L`électricité. - Ecole des mines de Nantes

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LA MAIN A LA PATE
L’électricité
Cycle 3
v
L’électricité.
L’électricité – cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes
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LA MAIN A LA PATE
L’électricité
Cycle 3
v
L'électricité.
PROGRESSION GENERALE
Séance n°1 :
Allumer une ampoule avec seulement une pile plate. Notion de circuit fermé.
Séance n°2 :
Allumer une ampoule avec une pile ronde. Les bornes de la pile. Les points caractéristiques de l’ampoule.
Séance n° 3 :
Préciser le rôle des bornes de la pile en faisant tourner un moteur dans les deux sens.
Séance n°4 :
Conducteurs et isolants : qu’est-ce qui laisse passer le courant ou l’arrête ? Classement.
Séance n°5 :
Allumer deux ampoules : circuits série, parallèle.
Séance n°6 :
Fabrication d’une pile électrochimique.
Séance n°7 :
Circuits cachés : la boîte noire.
Séance n°8 et 9 :
Réalisation d’un jeu électrique : jeu questions-réponses, code morse, jeu d’adresse.
Pour une classe de CM2 ayant déjà traité l’électricité en CE, d’autres pistes :
Séance n°10 :
Les aimants : classements de différents matériaux.
Séance n°11 et 12 :
Utilisation des aimants dans la fabrication d’un petit moteur électrique.
On pourra se référer pour ce thème aux fiches connaissances suivantes qui se trouvent sur le site
Internet du M.E.N et dont l’adresse est http://www.eduscol.education.fr/D0027/EXSREN02.htm :
- Electricité
- Energie.
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LA MAIN A LA PATE
L’électricité
Cycle 3
v
L'électricité.
LISTE DE MATERIEL
Pour une classe de 30 élèves environ (7 groupes) :
• 40 ampoules à 3.5 V
• 14 pots à confiture (à apporter de la
maison)
• 20 supports de lampes (douilles)
• 20 piles alcalines 4.5 V
• 20 piles rondes 1.5 V
• du vinaigre (à apporter de la maison )
• sel, citron, sucre, huile (à apporter de la
maison )
• 7 rectangles de carton fort (à apporter de
la maison)
• 10 LED rouges
• 14 moteurs 6V
• 14 gobelets plastique
• 60 cordons à pinces crocodiles
• fil de câblage monobrin
• fil de cuivre rigide
• pastilles adhésives de couleur
• 7 interrupteurs
• 7 pinces coupantes
• fil électrique vernis
• 7 petits tournevis
• 28 aimants
• 7 buzzers
• trombones, attaches parisiennes
• 14 lames de cuivre et 14 lames de
zinc
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L’ELECTRICITE
(Cycle 3)
Place dans le programme :
Objets et réalisations technologiques :
Montages électriques : réalisation de circuits électriques simples alimentés uniquement à
l’aide de piles ; rôle de la pile ; ses deux pôles ; principes élémentaires de sécurité des
personnes et des biens dans l’utilisation de l’électricité.
1.
COMMENT ALLUMER UNE AMPOULE ? NOTION DE CIRCUIT FERME
1.1.
Allumer une ampoule avec une pile plate (séance 1)
Objectif :
Recueillir les conceptions et connaissances initiales des élèves.
Aborder la notion de circuit.
Vocabulaire :
Ampoule, borne, circuit, électricité, pile
Matériel :
Pour un groupe de 2 ou 3 :
• 1 pile plate 4.5 V
• 1 ampoule 3.5 V
Déroulement :
En début de séance, on consacre une demi-heure pour faire un point sur l’électricité : qu’estce-que l’électricité ? Peux-tu me citer des appareils qui utilisent l’électricité ? Qu’est-ce-qui la
produit ? Que savez-vous sur l’électricité statique (seulement si le terme est employé par les
élèves) ?
Dans un second temps, une ampoule de 3.5 V est distribuée à chaque enfant.
Observations : A quoi sert une ampoule ? Pouvez-vous me décrire l’ampoule ? (Une
description plus complète pourra être donnée dans la séance Conducteurs et Isolants). Faire
un dessin sur votre cahier. Puis des élèves sont appelés pour aller dessiner l’ampoule au
tableau.
L’enseignant lance alors le défi : comment allumer une ampoule ?
Chacun fait des propositions et écrit ce dont il aura besoin sur son cahier.
On passe à l’expérimentation : les élèves vont chercher leur matériel (une pile de 4.5 V et une
petite ampoule) et essaient d’allumer l’ampoule.
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Pour aller plus loin :
Dans la description des ampoules, on pourra étudier celles de 220 V ou de 12 V, utilisées à la
maison. Une étude comparative (borne, mode de fixation) pourra être envisagée de façon à ne
pas trop empiéter sur la séance Conducteurs et Isolants.
