Essai de rénovation du programme d'électricité de 3ème
Nous donnons ici un compte rendu sommaire de l'ex-périmentation pédagogique qui s'est déroulée au cours de l'année scolaire 1974-1975 dans un certain nombre de classes de l'Académie de Strasbourg.
Pour que.différentes méthodes d'approche, fonction du professeur, du type de classe, du matériel, puissent être expérimentées, une marge de manoeuvre suffisante a été laissée à l'intérieur des grandes lignes fixées par le projet.
Aussi n'est-il pas question de présenter ici le détail de ces méthodes qui paraltront dans un document ul-térieur plus complet. Tout au plus certaines seront citées.
Electrostatique
Traitée en liaison étroite avec la partie atomis-tique de la chimie (modèles moléculaires), cette partie
(2 séances environ) doit ~ettre de dégager les notions de charge positive, négative, d'électroneutralité, de con-ducteur, d'isolant.
D'une façon générale, il semble intéressant :
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d'insister sur l'électroneutra11té de l'atome et l'échelle des dimensions;21
de donner quelques notions sur la structure d'un solide, métal et isolant, et sur la mdbilité des électrons ;3( d'étudier les phénomènes élémentaires, attrac-tion, répulsion confirmant l'existence de 2 types de char-ges ;
4( d'interprêter les expériences à l'aide du modèle du solide conducteur: charges fixes, charges
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Si l'on a le temps et en fonction du niveau de la classe, d'interprêter l'attraction d'un morceau de di-électrique électriqùement neutre par une charge électriqueà l'aide du modèle d'un isolant.
D'une manière plus précise,
al
dans toutes les interprétations la notiond'électroneutralit é est à la base de tout un corps
isolé et él e c t r i q u eme n t neutre au départ, le reste.
b
l
i l faut pouvoir passer de façon très souple du modèle à l'ex pér ience et inversement. C'est un e des parties du prog r amme où la dialec t ique expérience-modèle peut être mi s e en oeuvre d'une manière vivante et intéressante: ilserait domma g e de laisser passer une telle occasion. On peut par exemple imaginer certaines expériences ou les faire imaginer par les élèves
prévoir le résultat d'après le modèle, • obtenir une confirmation de l'expérience.
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i l est indispensable de s'aider de schémas du type ci dessous.Q-
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Parmi les questions matérielles soulevées par l'électrostatique, on peut citer la nécessité d'un choix soigné des matériaux donnant les résultats les plus repro-ductibles.
La distinction entre les différents types d'iso-lants n'est pas ici indispensable (verre, ébonite ••• ) car elle donne des résultats peu reproductibles.
L'interprétation de l'électrisation par frottement
(enlèvement de charges) peut très bien être illustr ée à
l'aide d'un sac plastique quelconque frotté contre un mor-ceau de polystyrène expansé. Il est facile de montrer en effet que l'un et l'autre prennent des charges de signe con-traire.
Différence de potentiel
Au sujet du condensateur, i l apparalt très souhai-table de reporter son étude ultérieurement pour plusieurs raisons
1/ Le lien expérimental entre électrostatique et électrocinétique n'est pas simple avec des moyens ord i-naires.
2/ L'introd uct ion trop pr é c o c e du condensateur, eu égard à l'utilisat i on qui en est faite (filtrage du cou-rant redressé) entraîne un manque de motivation des él è v e s .
3/ Il Y a risque de confusion avec le générateur introduit très peu de temps après.
Pour introduire la notion de différence de poten-tiel au moins deux méthodes sont possibles.
1. L'une a consisté à introduire d'abord le circuit él e c t r i q u e de la lampe de poche puis la not i o n de d.d.p. par couplage de gén érateurs en série de toutes les façons pos s ibl e s , l'effet ét a nt co ns ta t é par des lampes qui
s'al-lument plus ou mo i n s . Le vol tmè t re est ensuite introduit
ave c utilisation d'un seul calibr e.
2. L'autre méthode a con s is t é à in s i s t e r sur les d5symétries de constitution des différen ts types de gén é r a -teurs en liaison avec les 2 types de charges :dissymétrie des matériaux dans une pile électroc himique, disymétrie de température dans un thermocouple etc . . . L'effet du généra-teur est constaté au voltmètre intro duit à ce moment-là.
