ARTheque - STEF - ENS Cachan | Initiation aux circuits électriques (Expériences réalisées en Classe de 6ème au CES Versailles à Marseille, avant publication des programmes)

INITIATION AUX CIRCUITS ELECTRIQUES

(~xr frience r~a l i D~e en 6 me au C.E.S. Versa i i les, (; Mil RS Ett.t.e, av an t publication du rl'o (1ramme )

r

-

Ce thème of fre un gr a nd ç'rand no mbre d'avan ta çres aui sont lié s au carac tè r e spect ac ulaire des exnérien ces d'é lec trici t é et ~ une mot iva ti o n ce r t a i n e Qe s enfants ~ou r ce su jet don t ils con naiss e n t des ap plica tion s dans la vie moderne.

En outre, une ini tiation au x circuits él e c trin u e s oer met de réalise r l ' union de la science et de la te c h -ni aue en év ita nt de sombrer dans deux éc uei l s nui son t la réd u c ti o n du thème ~ un br i c ol a0e de piles et d'am-~ou l es ou la reche r che pr ématu rée du modè le ~hysinue de cou r ant él e c t r iau e .

En évitant le s dancrers orécé de n t s , on oe u t atte indre un très gr a n d no mbr e d'obje ctifs nu i seront' précisés dans la conclusion de ce comp te- rendu, bien au'il eUt été plus logiaue de les indi auer au début, mais nous avons oréféré laisser au lecteur le soin de les découvrir au fur et à mesure de la prés enta tion des diff éren tes ét a n e s

de l'expérience. . .

II - ETAP E S DE L'EXPER IENCE 1è re étape

2ème ét a o e

3ème étape

4ème étape

commen t al l ume r une lamp e ? (2 h)

~u el matéri a u oe u t remolacer un fi l de cu i v r e ? (1 h)

inventaire des substances uti l i sées d'un pôle à l'aut re de la pile en pa s s a n t par la lampe (1 h)

dan s nue l ci r c ui t y a-t-i l du cou r a nt ? (2 h)

Sème ét a oe

6ème étape

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-comment allume r ou ptein dre 2 lamnes ?

(2 h)

la lampe br ille-t-el l e no rm al e ment ? (2 h)

II I - DEROULEMEN T DE L'F.XPEPIENCE

1.1 - Chaaue 0r oup e dispo sant d'une nil e ola t e et d'u n e lampe est Ln v Lt.ê R trouver un moven d'al.Lume r la

lamoe et

à

On consta te nue les élève s v arrivent très rapid ement so i t par hasa r d , so i t pa r habitude, soit par tâton n eme n t

ou tout simplement pa r cooiane sur les vo i s i n s.

Le vocab u laire es t alors donné aux élèves (bo r n e s, oôles , culot, plot) et on conclut su r la condition d'a l-luma~e de la lampe nui sera :

Un des riôles de la pile est en contact avec le ~,

l 'autre pô l e est en contact avec le culo t .

1.2 - Ch anue or o u p e di s p o s e alors d'un e lampe , d'u ne

pil e plate et d'un-fi l· de cu i v r e. L'a l ~ umaoe de la lamoe

est obte nu immédiat eme nt et an peut modifier la con di

-ti o n d'allumage en énonçant :

Un des pôle s de la pile ~st en co nt a c t avec le olot (ou le culot) , l 'au tre pêle est relié au culot oar le fil

de cuivre.

1.3 - Chaq u e ~rou~e di s p o s e d'une pile ron d e , d'une

lampe et d!un fil él e ctri aue. L'a l luma ~e est ob t e nu labo r ie u semen t , les oôles da la pile ron de sont di f f i c i~

lement loc a l i sé s par les élèves mais l 'ensemble de la clas s e ~, arri v e par tâtonnement.

On consta te nue la condition d'allumaqe reste la même crue nrécé demment. On cl asse alors les piles parmi

les qénérateu r s. .

L'exerci ce suivant est alors nronosp.

nOur fam

EXERCICE

Allumage d'un e lampe avec une pile ronde. Ma rqu ez 0 à l' in tér i e u r du cercle représentant

l'ampo u l e lorsque la lam~e est ét e int e.

Ma rqu ez l lorsn u'elle est al l umé e.

