A TENSION, CANSON
Jean RICH ER nJFM Grenoble
MOTS-CLÉS: INTENSITÉ -TENSION - MÉTAPHORE - STRATÉGIE SYSTÉMIQUE-PAPIER CANSQN
RÉSUMÉ: Une métaphore est proposéepOUT la tension électrique entre deux points d'un conducteur ohmique traversé par un courant.Lematériau utilisé (papier conducteur Canson) permet d'influer sur trois paramètres. Il permet d'impliquer l'élève dans une démarche systémique se fondant sur le modèle ohmique etlareprésentation imagée de la tension.
SUMMARy : A metaphor is suggested for the electric tension between two points of an ohmie conductor crossedby current. The material used (Camon conducting paper) makesitpossible to have an effect on three parameters.Itenables pupils to be involved in a systemic proceeding based on the ohmic mode) and the pictoria! representation of tension.
1. LES MODÈLES PHYSIQUES UTILISÉS
Une alimentation stabilisée (A.S.) mise en série avec des conducteurs detype ohmique crée une distribution de potentiel le long des conducteurs quand le circuit est fenué. Soit a et b deux équipotentielles dans le circuit extérieur. Le travail par unité de charge entre a et b représente la tension Vab. Prenons cette tension égale à 1 volt, le travail par unité de charge est indépendant du circuiL
La résistance d'un conducteur ohmique ne dépend que de trois facteurs (longueur, section, nature) si l'on peut espérer que les autres facteurs, tels que la température, restent quasi invariants lors du passage du courant.
2. LA MÉTAPHORE UTILISÉE
La tension de 1 Volt entre a et b sera imaginée comme un "ouvrier" (un "Volt") qui travaille entre2 "frontières" a et b. La tâche de cet ouvrier consiste à assurer le débit constant d'électrons dans son "domaine" situé entre 2 "frontières" a et b. Chaque "ouvrier" effectue le même travail que ses voisins et ceci quel que soit le circuiE (On parlera de "réglement des Volts"). Le mot travaîl peut être remplacé par "fatigue" pour des élèves. L'A.S. possède la propriété (Le.m. E) de distribuer ses ouvriers sur le circuit dès qu'il est fenné.Lenombre d'ouvriers dépend de E.
La tâche de chacun des ouvriers n'est pas forcément la même. Seul le travail (la fatigue) effectué est le même! Dans un circuit série l'intensité est constante, alors les caractéristiques du domaine vont dépendre de celles du conducteur entre les deux frontières. On parlera des "difficultés" delaœ.che. Pour effectuer le même travail(ousubir la même fatigue), deux ouvriers devront vaincre soit les mêmes difficultés (domaine de même caractéristiques) soit des difficultés qui se compensent (domaine de forte section et plus forte longueur, ou domaine de faible section et plus faible longueur).
Dans un circuit avec dérivation, le domaine est constitué de plusieurs tronçons de circuit. Les tronçons peuvent être différents par leur longueur et leur nature par exemple.(Ledon d'ubiquité prêté àces ouvriers ne semble pas gêner les élèves).
3. LE MATÉRIAU CHOISI
Certains papiers noirs réalisés par la papeterie "Canson" sont des conducteurs ohmiques sous faible intensité. Il en existe de résistivités et d'épaisseurs différentes. Si l'on place des bandes réalisées avec ces papiers, entre des pincesàdessin métalliques, on peut rendre la résistance de
Lematériel à mettre en oeuvre est assez simple: une A.S. de faible puissance (ou une pile car les débits sont faibles et de l'ordre dumA),un milliampèremètte, un Voltmètre numérique. un jeu de pinces de 6 cm de large (4 pinces suffisent). On peut rendre le contact entre la pince et le reste du circuit plus facile en insérant une borne dans le trou d'une oreille de la pince. La prise de potentiel se fait en touchant seulement le papier conducteur avec l'extrémité d'un fil (fiche banane).
Lepapier "mi-teinte" noir et le p.apier "Popset" réglisse de 1909lm2 ontlamême épaisseur, soit 1/4 mm. Les deux: papiers ont une conductivité différente. TI existe aussi des papiers, type "Popset" d'épaisseur moindre.
4. LA STRATÉGIE UTILISÉE PAR DES ÉLÈVES
Deux stratégies ont été mises en place, l'une avec des classes de troisième, l'autre avec des élèves de seconde. Elles ne différent pas sur le fond mais sur la fonne employée et le niveau d'exigence. En voici le canevas général.