Remarques
Il semble que la deuxième méthode soit plus
satis-faisante pour interpréter la d.d.p.
La constatation de l'effet des générateurs à l'aide
d' amp o u l e s exige logiquement l'introduction préalable de la not i o n de circuit él e c t r i q ue alors que l'utilisation du
voltmètre ne l'exige pas en première approche.
L'étude de l'analogie hydraulique n'est pas
indis-pen s a b l e . Elle peut être montrée soit à l'aide d'un syst ème
de vases commu nic a nts soi t à l'aide d' u n circuit et d'une
pompe (à es s ence , de ma ch ine à laver, etc . . . ). Il apparaît qu'un pourcentag e important d'él è v e s as s i mi l e la notion de d. d . p . grâce aux leçons d'é lec t r os t a t ique qui ont précédé .
Ils acquièrent ainsi une représentation simple : acc umula-tion d'électrons sur une électrode, défaut sur une autre, mise en circulation par fermeture d'un circuit et
renouvel-lement de cette accumulation grâce à la structure du g éné-rateur , déséquilibre chimique, thermique, etc ...
Courant électrique permanent
Après réalisation d'un premier circuit électrique type lampe de poche, la nature du courant électrique,c'est à dire déplacement d'électrons, est explicitée ainsi que le comportement du générateur (renouvellement permanent de l'accumulation de charge sur ses 2 pôles).
Il est inévitable de parler du sens des électrons et du sens conventionnel du courant. L'introduction de la diode (éventuellement électroluminescente) peut servir utilement à définir le sens du courant.
On peut rappeler que la d~ymétrie du générateur n'est pas maintenue éternellement et que la pile renferme un certain contenu d'énergie qui peut être libéré soit sous forme calorifique ou lumineuse (ampoules), soit sous forme chimique.
L'électrolyse permet alors de parler de l'effet chimique du courant et de confirmer la dissymétrie du gé n é r a t e u r (celui-ci peut être constitué par 2 lames de métaux différents plantées dans un citron).
Il a semblé opportun de regrouper à ce mome nt l'étude de l'effet magnétique du courant qui, d'une part confirme la dissymétrie du générateur, d'autre part donne toute son ·im p o r t a n c e au sens du courant (action sur la bous-sole) •
Une expérience simple permet alors d'expliquer le fonctionnement de l'ampèremètre.
Re marq u e s
Dans un circuit simple type lampe de poche, on n'oubliera pas de vérifier, par l'essai de différents maté-ri a ux , la classification faite en électrostatique entre
conducteurs et isolants.
A propos de la nature microscopique du courant él e c t r i q u e , il est important de savoir raconter l'histoire aux élèves en prenant exemple sur le livre de Gamow et savoir se promener à l'intérieur de la matière comme M. Thomkins.
Problèmes didactiques liés à la réalisation d'un circuit électrique
c'est un problème pédagogique réel qu'il faut se garder de négliger et c'est également une excellente i l -lustration des problèmes pratiques que permet de résoudre la technologie.
A partir d'un même schéma de principe deux tech-niques de réalisation d'un circuit électrique étaient of-fertes aux expérimentateurs.
1. La réalisa ti o n classique à l'aide de fils dont l'inconv éni e nt majeur es t de rendre la vérif icati o n du cir-cuit difficile pour le ma î tre , souvent imp o s s i b l e pour l 'é lèv e à cause du fo isonnement des fils d'une longueur souvent excessive.
2. L'implantation sur plaquette enfichable, mo d èle E.N. de Strasbourg . Il faut bien distinguer le schéma de principe du sc héma d'i mpl a n t ati o n. Le passage de l'un à l 'a utre n'est pas évi d e n t . On a noté souv ent un certain manque de méthode des él è v e s pour implanter un cir-cuit conduisant parfois à des blocages devant des circuits très simples.
On a noté que certains élè v es aya n t fait de bJns circuits l'autre année sont incapa b les à la fi n de l ' a nné e de faire de nouveaux circuits.
Il est évident que nous devons faire acquer 1r aux élèves une méthode d'implantation des comp o s a n t s et de recherche systématique des pannes dans un circuit à l'aide de divers moyens pédagogiques.
