Sur la piste de Volta

DOSSIER PÉDAGOGIQUE Sur la piste de Volta animation scientifique en école fondamentale Table des Matières Fiches élèves Fiches professeur Feuille de route Synthèse de l animation Fiches d exploitation Exercice Conducteur ou isolant? Expérience Utilise tes connaissances! Exploration Exercice La consommation d électricité Expérience Estu bon géographe? Expérience Un choc... amical! Fiche infos Les dangers de l électricité Info Prof Objectifs de l animation En savoir plus D où provient l électricité? Qu est ce que l électricité? Définitions et symboles en électricité La pile Un petit bout d histoire L ampoule Circuits ouverts et fermés : les interrupteurs Les dangers en électricité Corrigés des fiches élèves Bibliographie du dossier Fiches photocopiables avec corrigés Cap Sciences asbl Retrouvenous sur www.capsciences.be

[ Feuille de route ] 1. Dessine une ampoule telle que tu te la représentes (au verso) 3. 2. Dessine l ampoule que tu as sous les yeux (au verso) Entoure les dessins qui permettent à l ampoule de s allumer et complète la phrase cidessous : 1 2 3 4 5 6 Pour que l'ampoule s'allume, il faut que... 4. Note les symboles utilisés dans la codification électrique et réalise le schéma d un circuit électrique simple avec un interrupteur (au verso). Cap Sciences asbl Retrouvenous sur www.capsciences.be

[ Synthèse ] 1. Annote le schéma de l ampoule cidessous en utilisant les termes utilisés lors de l atelier. 2. Réalise le schéma d un circuit électrique simple avec un interrupteur. Utilise ces symboles scientifiques : ampoule pile fil électrique interrupteur Cap Sciences asbl Retrouvenous sur www.capsciences.be

[ Exercice ] Classe ces objets au bon endroit! voiture radioguidée téléphone portable sèchecheveux perceuse mixer lampe de poche fer à repasser lampe de bureau lecteur mp3 radio secteur pile ou batterie Cap Sciences asbl Retrouvenous sur www.capsciences.be

[ Exercice ] Dessine le symbole adéquat en regard de chaque objet : conducteur isolant? conducteur ou isolant? bois papier trombone boîte de conserve règle en plastique bouchon de liège gomme à effacer bougie verre papier mouillé clou Un conducteur, c'est...... Un isolant, c'est...... Cap Sciences asbl Retrouvenous sur www.capsciences.be

[ Expérience ] 1. Quelles sont les ampoules qui s allument dans le montage cidessous? Utilise tes connaissances... 2. Teste ces schémas à l aide de ton matériel et colorie l ampoule de la (des) lampe(s) de poche qui est (sont) allumée(s). Cap Sciences asbl Retrouvenous sur www.capsciences.be

[ Exercice ] LE MAGASIN DE LAMPES SALUT! J'ai des ampoules de 40, 60 et 120 watts dans ma boîte. Aidemoi à remplacer les ampoules de toutes les lampes, de sorte que le nombre total de watts sur chaque fil soit exactement le nombre mentionné sur la carte! Sous quel fil la lumière seratelle la plus vive? Écris pour chaque lampe quelle ampoule je dois utiliser! Le watt, c'est...... Cap Sciences asbl Retrouvenous sur www.capsciences.be

[ Exercice ] La consommation d ÉLECTRICITÉ... Voici des objets qui fonctionnent grâce à l'électricité. Saistu combien coûte leur utilisation annuelle? 1 à 10 10 à 20 0,50 à 1 20 à 50 150 à 200 Relie les appareils aux étiquettes! Cap Sciences asbl Retrouvenous sur www.capsciences.be

