Guide 5e - Comment fonctionne le monde ? Energie et energies...

Séquence 2.2 : L'énergie est-elle mesurable ?
Auteurs : Equipe La main à la pâte(plus d'infos)
Résumé :
En comparant plusieurs actions, on constate intuitivement qu'elles peuvent consommer plus ou moins d'énergie. Des indications chiffrées rencontrées dans la vie quotidienne permettent de vérifier que l'énergie est mesurable.
Publication : 26 février 2013

Séquence 2.2 : L'énergie est-elle mesurable ?

Fil directeur :

En comparant plusieurs actions, on constate intuitivement qu'elles peuvent consommer plus ou moins d'énergie.

Des indications chiffrées rencontrées dans la vie quotidienne permettent de vérifier que l'énergie est mesurable.

2.2.1. Ordres de grandeur

Matériel nécessaire : vélo d'appartement, objets plus ou moins lourds, sonde oxymétrique et son logiciel d'acquisition, des ampoules, un chauffe-ballon, un ballon, de l'eau, un extrait d'un enregistrement vidéo d'un marathon, un vélo, une petite voiture, des produits alimentaires ou l'étiquette est bien visible...

 

Exemple d’activités :

Nous avons constaté qu'il était plus fatigant de se déplacer vite que lentement. Cette sensation correspond-elle à une réalité mesurable ?

1) Une première activité peut être organisée sous forme de jeu ou de défi.

Il s’agit de classer des actions en fonction de la fatigue qu’elles engendrent. Le besoin d’une unité de mesure peut alors se faire sentir à l’issue du débat final au cours duquel les élèves évoqueront leurs expériences.

Les élèves peuvent être amenés à ressentir des variations de l’énergie à fournir lors d'une action plus en plus fatiguante. Ceci peut s’effectuer sur un vélo d’appartement (on simule la montée d’une côte) ou bien, si on ne dispose pas de matériel particulier, à l’occasion de tâches variées (transporter des objets plus ou moins lourds par exemple).

2) L’expérimentation assistée par ordinateur (ExAO) utilisant une sonde oxymétrique et un logiciel adapté permet de montrer que la dépense d’énergie est fonction de l’effort fourni. (A cette occasion, l’influence néfaste du tabagisme sur la respiration peut être évoquée.)

3) Sur différents postes sont installés différents objets. Chaque groupe observe les indices qui sont mis à sa disposition : ampoule électrique, ration alimentaire d’un marathonien, d’un adulte sédentaire, d’un enfant, perceuse, etc. Sur chacun, on peut lire des chiffres associés à des unités, Joules ou kiloJoules, sur des étiquettes collées par le professeur. Au cours d’un débat, les élèves tentent ensuite de comparer l’énergie dans différents cas, par exemple à l’aide d’un tableau comparatif des différentes quantités d’énergie utilisées pour réaliser des actions (exemple ci-dessous).

 

Action

Énergie nécessaire (estimation)

Éclairer une salle de classe pendant une heure

(20 tubes néon)

400 kJ

Chauffer un litre d'eau de 20°C à 100°C

330 kJ

Faire évaporer un litre d'eau

2250 kJ

Parcourir 100 km en voiture

360 000 kJ

Parcourir 100 km en vélo

12 000 kJ

Courir un marathon (42 km en 2h30)

7500 kJ

 

 

Dès l’école primaire, les enfants on pu avoir l’occasion de lire des étiquettes alimentaires :

Exemple « Jockey petit encas » :

 

Valeurs nutritionnelles moyennes

Pour 100 grammes

Par portion

Valeur énergétique

512 kJ

722 kJ

Protéines

4,1 g

6,2 g

Glucides

17,1 g

25,7 g

Lipides

4,1 g

6,2 g

 

 

 

 

A partir d'échantillons (photos), on peut comparer la quantité d'uranium, de pétrole, de charbon, etc., nécessaire pour produire la même quantité d'énergie utile.

 

Vitesse de marche en km par heure

Consommation de dioxygène en L.h-1

Dépense d'énergie en kJ.h-1

Fréquence respiratoire en inspirations par minute

2

27

564

15

4

42

878

19

6

61

1280

22

8

112

2120

27

A partir du tableau ci-dessus, les élèves peuvent construire trois graphiques exprimant la consommation de dioxygène, la fréquence respiratoire et la dépense d'énergie en fonction de la vitesse de marche, puis proposer leurs conclusions qui seront soumises à débat.

Notions essentielles :

L’énergie est mesurable, on peut savoir s’il y en a peu ou beaucoup.

Il est possible de mesurer l’énergie, avec une unité, le Joule ; cette unité figure sur les étiquettes alimentaires ou sur des objets de la vie quotidienne.