Il a été proposé l'utilisation de • rétroprojecteurs,
• diapositives, • tableaux aimantés,
toile plastifiée sur laquelle on écrit avec un feutre,
feutrine et "velcros",
tableau blanc ou panneau de formica, • grande feuille de papier.
Il faut que paraisse en grand sur l 'écran ou le tableau le schéma de la plaquette nue avec ses circuits pr é-cablés. Il n'y a alors plus qu'à remplir les vides à l'aide des symboles des composants.
Un schéma de principe étant donné, le probl ème est posé aux élèves, chacun cherche sur le brouillon la solution:
i l dispose pour cela d'un tirage du schéma de la plaquette identique à celui qui figure sur le tableau ou l'écran. Ceux qui ont trouvé une solution la transcrivent sur l'écran ou le tableau. Elle est discutée et comparée à d'autres.
Alors seulement, on passe à la réalisation au cours de laquelle se poseront d'autres problèmes.
Il semble préférable de faire réaliser l'un des tout premiers circuits,par exemple celui de la lampe de poche,avec des fils afin de bien faire assimiler la notion de circuit; après quoi, on peut passer à l'implantation sur plaquette a'fin d'en apprendre le maniement.
Du point de vue réalisation de circuit, c'est le moment de faire remarquer l'absurdité et l'inutilité de la mise en parallèle d'un composant sur un fil de cuivre du câblage de la plaquette : notion de court circuit qui peut servie d'introduction à une des applications de l'ef-fet thermique : les fusibles.
Il faudra renouveler l'opération pour un circuit plus compliqué et motiver ainsi l'usage de la plaquette en montrant la réelle simplification qu'elle apporte.
Dès les premières séances, il faudra être exigeant sur les habitudes d'ordre et de méthode:
- inventaire des cavaliers à composants au début et à la fin de la séance,
- rangement soigneux,
respect des lignes d'alimentation dans les réa-lisations-de circuits (potentiels décroissants du haut vers le bas).
L'efficacité est à ce prix.
Si en cours d'année, on constate des difficultés de réalisation ou une régression, le retour provisoire au cablage avec fils peut faciliter certains montages.
Enfin, remarque importante, un voltmètre ne doit être placé dans un circuit qu'une fois celui-ci réalisé: on montrera qu'un voltmètre est un appareil qu'on peut dé-placer aisément le long d'un circuit et qui est toujours mis en parallèle sur les éléments du circuit.
Notion d'intensité
Introduction expérimentale : un morceau de mine de crayon employé comme rhéostat permet de faire varier le
courant à travers une ampoule. Une fois l'aspect qualitatif mis en évidence, on mesure l'intensité à l'aide d'un ampère-mères. Il est fondamental d'obliger les élèves à réaliser d'abord le circuit avant d'introduire l'ampèremètre pour qu'ils se rendent bien compte de la nécessité de couper le circuit pour mesurer l'intensité contrairement au cas du voltmètre.
On montre que l'intensité est la même tout le long d'une même branche.
L'interprétation microscopique de la notion d'inten-sité est aisée.
Les difficultés de réalisations des circuits en dérivation sur les plaquettes peuvent être aisément 's u rmo n
-tées.
Il est important de faire remarquer, outre l'éga-lité des tensions pour deux éléments en parallèle :
. d'une part l'additivité des tensions sur des éléments en série,
. d'autre part l'additivité des courants sur des éléments en parallèle.
Etude d'une résistance
Il apparaît que la difficulté essentielle est
d'ordre matériel: en effet, le système de la mine de crayon n'est pas suffisant pour obtenir les variations d'inten-sité souhaitables.
A l'avenir des rhéostats seront indispensables ou bien des alimentations stabilisées et réglables dont le coût est peut-être moindre.
- Tracé de la caractéristique courant-tension V
=
f ( l )Il semble que les connaissances mathématiques des élèves de classe de 3ème soient souvent insuffisantes, en particulier la notion de proportionnalité est mal assimilée bie n que le même travail ait été fait en 4ème à propos de
l 'étalonnage d'un ressort. Le tracé de la caractéristique
conduit à la notion de résistance comme la courbe d'étalon-nage conduisant à celle de raideur.