[ Expérience ] Estu bon Geographe 1 Sur une feuille de la dimension d une boîte à chaussures, dessine ton propre jeu électro (une idée t est proposée cidessous). 3. 2. 4. 2 Colle cette feuille sur le couvercle d une boîte à chaussures. 3 A côté de chaque nom (ou dessin), introduis une attache parisienne au travers du carton du couvercle. 4 Au dos du couvercle, relie les attaches parisiennes deux à deux à l aide de fils électriques dénudés aux extrémités. Attention, vérifie bien que l attache parisienne de la «question» corresponde à l attache parisienne de la «réponse». 5 Mets, au bout de chacun de tes fils, des attaches trombones et relie le circuit à la pile. I l te faut : une pile de 4,5V une ampoule et son soquet (support) une boîte à chaussures du fil électrique des attaches parisiennes des attaches trombones une feuille blanche. 5. Il ne te reste plus qu à jouer! Quand l ampoule s allume, c est gagné!! Cap Sciences asbl Retrouvenous sur www.capsciences.be

[ Expérience ] I l te faut : des pièces de monnaie en cuivre (au moins vingt de la même taille) un verre d eau contenant dix cuillerées de sel (ou le jus d un citron) du papier aluminium du papier absorbant des ciseaux Un choc... AMICAL! 1 Serstoi de l une des pièces pour dessiner des cercles sur une feuille de papier d aluminium et sur une feuille de papier absorbant. 2 Découpeles et humecte les disques de papier d eau salée (ou de jus de citron). 3 Empile les disques trois par trois: cuivre, papier, puis aluminium. Chaque groupe de trois disques de matières différentes constitue une cellule. L ensemble des disques constitue une pile. 4 Mouille le bout d un doigt de chaque main et tiens la pile de pièces entre ces deux doigts en la serrant très fort. Tu recevras une légère décharge électrique (tu devrais ressentir un léger picotement sur le bout des doigts). Au plus ta pile sera grande, au plus tu auras de chance de ressentir la décharge électrique! Cap Sciences asbl Retrouvenous sur www.capsciences.be

[ Fiche infos ] LES DANGERS DE L ELECTRICITE Ne touche jamais, avec les mains mouillées, un appareil électrique branché. Se sécher les cheveux, se raser, utiliser un appareil électrique branché sur le secteur quand on est dans son bain peut être mortel. Ne change pas une ampoule sans débrancher la lampe. Ne laisse jamais une rallonge reliée au secteur alors qu elle n alimente aucun appareil. C est une cause fréquente d électrisation et de brûlure de la bouche chez les enfants entre 6 mois et 3 ans. N utilise pas plusieurs prises multiples sur la même prise. Pense à bébé et utilise des cacheprises ou des prises de sécurité. Les prises électriques attirent les enfants, car elles représentent «deux petits yeux» comme un être vivant. Cap Sciences asbl Retrouvenous sur www.capsciences.be

FICHE PROFESSEUR Info prof Objectifs de l animation Comprendre la notion d électricité. Réaliser un circuit électrique simple et un interrupteur; en saisir le fonctionnement. En savoir plus D où provient l électricité? La production d énergie électrique provient d un processus technologique qui se passe dans les centrales électriques. Dans ces installations, l électricité est générée à partir d une énergie de base qui peut être l eau, le vent, le soleil, les réactions atomiques, etc. L électricité est la forme d énergie la plus commode à transporter, des fils suffisent! Au moyen de transformateurs ou d accumulateurs, l électricité est transportée vers les centres urbains à travers des câbles suspendus à de grandes tours métalliques. Une fois arrivée à destination, elle est distribuée au moyen d autres câbles qui passent sous les rues ou par des supports fixés sur les façades. A ceuxci sont connectés les installations électriques des maisons ou des autres bâtiments. Cap Sciences asbl Retrouveznous sur www.capsciences.be

