L ELECTRICITE Eléments du programme Cycle 2 : Les objets et les matériaux Réalisation d un circuit électrique simple. Principes élémentaires de sécurité des personnes et des biens dans l utilisation de l électricité. Cycle 3 : Monde construit par l homme Circuits électriques alimentés uniquement avec des piles : bornes, conducteurs et isolants ; quelques montages en série et en dérivation. Principes élémentaires de sécurité électrique. Important Ne pas oublier de signaler que les expériences faites avec les piles sont dangereuses si on les réalise avec les prises électriques du secteur. Cf annexe1 p33 1
Pour expérimenter valises ou matériel d école? Désormais les valises ne seront plus dotées de matériel consommable (ampoules et piles). Nous vous conseillons vivement de doter votre école de sa propre mallette de sciences. L investissement n est pas énorme et vous y gagnerez en flexibilité d utilisation. Différents fournisseurs tels que Celda ou Pierron peuvent être consultés. OPITEC est sans aucun doute le moins cher de tous. Le matériel ainsi acquis sera en conséquence relativement fragile et donc à manipuler avec précaution. Fournisseur OPITEC France SARL Tél : 01 49 57 50 56 64 Rue Defrance Fax : 01 49 57 05 24 94307 Vincennes Cedex www.opitec.fr Nous proposons deux options selon le budget de l école. La plus économique permettra de travailler en classe avec le matériel minimum pour 5 groupes. La seconde, permettra de former 10 groupes dans sa classe et d approfondir certaines notions en utilisant des appareils plus spécifiques (photo résistance, multimètre, boîtier de piles). Quantité Quantité Référence Prix Dénomination minimale idéale catalogue Unitaire (Budget mini) (Budget large ) Piles plates 4,5 Volts 5 10 204.019 1,15 Câbles de liaison «pinces crocodiles» (44 cm) 40 câbles 80 câbles 220.079 3,05 les 10 Douille Illu E 10 (support pour les lampes) 20 30 200.053 5,20 les 10 Ampoules 3,5 V / 0,2 A 30 40 202.019 1,55 les 10 Interrupteur à bascule 10 20 212.038 3,90 les 10 Moteurs R 23 ou RE208R 5 10 224.057 1,35 Diode lumineuse Rouge LED (pour les courant faibles!) 1 de 5 à 10 236.043 1,25 Résistance 150 Ohms (à coupler à la LED pour la protéger) 1 de 5 à 10 231.299 0,50 Mini vibrateurs à tonalité d impulsion (buzzer) de 5 à 10 215.077 2,15 Photo résistance (laisse passer le courant seulement si il y a de la lumière) LCD Multimètre numérique (mesure la tension, l intensité, la résistance). Boîtier pour pile 4,5 V (3 piles 1,5V) permet de comprendre le fonctionnement de la pile 4,5 V 1 232.021 1,15 1 208.062 12,95 1 200.765 1,95 La configuration minimale coûte 45 Euros (+ 5.50 de frais de port). La configuration optimale coûte 134 Euros (+ 5.50 de frais de port). 2
Contenu du dossier Circonscription Ambérieu en Bugey Eléments du programme. La démarche pédagogique et le cahier de sciences. Séance d introduction : Recueil des représentations. Défi 1 : Allumer une ampoule p9 Défi 2 : Réaliser un circuit p11 Défi 3 : L'interrupteur p12 Défi 4 : Conducteurs et isolants p15 Défi 5 : Allumer plusieurs lampes p17 Défi 6 : Réparer des pannes p18 Pistes de travail d'application : L'électricité statique p20 Allumer les lumières (maquette) p22 Fabriquer un phare p23 Fabriquer un télégraphe p24 L interrupteur p25 Le système d'alarme p25 Jeu d'adresse p26 Quizz électrique p27 Moteur électrique p28 Déclencheur de foudre p30 Fabriquer un électro-aimant p32 Annexes 1 / Les dangers de l électricité à la maison. 2 / Eléments de connaissance pour les enseignants. 3 / Définition des termes «ampoules» et «lampes». 4 / Liste de matériel à acheter dans les écoles. 3
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LA DEMARCHE PEDAGOGIQUE 1. Appropriation de la situation de départ (défi, tâche ). 2. Recueil des représentations (échange oral dans le grand groupe). Elles permettront de poser les questions scientifiques. 3. Faire les hypothèses oralement (argumenter). 4. Demander aux élèves de représenter sur le cahier d expériences le dispositif expérimental et leurs hypothèses : dessin d observation, schéma, symbolisation, texte... 5. Réaliser l expérience, remplir les fiches de résultats le cas échéant. 6. Synthèse orale permettant l élaboration des connaissances. 