Lampes torches et piles

Lampes torches et piles
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Objet de la leçon
Cette leçon a pour objet d’explorer le concept de flux électronique à travers la démonstration des circuits
électriques dans une lampe torche et du fonctionnement des piles.
Sommaire de la leçon
L’activité « Lampes torches et piles » explore comment fonctionne une lampe torche, en montrant le mécanisme
du circuit électrique et de l’interrupteur dans cet objet d’usage courant. Les élèves étudient comment fonctionnent
les piles, comment elles alimentent le circuit simple dans une lampe torche simple et comment l’interrupteur
contrôle le flux d’électrons. Les élèves démontent une lampe torche et dessinent un schéma de principe du circuit
qu’elle contient.
Niveaux d’âge
8-11 ans.
Objectifs
Apprendre comment les interrupteurs contrôlent le flux d’électricité.
Apprendre à dessiner des schémas de principe élémentaires.
Apprendre comment le circuit électrique et la pile d’une lampe torche fonctionnent.
Apprendre le travail d’équipe et la résolution des problèmes en groupes.
Résultats escomptés à la fin de la leçon
Au terme de cette activité, les élèves devraient acquérir une compréhension des sujets suivants :
les piles
les interrupteurs
les circuits et le courant
les schémas de principe électriques de base
le travail d’équipe
Activités de la leçon
Les élèves apprennent comment les piles fonctionnent et étudient le circuit simple contenu dans une lampe torche
standard. Les piles, le flux électronique, les interrupteurs et les ampoules sont les sujets traités dans cette leçon.
Les élèves démontent une lampe torche et documentent leurs observations en créant des schémas de principe du
circuit électrique contenu dans la lampe.
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Ressources/Matériaux
Documents de ressource aux enseignants (en pièces jointes)
Feuilles de travail des élèves (en pièces jointes)
Fiches de ressource aux élèves (en pièces jointes)
Alignement sur les structures des programmes scolaires
Voir la fiche ci-jointe décrivant l’alignement des programmes scolaires.
Liens Internet
TryEngineering (www.tryengineering.org)
Musée virtuel de l’IEEE (www.ieee-virtual-museum.org) (en anglais)
Musée virtuel de l’IEEE – Batteries (en anglais)
(www.ieee-virtual-museum.org/collection/tech.php?id=2345793&lid=1)
ITEA Standards for Technological Literacy: Content for the Study of Technology (en anglais)
(www.iteawww.org/TAA/Publications/STL/STLMainPage.htm)
McREL Compendium of Standards and Benchmarks (en anglais)
(www.mcrel.org/standards-benchmarks) Une compilation des normes en matière de contenu des
programmes scolaires de la maternelle au secondaire, en formats recherche et navigation.
National Science Education Standards (en anglais) (www.nsta.org/standards)
Lecture recommandée (en anglais)
« DK Eyewitness Series: Electricity » (ISBN: 0751361321)
« Eyewitness Electricity », de Steve Parker (DK Publishing, ISBN: 0789455773)
« How Science Works », de Judith Hann (Readers Digest, ISBN: 0762102497)
« The Usborne Book of Batteries & Magnets » (How to Make Series),
de Paula Borton, Vicky Cave (E D C Publications, ISBN: 074602083X)
Activité d’écriture facultative
Rédiger une dissertation ou un paragraphe décrivant comment fonctionnent les lampes torches à
manivelle.
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Pour les enseignants :
Alignement sur les structures des programmes scolaires
Remarque : Tous les plans de leçons de cette série sont alignés sur les normes nationales pour l’enseignement des
sciences (National Science Education Standards), établies par le Conseil national de recherche des Etats-Unis
(National Research Council) et approuvées par l’Association nationale des enseignants des sciences des EtatsUnis (National Science Teachers Association), et si applicable, sur les normes internationales d’enseignement de
la technologie pour l’alphabétisation technologique (International Technology Education Association's Standards
for Technological Literacy) ou sur les principes et normes en matière de mathématiques scolaires établis par le
Conseil national américain des enseignants en mathématiques (National Council of Teachers of Mathematics'
Principals and Standards for School Mathematics).
Normes nationales pour l’enseignement des sciences de la maternelle au primaire (4 à 9 ans)
NORME DE CONTENU A : Enquête scientifique
Au terme de leurs activités, tous les élèves devraient acquérir
Les aptitudes nécessaires pour réaliser des enquêtes scientifiques
Une compréhension de l’enquête scientifique
NORME DE CONTENU B : Sciences physiques
Au terme de leurs activités, tous les élèves devraient acquérir une compréhension de :
La lumière, la chaleur, l’électricité et le magnétisme
NORME DE CONTENU E : Science et technologie
Au terme de leurs activités, tous les élèves devraient acquérir
Une compréhension de la science et de la technologie
Normes nationales pour l’enseignement des sciences de la CM2 à la quatrième (10 à 14 ans)
NORME DE CONTENU A : Enquête scientifique
Au terme de leurs activités, tous les élèves devraient acquérir
Les aptitudes nécessaires pour réaliser des enquêtes scientifiques
Une compréhension de l’enquête scientifique
NORME DE CONTENU B : Sciences physiques
Au terme de leurs activités, tous les élèves devraient acquérir une compréhension de :
Le transfert d’énergie
NORME DE CONTENU E : Science et technologie
Au terme de leurs activités, tous les élèves devraient acquérir
Une compréhension de la science et de la technologie
Normes pour l’alphabétisation technologique- Tous âges
Conception
Norme 8 : Les élèves acquerront une compréhension des attributs de conception.
