ARTheque - STEF - ENS Cachan | Électronique – Livre du professeur

ELECTRONIQUE

Livre du Professeur

SOMMAIRE INTRODUCTION

.

... ... .... ... ...

1 Présentation du document .. Présentation du module ..•• 3 5 OBJECTIFS •• ••.• •... 9 1 2 -Tableau d'objectifs Méthodes ••....• Connaissances .. Langages .• ....

Etude des objectifs principaux. Le courant La tension. La représentation graphique. La mesure le contrôleur ..• 10 11 15 20 23 23 27 31

34

39

40

41

44

46 48 50 52 54 56 58 61 61 63 64 72 Etude des fiches élèves

Amplificateur Interphone ....

Essai d'ampoules et de piles Conduit, ne conduit pas ••. Conduit plus ou moins .. Le transistor ...•.. Le transistor (fonction) Allumeur de réverbères ...

Un amplificateur qui amplifie plus.

2 - Fiches techniques .

Utilisation du matériel maquette. Technique d'implantation . Dépannage . Le contrôleur (utilisation) MONTAGES MAqUETTES ..•..•.•... 1 -83 85 87 95 95 101 112 121 121 123 129 130 133 141 Réalisation de montages dans une classe.

Conception d'un montage .... ....•.•...

Etude des dispositifs d'alarme et de commande. Etude de l'amplificateur ...• •• Montages plus complexes (orgue,minuterie,radio). Fiches techniques . La soudure . Support de câblage 3 Introduction 1 2 CONTROLES....• Introduction.

1 Exemples d'utilisation des contrôles. 2 Résultat des questionnaires . MONTAGES SOUDES.

...

... ...

ANNEXE S.•.••.•..••••••..•.•••••••.•.•••.••••••

1 Matériel. Prix indicatif - Fournisseurs.

2 Lexique .

3 Tableau des unités. 4 Bibliographie

5

Liste des responsables du module et des professeurs expérimentateurs 145 146 151 155 156 163

INTRODUCTION

~ LABORATOIRE INTERUNIVERSITAIRE DE RECHERCHE SUR L'ENSEIGNEMENT DES

SCIENCES PHYSIQUES ET DE LA TECHNOLOGIE -

UNIVERSIT~

PARIS VII

TOUR

23 -

5~ME ~TAGE

- COULOIR

23-13

3

-PRESENTATlœ DU DOCUMENT

Ce document résulte d'un travail collectif rlall., au cours 4.

l'expérimentation du module El.ctrODique. entr.pri•• par

le Groupe d.

Travail d. la Commiuion LAGAnIGUE.

Il s'adresse aux enseignant. dé.irant

:

eat r . pr eDdr e

UDe

iaitiatioa

a

l'flectronique avec des élèves de troi.ii. . ou quatrii... pour 1•• aid.r

dan. le. différentes phases de cet

en8eigne.ent~

Il est organisé en quatre grande. partLa.

1 -

Les objectifs ;

2 - Les montages maquettes

3 - Les montages soudés

4 - Les contrôles.

LES OBJECTIFS

Dans cette

partie, sont tout d'abord étudiés de. objectif.

po.-.ible. que l'en.eianement peut proposer d'atteindre avec 1• .adule.

Le. domaine. envisagés .ont ceux de. -'thod••• 4e. cODDai••

&DCe••

d••

lanaage. et attitudes.

Ensuite. .ont étudié. plu. prici,'. .nt 1•• o.Jectlf. prtBcipaux du

module, dupoint de vue de l'électricit' .t d.

l"l.ctroei~

••

LES MONTAGES MAQUETTES

Une première partie ••

t

con.titu'e par

UR'

prl.eatatiOD

c~ntl.

de. fiches 'lèves.

Pour chaque leçon, le. objectif. .ont dia.... .t d.. con••il.

pratiques .ont donnés pour son d'roulement.

4

-La

deuxième partie traite des possibilités d'utiliaation du matériel, du ~ontrôleur, ainai que du dépannage des montages sur maquette.

LES ~NTAGES SOUDES

La présentation et la finalité de cette activité nouvelle, ainsi qu'un exemple complet de réalisation dans une classe, permet de Msurer toute la portée que peut avoir cette partie du module.

vient ensuite l'étude détaillée de la conception d'un montale réel, avec quelques renseignements techni que s pour la réalisation pratique.

LES CONTROLES

Comment évaluer la réali s a ti on des objectifs, des exemples de solutions apportées au prob lèIllê des contrôles constituent le début de cette étude.

Sont ensuite exposés les résu lt a t s d'une enquête menée par question-naire auprès des élèves ayant par t icipés à l'expérimentation en 1972 et 1973.

-- ..J

-PRESENTATION DU MODULE

Du point de vue de l'électronique, le module est centré sur la notion d'amplification. Cette notion sera abordée essentiellement à

l'occasion de montages ayant une raison technique et comportant la chaîne complète capteur, amplificateur, effecteur. Ex. : Allumeur de reverbère, capteur : photorésistance, ampli 1 un transistor ; effecteur : lampe.

Ces montages seront réalisés à la fois en maquette et en montages soudés par chaque groupe de deux élèves.

MONTAGE MAQUETTE

On utilise pour ces leçons des composants électroniques montés dans des blocs en plastique. Ces blocs peuvent se fixer sur une plaque de montage. Une étuqiette collée sur le dessus des blocs rappelle la valeur et la nature du composant qui se trouve à l'intérieur. La disposition des blocs sur la plaque permet de reproduire très fidèlement les schémas

ce qui facilite la compréhension du phénomène et le passage d'une explication sur schéma à une visualisation sur montage.

Dans cette première partie, il y a/trois thèmes :

- Le premier est relatif à l'introduction ou à la révision de notions d'électricité

- Le second est l'étude de l'amplificateur A un transistor dans un montage intitulé "l'allumeur de reverbère" ;

- Le troisième est l 'étude de l'amplificateur A deux transistors à l'occasion de la réalisation d'un interphone.

Les leçons ne respectent pas tout-A-fait cette linéarité, puisque l'interphone étudié de façon globale est introduit tout au début. Ceci, dans le double but de susciter premièrement un intérêt, une curiosité, une

envie de connaître, et deuxièmement de servir de présentation du matériel et de la méthode de travail par fiches. Les leçons suivantes sont construites à partir d'un circuit simple avec une ampoule, par adjonction successive de nouveaux circuits, aboutissant à l'amlificateur à deux transistors, cet amplificateur à deux transistors étant exactement le même que celui qui est

utilisé dans la première leçon sur l'interphone.

6 -La progression au fil des leçons comporte quatre phases co rrespon-dan t à l'étude successive des qutre motnages ci-dessous.

On

passe ains i d'un montage A un autre en ajoutant seulement un circuit.

1

,

r.

₊

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IV ..J±"\IV IV

.1-

\Iv '.tA \I I

,

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V 3 ₄

Une autre organisation des leçons serait possible. Un professeur a propos é de les cen t re r sur l'allumeur de reverbère (schéma N° 3)·puis de proposer ensu ite aux enfants des fiches répondant à leur curiosité, selon une:progres sion qu'i ls choisiraient eux-mêmes.

Exemple : le montage allumeur de reverbère comprend quatre circuits : - Le circuit soleil peut donner lieu à une étude des notions d'élec-tricité :

- Le circuit du reverbère (transistor non passant) peut donner lieu à une étude des interrupteurs et des isolants;

7

-capteurs et des variations du courant en fonction de R ;

- L'étude des circuits 1 et 2 donne lieu à une étude du transistor et de l'amplification.

L'étude des circuits 2 et 3 à la loi des Noeuds.

- Le fonctionnement global donne lieu à l'étude d'un dispositif d'alarme.

Pratiquement,

11

suffit de distribuer aux enfants intéressés les fiches des leçons correspondant à leurs interrogations. Ce type de travail est sûrement beaucoup plus difficile à contrôler et ne doit être entrepris qu'avec déjà entrainées.

Au cours de ces leçons sur maquettes, les élèves organisent leur travail à partir de fiches-élèves. Ces fiches sont réunies dans une pochette qui constitue le livre-élève. Elles peuvent être distribuées au fur et à mesure des leçons. ELles ont été plusieurs fois réécrites par les profes-seurs expérimentateurs et le groupe de travail, au cours de stages-bilan des expérimentations. Ces fiches sont conçues pour permettre une certaine autonomie de l'enfant, mais elles ne constituent pas un mode d'enseignement programmé. Elles doivent permettre aux élèves de manipuler seul et au

professeur de disposer de temps plus ou moins long, vingt minutes à une heure, pour circuler d'un groupe à l'autre, réparer, aider les plus en retard. Des mises au point collectives sont nécessaires à l'issue du temps de manipulation.