7. Trace écrite finale sur le cahier de sciences (ou des savoirs). LE CAHIER D EXPERIENCES C est le cahier que l élève utilise lors de l expérimentation. Il n est pas corrigé : c est un cahier de recherches personnelles, une trace pour mémorisation (entre autres des hypothèses émises pour vérification en fin d expérimentation). Le cahier de sciences (ou des savoirs) est différent : Il regroupe les synthèses élaborées en classe et validées par l enseignant. Il est structuré et sans faute. Les deux cahiers peuvent cohabiter sur le même support (page de gauche et page de droite, couleur spécifique à chacun, parties séparées ) ou peuvent être séparés (classeur et cahier ). Par le cahier d expériences et les mises en commun, on amènera l élève à passer du croquis d observation à la schématisation puis à la symbolisation normalisée : cet apprentissage se fait progressivement sur l ensemble de la scolarité. 7
Séance préambule : Recueil des représentations des élèves. L idée de cette première séance est de partir des représentations des élèves concernant les phénomènes électriques, il est donc important dans cette phase de ne pas donner les «bonnes réponses» aux élèves. Questions collectives : 1/ Qu est ce que l électricité? 2/ Quels appareils utilisent de l électricité? 3/ Comment peut- on produire de l électricité? 4/ Quels sont les dangers de l électricité? Une affiche collective peut être réalisée afin de recenser les réponses de la classe à ces questions.il sera intéressant en fin de module de revenir sur cette affiche afin d évaluer l évolution des représentations des élèves. 8
Défi 1 : Allumer une ampoule Connaissances visées : - Une pile peut faire circuler de l électricité dans une chaîne continue et fermée (notion de circuit fermé). Défi : Comment allumer l'ampoule? Expérience Matériel par groupe : cahier d expériences une pile plate. une ampoule Démarche : S approprier le dispositif. Emettre des hypothèses sur le montage à réaliser et produire un schéma. Faire le montage prévu. Mise en commun pour élaboration du savoir. Explication : La pile produit un courant électrique qui passe dans la ampoule. Un circuit fermé doit être établi entre les deux bornes de la pile et celles de l'ampoule. Vocabulaire : courant électrique ( à ne pas confondre avec : courant (adj) = usuel, courant (v) = en se déplaçant rapidement) : Déplacement d énergie (des électrons) au sein d un matériau ampoule : partie en verre d une lampe. lampe : ensemble culot + ampoule de verre + filament. bornes : pièces de connexion. Evaluation : (fiche ci-jointe) On peut proposer des schémas avec divers placements de l'ampoule sur la pile : il faut retrouver les montages qui fonctionnent. Prolongement possible : On peut observer l ampoule et produire un schéma de celle-ci individuellement puis au niveau de la classe. NB : On peut manipuler d autres ampoules de la vie quotidienne (12V et 220V et «économie d énergie») et observer les différences et similitudes. 9
Evaluation / Défi 1. Place les mots suivants : culot filament ampoule plot isolant borne + borne - - Si l'ampoule s'allume, colorie la en jaune. 10
Défi 2 : Réaliser un circuit Connaissances visées : Une pile peut faire circuler de l électricité dans une chaîne continue et fermée. Le courant électrique produit par une pile a un sens. (plutôt cycle 3) Normaliser un schéma. Défi : - Comment allumer l'ampoule? sans déplacer les - Comment faire tourner le moteur? objets. - Comment faire sonner le buzzer? Expérience Matériel par groupe : Cahier d expériences Des fils conducteurs de connexion (avec pinces crocodile). Une pile plate. (on peut proposer l utilisation d une pile ronde afin de faire le lien avec les piles utilisées à la maison, mais pour établir les connexions, il vaut mieux alors utiliser des fils dénudés à leurs extrémités et les fixer avec du ruban adhésif). Une ampoule (et son support) ou un moteur (avec un «drapeau» adhésif installé sur l axe extérieur pour mettre en évidence le sens de rotation) ou un buzzer. Démarche : S approprier le dispositif. Emettre des hypothèses sur le montage à réaliser et produire un schéma. Faire le montage prévu. Mise en commun pour élaboration du savoir et présentation du schéma normalisé (avec les symboles) à partir des réalisations des élèves. Explication : Un circuit doit être fermé pour que l électricité agisse sur l appareil électrique (moteur, lampe ou buzzer). On remarque que : L'ampoule fonctionne dès qu elle est intégrée dans un circuit fermé. Le moteur ne tourne pas dans le même sens suivant la manière dont ses bornes sont reliées à celles de la pile (+/-). Le buzzer ne fonctionne que s il est relié dans un sens précis aux bornes de la pile. Le courant électrique a donc bien un sens. Vocabulaire : schématiser : représenter uniquement ce qu il y d essentiel dans l objet. symboliser : utiliser dans un schéma un signe conventionnel. Les symboles : pile : ou G moteur : M ampoule : fil : buzzer : interrupteur : 11