Cette séance peut être conduite en deux fois en consacrant une séance entière à la
discussion sur l’électricité de façon générale.
1.2.
Allumer une ampoule avec une pile ronde (séance 2)
Objectif :
Concevoir un circuit électrique pour allumer une ampoule.
Décrire de façon précise une pile et une ampoule.
Acquérir la notion de circuit fermé.
Vocabulaire :
Borne, culot, douille, fil électrique, filament, plot
Matériel :
• 1 pile ronde 1.5 V
• 1 ampoule 3.5 V
• fil électrique
Déroulement :
A partir du rappel de la séance précédente, on introduit le vocabulaire précis concernant
l’ampoule et la pile : bornes, culot, plot, filament :
Puis sous forme de défi, l’enseignant lance :
comment allumer une ampoule avec une pile ronde Filament
? Par groupe, les élèves testent leurs hypothèses.
Pour que l’ampoule s’allume, il faut donc réaliser
un circuit fermé que l’on pourra schématiser au
tableau.
2.
LE MOTEUR (séance 3)
Culot
Plot
Objectif :
Utiliser un appareil électrique : le moteur.
Comprendre le rôle des bornes d’une pile.
5
Vocabulaire :
Moteur, rotation
Matériel :
• 1 pile plate 4.5 V, 1 moteur, fil électrique monobrin
Déroulement :
Phase de questionnement : qu’est-ce qu’un moteur ? Pouvez-vous me citer des appareils qui
comportent un moteur ? Comment ça marche ?
Puis on distribue aux élèves un petit moteur muni d’un drapeau et une pile.
L’enseignant lance le défi suivant : faire
tourner le moteur.
Après quelques minutes de manipulation
libre, on fait une mise en commun. Là encore,
bien repérer les deux bornes du moteur, et
surtout le sens de rotation (à la demande des
élèves, on pourra s’aider d’un petit drapeau
pour mettre en évidence le sens de rotation ).
Pour pouvoir comparer, on se sera au
préalable mis d’accord sur « tourner dans le
sens des aiguilles d’une montre ».
L’enseignant
montages.
réalisera
chacun
des
pile
2
Pour faire le lien avec la maison, on peut demander aux élèves de recenser les moteurs qu’ils
trouvent à la maison.
3.
CONDUCTEURS ET ISOLANTS (séance 4)
Objectif :
Classer des matériaux conducteurs et isolants.
Approfondir la notion de circuit fermé.
Vocabulaire :
Conducteur, cuivre, diode, isolant, gaine, métal.
Matériel :
• 1 ampoule 3.5 V + douille
• 1 pile plate 4.5V
• fil électrique
• objets et matériaux pris dans l’environnement de l’élève : règle en plastique, morceau de
bois, papier, taille-crayon en aluminium, fil de cuivre, ciseaux, craie, trombone, pièce de
monnaie, etc.
• 1 Diode Electroluminescente (DEL) pour les liquides à tester.
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• sel, citron, sucre, huile
Déroulement :
On peut commencer par demander : en quoi sont faits les fils électriques que vous avez
utilisés la dernière fois ? Observer ces fils.
Peut-on remplacer les fils par autre chose ?
Par exemple, est-ce-que une ampoule s’allumerait avec un fil de laine ? Faire le test devant la
classe.
C’est donc que le fil électrique a ceci de spécial qu’il est conducteur.
On demande alors aux élèves de choisir des
objets de la classe pour vérifier s’ils sont
conducteurs ou non. Avant la phase de test,
les élèves devront concevoir un montage
électrique qui permet la vérification et prédire
a priori en justifiant quels sont les
conducteurs et les isolants.
Exemple de montage « testeur » :
pile
Clou
Mise en commun : l’enseignant élabore un tableau avec l’aide des élèves. Lorsqu’il y a litige,
on refait l’expérience.
On précisera aux élèves que ce n’est pas l’objet qui est directement conducteur mais le
matériau qui le compose : le fer, le cuivre, l’aluminium.
L’enseignant pourra terminer la séance
en réalisant l’expérience avec des
liquides en y ajoutant quelques
ingrédients (sel, citron, sucre, huile). On
pourra ainsi déterminer quels sont les
mélanges laissant passer le courant dans
un circuit comprenant une DEL.
-
+
Liquide
+
-
Montage « testeur » pour les liquides :
4. MONTAGES EN SERIE ET MONTAGES EN DERIVATION (séance 5)
Objectif :
Construire un circuit pour allumer une ampoule, notions de montages en série et en
dérivation.
7
Vocabulaire :
Circuit parallèle, circuit série, intensité lumineuse, schéma électrique.