MONTAGES SOUDES

Pour compléter l'approche sur maquette, une partie d'égale importance est consacrée à la réalisation d'un montage soudé avec du matériel et des techniques réelles de l'électronique. Le matériel utilisÉ~ est celui de l'électronicien (Plaques Veroboard, fer à souder, composantfJ, etc... ).

Le déroulement de cette deuxième partie peut être très var1e selon le degré d'autonomie de la classe. Un document maître donne des informations sur les déroulements possibles ainsi que sur les montages possibles et donne des exemples de leur réalisation.

La réalisation d'un dispositif d'alarme qui marche peut être menée à terme par une majorité d'élèves. Cette création est très motivan~e pour la plupart des élèves qui viennent continuer leur travail en dehors des heures normales de cours.

Exemples de réalisations : clignotant indiquant un manque d'eau dans un pot de fleur; ventilateur se déclenchant auessus d'une certaine température; ouverture de garage par appel de phares.

OB~ECTIFS

-1 Tableau

1

METHODES Introduction

d'objectifs

- 11

-- Le module d'électronique se propose de développer chez l'enfan ~

une approche de la méthode expérimentale ;

- Pour ce faire, les élèves sont placés, devant des problèmes concrets à résoudre sur le sujet de l'électronique

- Les problèmes existant dans le livre élève sont de complexités différentes.

La méthode expérimentale

- L'analyse du processus expérimental a pu être dégagée par L:;_ professeurs expérimentateurs grâce à une observation des enfants dzns

les classes.

Ces étapes peuvent être définies de la manière suivante 1) Poser un problème physique ou technologique;

2) Formuler une hypothèse (avoir une idée sur la solution) et l'expliciter oralement graphiquement, pratiquement) ;

3) Construire une expérience, ou plus implement ~aginer un essai ou un acte qui ll1ette en oeuvre l' hypothèse

4) Rassembler les résultats de l'essai ou l'expérience (t.ab l eau d:

mesure, courbe ou plus simplement constat d'éclairement ou de fonctionnement) ;

5) Tirer les conclusions de l'essai ou de l'expérience en confroDti les résultats avec l'hypothèse.

- Ces étapes ainsi dégagées et l'idée générale de la progre8sio~

expérimentale retenue, il n'est pas dans notre obj ectif de faire apprer.:'x.

aux élèves cette démarche en suivant systématiquement et dogmatiquemeht ces étapes. Si nous avons jugé utile de les définir, c'est pour perme.ttre

- 12

-au professeur d'intervenir -auprès de tel ou tel gr oupe en difficulté , cer ces difficultés proviennent le plus souvent d'un blocage au niveau d' une itape (1) problème non posé, mal posé, hypothèae non formul ée , idée

difficile 1 venir, hypothèse mal traduite .ur le schéma ou dans le mon -tage, résultats non dégagés, mauvaise observation de l'expé r ience , con -frontation des résultats avec l'hypothèse oubliée, ou mal. fait e ) .

- Exemples L'évaluation et l'apprentissage de la maitrise de cett e

méthode ne peuvent se faire que sur la rius.ite effec tive dans la

résolution de problèmes posés par le professeur qui nécessit ent la m1se en oeuvre de cette pratique et cela à des niveaux de compl e xi té

variables (voi r exemples au paragraphe

2).

Exemples - exemple tiré du livre élève

1) Allumer correctement 2 ampoules de 6 V

2) Hypo t hès e s pos s i b l e s on les relie en par a l l èle en .éri e

on les branche toutes les deux .

3) Expérience réalisation réelle du montage imagi né

4) Rés ultat constat de l 'éclai rement

5) Validité de l'hypothèse

- Cet exemple provient d'un problème que.se pose l'enf ant, ou pl utôt d'une préconnaissance : "le courant s'use" :

1) Pb. - Le courant s'use-t-il ou comment mont r e r que le cou rant s'use?

2) Hypothèse - on va mesurer avec le contrôleur le cou r en t 1 à différents endroits du circuit

3) Branchemehts successifs

4)

Le ct ur e des va l eur s

5) Conclusions.

- Exemple tiré d'une autre préconception. Il y a deux courant s + et

qui arrivent à la lampe.

1) P~. - Deux courants arrivent-ils à la lampe?

2) hyp. la diode ou le contrôl eur vont nous donne r le sen s du

cou r an t de chaque cô t é de la lampe .

3) Réalisation 4) Résultats

5) Conclusions

13

-- Exemple tiré des problèmes relatifs au transistor 1) Est ce que grand l existe sans i

2) Hyp. - on va supprimer 1 3) Montage

4) Mesures

5) Conclusions sur la cause et l'effet.

- Ces différents problèmes, soit qu'ils soient imposés par le livre, soit qu'ils soient nés de manipulations. sont l'occasion pour l'élève d'avoir une pratique expérimentale et l'occasion pour le professeur d'évaluer

l'état d'avancement des individus et de l'ensemble de la classe dans cette pratique, d'insister sur telle ou telle étape qui pose encore des difficultês.

Attitudes et savoir-faire

- L'analyse des exemples montre qu'un certain nombre d'étapes sont favorisées par un apprentissage des savoir faire. Ex. : réalisation

d'un montage à partir d'un schéma, mesure etc ...

- L'analyse du comportement des enfants montre qu'un certain nombre d'attitudes sont nécessaires et favorisent le développement d'une pratique expérimentale correcte.

- Ces deux thèmes peuvent également faire l'objet d'une évaluation.

Attitudes

Curiosité

- Pourquoi "ça ne marche pas", intérêt pour que "cela marche" - Intérêt aux autres (aux autres résultats)

- Pourquoi le VOlSln n'a pas les mêmes résultats - Persévérance

- Oser toucher le matériel, faire des essais - Aucune précaution avec le matériel

- valoriser son expérience, sa mesure

- Valoriser les résultats globaux de la classe plutôt qu'un résultat livresque.

Savoir-faire

Une mesure avec le contrôleur (voir con t r ô l eur ) Savoir faire un montage à partir d'une photo

" à partir d'un de s s i n " à pa rt i r d'un schéma - Savoir faire un schéma d'un montage

Savo ir faire un croquis - Savoir dégager un modèle - Savoir construire des courbes - Savoir dégager une loi.

15

-l

CONNAISSANCES

l

Introduction

- Le module d'électronique se propose de faire acquérir aux élave. un certain nombre de notions de physique. Ces notions ont été retenue. par les profe•• eurs qui ont expérimenté le module.

- Ce. notion. sont systématiquement repri.e. au cours des différente. leçon•• Elles ont été considérée. comme acquise. lor.que leur mi.e en pratique par toua les élèves a été faite sans rfticence. Cette acqui.ition .e confirme à des moments différents selon le. 'llves, mai. dans le. ~s conditions expérimentale. et avec le

.ame

matériel. L'acqui.ition n'est jamais définitive, . .is elle e.t beaucoup plu. tenace lor.que el. élèves sont capables d'opfrer le tranafert de ce. connai•• ance. dans le cas d'un montage réel, ce qui a lieu dan. la réali.ation des montages libres .oudés.

- Il a .emblé utile d'adjoindre 1 l'énoncé de cel coanai••ancel et des moments ail elles semblent acquises, le. cOlllllentaire. d'I~'profeueun

expérÛDentateurs, commentaires su.cités par les réaction. de leur. élèves : .ouvent fort instructifs sur le. mode. de pensée de c.ux-ci•

• Notion de circuit

- La connaissance: un circuit e.t une lUite d'élément. conducteurs, branchés entre leI plocs + et 1•• bloc. - ;

- Les leçons où elle apparaît plu. particuli~rement

Leçon lU Leçon V

allumer une lampe

le .cntaae du contr81eur.

- 16

-- Observation s :

- Dans les classes faibles, les él ève s atta chen t une grande i mpor-tance à la position des blocs + et - (veu lent me tt re les signe s +

au-dessus comme sur la photo), tout au moin s au débu t ;

- Tant qu'ils n'ont pas utilis é s de schémas, ils ne voient pas l'intérêt de cette notion

- La notion est bien acquise pou r un ci r ci t simp le mais il fau t y reven i r lors que le s cir cuit s se compl iquen t (circui ts dériv és

avec le contrôleur) .