Sur FICHE la PROFESSEUR piste de Volta Sur la piste de Volta Info prof page 2 Il est également possible d obtenir de l électricité au moyen de piles et/ou de batteries, mais cellesci ne peuvent être utilisées que pour des appareils à basse consommation (petits appareils portables, jouets, etc.). Qu est ce que l électricité? L électricité est une forme d énergie qui peut se transformer sous d autres formes. Par exemple, elle peut faire briller les ampoules ou chauffer les radiateurs électriques. Elle peut produire le son grâce à une radio et l image grâce à une télévision. La matière est constituée d assemblage de briques minuscules invisibles appelées atomes. Les atomes sont constitués d un noyau autour duquel se déplacent des particules encore plus petites appelées électrons. Il est possible de faire bouger les électrons en un flot continu pour les rendre utilisables. Cela nécessite une source d énergie capable de pousser les électrons et un circuit fermé pour permettre aux électrons de circuler. Le courant électrique est ce flot permanent d électrons en mouvement. On utilise généralement des fils de cuivre pour la réalisation de circuits électriques et un générateur pour pousser les électrons. Les circuits peuvent être connectés de diverses façons, mais ils comportent, donc, toujours 3 éléments : une source d énergie appelée générateur. C est lui qui envoie les électrons à travers le circuit (ex : la pile); un conducteur dans lequel le courant peut circuler (ex : les fils de cuivre); une charge ou récepteur qui est le dispositif qui reçoit l énergie électrique et la transforme en une autre énergie utilisable (ex : une ampoule). Définitions et symboles en électricité Par convention, on dit que le courant électrique s écoule, à l extérieur de la pile, de la borne positive à la borne négative. Dans un circuit non branché au générateur, les électrons libres peuvent circuler au hasard d un atome à l autre. Quand le générateur est branché à un circuit, les électrons vont tous se diriger dans la même direction, repoussés par le pôle négatif de la batterie et attirés par le pôle positif. Ils remontent donc le courant. Cap Sciences asbl Retrouveznous sur www.capsciences.be

Sur FICHE la PROFESSEUR piste de Volta Sur la piste de Volta Info prof page 3 L énergie nécessaire pour que le courant circule est due à la différence du nombre d électrons aux deux bornes de la pile. Cette différence crée une tension mesurée en volt. La tension électrique est donc la force électromotrice, qui met en mouvement les électrons et qui crée le courant électrique. La différence de force électromotrice entre la borne + et la borne se nomme la différence de potentiel. L intensité du courant (mesurée en ampères) est la quantité d électricité (nombre d électrons) qui passe dans un circuit pendant un temps donné. L intensité du courant dépend de la tension mais également de l épaisseur, de la longueur, de la température et de la nature du matériau qui conduit. Le conducteur émet une résistance visàvis du courant. Cette résistance est calculée en Ohm. La pile Les piles sont des sources d énergie très commodes. Légères, propres et sûres, elles procurent de l électricité à toute heure et partout. Cap Sciences asbl Retrouveznous sur www.capsciences.be

Sur FICHE la PROFESSEUR piste de Volta Sur la piste de Volta Info prof page 4 Sans piles, il n y aurait ni lampes torches, ni baladeurs, ni télécommandes. Elles sont aussi utilisées comme source supplémentaire d énergie dans les ordinateurs et les fax, pour alimenter l horloge quand l appareil est débranché. Une pile fonctionne grâce à des réactions chimiques qui se produisent quand la pile est connectée à un appareil. Les réactions s arrêtent quand les produits chimiques sont épuisés. La pile est alors «usée». Certaines piles, comme les batteries de voitures (accumulateurs), peuvent être rechargées. Pour cela, on fait passer dans la pile un courant opposé à celui qu elle donne, ce qui inverse le sens des réactions et régénère les produits chimiques. Un petit bout d histoire Au 18 ème siècle, l anatomiste italien, Luigi Galvani, remarque qu il est possible de faire tressaillir les pattes d une grenouille morte en les soumettant à une décharge électrique. Il a l habitude de faire sécher, à un fil de cuivre sur son balcon, les grenouilles qu il utilise. Un jour, le vent fait toucher le fer du balcon au chapelet de grenouilles, et cellesci se mettent alors à tressaillir, comme si elles étaient soumises à un choc électrique. Galvani conclut à une «électricité animale» provenant de la grenouille. L explication de Galvani ne satisfait pas le savant Alessandro Volta. Celuici pense que la grenouille bouge sous l influence d une électricité extérieure. Il recherche alors à reproduire l expérience de Galvani. Ainsi, il empile des rondelles de zinc (jouant le rôle du balcon en fer), de disques de feutre imbibé de vinaigre (les humeurs de la grenouille) et de cuivre (le fil). Le vinaigre, un acide, réagit avec chaque paire de rondelles de cuivre et de zinc pour donner un courant électrique. Il obtient ainsi la première pile. L origine du mot «pile» vient donc de l expérience de Volta. Cap Sciences asbl Retrouveznous sur www.capsciences.be

