pour chauffer un logement? SEQUENCE N 3 dans les systèmes de chauffage et pourquoi? Partie abordée Les matériaux
CI1 : Séquence 3 Organisation : Classe Groupe Durée : 4H00 Type de démarche : Investigation Résolution de problème Nouvelles compétences disciplinaires visées Ra6-4 : classer de manière qualitative plusieurs matériaux selon une propriété simple imposée par les contraintes que doit satisfaire l objet technique. Ra7-4 : interpréter un essai pour mettre en évidence une propriété électrique ou thermique donnée. Ra8-4 : mettre en relation le choix d un matériau pour un usage donné, son coût et sa capacité de valorisation. R7-4 : mettre en place un essai pour mettre en évidence une propriété électrique ou thermique donnée. R8-4 : vérifier la capacité de matériaux à satisfaire une propriété donnée. Nouvelles compétences du socle commun visées Présenter la démarche suivie, les résultats obtenus, communiquer à l aide d un langage adapté. (validation si les compétences Ra6-4, Ra7-4 et Ra8-4 sont acquises). L'élève ordonne et structure une solution, une conclusion, un ensemble de résultats. Nouvelles compétences du B2I visées Pré requis, compétences à réinvestir Pré-requis à vérifier lors de l évaluation diagnostique : S2-6 : nommer les 5 grandes familles de matériaux. Ra9-6 : identifier des solutions techniques qui assurent une fonction technique. Ra11-6 : distinguer matériau et matériel. Ra12-6 : indiquer à quelle famille appartient un matériau. Compétences réinvestis et à évaluer : Ra13-6 : classer les matériaux par rapport à l une de leurs caractéristiques. Ra14-6 : mettre en relation le choix d un matériaux pour un usage donné, son coût et sa capacité de recyclage. Ra8-5 : interpréter un essai pour définir de façon qualitative une propriété donnée. Ra9-5 : classer de manière qualitative plusieurs matériaux selon une propriété simple à respecter. C1-4 : Décrire sous forme schématique, le fonctionnement de l objet technique. Notions abordées Evaluation Propriétés électriques et thermiques d un matériau. Aptitude d un matériau à la mise en forme. Coût de mise à disposition et valorisation (écologie). Evaluation diagnostique lors de la réalisation de la fiche d investigation 1/6. Evaluation formative lors de la réalisation des fiches d investigations 2/6 et 3/6. Evaluation bilan à partir des fiches d investigation 4/6, 5/6 et 6/6. Remarques pour améliorer la séquence
CI1 : Séquence 3 Déroulement : Première séance (1H00) Introduction (situation déclenchante) : Phase collective. Le professeur commence par un rappel des séquences précédentes. Nous avons vu que pour répondre à une même fonction d usage, il existe plusieurs solutions techniques et que chacune d elles correspond à un usage particulier (lieu, condition d utilisation, etc.). Exemples : pour chauffer un logement on peut utiliser une cheminée, un radiateur, une pompe à chaleur, etc. Qu en fonction de la solution technique choisit, les énergies mises en œuvre diffèrent. Exemples : La cheminée utilise le bois comme source d énergie, une pompe à chaleur utilise les calories qui se trouvent dans la nature (eau, sol, air) et l énergie électrique, etc. Le professeur sort alors quelques objets techniques permettant de répondre à la fonction d usage «chauffer un logement à partir de l énergie électrique» : convecteur électrique, chauffage électrique au sol, etc. (ou il projette au vidéo projecteur des photos de ces objets techniques). Il demande aux élèves ce qui différencie ces objets hormis les énergies utilisées et le principe de fonctionnement (design, matériaux, etc.). Introduction (émergence des pré requis) : Phase collective. Il vérifie si les élèves savent faire la différence entre matériau et matériel mais il s assure également de leur connaissance sur les familles de matériaux (il rappelle si besoin les 5 grandes familles vues en sixième : métaux et alliages de métaux / plastiques et caoutchoucs / verres et céramiques / organiques / minéraux). Matériel : ATTE TIO : Cette séance nécessite 2 convecteurs électriques ; 2 échantillons de chauffage électrique au sol et 2 convecteurs soufflants (peu importe s ils fonctionnent). Convecteurs en panne à récupérer auprès des parents d élèves ou des déchetteries. Vidéo projecteur Fiche d investigation 1/6 vierge (à