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REPOBLIKAN’I MADAGASIKARA
Tanindrazana – Fahafahana - Fandrosoana
FILIERE :
PHYSIQUE CHIMIE MEMOIRE POUR L’OBTENTION DU
CERTIFICAT D’ APTITUDE PEDAGOGIQUE DE L’ ECOLE NORMALE
« C.A.P.E.N »
Thème :
Contribution à l’amélioration de l’enseignement
du Courant alternatif au secondaire
Présenté et soutenu par :
Madame RAVAOARISOA Lalao Françoise
Membres du jury :
Président : RASOLOARIJAONA Madison, Maître de Conférence à l’Ecole
Nationale d’Informatique
Examinateur : RANIVONANDRASANA Florentine, Enseignant-chercheur à l’Ecole
Normale Supérieure
Encadreur: RATSIMBAZAFY, Enseignant-chercheur à l’Ecole Normale Supérieure
Décembre 2010
TABLE DES MATIERES
REMERCIEMENTS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ABREVIATIONS
INTRODUCTION .......................................................................................................... 11
PREMIERE PARTIE : PRODUCTION DU COURANT ALTERNATIF .................... 13
Chapitre 1 : Phénomènes magnétiques et électromagnétiques ................................... 14
1.1. Aimants ............................................................................................................ 14
1.2. Champ magnétique .......................................................................................... 14
1. 3 Phénomènes d’induction électromagnétique ................................................... 15
1.3.1 Flux magnétique ............................................................................................ 15
1.3.2. Loi de Lenz ................................................................................................... 16
1. 3. 3. L’inductance ............................................................................................... 17
Chapitre 2 : Le courant alternatif ................................................................................ 19
2.1. Production d’une tension alternative ............................................................... 19
2.1.1. Principe de production d’une tension alternative.......................................... 19
2.1.2. Caractéristiques d’une tension alternative .................................................... 19
2.1.2.1. Les valeurs variables .................................................................................. 19
2.1.2.2. Période – Fréquence – Pulsation ................................................................ 20
2.1.2.3. Le déphasage ou la différence de phase ..................................................... 20
2.1.2.4. Les valeurs efficaces .................................................................................. 21
2.1.3. Mesures en électricité ................................................................................... 23
2.1.3.1. L’intensité du courant ................................................................................ 23
2.1.3.2. La tension ................................................................................................... 23
2.1.3.3. Puissance électrique ................................................................................... 23
2.1.3.4. Energie électrique ...................................................................................... 24
2.2. Le transformateur ............................................................................................. 24
2.2.1. Structure ........................................................................................................ 24
2.2.2. Principe de fonctionnement .......................................................................... 24
2.2.3. Rapport de transformation ............................................................................ 25
2.2.4. Utilisation d’un transformateur ..................................................................... 25
2.2.5. Transformateur triphasé ................................................................................ 26
2.3. Le redressement ............................................................................................... 26
2.3.1. Le redressement simple alternance ............................................................... 27
2.3.2. Le redressement double alternance ............................................................... 28
2.3.3. Le redressement à point milieu ..................................................................... 28
2.3.4. Le redressement triphasé .............................................................................. 29
2.4. Utilisation de courant alternatif ....................................................................... 29
2.4.1. Utilisation sous forme d’énergie calorifique ................................................ 29
2.4.2. Utilisation sous forme d’énergie mécanique ................................................ 29
2.4.3. Circuit électrique avec quelques types de montage ...................................... 29
2.4.3.1. Montage d’un circuit alternatif avec une seule résistance pure ................. 29
2.4.3.2. Circuit à courant alternatif présentant uniquement une capacité C ........... 30
2.4.3.3 Circuit à courant alternatif présentant uniquement une inductance L ........ 32
2.4.3.4. Circuit comportant une résistance, un condensateur et une bobine ........... 34
2.4.3.5. Circuit résonance ....................................................................................... 35
DEUXIEME PARTIE : PRODUCTION DE L’ENERGIE ELECTRIQUE .................. 37
Chapitre 3 : Les Alternateurs ...................................................................................... 38
3.1. Constitution et fonctionnement d’un alternateur ............................................. 38
3.1.1. Le rotor ......................................................................................................... 38
3.1.2. Le stator ........................................................................................................ 39
3.1.3. Force électromotrice induite - Fréquence ..................................................... 39
3.1.4. Mode d’excitation ......................................................................................... 40
3.2. L’alternateur triphasé ....................................................................................... 40
Chapitre 4 : Sources et production d’énergie électrique ............................................. 44
4-1. Sources d’énergies ........................................................................................... 44
4.1.1 Les énergies non renouvelables ..................................................................... 44
4.1.2 Les énergies renouvelables ............................................................................ 44
4.1.2.1. L’énergie solaire ........................................................................................ 45
L’énergie solaire photovoltaïque ............................................................................ 45
L’énergie solaire thermique .................................................................................... 45
4.1.2.2 L’énergie éolienne ..................................................................................... 45
4.1.2.3. L’énergie géothermique ............................................................................. 46
4.1.2.4. L’énergie hydraulique ................................................................................ 46
4.1.2.5. La biomasse ............................................................................................... 46
4.2. Les centrales électriques .................................................................................. 47
4.2.1 Les centrales thermiques à flamme ................................................................ 47
4.2.2. Les centrales nucléaires ................................................................................ 48
4.2.3. Centrale solaire photovoltaïque .................................................................... 48
