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Sciences & Technologie CRPE - Didactique

Electricité – Apports didactiques et pédagogiques 1 / 11 Sup de Cours - Etablissement d'enseignement privé RNE 0333 119 L - 73, rue de Marseille - 33000 Bordeaux

ELECTRICITE – APPORTS DIDACTIQUES ET PEDAGOGIQUES

I. Les programmes

1. Cycle des apprentissages fondamentaux

Le thème de l'électricité figure dans la partie « Les objets et matériaux ».

L'élève est conduit à une première réflexion sur les objets et les matériaux au travers d'activités permettant leur observation, leur utilisation et mettant en jeu des constructions guidées par le maître. Quelques réalisations techniques élémentaires permettent d'acquérir des compétences spécifiques et des connaissances dans des domaines variés laissés au choix des enseignants.

La découverte de quelques objets et de leurs usages peut être reliée à la réalisation de maquettes et de constructions : c'est l'occasion d'une meilleure distinction entre les sources d'énergie et entre les fonctions d'un appareil, d'approcher les caractéristiques et les usages d'un axe, d'une manivelle... C'est également l'occasion d'effectuer des mesures de longueur, de masses, de contenance et de durée, en relation avec les objectifs du programme de mathématiques. Les élèves doivent à la fois savoir utiliser l'instrument adéquat (règle, double décimètre, balance, verre gradué, minuteur...) mais également exprimer le résultat de leur mesure dans l'unité appropriée.

• Principes élémentaires de sécurité des personnes et des biens dans l'utilisation de l'électricité

A l'issue des activités relatives aux objets techniques, le maître a l'occasion de guider une réflexion sur la « source » (pile, secteur, activité musculaire, gaz ou autre combustible) nécessaire au fonctionnement des divers dispositifs. Sans que le mot « énergie » soit encore nécessairement mentionné, cette analyse prépare utilement aux problématiques développées au cycle 3.

Compétences spécifiques Commentaires

Savoir que les expériences menées en classe ne doivent pas être reproduites à la maison en utilisant l'alimentation du secteur. Savoir distinguer, parmi les objets électriques, ceux qui sont alimentés par des piles et ceux qui sont alimentés par le secteur.

Les principes de sécurité font l'objet d'une attention particulière à un âge où les enfants restent exposés aux accidents domestiques.



Savoir qu'il est dangereux de mettre ses doigts dans une prise électrique et d'utiliser les appareils électriques dans un milieu humide.

2. Cycle des approfondissements

Le thème de l'électricité figure dans la partie « Le monde construit par l'homme »

Dans la poursuite des activités abordées au cycle 2, l'élève s'initie, dans le cadre d'une réalisation, à la recherche de solutions techniques, au choix et à l'utilisation raisonnés d'objets et de matériaux.

Il appréhende un environnement dans lequel les objets techniques sont omniprésents. Les objets techniques conçus et réalisés par les hommes constituent autant de réponses aux différentes « situations problème » rencontrées pour satisfaire les besoins de la société. Le questionnement par lequel ils sont abordés et l'investigation à laquelle il conduit peuvent être relatifs :

• aux principes sur lesquels se fondent les solutions techniques mises en œuvre pour répondre à un besoin ;

• aux méthodes de conception et de réalisation ;

• à la mise en perspective historique de l'évolution des sciences et des techniques.

Les thèmes choisis ont été retenus en fonction de plusieurs critères :

• importance dans l'environnement quotidien, de façon à susciter un réinvestissement dans la vie courante des connaissances acquises à l'école ;

• simplicité et caractère facilement analysable des dispositifs étudiés ;

• coût modéré des dispositifs ;

• sécurité des manipulations.

Un processus de réalisation d'objet technique permet à l'élève d'élaborer une démarche d'observation et de recherche. Cette réalisation peut être, pour l'élève, l'occasion de s'approprier quelques notions scientifiques de base.



• Circuits électriques alimentés par des piles : bornes, conducteurs et isolants Quelques montages en série et en dérivation


Etre capable de faire briller une ampoule dans un circuit série, en reliant une pile à une chaîne continue de conducteurs.

Savoir que si cette chaîne interrompue, l'ampoule ne brille pas.

Savoir réaliser un montage qui permet de classer différents matériaux en deux catégories : conducteurs et isolants.

Savoir allumer deux ampoules ou davantage à l'aide d'une pile.

Savoir distinguer les deux types de circuits en mettant en évidence les deux propriétés suivantes :

- dans un circuit série, plus il y a d'ampoules, moins elles brillent ; quand on en dévisse une, les autres s'éteignent ; chaque ampoule brille moins que si elle était alimentée seule ;

- dans le cas de circuits dérivés comprenant chacun une ampoule, si on dévisse une ampoule, les autres brillent encore ; chaque ampoule brille presque comme si elle était alimentée seule.