projeter au VP) 1 planche d étiquettes pour 12 élèves Correction de la fiche d investigation 1/6 (à projeter au VP) Appropriation du problème : Phase collective. Le professeur met en place un conflit sociocognitif permettant de répondre à la question : «Est-il possible d utiliser n importe quel matériau pour fabriquer un système de chauffage et pourquoi?» Formulation de conjectures, d hypothèses, de protocoles possibles : Phase individuelle Le professeur oriente le débat afin de faire ressortir les critères qui entrent dans le choix des matériaux (propriété des matériaux, environnement, prix, disponibilité, façonnage, etc.) Les élèves formulent des conjectures. Le professeur les note au tableau pour revenir dessus lors de la synthèse et ainsi faire le lien entre les matériaux utilisés dans les objets étudiés et les critères à prendre en compte (propriété intrinsèque ) Investigation : Activité en groupe (6 groupes de 4 à 5 élèves) Le professeur divise la classe en 6 groupes (1 par objet technique à étudier). Les élèves étudient l objet technique mis à leur disposition et recherchent, les réponses permettant de compléter la fiche d investigation 1/6 vierge présentée par le professeur. Synthèse de l investigation : Phase collective Les élèves présentent le résultat de leur investigation. Le professeur apporte les corrections nécessaires et complète la fiche d investigation 1/6 vierge en portant l attention sur le type de plastique utilisé pour le convecteur soufflant. Il peut demander à un élève d aller chercher sur le NET la température de fusion de ce matériau et de le comparer avec d autre plastique pour faire ressortir le lien entre le choix d un matériau et ses propriétés intrinsèques. Le professeur distribue une planche d étiquette par élève. Les élèves recopient et complètent la fiche d investigation 1/6. Conclusion de la séance : Phase collective Le professeur conclut cette séance en attirant l attention des élèves sur le fait que le choix des matériaux entrant dans la fabrication d une pièce se fait en fonction de plusieurs critères : le prix, la fonction à assurer, le principe de fonctionnement du système, la forme de la pièce (capacité de façonnage du matériau), mais surtout en fonction des propriétés intrinsèques des matériaux (résistance à la chaleur, conductivité thermique, masse volumique, coefficient de dilatation, etc.). Le professeur donne le travail à faire pour la prochaine séance. Travail à réaliser pour la séance suivante : - Finir de copier la fiche d investigation 1/6. Si un élève demande : «qu est ce qu une propriété Intrinsèque?», le professeur précise que nous rechercherons la réponse à cette question dans la séance suivante.
CI1 : Séquence 3 Déroulement : Deuxième séance (1H00) Introduction (situation déclenchante) : Phase collective. Le professeur commence par un rappel de la séance précédente. Nous avons vu que l un des critères de choix des matériaux permettant de répondre à une fonction technique correspond aux propriétés intrinsèques des matériaux. Appropriation du problème : Phase collective. «Qu est ce qu une propriété intrinsèque d un matériau?» et «quelles sont ces propriétés?». Voici les questions auxquelles les élèves auront à répondre au cours de l investigation. Matériel : Vidéo projecteur 1 ordinateur par élève ou par binôme Fiche d investigation 2/6 vierge (à projeter au VP) Correction de la fiche d investigation 2/6 (à projeter au VP) Formulation de conjectures, d hypothèses, de protocoles possibles : Phase individuelle Les élèves formules des hypothèses sur la définition de «propriétés intrinsèques». Le professeur les note au tableau pour s en servir lors de la synthèse afin de confronter les hypothèses et le résultat de l investigation. Investigation : Phase individuelle. Le professeur propose de chercher la définition et de trouver le maximum de propriétés intrinsèques de matériau. Les élèves se dirigent vers les postes informatique et recherchent le maximum d informations sur les propriétés des matériaux (maximum 15 min). Le professeur s assure que les élèves utilisent correctement les moteurs de recherche et se dirigent vers les bons sites (évaluation formative pour le B2I : compétences C4.3 et C4.5). Ils recopient et complètent la fiche d investigation 2/6 depuis le site du