L'énergie. sous toutes ses formes. Travail réalisé et proposé par :

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1 L'énergie sous toutes ses formes Travail réalisé et proposé par : les chercheurs et enseignants-chercheurs du Département de Physique de l'université Blaise Pascal (Clermont-Fd), représentant la Société Française de Physique, les maîtres des écoles de Clermont-Ferrand (A.Bayet), Aubière (Vercingétorix), St Genès-Champanelle, Gerzat Monsieur l'inspecteur de la circonscription Clermont couronne et avec la participation de l'iufm d'auvergne. Année scolaire

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3 SOMMAIRE 1. Les enjeux du projet le choix du thème déroulement des interventions 2. Activités en classe les questions des élèves quelques manipulations simples une manipulation pour le maître l'électricité ou le jeu de chaises musicales 3. Mise en forme des questions des élèves sources d'énergie formes d'énergie notion de conservation de l'énergie 4. Conclusion: qu'avons nous appris de l'énergie? 5. Annexe fiches expériences texte de R. Feynman des témoignages d'activités menées au cours du projet dans différentes classes des écoles de Clermont-Ferrand (A.Bayet), Aubière (Vercingétorix), St Genès-Champanelle, Gerzat, des informations à caractère scientifique pour le maître des suggestions d'expériences réalisables avec du matériel simple 3

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5 1. Introduction Le choix du thème Suite au projet mené pendant l'année scolaire 1998/1999 sur "la grande expérience de Blaise-Pascal au Puy de Dome", nous voulions expérimenter un sujet d'une nature différente. Le choix de "l'énergie sous toutes ses formes" permet à la fois d'aborder un sujet pour lequel chaque élève peut avoir une expérience personnelle riche (contrairement à l'expérience de Blaise-Pascal!), mais qui, paradoxalement, correspond aussi à une notion pour le moins abstraite. Déroulement des interventions Quatre chercheurs et enseignants-chercheurs de l'université Blaise- Pascal sont intervenus à trois reprises dans douze classes regroupées en quatre écoles de la région Clermontoise (A. Bayet à Clermont- Ferrand, Vercingétorix à Aubière, Saint-Genès Champanelle, et Gerzat). Afin de sensibiliser les élèves au sujet, ces interventions ont été précédées, dans chaque classe, par un travail de recherche et d'expérimentation simple avec le professeur d'école. Chaque intervention était ensuite articulée autour d'une série de questions-réponses avec les élèves, puis d'une série d'expérimentations simples afin d'arriver à faire prendre conscience aux élèves de la notion d'énergie : sources d'énergie, transformation d'une forme d'énergie à l'autre, conservation de l'énergie. Les classes de CE2, CM1 et CM2 étaient concernées par ce projet. 5

6 2. Activités en classe Les questions des élèves Chaque élève a une expérience plus ou moins claire de la notion d'énergie. Le premier travail de réflexion s'est donc articulé autour de trois questions aux élèves : Recherchez autour de vous ce qui vous fait penser à l'énergie Relevez les propositions. Quelles questions se pose-t-on à propos de ces propositions? Groupez ces propositions en fonction de l'énergie qu'elles consomment ou qu'elles produisent. Les élèves ont ainsi pu remplir un tableau récapitulatif, dont un exemple est indiqué à la page suivante. Il permet de préparer l'analyse des différents phénomènes en fonction de la source d'énergie, et de la forme qu'elle peut prendre (voir chapitre 3). 6

