous dit de la relation entre le voltage et le courant? 14. Quelle est la relation entre la résistance et l intensité de la lumière? 15. Qu est-ce que cela nous dit de la relation entre la résistance et le courant? p.17

18 16. Quelle est l équation mathématique qui décrit ces relations? 17. Dans ton cahier, fais les exemples de calculs avec la loi d Ohm des pages 273 et 274, et les question 9,10,11 de la page 281. p.18

19 Les charges en série Questions 1. Pour des charges en série, la relation mathématique entre le voltage global et le voltage sur chaque ampoule est 2. Complète les phrases avec les mots «augmente», «diminue» ou «ne change pas». Quand on ajoute plus d ampoules en série dans un circuit, i. l éclat des ampoules. ii. Le courant global qui sort de la pile. iii. Le courant qui passe dans chaque ampoule individuelle. iv. Le voltage global sur le groupe d ampoules. v. Le voltage sur chaque ampoule individuelle. vi. La résistance individuelle de chaque ampoule. vii. La résistance globale du circuit ( = la résistance à sortir le courant de la pile). Quand tu as fini, retire l ampoule du centre, et décris ce qui arrive aux autres ampoules : 3. Dans quel circuit est-ce que la pile va durer le plus longtemps? Le moins longtemps? p.19

20 Les charges en parallèle Questions 1. Complète les phrases avec les mots «augmente», «diminue» ou «ne change pas». Quand on ajoute plus d ampoules en parallèle dans un circuit, i. l éclat des ampoules. ii. Le courant global qui sort de la pile. iii. Le courant qui passe dans chaque ampoule individuelle. iv. Le voltage global sur le groupe d ampoules. v. Le voltage sur chaque ampoule individuelle. vi. La résistance individuelle de chaque ampoule. vii. La résistance globale du circuit ( = la résistance à sortir le courant de la pile). 2. Dans quel circuit est-ce que la pile va durer le plus longtemps? Le moins longtemps? 3. Quels sont deux avantages d un circuit en prallèle comparé au circuit en série? Quel est le «prix» à payer? Quand tu as fini, retire l ampoule du centre, et décris ce qui arrive aux autres ampoules : p.20

21 Questions pour les charges en série et en parallèle : 18. En examinant les schémas, explique en tes propres mots la différence entre «en série» et «en parallèle». 19. Dans ces 6 circuits, dans lequel est-ce que la pile va durer le plus longtemps? Le moins longtemps? 20. Donne une situation dans la vie où on utilise des charges en série. 21. Donne une situation dans la vie où on utilise des charges en parallèle. p.21

22 Les piles en série Questions 1. Pour des piles en série, la relation mathématique entre le voltage global et le voltage de chaque pile est 2. Complète les phrases avec les mots «augmente», «diminue» ou «ne change pas». Quand on ajoute plus de piles en série dans un circuit, i. l éclat de l ampoule. ii. Le voltage. iii. Le courant. 3. Dans quel circuit est-ce que la pile va durer le plus longtemps? Le moins longtemps? 4. Donne une situation dans la vie où on utilise des piles en série. Quel est l avantage de cet arrangement? Quand tu as fini, retire la pile du centre, et décris ce qui arrive au circuit : p.22

23 Les piles en parallèle Questions 1. Pour des piles en parallèle, le voltage global du groupe de piles est 2. Complète les phrases avec les mots «augmente», «diminue» ou «ne change pas». Quand on ajoute plus de piles en parallèle dans un circuit, i. l éclat de l ampoule. ii. Le voltage global. iii. Le courant qui sort de chaque pile. iv. Le courant qui passe dans l ampoule. 3. Dans quel circuit est-ce que la pile va durer le plus longtemps? Le moins longtemps? 4. Donne une situation dans la vie où on utilise des piles en parallèle. Quel est l avantage de cet arrangement? Quand tu as fini, retire la pile du centre, et décris ce qui arrive au circuit : p.23

24 schémas de circuits 1. Dessine un circuit composé d une pile, deux ampoules et deux interrupteurs. Chaque interrupteur contrôle une seule ampoule. pile ampoule(s) interrupteur(s) 2. Dessine un circuit composé d une pile, deux ampoules et trois interrupteurs. Un interrupteur allume les deux ampoules; les autres permettent d allumer les ampoules, une à la fois. pile ampoule(s) interrupteur(s) 3. Dessine un circuit composé d une pile, une ampoule, un interrupteur, et un moyen de contrôler l éclat de l ampoule. pile ampoule(s) interrupteur(s) 4. Fais un diagramme d un circuit composé de deux ampoules, une résistance variable, deux piles, un moteur, et autant d interrupteurs que nécessaire. Il faut qu une des ampoules soit toujours allumée, mais avec un éclat réglable, et l autre ampoule et le moteur peuvent tous les deux être allumés ou éteints séparément. pile ampoule(s) interrupteur(s) moteur résistance variable 5. Fais un diagramme d un circuit composé d un ampèremètre, deux ampoules, 3 piles, et autant d interrupteurs que nécessaire. Il faut qu il y ait toujours du courant dans l ampèremètre, et les ampoules doivent être soit allumées toutes les deux, ou éteinte toutes les deux. p.24