professeur. Synthèse : Phase collective Le professeur projette au tableau la fiche d investigation 2/6 et la complète avec les réponses des élèves. Conclusion de la séance : Phase collective Le professeur revient éventuellement sur les problèmes rencontrés lors de la recherche sur le NET et notamment sur le fait qu il est nécessaire d effectuer un tri dans les réponses trouvées en fonction de la pertinence de celles-ci. Il précise également que lorsque l on note une définition il faut savoir l expliquer. Il est donc nécessaire d approfondir sa recherche afin de pouvoir comprendre tous les mots présents dans la définition de départ. Le professeur donne le travail à faire pour la prochaine séance. Travail à réaliser pour la séance suivante : - Finir de copier la fiche d investigation 2/6. - Copier les fiches d investigation 3/6 et 4/6
CI1 : Séquence 3 Déroulement : Troisième séance (1H00) Introduction (situation déclenchante) : Phase collective. Le professeur commence par un rappel des séances précédentes. Nous avons vu que l un des critères de choix des matériaux permettant de répondre à une fonction technique correspond aux propriétés intrinsèques des matériaux. Il demande à un élève d expliquer ce qu est une propriété intrinsèque et de donner des exemples. Il sort alors quatre convecteurs électriques à partir desquels les élèves vont devoir travailler afin de déterminer les propriétés intrinsèques qui ont pu être pris en compte pour le choix de tel ou tel matériau selon la fonction technique de la partie du convecteur pour laquelle il a été choisit. Appropriation du problème : Phase collective. «Quel est le lien entre les propriétés intrinsèques d un matériau et son utilisation dans un objet technique?», «e faut-il prendre en compte que ces propriétés pour le choix d un matériau?», «Quels sont les autres propriétés à prendre en compte?» (prix, disponibilité, façonnage, etc.). Voici les questions auxquelles les élèves auront à répondre au cours de l investigation. Matériel : Vidéo projecteur 1 ordinateur par élève ou par binôme 1 fiche d investigation 4/6 par élève Fiche d investigation 3/6 vierge (à projeter au VP) Correction de la fiche d investigation 3/6 (à projeter au VP) Formulation de conjectures, d hypothèses, de protocoles possibles : Phase individuelle Les élèves formules des conjectures afin de déterminer ce qui, selon eux, intervient dans le choix d un matériaux dans la conception d une pièce à fabriquer. Pour chaque critères donné par les élèves, le professeur demande : s il s agit d une propriété intrinsèque ou non? Investigation : Phase individuelle. Le professeur aura préalablement préparer 4 îlots équipés chacun d un convecteur électrique. Le professeur réparti les élèves en 4 groupes. Chaque groupe se dirige vers un îlot et démonte le convecteur afin de déterminer le rôle de chaque partie. Les élèves complètent les fiches d investigation 3/6 et 4/6 en effectuant les recherches nécessaires sur le NET. Synthèse : Phase collective Le professeur ramasse la fiche d investigation 4/6 afin de procéder à l évaluation. Un élève de chaque groupe vient compléter une partie de la fiche d investigation 3/6 projetée au tableau avec les résultats de l investigation réalisée par son groupe. Conclusion de la séance : Phase collective Le professeur conclut en attirant l attention des élèves sur deux points : Lors de la conception d un produit, le choix d un matériau qui va permettre de fabriquer une pièce se fait selon la fonction que doit assurer cette pièce. Pour mettre en évidence les propriétés des matériaux il est nécessaire de mettre en place des essais sur des échantillons et que le choix de ces échantillons se fait en fonction d autres critères qui ne sont pas forcément liés aux propriétés intrinsèques des matériaux (prix de la matière première, disponibilité, facilité de recyclage, etc.) Le professeur donne le travail à faire pour la prochaine séance. Travail à réaliser pour la séance suivante : - Copier les fiches d investigation 5/6 et 6/6
