LA MAIN A LA PATE L énergie Cycle 3 L énergie. L énergie cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 1
LA MAIN A LA PATE L énergie Cycle 3 L'énergie. PROGRESSION GENERALE : Séance n 1 : Discussion et questionnaire visant à faire émerger les conceptions initiales des enfants. L'énergie pour déplacer un objet. Séance n 2 : Le vent est une source d'énergie. Les enfants construisent un dispositif permettant d'utiliser l'énergie du vent pour soulever un objet. Séance n 3 : Un objet qui perd de l'altitude est aussi source d'énergie : il permet de déplacer un autre objet. Séance n 4 : (si les élèves ont déjà suivi un module d électricité) Les enfants utilisent une puis plusieurs petites cellules solaires pour allumer des moteurs ou des diodes électroluminescentes (DEL). L'énergie pour chauffer. Séance n 5 : On utilise l'énergie du soleil pour chauffer une petite quantité d'eau. L'énergie pour éclairer. Séance n 6 : Les enfants utilisent une génératrice. Le mouvement est une source d'énergie : grâce à la génératrice, on peut produire de l'électricité et allumer une ampoule. Séances n 7 et n 8 : Les enfants fabriquent une mini-centrale hydroélectrique. Ils utilisent l'énergie de l'eau en mouvement pour faire tourner la génératrice, et pour allumer une ampoule. On pourra se référer pour ce thème aux fiches connaissances suivantes qui se trouvent sur le site Internet du M.E.N et dont l adresse est http://www.eduscol.education.fr/d0027/exsren02.htm : - Energie - Electricité. L énergie cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 2
LA MAIN A LA PATE L énergie Cycle 3 L'énergie. LISTE DU MATERIEL Pour une classe de 30 élèves (7 groupes) : 7 bouchons en liège (à apporter de la maison) 7 longues règles (de la classe) de la pâte à modeler de la ficelle (environ 10 m) 14 trombones 7 bouteilles en plastique (à apporter de la maison) 7 bouchons de bouteille en plastique (à apporter de la maison) 7 moulins fixés sur des tiges en bois (à réaliser avant la séance) 7 gobelets en plastique du papier noir et du papier blanc 21 petits miroirs 14 thermomètres 7 cellules solaires 7 ampoules 3.5V + 7 douilles 28 cordons à pinces crocodiles 7 diodes électroluminescentes (DEL) 7 génératrices (dynamos) 1 pistolet à colle 60 petites cuillères en plastique du papier cartonné L énergie cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 3
L ENERGIE (cycle 3) Place dans le programme : La matière et l énergie : exemples simples de sources et de production d énergie ; consommation et économie d énergie. Connaissances : l utilisation d une source d énergie est nécessaire pour chauffer, éclairer, mettre en mouvement. 1. QUESTIONNEMENT INITIAL (séance1) Recueillir les conceptions et connaissances initiales des élèves. Energie, source d énergie. On peut engager la discussion en posant quelques questions du type : Qu est ce que l énergie? A quoi sert l énergie? Connaissez-vous des sources d énergie? Distribuer un dessin représentant quelques objets simples (un voilier, une lampe, un vélo...) et demander d identifier la source d énergie. 2. LE VENT COMME SOURCE D ENERGIE (séance 2) Utiliser l énergie du vent pour déplacer un objet. Energie éolienne, pale, rotation, vent. un moulin en papier fixé sur une baguette du fil de fer (par exemple 2 trombones) de la ficelle une demi-bouteille en plastique un petit objet à soulever (par exemple une pièce de 5 c d euros). pour le moulin : une feuille de papier cartonné carrée (20 X 20cm), une baguette, une attache parisienne, du scotch L énergie cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 4
L enseignant démarre la discussion en demandant aux élèves quels sont les effets du vent dehors (les arbres bougent, les feuilles volent). Puis il leur demande de citer quelques objets qui montrent que le vent est une source d énergie (un moulin à vent, un voilier...). Ensuite il lance le défi suivant : soulever un objet en utilisant l énergie du vent. On leur laisse le temps d en discuter dans chaque groupe et de faire un schéma du montage, puis chaque groupe vient chercher son matériel. On associe ici «Energie» à «Provoquer un mouvement» suivant le schéma : Le mouvement de l air Dispositif Le mouvement d un objet. Voici quelques