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Circuits électriques élémentaires

mercredi 6 juin 2007, par Bertrand Posnic

Animations pédagogiques des 13 décembre 2006 et 6 juin 2007 - circonscription Dinan Sud

Rédigée et testée dans les classes de CP des écoles publiques de Trélivan et Brusvily.

par Annie Jégou-Tassin, Isabelle Roux et Bertrand Posnic

Objectif général

Savoir réaliser un circuit électrique simple.

Savoirs spécifiques à la séquence

2Objectifs méthodologiques :2

Emettre des hypothèses,
Mettre en œuvre une expérience,
Schématiser un circuit électrique.

2Objectifs notionnels :2

- Réalisation d’un circuit électrique simple : être capable de réaliser un circuit permettant d’allumer une lampe à l’aide d’une pile et savoir commander ce circuit par un interrupteur ou un bouton poussoir.
- Savoir repérer les causes de dysfonctionnement dans un circuit électrique simple ou dans un objet alimenté par des piles.
- Principes élémentaires de sécurité des personnes et des biens dans l’utilisation de l’électricité .

Remarque : 6 séances d’environ 1 heure. Les élèves travaillent par groupe de 2 ou 3.

Matériel : électricité C2 , matériel centre de ressources Dinan.

Pour chaque groupe de 2 ou 3 élèves : 10 fils équipés de pinces "crocodile", 1 pile plate, 2 lampes (vissée sur une douille bakélite), 2 interrupteurs pédagogiques.

Sécurité : A chaque séance, les enfants sont avertis des dangers de l’électricité. Ils ne doivent pas essayer de reproduire ces expériences chez eux sans la présence de leurs parents.

Cette activité passionne les enfants. Cependant, il est utile de leur rappeler qu’il est très dangereux de faire la même chose à la maison avec l’électricité domestique (220V) car il y a risque de brûlures, de recevoir des décharges voire de s’électrocuter.

Au préalable : demander aux enfants ce qu’ils savent sur l’utilisation des piles électriques.

Séance 1

2Objectif(s) spécifique(s) :2

Repérer les contacts permettant la conduction du courant électrique dans une lampe.
Résoudre un problème par tâtonnement expérimental.

2Déroulement chronologique, Consignes données aux élèves2

1ère phase : Situation déclenchante
Le maître demande aux élèves de résoudre par deux le problème suivant : Allumer une lampe avec une pile plate à proximité, puis à distance.
Le maître distribue à chaque binôme une lampe visée sur une douille bakélite.
Le maître peut, à la demande, mettre à disposition des élèves plusieurs types de fil (de laine, en plastique, métallique etc.)

Remarques : Les enfants surmontent assez rapidement le problème, mais ont du mal à représenter et schématiser leurs expériences, c’est-à-dire les montages réalisés. Ce problème de représentation est l’occasion d’interroger les élèves sur la manière de représenter les composants électriques et sur la nécessité d’adopter un code commun pour communiquer. L’objectif n’est pas d’employer les codes officiels enseignés au collège.
Attendu : Les élèves résolvent rapidement le premier problème posé et réclament rapidement un fil ou deux pour résoudre le deuxième.

2ème phase : écrire
Après le travail de recherche au cours duquel les élèves n’ont fait que tâtonner, il leur est demandé de dessiner les deux systèmes réalisés, en étant le plus précis possible.

Attendu : les dessins réalisés sont souvent riches de détails inutiles (marque de la pile etc…) et ignorent souvent certains éléments d’informations importants tels que la désignation des bornes (signes + et -). Pour autant, les dessins sont gardés en l’état. Le maître prendra soin de conserver pour la séance suivante les dessins les plus intéressants pour un travail critique sur la représentation des circuits électriques.

Séance 2

2Objectif(s) spécifique(s) :2

Faire le schéma d’un dispositif en optant pour un langage codé commun.

2Déroulement chronologique, Consignes données aux élèves2

1ère phase : Comparaison de schémas réalisés par les élèves
L’objectif est d’amener les élèves à débattre en vue de choisir des représentations pertinentes des composants électriques utilisés. Les « codes » choisis devront être facile à reproduire.

Remarque : cette phase d’échanges doit privilégier l’argumentation des élèves.
Il n’est pas nécessaire d’opter pour la codification employée au collège. En effet, celle-ci aura moins de sens qu’une codification choisie par la classe.