7 Où trouve-t-on de l'énergie dans la vie courante? Barrage Chaleur du soleil Panneaux solaires Les éoliennes Centrale atomique Lumière Chauffage Appareils ménagers Electricité statique Aimant Pile Puce électronique Etincelle Champ électrique Electricité statique Cerveau Gazinière Centrale nucléaire Bombe Respiration Muscle Micro-onde Volcans Haut parleur Robinet d'eau Voiture Comment cela fonctionne-til? Eau; elle fait tourner les turbines et cela crée de l'électricité Rayonnement solaire Vent: il fait tourner les pales et cela crée de l'électricité On trouve du plutonium, des particules. Des atomes sont frappés par quelque chose, ils se divisent en 2 Electricité: il faut des fils électriques des lignes à haute tension transformer du 2000 volts en 220 volts des liquides (piles) des métaux conducteurs des électrons Electricité on frotte sur de la laine une règle, elle peut ainsi soulever du papier on frotte un ballon de baudruche sur des cheveux, il se colle au plafond. Electricité: influx nerveux qui passe gaz Énergie nucléaire: il faut du pétrole elle marche grâce à de la radioactivité. Oxygène et aliments qui permettent de faire fonctionner le corps. Qu'est ce que je voudrais savoir? Quels sont les risques si le barrage disparaît? Y a t-il une énergie de remplacement Que se passerait-il si le soleil disparaissait? Quelle est l'influence de la vitesse du vent? Comment produisentelles de l'électricité? Pourquoi sont-elles nombreuses dans certains pays? Comment l'électricité arrive chez nous? Comment ça marche dans les fils? Comment fait-elle pour aller si vite? (on branche, ça marche!) Comment une plaque électrique peut-elle chauffer? Pourquoi c'est dangereux d'utiliser de l'eau avec de l'électricité? Pourquoi ce rapprochement? Quels sont les dangers? Qu'est ce que c'est la radioactivité? Pourquoi reste-t-il froid alors qu'il chauffe des aliments, et que le four traditionnel est chaud? Pourquoi les volcans se réveillentils? Pourquoi l'électricité produit-elle des sons? Quand je tourne le robinet, par quel moyen l'eau coule-t-elle? Comment l'essence fait-elle avancer la voiture? 7

8 Quelques manipulations simples Il est ensuite demandé aux élèves de concevoir et réaliser quelques expériences simples qui mettent en jeu des processus de transformation d'une forme énergie à une autre. Avec le matériel qui est à votre disposition fabriquer: un moteur à air chaud un moteur à eau un moteur à élastique Pour chaque expérience, qu'observe t-on? Trouvons une explication. En plus de ces manipulations simples, plusieurs expériences particulièrement instructives peuvent être montées en classe, avec du matériel que l'on peut trouver sans difficultés: cellule solaire, électro-aimant, pile aux citrons, yo-yo, électrolyse de l'eau et pile au vinaigre. Elles sont détaillées dans des fiches, en annexe. Le moteur à air chaud Observation Le bateau avance. Que s'est-il passé? La bougie chauffe l'air qui monte. Il tape dans la plaque de métal, est renvoyé vers l'arrière du bateau, et permet au bateau d'avancer par réaction. L'énergie sous forme de chaleur s'est transformée en énergie sous forme de mouvement (énergie que l'on appelle aussi énergie cinétique). 8

9 Le moteur à eau Observations Les cuillères se remplissent d'eau l'une après l'autre, le moulin tourne. Que s'est-il passé? L' énergie correspondant à la chute de l'eau s'est transformée en énergie sous forme de mouvement. Le moteur à élastique (1) Observations La boîte avance quand on la lance puis revient sur elle-même. Que s'estil passé? L'élastique s'enroule lorsque la boîte tourne dans un sens, puis il va se dérouler et faire tourner la boîte dans l'autre sens. L'énergie de l'élastique enroulé se transforme en énergie sous forme de mouvement. 9

10 Le moteur à élastique (2) Observations Le bateau avance. Que s'est-il passé? L'élastique enroulé se déroule, entraînant avec lui la palette qui chasse l'eau, ce qui fait avancer le bateau. Refroidissement d'un gaz par détente Matériel nécessaire Une bombe aérosol neuve contenant un produit «sans risque» tel qu un parfum d ambiance, une fenêtre ouverte. Déroulement Il suffit de vider la bombe d aérosol à la fenêtre et de faire constater aux enfant que le corps de la bombe est devenu plus froid. Le refroidissement par la détente d un gaz est le phénomène utilisé dans les réfrigérateurs. Chauffage d'un gaz par compression Matériel nécessaire Une pompe à vélo. Déroulement En actionnant la pompe plusieurs fois de suite, constater que le corps de la pompe est chaud. 10