propositions d expériences : Dispositif permettant de monter un objet : trombone tige en bois ficelle objet à soulever moulin à vent vent Pour que ce dispositif fonctionne bien, il faut minimiser les frottement avec la tige de bois. fond de bouteille On peut aussi envisager le principe de l ascenseur : Table ou support bien lisse pour éviter qu il y ait trop de frottements feuille de papier sur laquelle on souffle objet à soulever construction du moulin (prévoir de le faire avant la séance) : 1. prendre une feuille de papier cartonné carrée (20 X 20 cm) 2. découper selon les pointillés 3. percer le centre avec une attache parisienne 4. rabattre au centre les angles marqués d un point et les fixer avec du scotch sur la tête de l attache parisienne puis attacher les pattes de l attache parisienne sur la tige en bois avec du scotch L énergie cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 5
3. L ENERGIE D UN OBJET SITUE EN HAUTEUR (séance 3) Utiliser un objet perdant de l altitude pour déplacer un autre objet. Altitude, contrepoids, poids. un bouchon en liège une longue règle de la pâte à modeler 1m de ficelle. La séance commence par une discussion. Peut-on déplacer un objet sans utiliser une source d énergie? Que fait une petite voiture placée en haut d une pente? L enseignant annonce ensuite aux élèves que le but de la séance est de montrer qu un objet en train de descendre devient une source d énergie. Il lance alors un défi aux élèves : inventer une expérience où un objet qui descend permet d en faire bouger un autre. On leur laisse le temps d en discuter dans chaque groupe et de faire un schéma du montage, puis chaque groupe vient chercher son matériel. Voici quelques propositions d expériences : le principe du levier : On pourra aborder l'influence de la hauteur initiale de l'objet et de son poids objet qui sera projeté en l'air (pâte à modeler) Règle Bouchon en liège l utilisation d un contrepoids : Objet A qui se déplace A Table B Objet B initialement situé au niveau de A et qui perd de l altitude. (on pourra rajouter un plan incliné pour faire monter l objet ; on peut aussi utiliser une poulie pour diminuer les frottements) L énergie cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 6
4. DE L ENERGIE SOLAIRE A L ENERGIE ELECTRIQUE (séance 4) Cette séance ne peut être faite que si les élèves ont déjà suivi un module d électricité et la mise en place des montages électriques (en particulier le montage de la DEL et des cellules solaires en série) devra faire l objet d une étude préliminaire. Utiliser l énergie du Soleil pour déplacer un objet (faire fonctionner un moteur électrique) et éventuellement allumer une Diode Electroluminescente (DEL). Cellule photo-sensible, DEL, énergie solaire, montage en série, montage en dérivation. une DEL une cellule photo-sensible des cordons crocodile une journée ensoleillée une calculatrice solaire. La séance commence par une discussion : connaissez-vous d autres applications de l énergie solaire? Observer une calculette solaire. Avec quelle énergie fonctionne-t-elle? Distribuer une cellule photo-sensible, un moteur et des fils pour chaque groupe. On lance le défi suivant : allumer un moteur en utilisant l énergie du soleil. On peut ensuite demander aux élèves d allumer une DEL. Avec une seule cellule cela ne marche pas. Si les élèves se souviennent bien du module électricité, ils auront peut-être l idée de mettre plusieurs cellules en série. Lumière du Soleil DEL Cordon croco Cellule solaire Pour l utilisation de la DEL, il faut veiller à respecter la polarité des bornes. L énergie cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 7