• Notion de courant

- La connaissance Il faut que les pile s soient branchés au + et

au - pour que le courant pass e et que le ci~ cuit ent r e bl ocs + et - ne comport e pas de coupure (une coupure est aus si bien un fil oublié qu'un transistor dans l'état où il ne condu i t pas).

- Le s le ç on s où elle appa r aî t plus par t iculiè rement Leçon III

Leçon IV

Allumer une lamp e

COndu i t , ne conduit pa s

- Le moment où elle est acquis e : Leçon V apr ès uti l is a t i on du contrôleur.

- Observations: l'ampoule est un indicat eur peu sen s ibl e au pas sage du courant. Avec le~ gr ande s résistances , ~lle ne permet pa s de révél er son passage. On utilise alors le con t rô l eur, ind ica teu r pl us sensible .

• Sens du courant

- La connaissance : le courant descend toujours en tre blo cs + et -Les leçons où elle appar aî t pl us particulièrement :

Leçon IV expé r i ence avec la diode

util isat ion du contr ôl eur

- Le moment où elle est acquise : fin de la leç on IV

- Obs ervations

C'est le contrôleur qui leur fai t admet tre fac i l ement le sens de passage.

Difficulté possible cependant, lor s de l'étud e du tr ansi stor courant base et courant collecteur se rencontrent

Certains élèves notent que ce n'e s t qu' une conventi on "ça va aUSS:l bien si tout est à l'envers".

- 17

-• Conservation du courant - La connaissance les points du circuit.

l'intensité du courant est la même en tous

- Les leçons où elle apparaît plus particulièrement : Leçon IV utilisation du

contrôleur - Le moment où elle est acquise

- Observations

leçon VII ou VIII

•

Insister sur cette notion difficile chaque fois que l'on peut. Par exemple dans la leçon V 1) - chercher toutes les places possibles du contrôleur.

- Les élèves pensent que le courant ne ressort pas à la sortie d'une résistance.

- Ils ne pensent pas d'eux-mêmes à déplacer le contrôleur - Le passage à l'abstraction est difficile.

L'intensité du courant - La connaissance éléments du circuit.

l'intensité du courant dépend de tous les

- Les leçons où ~l l e apparaît plus particulièrement

Leçon III : association de piles - essais d'ampoul es Leçon V : conduit plus ou moins (relation entre

R et 1)

- Le mouvement où e Ile est acquIse

Leçon V relation entre R et l

R

»

l

~

R

~

1

~

- Observations

- Cette notion n'apparaît pas assez nettement dans le module . - Le potentiomètre est difficile à comprendre.

•

- 18

-Loi des noeuds

- La connaissance = s'il y a deux chemins, le courant se sépare en deux. Cette fois, les deux courants dépendent l'un de l'autre.

- L es leçons où elle apparaît plus particulièrement Leçon VI I I : 1) pa r t age du courant. - Le moment où elle est acquise

- Observations

fin de

la

leçon VIII

Réintroduire cette notion à d'autres moments (leçon IX) - Notion assez facile à faire passer : le. élèves font des comparaisons voitures, rivières, etc ..•

- Pour vérifier i + j

=

k, certains préconisent l'utilisation de trois con t rôleurs simultanément.

• La tension

- La connaissance : la tension est le nombre sur une pile qui caractérise son'apt i t ude à faire passer un courant.

- Les leçons où elle apparaît plus particulièrement Leçon III : association de piles Leçon IX 3) mesure de h

- Le moment où elle est acquise Leçon III. - Observations

- La somme algébrique des nombres de volt passe très bien - Bonne compréhension du sens d'association des piles

- Il ne semble pas possible dans ce premier groupe de leçons

d'approfondir cette notion ni d'introduire l'utilisation du contrôleur en voltmètre. Les élèves ont suffisamment de difficultés pour utiliser

correctement la notion d'intensité et le contrôleur en ampèremètre.

• L'amplification

- La connaissance :dans un transistor en fonctionnement normal, le courant collecteur ne dépend que du courant base (il est commandé par le courant base) et le transistor fonctionne en amplificateur.

Les leçons où elle apparaît plus particulièrement Leçon VI : le transistor

Leçon VII: mesure de l, ~ rapport des courants I,i (gain)

- 19

-- Le moment où elle est acquise :La notion a.t a••ez vite admi.e par les élèves mais son acquisition est plus difficile, même apr~. la leçon lX.

- Observations

L'amplification n'est pas évidente pour le. 'l~ve. avec l'interphone le niveau sonore de la parole est du même ordre que celui du haut-parleur.

Il faut non pas comparer le son entrant au son sortant. Mais leur faire remarquer que sans ampli le micro branché IUr le

H. P.

ne donne rien.

• La saturation du transistor

- La connaissance : Le transistor peut fonctionner en interrupteur, le courant collecteur passant de 0 à la valeur de .aturation qui dépend de la charge du circuit collecteur.

- Les leçons où elle apparaît plus particuli~rement :

Leçon VII : représentation graphique de la fonction (I,i)

Leçon VIII 2.4

- Le moment où elle est acquise

Leçon IX : courbe (h,I)

- Observations

Cette notion est bien comprise.

• Amplificateur â deux transistors

- La connaissance: Lorsqu'on rialise un amplificateur à deux transistors, le gain est le produit des gains et il y a inversion de phase.

- Les leçons où elle apparaît plus particulièrement

Leçon IX en entier.

- Le moment où elle est acquise: aprèl lei montages soudés.

- Observations : La courbe (h,I) de la leçon lX 4) présente des difficultés. Les montages soudés sont nécessaires pour y revenir.

20

-1

LANGAGES 1

Langue maternelle

Langue parlée :

- Savoir comprendre un message parlé dans un langage technique ou scientifique ;

- Savoir exprimer oralement une question, une observation ; - Savoir reformuler, en utilisant le langage scientifique, un message exprimé avec le langage de l'enfant (vocabulaire imprécis, mimes).

Langue écrite :

- Savoir repérer les mots inconnus dans ~ texte ; - Savoir répondre aux questions posées par écrit ;

- Savo ir confronter les informations apportées par un texte avec l'expérience personnelle;

- Savoir rédiger un compte rendu.

Langage mathématique

- Savoir utiliser les relations d'ordre et les re l a t i on s d'équ i vaL li 0::

(ex. : class ement des résistances, des ampoules •• • )

- Savo i r repérer un sens de variation, la variation relative de deux grandeurs; (ex. : Si l'éclairement augmente, le courant augmente)

- Savoir utiliser les nombres algébriques. (ex. : pour indiquer à la fois le sens et la valeur d'un courant, le sens et le rapport de deux variations proportionnelles - ex. le gain peut être de -10 000) ;

- Savoir utiliser les proportions. (ex. : si le courant base double, le courant coll ec t e ur double, puis : le courant co l l e c t eur est le courant base pultiplié par le gain.)

Ex. anne xe l

of:'

- Savoir représenter graphiquement une suite de nombres et les couples et interprêter les courbes obtenues. (ex. : courant de sortie d'un amplificateur en fonction du courant d'entrée ou tension aux bori.es d'lJil ,Otlndensateur en fonction du temps.

- 21

-Langage code

- Savoir traduire un montage par un schéma électrique avec les conventions de l'électronique: tensions orientées ver. le haut,

courants orientés vers le bas et sens depropagation du .ignal de gauche à droite ;

- Savoir traduire un montage, une procédure, une relation causale par un schéma fonctionnel. (ex. : rectangles représentant les parties du dispositif reliés par des flèches signifiant "agit sur") ;

- Savoir utiliser des symboles (ex. : symbole. des unités).

~ Annexe! : Exemple. d'utilisation des proportions (extrait du rapport du stage de Saint Martin de Ré).

- Les professeurs expérimentateurs ont constaté que cette notion était difficile à faire acquérir. Cette notion apparaît principalement dans l'étude de la rela~ion (I,i). (leçon sur le transistor, VII) et dan.

l'utilisation du contrôleur.

~Utilisationdu contrôleur il s'agit ici plutôt d'un mode opé-ratoire se basant sur l'utilisation de la notion de proportionnalité.