4.2.4. Centrale solaire thermique ............................................................................ 49
4.2.5. Centrale géothermique .................................................................................. 49
4.2.6. Centrale éolienne .......................................................................................... 49
4.2.7. Centrale hydraulique ..................................................................................... 50
Chapitre 5 : Fonctionnement d’une station hydroélectrique ....................................... 51
5.1. Bref historique sur le développement de l’hydraulique ................................... 51
5.2. Equation fondamentale de l’hydraulique ......................................................... 51
5.2.1. Notions de base ............................................................................................. 51
5.2.2. Débit .............................................................................................................. 53
5.2.3. Comportement des conduites ........................................................................ 53
5.2.3.1. La conduite simple ..................................................................................... 53
5.2.3.2. Le Siphon ................................................................................................... 54
5.2.3.3. Conduite forcée .......................................................................................... 54
5.3. Différents types de centrale hydroélectrique ................................................... 55
5.3.1. Centrales de lac ou de haute chute ................................................................ 55
5.3.2. Centrales d’éclusée ou de moyenne chute .................................................... 55
5.3.2. Centrale au fil de l’eau ou de basse chute ..................................................... 55
5.4. Les éléments principaux d’une station hydraulique......................................... 55
5.5. Principe de fonctionnement d’une station hydraulique ................................... 57
5.6. Etude des transformations énergétiques........................................................... 57
5.6.1. L’énergie potentielle ..................................................................................... 58
5.6.2. L’énergie cinétique ....................................................................................... 58
5.6.3. L’énergie mécanique ..................................................................................... 58
5.6.4. L’énergie électrique ...................................................................................... 59
5.7. Conclusion ....................................................................................................... 59
TROISIEME PARTIE : METHODOLOGIE D’APPRENTISSAGE ............................ 60
Chapitre 6 : Propositions du programme scolaire ....................................................... 61
6.1. Les objectifs .................................................................................................... 61
6.2. Les méthodes préconisées par le programme ................................................. 61
6.3. La démarche expérimentale ............................................................................ 63
Chapitre 7 : Quelques notions de didactique .............................................................. 65
7.1. Le domaine pédagogique ................................................................................. 65
7.2. Les méthodes traditionnelles ........................................................................... 65
7.3. Les méthodes nouvelles ................................................................................... 66
7.4. Le domaine psychologique .............................................................................. 67
7.5. Apprentissage- Enseignement .......................................................................... 68
7.5.1. Apprentissage ................................................................................................ 68
7.5.2. Enseignement ............................................................................................... 70
Chapitre 8 : Théorie de la pédagogie différenciée ...................................................... 71
8.1. Définition ......................................................................................................... 71
8.2. Fondement théorique ....................................................................................... 72
8.3. Les concepts de base de la pédagogie différenciée .......................................... 72
8.3.1. La considération de la motivation des apprenants ........................................ 73
8.3.2. La prise en compte des conceptions des apprenants. ................................... 74
8.3.3. La construction du savoir par les apprenants ................................................ 76
Chapitre 9 : Quelques suggéstions .............................................................................. 78
9.1. Formation pédagogique continue ..................................................................... 78
9.2. Rôles de l’institution scolaire .......................................................................... 79
9.3. Techniques de travail en groupe ...................................................................... 79
9.3.1. Importance du travail en groupe ................................................................... 79
9.3.2. Rôle de l’enseignant ...................................................................................... 80
9.3.3. Rôle de l’apprenant ....................................................................................... 80
9.4. Technique de la pédagogie différenciée .......................................................... 80
9.5. L’évaluation ..................................................................................................... 81
9.6. Reproduction de matériels de sciences physiques ........................................... 82
CONCLUSION ............................................................................................................... 83
BIBLIOGRAPHIES ........................................................................................................ 85
DICTIONNAIRES .................................................................................................. 85
OUVRAGES ........................................................................................................... 85
ANNEXE ........................................................................................................................ 86
Documents à exploiter ................................................................................................ 87
FICHE ............................................................................................................................. 88
REMERCIEMENTS Nous tenons à adresser nos vifs remerciements à :
- Madame RASOAMAMPIONONA Clarisse, Maître de conférences, Directeur de
l’Ecole Normale Supérieure ;
- Monsieur RASOLOARIJAONA Madison, Maître de conférences en électronique, qui
nous a fait le grand honneur de présider la soutenance de ce mémoire ;
- Madame RANIVONANDRASANA Florentine, Maître assistant à l’Ecole Normale
Supérieure, de bien vouloir accepter d’être examinateur de cette soutenance ;
- Monsieur RATSIMBAZAFY, Enseignant chercheur de l’Ecole Normale Supérieure,
notre directeur de mémoire qui, par ses multiples conseils précieux, nous a aidé dans
l’élaboration de cet ouvrage ;
- Mesdames et Messieurs les enseignants qui ont assuré notre formation durant nos
études ;
- Tous les personnels de l’Ecole Normale Supérieure qui ont fait preuve de leur
gratitude ;
- Tous ceux qui, de près ou de loin, ont bien voulu nous apporter leur soutien.
Enfin, nos remerciements s’adressent à notre famille qui, par leur dévouement, nous ont
soutenus et encouragés depuis le début de notre formation.