Il faut d'ailleurs familiariser l'élève avec l'uti-lisation de la courbe en lui posant des petits ~roblèmes du genre: s ' i l y a 4 Vaux bornes de la résistance, quelle
Il est important de faire étudier simultanément plusieurs résistances par les différents groupes d'élèves et d'arriver au problème pratique -su Lvarrt : un générateur étant donné, quelle résistance devrais-je choisir pour obtenir une intensité donnée ?
Il semble bon d'introduire l'utilisation de l'ohmmètre tout de suite après la notion de résistance (il sera important de signaler la présence d'une pile à l'inté-rieur de l'ohmmètre).
L'intention de le but de la mise en ser~e de 2 résistances est d'aboutir non pas à la loi R = Rl + R2 , mais plutôt à u = ul + u2 ,l'additivité des tensions per-mettant d'introduire le rhéostat monté en potentiomètre. Les élèves doivent apprendre à regarder un rhéostat, comp-ter le nombre de bornes, le vérifier à l'ohmmètre et véri-fier qu'il leur permet de disposer d'une tension variable entre 0 et la tension maximum délivrée par le générateur.
A l'aide d~ résistances de faible valeur, par exemple 22'1, 2 W ou 47~ , 2 W on fera toucher du doigt à l'élève l'effet calorifique.
Il apparalt préférable d'escamoter le problème présenté par la résistance d'une ampoule. Si des élèves se posent le problème dans une classe, ce que l'on peut tenter est de faire tracer par un groupe la caractéristique de l'ampoule avec la conclusion qu'il n'est pas possible de définir une seule résistance pour une ampoule.
On pourra toutefois étudier l'ampoule en regroupant son étude avec d'autres éléments non linéaires comme la thermistance •••
Etude du condensateur
L'étude technologique de vieux condensateurs de différents types permet de dégager la structure générale. L'observation montre en main de la charge et la décharge d'un condensateur permet de relier des grandeurs électriques à la mesure du temps et de mettre en évidence le rôle de réservoir de charges.
Il est en effet important que les élèves arrivent à associer l'idée de durée à celle de
condensateur-résistance. Toutefois les applications du système condensa-teur - résistance (temporisation, fonction momentanée . . . ) ne pourront réellement être étudiées qu'à propos du relais ou du transistor.
On peut cependant montrer les applications du con-densateur en tant que réservoir d'énergie ou de charges:
flash de photo, filtrage (cf. plus bas).
Il faut être très prudent avec l'analogie hydrau-lique en ce qui concerne le condensateur. En effet, la re-lation entre charge et d.d.p. aux bornes du condensateur est Q =
cv :
Si V devient 2 V, Q devient 2 Q, or si la hauteur d'eau h devient 2 h, cela ne change pas la quantité d'eau dans le réservoir supérieur !
Il faut souligner la grande différence avec les piles: i l n'y a pas de conversion d'énergie et l'on ne re-trouve dans le condensateur que les charges qu'on y a mises.
Autre aspect du condensateur : placé en séri& dans un circuit en courant alternatif, i l servira non à stocker des charges comme'dans le cas du filtrage, mais à laisser passer le seul courant alternatif à l'exclusion du continu
(peut-être mis en évidence par une mesure au voltmètre) . On insistera sur le fait que la durée de la déchar-ge dépend des deux paramètres: résistance et capacité.
La décomposition des différents temps du fil-trage peut faire l'objet d'un film ou d'une représentation séquentielle sur transparent ou tout autre support.
Option courant alternatif, redressement, filtrage
L'étude de la diode permet de dégager les propr1e-tés du courant alternatif. Des montages avec diodes électro-luminescentes et inverseur ou générateur très basse fré-quence x permettent de bien visulaiser le phénomène. On peut aussi utiliser le haut parleur àamenté par une pile dans les 2 sens. L'observation à l'oscilloscope d'une géné-ratrice de bicyclette complète utilement l'information
(on rappellera dans ce cas les caractéristiques d'un phéno-mène périodique). On peut aussi utiliser la génératrice pour alimenter un haut parleur (d'impédance convenable).
A défaut d'oscilloscope, on peut différencier les redressements une et deux alternances grâce à l'éclat d'une lampe ou au voltmètre. Le montage avec haut parleur permet de constater le passage du fondamental à l'harmonique 2 du secteur (100 Hz).
x La construction d'un tel générateur (soit électromagnétique, soit purement électrique, ) est aisée. Il est en outre possi-ble de faire varier la fréquence. La description de ces solu-tions sera donnée prochainement.