Norme 9 : Les élèves acquerront une compréhension de la conception technique.
Norme 10 : Les élèves acquerront une compréhension du rôle du dépannage, de la recherche et du
développement, de l’invention et de l’innovation, et de l’expérimentation dans la résolution des
problèmes.
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Pour les enseignants :
Ressources aux enseignants
But
de la leçon
Explorer les circuits simples en montrant comment fonctionnent les piles et les lampes torches. Les élèves
démontent une lampe torche, étudient la conception du circuit et créent des schémas de principe du circuit
électrique contenu dans la lampe.
Objectifs
de la leçon
Les élèves apprennent comment les interrupteurs contrôlent le flux d’électricité.
Les élèves apprennent à dessiner des schémas de principe élémentaires.
Les élèves apprennent comment le circuit électrique et la pile d’une lampe torche fonctionnent.
Les élèves apprennent le travail d’équipe et la résolution des problèmes en groupes.
Matériaux
•
•
•
Fiche de ressource aux élèves
Feuille de travail des élèves
Un jeu de matériaux par groupe d’élèves :
o Lampe torche
o 2 piles de format D
o 2 interrupteurs
o Papier
o Crayons
Marche
à suivre
1. Montrez aux élèves les divers documents de référence à leur disposition. Ces documents peuvent être lus
en classe ou donnés à lire à la maison la veille.
2. Répartissez les élèves en groupes de 3 ou 4 et distribuez un jeu de matériaux à chaque groupe.
3. Montrez aux élèves une lampe torche en état de marche et expliquez comment l’interrupteur contrôle le
flux d’électricité à travers le circuit.
4. Demandez aux élèves de démonter et de remonter la lampe torche en s’assurant qu’elle fonctionne.
5. Demandez aux élèves de dessiner sur leur feuille de travail un schéma de principe du circuit électrique
dans une lampe torche en position allumée.
6. Les groupes d’élèves conçoivent ensuite une lampe torche améliorée et dessinent un autre schéma de
principe illustrant leur nouvelle conception. (Idées : nouveaux
matériaux, plusieurs ampoules, piles supplémentaires)
7. Chaque groupe d’élèves présente son concept à la classe après
l’avoir dessiné sur du papier.
Avis
de sécurité !
Veillez à ce que les élèves n’essaient pas de démonter la pile.
Temps
nécessaire
Une ou deux sessions de 45 minutes.
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Ressource aux élèves :
Qu’est-ce qu’un circuit simple ?
Circuit simple
Un circuit simple est constitué des trois éléments minimum requis pour réaliser un circuit électrique opérationnel :
une source d’électricité (pile), un chemin ou conducteur par lequel s’écoule le courant électrique (fil) et une
résistance électrique (ampoule), c’est-à-dire tout dispositif ayant besoin d’électricité pour fonctionner.
L’illustration ci-dessous montre un circuit simple constitué d’une pile, de deux fils électriques et d’une ampoule.
L’électricité circule en un flux continu depuis la borne haute tension (+) de la pile à travers l’ampoule (qui
s’allume) et vers la borne négative (-) de la pile.
Schéma
de principe d’un circuit simple
Voici un schéma de principe du circuit simple montrant les symboles électroniques de la pile, de l’interrupteur et
de l’ampoule.
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Ressource aux élèves :
Simulation d’un interrupteur
Simulation
d’un interrupteur en débranchant un fil on en ajoutant un crayon
Il y a plusieurs manières de simuler un interrupteur dans un circuit simple. La simple action de retirer et de
rebrancher le fil sur l’ampoule peut simuler un interrupteur. Vous pouvez également raccorder l’extrémité d’un
fil à la gomme d’un crayon au moyen d’un élastique. Rattachez ensuite un autre élastique à l’autre extrémité du
crayon et, en plaçant puis en retirant simplement l’autre extrémité au-dessus du fil de raccordement, vous simulez
un interrupteur. D’autres types de conducteurs peuvent aussi être utilisés, tels que du papier aluminium, des
pinces à cheveu, des trombones, des attaches parisiennes et certains stylos en métal.
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Ressource aux élèves :
Notions de base sur les piles
Histoire
de la pile
La première démonstration de la pile fut réalisée en 1800 par le comte Alessandro Volta. Ses expériences
montrèrent que différents métaux en contact pouvaient produire de l’électricité. Il construisit une pile en
superposant des rondelles de zinc, du papier buvard imbibé d’eau salée, des pièces en argent et des rondelles de
cuivre. En fixant des fils de deux métaux différents sur les rondelles du haut et du bas, Volta parvint à mesurer
une tension et un courant électrique. Il découvrit également que plus la pile était haute, plus la tension était élevée.