0uel matér i au peut remplacer le fi l de ~--- - - --- -- --- --- -- -- --- - - --cuivre ?

--- -

-L'étape précéd e n t e a mo nt ré crue l 'alluma ae d'un e lampe ét a i t réali s ab le soit par contac t entre pôle s et

bo r n e s, soit pa r l 'interméd ia ire d'un fi l de cuivre.

Pe u t-on remplacer le cuivre par d'autres sub s t a n c e s ? 2.1 - Chaque gr oup e dispo se d'une lampe, d'une pile olate et de substances diverses (bois, fe r , mine de cravon,

caou Uhouc , pl a s t i a u e.. .), on dési q ne par A et B les

points à reli e r par l 'intermédiaire d'une des substances précitées et les élè v e s exé cute nt les dive rses expérien-ces en notant 0 si la lampe est ét e i n te et l si la lampe

- 55

-D'op le ta bleau ~ compléter Lamoe 1

o

2.2 - L'exame n du tableau montre nue le s subst an c es utilisées oe u v e nt être classées en 2 catéqorie s , d'op le nouveau tabl eau :

lampe allumée 1 fer cuivre pièce de 1 F lamoe étei n t e 2 bo is verre caoutchouc

Le cas des substances oui conduisent nlus ou moins bie n es t vo l o nta i r e me n t laissé de côté dan s cette étane, la cla s si f i c a tio n se faisan t d'une facon s stématinue sui v ant nu e la lampe bril le (même fai b l e me n t ) ou ne

bril l e pa s. La distin c ti o n est faite alo r s entre les sub s -tances oui conduise nt et cel l e s qui ne co ndu isen t nas

le courant. .