Le filtrage par condensateur est montré (oscil-loscope ou voltmètre). Le courant ·alternatif nécessite en-viron 2 à 3 séances.
N.B. - L'introduction dU'condensateur peut être retardée jusqu'à l'étude du filtrage.
Option relais
Faute de matériel, elle n'a pu être expérimentée que dans une classe.
Les fonctions essentielles sont mises en évidence sans difficulté (fonction momentanée, mémoire et tempori-sation). Toutefois l'étude de l'oscillation est à la limite des possibilités de raisonnement des élèves.
Cette partie a donné lieu à une méthode originale de contrôle des connaissances où l'on demandait aux élèves de réaliser une expérience nouvelle sur les relais et de l'interprêter eux-mêmes. L'ensemble a nécessité 4 heures pour le relais et ses fonctions, plus 1 heure pour l'inter-rogation écrite.
Le transistor
1/ Il s'agit d'abord de sensibiliser les élèves à la commande par variation de la résistance de base de façon qualitative (rhéostat dans le circuit de base). Rappelons que la base du transistor devra toujours être protégée par une résistance fixe 6,2 k!loohms à 1 kiloohm en fonction du type de transistor et d'ampoule employés. Il est important en effet que cette résistance de protection ne soit pas trop grande pour permettre de saturer correctement le transistor.
On peut alors faire l'étude quantitative (Fig. 1) du courant collecteur I c en fonction du courant de base avec mise en évidence du palier de saturation (atteint lors-que seule l'ampoule limite le courant dans la branche col-lecteur). La courbe Ic = f ( rb) permet de déflnir le gain en courant.
2/ Le transistor en commutation
Le rhéostat précédent est remplacé par un capteur : thermistance, cellule photorésistance (LDR 05), électrodes sur papier buvard qui devient conducteur lorsqu'on y dépose une goutte d'eau (principe du détecteur d'humidité employé dans les appareils destinés à combattre l'énurésie). Le détecteur d'humidité peut être employé à l'arrosage automa-tique des pots de fleurs ou au maintien d'un niveau cons-tant dans un réservoir. Quelques exemples sont donnés fig. 2, 3 et 5.
Le montage de la figure 3 correspond à l'allumeur de réverbère.
Un montage amusant (fig. 4) illustre les possibi-lités de l'optoélectronique (couplages optiques entre cir-cuits électriques), branche de l'électronique en plein déve-loppement. C'est une des rares bascules astables qui semblent pouvoir être comprises des élèves sans trop de difficultés i l s'agit simplement du couplage du circuit oui de la fig. 2 avec le circuit non de la fig. 3.
Signalons enfin des applications communes aux transistors et aux condensateurs :
fonction momentanée (fig. 6),
• retard à l'allumage et à l'extinction (fig. 7).
Remarques
- Pour un transistor, i l est préférable de raison-ner en courant plutôt qu'en tension en faisant toujours fi-gurer sur les schémas le sens conventionnel du courant.
- Si au cours d'une expérience plusieurs phases distinctes dans le temps se déroulent, i l faut le faire comprendre aux élèves à l'aide de plusieurs schémas.
- En logique électronique, il faut bien préciser si la variable booléenne est la tension ou l 'éclat de la lampe. Les élèves ont tendance à donner systématiquement et spontanément la valeur 1 à la lampe qui brille alors que cela correspond à l'état de potentiel collecteur le plus bas.
- Il semble que les élèves attendent de l'électro-nique qu'elle les amène à des réalisations plus passionnan-tes que l'allumeur de réverbère ou le détecteur d'humidité.
Malheureusement le temps fait défaut et i l n'est guère possible d'aller plus loin. Les élèves pourront pui-ser des motivations plus fortes à l'étude de l'électricité-électronique dans des activités de club oü, avec l'aide du maître, ils pourront réaliser des jouets tels que barrières automatiques, trieur de pierre, des postes de radio, etc . . .
Une liste de montages testés et réalisés à Strasbourg soit par des collègues, soit au C.R.F. des P.E.G.C. oü une expérience concomitante est menée depuis 2 ans, sera prochainement publiée.
P. MALLEUS - CRF de~
PEGC Au nom de Z'équipe des
ï,,~N~•.sTc>~