LLIISSTTEE DDEESS FFIIGGUURREESS
Figure 1 : Allures et redressement monophasé ........................................................................ 28
Figure 2: Circuit alternatif à résistance R ............................................................................... 30
Figure 3:Etudes de la tension u(t) et des courants i(t)............................................................. 32
Figure 4: Circuit R, L, C en série ............................................................................................ 35
Figure 5: Coupe d’un alternateur ............................................................................................ 39
Figure 6: Montage de l’enroulement ....................................................................................... 41
Figure 7: Allures des tensions triphasées ................................................................................ 41
Figure 8: Ligne de courant ...................................................................................................... 52
Figure 9 : Conduite à contour fermé. ...................................................................................... 52
Figure 10: Schéma inspiré du triangle pédagogique de P. MEIRIEU ................................... 65
Liste des abréviations CAPEN : Certificat d’Aptitude Pédagogique de l’Ecole Normale.
CEG : Collège d’Enseignement Général.
ENS : Ecole Normale Supérieure.
EPE : Equipe Pédagogique d’Etablissement.
EPIE : Equipe Pédagogique Inter- Etablissement.
OHERIC : Observation – Hypothèse – Expérience – Résultat – Interprétation – Conclusion.
IINNTTRROODDUUCCTTIIOONN Le Ministère de l’Education Nationale s’engage à améliorer les résultats scolaires et la
qualité de l’enseignement à Madagascar. Cette amélioration est axée sur l’ouverture des
innovations pédagogiques afin d’assurer la réussite des élèves dans leur apprentissage. En
effet, le Ministère de l’Education Nationale adopte les méthodes nouvelles qui ont pour but
que les élèves eux-mêmes construisent leurs savoirs.
Par ailleurs, à travers les activités scolaires, l’enseignement vise à préparer l’élève à la vie
future, pour qu’il soit autonome et responsable, acteur et bénéficiaire du développement de sa
communauté, de son pays.
Parmi les objectifs de la matière mentionnée dans les programmes scolaires en vigueur
dispensés dans les collèges, il est stipulé que les sciences physiques doivent amener l’élève à
pratiquer une démarche expérimentale pour faire aboutir une recherche.
Cependant, durant les quelques années de notre expérience professionnelle en qualité
d’enseignant des sciences physiques au premier cycle de l’enseignement secondaire, nous
avons constaté que l’enseignement du « courant alternatif » dans la partie électricité de la
physique en classe de quatrième rencontre des difficultés. Les élèves n’arrivent pas à
comprendre et oublient facilement les notions enseignées sur ce chapitre. Des problèmes se
posent alors concernant les méthodes d’enseignement adoptées. Beaucoup d’enseignants ne
font pas des expériences concrètes lors des séquences d’apprentissage des chapitres sur la
notion d’électricité. Cette attitude est due souvent à l’insuffisance et même à l’inexistence des
matériels didactiques adéquats, et parfois à l’inhabitude de faire des expériences ou de se
familiariser avec les matériels didactiques utilisés en électricité.
Or l’électricité occupe une place importante dans les programmes des sciences physiques aux
secondaires. Elle est étudiée dès la classe de sixième du premier cycle jusqu’au lycée. Son
étude amène donc les élèves à cerner les concepts de base en électricité et à connaitre les
relations pouvant exister entre la tension et le courant électrique, entre le courant et l’énergie
électriques. La production d’un courant alternatif ou de l’énergie électrique aux centrales
électriques, son transport et sa distribution ainsi que sa consommation et son utilisation
doivent être connues par les élèves ayant terminé leurs études du secondaire. Ils devraient être
capables de comprendre l’électricité chez eux. Mais, est-ce vraiment la réalité ? Beaucoup
d’élèves ayant terminé leurs études du premier cycle, même du lycée, bien qu’ayant suivi et
appris le cours concernant le chapitre « courant alternatif » durant les années de leurs études,
continuent à garder des idées fausses et des raisonnements erronés concernant ce chapitre sur
l’électricité.
Ces faits constituent les raisons pour lesquelles nous avons choisi comme thème de ce présent
travail de recherche « Contribution à l’amélioration de l’enseignement du courant alternatif au
secondaire ». Notre travail a pour but de promouvoir l’objectif ce que l’amélioration
qualitative de l’enseignement des sciences physiques.
Pour mieux traiter ce sujet d’études, nous avons divisé ce mémoire de recherche en trois
parties.
Nous étudierons dans la première partie, la production du courant alternatif qui sera consacrée
aux phénomènes liés et principe de la production du courant alternatif.
La deuxième partie présentera les notions de base sur la production industrielle de l’énergie
électrique ou de l’électricité.
Dans la dernière partie, avant la conclusion, nous aborderons quelques notions sur la
didactique dans lesquelles seront présentées la théorie de la pédagogie différenciée après avoir
expliqué le processus d’enseignement et quelques suggestions pour l’amélioration de
l’enseignement du courant alternatif au secondaire.
PPRREEMMIIEERREE PPAARRTTIIEE
PPRROODDUUCCTTIIOONN DDUU CCOOUURRAANNTT AALLTTEERRNNAATTIIFF
Chapitre 1 : Phénomènes magnétiques et électromagnétiques
Tous les phénomènes magnétiques sont dus à des actions à distances de charges électriques en
mouvement sur d’autres charges électriques en mouvement.
