UNIVERSITE CATHOLIQUE DE LOUVAIN Faculté des Sciences Agrégation de l enseignement secondaire supérieur AMIRZA Georges - JOUNIAUX Marie - MEINGUET Thomas - NGWABIJE Rénovat SMETS Stéphanie - TOTELIN Anne - VAN DEYNZE Lauranne (groupe 10) Professeurs : M. Dekesel, P. Hautier et B. Tinant Didactique spéciale des sciences naturelles (SC2321) Année académique 2004-2005
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Table des matières 1. Description de la situation problème...4 2. Public visé...4 3. Liens avec le programme...4 4. Prérequis...4 5. Compétences visées...4 5.1. Compétences générales du programme...4 5.2. Compétences scientifiques...5 5.3. Compétences spécifiques...5 6. Concepts à faire acquérir...6 7. La carte conceptuelle...7 8. Scénario : Déroulement de la situation problème....8 8.1. Rôles...8 8.2. Phase 1 (15 min max) : Dans l avion (phase passive)...8 8.3. Phase 2 (50 min max) : Dans le désert (phase active)...8 9. Description des expériences...9 10. Ressources...13 3
1. Description de la situation problème Une mission spéciale consistant en un tour des plus grandes villes du monde est lancée par une délégation de chercheurs et d accompagnants. Le but de cette mission est de faire découvrir aux populations de ces grandes villes la nouvelle technologie des voitures non polluantes qui ne rejètent que de l eau. Le groupe missionnaire s envole pour un voyage parsemé d embûches et de surprises pour arriver à destination et partager sa découverte. 2. Public visé Les élèves du 3 ème degré et plus précisément les 6 ème secondaire en sciences générales (6h/semaine). 3. Liens avec le programme Notre sujet se rapporte au thème numéro 6 du programme en sciences : 4. Prérequis En physique : o Notions élémentaires d électricité o Transformation d énergie «La voiture de demain sera-t-elle propre?». Chimie o Electrolyse de l eau o Equilibre chimique o Equations redox et couples oxydoréductions o Le principe des piles 5. Compétences visées 5.1. Compétences générales du programme Interpréter un phénomène ou prévoir son évolution. Expliquer le fonctionnement d un objet technologique en utilisant des modèles ou des théories scientifiques dont il convient d estimer la pertinence et les limites. Communiquer oralement ou par écrit un raisonnement élaboré sur base de théories scientifiques afin d éclairer une personne confrontée à des questions relatives à la santé, la sécurité, l éthique, Elaborer un dossier argumenté permettant d évaluer l impact de découvertes scientifiques ou d innovations technologiques sur notre mode de vie et sur l environnement en vue de responsabiliser un public-cible. 4
5.2. Compétences scientifiques S approprier des concepts fondamentaux, des modèles ou des principes : o en évaluer la portée et les limites o les utiliser pour rendre compte des faits observés o les utiliser dans des explications argumentées ou des prévisions. Conduire une recherche et utiliser des modèles : o élaborer des modèles en faisant bon usage des boites noires o imaginer des procédures expérimentales o élaborer une synthèse critique. Utiliser des procédures expérimentales o détecter un problème, observer un phénomène o repérer les principaux facteurs qui peuvent influencer un phénomène, faire des prédictions o concevoir une expérience o réaliser une expérience o analyser les résultats obtenus o rendre compte de l expérience sous la forme d un rapport (écrit et/ou oral). Utiliser des savoirs scientifiques pour enrichir des représentations interdisciplinaires : o établir un lien entre les pratiques expérimentales en physique, chimie, biologie ; o établir un lien entre les développements des sciences et des technologiques et, par exemple : la pratique de certaines activités (les industries automobile, agroalimentaire, le sport ) l évolution de notre mode de vie (mobilité, automatisation, aménagement du temps de travail ) leur impact sur l environnement. 5.3. Compétences spécifiques Utiliser une démarche scientifique pour appréhender des phénomènes naturels, des processus technologiques : hypothèses vérification des hypothèses conclusions? Utiliser une argumentation rationnelle dans des débats de société sur des sujets tels que l énergie, la radioactivité, les déchets : débats de société en rapport avec les énergies «propres» indispensables comme alternatives à la pollution croissante. Evaluer l impact de découvertes scientifiques et d innovations technologiques sur notre mode de vie : En ce qui concerne la pile à combustible, les impacts sur notre mode de vie seraient positives d un point de vue de la santé (moins de pollution) et entraîneraient une modification des types d appareils quotidiens utilisés (les voitures, et on peut aussi imaginer des applications pour les appareils portables). Evaluer l impact d actes quotidiens sur l environnement : Diminution de la pollution grâce à ce type d énergie alternative. Expliquer l impact écologique de la consommation : Impacts négatifs évidents des énergies fossiles actuelles surconsommées actuellement, et terriblement polluantes. Expliquer pourquoi et comment économiser l énergie : Economiser pour préserver notre planète (contre la pollution), en développant des moyens techniques spécifiques tels que la pile à combustion. 5