Matériel :
• 1 ampoule 3.5 V + douille
• 1 pile plate 4.5V
• fil électrique monobrin
Déroulement :
Le défi maintenant est : comment allumer deux ampoules avec une seule pile ?
Les élèves devront dessiner le circuit électrique qu’ils veulent réaliser.
Puis l’enseignant distribue le matériel, et propose de passer à la phase d’expérimentation.
Chaque groupe note ses observations, même si les ampoules ne s’allument pas.
Puis comparer dans le groupe les résultats. Se mettre d’accord sur un schéma qui fonctionne.
Enfin, un élève par groupe vient dessiner au tableau un circuit où les ampoules s’allument.
Mise en commun avec l’enseignant : globalement, on devrait voir apparaître deux types de
montages : en série et en dérivation.
L’enseignant refait chacun des montages proprement, les teste côte à côte pour montrer la
différence de luminosité. Les ampoules en série éclairent moins que les ampoules en
dérivation.
L’enseignant pourra introduire alors la notion d’intensité lumineuse.
L’intensité lumineuse : comment la mesurer ?
Au début d’une séance supplémentaire, l’enseignant peut demander de refaire les deux
montages obtenus précédemment, en faisant le schéma au tableau.
Comparer la différence d’intensité lumineuse des ampoules : le but de cette séance est de
trouver un procédé pour mesurer l’intensité lumineuse d’une ampoule.
On peut demander aux élèves s’ils ont des idées. Voici ensuite ce que l’on peut proposer :
c’est un système basé sur des bandes de papier de différentes tailles. L’intensité lumineuse est
d’autant plus important que la lumière peut être vue au travers un grand nombre d’épaisseurs
de papier .
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Le construire, et le tester sur plusieurs montages, en mettant 2 puis 3 ampoules en série, une
ou plusieurs piles, etc.
8
Les élèves pourront dessiner le montage, choisir une ampoule, et noter son intensité
lumineuse.
5.
FABRICATION D’UNE PILE (séance 6)
Objectif :
Construire une pile.
Aborder la notion de production d’électricité.
Vocabulaire :
Cuivre, DEL, solution conductrice (électrolyte)
Matériel :
• 2 lames de zinc
• 2 lames de cuivre
• fil électrique monobrin
• 2 pots à confiture + vinaigre
• 1 DEL
DEL
+
Déroulement :
-
Cette expérience étant difficile à concevoir
pour des élèves, elle peut être réalisée à
partir d’un protocole expérimental qu’aura
fourni l’enseignant, le but étant de
respecter le protocole.
Vinaigre
On pourra se servir du schéma suivant et
demander aux élèves de réaliser le
dispositif :
Lames de cuivre
Lames de zinc
Si les branchements sont corrects (attention la DEL est polarisée) la DEL s’allume et il y a
production d’électricité : la pile fonctionne. On pourra associer en série plusieurs piles de ce
type pour produire plus d’électricité (2 piles sont au minimum nécessaires).
6.
BOITES MYSTERIEUSES - CIRCUITS CACHES (séance 7)
Objectif :
Rechercher une méthode pour identifier des circuits cachés.
Préparer à la construction de jeux électriques.
Vocabulaire :
Circuit testeur
Matériel :
• 1 rectangle de carton fort
9
• 8 attaches parisiennes
• 4 fils électriques monobrin
• 1 circuit testeur : pile plate, ampoule, douille et 3 fils munis de pinces crocodiles
Déroulement :
Dans un premier temps, il faut montrer aux élèves le montage ci-dessous réalisé avec 6
attaches parisiennes et 3 fils conducteurs.
Question : comment pourrait-on découvrir ce montage sans ouvrir la boîte ?
Travail de groupe : trouver un circuit testeur.
Puis les élèves construisent leur circuit testeur
et reçoivent par groupe, un circuit caché
provenant d’un autre groupe (tels que ceux ci
dessous).
A
B
C
D
A
B
C
D
1
2
3
4
OU
1
Essai
A¬1
A¬2
A¬3
2
3
4
Résultats
non-connecté
connecté
non-connecté
Le travail consiste alors à vérifier avec le circuit testeur quelles sont les connexions et à
retrouver les branchements dans la boîte noire.
7.
REALISATION DE JEUX ELECTRIQUES (séance 8 et 9)
Objectif :
Réinvestir toutes les notions abordées dans les séquences précédentes.
Savoir construire un montage : fabrication d’un objet technologique.