1.1. Aimants
Tous les corps doués de propriétés magnétiques sont appelés des aimants : la magnétite (de
formule Fe3 O4), les aimants artificiels, la terre. Ils attirent certains métaux qui possèdent les
propriétés magnétiques naturellement tels que le fer, le cobalt, le manganèse, le gadolinium, le
dysprosium et leurs alliages.
Les régions d’un aimant où le magnétisme semble être concentré sont les pôles d’un aimant.
Tout aimant comporte deux extrémités indissociables : le pôle nord « N » et le pôle sud « S ».
L’extrémité qui se dirige vers le nord est appelée pôle nord de l’aimant et l’autre le pôle sud.
Il y a interaction entre les pôles de l’aimant : deux pôles de même nom se repoussent et deux
pôles de nom différents s’attirent. L’attraction entre deux pôles opposés et la répulsion entre
deux pôles de même nature sont dus à un mécanisme ce que le champ magnétique produit
chacun des aimants agit sur les courants microscopiques de l’autre.
Les aimants sont utilisés dans divers appareils : les appareils de mesure, les moteurs, les haut-
parleurs, les appareils d’enregistrement, les mémoires d’ordinateur etc.…
1.2. Champ magnétique
Au voisinage d’un barreau aimanté, la limaille de fer forme une configuration caractéristique
qui montre l’influence de l’aimant sur le milieu entourant. Cette configuration est l’image de
spectre magnétique de l’aimant dont l’ensemble forme des courbes appelées « lignes de
champ » qui ne se coupent jamais.
Le champ magnétique est l’espace dans lequel un aimant fait sentir son influence. Ce champ
magnétique peut être décrit en un point de l’espace par le vecteur champ magnétique ou
vecteur induction magnétique Br
tel que :
- sa direction est tangente à la ligne de champ passant par ce point ;
- son sens va du pôle N vers le pôle S de l’aimant ;
- sa valeur ou intensité s’exprime en teslas (symbole : T) et se mesure avec un appareil appelé
teslamètre.
1. 3 Phénomènes d’induction électromagnétique
L’expression induction électromagnétique désigne la production d’effets électriques à partir
de champ magnétique. L’induction électromagnétique est à l’origine du fonctionnement des
générateurs.
Le déplacement ou rotation d’un aimant au voisinage d’une bobine produit du courant lorsque
le circuit est fermé. L’aimant crée un champ magnétique tout autour de lui, et placé dans le
voisinage de la bobine, il crée un flux magnétique au travers d’elle. Le fait de déplacer
l’aimant fait varier ce flux et cette variation de flux a pour effet de créer dans la bobine une
force électromotrice « f.é.m. » induite engendrant un courant induit. Le sens de ce courant
induit dépend du sens de la variation de flux et est donné par la « loi de Lenz ».
1.3.1 Flux magnétique
Lorsqu’une surface d’aire S est placée dans un champ magnétique uniforme d’intensité B, le
flux magnétique traversant la surface est définie par :
Ф = B.S cosθ (1-1)
avec θ est l’angle que fait le vecteur d’induction avec la normale n à la surface.
L’unité de flux magnétique est le Weber (symbole : Wb). Lorsque la surface est parallèle aux
lignes de champ, on a l’angle θ = 90°, le flux qui la traverse est donc nul.
Tous bobinages parcourus par un courant d’intensité instantanée i produisent en tout point une
induction magnétique proportionnelle à i .
Dans le cas de N spires de longueur l, on a :
B =
(1-2)
où N est le nombre de spires de la bobine et µ0 est la perméabilité dans le vide.
Le flux Ф du champ magnétique transmis par une spire est donné par la formule :
B.S
(1-3)
Les expressions (1-2) et (1-3) donnent
(1-4)
Pour N spires, on a :
(1-5)
1.3.2. Loi de Lenz
Une variation de flux magnétique à travers un circuit électrique fermé donne naissance à un
courant induit. Le sens de ce courant induit, qui dépend du sens de la variation de flux est
donné par la loi de Lenz.
Lenz a établi une loi bien importante permettant de déterminer le sens du courant induit. Il a
donné à sa loi l’énoncé suivant : si un conducteur métallique se déplace au voisinage d’un
aimant, il est le siège d’un courant induit dont le sens est tel qui provoquerait le déplacement
du conducteur au repos dans le sens diamétralement opposé au sens du déplacement imposé
du conducteur du côté de l’extérieur, dans l’hypothèse où le conducteur se trouve au repos ne
peut se déplacer que dans le sens de ce dernier mouvement ou dans le sens opposé.
Sous une forme plus concise, la loi de Lenz peut s’énoncer comme suit : le sens du courant
induit est toujours tel que par ses effets, il s’oppose à la cause qui lui a donné naissance.
La loi de Lenz est aussi applicable aux cas où les conducteurs sont au repos et le champ
magnétique (l’intensité du courant) varie. Dans ce cas, les courants induisent toujours un
champ qui tend à s’opposer à la variation du champ extérieur qui a donné naissance à ces
courants.
Le courant induit est produit par une force électromotrice e engendrée par la variation du flux
à travers le circuit. La valeur moyenne de cette f.é.m. induite est proportionnelle à la variation
de flux et inversement proportionnelle à la durée de cette variation. Cette valeur est égale
alors à la f.é.m. induite et égale alors à l’opposé de la dérivée par rapport au temps du flux
magnétique d’induction.
e =
(1-6)
Lorsque l’aimant se déplace au voisinage d’une bobine fixe, on a deux cas :
- si le flux augmente, la f.é.m. diminue :
- si le flux diminue, alors le f.é.m. augmente :
La valeur instantanée de la f.é.m. est donnée par la relation (1-6). Par conséquent, en
appliquant la loi d’Ohm, si R est la valeur de la résistance totale du circuit induit, la valeur
instantanée de l’intensité du courant induit est définie par la relation :
i =
(1-7)
Si i< 0, le courant induit circule dans le sens positif d’orientation du circuit.