Sur FICHE la PROFESSEUR piste de Volta Sur la piste de Volta Info prof page 5 L ampoule L ampoule électrique a été inventée il y a plus de 100 ans par un savant américain, Thomas Edison. Edison utilise, à l époque (1879), un fil de coton carbonisé comme filament qu il place à l intérieur d une ampoule vidée de l air qu elle contient. L ampoule ainsi réalisée brilla environ 45 heures! Aujourd hui, les lampes à incandescence peuvent briller jusqu à 1000 heures. Elles contiennent un gaz qui, à la différence de l oxygène de l air, ne provoque pas la combustion du filament. Quand le circuit électrique est fermé, le filament métallique de l ampoule s échauffe et atteint une température de 2 500 C. Il devient incandescent et émet de la lumière. Si la température du filament atteint 3 400 C, le métal fond et le filament est coupé. On dit que l ampoule est «grillée». Le filament est fait de tungstène, métal dont la température de fusion est très élevée. Cap Sciences asbl Retrouveznous sur www.capsciences.be

Sur FICHE la PROFESSEUR piste de Volta Sur la piste de Volta Info prof page 6 Circuits ouverts et fermés : les interrupteurs La présence d interrupteurs dans un circuit est la manière la plus simple de contrôler le flux électrique. Quand l interrupteur est ouvert, il crée un trou dans le circuit, mais quand il est fermé, l électricité peut passer. La plupart des appareils électriques comme les bouilloires et les grillepains s éteignent automatiquement. Cela économise l énergie, et constitue une bonne mesure de sécurité. Les appareils chauffants contiennent des thermostats réglés pour maintenir la température sélectionnée ; un interrupteur interne allume ou éteint la résistance selon les besoins. L interrupteur à deux directions joue un rôle important comme mesure de sécurité et comme moyen pour économiser l énergie. Si une lampe peut être éteinte ou allumée à la fois en haut et en bas d un escalier, c est moins dangereux et cela permet d économiser de l énergie. Une application du principe de l interrupteur est la télégraphie, qui consiste en la transmission de signaux électriques. Inventée en 1838, elle a permis aux gens de communiquer sur de longues distances. La même année, Samuel Morse rendit public son code à base de points et de traits traduits en signaux électriques brefs et longs, transmis par le fil et décodés à l autre bout. Cap Sciences asbl Retrouveznous sur www.capsciences.be

Sur FICHE la PROFESSEUR piste de Volta Sur la piste de Volta Info prof page 7 En 1910, la télégraphie a été utilisée pour la première fois pour capturer un meurtrier célèbre. Le code international de détresse en morse a toujours été S.O.S : trois signaux brefs, trois longs, trois brefs ( ). Les dangers en électricité L électricité peut tuer par électrocution, elle peut aussi brûler gravement ou provoquer des lésions internes graves. En dessous de 24 V, il n y a pas de risques d électrocution. Que se passetil lors d une électrocution? Le corps humain est un conducteur moyen. Quand le courant le traverse, il oppose une résistance à son passage. Les électrons se «bousculent», ce qui provoque un échauffement. Si le corps est mouillé, la situation peut être mortelle car l eau est conductrice et facilite donc le passage du courant. Les causes du décès peuvent être: une fibrillation cardiaque, due à une désynchronisation des cellules musculaires cardiaques; une contraction involontaire des muscles respiratoires (tétanie); la destruction de cellules: brûlures internes; des traumatismes associés au choc électrique (chute, mouvement involontaire,...). Il ne faut donc jamais toucher un appareil électrique branché sur le secteur avec les mains ou les pieds humides! Cap Sciences asbl Retrouveznous sur www.capsciences.be

