Des robots parmi les hommes

Séquence 2 : quatre défis électriques (séances 3 et 4)
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 3 : comment faire tourner l’axe d’un moteur dans deux sens différents ?

Durée : 45 minutes.

Première partie 

Situation déclenchante

L’enseignant présente à la classe un nouvel élément, le moteur, et en identifie les différentes parties visibles : l’axe et les pattes. Il énonce la consigne : les élèves doivent imaginer puis réaliser un montage qui permette au moteur de fonctionner ; ils doivent également observer et décrire ce qui se passe lorsque le moteur est en marche. 

Activité

Les élèves se répartissent par groupes avec chacun un moteur. Ils disposent de 5 minutes pour réaliser un schéma avant de passer à la réalisation du montage. Ils notent leurs observations sur leur « cahier d’expériences ». 

Mise en commun

Chaque groupe présente son montage et ses conclusions à la classe. Grâce à leurs observations, les élèves comprennent que, lorsque le moteur est alimenté convenablement, son axe se met à tourner. 

Deuxième partie

Situation déclenchante

L’enseignant attire alors l’attention des élèves sur le sens de rotation de l’axe du moteur. Certains groupes ont-ils tenté de le caractériser et, si oui, comment ? Si cela s’avère nécessaire, le professeur indique qu’une manière de le faire est de placer un doigt au contact de l’axe du moteur.
L’enseignant demande aux élèves de déterminer, sur le montage qu’ils viennent de réaliser, si l’axe du moteur tourne dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens contraire, soit en utilisant la technique qui vient d’être énoncée, soit en imaginant un dispositif qui facilite cette identification. 

Activité et mise en commun

Par groupe, les élèves essaient de déterminer par divers moyens le sens de rotation de l’axe et consignent leurs observations. Pour tenter de mieux percevoir le sens de rotation, les élèves proposent divers dispositifs plus ou moins efficaces : certains percent un bouchon en plastique et l’enfilent sur l’axe alors que d’autres y scotchent un petit morceau de carton ou un post-it®. 
Lors de la mise en commun, la classe constate que, selon les groupes, le sens de rotation de l’axe des moteurs est différent. Autrement dit, l’axe d’un moteur peut tourner indifféremment dans un sens ou dans l’autre.

Troisième partie

Situation déclenchante

Le professeur expose alors le défi : les élèves doivent trouver un moyen de faire tourner l’axe du moteur dans deux sens différents. 

Activité

Chaque groupe dispose de 5 minutes pour expliquer par un schéma et/ou un texte la manière dont il va résoudre le problème. Consigne est donnée de faire valider les idées avant de passer à la réalisation du(des) montage(s). Plusieurs propositions sont testées, comme inverser le sens de branchement de la pile ou celui du moteur.
 
À gauche, montage de départ ; au centre, inversion du branchement aux bornes de la pile ;
à droite, inversion du branchement aux bornes du moteur.

Mise en commun

L’enseignant demande au rapporteur de chaque groupe d’exposer à la classe le travail réalisé ainsi que le résultat obtenu. Pour les groupes n’ayant pas réussi à faire tourner l’axe du moteur dans deux sens différents, la classe analyse le(s) montage(s) réalisé(s) et cherche la(les) cause(s) possible(s) de l’échec. 
Pour terminer, l’enseignant pointe que, dans le cadre de ce travail, pour changer le sens de rotation de l’axe du moteur, il a fallu modifier les connexions soit aux bornes de la pile, soit aux bornes du moteur, ce qui implique une manipulation. Or, il existe des composants qui permettent de changer le sens du courant dans un circuit sans avoir à modifier les branchements : les microrupteurs. À cette étape, le professeur montre le composant et en projette une photographie.
Un microrupteur est composé de trois bornes : C ou COM, NC (pour normally close) et NO (pour normally open). Le courant passe toujours par la borne COM. Lorsque le microrupteur n’est pas actionné, le courant passe par la borne NC (normally close). En revanche, lorsque le microrupteur est actionné, le courant passe par la borne NO (normally open).

