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Les circuits électriques simples au cycle 2
Centre Départemental de Ressources en Sciences
Présentation des ressources départementales en Sciences
Défis scientifiques départementaux et mathématiques
L'électricité au cycle 2 dans les programmes 2008
La démarche d'investigation
Ateliers :Légender des schémasAllumer une lampeFaire tourner un moteurTrouver la panne
Mise en commun et notions scientifiques
Séquence proposée pour le défi
Déroulement
Les programme du CP et CE1BO n°3 du 19 juin 2008
Découverte du monde :Les élèves acquièrent des connaissances sur le monde et maîtrisent le vocabulaire spécifique correspondant.Ils dépassent leurs représentations initiales en observant et en manipulant.Découvrir les objets :Ils réalisent des maquettes élémentaires et des circuits électriques simples pour comprendre le fonctionnement d’un appareil.
Premier palier pour la maîtrise du socle commun :-Observer et décrire pour mener des investigations (C 3)-Appliquer des règles élémentaires de sécurité pour prévenir les risques d’accidents domestiques (C 3)- Échanger, questionner, justifier un point de vue (C 7)- Travailler en groupe, s'engager dans un projet (C 7)
Les repères pour organiserla progressivité des apprentissages
BO n°1 du 5 janvier 2012
La démarche d’investigation
Documentation Hypothèses
Expérimentation
Situation de départ
Formulation des questions
Problématique : elle doit être clairement posée
Résultats - synthèse
Confrontation avec les hypothèses de départ
Interprétation résultats – formulation conclusion - confrontation aux connaissances établies
Exploitation : généralisation, mise en forme, réinvestissement…
Observation
Pierre Bonnefond
La démarche d’investigation1. Situation de départ
Construire un vécu communSusciter la curiosité des élèvesFaire émerger les conceptions des élèvesDéclencher le questionnement des élèves
2. Formulation d’un problèmeFavoriser l’appropriation du problème
3. Émission d’hypothèsesRecherche de méthode d’investigation et conception
4. Mise en œuvre de l’investigation :expérience, observation, modélisation, recherche documentaire, enquête ou visiteChercher à développer des attitudes d’écoute, de respect et de coopération par le travail en petit groupe.
5. Lecture de résultats6. Interprétation des résultats et formulation de la
conclusion7. Confrontation au savoir établi et généralisation
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1. Légender des schémas de composants électriques.Mise en commun
Pour chacun des trois ateliers suivants, indiquer : matériel et schéma du circuit avant manipulation, difficultés éventuelles des élèves, lexique, trace écrite finale.
2. Allumer une lampe avec une pile seulement et loin d'une pile.
3. Faire tourner un moteur loin d'une pile.Faire tourner et arrêter un moteur.
4. Trouver une panne.
Mise en commun
Ateliers
Ateliers
Lexique
une lampe une pile plate un moteur
Allumer une lampe près et loin d'une pile
Pour faire briller une lampe directement aux bornes d'une pile, le plot de la lampe doit toucher une borne de la pile, et le culot, l'autre borne.
Pour faire briller une lampe placée àdistance d’une pile, il faut relier le culot à une borne et le plot à l'autre borne avec des fils électriques.On a ainsi réaliser un circuit électrique fermé.
Faire tourner un moteur loin d'une pileFaire tourner et arrêter un moteur
Pour ouvrir et fermer un circuit électrique on peut utiliser un interrupteur.
Pour faire tourner un moteur àdistance d’une pile, il faut former un circuit électrique avec des fils électriques. Pour cela, il faut relier une borne du moteur à une borne de la pile avec un fil électrique et l’autre borne du moteur à l’autre borne de la pile avec un deuxième fil électrique.
Circuit ouvert, circuit fermé
Verbes : allumer la lumière - éteindre la lumière ; ouvrir le circuit – fermer le circuit ; brancher le fil électrique - débrancher le fil électrique ; (lampe) briller ; (arbre du moteur) tourner ; (moteur) fonctionner
Lexique
Pannes
- lampe dévissée : bien s'assurer que tous les composants du circuit : pile, fils, lampe, moteur sont correctement reliés (métal contre métal, au bon endroit, etc.)
- pile usagée
- fils ou porte-lampe défectueux
- lampe grillée
Ces trois pannes peuvent être identifiées en remplaçant chaque composant par un autre fonctionnel.