CI1 : Séquence 3 Déroulement : quatrième séance (1H00) Introduction (situation déclenchante) : Phase collective. Le professeur commence par un rappel des séances précédentes. Nous avons vu que le choix des matériaux se faisait en fonction de différents critères et notamment de leurs propriétés intrinsèques. Dans le cas des objets que nous avons étudiés, il s agissait principalement de la résistance à la chaleur, de la résistivité électrique et de la conductivité thermique. Appropriation du problème : Phase collective. «Quels sont les moyens à mettre en œuvre pour vérifier une propriété d un matériau? Comment choisir les matériaux à tester? Quelle interprétation peut-on faire d un essai? Comment peut-on s assurer du résultat d un essai?» Voici autant de questions auxquelles les élèves auront à répondre au cours de l investigation. Le professeur propose de mettre en place les essais permettant de vérifier la conductivité thermique de différents métaux afin de comprendre le choix des matériaux fait par les fabricants de convecteur électrique pour la fabrication de la carcasse, pour le fil conducteur et pour le radiateur. Matériel : Vidéo projecteur 1 ordinateurs par groupe 1 fiche d investigation 5/6 et 6/6 par élève Correction des fiches d investigation 5/6 et 6/6 (à projeter au VP) 1 fiche synthèse par élève 4 mallettes sur la conductivité thermique Formulation de conjectures, d hypothèses, de protocoles possibles : Phase individuelle Les élèves proposent un protocole pour le test de conductivité thermique. Le professeur dirige le débat pour faire ressortir différentes façon de tester cette propriété. Investigation : Phase individuelle. Le professeur aura préalablement préparer 4 îlots ( chaque îlot est équipé d une mallette sur la conductivité thermique des métaux). Le professeur réparti les élèves en 4 groupes. Chaque groupe se dirige vers un îlot et les élèves réalisent l essai en suivant la fiche de procédure qui se trouve dans la mallette. Les élèves complètent les fiches d investigation 5/6 et 6/6 avec les résultats de leur essai. Chaque groupe effectue les recherches sur Internet pour trouver le coefficient de conductivité thermique des métaux afin de corroborer les essais réalisés en classe. ATTENTION : rappeler aux élèves que, dans l explication de l essai mis en place de la fiche d investigation 5/6 ils doivent impérativement indiquer les énergies mis en œuvre dans le système (transformation de l énergie électrique en énergie thermique par le fer à souder). Synthèse : Phase collective Le professeur ramasse les fiches d investigation 5/6 et 6/6. Un élève de chaque groupe vient faire la synthèse de l investigation réalisée par son groupe. Le professeur portera son attention sur les justification données dans le choix des matériaux pour réaliser les fonctions techniques (fiche d investigation 6/6) Conclusion de la séance : Phase collective Le professeur conclut la séance en revenant éventuellement sur les problèmes rencontrés lors de l interprétation des résultats de l essai. Le professeur donne le travail à faire pour la prochaine séance. Conclusion de la séquence : Phase collective Le professeur conclut la séquence en attirant l attention des élèves sur deux points : - Lors de la conception d un produit, le choix d un matériau qui va permettre de fabriquer une pièce se fait selon la fonction technique que doit assurer cette pièce. - Pour mettre en évidence les propriétés des matériaux il est parfois nécessaire de mettre en place des essais sur des échantillons et que le choix de ces échantillons se fait en fonction d autres critères qui ne sont pas forcément liés aux propriétés intrinsèques des matériaux (prix de la matière première, disponibilité, facilité de recyclage, etc.) Travail à réaliser pour la séance suivante : - Copier la fiche synthèse
Fiche d investigation 1/6 : Les matériaux utilisés dans la fabrication des systèmes de chauffage étudiés Système étudié Echantillon de chauffage électrique au sol Famille(s) de matériau(x) et matériau(x) utilisé(s) Solution technique et matériau utilisés pour la fonction technique Fonction technique : Eviter la chaleur produite de se disperser dans le sol Solution technique :... Matériau utilisé :. Fonction technique : Eviter que l utilisateur se brûle avec la chaleur produite par la résistance. Solution technique :... Convecteur électrique Matériau utilisé :. Fonction technique : Eviter que l utilisateur se brûle avec la chaleur produite par la résistance. Solution technique :... Convecteur électrique soufflant Matériau utilisé :.