Représentation schématique d’un microrupteur

 

 

 
 
 
 
 
 
 

Trace écrite

La classe élabore une synthèse collective et la note sur le « cahier de cours ». Par exemple : une pile est nécessaire pour qu’un moteur tourne (à compléter avec un schéma normalisé du montage). Selon le sens de branchement du moteur aux bornes de la pile, son axe peut tourner dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse.  

Séance 4 : quels matériaux sont conducteurs électriques ?

Durée : 30 minutes.

Situation déclenchante

Le professeur indique que certains matériaux permettent à l’électricité de circuler alors que d’autres non. Le quatrième défi consiste à choisir un matériau et à déterminer s’il est conducteur ou isolant électrique (ces termes ne sont pas employés à ce stade, ils seront introduits lors du bilan).

Activité

L’enseignant demande aux élèves de lister les matériaux qui, selon eux, laissent le courant passer et ceux qui ne le laissent pas circuler, puis d’imaginer un montage pour tester leurs hypothèses. Comme lors des deux premières séances, 3 minutes de réflexion individuelle précèdent 5 minutes de réflexion par groupe. 
Voici les matériaux testés par les élèves : un bracelet composé d’un fil et de perles en plastique (isolant), le corps d’un crayon en bois ou en plastique (isolant), une pique à brochette (isolant), une feuille de papier (isolant), une mine de crayon (conducteur), une gomme (isolant), une règle en plastique (isolant), un morceau de tissu (isolant). 
 
Le bracelet et la feuille de papier ne permettent pas à l’électricité de circuler.
 
Quelques élèves ont eu des difficultés à inclure correctement l’échantillon dans la boucle du circuit. Par exemple, certains l’ont monté en dérivation par rapport à l’ampoule ; d’autres l’ont raccordé au circuit avec un seul câble ce qui indique que la nécessité de fermer le circuit n’est pas totalement acquise à ce stade.
Les élèves ont tenté d’intégrer le stylo dans le circuit, mais ce dernier n’est pas fermé !

Bilan et trace écrite

Chaque groupe présente le matériau sur lequel il a travaillé, son hypothèse quant à sa capacité à laisser passer ou non le courant et le résultat observé. L’enseignant introduit les termes de « conducteur électrique » et d’ « isolant électrique » et les définit : un matériau est conducteur électrique s’il permet à l’électricité de circuler ; un isolant électrique est un matériau à travers lequel l’électricité ne peut pas circuler (voir note scientifique ci-dessous).  
Sur leur « cahier de cours », les élèves inscrivent la question de départ, schématisent le montage qu’ils ont réalisé et indiquent les définitions d’un conducteur et d’un isolant électriques assorties de quelques exemples.

Note scientifique 

Selon le niveau des élèves, l’enseignant pourra ou non nuancer son propos. En effet, les matériaux sont tous plus ou moins conducteurs. Ceux que l’on appelle isolants électriques, à la différence des conducteurs, ne contiennent pas d’électrons pouvant circuler librement. Cependant, si le champ électrique est suffisant, l’électricité peut tout de même circuler à travers des matériaux isolants. On appelle ce phénomène le « claquage » et le champ électrique correspondant « champ disruptif » ou « rigidité électrique ». C’est ce qui se passe avec l’air dans la machine de Wimshurst par exemple ou dans le cas de la foudre. On peut faire le même raisonnement avec l’eau : si on place une pile de 3,5 V dans de l’eau, celle-ci ne laissera pas l’électricité circuler, si bien qu’on ne risquerait rien à plonger la main dans le liquide. En revanche, avec des tensions plus élevées (220 V par exemple ou plus), l’eau devient conductrice, d’où l’existence de normes électriques pour éviter les accidents domestiques dans les salles de bain ou la recommandation de ne pas se baigner lorsque l’orage menace. Le claquage peut également se produire dans des isolants solides à condition d’y appliquer un champ électrique suffisamment élevé. Par exemple, la rigidité électrique du pyrex est de l’ordre de 14 000 kV/m. Cela signifie qu’une plaque de pyrex de 1 cm d’épaisseur ne peut supporter une différence de potentiel de plus de 140 kV. Celle du PVC, isolant utilisé pour les câbles électriques, est de 11 000 à 32 000 kV/m.