7.1. Jeu d’adresse
Matériel :
Fil conducteur
rigide
Pâte
10
•
•
•
•
•
•
fil de fer rigide (type cintre pour vêtements)
pâte à modeler pour maintenir le fil rigide
cordons crocodile
1 pile de 4.5 V
1 ampoule 3.5 V + douille ou 1 buzzer
2 trombones
Déroulement :
Principe du jeu : passer une boucle de cuivre le long d’un fil
de fer suffisamment rigide et le suivre depuis une extrémité
jusqu’à l’autre sans jamais le toucher.
Démarche : prendre un fil de fer assez rigide et le plier en
créant plusieurs courbes sur presque toute sa longueur.
Le jeu consiste en fait en un circuit testeur : une borne du circuit est reliée au fil rigide et
l’autre, façonnée en forme d’anse, est enfilée dans le fil rigide. L’ampoule s’allume dès que
l’anse touche le fil de fer.
Les élèves devront par eux-mêmes trouver le schéma électrique du montage et le réaliser.
On pourra utiliser un buzzer à la place de l’ampoule.
7.2. Jeu du code morse
Matériel :
• 2 piles de 4,5V
• fil électrique souple
• 2 ampoules 3.5 V + douilles
• 6 trombones
• 4 attaches parisiennes
• l’alphabet morse recopié sur un carton
Déroulement :
Principe du jeu : envoyer et recevoir des messages secrets en utilisant le code de l’alphabet
morse international.
Démarche : relier chaque pile à un circuit simple formé d’une pile, d’une ampoule et d’un
interrupteur. S’entraîner à envoyer des messages : prénom de 4 lettres, phrases entières...
Pour une classe de CM2 ayant déjà traité l’électricité en CE, voici d’autres pistes :
Les 2 séances qui suivent pourront être introduites par le démontage d’un petit moteur 6V où
les élèves pourront observer la présence d’aimant à l’intérieur. Il s’agira ensuite de faire le
lien entre aimant et électricité.
11
8.
LE MAGNETISME
8.1
Les aimants (séances 10)
Objectif :
Utiliser des aimants et caractériser quelques propriétés du magnétisme (interactions entre
aimants : 2 pôles - attraction de certains matériaux : à base de fer)
Vocabulaire :
Aimant, attraction, magnétisme, pôles, répulsion
Matériel :
• aimants plats
• aimants de récupération (de haut-parleur, de bureau, etc.)
• pastilles adhésives de couleur
Déroulement :
1er temps : on donne aux élèves les différents aimants et on leur demande d’observer leur
action sur des objets quelconques de la classe ; on aboutit alors à un classement des objets
selon 2 catégories : ceux qui sont attirés par les aimants et ceux qui ne le sont pas. On
remarquera que les objets qui sont attirés sont métalliques (ou plutôt à base de fer : alliage
ferreux). Il existe également d’autres matériaux à base de Nickel ou de Cobalt qui ont des
propriétés semblables mais qui sont moins répandus : c’est le cas des pièces de monnaie
« blanches » (50c-1F-2F-5F.).
2ème temps : on s’intéresse maintenant aux effets des aimants entre eux et pour cela on
utilisera seulement les aimants plats. Il s’agit ici d’aborder les lois simples du magnétisme :
les pôles de signes contraires s’attirent et ceux de même signe se repoussent. Les élèves ont
pour consigne de marquer les aimants en attribuant une couleur (en collant une pastille) aux
deux faces de l’aimant.
Aimants plats
12
Les aimants s’attirent
8.2
Les aimants se repoussent
Construction d’un petit moteur grâce à un aimant (séances 11 et 12)
Objectif :
Réinvestir les notions abordées dans les séquences précédentes : propriété des aimants et
montage électrique appliqué au moteur électrique.
Savoir construire un montage électrique : fabrication d’un objet technologique.
Matériel :
• aimants plats
• fil électrique verni
• fil électrique
• ampoule 3.5 V + douille
• 2 trombones
• gobelet plastique
• 1 pile 4.5 V
Déroulement :
L’enseignant propose aux élèves de construire un moteur électrique. Pour cela les élèves
doivent concevoir le circuit électrique. La partie plus technique (bobine + aimants + support)
pourra être construite à partir d’une fiche technique fournie par l’enseignant.
Schéma du moteur électrique :
Vernis enlevé
sur la moitié
de la surface
aux 2
extrémités de
la bobine
Trombone
fixé avec du
scotch sur le
gobelet
13
aimants
Lampe 3.5 V
Gobelet
plastique
Pile 4.5 V
Lorsque l’on branche la pile, la bobine se met à tourner (lui donner une impulsion de départ si
nécessaire) et l’ampoule clignote : on a ainsi constitué un petit moteur électrique.
Attention : ce dispositif ne fonctionne que si on ne dénude qu’une demi-section d’une des
deux branches (celle de droite sur le schéma). Il s’agit donc d’être très vigilant sur ce point.
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