Fiche d investigation 2/6 : Les propriétés des matériaux qui entrent Nous avons vu que pour réaliser une fonction technique, les fabricants tenaient compte notamment des propriétés intrinsèques des matériaux pour choisir celui qui est le mieux adapté. Qu est ce qu une propriété intrinsèque d un matériau?...... Exemples de propriétés intrinsèques: -... -... -... -... -... -... Dans notre investigation, nous allons nous pencher tout particulièrement sur les propriétés permettant de satisfaire la fonction technique «diffuser la chaleur dans une pièce d un logement». Dans notre cas, il faudra donc se pencher sur les propriétés thermiques des matériaux et notamment leur point de fusion (résistance à la chaleur) et leur conductivité thermique. Qu est ce que le point de fusion d un matériau?...... Qu est ce la conductivité thermique d un matériau?...... Le choix d un matériau pour la conception d une pièce est aussi réalisé en fonctions d autres propriétés tels que son prix, sa capacité de valorisation, sa disponibilité, etc.
Fiche d investigation 3/6 : Les matériaux utilisés dans la fabrication d un convecteur Élément étudié Rôle(s) de l élément étudié Matériau(x) utilisé(s) pour la fabrication de l élément Propriété(s) intrinsèque(s) pris en compte pour le choix des matériaux Corps (carcasse) Fil conducteur du fil électrique Gaine du fil électrique Résistance Radiateur Bouton
Fiche d investigation 4/6 : Recherchez sur Internet la résistivité électrique de chacun des matériaux ci-dessous et classez les du plus conducteur au moins conducteur. Résistivité électrique des matériaux Fer ou acier Cuivre Aluminium Laiton Résistivité électrique à 300 K (en Ωm) Classement du plus conducteur au moins conducteur (de 1 à 4) Recherchez le prix au kilo des matières premières ci-dessous et classez les dans l ordre décroissant. Prix des matières premières Fer ou acier Cuivre Aluminium Laiton Prix au kilo Classement du moins cher au plus cher (de 1 à 4) Recherchez le prix au kilo des matières premières ci-dessous et classez les dans l ordre croissant les matières de la plus facile à recycler à la plus compliquée : Fer ou acier Cuivre Aluminium Laiton Capacité de valorisation Méthode de tri pour le recyclage Classement du plus facile à recycler au moins facile à recycler Compétence(s) évaluée(s) : iveau (0 à 4 / 5 à 8 / 9 à 12) Ra6-4 : classer de manière qualitative plusieurs matériaux selon une propriété simple imposée par les contraintes que doit satisfaire l objet technique. on acquis / en cours d acquisition / Acquis
Fiche d investigation 5/6 : Etude de la conductivité thermique Notez ci-dessous les consignes de sécurité que vous devez respectez pour mettre en place l essai..... Expliquez ci-dessous l essai mis en place pour déterminer la conductivité thermique de l aluminium, de l acier, du laiton et du cuivre à l aide d un texte et d un schéma. Schéma représentant l essai mis en place : Texte d explication de l essai mis en place :............ Compétence(s) évaluée(s) : R7-4 : mettre en place un essai pour mettre en évidence une propriété électrique ou thermique donnée. R8-4 : vérifier la capacité de matériaux à satisfaire une propriété donnée. C1-4 : Décrire sous forme schématique, le fonctionnement de l objet technique. iveau on acquis / Acquis on acquis / Acquis on acquis / en cours d acquisition / Acquis Classez de 1 à 4 les métaux du plus conducteur au moins conducteur thermique en fonction de l essai que vous venez de réaliser et recherchez sur Internet les coefficients de conductivité thermique de chacun d eux. Matériaux étudié Acier Cuivre Aluminium laiton Classement du plus conducteur au moins conducteur (de 1 à 4) Coefficient de conductivité thermique Compétence(s) évaluée(s) : iveau (0 à 1 / 2 à 3 / 4) Ra7-4 : interpréter un essai pour mettre en évidence une propriété électrique ou thermique donnée. on acquis / en cours d acquisition / Acquis