6. Concepts à faire acquérir Le concept d énergie : o Grandeur caractérisant un système et exprimant sa capacité à modifier l état d autres systèmes avec lesquels il interagit (unité SI : le joule). o L énergie est un concept de base en physique car un système isolé a une énergie totale constante. Il ne peut y avoir de création ou de disparition d énergie, mais seulement des transformations d une forme d énergie en une autre, ou des transferts d énergie d un système à un autre. Toute conversion d énergie s accompagne de pertes. Les différentes formes d énergie (lumineuse, électrique, chimique, mécanique, ) Les transformations d énergie La notion de rendement Le principe de la pile à combustible o Appareil qui transforme en énergie électrique l énergie chimique d un couple combustible-comburant, stocké à l extérieur. Le principe d une énergie renouvelable et propre o Les énergies renouvelables sont essentiellement tirées des éléments (terre, eau, air et feu) et du soleil. On désigne par énergies renouvelables un ensemble de filières diversifiées dont la mise en oeuvre n'entraîne pas l'extinction de la ressource initiale : vent : éolienne soleil : thermique, photovoltaïque, thermodynamique chaleur terrestre : géothermie eau : hydroélectrique biodégradation : biomasse biocarburant Les énergies renouvelables sont ainsi multiples et fondamentalement diverses par leurs mécanismes physiques, chimiques ou biologiques. 6
7. La carte conceptuelle ENERGIE Différents types d énergies Énergies primaires Transformation avec perte d énergie Énergies secondaires Transformation avec perte d énergie Énergies finales 7 formes d énergie : Énergies épuisables ex : charbon, pétrole brut, gaz naturel, uranium naturel Énergie renouvelables ex : énergies hydrauliques, solaire, éolienne, biomasse, géothermie, marémotrice Électricité Pétrole raffiné Vapeur Industrielle et l hydrogène mécanique nucléaire gravifique thermique chimique électrique lumineuse Transformation de l hydrogène (du réservoir) et de l oxygène (ambiant) en énergie électrique grâce à la Stockage de l hydrogène dans le réservoir Hydrogène Oxygène Transformation avec perte d énergie Électrolyse Transformation avec perte d énergie Cellule photovoltaïque pile à combustible Transformation de l énergie électrique en énergie mécanique pour faire avancer la voiture dans le Rendement de la transformation moteur électrique 7
8. Scénario : Déroulement de la situation problème. 8.1. Rôles Les étudiants joueront le rôle d une délégation en voyage pour montrer un kit d une voiture à hydrogène à la population des villes visitées! Les enseignants accompagnateurs joueront les rôles d hôtesses de l air, de stewards et de voyageurs scientifiques accompagnant la délégation. 8.2. Phase 1 (15 min max) : Dans l avion (phase passive) Les étudiants sont accueillis par les hôtesses de l air qui leur montrent les places et leur souhaitent un bon voyage. Une fois en place, les étudiants assisteront à une animation Power Point expliquant quelques consignes de sécurités et informations sur le vol le but de leur voyage, le corps scientifique à bord et le matériel embarqué. Les hôtesses de l air circulent entre les voyageurs en distribuant des schémas explicatifs du kit embarqués et en offrant (pourquoi pas) des friandises! Cette phase se termine par un homme, habillé en pilote, qui se précipite vers les hôtesses en chuchotant nerveusement un message de détresse. Il fini par avouer à notre groupe d étudiants voyageurs que la compagnie d essence, connaissant le but de ce voyage, a volontairement rempli les réservoirs de l avion à moitié, l obligeant à atterrir en catastrophe dans le désert. Aidé par les simulateurs des fenêtres de l avion, l atterrissage dans le désert commence! Par chance, l avion était presque arrivé : la ville polluée a une frontière commune avec ce désert. 8.3. Phase 2 (50 min max) : Dans le désert (phase active) Les étudiants, munis de quelques bouteilles d eau et des kits, sont confrontés à une limite temporelle (avant de mourir!) pour atteindre la ville. Ils doivent agir! Le corps scientifique, qui a travaillé sur la pile, ne connaît pas la mise en pratique et ne peut que jouer le rôle d un consultant et d un guide. Les guides doivent suivre la logique des étudiants voyageurs, reformuler scientifiquement leurs volontés, remarques et conclusions etc. 8.4. Phase 3 (10 min max) : Dans la ville (phase interactive) Arrivés à la ville, les étudiants sont applaudis par un comité d accueil qui désire comprendre ce mystère qu est la voiture à hydrogène. Un mythe qui a envahi les médias grâce à l aventure de nos étudiants! Le comité pose des questions comme : 1. le fonctionnement de la pile en mot simple 2. pourquoi c est une source d énergie non polluante et renouvelable? 3. le rendement énergétique 4. les applications commerciales envisageables Le comité collecte et critique les réponses fournies, à l aide des scientifiques. 8