On peut introduire l'utilisation du contrôleur en ampèrem~tre en respectant les étapes suivantes :

- Donner la signification du calibre

- Donner la façon de passer de la lecture à l'intensité (voir fiche mesure) ;

- Amener les élèves à savoir choisir dans quel cas il faut multiplier la lecture par 1, 10, 1/10.

- Amener les élèves à exprimer le résultat avec l'unité convenable.

b

Relation (lai) dans l'étude du Transistor

L'interprétation de la courbe amène à constater pour des valeurs simples de i que I K (gx) i

On vérifie ensuite que cet opérateur permet de passer de i à I dans le domaine d'amplification (et que cet opérateur n'est plus valable dans le domaine de saturation).

On définit alors le gain du transistor par g de

22

-On forme les quotients Iii pour différents couples et on compare les valeurs ainsi botenues. On constate que ce quotient est constant dans le domaine d'amplification.

La valeur moyenne du quotient est adoptée comme étant le gain de ce t~an8i8tor.

2

Etude

des

objectifs

23

-principaux

1

LE COURANT]

L'objectif notionnel central de l'approche de l'électricité dans le premier cycle consiste à construire un modèle de l'action électrique. Il s'agit donc de passer de la notion confu.e d'flectriciti, des

prémodèles linéaires d'action de la pile .ur la lampe 1 une modélisation qui s'appuie sur les grandeurs de courant et de tension.

Nous nous attacherons seulement dans la suite à dégager les caractéristiques de ces grandeur. du point de vue qualitatif puis

quantitatif sans nous préoccuper du mode.d'appropriation de ces notion. par les élèves. Nous ne ferons à e propos que le. remarques générales suivantes.

l'flaboration du modèle final ne se féra qua lentement. Participeront à cette construction les expériences et leï"informations rencontrées au coura de ce module, mais auasi tout le paaa' del"lève soua forme condensée de prémodèles ou prénotions. C'eat pourquoi il noua parait n6ëessaire de favoriser l'expression de ce. prémodèles qui .eront en tout état de cause le support et le guide des actions et des que.tions des élèves. Ainsi explicités, il. serviront au professeur de base pour guider et orienter les manipulations et les phases de restructurations.

- 24

-Exemples :

1) L'introduction de la diode et de sa dissymétrie peut contredire un prémodèle de convergence des courants positifs et négatifs de la pile vers la lampe.

2) La mesure des intensités à l'aide d'un contrôleur contred it l'idée d'un courant qui s'épuise et se dépense dans les composants.

Ces éléments de contradiction peuvent ne pas entrainer la m odifi-cation du modèle même si momentanément l'élève admet la contradiction. Si une restructuration plus large n'int ervient pas; le prémodèle

subsistera.

La grandeur courant électrique

Le ,co ur a n t est entièrement caractérisé par son sens et son intensité. On pourra donc /caractériser entièrement un courant à l'aide d'un nombre algébrique si l'on a pu au préalable définir une orientat ion .

Du point de vue de la représentation du courant électrique , on peut le définir comme un débit d'électricité (par analogie à un débit de fluide). Le débit d'électricité a un sens et il est constant: on peut lui attribuer un nombre qui caractérise la valeur du débit

(intensité du courant). Il n'est pas sûr que la notion de débit d'un fluide soit parfaitement comprise, d'où les difficultés à s'appu yer sur cette analogie. (Exemp l e : un étranglement dans un tuyau provoque une diminution du débit, mais celui-ci reste le même avant et après l 'étran-glement ; cette remarque, qui constitue la base de l'analogie avec le courant n'est pas toujours admise par les élèves), car de même que pour

, un débit de fluide, les deux notions importantes qui sont sousjacentes sont la ci rc u l a t i on et la conservation . Du point de vue péd a go g iqu e, ce son t là les deux notions qualitatives fondamentales qui permettront de con struire la grandeur courant électrique telle que nous la connais-sons et telle que nous l'avons caractérisée par son sens et son intensité. Le sens et l'intensité ne prennent une signification ré elle pour l'élève que dans la mesure où il reconnait une grandeur qui circule et qui se conserve. Notre expérience du mode de raisonnement des él è v e s sur l'éle c-tricité montre que le principal reste la conservati on . En effet, la

notion d'électricité recouvre plutôt une notion én e rgé t i que qui impose l'idée de consonwation, donc de diminution. On peut fai r e faire des mesures du courant en plusieurs endroits du circuit pour montrer que l'indication du contrôleur reste la même, mais il faut aussi proposer un support

représentati f qui puisse tenir compte de cette propriété. En effet, le modè l e souvent présent chez les élèves du courant constitué par une

carav an e ou un train d'électricité qui se déplace d'un pôle de la pile à l' autre et qui s'essoufle ou s'épuise ou perd le la vitesse ou des wagons lorsqu'il rencontre un obstacle", une résistance ,ce modèle là est repré-sentatif d'une conception énergétique, alors que nous voul ons dissocie r cette notion d'énergie en deux termes ( P

=

U x I)dont le produit soit l'énergie.

Cette dissociation ne se fait pas sans mal car el l e n'est pas immédiat ca r elle n'est pas évidente. Elle s'impose lorsqu'on met en ' jeu

phénomènes électroma gnétiques (par exemp l e l 'expér i ence d'OÉRSTED

qui consiste à mett re en mouvement une aiguille aimant é e ave c un courant él e c t ri que ) :

- 25

-c'est le courant qui est dans le cas directemen t re s pon s ab l e du

mouvement et non l'énergie dissipée dans le circuit) . Par contre, lorsqu'on observe une lampe ou un radiateur, et ~.'est l' observati.on commune, courante des enfants, le raisonnement est plus naturellement orienté vers l'énergie vers la consommation d'énergie ... Un modèle qui peut prendre en compte la conservation du courant est par exemple le bord d'un disque qui tourne. Tous les points du bord du disque partent en même temps, ils ont tous la même vitesse.; si le disque est freiné, tous les points sont freinés en même temps et ils ont toujours tous la même vitesse. La notion de conservation, comme on vient de le voir, est facile à mettre en évidence expérimentalement (car on utilise un appareil de mesure basé sur

l'effet magnétique du courant). mais elle est beaucoup plus difficile à intégrer à un modèle de courant électrique.

En revanche, la notion de circulation est très facilement accessible aux élèves sur un mode représentatif, mais l'approche expérimentale est plus délicate. En effet, la manifestation de l'écoulement, du déplacement n'est pas visible dans un circuit électrique comme elle peut l'être dans un tuyau d'arrosage ou sur un circuit mot o. Par contre, si l'on admet ce déplacement, ce qui est en général le cas des élèves, on a alors des manifestations du sens du déplacement (aiguille du contrôleur, expériences avec la diode). La circulation est admise en général par le biais de la causalité, il faut en effet que l'action se propage de la pile à la lampe ou au moteur, ce qui impose l'idée de déplacement, mais, comme on l'a uu dans l'étude des représentations des enfants, c'est un déplacement de 'action, c'est le véhicule de la cause et il prend en général la forme linéaire d'un aller de la pile à la lampe.

Propositions pour une définition opératoire du courant

On va essayer d'associer au courant une manifestation repérable de

son effet, afin de le définir par l'intermédiaire du résultat de cet effet. On choisira un effet régulier et repérable qui permette de

~epérer ou de mesurer cette grandeur.

On peut, par exemple, choisir l'allumage d'une lampe (cl'IDIDe on le fait en sixième, voir la publication du L.'

f.

R. E. S. P. T. "circuits électriques"). On pose l'existence d'un courant dans un circuit si la

lampe témoin de ce circuit s'allume (cette définition limite donc aux 'cour an t s suffisamment élevés pour que la lampe brille). On peut arriver à ordonner les courants suivant l'éclat de la lampe. Plus la lampe brille fort, plus le courant est élevé. On peut ainsi comparer deux courants et décider lequel est le plus élevé. (mais on ne peut arriver avec cette définition à définir la somme des deux courants, carIes effets mis en jeu ne sont pas linéaires).

Pour avoir une définition opératoire plus puissante, il faut utiliser l'effet magnétique avec, par exemple, un dispositif ayant le principe d'un ampèremètre (voir livres de cinquième Hachette).

- 26

-Dans ce cas , on peu t éga l ement classer

les cour an ts . Plus la déviation est

grand e , pl us le courant est fort.