La définition du Joule fait intervenir des connaissances de mécanique qui ne peuvent pas être présentées en cinquième, mais qui seront étudiées plus tard.

Il devient alors possible de comparer objectivement différentes actions.

2.2.2. Énergie et puissance

Matériel nécessaire : appareils électriques variés (ampoules, télévision, magnétoscope, réfrigérateur, bouilloire, grille-pain, lave-vaisselle, lave-linge...) où la puissance nominale est clairement indiquée.

Situation déclenchante et exemple d’activités :

Suite à l'observation d'appareils électriques variés où la puissance nominale est indiquée, les élèves cherchent le caractère commun de tous les appareils électriques dont la puissance est la plus grande (ils chauffent...). Ils se questionnent sur le lien entre énergie et puissance électrique. Un appareil électrique qui ne fonctionne pas ne consomme pas! L'énergie consommée est proportionnelle au temps d'utilisation ainsi qu'à sa puissance nominale (Ils peuvent alors comprendre la signification du kilowatt-heurs, unité d'énergie utilisée par EDF.). Ainsi, un ordinateur ou un téléviseur ne sont pas très « gourmands en énergie» (information qui suscite souvent le grand étonnement des élèves!). Cependant, l'énergie gaspillée par an, en considérant qu'il y a quatre appareils de ce type en veille par foyer et 25 millions de foyer en France, n'est pas du tout négligeable!

Lire et comprendre une facture EDF : quelles informations comporte la facture ? De quoi dépend le montant de la facture ?

Les factures comptabilisent le coût de l'énergie électrique et la contribution au service public d'électricité. Ces deux montants sont proportionnels à la consommation en kilowatt-heures. La facture comprend également le coût de l'abonnement et celui des différentes taxes locales. Le prix de l'abonnement augmente avec la puissance disponible proposée, celle-ci peut-être, par exemple, égale à 3 kW, 6 kW ou 9 kW. Cette puissance est indiquée sur le contrat mais également sur le compteur. Chaque appareil en fonctionnement consomme en puissance sa valeur nominale. Si plusieurs fonctionnent ensemble leurs puissance s'additionnent, le total est égal à la puissance consommée par l'installation.

Les élèves regardent et analysent leur propre facture. Ils cherchent à mettre en relation la puissance disponible proposée et le nombre d'habitants composants le foyer familial. Ils se demandent s'ils peuvent faire fonctionner simultanément deux radiateurs de 1500 W, le four de puissance 2500 W et le lave-linge de puissance 2300 W... Que se passe-t-il si la réponse est négative ? Le disjoncteur coupe l'alimentation électrique. Pourquoi ? La réponse à cette question est complétée par la séquence sur la sécurité des personnes et des appareils.

Pendant une journée, une lampe halogène de 500 W a fonctionné par oubli. Quel est le coût de cet oubli ?

Cela donnera alors un prétexte pour se documenter sur les ampoules à économie d'énergie.

Présenter deux ampoules : « L’une vaut quelques dizaines de centimes et l’autre 10 euros.

D’après vous, qu’est-ce qui justifie une telle différence ? »

Dans une ampoule à incandescence, 10% de l’énergie électrique sert à éclairer, les 90% restant augmentent la température de l’ampoule. Dans une ampoule fluorocompacte, c’est 90% de l’énergie électrique qui sert à produire de la lumière. On peut allumer les deux ampoules successivement et constater que l’une chauffe beaucoup plus que l’autre. On compare puissance électrique et puissance lumineuse. Les élèves calculent l'économie d'énergie électrique consommée pour un même éclairage et l'économie réalisée de part la longue durée de vie des ampoules fluorocompactes. Des pays vont prochainement interdire l’utilisation d’ampoules à incandescence.

Remarque : Toutes ces activités pourront être réalisées en collaboration avec le professeur de mathématiques. En classe de cinquième, la proportionnalité occupe une place centrale. Les élèves apprennent également à utiliser une expression littérale. Il est d'ailleurs explicitement demandé aux enseignants de mathématiques de travailler la substitution sur des expressions du premier degré dans des situations liées à la vie quotidienne (cf. BO hors-série n° 6 - volume 2 du 19 avril 2007 – Annexe 2 : Mathématiques p.33 et 34 ).

Notions essentielles :

Sur les objets fonctionnant à l’électricité (ampoules électriques, radiateurs, aspirateurs), ce n’est pas l’énergie (en Joule) qui est indiquée, mais généralement la puissance (en Watt).

La relation entre les deux est la suivante : 1 Watt équivaut à 1 Joule par seconde. Allumer une ampoule de 100 Watts pendant 1 minute consomme une énergie de 6000 Joules.

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