Etre capable de mettre en évidence qu'une pile a deux bornes et que le fonctionnement de certains récepteurs est affecté par le sens de leur branchement aux bornes de la pile.

A travers quelques circuits série ou dérivés, les élèves étendent la notion de circuit fermé et de chaîne continue de conducteurs électriques.

La notion de courant électrique (définition, mesure et sens), la schématisation codée selon les conventions en usage en électricité, les mesures électriques et les unités électriques ne sont pas au programme de l'école primaire. L’appareil qui met en évidence le passage de l'électricité est ici une ampoule. A travers quelques circuits série ou dérivés, les élèves étendent la notion de circuit fermé et de chaîne continue de conducteurs électriques. Exemples classiques : les moteurs à courant continu, les vibreurs, les diodes électroluminescentes.



• Principes élémentaires de sécurité électrique


Reprendre et compléter les règles de sécurité des personnes et des biens normalement acquises au cycle 2.

Savoir qu'il est dangereux de remplacer une ampoule sans avoir coupé l'alimentation.

Savoir que l'eau conduit légèrement l'électricité, suffisamment pour augmenter les dangers de l'électricité du secteur.

L'eau est classée parmi les matériaux isolants si on utilise seulement une ampoule pour la mise en évidence du passage du courant, ce qui est gênant compte tenu des objectifs de prévention contre les risques de l'électricité. L'objectif de connaissance visé par la rubrique ci-dessus ne se limite pas aux conditions de la réalisation de circuits simples. A travers la distinction entre isolants et conducteurs, les élèves se familiarisent avec une propriété physique essentielle de la matière.

De nombreuses situations problème sont possibles, faisant appel soit à un circuit simple, soit à un circuit en dérivation : équiper un placard de manière à ce qu'un vibreur retentisse lorsqu'on l'ouvre, installer un témoin lumineux près d'un interrupteur pour savoir si une autre ampoule est allumée, ... La liste n'est pas exhaustive.

De nombreuses expériences permettent également aux élèves de se demander pourquoi dans certains circuits série, l'ampoule brille plus que dans d'autres. C'est une occasion de faire des expériences comparatives avec contrôle des variables, c'est à dire de tester expérimentalement les hypothèses énoncées tout en ne faisant varier qu'une seule variable à la fois.

Les notions de conducteur et d'isolant sont reliées aux règles de sécurité (rôle des matériaux isolants, plastiques notamment, danger des parties dénudées).



II. Fiche connaissance : Electricité

1. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant

« Courant » est employé dans de nombreux sens : adjectif (une situation courante), verbe (en courant, je suis tombé), nom (courant d'eau, d'air...). Ceci fait que les élèves comprennent difficilement que les transferts d'énergie peuvent se manifester par des effets faibles : entretien du mouvement d'une montre par une pile, par exemple.

« Conducteur » désigne aussi le conducteur d'une voiture.

« Ferme la lumière » signifie en général « Eteins la lumière », alors que, en termes de physique, le courant circule lorsque le circuit électrique est fermé. Pour éteindre la lumière il faut, en termes de physique, ouvrir le circuit.

Le programme, en cohérence avec celui du collège, préconise d'utiliser « borne » à la place de « pôle », car ce dernier mot désigne aussi les pôles de la Terre et les pôles d'un aimant.

2. Difficultés provenant des idées préalables des élèves

L'utilisation de l'électricité est associée à la notion de danger. On s'appuie, en classe, sur cette idée salutaire pour rendre rationnels les comportements relatifs à la sécurité.

Les élèves les plus jeunes ne savent pas toujours qu'une source d'énergie (une pile par exemple) est nécessaire pour produire un effet. Ils sont habitués, dès le plus jeune âge, à agir sur un « bouton » (interrupteur ou bouton-poussoir) pour allumer une lumière ou mettre en marche un jouet. C'est celui-ci qu'ils imaginent être la cause première de l'effet obtenu. Dans les installations domestiques, deux fils conducteurs sont en général présents dans un même cordon. Les élèves ont ainsi l'impression que le courant est amené de la « prise » à l'appareil électrique par un seul fil, et est absorbé par l'appareil, sans idée de retour ou de circulation du courant.

Lorsque les manipulations faites en classe ont permis d'aborder la notion de circuit électrique, cette notion reste souvent associée à l'idée selon laquelle chaque borne de la pile envoie « quelque chose » dans l'ampoule dont la rencontre produit de la lumière, ou encore à l'idée selon laquelle le courant « s'use » en circulant dans le circuit (au lieu de considérer qu'un même courant circule, d'une borne de la pile à l'autre dans un circuit en série).