D'o ~ conduc teurs et isolants .

~~~~ _~~~~~ :_~~~~2~~_b: ~ ~~~~~~!E~_Q~~_~~~~~~~~~ ~ E~~~2~~ E~~~_Q:~~_Ë~b~_Q~_b~ _~!b~_ ~ b:~ ~ ~ E~ _~~ _~~ ~ ~~~~ _~~ E _b~ _ b~~E~ 3.1 - Chaoue gr o u p e dispose d'une pile plate et d'u n e la mpe : on se pr o p o s e de fai r e l 'inventaire des sub stances "o il il Y a du courant".

Le s oôles de la nile so~t de suite class és "con -ducte urs "~ ma i s le pr~blême ~ réso udr e est celui de la lamoe dont l ' intéri eur est caché en nartie nar le cul o t . L'observati on de lampes dont le culot est scié perme t

de déco uvrir le s conne xio n s du fi l a ment . L'int~ri eur de la lamp e es t .schéma tis é et on consta t e nue la lampe est allumée lorsq u'on trouve une sui te ininterrompu e de conducteur s d'un pôle à l ' a ut r e de la pile .

Cett e chain e inint e r romnue de conducteurs constitue

"l e ci rcu i t él e ct r ique .

3. 2 - Une chaine inint e rrompue de conducteurs est donc néce ssa ir e à l 'alluma g e de la lamn e , comment l 'é

-tein d re ? La ré p ons e est imméd iate : inte rrompre cette

chaine. Pa r quoi? Un isolan t ; leque l ? l 'ai r.

Le s élèves sont invi t és ~ rech e r c h e r un mon t ag e permett an t d'al l umer ou d'étein dre la lamo e.

La pr emière idée pr o p o sé e est souve nt de déc

onnec-ter l 'un des pô l e s ou l'une des bornes, mai s les comnar a

i-son s avec les obj ets él ectrio~e s famili e r s montrant oue

cette solutio n est peu commode (voire même da ngereuse),

d'o~ l ' id ée d'ajoute r ou d' en l e v e r un con d u c teur da ns le circ u it . On en arrive au orin cioe de l 'int errunt e u r ,

con d ucteu r qu i peut ou ne-pe u t pas ap part eni r au circ uit.

3.3 - La sché mati s at ion est alors indiouée et on

apprend à utiliser les termes tels que circu i t ouvert

ou circu i t fermé on passe al o r s ~ une not atio n bi na ir e: la mpe inte r rupte~ r inte rrupt~ur ouve rt fe r mé étein te al l umée ou

o

4è me étape : Dans quel circui t y a-t-il du cou rant?

---

--

~-4.1 - Le s élèves vont réali ser un ci rcuit él e ctri -que si mple en utilisant un suppo rt de lampe (o b s ervé et schématis é ). Ils disposen t d'un fil conducteur et réa -lis e nt les ex pé r ien c e s suff é rées pa r la fiche ci-de s sou s Réa l is er le montage

ci cont re

puis fai re les exp éri e n c es ci

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-Exp. 1/ Relier 1 à 2 par un condu c teu r C. Que se passe- t- i l ?

Exp. 2/ Relier 1 à 3 par un co rid ucteur C. ('ue se passe- t- i l ?

E'x p . 3/ Relier 1 à 4 pa r un conducteur C. Que se passe-t-i l ?

Exp. 4/ Re l ier 2 à 3 par un conduc teu r C. Qu e se pas se -t-il ?

Exp. 5/ Relier 2 à 4 par un conducteur C.' rue se pas s e-t- i l ?

Exp. 6/ Re l i er 3 à 4 par un conducte u r C. Qû e se passe-t-il ?

4.2 ~ Il est évident que le courant est dans la lampe L lorsq u ' e lle es t allumée et qu'i l n'y a pas (ou peu de co ura nt ) lorsqu 'e lle est ét e i n t e. On demande aux élèves d'indiquer par les numéros et lettres les 2 ci r-cu i ts possibl e s et de colo r ier en rouge les conduc t e u r s "0 0 il Y a du courant". On obtient

Exp. 1 l-C-2-L -3 -4' et l-2-L-3-4 L, allumée Ex p. 2 l-C -3-4 et l-2 -L-3-4 L, éteinte Exp. 3 l-C-4 et l-2 -L -3- 4 L, éteinte Exp . 4 l-2-C-3 -4 et l-2-L- 3- 4 L, éteinte Exp . 5 1-2-C-4 et l-2-L -3- 4 L, éteinte Exp. 6 l-2-L-C - 4 et l-2 -L-3- 4 L, allumée 4.3

-

Il Y a toujours du co ur a nt dans C (le vérifier av e c un fil de paille de fer ). Lorsq ue l 'un des 2 ci~cuit s possible s ut i l i se C et pas L et l 'autre L et pas C, le co u r ant est dans le circ uit utilisan t C. Pou rquoi? Le s élèves disent que "C est plus conducteur qu e L et le courant pr éfère être dan s C que dans L parce qu e c'est plus facile" .

On remarqu e que dans ce cas, C réali se un cou r t -circuit, mais il faut bien mont r e r que même si C est trè s long , l 'obse rvation est la même.

L'étape précédente montre bie n qu e les élèves se

représentent le circuit élect riq u e comme une su i t e ~e

condu cteu r s dans les quels i l y a du couran t . Même si le terme "courant" est utilisé, ils ne font pas le rap p r o-chement avec le sens du mot et ont enco r e une conception s at ique du courant électrique. On va donc leur proposer d'al lume r 2 lamp e s ident ique s avec une pil e plate et

d'int erpréter les expériences obser vé es.