Sur la piste de Volta Sur la piste de Volta FICHE PROFESSEUR Info prof page 8 Cap Sciences asbl Retrouveznous sur www.capsciences.be

FICHE PROFESSEUR Corrigés Feuille de route et synthèse Schémas permettant à l ampoule de s allumer : 126 Pour que l ampoule s allume, il faut que le plot touche une lamelle de la pile et que le culot touche l autre lamelle. le globe le filament le gaz inerte les potences ampoule l isolant pile le culot le plot Circuit électrique simple ouvert fil électrique interrupteur Exercice Vive l électricité! Secteur : Sèchecheveux, mixer, lampe de bureau, fer à repasser. Pile ou batterie : Lampe de poche, lecteur mp3, voiture radioguidée, téléphone portable. Intersection : Perceuse, poste radio. Exercice Conducteur ou isolant? Le saistu?: Un conducteur est un matériau capable de transmettre le courant électrique; Un isolant est un matériau qui empêche le courant électrique de passer. Conducteur : clou, boîte de conserve, papier mouillé, trombone. Isolant : papier, bouchon de liège, gomme à effacer, verre, règle en plastique, bougie, bois. Expérience Utilise tes connaissances 1 Quelles sont les ampoules qui s allument dans le montage cidessous?: BD 2 Teste ces schémas à l aide de ton matériel et colorie l ampoule de la (des) lampe(s) de poche qui est (sont) allumée(s): CF Exercice La consommation d électricité 1 à 10 : sèchecheveux (11kwh/an), cafetière (42 kwh/an), aspirateur (70 kwh/ an), ordinateur (97 kwh/an) 10 à 20 : télévision (180 kwh/an), sèchelinge (192 kwh/an), four (162 kwh/an) 20 à 50 : lavelinge (216 kwh/an), réfrigérateur (350 kwh/an), lavevaisselle (290 kwh/an) 150 à 200 : chauffeeau de 100l (1.554 kwh/an) Le prix du kwh utilisé pour cet exercice est de 0.10. Il s agit d un prix moyen car il dépend de la fréquence et du moment d utilisation (jour ou nuit) des appareils électriques. Cap Sciences asbl Retrouveznous sur www.capsciences.be

Sur FICHE la PROFESSEUR piste de Volta Correctif & bibliographie (suite) Exercice Le magasin de lampes : Fil de 140 watts: ampoule de 60 watts + ampoule de 40 watts + ampoule de 40 watts Fil de 220 watts: ampoule de 120 watts + ampoule de 60 watts + ampoule de 40 watts Fil de 120 watts: ampoule de 40 watts + ampoule de 40 watts + ampoule de 40 watts Le fil sous lequel la lumière est la plus vive est le fil de 220 watts. Le saistu?: Le watt (symbole W), c est l unité de mesure de la puissance. Il correspond à la quantité d électricité consommée ou produite pendant un temps donné (une seconde). Vous trouverez des informations complémentaires sur le thème de l électricité dans la rubrique Sciences & Web du site de Cap Sciences. Surfez vite sur www.capsciences.be et découvrez notre banque de ressources scientifiques pour enseignants. Bibliographie du dossier Mon grand livre d expériences, Chantecler Petit Ingénieur Electricité et magnétisme, Gründ Encyclopédie du petit scientifique, Gamma Jeunesse Les fureteurs 3ème cycle cahier d apprentissage, Chenelière Comment ça marche Guides Pratiques Jeunesse, Seuil Cahier d activités, Physique et technologie, CP, Editions Bordas. Sciences et Technologies, CM, Editions Bordas. Les enfants découvrent 50 expériences, Time Warner Inc. Toute mon année de CM2, Editions Magnard. Encyclopédie Encarta 2003, Microsoft. Cap Sciences asbl Retrouveznous sur www.capsciences.be