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

Séquence 3.2 : Quelques transformations possibles
Auteurs : Equipe La main à la pâte(plus d'infos)
Résumé :
Pourquoi utilise-t-on de l'électricité ? Les élèves s'intéressent à la transformation de l'énergie électrique en d'autres formes d'énergie. Ils cherchent ensuite à savoir si les transformations inverses sont possibles. C'est alors l'occasion de se questionner sur les différentes façons de produire de l'énergie électrique.
Publication : 26 février 2013
Objectif :
Pourquoi utilise-t-on de l'électricité ? Les élèves s'intéressent à la transformation de l'énergie électrique en d'autres formes d'énergie. Ils cherchent ensuite à savoir si les transformations inverses sont possibles. C'est alors l'occasion de se questionner sur les différentes façons de produire de l'énergie électrique.

Séquence 3.2 : Quelques transformations possibles

Fil directeur :

Pourquoi utilise-t-on de l'électricité ? Les élèves s'intéressent à la transformation de l'énergie électrique en d'autres formes d'énergie.

Ils cherchent ensuite à savoir si les transformations inverses sont possibles. C'est alors l'occasion de se questionner sur les différentes façons de produire de l'énergie électrique.

3.2.1. Quand l'énergie électrique se transforme

Situation déclenchante : On pose la question aux élèves : aujourd'hui, à quelle occasion avez-vous utilisé de l'électricité ? A quoi cette électricité vous a-t-elle servi ?

3.2.1.1. Quand l'énergie électrique se transforme en énergie lumineuse : les lampes

Matériel nécessaire : lampes, pince crocodiles, supports pour lampes, fils de connexion, piles rondes, piles plates

Exemples d’activités :

1) « Le matériel électrique pas à pas » :

Mission 1 : faire briller une lampe sans utiliser de fil

Mission 2 : faire briller une lampe en utilisant une pile ronde et un fil

Mission 3 : faire briller une lampe sans la tenir entre les doigts

Mission 4 : allumer et éteindre la lampe sans utiliser aucun fil

2) « A la recherche des bons conducteurs » : l'électricité peut-elle se déplacer dans n'importe quelle substance ?

Les élèves trouvent et schématisent un circuit permettant de savoir si un objet quelconque « laisse passer le courant » ou pas.

Application au matériel électrique (la lampe, les fils de connexion, un interrupteur, ...).

Remarque :

Ces séquences ont peut-être déjà été traitées en sixième (module 2 du guide pédagogique De quoi est fait le monde ? Matière et matériaux. Si c'est le cas, ce pourra être l'occasion de réactiver les connaissances des élèves. On pourra alors effectuer une évaluation diagnostique.

Les élèves commencent par dessiner leurs montages. Pour un même montage, les dessins ne sont pas forcément identiques et pas toujours facilement compréhensibles. On introduit alors les symboles normalisés des dipôles utilisés.

3) « L'éclairage électrique, l'électrification des villes » :

Les élèves effectuent des recherches documentaires sur l'évolution de la lampe (lampe à incandescence, lampe à fluorescence, DEL). Il s'agit de situer cet objet technique dans une évolution historique et de faire apparaître ainsi les solutions utilisées pour répondre à un même besoin. Les investigations doivent permettre de commencer à percevoir qu'une solution est un compromis à un moment donné en fonction notamment de l'état des sciences et des techniques disponibles (cette notion sera développée à nouveau par la suite).

Notions essentielles :

Un générateur est nécessaire pour qu'une lampe éclaire.

Un générateur transfert de l'énergie électrique à une lampe qui la transformez en énergie lumineuse.

En présence d'un générateur, un circuit doit être fermé pour qu'il y ait transfert d'énergie. Il y a alors circulation du courant électrique.

Certains matériaux sont conducteurs, d'autres sont isolants.

Un interrupteur ouvert se comporte comme un isolant ; un interrupteur fermé se comporte comme un conducteur.