3. Connaissances

Une pile peut faire circuler de l'électricité (un courant électrique) dans une chaîne continue et fermée, formée de la pile et d'objets conducteurs reliant une borne de la pile à l'autre (circuit électrique fermé). Dès que cette chaîne



est interrompue, l'électricité (le courant électrique) ne circule plus du tout, y compris dans la pile. En revanche, lorsque l'on met ses doigts dans une prise électrique, on « ferme le circuit », ce qui présente un grave danger.

Le témoin du passage du courant électrique, à l'école primaire, est une ampoule montée en série dans ce circuit. C'est avec ce témoin que l'on classe les matériaux en conducteurs et isolants.

La réalisation de montages en série ou en dérivation ne s'accompagne d'aucune définition théorique. En revanche, il peut être demandé de dessiner le chemin que peut suivre l'électricité (le courant) et constater qu'à un circuit série correspond une boucle unique et qu'à des circuits dérivés correspondent autant de boucles qu'il y a de dérivations.

Une pile électrique comporte deux bornes qui sont notées + et -.

Le passage de l'électricité dans le corps humain présente des dangers qui peuvent être mortels.

4. Réinvestissement

L'énergie.

III. Exemple d'activité : l’électricité à la maison

1. Niveau : CE2, CM

2. Objectif

Conduire l'élève à :

• différencier la fonction et le principe de fonctionnement de certains systèmes tels que les appareils électriques ;

• découvrir et identifier des transformations de l'énergie électrique.

3. Situation de départ

L'enseignant demande de citer des systèmes qui utilisent l'électricité dans les maisons, puis de les classer selon leur fonction.

4. Activités, méthodes, savoirs

• Classement de systèmes électriques

Les enfants connaissent beaucoup d'appareils électriques, mais ils éprouvent des difficultés à trouver de bons critères de classement. En général, ils les associent selon le fonctionnement sur piles ou sur secteur, la pièce où ils sont installés, l'intérêt utilitaire ou ludique, ou encore selon



ce qu'ils produisent. Cette dernière idée, exploitée dans le tableau ci-dessous élaboré avec l'aide du maître, facilitera l'approche des transformations de l'énergie électrique.

Produire de la lumière

Echanger de la chaleur

Travailler mécaniquement

Traiter l’information

ampoule lampe lustre lampadaire plafonnier

radiateur four fer à repasser plaque chauffante réfrigérateur

robot de cuisine lave-linge lave-vaisselle aspirateur perceuse

téléviseur magnétophone ordinateur téléphone sonnerie

La sonnerie de l'entrée signale l'arrivée d'une personne, le magnétophone code ou décode un message sur la bande magnétique ...

Quelques appareils sont difficiles à classer : il est possible d'associer le sèche-cheveux à ceux qui produisent de la chaleur ou à ceux qui fournissent un travail mécanique, car sécher les cheveux nécessite aussi bien de la chaleur qu'un renouvellement de l'air. Le réfrigérateur fonctionne à l'aide d'un système qui retire de la chaleur de l'armoire frigorifique pour la faire passer à l'extérieur (derrière le réfrigérateur, les tubes et l'air environnant sont chauds).

• Transformations de l'énergie électrique

Pour la majorité des systèmes des trois premières colonnes, il est facile de schématiser leur fonction (transformation de l'énergie électrique en une autre forme d'énergie).

Dans cette approche du concept d'énergie, il faut rester modeste et choisir des mots simples, porteurs de sens, tels que ceux mentionnés ci-dessous.



• Conclusion

Cette activité de classement est une introduction à l'étude de l'énergie à partir d'appareils connus des enfants. Pour une meilleure approche de ce concept, l'enseignant leur proposera la réalisation de montages électriques permettant l'éclairage, ainsi que la commande de petits moteurs ou d'électroaimants transformant de l'énergie électrique en énergie mécanique.

IV. Exemples de fiches d’activité1

1 CNDP / Delagrave



1. Le jeu de l’anneau



2. Distinguer montages simples, en série ou en dérivation



V. Une démarche possible au cycle 3

1. Observer des objets alimentés par une pile

• Une lampe de poche

• Une lampe torche

2. Expérimenter, schématiser

• Allumer une lampe avec une pile plate.

• Allumer une lampe avec une pile ronde.

• Allumer une lampe avec plusieurs piles.

• Allumer plusieurs lampes avec une seule pile.

3. Classer conducteur / isolant

4. Réaliser

• Un montage fixe pour allumer/éteindre une lampe.

• Un jeu électrique (type jeu d'adresse).

5. Se documenter

• Identifier les dangers du courant électrique.

• Connaître les règles de sécurité liées à l'utilisation du secteur.

• Constater la diversité des moyens d'éclairage.

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