5. L ENERGIE DU SOLEIL POUR CHAUFFER (séances 5 et 6) Utiliser l énergie du Soleil pour chauffer. Absorption, réflexion. des gobelets en plastique des petits miroirs du papier noir et blanc (pour faire des boîtes noires et blanches à partir des gobelets) 2 thermomètres des objets de différentes couleurs un jour ensoleillé Cette leçon se déroule sur deux séances. Lors de la première séance on demande d abord aux élèves de placer divers objets de différentes couleurs au soleil. Quelles différences constatezvous? Dans un second temps on lance le défi aux élèves d éclairer un objet situé à l ombre. Ils devront penser à l utilisation de miroirs. La seconde séance commence par une discussion : la nécessité d une source d énergie pour se chauffer. Comment chauffer? (le radiateur, le feu...) Cette discussion est suivie d un défi : obtenir l eau la plus chaude possible en utilisant l énergie du soleil. Les élèves doivent parvenir à combiner les résultats des deux expériences précédentes pour aboutir à un montage où plusieurs miroirs réfléchissent la lumière du soleil sur une boîte noire. Il est intéressant de comparer les différences de températures atteintes dans des boîtes noires et des boîtes blanches. Dessin de l expérience : Rayons du Soleil Miroirs Boite noire remplie d eau L énergie cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 8
Les thermomètres ne doivent pas rester en permanence dans les récipients exposés au Soleil mais placés régulièrement et enlevés après lecture pour qu il n y ait pas de confusion dans l esprit des élèves entre l eau exposée et les thermomètres exposés. 6. LE MOUVEMENT COMME SOURCE D ENERGIE (séance 6) Comprendre le rôle d une génératrice de bicyclette (dynamo). Production d énergie électrique et utilisation de l énergie électrique pour éclairer. Dynamo, énergie électrique, génératrice. une génératrice 2 fils-crocodiles une ampoule 3.5V + douille Pour cette séance il serait bien de disposer d un vélo dont l éclairage se fait avec une génératrice. Les élèves observent la génératrice, essayent de comprendre comment elle fonctionne. Puis on distribue une génératrice, deux fils et une ampoule avec douille aux élèves et on leur lance le défi de l allumer. Ampoule Cordon croco Génératrice En principe, l ampoule devrait alternativement s allumer et s éteindre. Si la génératrice tourne vite, cela peut ne pas se voir et donne l impression de s allumer continûment. Pour aller plus loin : On peut aborder le fonctionnement de la génératrice en la démontant (selon le modèle), en constatant qu elle contient des fils et un aimant, et en fabriquant un électro-aimant. Les élèves peuvent alors comprendre que grâce à l électricité on peut créer un aimant. C est une façon d admettre qu inversement, grâce à un aimant on peut créer de l électricité. L énergie cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 9
D autre part l enseignant peut montrer qu un petit moteur électrique 6 V que l on fait tourner par exemple en enroulant une ficelle sur l axe du rotor et en tirant rapidement pour le faire tourner assez vite, produit aussi de l électricité. Dans le cas du démontage de la génératrice, faire attention au ressort comprimé à l intérieur (risque de projections). Le remontage de la génératrice est également assez difficile, il faut resserrer le ressort d un tour. Pour éviter ces désagréments vous pouvez tout aussi bien démonter un petit moteur électrique 6 V. 7. CONSTRUCTION D UNE MINI-CENTRALE ELECTRIQUE (séances 7 et 8) Concevoir et réaliser une petite centrale hydroélectrique. Centrale hydraulique, DEL, énergie hydraulique, roue à aube. une génératrice des fils croco une ampoule + douille du matériel pour roue à aube : un bouchon en plastique, des pâles (petites cuillères en plastique) Pour la classe : un pistolet à colle (pour fixer les cuillères sur le bouchon) Après avoir brièvement expliqué le fonctionnement d une centrale, on demande aux élèves d imaginer une petite «centrale hydraulique», c est à dire d utiliser l énergie de l eau et une génératrice pour allumer une ampoule. Après une discussion collective, on décide du matériel nécessaire. La séance suivante est consacrée à la réalisation de la «centrale» : La liaison génératrice - axe n est pas facile à réaliser à moins d avoir un pistolet à colle ou de la super-glue. Les petites cuillères en plastique sont fixées dans les trous préalablement percés sur le bouchon. Le jet d eau doit être assez puissant. On peut utiliser un tuyau d arrosage en extérieur. Prévoir des serpillières... L énergie cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 10
Cuillère en plastique Bouchon en plastique Génératrice Pour aller plus loin : On pourra visiter une centrale électrique. L énergie cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes 11