3.2.1.2. Quand l'énergie chimique se transforme en énergie mécanique : le moteur électrique

Situation déclenchante et exemples d’activités

1) Si le courant a un sens, cela doit pouvoir s'observer lors de l'utilisation de certains appareils électriques. Les élèves peuvent concevoir puis réaliser un dispositif mettant en jeu un moteur (scie circulaire, voiture électrique, ...). Ce dispositif pourra être améliorer en introduisant les dipôles de diode et diode électroluminescente.

2) Une recherche documentaire sur les voitures électriques pourra être effectuée (évolution dans un contexte historique et socio-économique). On pourra également comparer, sur différents « types » de voiture, les solutions techniques retenues pour répondre à une même fonction de service.

Notions essentielles :

Un générateur est nécessaire pour qu'un moteur tourne. Il transfère au moteur de l'énergie électrique qui la transforme en énergie mécanique.

Le courant électrique a un sens. Par convention, à l'extérieur du générateur, le courant circule de la borne (+) vers la borne (-).

Selon le sens de branchement, une diode est passante ou bloquée.

Dans un circuit en boucle simple, le fonctionnement des dipôles ne dépend pas de leur position dans le circuit mais dépend de leur nombre.

3.2.1.3. Quand l'énergie électrique se transforme en énergie thermique

Matériel nécessaire : pile plate (4,5V), fils de connexion, morceau de paille de fer, coupelle, résistances

Exemples d’activités :

1) « Enquête sur un court-circuit» :

A partir d'un article de journal relatant un incendie dû à un court-circuit, les élèves étudient la situation de court-circuit du générateur.

Ils relient les deux bornes d'une pile plate par un fil de connexion, tenue à pleine main et ressentent que cela chauffe.

Pour compléter leur observation, ils introduisent dans le circuit de la paille de fer.

Enfin, ils reviennent sur l'article de journal et cherchent à comprendre comment un court-circuit a pu se produire, dans une prise de lampe par exemple. Ils observent la constitution d'un cordon de lampe de chevet, cherchent les anomalies éventuelles.

2) L’ »effet thermique » de l’électricité à été découvert en 1841 par le physicien anglais James Joule.

Les élèves peuvent réaliser un thermoplongeur (pour bouilloire ou lave-linge...).

Notions essentielles :

Un générateur est mis en court-circuit lorsque ses bornes sont reliées par un fil métallique. Un générateur ne doit jamais être mis en court-circuit : il y a un risque de destruction du générateur ou d'incendie..

On utilise la conversion de l'énergie électrique en énergie thermique dans tous les appareils électriques destinés à produire de la chaleur : radiateurs, fours, plaques de cuisson, fer à repasser, sèche-cheveux, bouilloire, friteuse...

3.2.2. Et dans l'autre sens ?

On a vu que l'énergie électrique pouvait se transformer, changer de forme.

Les transformations inverses sont-elles possibles ?

On recense les connaissances préalables des élèves sur les moyens de produire de l'électricité. Puis on effectue une recherche : quelle source d'énergie utilise-t-on, en France, pour produire de l'électricité ?

3.2.2.1. Quand l'énergie lumineuse se transforme en énergie électrique : les panneaux photoélectriques

3.2.2.2. Quand l'énergie mécanique se transforme en énergie électrique

 

Situation déclenchante et exemples d’activités

Les élèves étudient un alternateur de vélo.

Il s'agit donc de trouver un moyen de faire tourner (un axe, une turbine, ...) pour produire de l'électricité :

L'essentiel de l'énergie électrique met en jeu des alternateurs dont le mouvement est obtenu par celui de l'air (éoliennes), de l'eau (barrages) ou par de la vapeur d'eau sous pression lors de sa détente.

1) force de l'eau : barrages

Les élèves étudient la consommation énergétique électrique moyenne des français sur une journée et sur un an. Comment palier aux pics de consommation ? L'utilisation des centrales hydrauliques

2) vent : éolienne

On s'intéresse ici au cas de l'éolienne.