On

découvre de plus les deux sens du courant. Sel on que le cour an t passe dans un sens

ou ~ans l'autre, la bobine pré.ente un pôle différent en face du pôle sud de .

l'aimant, et donc sera soit attirée

soit repoussée par l'aimant. D'autre part, les gr adua t ion s peuvent être repérées et L ron peut définir la somme des deux cou-rant'. Le déplacement de l'auiguille

pou r le courant total est égal à la

somme des déplacements dûs à chacun des

couran t s . Avec un appareil réalisé par les élèves, on peut avoir des problèmes de linéarité , mais avec le contrôleur.

on peut induire assez facilement cette loi à 'qu~lque s prè s

27

-1

LA TENSION

1

La tension

- Nous ne ferons pas de différence dans ce module entre différence de potentiel est force électromotrice. Ces deux notions seront confondues et regroupées sous le même mot de tension.

- Dans la première partie_ la tension sera le nombre indiqué sur les piles et on apprendra seulement la règle d'addition des tensions et la règle de l'adaptation des lampes avec les piles. La tension sera donc une caractéristique des piles, et elle sera considérée comme constante, quels que soient les branchements faits sur ces piles. On confondra donc volontai-rement la d. d. p. aux bornes des piles et la f. e. m. des piles. Naturel-lement, ceci n'est possible dans ce module que parce que les montages proposés débitent peu de courant (on atteint cependant les limites sensi-bles avec un voltmètre peu précis qu'est la lampe de 0,6 V lorsqu'on en branche trois en parallèle sur les piles, ou bien lorsqu'on fait, à la leçon VII, la mesure de l Soleil branché, et de J Soleil débranché).

- A partir du moment où les élèves se serviront du contrôleur en vo ltmètre, la tension mesurée entre deux points A et B d'un circuit sera

interprétée cormne la f. e. m. disponible entre ces neux points, pour une éventuelle utilisation ou un nouveau branchement ..

28

-Ex. (leçon A avec les capacités) : la tension ne nous intéresse que sous la forme f. e. m. réelle ou f. e. m. équivalente.Soit, avec les pile., leçons 1 à 9, soit avec la capacité, leçon A, soit à la sortie de l'ampli, leçon C;

Calcul de l'erreur commise lorsqu'on assimile la d d p aux bornes de la pile avec sa f e m :

- Les piles ne débitent pas :

1 K"IHA

1

'Ctvi_"LlNT Df!! , Pile,

,

1

,

,-v

_~_ll:l,5V

-.L

"~"A.

f ...

t,Sv

..l-.

"."A.

l

' &I,rv

l

'":"4.

W

l: 'cllr... 4v.1 1 1-- _ 1 1 1 _

la d d p aux bornes des piles est alors par définition leur f e m. Il suffi t donc de lire l 'indication du voltmètre.

Oui, ma~dès que l'on branche le voltmètre, la première condition n'est plus réalisée pui s qu ' on sait qu'à la déviation maximale du volt-mètre, il passe SOeA dans le galvanomètre (voir schéam du contrôleur). D'autre part, nous savons que les piles ont une résistance interne

"'~1n.

(Ces deux nombres E et v qui sont des caractéristiques de la pile qui sont fixe s à un moment donné, quel que soit le montage réalisé, dépendent de l'ét a t de l'usure de la pile).

Pile neuve E

=

1,6 v Pi l e faibl e E

=

1, 4 v

-D,SA - 10 A.

La ten s i on ind iquée par le vol t mè t r e n'est donc pas tout-à-fait celle égale à la somme des f e m, soit 6 v, mais à cette valeur diminuée de la chute de tension dans les résistances internes; soit Ri

U 1

=

E ... Ri U 1 6 v - 200

t:

V E

=

4 x 1,5 E 6 V R = 4 x l =4.n..

r

=

SOtA

Cette correction est donc très faible et il est dans ce cas tout à fait légitime de confondre U et E.

- 29

-- Le. pile. d~biteDt

•

1:r"

l,s

v

"lA

CV

l

0,1

"

l

•

Ex. Lampe 6 v, ~1 A

"1 ·

E - Rl 1 • 6 - 4

x

0, 1

=

5,6 V

Cette fois, la tension au bornes des piles diff~re sensiblement de sa f e m.

La tension mesurée entre A et B peut alors être interpr ê t ée comme la f e m d'un générateur équivalent à l'ensemb le ' lampe-pi l e s de f e m

Ui

•

E' • 5,6 V et de résistance interne r ' 1

-.:'"

1 1

•

- - + - -

•

R

R

~~. lampe _1- + _1_ •

4

6

0

yo'.

3,9 A

On peut aussi calculer la tension aux bornes des pil e s successivement avec deux lampes etc•• •

t--1

,

1

_.a.-_ -.

r,'v

,

1

1

- _ _ 1 U · E ' -.l.'i

Jo

2 • 5,6 v - 3,9 x 0,1 ::: 5, 2 V avec 2 lampes • l

On voit donc que notre approximation serait Deaucoup moins légitime si nous confondions LCL d d p entre A et B avec f e m des

piles. Mais. ce que noua faisons seulemen t , c'es t de confondre la tension mesurée par le voltmètre avec la ·· 'f e m du nouveau générateur aussi constitué : E".

Nous savons que ceci est légitime. Voir calcul N° 1.

-- 31

-J

LA REPRESENTATION GRAPHIQUE

1

L'apprentissage de la représentation graphique s'intègre dans l'objectif général de l'acquisition du langage mathématique.

Cet apprentissage est abordé dans les leçons 7 - 8 et 9.

La compléxité des opérations et leur nombre élevé nécessaires pour mener à son terme une représentation graphique nous ont incité à ne faire

intervenir cet exercice qu'en fin de module. En effet, les opérations mathématiques non spécifiques à la représentation graphique seront

abordées tout d'abord: les relations d'équivalence, les classements, les relations d'ordre, les notions de variation et de sens de variation, les problèmes des proportions, les changements d'unité, les calculs numériques, l'utilisation des puissances de 10. La maîtrise de ces opé-rations est nécessaire avant d'aborder le problème spécifique de la représentation graphique.

Dansla leçon sur le transistor (VII), on fera tout d'abord reporter sur un diagramme cartésien préalablement gradué, les couples de points (i, 1) mesurés. puis, dans un deuxième temps, on réfléchira à la repré-sentation graphique du phénomène observé.

Report des couples de points

- Faire établir le tableau de mesures en veillant à homogénéiser les unités ;

- Report des points sur le diagramme gradué ;

- Par la suite, les axes seront gradués par les enfants, choix des domaines, de l'unité sur les axes, problème de la mesure. Les diagrammes cartésiens ont déjà été utilisés pour des variables discontinues (animaux, voyelles etc .•. ). Pour la pre~ière fois, ils utilisent une grandeur mesu-rable addition des grandeurs; proportionnalité).

Tr a cé de la courhe

Du point de vue math~matique, le tracé d'une courbe à partir d'un ensemble de points suppose :

32

-1- La continuiÉ des grandeurs portées su r les deux axes 2 - Une forte corrélation entre ces deux grandeur s (confér.

Bul le tin ' de liaison nO 1 - liai son Math. - Techno.) ; LIRESPT 3 - La continuité de la courbe .

Du poi n t de vu physique, ce l a suppos e en plus que nous allons faire une hypothè se sur la nature de la fonc t i on . La courbe tracée est un modèle , une mathématisation du réel.

1) Nous faisons l'hypothèse que c'est bien ainsi que se comporte la réalité physique. Nous avons de bonnes raisons de suppos er la courbe monotone (par exemple, strictement croissante dans le ca s l • f(i ) , visua lisa t i on sur le contrôleur), mais il ne faut pas perdre de vue que cela est un e hypot hè s e.

2) En fin , le deux ième caractère de ce modèle, c' es t qu' il le veut génér a l isateur, il englobe une ré alité plus grande que notre seule expérienc e. Il doit être la représentation non pas de la courbe de notre '17-11, mais de tous les 17-11 de .l a clas se.