Si i> 0, le courant induit circule dans le sens inverse.
Le signe négatif dans les formules (1-6) et (1-7) traduit alors la loi de Lenz. La f.é.m. dans le
circuit est numériquement égale et de signe contraire à la vitesse de variation de flux à travers
la surface limitée par ce circuit.
1. 3. 3. L’inductance
Tout bobinage parcouru par un courant est traversé par le flux magnétique qui peut être
produit par le courant qui parcourt le circuit considéré lui-même. Le flux magnétique à travers
le bobinage est proportionnel au courant d’intensité i et à un coefficient de proportionnalité L
appelé coefficient d’auto-induction ou inductance propre ou plus simplement inductance du
bobinage dépendant de la constitution de la bobine :
L. I (1-8)
L’unité de l’inductance est le Henry (symbole : H)
Pour la f.é.m d’auto – induction, on a d’après la formule (1–8) :
= L di,
(1-9)
Alors e =
(1-10)
On déduit l’inductance d’un solénoïde (bobinage long), d’après les expressions (1-5) et (1-8) :
L = µ0
(1-11)
Dans le cas où le bobinage comporte un noyau de fer, l’inductance est multipliée par un
coefficient de perméabilité r appelé perméabilité du noyau. Ce coefficient dépend
essentiellement de la nature du noyau, de la forme du noyau et de sa position par rapport à la
surface latérale du bobinage. On a :
L = µ0 r (1-
12)
Dans ce cas du solénoïde avec un noyau, la force électromotrice e est :
e = µ0 r (1-
13)
Chapitre 2 : Le courant alternatif
2.1. Production d’une tension alternative
2.1.1. Principe de production d’une tension alternative
Prenons une bobine (un enroulement d’un fil de cuivre vernissé autour d’un noyau ferrite) et
un aimant de pôle sud « S » et pôle nord « N ». Puis relions les deux bornes de la bobine, soit
aux bornes d’un oscilloscope, soit aux bornes des deux DEL (Diode électroluminescente) en
tête bêche (montées en dérivation et en sens inverse l’une par rapport à l’autre). Ensuite
déplaçons assez rapidement (approchons puis retirons) l’aimant devant le noyau de la bobine.
Le spot monte quand on approche l’aimant puis redescend quand on s’en éloigne. Et aussi,
l’une des deux DEL s’allume quand on approche l’aimant puis l’autre quand on le retire. Le
même résultat peut être obtenu quand nous faisons tourner l’aimant avec un dispositif
tournant devant la bobine.
Le déplacement ou la rotation d’un aimant devant une bobine produit une tension
alternative qui peut être visualisée sur l’oscilloscope ou sur l’alternance de la luminance des
deux DEL en tête bêche aux bornes de cette bobine.
Grâce à la variation du flux magnétique créé de l’aimant en mouvement (rotation),
dans la bobine prend naissance une différence de potentiel « e » à ses bornes, appelée force
électromotrice « f.é.m. » induite qui engendre un courant induit dans le circuit. Lorsque
l’aimant tourne régulièrement et périodiquement, nous obtenons une tension alternative
sinusoïdale.
Pour produire une tension alternative, il suffit de déplacer (tourner) un aimant devant
une bobine. Les appareils avec lesquels on produit ce type de tension dans le même principe
sont désignés par le mot « alternateur » (Chapitre 3).
2.1.2. Caractéristiques d’une tension alternative
2.1.2.1. Les valeurs variables
En courant alternatif sinusoïdal, les valeurs instantanées de l’intensité du courant et de la
différence de potentiel, i et u, sont les variables en grandeur ainsi qu’en signe (en valeur
algébrique et en signe) au cours du temps. Elles peuvent se présenter sous forme d’alternances
qui sont les alternances négatives et les alternances positives ainsi qu’elles se produisent
identiques à elles-mêmes à tout instant t. Elles sont de période T.
Les crêtes de l’alternance positive, pour les deux grandeurs i et u, s’appellent valeurs
maximales ou amplitude maximale et à celles de l’alternance négatif, valeurs minimales ou
amplitude minimale.
Les valeurs instantanées du courant i et de tension u sont des fonctions sinusoïdes d’équations
horaires respectivement :
i = Im sin ωt
et u = Um sin ωt
avec Im et Um sont les valeurs maximales de l’intensité du courant et de la tension, ω la
pulsation et le produit ωt s’appelle phase à l’instant t.
2.1.2.2. Période – Fréquence – Pulsation
La période T d’un courant alternatif périodique est le temps mis par ce courant pour circuler
dans un sens puis dans l’autre. Pendant cette période, le courant se reproduit identiquement à
lui-même. Elle s’exprime en seconde (s).