Une éolienne transforme l'énergie mécanique fournie par le vent faisant tourner les pales en électricité. Comme toutes les centrales électriques, elle repose sur le principe d'induction : un aimant qui se déplace devant une bobine génère un courant électrique. Dans le cas de l'éolienne, l'aimant est mis en mouvement par le vent.

Comment faire tourner un bouchon sur lui-même le plus vite possible grâce au vent ?

Les élèves émettent des hypothèses et expérimentent. Premiers constats : certains bouchons ne tournent pas ou ne tournent pas régulièrement. D'autres tournent bien. Pourquoi ? On se propose d'améliorer les montages et on choisit de travailler sur les pâles. On essaie des formes de pâles différentes, des pâles de différentes tailles ; on fait varier le nombre de pâles.

Les élèves comparent force de l'eau et force du vent : les hydroliennes ou éoliennes marines, avantages et inconvénients.

3) vapeur d'eau

Mais comment obtenir cette vapeur d'eau ? Il faut chauffer.

Notions essentielles :

L'alternateur est la partie commune à toutes les centrales électriques.

L'énergie mécanique reçue par l'alternateur est convertie en énergie électrique.

3.2.3. Obtenir de l'énergie thermique

3.2.3.1. Quand l'énergie solaire se transforme en énergie thermique : les centrales solaires

Situation déclenchante et exemples d’activités

1) Comment faire pour chauffer de l'eau en utilisant le Soleil ?

Le soleil est une source de chaleur, il permet de chauffer de l’eau. Pour que l’eau soit la plus chaude possible, plusieurs paramètres (conditions) semblent avoir de l’importance : la quantité d’eau, le nombre de miroirs utilisés, la taille, la couleur, le matériau et le bouchage du contenant utilisé, la distance par rapport à la source de chaleur … Les élèves testent les paramètres apparus ou qui vont apparaître au fur et à mesure.

Les élèves peuvent ensuite réaliser un four solaire pour faire cuire un œuf au plat par exemple.

Cette séance pourra être prolongée lors du module 5 lorsque les élèves se poseront la question de savoir comment optimiser l'utilisation de l'énergie : ici, comment conserver la chaleur le plus longtemps possible.

2) Les centrales solaires

Une centrale solaire à concentration fonctionne à partir de l’énergie solaire. Il s’agit de concentrer les rayons du soleil grâce à des miroirs sur un foyer et ainsi produire de la vapeur d’eau à très haute température. Cette vapeur d’eau est ensuite utilisée au travers d’une turbine couplée à un alternateur pour générer de l’électricité.

3.2.3.2. Quand l'énergie chimique se transforme en énergie thermique : les centrales « thermiques »
3.2.2.3. Quand l'énergie nucléaire se transforme en énergie thermique : les centrales nucléaires

Remarques :

  • Il existe des cas où l’énergie passe d’un système à un autre sans changer de forme : ce sont des transferts. Exemples de transferts sans transformation :poulie/courroie, transfert de chaleur (optionnel).
  • Une pile électrique usagée et une pile électrique neuve ont la même énergie mécanique si on les fait tomber d’une hauteur d’1 mètre. Par contre elles n’ont pas la même énergie chimique (on le constate en les plaçant dans le boîtier d’une torche électrique). Les élèves pourront associer l'énergie, non pas à l'état d'un système, mais au passage de ce système d'un état à l'autre (voir explications dans les annexes à la fin de ce document).

3.2.4. De la lumière à la matière des végétaux chlorophylliens

(à partir des activités proposées pour la classe de sixième, De quoi est fait le monde, matière et matériaux).

3.2.5. Des aliments au mouvement dans le vivant par la respiration (voir module 2).

Un débat peut être ouvert avec les élèves à partir de la question : « Que signifient les chiffres sur les étiquettes alimentaires ? »

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