9. Description des expériences La présentation qui suit est destinée à l enseignant. Elle lui servira de support à la création d un document pour les élèves. Première expérience : Quelles sont les étapes de la production de l électricité au moyen de l hydrogène? Objet de la manipulation : Lors de cette manipulation, les élèves sont confrontés à la notion de transformation d énergie : énergie solaire? énergie électrique? énergie chimique (lors de l électrolyse) ; énergie chimique? énergie électrique? énergie mécanique (lors de l utilisation de l hélice). En voyant l hélice tourner, ils peuvent entrevoir la possibilité de faire tourner un moteur uniquement avec de l oxygène et de l hydrogène. Ils vont donc se poser des questions sur les énergies propres, et être confrontés à la notion de développement durable. Temps prévu pour l expérience : 25 minutes Matériel - Un spot de 50 Watts - Un panneau solaire - Un électrolyseur avec membrane échangeuse de protons - Une pile à hydrogène avec membrane échangeuse de protons - Une mini-hélice - De l eau déminéralisée - Deux «boîtes de mesure» (comprenant un ampèremètre, un voltmètre et une résistance) - Des fils pour les connexions électriques - Deux longs tuyaux pour le transport des gaz - Deux petits tuyaux pour l évacuation des gaz - Deux bouchons pour fermer l évacuation Montage Le circuit de cette expérience comporte deux parties : 1. Une cellule d électrolyse, fonctionnant grâce à l énergie solaire. 2. Une pile à hydrogène, faisant fonctionner la petite hélice. Identifiez-les sur le schéma avec les accompagnateurs, avant de monter le circuit. 9
Mode opératoire 3. Avant de commencer les manipulations, lavez et rincez-vous soigneusement les mains, afin d éviter toute contamination du système. 4. Montez le circuit, tel qu indiqué sur le schéma. Le remplissage de l électrolyseur en eau déminéralisée se fait, en passant la pipette du flacon par les petits tuyaux rigides. Attention, il est formellement interdit de mettre un quelconque électrolyte dans l appareil! Cela l endommagerait. 5. Tourner le bouton de gauche des deux «boîtes de mesure» sur «court circuit». 6. Placez le spot à environ 10 centimètres du panneau solaire, et allumez-le. Attention, le panneau solaire peut être endommagé en cas de surchauffe. Un bon moyen de s en prémunir est de vérifier à intervalle régulier si celui-ci n est pas trop chaud, en le touchant du bout du doigt. Si celui-ci est correctement illuminé, le courant produit devrait valoir à peu près 200 ma. 7. Lorsque le niveau d oxygène atteint 3 ml, pincez le petit tube raccordé à la pile du côté O 2. Enlevez alors le petit bouchon et diminuez légèrement la pression de vos doigts de manière à ce que le niveau d oxygène dans le tube retombe proche de 0. Rebouchez le tuyau et retirez vos doigts. Réalisez ensuite la même opération avec l hydrogène. Cela permet de chasser l air qui restait dans les tuyaux. L hélice devrait se mettre à tourner aussitôt. Questions sur l électrolyse Concentrons-nous maintenant sur la première partie du circuit : l électrolyseur, alimenté en énergie par le panneau solaire. Le rôle du panneau solaire est de convertir l énergie solaire, que nous avons à notre disposition, en une autre forme d énergie : ici, de l énergie électrique. Cette énergie va être ensuite transformée en énergie chimique dans l électrolyseur. 1. Qu observez-vous dans les cylindres? Observez-vous le même phénomène dans les deux cylindres? 2. Quelle pourrait être la nature des gaz produits? 3. En quoi l énergie solaire est-elle nécessaire à la production de ces gaz? 4. Pourriez-vous établir les réactions régissant la production de ces gaz? 5. Pourriez-vous prédire le temps qu il faut pour obtenir une certaine quantité de l un des deux gaz? Questions sur la pile à hydrogène Concentrons-nous maintenant sur la seconde partie du circuit : la pile à hydrogène et la petite hélice. Au terme de l électrolyse, les deux cylindres sont remplis l un d hydrogène et, l autre, d oxygène. Or, ces deux gaz sont susceptibles de réagir ensemble, lors d une réaction dite d oxydoréduction, au cours de laquelle il y a un échange d électrons. Cet échange peut être exploité, en connectant les deux cylindres à un circuit électrique, dans lequel les électrons pourront circuler. C est ainsi que l énergie chimique stockée se transforme en énergie électrique, dans la pile à hydrogène. 1. Quel phénomène est à la base de la production de l électricité qui fait tourner la petite hélice? 2. Pourriez-vous écrire les équations décrivant ce phénomène? 3. Quel avantage y a-t-il à utiliser l hydrogène combiné à l oxygène pour produire de l énergie plutôt que de faire brûler et exploser l hydrogène? 10