Le courant est produit par une réaction chimique résultant des différentes propriétés d'attraction des électrons des
deux métaux. Ce dispositif fut alors appelé « pile voltaïque ». Malgré leur taille et leur volume, les piles
voltaïques constituaient la seule source d’électricité pratique au début du 19ème siècle.
Fonctionnement
de la pile
La pile demeura pendant des années une
curiosité de laboratoire, jusqu’à
l’invention du télégraphe et du téléphone,
qui engendra la demande en une source d’électricité fiable. Après des
années d’expérimentation, la pile « à anode sèche » est inventée dans
les années 1860 pour être utilisée avec le télégraphe. Or, la pile n’est
pas complètement sèche car elle renferme une pâte humide à l’intérieur
d’un conteneur en zinc. L’interaction de la pâte et du zinc génère une
source d’électrons. Une tige d’anode est insérée dans la pâte et conduit
les électrons vers l’extérieur de l’anode, où des fils ou des contacts en
métal transportent les électrons qui alimentent le dispositif. Une seule
anode sèche produit environ 1,5 volt.
Activité
supplémentaire
Vous pouvez obtenir un complément d’information sur l’histoire des piles dans le musée virtuel de l’IEEE
(www.ieee-virtual-museum.org/collection/tech.php?id=2345793&lid=1).
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Ressource aux élèves :
Notions de base sur les piles
Le flux d’électrons
La tige d’anode, la pâte chimique et le boîtier réagissent pour créer des électrons libres. La borne inférieure est
appelée la borne « négative ». La borne supérieure est appelée la borne « positive ». Lorsque ces deux bornes
sont reliées par un circuit, les électrons libres présents à la borne négative s’écoulent vers la borne positive. Ce
flux d’électrons est ce qu’on appelle un courant électrique, mais les ingénieurs définissent ce courant comme
circulant de la borne positive vers la borne négative, dans le sens contraire au flux des électrons. Ceci s’explique
par le fait que le courant a été défini avant que l’on ne découvre que la charge d’un électron était négative. Les
électrons sont les particules qui transportent le courant électrique. Dans l’exemple de gauche ci-dessous, un
interrupteur reliant la pile à l’ampoule est en position « fermée» : l’ampoule est donc éteinte. A droite,
l’interrupteur est en position « ouverte », permettant au flux d’électrons d’éclairer l’ampoule.
En
Interrupteur en position fermée
Interrupteur en position ouverte
(Source : Musée virtuel de l’IEEE)
(Source : Musée virtuel de l’IEEE)
complément
Vous pouvez obtenir d’autres informations dans le musée virtuel de l’IEEE (www.ieee-virtual-museum.org).
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Ressource aux élèves :
Notions de base sur les lampes torches
Histoire
de la lampe torche
La lampe de poche électrique a été inventée dans les années 1890 par Conrad Hubert, fondateur de la société
américaine Ever-Ready. Celui-ci acquit le brevet de la première lampe torche Eveready en 1898. Ces premiers
modèles étaient fabriqués avec des tubes de papier et de fibres, munis d’une ampoule et d’un réflecteur en laiton.
A l’époque, comme les piles étaient très faibles et les ampoules en développement constant, les premières lampes
torches ne produisaient que de brefs éclairs de lumière.
Fonctionnement
des lampes torches
Une lampe torche contient sept composants principaux :
Boîtier ou tube : renferme tous les composants de la
lampe.
Contacts : mince ressort ou lamelle de métal (en
général, cuivre ou laiton) qui sert de connecteur
entre la pile, l'ampoule et l’interrupteur.
Interrupteur : peut être en position ouverte ou fermée.
Réflecteur : surface en plastique recouverte d’une
couche d'aluminium réfléchissante pour amplifier
l’éclairage de l’ampoule.
Ampoule : généralement très petite.
Lentille : couvercle de plastique placé devant
l’ampoule en guise de protection.
Piles : fournissent l’alimentation électrique de la lampe.
Lorsque l’interrupteur est en position « ouverte », il relie les deux lamelles de contact qui permettent aux électrons
de circuler. Les piles alimentent la lampe torche en électricité et reposent sur un petit ressort connecté à l’une des
lamelles de contact. Cette lamelle de contact s’étend sur toute la longueur du boîtier et est reliée à l’interrupteur.
Une autre lamelle de contact relie l’interrupteur et l’ampoule. Enfin, un autre contact relie l’ampoule à la pile du
haut, ce qui termine le circuit.
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Feuille de travail des élèves :
Dans l'espace ci-dessous, dessinez un schéma de principe illustrant le circuit de la lampe torche en position
ouverte.
Dans
l'espace ci-dessous, dessinez un schéma de principe illustrant votre idée de lampe torche améliorée.
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