La fréquence f est l’inverse de la période. Elle correspond au nombre de périodes par
seconde et s’exprime en hertz (Hz).
f =
(2-3)
La pulsation ω ou vitesse angulaire s’exprime en radians par seconde. Soit T la période d’un
courant, celle de la fonction sinus étant de 2π, il faut qu’au bout d’une période T on ait
ωT=2π
Avec : ω = (2-4)
Or comme T = d’après l’expression (2-3), alors (2-4) devient :
ω=2πf (2-5)
2.1.2.3. Le déphasage ou la différence de phase
En courant alternatif, le courant instantané i et la tension instantanée u ont subi un mouvement
circulaire uniforme des phases initiales respectives 1 et 2. Donc les équations horaires
précédentes deviennent :
i = Im sin (ωt + 1) et u = Um sin (ωt + 2)
Donc le déphasage est donné par l’expression :
| 2 – 1 |
(2-6)
Avec 2 est la phase initiale de la tension et 1 celle du courant.
Le déphasage peut se présenter sous trois formes :
- Lorsque le déphasage est nul, la tension u et le courant i sont en phase : on rencontre le
déphasage nul en cas des résistances ohmiques pures (lampe à incandescence, résistance
chauffante, etc.).
- Déphasage en quadrature, = ; c’est le cas du circuit purement inductif si le
déphasage est avant. Dans le cas contraire, il est en circuit purement capacitif.
- Déphasage en opposition de phase, = π ; lorsque le déphasage est de π
radians ou 180°, la tension u et le courant i sont en opposition de phase.
2.1.2.4. Les valeurs efficaces
En régime alternatif, les valeurs indiquées par des appareils de mesure sont toutes des valeurs
dites valeurs efficaces. Ce sont le courant efficace et la tension efficace notés Ieff et Ueff.
1)- L’intensité efficace Ieff du courant
L’intensité efficace d’un courant alternatif Ieff correspond à l’intensité d’un courant continu
qui, passant dans le même conducteur, y produirait durant chaque période le même effet
thermique (dégagement de chaleur par effet joule).
Soit un conducteur de résistance R parcouru par un courant alternatif sinusoïdal de période T.
L’énergie calorifique infinitésimale du dégagée pendant une durée de temps dt est égale à :
dw = R.i2 dt (Loi de joule)
Pendant une période T, on a :
W =
W = R.
Par équivalence, d’après la définition W = RI2 t, on a :
R.I2t = R.
D’où l’intensité efficace :
I2 = dt (2-7)
L’égalité (2-7) signifie que le carré de l’intensité efficace I est égal à la valeur moyenne, dans
une période T, du carré de l’intensité du courant instantané i.
La valeur moyenne d’une fonction y = f(t) dans un intervalle [a,b] est donnée par :
F =
Posons i = I m sin (ωt). Ce qui implique:
I2 =
On sait que cos (2) = 1 - 2 2 2 = (1 - cos2 )
(1 – cos2ωt)
Donc, I2 = peut s’écrire comme ci-après :
I2 =
=
=
= -
= - Or sin (4π) = 0
On a I2 =
Alors Ieff = (2-8)
Pour mesurer l’intensité efficace Ieff, on peut utiliser un ampèremètre thermique ou un
ampèremètre ferromagnétique à palette de fer doux ou un ampèremètre magnéto électrique
branché en série.
2)- La tension efficace Ueff
La tension efficace Ueff d’une tension alternative u est égale à la tension continue qui,
appliquée entre les extrémités de la résistance pour R, y produirait durant chaque période la
même dégagement de chaleur par effet Joule.
Par définition : W = U.I.T =
Or i = et I =
D’où w devient w = car w = R.
Ce qui implique : U2 = avec u = um sin (ωt)
U2 =
Alors Ueff =
(2-9)
Tout voltmètre approprié, branché en dérivation entre les deux points d’une résistance pure R
peut être utilisé pour mesurer la tension efficace.
3)- Notion d’impédance
En courant alternatif, on appelle impédance Z d’une portion du circuit électrique le quotient
de la tension efficace Ueff aux bornes de cette portion par l’intensité efficace du courant
qu’elle a parcourue. L’unité de l’impédance est l’ohm (symbole ).
Z = (2-
10)
d’où U = Z. I
(2-11)
2.1.3. Mesures en électricité
2.1.3.1. L’intensité du courant
Un courant électrique passe lorsqu’on ferme l’interrupteur de commande d’un circuit
électrique. Le courant électrique est un déplacement d’électrons qui sont des charges
électriques négatives. Son intensité noté I se mesure à l’aide d’un ampèremètre toujours
branché en série dans le circuit et elle s’exprime en ampère (A) et en milliampère (mA) pour
les faibles intensités. Le courant électrique qui peut circuler à travers un appareil est plus ou
moins élevé suivant la puissance électrique minimale dissipée. La valeur maximale du courant
figure souvent sur la plaque signalétique d’utilisation des appareils.
2.1.3.2. La tension
La circulation du courant entre deux points d’un circuit est due à une différence de potentiel,
ou tension, entre ces deux points. Elle est notée par la lettre U, le volt (symbole V) est l’unité
de tension ; on emploie souvent le millivolt mV pour les basses tensions et le kilovolt kV pour
les hautes (fortes) tensions. Une tension se mesure avec un voltmètre toujours monté en
dérivation aux bornes des appareils sur le circuit.
2.1.3.3. Puissance électrique
La puissance électrique mise en jeu entre deux points d’un circuit est égale au produit de la
tension entre ces deux points par l’intensité du courant. Pour un appareil, la puissance
symbolisée par la lettre P, indiquée sur la plaque signalétique correspond à la quantité
d’énergie ou de travail que peut fournir cet appareil en une seconde.