Commenta i r e s sur le choix de la courbe l 2 f(i) pour initie r à la représentat i on graphique

Pourquoi n'avons-nous pas retenu la courbe i = f (I/R) à la leçon "cond ui t plus ou moins"

Cette courbe présente à notre avis plusieurs désavantages :

1) Il Y a peu de points dans une décade ce qui implique l'utilisation d'une échelle logarit hmi que ;

2) La dr oit e a le désavantage d'être un élément mathématique bien connu . Dè s qu ' e l l e est admise comme représen t ant la courbe, il y a une grande tendance à se référer à la droite qui est l ' él ément stable, l 'é le-ment de réfé r en ce, et incite les élèves à cr o i re que si les points ne se

trouvent pas sur la droite, c'est que leurs mesures sont fausses. Le ra i s onnement se fait à partir de la droite, au lieu d'y aboutir.

La courbe du transistor a l'avan tage de naî tre des po i nt s et du tracé de l'enf ant sans che r che r à imit e r une représentation connue.

3) La continuit é peut être palpée physiquement pa r le déplacement continu de l'aiguil le don contrôleur et par la vari ati on d'éclairement de la lampe. La mes ure de i et de l peut se faire simultanément avec

deux contrôle urs , les sens de var iat ion sont visibles, les ordres de grand eur également .

4) Un e fois la courbe tracée, on peut vér i f i e n n ' i mp or t e quel point de l'interpolation . On peut faire varier i dans toute la gamme prévue et cela de façon continue grâce à la photorésistance.

5) On peut aVOir un nuage de points en regroupa n t sur un même diagramme les résultat s de toute la classe, et arriver à la notion de dispersion, ou d'incertitude (on peut alors faire appel aux notices

33

-techniques des transistors où ces caractéris tiques sont données). La courbe tracée à partir du nuage de points ne représente pas .eulement

une valeur poyenne, mais toujours un modèl e hypothétique mieux étayE, mieux confirmé.

34

-( LA MESURE, LE CONTROLEUR ,

Les problèmes pédagogiques relatifs à l'introduction du contr ôleur sont 'Li.ês aux objectif s généraux que nous nous sonmes fixés.

'Le premier de ces objectifs est l'apprentissage d'un savoir-faire auque l on va s'intéresser par la suite: L'enfant doit être capable en fin de module de faire une mesure correcte en ampéremètre et en voltmètr e.

Le de uxième objectif est lié à l'élaboration des concepts de courant et de tension (v0ir chapîtrffiprécédents).

(Ces objectifs apparaissent dans les fiches professeurs écrites par leçon à partir de la leçon IV jusqu'à la fin du module) .

Savoir faire correctement unemesure

a) - Vouloir connaître le fonctionnement de l'appareil de mesure, se3 limite s, se s possi b ilités;

b) - Savoi r respecter ses exigences

- Ne pas le brancher sur le secte~r en .Ampèremètre 2 Ne pas le soumettre à des chocs mécaniques

3 - Ne pas toucher au contacteur tlmètre et alternatif con tinu lors que cela n'est pas explicitement demandé ;

4 - Ne pas le bran ch er n'importe où dans le montage. Cel a suppos e également l'appr entissage d' une série d'opérations perme t tant une mesure correct e.

c) - Sav oi r faire dans l'ordre les opérations ci- dessous:

) - Savoir choisir le calibre (à défaut, me~tre systém ati-quement sur (5 A, 500 V) ;

penser dans le 3 - Savoir choisir à inverser le branchement mauvais sens) ; 35

-le sens de branchement (à défaut, si la déviation de l'aiguille se fait

4 - Savoir choisir le meilleur calibre pour la lecture ; 5 - Savoir choisir l'échelle sur le cadran (0-15 ou 0-50) 6 - Savoir lire (sans erreur de paralaxe, sans erreur de graduation)

7 - Savoir transformer la lecture en fonction du calibre pour donner une valeur numérique suivie des unités.

L'attitude a) vise essentiellement à développer et à contrôler le déve\oppement d'une attention réfléchie, d'une manipulation prudente d'appareils non encore bien connus; permet également de connaître les

enfants (ceux qui croient connaître, ceux qui ne veulent pas d'explications, les impatients etc ••. ).

Pour le savoi.r-rfaire. b) - 4 - , le contrôleur, comme tout appareil

d~ mesure, perturbe ce qu'il vient mesurer. Dans certaines conditions,

l'erreur systématique ainsi introduite est très importante. (cf tableau des résistances par calibre). Cette erreur empêche par exemple de

vérifier que i + j • k exactement dans la laçon 8 ou de vérifier

1 + i • courant émetteur~dans la leçon sur le transistor.

Une explication chiffrée n'est pas possible au niveau des enfants, c'est pourquoi il est inutile de soulever ce genre de questions et de borner à la règle pratique qui consiste à ne pas mesurer le courant

émet-teur. Il est important de ne pas donner des explications qui pourraient faire croire à l'enfant que cette mesure fausse est due à une imprécision de l'appareil de mesure.

Le savoir-faire c) - 1 -révèle l'état des connaissances chez l'enfant des ordrea de grandeur. Il révèle aussi la capacité de se servir de valeurs finies et précises trouvées au cours du module, comme ordre de grandeur. Il y a là un pas extrêmement difficile et important à faire. Ce raisonnement de type inductif qui tend à géné-raliser sous une forme valable pour toutes les expériences est la

base même du proceasus scientifique. On remarque en effet un attachement de l'enfant à sa mesure et aux décimales, à la mesure comprise comme un tout: "42 mA'; et à la réticence à parler de"40 mA"ou de"quelques dizaines de mA. Ceci résulte du fait que, lorsqu'on parle de 40

mA,

on ne parle plus de son montage avec cette résistance de 3,3

tL,

ce transistor 2N 17 Il, etc ... , de cette mesure faite aujourd'hui, mais l'on parle de la valeur du courant dans le montage théorique comprenant un 17 Il et une résistance de 3t3~ , et donc on a opéré une

généra-lisation par une inférence inductive de même nature que celle utilisée pour énoncer une loi plus complexe.

Trois ordres de grandeurs devront être dégagés, circuit base du premier transistor 2N 3390 quelques ~ A

Entre les deux transistors : circuit collecteur circuit base

2N 3390

Circuit collecteur 2N 17 11 qq 100 mA.

36

-- En voltmètre : arriver à faire utiliser le calibre correspondant. au maximum des piles dans le montage.

Le savoir-faire c) - 2 - permet de juger et d'approfondir la notion de circuit. En ampèremètre, il faut mettre le contrôleur dans le circuit

(on constate souvent une tendance à le brancher en dérivation).

Permet également de mettre en évidence ou de tester la conservation du courant (en déplaçant le contrôleur dans le circuit).

Pour le savoir-faire c) - 3 - le branchement est directement lié à la détermination à priori du sens du courant. On devra dégager pro-gressivement le fait que tous les courants sont descendants (ceci est du aux conventions de schéma. que nous avons adoptées). Cette constatation progressivement faite doit se traduire en terme de connaissance (courants descendent) et de comportement (fil rouge branché en haut).

Pour le savoir-faire c) - 4 - l'utilisation des calibres est liée à la précision de la mesure. Là, encore, il convient de remarquer qu'une utilisation correcte du calibre peut être dictée (le professeur explique dès la première mesure qu'il est plus facile de lire 41 mA sur le calibre 50

mA

(on dispose de la graduation) que sur le calibre 500 mA (il faut lire entre"deux graduations), ou bien, elle peut être constatée lors de mesures par les élèves, encore faut-il que les différences de lecnure

soient suffisantes pour éveiller l'attention et motiver l'attitude.

Pour le savoir-faire c) - 5 -, on n'utilisera que l'échelle du bas. En ampè r emèt re , on se servira seulement de l'échelle 0 - 50 ; en

voltmètre, il faudra leur apprendre à choisir entre 0 - 15 et 0 - 50, suivant les calibres.

Pour le savoir-faire c) - 6 -, l'expérience nous a montré qu'il étai t plus facile de fa i r e faire une lecture directe aux enfants, c'est-à-di r e de regraduer mentalement l'appareil en fonction du calibre, ceci en part an t du 50 qui devient la valeur affichée par le calibre et en descendant, puis lire directement sur cette graduation mentale 240 mA.

o

o

r

o

...

- 37

-Une autre méthode consi.te l taire Deter le cali'ra et la graduation lue .ur l'échelle 0-50.

Par exemple: cali're 500 .A lecture 24, pvia 1 f.ire l'opération mathématique de rlale 4. trois

50

24 x

""T ••'"' .:

.MONTAGES

MAQUETTES

-1

Etude des fiches

élèves

41

-1

AMPLIFICATEUR

1

But de la leçon

Présenter et réaliser un montage complexe (qui sera analysé petit à petit au fil des leçons suivantes), qui "peut servir" et que l'on fera fonctionner.