Adaptation des composants à la pile
La tension indiquée en volts (V) sur la pile doit correspondre autant que possible à la tension de la lampe et du moteur.
Ex : une pile de 4,5 V doit être reliée à une lampe de 3,5 V et une pile de 1,5 V à une lampe de 1,5 V.
Si vous reliez une pile de 4,5 V à une lampe de 1,5 V, celle-ci grillera rapidement. Au contraire, si vous reliez une pile de 1,5 V à une lampe de 3,5 V, celle-ci n'éclairera pas ou peu.
De même, un moteur de 2 V tournera lentement s'il est alimenté par une pile de 1,5 V. Il peut aussi griller s'il est alimenté par un générateur de trop fort voltage.
Le matériel
Un circuit électrique relie différents composants dont :
- un générateur de courant qui comporte toujours deux bornes(exemples : pile, batterie, cellules photovoltaiques...) ;
- un (ou des) récepteur (s) (exemples : lampes, radiateur électrique, LED...) ;
- des éléments de connexion (exemples : fils, câbles...)
- des éléments de protection (sécurité) (exemples : fusible, disjoncteur…)
- des éléments de commande (exemples : interrupteur, variateur...).
Le circuit électrique
Conducteurs et isolants
Circuit en série et en dérivation
Notions scientifiques
Le défi départemental :aide à sa mise en oeuvre
La séquenceQuestion Activités des élèves Trace écrite
- Relevé des représentations.- Présentation d'un objet : mise en projet.
Affiche des représentations
Quelles sont les parties des composants ?
- Propositions individuelles.- Observation et dessins légendés des composants.
Pile, bornes, lampe, culot, plot, moteur...
Pourquoi l'électricitéest-elle dangereuse ?
- A partir de photos, lister les gestes dangereux.- Réinvestissement : sites, logiciels
Affiche des règles de sécurité.
Comment allumer une lampe directement aux bornes d'une pile ?
- Propositions individuelles de montages. - Mise en commun, discussion, rédaction de protocole G.- Expérimentation et conclusion (/ hypothèse) G.- Trace écrite collective.
Pour allumer directement une lampe aux bornes d'une pile : le plot de la lampe doit toucher une borne de la pile et le culot, l'autre borne.
Comment allumer une lampe loin d'une pile ?
- Propositions individuelles de montages (avec fils et éventuellement interrupteur). - Mise en commun, discussion, rédaction de protocole G.- Expérimentation et conclusion (/ hypothèse) G.- Trace écrite collective.
On relie bien le culot à une borne et le plot à l'autre borne avec des fils électriques. Le circuit est alors fermé donc la lampe brille.
Comment faire tourner un moteur loin d'une pile ?
- Propositions individuelles de montages. - Mise en commun, discussion, rédaction de protocole G.- Expérimentation et conclusion (/ hypothèse) G.- Trace écrite collective.
On relie les bornes du moteur à celles de la pile avec des fils électriques. Si on échange les fils, le moteur tourne dans l'autre sens.
La séquenceQuestion Activités des élèves Trace écrite
Comment commander une lampe loin de la pile pour allumer et éteindre ?Comment faire tourner et arrêter un moteur loin de la pile ?
- Propositions individuelles de montages. - Mise en commun, discussion, rédaction de protocole G.- Expérimentation et conclusion (/ hypothèse) G.- Trace écrite collective.
Quand on débranche un fil le circuit est ouvert, le courant ne passe plus : la lampe ne brille plus, le moteur ne tourne plus. On peut aussi dévisser la lampe ou utiliser un interrupteur.
Comment allumer deux lampes avec une seule pile ?
- Propositions individuelles de montages. - Mise en commun, discussion, rédaction de protocole G.- Expérimentation et conclusion (/ hypothèse) G.- Trace écrite collective.
En reliant chaque lampe à une borne de la pile, puis les lampes entre elles avec des fils, on crée un circuit fermé : les lampes brillent.
Quel objet réaliser pour répondre au défi ?
- Lecture des contraintes. Imaginer un objet.- Propositions de groupe, dessins légendés. - Choix de l'objet.
Dessins légendés des objets imaginés.
Comment allons-nous réaliser notre objet ?