L’unité de puissance est le watt (symbole W). On emploie souvent les multiples de cette
unité : le mégawatt (MW) et le kilowatt (kW), ils valent respectivement 106 watts et 103 watts.
On mesure la puissance à l’aide d’un wattmètre. Il y a différents types de puissance : la
puissance apparente ou nominale souvent marquée par le constructeur sur la plupart des
appareils, la puissance utile ou absorbée ou active, la puissance réactive, etc.
2.1.3.4. Energie électrique
Tout récepteur électrique (appareil ou machine) absorbe de l’énergie électrique lorsqu’il
fonctionne. L’énergie absorbée par un appareil est égale au produit de la puissance
consommée par le temps de fonctionnement. La plupart des appareils électriques, lorsqu’ils
fonctionnent absorbent de l’énergie électrique et la restitue sous d’autres formes mécanique,
lumineuse, calorifique.
L’énergie électrique ou l’électricité est produite industriellement dans les centrales électriques
(centrale thermique, centrale hydroélectrique et autres). L’énergie électrique peut quantifier la
facture selon le nombre de kWh consommés, qui est indiqué clairement par l’index du
compteur électrique de la JIRAMA. L’unité d’énergie est le joule (symbole J), l’unité le
wattheure (symbole Wh) et son multiple kilowattheure (symbole kWh) sont souvent utilisés.
2.2. Le transformateur
Il est souvent nécessaire d’alimenter des appareils à partir de tensions alternatives de valeurs
efficaces différentes de 220V qui est la valeur efficace de la tension du courant électrique
distribué par la JIRAMA. En outre, afin de transporter l’énergie électrique produite par les
centrales électriques avec le moins de perte par effet Joule possible dans les lignes de
transport et de distribution qui sont souvent atteintes des dizaines ou même des centaines de
kilomètres, il est nécessaire de modifier, et de changer les tensions alternatives produites par
ces centrales. En effet, on utilise pour ceux-ci des transformateurs.
2.2.1. Structure
Un transformateur est constitué de deux parties principales : le circuit magnétique et les
enroulements. Le circuit magnétique fermé se compose de tôles de fer empilées les unes sur
les autres et qui sont de formes en « huit ». Les deux enroulements des fils cuivre émaillés
sont disposés sur les noyaux et isolés l’un de l’autre et du circuit magnétique, on les appelle
enroulement primaire et enroulement secondaire ou simplement primaire et le secondaire
2.2.2. Principe de fonctionnement
Le primaire est alimenté par un courant alternatif à modifier (le courant du secteur, le courant
produit par une centrale pour le transformateur de distribution). Le secondaire fournit une
tension au circuit d’utilisation, c’est la tension de sortie.
Lorsque le primaire est alimenté par un courant variable, il y a induction dans le secondaire et
une force électromotrice f.é.m. d’induction due à la variation de flux embrassé par ce
secondaire prend naissance.
Si N1 et N2 sont les nombres des spires respectives du primaire et du secondaire, et le primaire
est alimenté par une tension alternative de tension U1 (tension d’entrée), la tension du
secondaire U2 (tension de sortie) est égale à :
U2 =
(2-12)
Nous avons alors :
U1 .N2= U2.N1 (2-
13)
2.2.3. Rapport de transformation
Le rapport de transformation noté m est le rapport de la valeur efficace de la tension de sortie
(secondaire) par celle de la tension d’entrée (primaire). Le rapport des nombres de spires
secondaires et primaires est également représentatif du rapport de transformation m.
Donc on a :
m = =
(2-14)
Connaissant la valeur du rapport de transformation d’un transformateur et la valeur efficace
de la tension d’entrée, on peut calculer la valeur efficace de la tension de sortie.
U2 = m . U1
(2-15)
2.2.4. Utilisation d’un transformateur
Un transformateur peut être considéré comme un outil permettant :
- Soit d’abaisser la tension du secteur 220V au dessous de 24V pour alimenter
certains appareils électriques : transformateur dévolteur ou abaisseur de tension.
- Soit d’augmenter la tension à la sortie de l’alternateur d’une centrale électrique
afin d’obtenir de haute tension ou de très haute tension (supérieure à 100.000 V)
nécessaires au transport de l’énergie électrique : transformateur survolteur ou
élévateur de tension.
Un transformateur permet d’abaisser ou d’élever la valeur efficace d’une tension alternative.
L’usage en électronique a très souvent recours à des transformateurs à puissance très petite,
donc le rapport de transformation est inférieur à l’unité 1. Là le transformateur est un
abaisseur de tension. Si le rapport de transformation m est supérieur à 1, le transformateur est
un élévateur de tension. Là ce qui existe dans le poste de transformation pour les
transformateurs de puissance importante.
2.2.5. Transformateur triphasé
Au lieu d’amener le courant par un fil et de le voir repartir par les autres, on utilise trois fils
d’amenée, souvent en câble d’aluminium. Dans ces trois fils circulent des courants alternatifs
de même intensité sous la même tension, mais légèrement décalés dans le temps. On dit qu’ils
sont déphasés. Chaque fil est appelé phase. Ainsi pour une énergie transportée, la perte
d’énergie par effet Joule en triphasé est en moitié moindre qu’avec une ligne monophasée.