Défi 3 : L'interrupteur Circonscription Ambérieu en Bugey Connaissances visées : - On peut ouvrir ou fermer aisément un circuit électrique grâce à un interrupteur Tâche : Construire un circuit qui permet d allumer ou d éteindre l ampoule. Expérience Matériel par groupe : des fils conducteurs de connexion. une pile une ampoule (et son support) un interrupteur Explication : L'interrupteur en ouvrant ou fermant le circuit permet le passage de l'électricité. Démarche : S approprier le dispositif. Emettre des hypothèses. Expérimenter. Mise en commun et élaboration du savoir. Réalisation du schéma d un circuit ouvert et du schéma d un circuit fermé. Circuit ouvert Circuit fermé Vocabulaire : circuit ouvert : «le courant qui part de la pile ne revient pas à la pile», «la chaîne n est pas fermée», «le courant ne passe pas dans le circuit». circuit fermé : «le courant qui part de la pile revient à la pile», «la chaîne est fermée», «le courant passe dans le circuit». Evaluation : (fiche ci-jointe) On propose des schémas ou symboles de circuits contenant fils et interrupteurs à valider par les élèves. Il est intéressant ici de travailler sur la différence schéma / symbole. Prolongement : Proposer aux élèves d inventer d autres interrupteurs (on peut distribuer des trombones, ciseaux, épingles, attaches parisiennes, etc ) 12
Evaluation / Défi 3. Circonscription Ambérieu en Bugey 13
Indique pour chaque circuit si la lampe va s'allumer. Si oui, colorie l ampoule en jaune. 14
Défi 4 : Conducteurs et isolants Circonscription Ambérieu en Bugey Connaissances visées : - Tous les matériaux ne sont pas des conducteurs électriques. CYCLE 3 CYCLE 2 Défi : Invente un dispositif pour connaître les matériaux qui conduisent l'électricité. Ou A partir du dispositif de la séance précédente (pile-ampouleinterrupteur), dresse la liste des matériaux qui conduisent l'électricité. Expérience Matériel par groupe : Des fils conducteurs de connexion. Une pile Une ampoule (et son support) (on pourra utiliser des LED qui s allument avec une intensité très faible, notamment pour mettre en évidence la conductibilité de l eau et attirer les dangers des situations associant eau et électricité) Des objets divers proposés par l enseignant ou par l élève : trombone en métal et en plastique, ciseaux en métal ou en plastique, fil de scoubidou, fil à coudre, pinceau, papier, papier d aluminium, craie, clé, l eau, pâte à modeler, NB : la diversité des objets proposés a pour but d amener l élève à dépasser la fonction de l objet pour aller vers la notion de matériau. Explication : Certains matériaux ne permettent pas le passage du courant électrique ( dans leur composition, leurs électrons sont fortement liés aux atomes et ne peuvent donc se mettre en mouvement). Les matériaux conducteurs sont essentiellement des métaux (mais pas toujours!). Démarche : S approprier le dispositif. Dans le premier cas, ce sont les enfants qui trouvent le dispositif à mettre en place et dans le second c'est l'adulte qui fournit le circuit tout prêt. Emettre des hypothèses sur l effet produit par chaque objet. Expérimenter. Dresser la liste des objets qui conduisent, qui ne conduisent pas. Mise en commun et élaboration du savoir. Vocabulaire : conducteur : matériau permettant le passage du courant électrique. Isolant : matériau ne permettant pas le passage du courant électrique. Evaluation : 15
On peut proposer aux élèves de faire des hypothèses sur d autres objets non testés préalablement afin de vérifier ensuite leurs hypothèses par l expérience. Prolongement (Cycle 3) : L enseignant peut terminer la séance en réalisant la séance avec des liquides en y ajoutant quelques ingrédients (sel, citron, huile, sucre..). On pourra ainsi déterminer quelles sont les solutions qui laissent passer le courant dans un circuit comprenant une DEL. C est ici l occasion d alerter les élèves sur les dangers liés à la manipulation d appareils électriques en présence d eau. 16