En référence aux travaux de Classet (1) et ceux de Dupuis et Joshua (2). On faÜ travailler sur la notion d'intensité: unicité du courant dans un circuit série, quel que soit l'ordre des dipôles en série; dépendance de l'intensité dans un circuit série par rapport à['A.S.et les dipôles passifs utilisés. Par ailleurs la définition de l'inrensIté est mooifiée : elle n'est plus considérée comme débit de charges . mais comme un débit de particules: le passage de 6 milliards de milliards d'électrons en 1 seconde équivautà un ampère. Ceci pour utiliser une image simple de l'intensité comme débit de particules. Lemodèle de l'intensité est celui d'un écoulement d'électrons préexistant dans le conducteur et mis en route à des vitesses plus ou moins grandes.
Les électrons ne pouvant se déplacer seuls il faut admettre qu'ilya un processus qui les maintient en déplacement dès que le circuit est fermé sur l'A.S. La métaphore des "Volts" est imposée. On recherche alors les "frontières" des "domaines" en prenant une A.S. de 6 Volts (6"ouvriers") mise en série avec un ampèremètre (le compteur de débit) et une bande de papier Canson noir (P.C.N) et on trace une carte des potentiels Volt par Volt. Avec plusieurs bandes différentes, on obtient des cartes différentes.
Dessin et légende n01
'Cl!
fiU...
On fera construire un circuit n03, avec une bande de papier noir d'une amre texture mais de dimensions identiques (l8cm, 6 cm, 1/4mm)."Popset" 1909lm2
Lesfrontières des "domaines" sont à 3 cm les unes des autres.Ledébit d'électrons équivautà 1.6mA(11=1,6mA).
On fera construire le circuit n02
Les frontières ne sont pas régulièrement réparties. On peut se Contenter de toucher le bord rectiligne de la bande "peN". (Ne pas oublier 12)
v
On a une distribution identiqueà celle du circuit nO 1 (ne pas oublier 13).
À l'aide des cartes de potentiels et des valeurs de l'intensité on peut mettre en place le modèle des conducteurs (les "difficultés") qui permet une compréhension des cartes de potentiels. Par exemple, entre les circuits 1 et 3 seule la nature change et le débit, dans le circuit 2 les "domaines" 1 et 6 sont différents en section et en longueur,le débit et la nantre étant les mêmes.
Finalement les élèves pourront utiliser la métaphore des "Volts" : travail égal dans tous les domaines, mais difficultés entre les tâches qui doivent se compenser: plus la longueur d'un domaine est grande, plus la section du domaine est étroite, plus le matériau est résistif, plus le débit est grand et plus il est difficile de faire transiter des charges sur le domaine.
vérification - une vérification expérimentale - une comparaison entre projet et observation. On trouvera ci-dessous un inventaire des autres possibilités.
e
s
nat
l
e
s
nat
l
exp1 C3·po1l3et" Co4 "mi-teinte"
18,6,114 18,X,1I4
exp 2 Cl "mi-teinte" et C4"mi-œinte"
18,6,1/4 l8,X,1/4
exp3 Cl "mi-œinte" CS"mi-œinte"
18,6,114 Y,6,1I4
exp 4 Cl "mi-teime" C6"popset"
16,6,114 2,6,1/4
ex :la comparaisondes circuits nO]et 4où'X"aété trouvé expérimentalement pennet deremplirles cases 3b et2e où les paramètres invariants sont notés en bas à droite.
4·2 On peut aussi placer deux bandes en série .. ' etc
4·3 On modifie la distribution des potentiels en changeant E Par exempledansle circuitCl
4·4 On place des bandes en parallèle...
4-5 On peut faire la liaison entre les bandes de papier conducteur et les "résistances" du commerce
Une feuille de papier est enroulée sur elle-même pour former un cylindre (par exemple 20 cm de haut sur 8 cm de diamètre). Chaque extrémité du cylindre est coiffée par un capuchon métallique (boite de conserve). Le courant rentre par un capuchon, traverse le conducteur et ressort par l'autre capuchon. Si un rainurage hélicoïdal est réalisé sur le cylindre, alors on modifie la longueur du conducteur ainsi que sa section. Plus l'hélice est serrée, plus la longueur est grande et plus la section est étroite. On peut le montrer en déroulant l'hélice.
5. CONCLUSION
On a utilisé, en troisième, cette stratégie par le biais d'une enquête réalisée au "pays des Volts" par un journaliste Giani Lapinas. Ce journaliste essaie ensuite. avec l'aide de son ami electronicien Zorba,. de mieux comprendre cet univers en effectuant toutes sortes de travaux où il doit prévoir, observer, vérifier. Les retours obtenus sous forme d'interviews réalisées 3 mois après la fin de l'enseignement sont encourageants.
Pour les classes de seconde, on ne possède pas encore de retours exploitables.
BIBLIOGRAPHIE
(1) CLASSET (J.•L.), juin 83.- Leraisonnement séquentiel en électrocinétique.Thèse, Paris VII. (2) DUPIN (L-J.) et JOHSUA (S).-Rapport de recherche du 1er juillet89. Groupe de recherche en didactique de Marseille.