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13 Une expérience pour le maître L'expérience suivante de dissolution peut être effectuée par le maître, mais nécessite un certain nombre de précautions. Elle permet de mettre en évidence l'échange de chaleur, dans les deux sens: production et consommation, à partir de réactions chimiques. Objectif Montrer la transformation de l'énergie chimique en énergie thermique Matériel trois verres de faible capacité (genre verre à liqueur) du sel de cuisine de la soude en pastille ou en poudre du nitrate d'ammonium de l'eau à température ambiante un thermomètre Réalisation Verser de l'eau dans les trois verres et montrer, par exemple avec le thermomètre, que la température est la même partout. Dissoudre du sel de cuisine dans le premier verre puis vérifier, toujours avec le thermomètre, que la température n'évolue pas. Dissoudre de la soude dans le second verre et montrer que la température du mélange obtenu est plus élevée que la température de l'eau initiale. Dissoudre du nitrate d'ammonium dans le troisième verre et vérifier que la température du mélange est plus basse que la température de l'eau initialement. Commentaires Les processus chimiques mis en jeu lors de la dissolution des différents produits dans l'eau conduisent à un changement de température du milieu ; il y a donc eu production d'énergie sous forme de chaleur à partir d'une source d'énergie chimique, et vice-versa. Une petite précision néanmoins: cette transformation a lieu dans le sens chimique -> thermique pour la soude (puisque la température a augmenté) et dans le sens thermique -> chimique pour le nitrate d'ammonium (la température a diminué car la réaction chimique, pour avoir lieu, a pris de la chaleur à l'eau). Plutôt que d'utiliser un thermomètre, il est peut-être plus impressionnant pour les élèves de toucher directement les verres : si l'on procède de cette manière, il serait astucieux de prendre un quatrième verre d'eau qui servirait de verre témoin afin que les élèves puissent réaliser la comparaison. 13

14 Mise en garde Il faut manipuler la soude avec précaution et ne jamais la toucher directement avec les doigts : c'est un produit caustique, c'est-à-dire qui attaque les tissus vivants, donc attention à la peau (gants) et aux yeux (lunettes). Il faut également ne jamais verser de l'eau sur la soude mais faire l'inverse : verser la soude dans l'eau (la raison est que, si l'on procède de la manière interdite, il y a tellement de soude pour la faible quantité d'eau que la température peut s'élever jusqu'à faire bouillir cette eau versée, projetant une vapeur chargée en soude dans toutes les directions, donc par exemple dans les yeux etc.. En revanche, par la seconde manière, il y a tellement d'eau pour le peu de soude versé que la température ne pourra jamais s'élever suffisamment pour transformer l'eau en vapeur). L'électricité ou le jeu de chaises musicales Beaucoup de questions d'élèves se réfèrent à l'électricité. C'est effectivement une forme d'énergie assez mystérieuse: on appuie sur un interrupteur, et, instantanément, la lampe s'éclaire! Il n'est cependant pas très facile, pour des élèves d'école primaire, d'expliquer les processus microscopiques à l'origine de l'électricité. Il est possible par contre de leur faire comprendre, par une analogie ludique, le principe de fonctionnement : c'est le jeu de chaises musicales! Avant d'arriver à ce jeu, il peut être utile de rappeler aux élèves quelques notions sur la structure élémentaire de la matière. Quelques mots sur la matière La donnée brute de la taille d'un atome, m soit un dix milliardième de mètre, n'est pas très significative pour beaucoup de monde. Une manière simple de "visualiser" la brique élémentaire de la matière, l'atome, est de demander aux élèves ce qui arrive lorsque l'on coupe une feuille de papier en deux, puis un des deux morceaux en deux,... et ainsi de suite. Cela implique tout de suite qu'il faudra rapidement prendre un autre outil que la paire de ciseaux pour couper le morceau de papier, et une loupe pour y voir quelque chose, puis un microscope de plus en plus puissant, et des outils de plus en plus minutieux. Au bout de 26 "coupures de ciseaux", nous arriverons, à partir d'un bout de papier de 1 cm de long, à la taille de l'atome! Cet atome est composé de deux parties: un noyau central formé d'un assemblage de "billes élémentaires", les protons et neutrons. Autour de ce noyau, un certain nombre de particules identiques, 14