Fiche d investigation 6/6 : Justification des choix des matériaux Expliquez ci-dessous ce qui justifie le choix de l acier pour la fabrication du corps du convecteur en prenant en compte sa fonction technique, la conductivité thermique, le prix au kilo et la facilité de recyclage du fer ou de l acier. Pourquoi le corps du convecteur est-il en acier?...... Expliquez ci-dessous ce qui justifie le choix de l aluminium pour la fabrication du radiateur du convecteur en prenant en compte sa fonction technique, la conductivité thermique, le prix au kilo et la facilité de recyclage de l aluminium. Pourquoi le radiateur du convecteur est-il en aluminium?...... Expliquez ci-dessous ce qui justifie le choix du cuivre pour la fabrication du fil électrique du convecteur en prenant en compte sa fonction technique, la résistivité électrique, le prix au kilo et la facilité de recyclage du cuivre. Pourquoi le fil conducteur du convecteur est-il en cuivre?...... Compétence(s) évaluée(s) : iveau (0 à 4 / 5 à 8 / 9 à 12) Ra8-4 : mettre en relation le choix d un matériau pour un usage donné, son coût et sa capacité de valorisation. on acquis / en cours d acquisition / Acquis
Fiche synthèse 6/6 : Ce que vous devez savoir faire : Ra6 : Classer de manière qualitative plusieurs matériaux selon une propriété simple imposée par les contraintes que doit satisfaire l objet technique. Ra7 : Interpréter un essai pour mettre en évidence une propriété électrique ou thermique donnée. Ra8 : Mettre en relation le choix d un matériau pour un usage donné, son coût et sa capacité de valorisation. R4 : Mettre en place un essai pour mettre en évidence une propriété électrique ou thermique donnée. R5 : Vérifier la capacité de matériaux à satisfaire une propriété donnée. 1. A savoir : Le choix du matériau entrant dans la fabrication d un objet technique s effectue en fonction des caractéristiques intrinsèques des matériaux mais également en fonction du coût et des capacités de valorisation de celui-ci. Exemples de propriétés intrinsèques: Propriétés physiques : couleur, rugosité, etc. Propriétés thermiques : résistance à la chaleur, conductivité thermique, point de fusion, etc. Propriétés électriques et magnétiques : conductivité électrique, etc. Propriétés mécaniques : dureté, adhérence, masse volumique, élasticité, etc. Propriétés acoustiques : conductivité acoustique, etc. Nous avons vu, lors de cette activité, que pour vérifier la capacité d un matériau à satisfaire une propriété donnée, il y avait deux solutions : - se baser sur des données techniques déjà existantes (Internet, documents techniques, etc.), - effectuer des essais sur des échantillons de matériaux. Après avoir réalisé un essai permettant de vérifier la capacité d un matériau à satisfaire une propriété donnée il faut interpréter les résultats et classer les matériaux en fonction du critère imposé par les contraintes techniques que doit satisfaire l objet. 2. Pour s entraîner à la maison : Rechercher à quoi correspond la température de transition vitreuse des matières plastiques : Compléter le tableau ci-dessous en classant les matières plastiques ayant la température de transition vitreuse du plus bas au plus élevé. Polyméthyl méthacrylate (PMMA) Polyéthylène téréphtalate (PET) Polychlorure de vinyle (PVC) Polystyrène (PS)
Correction fiche d investigation 1/6 : Les matériaux utilisés dans la fabrication des système de chauffage étudiés Système étudié Echantillon de chauffage électrique au sol Famille(s) de matériau(x) et matériau(x) utilisé(s) Métaux et alliages de métaux (câble conducteur) Plastique (gaine du câble et isolant) Verre et céramique (revêtement carrelage) Minéraux (sable / gravier / ciment) Matériau utilisés pour la fonction technique Fonction technique : Eviter la chaleur produite de se disperser dans le sol Solution technique : Pose d un matériau isolant entre le fil chauffant et le sol. Matériau utilisé : Polystyrène expansé Convecteur électrique Convecteur électrique soufflant Métaux et alliages de métaux (corps du radiateur) Plastique (bouton du thermostat) Métaux et alliages de métaux (moteur et l hélice du ventilateur) Plastique (ensemble du corps) Fonction technique : Eviter que l utilisateur se brûle avec la chaleur produite par la résistance. Solution technique : Mise en place d une coque de protection autour de la résistance Matériau utilisé : Acier Fonction technique : Eviter que l utilisateur se brûle avec la chaleur produite par la résistance. Solution technique : Mise en place d une coque de protection autour de la résistance Matériau utilisé : Polytétrafluore ou Polytétrafluoroéthylène