2ème phase :
Après la phase d’échange, les élèves refont un schéma de leur dispositif en respectant les codes choisis.

3ème phase :
Le maître interroge les élèves : « la lampe brille-t-elle moins lorsqu’on l’éloigne de la pile ? », puis demande : « Dans chaque groupe, vous en discutez et vous me faites des schémas de circuits pour le vérifier. »

Séance 3

2Objectif(s) spécifique(s) :2

Mettre en œuvre une expérience pour vérifier une hypothèse préalablement explicitée.

2Déroulement chronologique, Consignes données aux élèves2

A l’occasion de cette séance, les élèves vont vérifier leur hypothèse (c’est-à-dire leur réponse à la question posée par le maître).

1ère phase :
Tout d’abord, le maître a quelques élèves de se prononcer sur la question posée en essayant de justifier son idée (relation de cause à effet).
Enfin, la classe se met d’accord sur les dispositifs qui permettront de vérifier l’hypothèse et établit des prévisions sur les effets observables dans les cas où l’hypothèse est vraie ou fausse.

Remarque : A cet âge, les enfants font implicitement des hypothèses. Il est important de les amener à les expliciter, c’est-à-dire répondre à la question, en produisant un énoncé du type « je pense que…. ». Le maître doit insister sur le fait qu’ils vont vérifier ce qu’ils pensent (qui n’est donc pas forcément vrai) en faisant des expériences. Le doute doit rester présent.
L’hypothèse la plus commune consiste à penser que plus on s’éloigne de la pile, moins la lampe brille.

2ème phase :
Les élèves mettent en œuvre les expériences. Ils viennent chercher le matériel nécessaire auprès du maître qui ne donne que ce qui est demandé par les élèves. Ceux-ci doivent donc être précis sur la désignation du matériel et la quantité nécessaire.

Remarque : il s’agit ici de s’assurer du bon usage du vocabulaire spécifique (pile, fil électrique, lampe). Le terme « ampoule » désigne la partie en verre de la lampe, même si l’usage commun fait que l’on parle plus facilement d’ampoule que de lampe.
Pour répondre à la question posée, il est nécessaire de construire 2 circuits simples « de taille différente » et de comparer la luminosité des lampes (il faut bien entendu que les lampes aient les mêmes caractéristiques).

3ème phase :
Après expérimentation, le maître propose aux élèves de discuter et interpréter les observations. Les élèves doivent parvenir à produire un énoncé oral (ou écrit) du type : « La lampe brille de la même façon, quelque soit la longueur du circuit ».

Remarque : certains élèves peuvent « résister » à l’épreuve des faits en affirmant qu’ils voient la lampe moins briller dans leur « grand » circuit. Dans ce cas, on peut proposer de réaliser un circuit « géant », dans lequel, si l’affirmation était vraie, la lampe ne devrait pas briller énormément. Or, là encore, les faits montrent l’inverse.

S’assurer que les lampes et les piles utilisées soient identiques .

Séance 4

2Objectif(s) spécifique(s) :2

Prendre conscience qu’un circuit électrique est une boucle fermée de composants électriques reliés les uns aux autres.

2Déroulement chronologique, Consignes données aux élèves2

Le maître propose aux élèves de faire briller deux lampes, en même temps, avec une seule pile.

1ère phase :
« Vous allez me faire, par groupe, le schéma d’un circuit, permettant selon vous, de faire briller deux lampes avec une seule pile ».
Comme lors de la séance précédente, les élèves préparent la liste de leur matériel. Ils devront venir le demander à l’enseignant. Ils ne pourront pas revenir sans cesse. Il faut donc bien réfléchir au matériel nécessaire.

2ème phase :
Les élèves réalisent le montage prévu par leurs schémas.

Remarques : deux types de circuits peuvent apparaître sans que les enfants n’aient conscience des différences : le montage en série et le montage en dérivation. Dans le premier cas, les lampes brillent peu, alors que dans le second cas, elles brillent normalement. Les enfants vont vite sans rendre compte.
Un risque de court-circuit existe lorsque les élèves manipulent (cas où un fil relie directement la borne + et la borne – de la pile). Dans ce cas, un échauffement se produit qui peut surprendre les élèves (c’est l’occasion de rappeler qu’il est nécessaire d’éviter de réaliser ces expériences à la maison !)