15 appelées électrons (avec autant d'électrons qu'il y a de protons dans le noyau), et qui, en première approximation, tournent, à la vitesse de la lumière ( km/s) autour du noyau, comme la lune tourne autour de la terre. Classification des éléments Mendéléïev, un savant russe du XIX ème siècle a établi une classification des éléments. Elle fait l'inventaire de tous les éléments qui existent dans la nature, ou de façon artificielle. Tous ces éléments sont formés à partir des mêmes briques élémentaires: les protons, neutrons et électrons, mais en nombre différent. La classification de Mendéléïev permet de connaître le nombre de protons (et donc d'électrons) et de neutrons de chaque élément. L'élément le plus simple est l'hydrogène (symbole H): il est formé d'un noyau constitué d'un seul proton, avec un électron en orbite autour de lui. L'oxygène, de symbole O, comprend 8 protons, 8 neutrons et 8 électrons. L'atome d'uranium quant à lui comporte 92 protons, 146 neutrons et donc aussi 92 électrons. Certains éléments portent le nom du pays dans lequel ils ont été découverts (Francium, Américium), ou de la personne qui l'a découvert (Curium, Einsteinium) Le cuivre, qui forme les fils électriques, est un atome composé de 29 protons, 34 neutrons et donc de 29 électrons. Le jeu de chaises musicales Tout le monde connaît le jeu de chaises musicales. Il nécessite: un certain nombre de chaises, rangées les unes à la suite des autres de façon à former une boucle. des enfants en nombre juste égal, moins un, au nombre de chaises une musique plus ou moins entraînante. Lorsque la musique démarre, les enfants courent le long des chaises. Ils s'assoient lorsque la musique s'arrête. Un enfant reste alors debout. Mais quel est donc le rapport avec l'électricité dans un circuit? Prenons une pile et branchons un fil électrique continu, qui passe d'une extrémité de la pile à l'autre. Le courant passe, comme peut en témoigner une ampoule (qui s'allume) si on la branche en série sur le circuit. Le fil électrique est composé en général d'atomes de cuivre, rangés dans un assemblage régulier. Compte tenu de la proximité de chaque atome l'un de l'autre, et de l'organisation particulière de ces atomes les uns par rapport aux autres, certains électrons de chaque atome ne vont plus tourner autour de son atome d'origine, mais se "balader" d'atomes en atomes. On dit alors qu'ils sont "délocalisés". 15

16 Que se passe-t-il donc lorsque l'on branche la pile? Les réactions chimiques qui se produisent dans la pile vont alors "récupérer" les électrons "délocalisés" du fil de cuivre, les uns après les autres, à la borne + de la pile, et en renvoyer d'autres dans l'autre extrémité du fil, à la borne -. Dans le fil, les électrons se comportent alors comme les enfants du jeu de chaises musicales: ils vont d'atomes en atomes, comme les enfants vont de chaises en chaises. Et le top de départ est donné par la pile, qui joue ici le rôle de la musique pour entraîner tout le monde! Nous pouvons en fait pousser cette analogie bien plus loin: Si les chaises sont trop confortables (de vrais fauteuils!), les enfants vont rester "avachis" dans leur chaise: le courant ne passe plus! C'est en particulier le cas lorsque les électrons sont trop liés au noyau de leur atome d'origine. Ils ne peuvent plus circuler: on dit alors que le matériau est isolant. De même si la musique n'est pas assez entraînante, les enfants vont préférer rester assis dans leur chaise, et ce d'autant plus facilement que la chaise est confortable: selon le matériau, si la tension de la pile n'est pas assez forte, le matériau peut rester isolant. Par contre, un matériau isolant pour une tension faible, peut devenir conducteur si l'on augmente fortement la tension. Lorsque la musique devient de plus en plus entraînante, les enfants vont se mettre à circuler, même si les chaises sont confortables. Il est clair que le jeu de chaises musicales ne peut marcher que si les chaises sont placées régulièrement les unes par rapport aux autres, en distance et en orientation. Avec des chaises mises n'importe comment, les enfants auront vite fait de se casser la figure, et le jeu s'arrêtera. De même, si l'assemblage des atomes dans le matériau ne suit pas des règles précises, alors le matériau sera isolant. C'est en particulier le cas pour les matières plastiques. Le mouvement des électrons dans le métal crée de la chaleur, car il y a dissipation d'énergie par chocs. Quand il y a trop de frottements, le métal fond car les empilements de cuivre sont déstabilisais. De la même manière, les enfants "perdent" de l'énergie chaque fois qu'ils se cognent dans les chaises (ou tout autre obstacle présent comme des tables,...). Que se passe-t-il dans une ampoule électrique? Le filament des ampoules est en tungstène. Celui-ci, parcouru par un courant, s'échauffe. A haute température, cet échauffement produit un rayonnement visible: l'ampoule brille. Simultanément, la chaleur éjecte peu à peu les atomes de tungstène du filament (agitation thermique: le fil "s'évapore"!) si bien qu'au bout d'un moment, il cassera. De la même manière, à force de se casser la figure sur des chaises, la continuité de la chaîne va être brisée, et le jeu s'arrêtera. 16