- Connaissances

Ce montage permettra la présentation du matériel et le commencement d'une nomenclature (par oral).

Faire préciser quelques notions sur le son. - Méthodes

Faire utiliser une méthode de travail avec le matériel : disposition sur la plaque, branchement des piles, méthode pour enfiler les agrafes, les fils, cablage court.

Il est impératif de faire comprendre aux élèves la nécessité d'un rangement méthodique du matériel, qui facilitera son utilisation, évitera des erreurs de montage.

(Un modèle de rangement est donné par la photographie de la boite et du matériel).

Faire une analyse fonctionnelle globale du montage.

Utilisation d'expériences pour répondre aux questions posées. - Langage

Utilisation d'une photographie en schéma de montage. Relation d'ordre (classement, rangement)

42

-Démarche

- Présentation du matériel

- Vér ifier le matériel fourni et son rangement

- C'est la prise de contact avec le matériel, sa découverte, son observation. En même temps, peut se prendre l'habitude de ranger de façon or donné e.

- Monter les piles dans leur boite (suivre les indications de montage. Attention à ne pas plier les contacts).

. Dans· les fiches élèves, un petit rond (0) au milieu d'une ligne indique un arrêt discussion pour toute la classe.

- Montage cOmportant un amplificateur

Monter, en suivant une photographie, un appareil complexe (amplifi-cateur à deux transistors). L'élève voit ainsi que ce maté r iel qui lui paraît un peu enfantin (c'est du Lego!) permet de faire un di.pos i t i f

qui fonctionne ~ Il se heurte aussi à la difficulté de lire cor r e ctement

la photographie et les symboles portés sur les blocs.

Faire repasser le trait pointillé qui définit l ' amp l i f ica t eur par un trait de couleur. Au cours du montage, faire éventuellement retourner les blocs pour voir ce qu'il y a à l'intérieur.

L'utilisation du matériel appelle une nomenclature Et nlce•• ite des explication (écriture, lecture, prononciation) sur les unitês. l.s abréviations, le s symboles.

Les élèves constatent que le travail est plus facil e si le . blocs sont rangés méthodiq uement et que les erreurs de montage sont alors mo i ns fréquentes . Insister sur cette nécéssUé (et obligation) de rangement et classement.

Ils sont consternés et déçus lorsque leur montaae ne fonctionne pas dès la mise sous tension. Cela peut être l'occasion de les faire procéder eux-mêmes au dépannage de leur appareil, en vérifiant systé-matiquement chaque composant, et circuit après circuit. Ils peuvent

trouver d'eux-mêmes certains moyens de vérification. S'ill en manifestent le dési r, le s laisse r util is e r le contrôleur en voltmètre. Il est dans la boite pour servir.

Découvr i r l'entrée (micro), la sortie (haut-parleur). Interroger le s élèves sur le rôle de l'amplificateur : leur demander ce qui se pa'le quand on raccor de directement le micro au haut-parleur. La réponse leur est fournie par l'expérience qu'ils feront.

Toute la classe participe à l' analyse fonct ionnelle du montage, qui se fera à l'aide d'un tableau logique (les flèches reliant les différentes parties du monta ge indiquent "agit sur" et non le sens du courant ) .

Essayer de dégager quel ques notions sur la, mon t ure du son

(v ib r a t ion de l'air ) . Poser des confettis de papiers ou des pet i t s mor -ceaux de gomme ou de polystyrène sur la membrane du ha ut - pa r l eur.

43

-En cas d'apparition de "l'effet Larsen" (cf fiche technique) quelques explications .imples peuvent être fournies, en première approche de la notion de réaction.

Essayer de faire trouver aux élèves :

- Les appareils de la vie couranœqui doivent comporter un dispo-sitif comme celui qui vient d'être étudié.

- Ce qu'il serait possible de faire avec ce montage.

Faire priparer la prochaine leçon en donnant une enquête sur l'interphone.

Afin d'aider les élèves à faire la liaison entre les maquettes qu'ils construisent au fil des leçons, et les dispositifs électroniques réel., il est intéressant de leur donner le plua souvent possible, un travail à la maison, personnel ou en équipe, que nOus appelons enquête. Il ne s'agit pas

d'une enquête importante, mais d'une recherche personnelle, les élèves ayant à répondre à quelques questions précises notées sur leur cahier de textes.

Ici, ce pourrait être :

- Trouver la définition du mot interphone

?

- A quoi sert un interphone

?

Où en trouve-t-on ?

44

-l

INTERPHONE

1

Buts de la leçon - Connaissances

Continuer la nomenclature (par écrit) Etudier les unités

A quoi sert un interphone - Méthodes

(Faire la liaison entre le montage de la prem1ere leçon et son utilisation prati que ) . Modifier un montage déjà utilisé.

Revoir (ou contrôler) la technique du montage et celle du dépannage.

Concevoir un appareil et en faire le schéma avant d'exécuter sa réalisation matérielle.

- Langage

Expression orale (transmettre à la classe le résultat d'une

enquête)

- Représentation conventionnelle par un schéma

- Utilisation des puissances de 10 (unités, conversion, calcul).

Démarche

- Le compte rendu de l'enquête demandée à la fin de la le ç on précédente permet une dé couverte et une réflexion sur l'appareil.

La manipul a t i on ne commencera qu ' aprè s la prés~ntationd'un croquis correct (ne pas utiliser les boites de matériel poui~cette partie)

Deux croquÉ possibles : allonger les fils de micro ou ceux du haut-parleur. Il vaut mieux ne pas allonger les fils du micro car ils

risquent de faire~antenne (oscillations parasites, réception d'un

émetteur radio ..•)

Le micr o doit re ste r près de l' ampl i f i c ateur qui ser a éloigné à l'aide de grands fils.

c'e s t le haut-parleur

Cette partie de la leçon où les élèves refont pour la deuxième

fois un montage, peut être utilisée par le profesleur pour faire lun

contrôle.

Pendant que les él è ve s manipulent. le pr ofe s svor no re le compor > tement des élèves devant les montages à [aire:

45

-- Temps mi. pour le concevoir ; - Temps mi. pour le réaliser ; - Rangement spontané ou non ;

- Partage du travail (choix des blocs. mise en place. rédaction) - Volonté de connaissance des éléments ;

- Attitude vis-à-vis du matériel (peur. ne respecte pas. indiffé-rence etc ••• )

Etudier les unités, multiples , sous-multiples, conversions. uti-lisation des puissances de 10.

46

-1

ESSAI D'hMPOULES ET DE PILESI

Buts de la leçon - Connaissances

Notion de circuit électrique

Introduire la notion de force électromotrice sur les piles, nombre de volts.

indications portées

Les élèves groupent les piles en série, en opposition, et constatent que les f e m s'ajoutent algébriquement.

- Méthcxles

Avant chaque montage, faire dessiner le schéma correspondant. Faire réaliser des montages clairs, bien implantés, en utilisant

les blocs raccords rouges et blancs (repérage conventionnel par la couleur). Faire étudier les contacts, sur les blocs, sur une ampoule, aur

le bloc lampe ; il faut deux fils pour allumer une lampe. Notion de trous équivalents sur les blocs.

- langage

- Faire lire un schéma. Utilisation de couleurs conventionnelles - Dessiner un circuit

- Utiliser la relation d'ordre (classement)

- Utiliser la relation d'équivalence (classe~'d'équivalence)

- Uti l i ser les nombres positifs et négatifs, l'addition algébrique.

Démarche

- Allumer une lampe

les fils sont volontairement "IIImis.

Le circuit électrique sera disposé "verticalement" entre-les blocs raccord s rouges et blancs. Il se reforme sur les piles par l'inter-média ire des blocs raccords.

47

-Montage d'un circuit correct ~ en état de fonctionnement.

- Les élèves étudient les blocs et constatent que sur un même bloc. les trous sont équivalents deux par deux.

D'aut r e part. les quatre trous des blocs raccords (+)

sont équi va lents entre eux. ainsi que les quatre trous des bloc. raccords

(- ) .

En conséquence. il sera inutile par la suite de refaire ces ess ar s de branchement dans diffê rei.ts trous.