3ème phase :
Deux types de circuits peuvent émerger (série et dérivation), leurs représentations montrent des différences assez claires (cf. remarque). Le maître demande à deux élèves de venir les représenter au tableau.
La notion de boucle fermée apparaît clairement.

Remarque : il ne s’agit pas d’expliquer pourquoi les lampes brillent mieux dans le cas « dérivation ». Constater qu’il existe deux façons de faire briller deux lampes ensemble (circuit « une boucle », circuit « deux boucles ») est suffisant au cycle 2.

Séance 5

2Objectif(s) spécifique(s) :2

Différencier les notions de circuit fermé et de circuit ouvert.

2Déroulement chronologique, Consignes données aux élèves2

Le maître propose aux élèves de créer un circuit où il serait possible d’allumer ou éteindre une lampe sans rien débrancher.

1ère phase :
Après avoir explicité le problème, le maître demande aux élèves de faire des propositions.

Remarque : la situation problème renvoie naturellement à une action courante : j’éteins et j’allume la lampe, pour cela j’appuie sur un « bouton ».
Attendu : assez naturellement, les élèves font référence à l’action d’allumer ou d’éteindre la lumière. Ils évoquent « le bouton ».

2ème phase :
Le maître demande aux élèves, par groupe, de schématiser un circuit muni d’un « bouton » (ils choisissent eux-mêmes leur code provisoire).

Remarque : en général, le « bouton », qui sera appelé plus tard, interrupteur, est placé sur les bornes de la pile.

3ème phase :
Une fois, le schéma prêt, ils se présentent devant le maître avec un « bon de commande » de matériel, puis, réalise le montage électrique imaginé.
Si on laisse le temps nécessaire aux élèves, leurs tâtonnements devraient les conduire naturellement à produire un circuit en série dans lequel on trouvera une lampe, une pile, un interrupteur, et au minimum 3 fils électriques.

Attendu : si l’interrupteur est placé sur les bornes de la pile, un court-circuit est créé, donnant l’impression que la lampe s’éteint. En fait, il n’en est rien, car si on y regarde de plus près, on constate que le filament de la lampe brille légèrement. Le problème ne peut donc être considéré comme résolu.

Les élèves corrigent, si besoin, leurs schémas.

4ème phase :
Une fois que le problème a été résolu, le maître demande à deux élèves de venir proposer leurs schémas au tableau.
Le terme « interrupteur » est introduit, un code est choisi par la classe.

Remarques : il faut choisir deux schémas dans lesquels l’ordre de placement de la lampe et de l’interrupteur par rapport à la pile varie, afin de montrer que celui-ci n’a pas d’importance.
On dit que l’interrupteur est ouvert lorsque le circuit est ouvert (la lampe s’éteint) et qu’il est fermé lorsque le circuit est fermé (la lampe brille). Ceci va à l’encontre du discours que les élèves tiennent naturellement : quand on « ferme » (éteint) la lumière, on ouvre le circuit !

Séance 6

Cette dernière séance peut être l’occasion d’une évaluation des compétences acquises.

2Déroulement chronologique, Consignes données aux élèves2

La dernière séance peut être consacrée à la résolution d’avaries sur circuit électrique simple.

Deux variantes se présentent :
Soit le maître propose des circuits présentant des dysfonctionnements (plusieurs photos ou schémas de circuits défectueux ou non),
Soit chaque groupe d’élèves propose un circuit défectueux et un circuit fonctionnel aux autres groupes.

Dans les deux cas, il ne doit pas y avoir plus d’une avarie par circuit.

Les élèves doivent apprendre à hiérarchiser les tests pour déterminer la cause d’un dysfonctionnement.

1/ les contacts sont-ils corrects ? Le circuit est-il fermé ?

2/ L’ampoule est-elle bien vissée ?

3/ La pile est-elle en bon état de fonctionnement ?

4/ Les fils conduisent-ils correctement le courant électrique ? (remplacer chaque fil par un autre).

Exemples d’avaries : manque un fil, ampoule mal vissée, fil défectueux à changer, pile déchargée, mauvais contact sur les bornes, interrupteur mal branché.