5.1 - Le s élèves disposent d'une pile pla t e, de

2 lampes et d"u n in t e rru p te u r . Ils es sayen t d'allume r

le s 2 ~s sans autres in d icati ons don nées par le pro

-fe sse ur. On obtien t 9 fois sur 10 le monta g e en par a l -lèle, mais l ' in t e rr upteu r n'e s t pas to ujo urs bien ol acé.

Le mo nta g e sér ie es t obtenu raremen t ma is toujou rs avec l ' i n t errup t e ur entre les 2 la mpes.

5.2 - Chaqu e type de montage est schématisé sur le cahi e r ou au tabl e a u et la cla s se cri tique chaqu e sol u -ti on. On cons t a t e vite qu'e n sé r i e le s lam~e s bri llen t

moins qu'en dérivation , mais i l fau t suggé r e r de déco n -ne c ter un e lampe pour constater qu'en sé ri e, l 'autr e

s~teint, mais qu'en parallèle l 'autre reste al l umé e . D'oü l 'utilisation fréquente du second mont a g e .

5.3 - L'int erpréta tion de l 'écl a t des lampes est proposée par les élèves do n t certain s pe nsent qu'en série le cou rant est dans un ci rcuit comportant 2 lam -pes ce qui "l 'a ffa i b lit ", tandis qu 'en parallèle le cou-rant est dan s 2 circuits indépe ndants comportant l lampe chacun et chaque lampe "a so n coura nt sa ns êt r e ob l igé e de le pa r t a g e r av e c l 'a u t r e ".

0uel q u es élèves parlent du co u r a n t qui "p as s e dan s une lampe, puis dans l 'autre " dans le cas de mo n t age série, ma is qu i pa s se en même temp s dans ch a q u e lampe dans le montage dérivation.

Rien ne vient départ ager les élèves à ce moment, et même l 'anal o g i e hy drau l i que n'apportera i t qu'une affir

-mat i on gr atuite

ë

t

Il faut donc prévoir un e sui t e à cette éta p e dont l 'interprétatio n n'e s t pas donnée à la classe.

- 59

-6.1 - ~h aq ue gr o u p e dispose d'u~e pil e ronde

(1 ,5 V) , d'un e pi l e plat e (4,5 V) et de 4 lampe s (1,2 V

2,5 V ; 3,5 V ; 6 V) .

On réal i se un circ u i t simple avec un~ la mp e et on es saye de fa ire un cla s s emen t suiva n t l 'éc lat des lampes

(br i l le beauco u p, bien, peu, pas du tout)

On dresse le tableau ci-de s so u s :

Pile ronde Pi le plat e

1,2 V bien brille forteme nt et gr i l l e

2,5 V pe u brille be auc oup

3,5 V pe u bien

6 V pas du tou t peu

6.2 - Conclu s i o n s : Une lamp e ne va pa s av e c

n'importe quelle pi l e : on con st ate que la lampe (1,2 V)

brill e bi en avec un e pile ronde sur laqu el le on l i t (l,! V) et qu ' u n e lamp e (3 ,5 V) brille bien av e c une

pile plate sur laq uelle on l i t (4 ,5 V).

A chaqu e lampe cor re spond une pile qui la fait br i l -le r nor ma lement .

ru e l l e cond ition doit satisfaire l 'en s embl e (lampe

-pi l e ) ?

Le nombr e de vo l t s lu s su r le lampe do i t être ~

re men t inf é rieur à celui lu sur la oile.

6.3 - Rev e n o n s don c su r les montages sér i e et parallèle ; pourq uo i 2 lamp e s 3,5 V br an ché es en sé r i e

avec une pi l e 4,5 V bri llent -elles moins bi e n qu'en

dé r ivat ion ?

Le s répon se s sont cette foi s un a ni mes : "en sé r ie,

le s volts de la pile se parta gent pour cha q ue lam~e ~ui

n'en a pas as se z pou~ .b r i l le r norm aleme nt, en dérivation

cha q u e lamp e utilis e tous le s vol t s de la pi le et en a

assez pour briller normalement ~ .

Il se mbl e que la not i on de tensi on in d iq uée par des volts soit préfér a bl e à celle d'i n tens i té qui n'a

pas été évoquée car elle su p p os a i t une ci rc ulation du

CO N C L U S IO N

Cet t e in i t iat i o n aux circuits éle c t riq u e s en

cl a s se de 6ème a pe rm i s d'atteindre un certain nombre

d'objectifs.

- des objectifs concept uel s (circuit électrique)

- des ob j e ct i fs notion nel s (condu cteur s , isolant s ,

tension ) ;

- de s objectifs méthodologiques (o b se r vation, cla

s-sement , an a ly se d'un problème , reche rc he d'une

sol ution ) ;

- de s object ifs de "savoir-faire" (réa l i sat i o n du

montage à part i r d'un schéma et du sc h éma à par

-tir du montage, utilis a tion convena ble d'une

lampe ) .

Ce r t es, le concept de circuit électrique n'a pas

été dé g a g é totalemen t puisque l 'analogie hydraul ique

n'a pas été évoquée , mais les élèves ont acquis un

cer-tai n nombre de technique s expérimen tal e s en électri~ té

le ur pe r me t t a n t de mieux re cevo i r en Sème le co mp l émen t

indis pe n s a b l e à un enseignement des circuits électriques

dans le cycle d'observa tion .

R. VENTO