- Propositions individuelles de montages sur la base du dessin de l'objet choisi. - Mise en commun, discussion, rédaction de protocole G.- Expérimentation et conclusion (/ hypothèse) G.- Trace écrite collective.
Schéma du circuit àréaliser pour l'objet choisi.
Des objets décoratifs lumineux ou dont une partie tourne
Mot informatif aux parents
Fiche pour relever les représentations initiales
Description des différentes parties : dessin et lexique
Traces écrites : lexiques
Traces écrites : lexiques
Émissions d'hypothèses et observations des résultats
Traces écrites finales et exercices d'entrainement 1
Traces écrites finales et exercices d'entrainement 2
Traces écrites finales et exercices d'entrainement 3
Fiche de fabrication
On dit qu’un circuit est fermé lorsqu’il est composé d’une suite ininterrompue d’élément(s) conducteur(s) qui relie une borne du générateur à l’autre.
Dès que ce circuit est ouvert (interrompu), l’électricité (le courant électrique) ne circule plus du tout, y compris dans le générateur.
Mettre ses doigts dans une prise électrique revient à fermer le circuit ; ce qui présente un grave danger.
Aussi, à l’école, les élèves ne manipuleront jamais des circuits alimentés par le secteur.
Circuit électrique et sécurité
La sécurité
Le corps humain est conducteur. Sa teneur en eau varie de 50 à 80% suivant l'âge. Or, cette eau contient de nombreux sels minéraux dissous. Aussi, en milieu humide, est-il dangereux de le soumettre à une tension de plus de 24V. La tension du secteur (220V) présente donc des risques mortels.
Les activités réalisées avec des piles ne présentent pas de danger, sauf en cas de :
- court-circuit prolongé (bornes de la pile reliées par un fil parfaitement conducteur) qui peut conduire à des dégagements de chaleur importants
- à la détérioration des piles, laissant couler les substances corrosives qu'elles contiennent.
En conséquence, il ne faut pas ranger les piles en vrac, il faut les emballer séparément dans des sachets plastiques en cas de transport. Lors des manipulations en classe, il faut prévenir les élèves de débrancher leur montage en cas de surchauffe.
Sécurité
Sécurité (2)Appareils branchés sur le
secteur (220 V)
- Ne pas manipuler d’appareils électriques avec les mains mouillées.
- Ne pas mettre les doigts ou les objets dans les prises.
- Ne pas toucher de fils électriques.
- Ne pas bricoler un appareil électrique branché.
- Ne pas brancher trop d’appareils sur la même prise.
- Ne pas toucher les appareils électriques qui chauffent.
Sécurité (3)Piles et les lampes
- Ne pas refaire seul à la maison les expériences réalisées en classe.
- Ne pas transporter les piles sans les emballer séparément.
- Si la pile ou le circuit chauffe, retirer les doigts et débrancher.
- Ne pas démonter les piles et les lampes.
- Ne pas porter les piles à la bouche.
- Ne pas jeter les piles dans la poubelle, les apporter dans un récupérateur de piles.
Un courant électrique se définit par :- son intensité exprimée en ampères (symbole A)- sa tension exprimée en volts (symbole V)
L’intensité mesure la quantité d’électrons qui traverse une section du circuit électrique dans un temps donné.
La tension exprime l’énergie transmise à ces électrons. Par analogie avec un liquide on pourrait comparer l'intensité au débit et la tension à la pression.
Une pile électrique ou une batterie ont une faible tension (quelques volts) mais peuvent fournir une intensité importante lors d'un court-circuit, entraînant la surchauffe voire la fonte du matériau conducteur.
Intensité et tension du courant
Lorsqu'un moteur électrique est parcouru par un courant, son arbre tourne. Le moteur possède deux bornes (+ et -). Le sens de rotation du moteur va dépendre du sens de son branchement. On dit que le moteur est polarisé.
Pour visualiser la rotation du moteur, il est commode de fixer un objet sur l'arbre (petit drapeau, petite hélice, etc.).
Si la vitesse de rotation du moteur est trop importante, pour réduire celle de l'objet entraîné, on peut agir sur : la masse de l'objet (sans excès !!), le rayon d'un disque, un interrupteur pour ralentir manuellement le moteur, un mécanisme de transmission du mouvement (poulies, engrenage avec roues de différents diamètres).
Moteur