17 3. Mise en forme des questions des élèves Pour essayer de clarifier un peu la notion d'énergie d'un système, il est nécessaire de classifier les différentes manifestations exprimées par les élèves (voir tableau de la page 7) en deux grands chapitres: les différentes sources d'énergie, et les différentes formes sous lesquelles l'énergie nous apparaît. Une feuille de cahier d élève est représentée en page 21. Sources d'énergie Les différentes sources d'énergie ne sont en fait que des systèmes de transformation qui permettent de rendre utilisable, sous une certaine forme, une quantité d'énergie emmagasinée dans un élément donné. Les réactions élémentaires mises en jeu dans ces transformations sont de trois types: Réactions chimiques Ce sont elles par exemple qui sont à l'origine de la production d'énergie par combustion de charbon, gaz, bois ou pétrole dans les centrales thermiques, ou dans un simple fourneau ou cheminée. Elles sont aussi à l'origine des processus mis en jeu dans les piles électriques. Elles sont enfin responsables du fonctionnement des réactions élémentaires dans les êtres vivants: un élève arrivera à courir si il a suffisamment mangé (combustible!). Réactions nucléaires Les réactions nucléaires sont celles qui permettent de libérer l'énergie emmagasinée dans un morceau d'uranium, comme cela est fait dans une centrale nucléaire. Ces mêmes réactions nucléaires ont aussi lieu au centre de la terre, et sont à l'origine de l'énorme quantité de chaleur présente sous terre. Celle ci se matérialise sous forme de volcans, mais aussi sous forme de vapeur, ou d'eau très chaude, que l'on peut récupérer: c'est le domaine de la géothermie. Des réactions nucléaires sont enfin à l'origine du fonctionnement du soleil. Ces réactions nucléaires produisent non seulement de la chaleur, mais aussi un rayonnement intense que nous récupérons sur terre. 17

18 Réactions gravitationnelles Ces réactions gravitationnelles s'expriment à différentes échelles. Ce sont elles par exemple qui sont responsables du ballet incessant des planètes autour du soleil. Sur terre, elles font que nous avons bien les pieds sur terre, et qu'une balle lancée en l'air retombera inévitablement. Ces forces agissent aussi sur l'eau emmagasinée dans les lacs de montagne: lorsque cette eau est acheminée par conduite forcée au fond des vallées, elle produit alors de l'électricité dans les centrales hydrauliques. De même, dans l'atmosphère, les mouvements des masses d'air sont déterminés par les forces de gravitation: elles sont ainsi à l'origine des vents qui permettent de faire tourner des éoliennes, et de produire aussi de l'énergie sous forme électrique. Enfin, l'attraction du soleil, combinée à celle de la lune, produit le phénomène des marées: l'énergie ainsi produite peut être récupérée sous forme électrique dans les centrales hydrauliques dites "marée motrice" (usine de la Rance). Formes d'énergie Une fois l'énergie "produite" (comme nous venons de le voir, elle est en fait plutôt "exprimée" car il ne peut y avoir génération spontanée d'énergie!), elle nous apparaît sous quatre formes différentes. Energie cinétique C'est l'énergie représentée par le mouvement de systèmes macroscopiques: chute d'eau, rotation d'un axe de moteur, vélo, voiture,... Energie thermique C'est l'énergie représentée par la production, ou l'absorption de chaleur par un système. Lorsque la température d'un système augmente, son énergie thermique augmente. Si elle diminue, il perd de l'énergie. Energie de rayonnement C'est l'énergie représentée par l'émission de rayonnement, qu'il soit visible (lumière) ou non: soleil, four à micro-onde, ondes radio, télévision, rayons X,... Energie électrique C'est la forme d'énergie liée à la circulation d'électrons dans un circuit conducteur (voir chapitre 2). Comme tout travail de classification, cette distinction entre les quatre formes d'énergie ci-dessus est très simplifiée. 18

19 Notion de conservation de l'énergie Comme nous venons de le voir, tous les systèmes physiques ne sont en fait que des systèmes dans lesquels l'énergie apparaît sous forme différente, mais elle ne peut jamais disparaître ou apparaître spontanément: "rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme!". C'est le principe de conservation de l'énergie. On peut voir assez facilement comment ce principe s'applique à toutes les expériences indiquées dans le chapitre 2 et en annexe. On peut aussi s'amuser à le mettre en évidence dans tous les phénomènes de la vie courante, même si parfois il est très subtilement caché! Nous avons reproduit en Annexe un texte de R. Feynman, Prix Nobel de Physique, sur cette notion pour le moins abstraite. Ce texte est particulièrement instructif tout en étant très simple. 19

