LA LAMPE DE POCHE SANS PILE Partie 1 1. La partie du programme traitée, les objectifs et les capacités visées Partie du programme visée T4 POURQUOI ÉTEINDRE SES PHARES QUAND LE MOTEUR EST ARRÊTÉ? Cycle terminal Tronc commun Capacités 2. Comment recharger un accumulateur? Connaissances Savoir que : -un accumulateur se recharge à l'aide d'un courant continu ; -le générateur qui charge l accumulateur délivre une tension supérieure à celle-ci ; -un alternateur fournit un courant alternatif ; Classe niveau Terminale ASSP (effectif 32 élèves : 2 groupes de 16 en sciences) 2. Les conditions matérielles, l effectif de la classe, la durée Salle de TP : 8 postes Durée : une séance de 1h30. Matériel par poste : Lampe dynamo avec deux fils branchés sur la dynamo et deux fils branchés sur la batterie, un système d acquisition + ordinateur, 1 capteur voltmètre. 3. Situation déclenchante Aurélien vient d acheter une lampe de poche dont les caractéristiques sont données ci-dessous : Lampe de poche écologique sans piles Caractéristiques techniques - Batterie 40mAh/Ni-MH - Rechargement par dynamo - 1 mn de manivelle offre 20 mn de lumière - 3 LED puissantes. Problématique : Aurélien se demande comment une lampe de poche sans pile peut fonctionner.
4. Reformulation de la situation et l émission d une hypothèse : 1 ) Que souhaite savoir Aurélien? C 1 2 ) Proposer une hypothèse qui pourrait être présentée à Aurélien.. C 2 3 ) Proposer une ou deux expérience(s) permettant de vérifier votre hypothèse. C 2 Schéma du dispositif Description du protocole Faire valider la proposition par le professeur. Réaliser l expérience et conclure. C 3 et C 4
5. Démarche guidée 1 ) Quel composant fait-on tourner à l aide de la manivelle avant d utiliser la lampe de poche? C 1 2 ) Ce composant délivre-t-il une tension continue ou alternative? C 2 3 ) Proposer une expérience permettant de vérifier votre hypothèse. C 2 Schéma du dispositif Description du protocole Faire valider la proposition par le professeur. Réaliser l expérience et conclure. C 3 et C 4 4 ) Après avoir tourné la manivelle un certain temps, la lampe peut être utilisée. C 2 Comment est-ce possible? 5 ) Avec quel type de courant peut-on charger une batterie? C 2 6 ) Modifier le montage précédent afin de vérifier la réponse précédente. C 2 Schéma du dispositif Description du protocole
Faire verifier le montage par le professeur. Réaliser l expérience et conclure. C 3 et C 4 7 ) A L interieur de la lampe de poche, des composants électroniques sont branchés entre la dynamo et la batterie. Utiliser les résultats des deux expériences réalisées pour donner le rôle des ces composants. C 2 8 ) Retour à la problématique : «Comment fonctionne une lampe de poche sans pile?» C 5
6. Expérimentation 1 ère expérience : Chaque groupe réalise le montage ci-contre et visualise l évolution de la tension aux bornes de la dynamo en fonction du temps. Les élèves doivent actionner la manivelle pendant l acquisition. Dynamo Capteur voltmètre Système d acquisition Ils obtiennent l allure suivante : Tension aux bornes de la dynamo 2 ème expérience : Chaque groupe modifie le montage précédent pour visualiser l évolution de la tension aux bornes de la batterie lorsque la manivelle est actionnée, c est-à-dire au moment de sa charge. Batterie Capteur voltmètre Système d acquisition Ils obtiennent l allure suivante : Tension aux bornes de la batterie
7. La communication du résultat et la confrontation à l hypothèse - Restitution : Les deux expériences permettent de valider ou d infirmer les hypothèses des élèves. Elles permettent de conclure que la dynamo produit une tension alternative lorsque la manivelle est activée et que la batterie se charge sous une tension continue. Les élèves peuvent alors répondre à la première problématique : «comment fonctionne une lampe de poche sans pile?» Lorsque la manivelle est actionnée, une tension alternative est produite par la dynamo. Des composants électroniques transforment alors cette tension alternative en tension continue pour charger la batterie. Une fois chargée, la batterie peut alors alimenter les LED et la lampe de poche peut fonctionner. 8. L écriture de la trace écrite : Un accumulateur se recharge à l aide d un courant continu. Soit à l aide d un chargeur : Le chargeur se branche (INPUT) sur le secteur (courant alternatif) et délivre à l accumulateur (OUTPUT) du courant continu. La tension délivrée par le chargeur est toujours légèrement supérieure à celle de l accumulateur. Dans l exemple ci-dessus, la tension délivrée par le chargeur est de 1,4V et celle aux bornes de l accumulateur est de 1,2V. Soit à l aide d un alternateur ou d une dynamo : Les accumulateurs de type «batterie de voiture» ou «lampe torche» sont chargés grâce à un alternateur ou à une dynamo qui produit un courant alternatif mais qui est ensuite transformé en courant continu.