Défi 5 : Allumer plusieurs lampes (cycle 3) Connaissances visées : - mettre des éléments en série ou en parallèle. Expérience Matériel par groupe : Des fils conducteurs de connexion. Une pile Des ampoules (et leur support) Une ampoule ne fonctionnant pas. (Elle pourra servir à mettre en évidence l utilité des montages en parallèle. Une ampoule grillée n empêche pas alors les autres de s allumer). Explication : Montage en série : Le courant électrique passe successivement dans les différentes ampoules : la résistance est supérieure et la lumière produite sera moins intense. Montage en parallèle : Le courant électrique passe en même temps dans les différentes ampoules : l intensité lumineuse est supérieure. Défi : - Comment faire pour allumer plusieurs ampoules en même temps? Démarche : S approprier le dispositif. Emettre des hypothèses sur le fonctionnement de chaque type de montage. Expérimenter. Schématiser. Mise en commun et élaboration du savoir. Prolongement : Afin de montrer les intérêts pratiques de l utilisation du montage en parallèle, l enseignant pourra proposer des simulations de montages qui continuent ou non de fonctionner avec une ampoule défectueuse (ou déconnectée). Par exemple une guirlande de Noël, le circuit d éclairage d une voiture, une modélisation d éclairage public 17
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Défi 6 : Réparer des circuits en panne électrique. (Cycles 2 et 3) Défi : Ces six circuits sont en panne : peux-tu trouver pourquoi et les réparer? Proposition de démarche : Chaque groupe construit un circuit qui ne fonctionne pas. Les groupes échangent leurs circuits et cherchent à identifier la nature de la panne pour la réparer. Mise en commun. L enseignant pourra proposer sur différents ateliers, différents types de pannes selon le niveau de la classe et les situations préalablement rencontrées. Ce dispositif peut également servir d évaluation finale. Exemples : Une ampoule est grillée : à proposer en parallèle ou en série. Une pile est Hors Service. Un fil mal branché provoque un court circuit. Un isolant est inséré dans le circuit. Une ampoule est mal vissée. Une ampoule (220V) n est pas adaptée à la pile 4.5V. Un fil est déconnecté au niveau de la pince crocodile 19
Pistes de travail : Circonscription Ambérieu en Bugey Objets à fabriquer : On peut envisager soit la réalisation à partir d un schéma (lecture compréhension) soit un défi : réaliser le schéma et l objet qui doit fonctionner (si non fonctionnement, trouver l erreur) Les idées qui figurent dans les pages suivantes sont extraites des ouvrages : 100 expériences faciles à réaliser (de Cash et Parker chez Nathan) méga expériences (sous la direction de Bertrand Evenot, l'encyclopédie vivante Nathan) l'électricité, une énergie à maîtriser (Les petits débrouillards) 20
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Annexe 1 33
LES DANGERS DE LA MAISON Entoure en rouge ce qui est dangereux Circonscription Ambérieu en Bugey 34
Annexe 2 Eléments de connaissance pour l enseignant : sources : Hachette Multimédia / Hachette Livre, 1999 Electricité : Dès le VIe s. av. J.-C., les Grecs constatèrent que l ambre frotté attirait de nombreux corps légers. Au XVIIIe s., on montra qu on peut faire apparaître par frottement deux sortes d électricité, baptisées positive et négative, et l on parvint ainsi au concept de charge électrique : des objets chargés se repoussent ou s attirent selon qu ils portent des charges de même signe ou de signes contraires. La loi fondamentale de cette interaction, dite électrostatique, homologue de la gravitation universelle de Newton, fut établie en 1785 par Coulomb. À partir de 1800, la pile de Volta permit de réaliser les premiers courants électriques. À la suite de l expérience réalisée en 1820 par Œrsted et analysée par Laplace et Ampère, on découvrit les actions dites électrodynamiques qui s exercent entre les courants et on établit que le champ magnétique créé par un courant est proportionnel à l intensité de celui-ci, c.