Des robots parmi les hommes

Séquence 2 : quatre défis électriques (séances 1 et 2)
Auteurs : Fatima Rahmoun(plus d'infos)
Emmanuelle R.(plus d'infos)
Elodie Gréa(plus d'infos)
Katia Allegraud(plus d'infos)
Résumé :
Cette séquence structurée en quatre défis permet de rappeler (ou d’aborder) quelques concepts de base en électricité afin de préparer la fabrication du robot (séquence 3). Durée : 2 heures 15 minutes.
Publication : 13 Janvier 2015
Objectif :
Rappeler le principe d’un circuit électrique. Sensibiliser les élèves aux règles de sécurité (court-circuit). Schématiser les montages réalisés.
Matériel :
  • Piles LR 12, 4,5 V
  • Fils de connexion à reprise arrière noirs et rouges (c’est-à-dire munis de fiches bananes)
  • Ampoules 3,5 V
  • Pinces crocodiles
  • Moteurs
  • Bouchons de bouteilles en plastique
  • Carton
  • Scotch
  • Éventuellement, interrupteurs et diodes électroluminescentes.

Séance 1 : comment allumer une ampoule ?

Durée : 40 minutes.

Situation déclenchante

L’enseignant explique aux élèves qu’ils réaliseront un robot au cours des prochaines séances et que, pour cela, il est nécessaire de se remémorer le fonctionnement d’un circuit électrique. Il leur propose alors un premier défi : il s’agit de trouver un moyen d’allumer une ampoule. 

Activité

Les élèves sont tout d’abord invités à réfléchir individuellement à la question pendant 3 minutes. Ils ont pour consigne d’expliquer, à l’aide de mots ou de dessins, comment éclairer une ampoule et de faire la liste du matériel nécessaire dans leur « cahier d’expériences ». 
Une fois le temps écoulé, ils se répartissent en groupes. Ils disposent alors de 5 minutes pour présenter leurs idées à leurs pairs, se mettre d’accord sur une solution commune et rédiger la liste du matériel qui sera utilisé.
 
Exemples de schéma et de liste de matériel proposés par les élèves.
 
L’enseignant fournit le matériel demandé et les groupes réalisent leur montage. Certains groupes ont oublié un ou plusieurs éléments (les fils, la pile). Ils s’en rendent compte rapidement et complètent leur liste. Un groupe a demandé un interrupteur (comme dans la liste photographiée ci-dessus) et l’a intégré dans son circuit, un autre a voulu des fils noirs et des fils rouges pour tester si la couleur du câble a une importance. Lorsque les élèves ont terminé leur montage, ils doivent le schématiser sur leur « cahier d’expériences ».
 
Un montage réalisé par un groupe.

Bilan

Les élèves reviennent ensuite en classe entière pour faire le point. L’enseignant leur demande d’énoncer les éléments nécessaires au montage et leur fait rappeler que, pour que l’électricité passe, il faut que le circuit soit fermé. 
Pour sensibiliser la classe aux dangers de l’électricité qu’on ne voit pas, mais qui n’en est pas moins réelle pour autant, on peut :
  • actionner une machine de Wimshurst (voir photographie et note scientifique ci-dessous). Lorsqu’on approche les deux sphères métalliques l’une de l’autre, on entend un claquement et un arc électrique les relie.  
  • prendre l’exemple d’un groupe qui a court-circuité la pile (ou présenter ce type de montage si aucun groupe ne l’a réalisé), faire remarquer aux élèves que cette dernière est très chaude et en expliquer la raison. Une manipulation simple conduite par le professeur permet d’alerter les collégiens sur les risques d’incendie liés aux courts-circuits : lorsqu’un manchon de paille de fer est placé au contact des deux bornes de la pile, il prend feu. À défaut de faire l’expérience en classe, on peut montrer une vidéo aux élèves. Rappelons que, chaque année en France, 80 000 incendies domestiques sont dus à des problèmes électriques. 

Tracé écrite

La classe note sur son « cahier de cours » une synthèse comprenant la question de départ, le matériel indispensable, un schéma du montage (les symboles en vigueur et les règles de schématisation sont rappelés), ainsi que la nécessité de fermer le circuit pour que l’électricité circule.
 