Deuxième expérience : Quel est le rendement énergétique du système? Objet de la manipulation : Pendant cette seconde expérience, les élèves sont confrontés à la notion de rendement énergétique : lors de leurs mesures ils vont se rendre compte que toute l énergie fournie au système n est pas restituée par celui-ci. Ils se rendent donc compte qu il y a des pertes. Les élèves sont ici invités à calculer quelle proportion d énergie entrant dans la pile est finalement restituée. Temps prévu pour l expérience : 25 minutes Matériel - Un spot de 50 Watts - Un panneau solaire - La pile à hydrogène réversible avec membrane échangeuse de protons - Une petite voiture - Une «boîte de mesure» (comprenant un ampèremètre, un voltmètre et une résistance) - De l eau déminéralisée - Des fils pour les connexions électriques - Un chronomètre Montage Pour la première partie (la charge) Pour la seconde partie (la décharge) 11
Mode opératoire Première partie : «Quelle quantité d énergie est nécessaire à la production d hydrogène?» Les élèves sont ici invités à mesurer la quantité d énergie consommée pour accumuler +/- 6 ml d hydrogène. 1. Montez le circuit, comme indiqué sur le schéma. 2. Tourner le bouton de gauche de la «boîte de mesure» sur «court circuit». 3. Placez le spot à environ 10 centimètres du panneau solaire et allumez-le. 4. Lorsque le niveau d hydrogène atteint 4 ml dans le cylindre de stockage, enclenchez un chronomètre 5. Relevez alors la valeur du courant (en Ampères) et de la tension (en Volts). Multipliez ces deux valeurs pour obtenir la puissance (en Watts) consommée par l électrolyse. 6. Lorsque le niveau d hydrogène atteint 10 ml, relevez le temps écoulé sur le chronomètre et coupez le circuit. 7. Multipliez alors la puissance de la cellule par le temps écoulé (en secondes) pour obtenir l énergie nécessaire à la production de 6 ml d hydrogène. Deuxième partie : «Quelle quantité d énergie est produite par la pile à hydrogène?» Les élèves sont ici invités à mesurer la quantité d énergie produite par la pile, lors de la consommation de ces mêmes 6 ml d hydrogène. 8. Tourner le bouton de gauche de la «boîte de mesure» sur 3Ω. 9. Remettez le chronomètre à 0, refermez le circuit et enclenchez le chronomètre. 10. Relevez la valeur du courant (en Ampères) et de la tension (en Volts). Multipliez ces deux valeurs pour obtenir la puissance (en Watts) dégagée par la pile à hydrogène. 11. Lorsque le niveau d hydrogène atteint 4 ml, relevez le temps écoulé sur le chronomètre et coupez le circuit. 12. Multipliez alors la puissance de la pile par le temps écoulé (en secondes) pour obtenir l énergie produite correspondant à la consommation de 6 ml d hydrogène. 13. Pour décharger la cellule complètement, placez-la sur la voiture de démonstration et connectez-la. Faites rouler la petite voiture sur le sol! Questions 1. Calculez le rendement total du système : Quantité d énergie produite par la pile. Quantité d énergie consommée pour produire l hydrogène 2. Le rendement du système vaut -t-il 100%? Comment pourriez-vous expliquer cela? 3. Une des pertes importantes du système résulte de l échauffement de la pile lors de son utilisation. Pourriez-vous imaginer un moyen «d utiliser intelligemment» cette perte? 4. Pourquoi ne pas avoir calculé le rendement énergétique du montage dans la première expérience, par exemple en divisant la puissance à la sortie par la puissance à l entrée? 5. Pourquoi avoir considéré une base de 4 ml d hydrogène et ne pas simplement l avoir chargée et déchargée à partir de 0 ml? 12
10. Ressources Matériel Les expériences ci-dessus font appels à deux kits de démonstration édités par le société Heliocentris (http://www.heliocentris.com) : le kit «Hydrogen Fuel Cell Model Car Demo» et le kit «Solar Hydrogen Science Kit». Le matériel utilisé est parfois à prendre dans ces deux kits en même temps. Livres M. Wautelet, Sciences, technologies et société, Duculot, 2001. Le Petit Larousse Illustré, 1992. Sites commerciaux http://www.gmeurope.com/marathon/ http://www.shell.com/home/framework?siteid=hydrogen-en Sites scientifiques http://www.annso.freesurf.fr/ Sites didactiques http://www.h-tec.com/ http://www.heliocentris.com/ 13