25 pile ampoule(s) interrupteur(s) ampèremètre 6. Fais un diagramme d un circuit composé d un moteur, deux ampoules, deux piles, et autant d interrupteurs que nécessaire. Il faut que les ampoules puissent être allumées séparément, mais que le moteur fonctionne constamment. pile ampoule(s) interrupteur(s) moteur 7. Fais un diagramme d un circuit composé de deux moteurs, trois ampoules, deux piles, une résistance variable, et autant d interrupteurs que nécessaire. Il faut qu un des moteurs soit toujours en marche, mais à vitesse variable, et SOIT l autre moteur et une ampoule sont allumés, OU seulement deux ampoules sont allumées. pile ampoule(s) interrupteur bidirectionnel moteur résistance variable 8. Dessine un circuit composé de deux piles, une résistance variable, un moteur, une ampoule, et un interrupteur tel que SOIT l ampoule, OU le moteur fonctionne, et le niveau d intensité du moteur peut aussi être varié. pile ampoule(s) interrupteur bidirectionnel moteur résistance variable 9. Dessine un circuit composé de 4 ampoules, 2 interrupteurs, et deux piles. Il faut que lorsque l interrupteur A est ouvert et B est fermé, seulement 2 ampoules soient allumées. Lorsque l interrupteur A est fermé, et B est ouvert, 3 ampoules sont allumées, et quand les deux interrupteurs sont fermés, toutes les ampoules sont allumées. pile ampoule(s) interrupteur(s) p.25

26 Les circuits de maison Examine le schéma simplifié du circuit électrique d une maison, lis ton livre aux pages , et réponds aux questions. Questions 1. Nomme les charges qui sont représentées sur le diagramme. 2. Ces charges sont-elles en série ou en parallèle? Pourquoi les circuits de maisons ont-ils cet arrangement? 3. Encercle le disjoncteur sur le diagramme. Trouve la fonction du disjoncteur dans ton livre. 4. Fais une étoile pour indiquer la mise à terre de la maison sur le diagramme. En utilisant les informations dans ton livre, explique la fonction de la mise à terre. 5. Cherche dans ton livre comment fonctionne un fusible. 6. Utilise l information dans le diagramme pour inférer la fonction du «transformateur du quartier». Pourquoi penses-tu qu on utilise des transformateurs dans notre système d électricité? p.26

27 Partie 3 : L énergie électrique et la société L énergie, la puissance et le travail 1. Qu est-ce que l énergie? 2. Combien d énergie est-ce qu une joule représente? 3. Qu est-ce que le «travail» en physique? 4. Les appareils transforment l énergie électrique en autres formes d énergie. Indique quel type d énergie dans chaque cas. 5. Qu est-ce que la puissance? 6. Combien de puissance est-ce qu un watt représente? 7. Qu est-ce que la «puissance nominale» d un appareil? p.27

28 La relation entre la puissance, le voltage et le courant. 1.Laquelle est la plus puissante = utilise l énergie électrique le plus vite? 2.Donc quelle est la relation entre la puissance et le courant? 3.Lequel est le plus puissant? 4.Donc, quelle est la relation entre la puissance et le voltage? 5. Quelle est la formule pour la puissance, le voltage et le courant? Les calculs de puissance/voltage/courant Réponds aux questions suivantes. Montre toutes les étapes de ton travail. 1. Quelle est la puissance utile d une pile de 6,0 V qui fournit un courant de 2,0 A? 2. L ampoule d une lampe de poche est alimentée par une pile de 3,0 V et débite un courant de 4,0 A. Quelle est la puissance de cette ampoule? 3. Une ampoule de 60 W est reliée à une source d alimentation de 120 V. Quelle est l intensité du courant qui la traverse? p.28