Arrêt discu~ sion. qui permet de preclser les conventions, la méthode de cab l age. . sur la plaque (circuits verticaux. blocs raccords rel ié s aux piles, schéma cLai.rs , fils courta) .

- Essai d'ampou l es

Etudier et clasee. r 1~s diffé r ente s ~poul e s .

- Assoc i at ion de deux pi l~~

Il faut pr é c i s er le sens de "(..orrectement". Dans toutes les leçons, il faudra "allumer correctement une ampoule".

- Associa tion de plusieurs piles

Pi. par tir dt": l'expêri e...ce 2 - ) qd . pe!1:.',;~t de ré pC'ndre à la. quesriou (9! . Lvs élê ve s doiver.t trouve r l 'a<.i~itic:.lil albéhr i que des

f e m ré?0~~e à la ques t i ~n (10).

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-CONDUIT, NE CONDUIT PAS

1

Buts de la leçon

- Connaissances

- Noti on de conducteur , d'isolant - Notion d'intensitê ;

- La diode et le contrôleur introduisent la notion de leus du courant - L'intensité du courant est la même en tout point du circuit _'rie. - Conservation du cour an t .

- Mêthodes

- Introduction à l'utilisation du contrôleur.

- Le s élèves font leur première mesure d'intensité du courant. - Retour sur les schémas, l'implantation, le cablage des circuits

- Circuit avec éléments en sêrie : montage linéaire toujours "vertical".

- Langage

Retour sur la lecture d'un schéma, les conventions, les unités, multiples et sous-multiples.

Rel a t i on d'ordre (classement).

Démarche

- Expérience

Monter un circuit série. La position de. blocs peut être inver.6e, sans changer le fonctionnement du circuit. Pour remplacer le fil du bas,

il faut une résistance et deux fils.

- Essais d'autres éléments

Faire essayer les différents blocs (sauf les · condensateurs

èhlmlques

'

et les classer. On peut faire tester pièce de monnaie, mine de crayon, plastique, fil de fer .•• l'antenne de 7 ID (sans dérouler).

- Expérience avec la diode

Faire découvrir que le courant a un sens, en utilisant la diode. Faire expliciter le modèle que les élèves ont de la diode

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-Arrêt discussion, permettant de préciser le8 notions de conducteur, isolant, sens du courant.

- Observation et mode d'emploi du contrôleur

Apprendre aux: 'lèves la.sanipulation du contrôleur. l'utilisation des différents calibres et la mesure d'une iqtensité.

Les élèves doivent découvrir où et comment brancher le contrôleur, la discussion finale devant aboutir au sens de branchement (fil rouge vers le haut) et à la conservation du courant. (le contrôleur donne la même indication quel que soit le fil qu'il remplace).

Indiquer aux élèves de tourner le bouton des calibres d'un cran, si besoin est, et dans la discussion, leur faire comprendre l'intérêt de commencer par le calibre le plus élevé, de tourner le bouton cran par cran et de s'arrêter lorsque l'aiguille dépasse la graduation 5 sur l'echelle 50 (du bas).

Attention : ne pas faire de mesure entre deux blocs raccords ni entre les piles, car un circuit dans le module est la ligne verticale qui commence au bloc (+) et finit au blos (-).

50

-1

CONDUIT PLUS OU MOINS

1

Buts de la leçon

Connaissances

Vérifier si les notions de la leçon 4 sont2Cbptées (schéma, circuit série, contrôleur, mesure d'intensité) ;

-Continuer à "faire passer" ces notions et à les préciser

- Notion de résistance : élément permettant de laisser passer le courant dés iré dans un circuit

- Eléments donnant des courants variables (photorésistance, thermis-tance) techniquement appelés "capteurs". Ils permettent de transformer la variation d'une grandeur en variation de courant, qui pourra commander, après amplification, des effecteurs (relais, par exemple).

- Effecteurs (relais).

- Méthodes

- Faire un schéma, réaliser un circuit (retour) - Utilisation du contrôleur en ampèremètre

- Les élèves refont une mesure analogue à celle de la leçon précédente, puis des mesures sur les différents calibres.

- Langage

- Utilisation d'un tableau de résultats,

- Relation entre résistance et intensité (si R)f , l ~ ) - Proportionnalité inverse.

Démarche

- Montage

Faire monter le circuit de la leçon précédente et utiliser le contrôleur pour mesurer le courant.

- Expérience

Faire essayer les résistances, mesurer le courant et noter les résultats dans un tableau.

Les élè ve s classeront le s résistances.

La discussi on à partir du tableau doit permettre ùe leur faire trouver 'j u e si R croît, l dé croît.

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-si les élèves sont intéressés, il est pos-sible d'aller plus loin dans l'étude de la relation entre R et I.

- Quels éléments conduisent l'électricité?

Dans cette partie très libre, qui peut être menée sous forme de jeu, on pourra mesurer la curiosité et l'intérêt que les élèves portent au module.

On pourra rechercher les facteurs qui font que tel ou tel conduit mieux que tel autre.

Faire découvrir aux élèves que certaines résistances peuvent varier avec la lumière ou la chaleur et que les courants varient en conséquence.

Introduire le mot capteur.

Insister sur l'intérêt de ces éléments au point de vue technique, en demandant aux élèves et en leur indiquant des dispositifs pratiques (ou-verture de porte, thermostat •.• ) qui les utilisent.

Cette partie, qui peut faire l'objet d'une enquête, est le début des montages picofix.

Fournir aux élèves moteurs et relais - Ne pas refaire les essais de conducteur et d'isolant (leçon 4), mais faire mesurer les courants de fonctionnement (on peut utiliser plusieurs~'piles en série, pour que les effecteurs fonctionnent correctement).

.,. 52

-1

LE TRANSISTOR'

Buts de la leçon

- Connaissances

- Etudier le transistor

- Les él èves dégageront la notion d'amplification en comparant les sens de variation et les intensités du courant base et du courant collecteur .

- Etudier le sens de ces courants.

- Le transistor n'est pas un générateur·

- 'Sat ur at i on du transistor (4-1 et 4-") : le transistor laisse passer au maximum le courant que les piles feraient passer directement dans l'ampoul e.

- Méthodes

Utilisation du contrôleur, mesure d'intensité (retour) - Schéma, implantation, cablage ;

- faire découvrir des utilisations possibles (préparation des montages picofix).

- Langage

- Vocabulaire propre au transistor (base, émetteur, co l l ec t eur) Rel at ion de cause à effet (soleil, photorésistance , courant) - Cour ant de commande (agit sur •.• )

- Contin uit é ,

- Sens de variation.

Démarche

- Montage

- Réal i se r un montage clair. Prévoir le déplacemen t de l'ampoule "soleil ".

- Le tr ans istor peu t être endommag é ou détrui t par un courant trop for t (comme les ampoule s ) : néce s s i t é de le pr ot é ger.

- Expérience

- On conmence par une étude globale. l'intermédiaire "lumi~ r e" est très accessible et attire l'attention. On déplace le soleil, on cache avec 1

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-la main. on enlève le fil •••

- Indiquer le. r~8Ultats au taleau a les .en. de variations apparai.-sent.

- Permet de montrer la continuité.

- Easayer d'obtenir la relation de cau.alité : bien .entrer que i n'est qu'un intermEdiaire. C'est le soleil qui intervient .ur i et non le rlverbère (on peut débrancher ce dernier pour le .antrer).

- Arrêt discussion permettant de bien préciser l'étude qualitative du phénomène (Iens de variation. relation de causalité).

- Mesures

Etude quantitative permettant de preCl.er la relation entre i et 1. Il est commode d'utiliser toujours la même unité (par exemple

mA).

Le schéma permet de faire de la géométrie et d'éviter d'introduire le courant somme l' • l + i de l'émetteur.

En effet. au contrôleur. les courants l et

r'

sont très peu différents

(1

%)

et la moindre variation thermique ou de la lumière sur la photo-résistance produit une action beaucoup plus grande.

- Circuit sans transistor

Etude de la saturation du transistor : il ne peut pa. lai••er palier un courant plus grand que celui que les piles font pa"er directement dans l'ampoule.

Conclusion

Première idée sur le transistor : le courant i de la photorésistance ne permet pas d'allumer l'ampoule, maia ce même courant i pas.ant dans le transistor (courant base) permet de lai.ser pasler 1 (courant colecteur ) qui lui allume l'ampoule. Ce n'est pas un interrupteur car la variation est continue.