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23 4. Conclusion Qu'avons nous appris de l'énergie? Les différentes expériences réalisées en classe, et le travail de clarification des différentes formes sous lesquelles on peut retrouver l'énergie d'un système, permettent de faire ressortir plusieurs notions importantes. Tout d'abord la notion de conservation de l'énergie. Elle est ici comprise dans un sens qualitatif car aucune mesure n'a été faite. Ensuite la notion "d'immatérialité" de l'énergie dans la mesure où tout système a une certaine quantité d'énergie, qui peut être utilisée sous différentes formes. Ces propriétés sont finalement très proches de celles qui caractérisent une notion que les élèves connaissent bien: la notion de "valeur marchande" d'un objet, qu'ils peuvent acheter avec leur argent de poche. On peut acheter un CD par exemple avec son argent de poche. L'élève n'a alors plus de billets, mais un CD qu'il peut revendre, ou échanger contre des bonbons de même valeur marchande. Cette valeur marchande est bien sûr l'analogue de l'énergie d'un système. La notion de "perte d'énergie" dans un système de transformation, au sens où l'énergie que l'on peut récupérer est inférieure à celle que l'on a consommée (en général parce qu'il y a eu frottement, et donc transformation d'une partie de l'énergie en énergie thermique) se traduit même aisément dans cette analogie: un élève qui achète une sucette, et qui ne peut s'empécher de la sucer. La valeur marchande de la sucette est alors moindre, sans possibilité de la reconstruire, par contre "l'énergie" de l'élève a augmenté! Cette analogie avec l'argent de poche, que l'on pourrait sans doute pousser encore plus loin, permet d'énoncer une "définition" de "la quantité d'énergie d'un système" (ou plus communément de l'énergie du système): On dit qu'un système "à une certaine quantité d'énergie" lorsqu'il a la possibilité d'évoluer ou de se transformer; cette possibilité peut n'être que "potentielle" et jamais réalisée. Ainsi un ballon gonflé et bloqué en haut d'une colline a une certaine quantité d'énergie car il peut rouler jusqu'au fond du vallon. Une fois arrivé au fond, il lui reste encore de l'énergie car si on le perce il se dégonflera, et l'air évacué pourra par exemple faire tourner une petite hélice! L'air emprisonné sous pression représente une certaine quantité d'énergie. Une fois dégonflé, il aura encore une certaine quantité d'énergie car on peut le faire brûler et récupérer ainsi l'énergie sous forme de chaleur, produite par les réactions chimiques de combustion de l'enveloppe du ballon! Et ainsi de suite... 23

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25 Annexe A: Fiches expériences Les fiches suivantes rassemblent sous forme synthétique les expériences effectuées devant les élèves. Elles peuvent être réalisées avec du matériel simple, ou achetées à moindre frais. La cellule solaire L'électro-aimant La pile aux citrons Le yo-yo Électrolyse de l'eau et pile au vinaigre 25

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27 La cellule solaire Objectif Mettre en évidence les quatre formes d énergie : rayonnement/ électricité/ mécanique/ thermique et leur transformation l une dans l autre. Notion de conservation de l énergie et de rendement. Matériel Le matériel utilisé a été acheté sous forme de kit auprés du fournisseur Pierron. Il comprend: quelques panneaux solaires à assembler en série ou en parallèle, du fil électrique, un moteur électrique, une hélice. Déroulement Montage: Mise en place des panneaux solaires dans leur cadre Cablage des panneaux en parallèle ou en série selon utilisation Branchement du moteur Expériences: Mise en évidence du phénomène: le moteur tourne lorsque les cellules sont éclairées par le soleil. Mise en évidence d un effet de seuil. Influence du flux lumineux lorsque des nuages masquent le soleil Comment contrôler l énergie transférée: - en cachant un ou plusieurs panneaux. Cela diminue l'intensité si les panneaux sont montés en parallèle, ou la tension si ils sont montés en série. - en mettant une ou plusieurs vitres devant les panneaux. Les vitres absorbent une certaine quantité de rayonnement (la partie dite Ultra-Violette), et c'est donc de l'énergie en moins absorbée par les panneaux. - en mettant des filtres (papier transparent de couleur). En principe, la lumière bleu-violet est plus énergétique que la lumière rouge. Et donc un filtre rouge (ne laissant passer que la lumière rouge) doit absorber plus d'énergie qu'un filtre bleu. L'hélice entrainée par le moteur devrait alors tourner plus lentement. En pratique cependant, l'absorption dépend aussi de l'épaisseur des filtres par exemple, qui n'est pas obligatoirement la même pour tous. A tester donc avant de faire l'ex- 27