29 4. Un voltmètre fournit une mesure de 15 V aux bornes d un résistor de 45 W. Quelle est l intensité du courant qui traverse le résistor? 5. Un circuit branché à une pile de 12 V débite un courant de 25 ma. Quelle est la puissance utile de la pile? 6. Une ampoule reliée à une source d alimentation de 120 V débite 1,2 A. Quelle est la puissance nominale de cette ampoule? 7. Quelle est l intensité du courant qui passe dans un séchoir à cheveux de W branché à une source d alimentation de 120 V? 8. Un courant de 0,20 A traverse un résistor de 450 Ω. Calcule la puissance de ce résistor. (Indice : utilise la loi d Ohm pour déterminer la tension.) p.29

30 La relation entre la puissance, l énergie et le temps. Quelle est la formule pour la puissance, le voltage et le courant? Les calculs 1. Quelle est la puissance d un mélangeur électrique qui consomme J d énergie en 50 s? 2. Quelle est la puissance nominale d un grille-pain qui utilise J s il fonctionne durant 140 s? 3. Quelle quantité d énergie électrique un four micro-ondes de W consomme-t-il en 50 s de fonctionnement? 4. Quelle est la quantité d énergie électrique consommée par une cafetière de 900 W qui fonctionne durant 10 min? 5. Quelle quantité d énergie électrique un climatiseur de 750 W consomme-t-il s il fonctionne durant 24 h? 6. Quelle quantité d énergie la pile d une lampe de poche allumée durant 2 min consomme-t- elle si la tension aux bornes est de 6 V et que le courant qui traverse l ampoule est de 0,35 A? (Indice : serstoi de l équation P = VI pour déterminer la puissance en watts.) p.30

31 7. La tension de fonctionnement d une sécheuse est de 240 V, et un courant de 20,83 A traverse son élément chauffant. Quelle quantité d énergie électrique la sécheuse consomme-t-elle en 30 min d utilisation? Les kilowattheures Pourquoi est-ce qu on mesure généralement l énergie électrique en kilowattheures plutôt qu en joules? Combien d énergie est 1 kwh? Questions : 1. Combien de joules y a-t-il dans un kilowattheure? 2. Refais le problème suivant pour trouver la réponse en kwh. 5. Quelle quantité d énergie électrique un climatiseur de 750 W consomme-t-il s il fonctionne durant 24 h? p.31

32 Le coût de l électricité 1. Un releveur de compteurs constate qu une entreprise a consommé kwh d énergie en deux mois. Si le fournisseur demande 10 cents le kwh, à quel montant s élèvera la facture d électricité de l entreprise? 2. Une chaufferette électrique a une puissance de W. À un tarif de 8 cents le kwh, combien en coûte-t-il pour utiliser la chaufferette 3 h par jour pendant 30 jours? 3. Un grille-pain de 730 W et une poêle électrique de W sont branchés dans une même prise de 100 V. Si ces deux appareils fonctionnent durant 20 h à un tarif de 8 cents le kwh, quel sera le coût de l énergie consommée? 4. Un grille-pain fonctionne en moyenne 5 h par mois. Il est alimenté par un courant de 8,0 A provenant d une source d alimentation de 110 V. À un tarif de 8 cents le kwh, combien en coûte-t-il pour utiliser ce grille-pain pendant un an? p.32

33 Les carrières en électricité Nomme des exemples de carrières en électricité. Les lois de conservation La loi de conservation de la masse La loi de la conservation de l énergie Exception : Le rendement Mais si l énergie ne peut pas être détruite, pourquoi est-ce que les conversions d énergie ne sont pas à 100% efficace? Qu est-ce que le rendement d un appareil? p.33

34 Le calcul du rendement Lis ton livre p , et fais les questions «Vérifie ta lecture» page 318 dans ton cahier d exercice. Regarde les exemples de calculs pages , et fais les «Exercices pratiques» aux deux pages dans ton cahier d exercice. Les étiquettes ÉnerGuide et Energy Star Que signifient ces étiquettes? Les génératrices Les génératrices transforment l énergie en énergie électrique. Comment? Pour expliquer ceci, observe la simulation PhET, et complète le tableau des explications avec ton groupe. p.34

35 p.35

36 Question : Pourquoi est-ce qu une génératrice est aussi appelée un «alternateur»? Les centrales électriques industrielle type Explication courte Effets sur l environnement (bons et mauvais) Centrale hydroélectique p.36

37 type Explication courte Effets sur l environnement (bons et mauvais) Centrale nucléaire Centrale thermique à combustible p.37

38 Des sources alternatives type Explication courte Effets sur l environnement (bons et mauvais) Énergie géothermique Énergie éolienne p.38

39 type Explication courte Effets sur l environnement (bons et mauvais) Énergie houlomotrice Énergie marémotrie p.39

40 La production d électricité à l échelle individuelle type Explication courte Effets sur l environnement (bons et mauvais) Les petites éoliennes Énergie solaire p.40