Correction fiche d investigation 2/6 : Les propriétés des matériaux Nous avons vu que pour réaliser une fonction technique, les fabricant tenaient compte notamment des propriétés intrinsèques des matériaux pour choisir celui qui est le mieux adapter. Qu est ce qu une propriété intrinsèque d un matériau? Il s agit des propriétés directement liées au matériau lui-même et non à son environnement. Exemples de propriétés intrinsèques: Aspect physique : couleur, rugosité, etc. Propriétés thermiques : résistance à la chaleur, conductivité thermique, point de fusion, etc. Propriétés électriques et magnétiques : conductivité électrique, etc. Propriétés mécaniques : dureté, adhérence, masse volumique, etc. Propriétés acoustiques : conductivité acoustique, etc. Propriétés chimique : composition chimique, etc. Dans notre investigation, nous allons nous pencher tout particulièrement sur les propriétés permettant de satisfaire la fonction technique «diffuser la chaleur dans une pièce d un logement» Dans notre cas, il faudra donc se pencher sur les propriétés thermiques des matériaux et notamment leur point de fusion et leur conductivité thermique. Qu est ce que le point de fusion d un matériau? Le point de fusion est la température à laquelle une substance passe de l état solide à l état liquide sous la pression atmosphérique. Qu est ce la conductivité thermique d un matériau? La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert thermique par conduction. En général, la conductivité thermique va de pair avec la conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se déplacer librement). Par exemple, les métaux, bons conducteurs d'électricité sont aussi de bons conducteurs thermiques.
Correction fiche d investigation 3/6 : Les matériaux utilisés dans la fabrication des systèmes de chauffage étudiés Élément étudié Rôle(s) de l élément étudié Matériau(x) utilisé(s) pour la fabrication de l élément Propriété(s) intrinsèque(s) à tester Corps (carcasse) Protéger l utilisateur de la chaleur de la résistance Etre esthétique et résistant aux chocs Acier Propriété thermique (Conductivité thermique) Propriété mécanique : (Dureté) Fil conducteur du fil électrique Conduire l électricité du secteur vers la résistance Cuivre Propriété électrique (Résistivité électrique) Gaine du fil électrique Protéger l utilisateur du courant électrique Plastique Propriété électrique (Résistivité électrique) Résistance Transformer le courant électrique en chaleur Acier Propriété électrique (Résistivité électrique) Propriété thermique (Point de fusion) Radiateur Dissiper la chaleur Aluminium Propriété thermique (Point de fusion, conductivité thermique) Bouton Permettre à l utilisateur de régler la température désirée. Plastique Propriété mécanique : (Solidité)
Correction fiche d investigation 4/6 : Recherchez sur Internet la résistivité électrique de chacun des matériaux ci-dessous et classez les du plus conducteur au moins conducteur. Résistivité électrique des matériaux Résistivité électrique à 300 K (en Ωm) Classement du plus conducteur au moins conducteur (de 1 à 4) Fer ou acier 104.10-9 Ωm 4 Cuivre 17.10-9 Ωm 1 Aluminium 27.10-9 Ωm 2 Laiton 70.10-9 Ωm 3 Recherchez le prix au kilo des matières premières ci-dessous et classez les dans l ordre décroissant. Prix des matières premières Prix au kilo Classement du moins cher au plus cher (de 1 à 4) Fer ou acier 0,08 à 0,15 le kilo 1 Cuivre 4 le kilo 4 Aluminium 1 le kilo 2 Laiton 2 le kilo 3 Recherchez le prix au kilo des matières premières ci-dessous et classez les dans l ordre croissant les matières de la plus facile à recycler à la plus compliquée : Capacité de valorisation Méthode de tri pour le recyclage Compétence(s) évaluée(s) : iveau (0 à 4 / 5 à 8 / 9 à 12) Ra6-4 : classer de manière qualitative plusieurs matériaux selon une propriété simple imposée par les contraintes que doit satisfaire l objet technique. Classement du plus facile à recycler au moins facile à recycler Fer ou acier Tri magnétique 1 Cuivre Tri manuel et visuel 2 Aluminium Tri magnétique 1 Laiton Tri manuel 3 on acquis / en cours d acquisition / Acquis