28 périence! - en inclinant les panneaux. Pour une incidence rasante, la lumière est en partie réfléchie (on peut se servir du panneau solaire comme miroir!), donc n'est plus transmise aux cellules solaires. La quantité d'énergie reçue par ceux-ci diminue donc. De plus, la lumière transmise parcourt un chemin plus long dans la vitre, et donc est aussi plus absorbée. Mesures quantitatives possibles en branchant un voltmètre et/ou un ampéremètre dans le circuit (pas testé). Ces mesures, pour être significatives, devraient être faites à l'aide d'un projecteur halogène pour avoir un flux lumineux constant. Analyse L énergie est apportée sous forme de rayonnement par le soleil (cf. sources d énergie). Ce rayonnement ( grains de lumières ), lorsqu il est suffisamment fort (effet de seuil) permet de mettre en marche le jeu de chaises musicales (cf. formes d énergie): ces grains de lumière "entrainent" des électrons du matériau (silicium) composant les panneaux solaires: l électricité est générée puis véhiculée dans les fils de câblage jusqu au moteur électrique: l énergie électrique est alors transformée en énergie mécanique qui fait tourner l axe du moteur (cf électroaimant) et entraine une hélice. En même temps que de l énergie mécanique est produite, le moteur chauffe: toute l énergie électrique n est pas transformée en énergie mécanique, mais une partie se retrouve sous forme de chaleur (énergie thermique); le rendement de la transformation d'énergie électrique en énergie mécanique est inférieur à 100%, par contre l énergie totale, en incluant la chaleur, est conservée. 28

29 L'électro-aimant Objectif Mettre en évidence la transformation d'énergie sous forme électrique en énergie sous forme mécanique Matériel nécessaire : Une grosse vis d environ 5 cm de long et 0,8 cm de diamètre et un écrou. 3 mètres de fil émaillé à bobinage. 2 dominos de petite taille. 2 trombones. Une pile plate de 4,5V Un tournevis et du papier de verre. L expérience est réalisable par les enfants par groupes de deux. Déroulement Enrouler le fil autour de la vis en tournant toujours dans le même sens et de façon à laisser dépasser 10 cm de fil au début et à la fin de l enroulement. L écrou sert à maintenir le bobinage sur la vis. A l aide du papier de verre, dénuder les extrémités des fils sur 2 cm 29

30 environ puis les introduire et les immobiliser dans les dominos. Déplier une «patte» de chaque trombone et enfiler un trombone sur chaque pôle de la pile. La fermeture du circuit électrique se fait en introduisant les «pattes» dépliées des trombones dans les dominos. Ne pas laisser le branchement en permanence pour éviter de décharger la pile. Pour constater que l on a bien réalisé un aimant il est possible de : - approcher une boussole dont on verra tourner l aiguille dans un sens ou dans l autre suivant que l on approche la vis par une extrémité ou l autre. Le même effet est obtenu en laissant la boussole d un seul coté de la vis mais en permutant les bornes de la pile - approcher un petit objet métallique (tel qu un trombone), il est attiré. Vérifier qu il ne l est pas en l absence de courant. Avant le branchement approcher un petit aimant permanent de la vis, il se colle à elle, dès la fermeture du circuit il est éjecté pour le sens de branchement correct, sinon permuter les bornes de la pile. De l électro-aimant au moteur électrique La réalisation d un moteur électrique demande plus de soin et de temps, aussi il est possible de présenter le principe du moteur électrique à partir d un petit film de quelques minutes : «Petit voyage en électricité» réalisation Jacques Rouxel, Editions de la Cité des Sciences et de l Industrie, Paris (1996). La présentation est simple et les schémas reprennent le dispositif présenté ci-dessus. Remarque La transformation inverse: d'énergie mécanique en énergie électrique se fait dans une dynamo de vélo. 30