Trace écrite sur le « cahier de cours ».
 

Note scientifique

La machine de Wimshurst (photographie ci-contre) est une machine du XIXe siècle qui porte le nom de son inventeur. Elle est constituée de deux disques en matière isolante (plexiglas par exemple) recouverts de secteurs métalliques. La machine s’actionne manuellement en faisant tourner les disques qui se chargent négativement et positivement par frottement avec des peignes de métal et par influence électrostatique. Ils sont reliés à deux condensateurs  qu’ils chargent progressivement. Ces deux condensateurs sont connectés chacun à une électrode. Lorsqu’ils ont accumulé suffisamment de charges électriques, le champ électrique entre les électrodes est suffisant pour produire un arc. Dans l’air à pression atmosphérique, ce champ, appelé champ disruptif, est de l’ordre de 3 600 kV/m. Cela signifie qu’il faut appliquer une différence de potentiel de 36 kV entre deux électrodes planes distantes de 1 cm pour engendrer un arc électrique. La valeur de cette tension est influencée par la pression, la température, la composition du gaz, les caractéristiques des électrodes, etc. Elle peut par exemple chuter jusqu’à 10 kV dans l’air humide. 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Prolongement

Cette activité peut être l’occasion de sensibiliser les élèves à l’existence de composants polarisés alors que d’autres ne le sont pas, ce qui prépare la troisième séance (comment faire tourner l’axe d’un moteur dans deux sens différents ?). 
L’enseignant fait remarquer à la classe que la pile possède deux bornes : une borne + avec une patte courte et une borne – avec une patte longue. 
 
Il demande si, quel que soit le sens du branchement, l’ampoule brille et recueille les prévisions. Il présente une diode électroluminescente (DEL) et pose la même question. Les élèves testent par groupes leurs hypothèses avec l’ampoule et avec la DEL. En classe entière, ils présentent leurs résultats et comprennent que, pour certains composants comme la DEL, le sens de branchement a une importance alors que pour d’autres, comme l’ampoule, ce n’est pas le cas. 
Cette synthèse est notée dans le « cahier de cours ».
 

Séance 2 : la couleur des fils électriques est-elle importante ?

Durée : 20 minutes.

Situation déclenchante

Au cours de la séance précédente, les élèves avaient à leur disposition des fils noirs et des fils rouges. Certains d’entre eux ont pu s’interroger sur l’influence de la couleur des fils sur le fonctionnement du circuit. L’enseignant s’appuie sur cette observation ou, le cas échéant, conduit les élèves à la faire pour formuler le deuxième défi (la couleur des fils électrique est-elle importante ?). Il recueille les avis des élèves sur cette question.

Activité

Les étapes sont les mêmes que pour la séance précédente : après 3 minutes de réflexion individuelle, les élèves regagnent leur groupe et proposent, en 5 minutes, un schéma ou une description des montages ainsi qu’une liste de matériel.
 
Expériences envisagées par un groupe d’élèves.
 
Tous les groupes réalisent deux montages, l’un n’employant que des fils rouges, l’autre que des fils noirs. Un groupe teste, en plus, l’utilisation des deux types de fils au sein du même montage. Tous constatent que, quelle que soit la situation, l’ampoule s’allume.

Bilan et trace écrite

Les élèves détaillent oralement les montages réalisés et les résultats obtenus. L’enseignant demande aux élèves comment déterminer si l’ampoule s’allume de la même manière dans les deux types de montage. Plusieurs idées sont émises, dont celle de faire les deux montages côte à côte de façon à pouvoir les comparer (lors de la phase d’expérimentation, les deux types de circuit ont été réalisés successivement). Enfin, la classe s’interroge sur l’utilité de disposer de fils de couleurs différentes alors que cela n’influence pas le fonctionnement du circuit. On peut montrer une photographie de câblage dans une armoire électrique. Ils pourront alors se rendre compte de la complexité des montages dans la réalité, mais aussi observer qu’il n’existe pas seulement des fils noirs ou rouges. L’idée que les couleurs sont employées pour « s’y retrouver » émerge alors.
 
La classe note le bilan sur le « cahier de cours ».
Un exemple de trace écrite.