Correction fiche d investigation 5/6 : Etude de la conductivité thermique Notez ci-dessous les consignes de sécurité que vous devez respectez pour mettre en place l essai. - Une fois le fer à souder branché, ne pas toucher les parties métalliques pour éviter de se brûler. - Une fois le fer à souder branché, ne pas bouger l ensemble «support + fer» pour éviter de faire couler la cire. - Une fois le fer à souder débranché, attendre que la cire soit durcit avant de ranger le Kit dans la mallette. Expliquez ci-dessous l essai mis en place pour déterminer la conductivité thermique de l aluminium, de l acier, du laiton et du cuivre à l aide d un texte et d un schéma. Schéma représentant l essai mis en place : Texte d explication de l essai mis en place : Cire de bougie Fer à souder Aluminium Acier Laiton Cuivre Le fer à souder transforme l énergie électrique en énergie thermique et chauffe ainsi les quatre morceaux de métaux. La cire de bougie fond plus ou moins vite en fonction du matériau sur lequel elle est posée ce qui permet de définir le classement en fonction de la conductivité thermique des quatre échantillons. Compétence(s) évaluée(s) : R7-4 : mettre en place un essai pour mettre en évidence une propriété électrique ou thermique donnée. R8-4 : vérifier la capacité de matériaux à satisfaire une propriété donnée. C1-4 : Décrire sous forme schématique, le fonctionnement de l objet technique. iveau on acquis / Acquis on acquis / Acquis on acquis / en cours d acquisition / Acquis Classez de 1 à 4 les métaux du plus conducteur au moins conducteur thermique en fonction de l essai que vous venez de réaliser et recherchez sur Internet les coefficients de conductivité thermique de chacun d eux. Matériaux étudié Classement du plus conducteur au moins conducteur (de 1 à 4) Acier 4 Cuivre 1 Aluminium 2 laiton 3 Coefficient de conductivité thermique 46 390 237 188 Compétence(s) évaluée(s) : iveau (0 à 1 / 2 à 3 / 4) Ra7-4 : interpréter un essai pour mettre en évidence une propriété électrique ou thermique donnée. on acquis / en cours d acquisition / Acquis
Correction fiche d investigation 6/6 : Justification des choix des matériaux Expliquez ci-dessous ce qui justifie le choix de l acier pour la fabrication du corps du convecteur en prenant en compte sa fonction technique, la conductivité thermique, le prix au kilo et la facilité de recyclage du fer ou de l acier. Pourquoi le corps du convecteur est-il en acier? L acier est le matériaux le mieux adapté pour la fabrication du corps du convecteur car il s agit de la plus grosse pièce du convecteur et il s agit d un matériau facilement recyclable (tri magnétique) et qui offre une bonne résistance à la conductivité thermique (pour éviter à l utilisateur de se brûler) tout en permettant d obtenir une rigidité et une robustesse suffisante à un prix réduit (métal le moins cher). Expliquez ci-dessous ce qui justifie le choix de l aluminium pour la fabrication du radiateur du convecteur en prenant en compte sa fonction technique, la conductivité thermique, le prix au kilo et la facilité de recyclage de l aluminium. Pourquoi le radiateur du convecteur est-il en aluminium? L aluminium est le matériau le mieux adapté pour la fabrication du radiateur car il offre le meilleur compromis entre prix et conductivité thermique et qui plus est, il est facilement recyclable. Expliquez ci-dessous ce qui justifie le choix du cuivre pour la fabrication du fil électrique du convecteur en prenant en compte sa fonction technique, la résistivité électrique, le prix au kilo et la facilité de recyclage du cuivre. Pourquoi le fil conducteur du convecteur est-il en cuivre? Le cuivre est le matériau le mieux adapté pour la fabrication des fils conducteurs car il est de loin celui qui offre la plus faible résistivité électrique. Ce qui permet un minimum de perte d énergie dans les fils. De plus, la quantité de métal nécessaire pour la fonction à assurer est très faible donc le prix n est pas un réel inconvénient. Compétence(s) évaluée(s) : iveau (0 à 4 / 5 à 8 / 9 à 12) Ra8-4 : mettre en relation le choix d un matériau pour un usage donné, son coût et sa capacité de valorisation. on acquis / en cours d acquisition / Acquis