Dans les deux cas, le courant alternatif produit ou provenant du secteur doit être transformé en courant continu. Les accumulateurs sont caractérisés par leur capacité Q en Ah (ou en mah). Plus la capacité Q est élevée, moins la pile se déchargera rapidement ou plus l intensité qu elle pourra débiter sera grande. La relation entre la capacité Q (en Ah), l intensité I (en A) du courant de charge (ou de décharge) et le temps t (en h) de charge (ou de décharge) est : Q = I x t 9. La structuration des connaissances Exercice 1 On donne ci-dessous la plaque signalétique d un chargeur de batterie et celle d une batterie d appareil photo. Plaque signalétique d un chargeur de batterie Plaque signalétique d une batterie d appareil photo 1 ) Comment fonctionne un chargeur de batterie? C 1, C 2 et C 5. 2 ) Ce chargeur convient-il pour recharger la batterie de l appareil photo? Justifier la réponse. C 4. Exercice 2 Théo a garé sa voiture sur le parking de son lieu de travail et a oublié d éteindre les feux de sa voiture. Sont restés en fonctionnement : - les 4 feux de position nécessitant chacun 0,42 A - les 2 ampoules de la plaque minéralogique nécessitant chacune 0,42 A - les 2 feux de croisement nécessitant chacun 4,6 A On néglige le courant permettant d éclairer le tableau de bord. 1 ) Calculer l intensité du courant qui sera débité par la batterie pendant son travail. C 1 2 ) Voici les informations que l on peut lire sur la batterie de sa voiture : Lorsque Théo reviendra à sa voiture après ses 8 h de travail, sa batterie sera-t-elle complètement déchargée? Justifier la réponse par un calcul. C 4 3 ) En déduire pourquoi il faut éteindre ses phares quand le moteur est arrêté. C 2 4 ) Un collègue lui prête un chargeur de batterie. La batterie de Théo est de nouveau chargée au bout de 15 heures. Calculer l intensité de charge fournie par le chargeur. C 3
Exercice 3 : Un stimulateur cardiaque est actionné par une pile au lithium et génère des impulsions qui évoluent dans le temps comme l indique le graphique ci-contre : U(V) 5,6 V impulsions 1 ) Quelle est la période des impulsions? C 1 et C 2 2 ) Ce stimulateur permet-il au patient d avoir un rythme cardiaque identique au rythme moyen d une personne au repos soit 75 battements/minute? C 4. 2,1 V 0 0,8 1,6 2,4 3,2 4,0 t(s) 3 ) Pour pouvoir générer ces impulsions, la pile au lithium débite en permanence un courant d intensité égale à 21 µa (1µA = 10-6 A). Vérifier que la quantité d électricité Q consommée par an est de 0,184 Ah C 4. 4 ) Cette pile a une capacité de 1,6 Ah. En déduire la durée de vie de cette pile. C 3 5 ) Quel intérêt présente cette durée? C 2 et C 5.