-à-d. à la charge qu il transporte par unité de temps. L étude des courants électriques (électrocinétique) fut complétée en 1826 par Ohm, qui établit la relation entre l intensité traversant un conducteur et la différence de potentiel aux bornes de celui-ci et définit ainsi la notion de résistance. En 1831, Faraday dégagea le concept de force électromotrice et établit les lois du phénomène d induction électromagnétique, ouvrant ainsi la voie aux applications techniques de l électricité (générateurs, dynamos, transformateurs, etc.) dont l étude constitue l électrotechnique. En 1841, Joule établit les lois régissant le dégagement de chaleur dans un conducteur (effet Joule). En 1864, Maxwell prédit l existence des ondes électromagnétiques (mises en évidence expérimentalement en 1885 par Hertz) et montra l unité profonde de l électrostatique et du magnétisme, fondant ainsi l électromagnétisme. À la fin du XIXe s., la découverte de l électron ouvrit la voie aux réalisations ultérieures de l électronique. On distingue fondamentalement: l électrostatique, qui traite de l ensemble des phénomènes dus à la présence de charges électriques immobiles, et l électrocinétique, qui traite plus particulièrement des phénomènes que provoque le déplacement de ces charges. Les interactions entre champ magnétique et courant électrique sont exclues de l électrocinétique; leur étude constitue l électrodynamique. L électrocinétique montre qu un courant électrique se produit lorsqu on réunit par un conducteur deux points qui se trouvent à des potentiels différents. Le passage de ce courant s accompagne d un dégagement de chaleur (effet Joule) et d un effet électromagnétique. L intensité d un courant est la quantité d électricité qui traverse un conducteur pendant un temps limité. Elle s exprime en ampères, cette unité étant définie par l interaction (produite par effet magnétique) de deux conducteurs parcourus par un courant. La résistance qu oppose un conducteur au passage d un courant électrique s exprime en ohms; elle dépend de la longueur l, de la section S et de la résistivité du conducteur : R = s. La résistivité des métaux purs est très faible (de l ordre de 10-8 ohms-mètres). Celle des isolants est, en revanche, très élevée (10 5 à 10¹ 6 ohms-mètres). La différence de potentiel (d.d.p.) que l on constate entre deux points d un conducteur parcouru par un courant électrique correspond au rapport de l énergie abandonnée et de la quantité d électricité mise en jeu. Elle s exprime par la loi d Ohm: U = R I (U en volts, R en ohms et I en ampères). La puissance calorifique dissipée est donnée par la loi de Joule: P = RI² (P en watts). Dans le cas d un circuit fermé comprenant des résistances, des générateurs montés en série, on utilise la loi de Pouillet généralisée : ΣE - ΣE = I ΣR, ΣE étant la somme des forces électromotrices (f.é.m.) des générateurs, ΣE celle des forces contreélectromotrices des récepteurs, ΣR celle des résistances internes des générateurs et des récepteurs, ainsi que des autres résistances. Sur le plan pratique, l électricité joue un rôle considérable; l énergie électrique, facile à transporter et à distribuer, a révolutionné les moyens de production et la vie de l homme. Représentant environ le tiers de l énergie consommée, elle est produite, dans des centrales électriques, par transformation d énergie thermique, hydraulique ou nucléaire. Cette opération se fait par l intermédiaire de générateurs de courant continu ou d alternateurs. Si l énergie thermique est de plus en plus produite par le pétrole, bientôt la production d énergie électrique au moyen de piles solaires, de piles à combustibles, de générateurs magnétohydrodynamiques, à fusion nucléaire, etc., sera cause de progrès considérable en ce domaine. 35
L énergie électrique est transportée quelquefois par des courants continus, le plus souvent par des courants alternatifs. L électricité a rendu possible la mise au point de moteurs électriques très variés, et les usages industriels de l électricité sont extrêmement divers. Ainsi, les phénomènes électrostatiques permettent le dépoussiérage des fumées d usine, la peinture électrostatique, la photocopie, la concentration du faisceau électronique d un tube cathodique de téléviseur, etc. L électricité est la base des procédés d électroformage, d électroérosion, d usinage par jet de plasma et par faisceau d électrons. L éclairage sous toutes ses formes est dû à l électricité. Les transports constituent un champ d application immense de l électricité, qu il s agisse de traction électrique, de signalisation, de communication, de l automobile, de l aviation ou de la marine. Les utilisations domestiques sont multiples (électroménager). 36
Annexe 3 37
Annexe 4 : Liste du matériel pour les écoles. 38