Cette astuce d’économie est utilisée dans le transport sous très haute tension (T.H.T) et
moyenne tension (M.T). Une distribution économique de l’électricité est fondée sur l’emploi
des lignes triphasées en haute tension.
Un transformateur triphasé peut résulter soit de l’association de trois transformateurs
monophasés identiques, soit en bobinant les enroulements sur trois colonnes d’un circuit
magnétique commune. Les trois enroulements primaires et les trois enroulements secondaires
sont couplés soit en étoile Y, soit en triangle . Ainsi quatre combinaisons de couplage sont
possibles :
- Etoile-étoile (Y-Y)
- Etoile-triangle (Y- )
- Triangle-triangle ( - )
- Triangle-étoile ( -Y)
On note par U1 la tension entre deux fils de phase du primaire et U2 la tension entre deux fils
de phase du secondaire. Le rapport de la transformation pour le transformateur triphasé est
noté mT et égal à :
mT =
2.3. Le redressement
Tous les montages de l’électronique ont besoin pour fonctionner d’une ou plusieurs
alimentations en tension constante. Le redressement est applicable surtout pour des appareils
sous tensions généralement très faible qu’à celle du réseau de distribution. La technique la
plus répandue pour obtenir ces tensions consiste :
1° à abaisser la tension du secteur alternatif à l’aide d’un transformateur,
2° à transformer en tension continue la tension alternative délivrée par le transformateur.
Cette opération s’appelle redressement.
3° à alimenter l’ondulation considérable que possible la tension redressée pour en faire une
tension continue constante. Cette opération s’appelle filtrage.
La tension redressée filtrée est constante si la capacité du condensateur est grande à une
charge moins importante. Un redresseur est un dispositif comprenant des composants
purement électroniques (des résistances de protection, condensateurs de lissage et des iodes,
etc.). Il a pour fonction de redresser le courant initialement alternatif pour donner un courant
continu. Le courant peut ensuite être stabilisé. Ce genre de dispositif n’est pas apte à délivrer
de forte puissance mais illustre de redressement. Il y a de différentes sortes de redressement
selon la nature et l’allure du courant vu à l’écran de l’oscilloscope.
2.3.1. Le redressement simple alternance
C’est un redresseur qui comporte une diode et autres composants électroniques. On appelle
aussi ce type de redressement par redressement mono-alternance.
On observe :
1° que la tension de crête délivrée par le transformateur est :
UMax =
2° qu’une seule alternance sur deux est transmise à la charge R ;
3° que les arches de la sinusoïdale après redressement sont décalées de 0,7V en dessous de
celles de la sinusoïdale issue de transformateur (Figure 1.c).
La première observation n’a aucune relation avec le redressement. C’est une loi fondamentale
du courant alternatif sinusoïdal. La seconde observation est due à ce que pendant les
alternances négatives, l’alternateur polarise la diode en inverse. Le courant ne passe donc pas,
à moins que la tension de claquage de la diode ne soit atteinte, ce qu’il faudra bien veiller à
éviter dans tous ces montages.
La troisième remarque s’explique par l’existence de la tension de seuil de la diode (Figure 1).
Nous appelons u la tension à la sortie du transformateur, uc la chute de tension aux bornes de
la charge et uD, celle de la diode. La tension aux bornes du redressement est :
u = uD + uC
uC = u - uD
Ce qui implique le décalage des tensions sur l’oscilloscope.
Le décalage des courbes est indécelable quand la tension crête issue du transformateur est
grande par rapport au seuil de la diode.
Figure 1 : Allures et redressement monophasé
2.3.2. Le redressement double alternance
On l’appelle aussi montage à pont de Graetz. Ce type de redressement met en œuvre quatre
diodes identiques. Durant l’alternance positive de la tension initiale U, les deux diodes D1 et
D4 conduisent et les diodes D2 et D3 sont bloquées. La tension aux bornes de la charge est
sensiblement égale à U. Pendant l’alternance négative de U, c’est l’inverse qui produit, les
diodes D1 et D4 sont bloquées et les diodes D2 et D3 conduisent. La tension aux bornes de la
charge reste positive car sensiblement égale à –U.
Le redressement obtenu est bi-alternance et la tension aux bornes de la charge a pour valeur :
UR = | | - 2U0 (2-
17)
2.3.3. Le redressement à point milieu
Ce montage utilise un transformateur possédant deux enroulements secondaires identiques et
deux diodes. Le fil du point milieu est le fil relié à la masse du circuit. Les deux autres fils
portent chacun une diode identique. Les secondaires sont branchés de manière que les
tensions sinusoïdales existant entre en chacune de leurs extrémités et leur point commun
soient en opposition de phase.
Les tensions U1 = et U2 = obtenues aux bornes du transformateur sont en opposition de
phase. Durant l’alternance positive de U, U1>0 : D1 conduit et U2<0 : D2 est bloquée. Durant
l’alternance négative de U, U1<0 : D1 est bloquée et U2>0 : D2 conduit. La tension aux bornes
de la charge reste toujours positive UR>0.
En négligeant la tension de seuil U0, la tension aux bornes de la charge a pour valeur :
UR = (2-
18)
2.3.4. Le redressement triphasé
Il est utilisé comme l’injection de freinage des moteurs électriques dans les usines. Il existe
deux types de redressements triphasés :
- Le redressement mono alternance triphasé qui nécessite l’emploi de trois
diodes identiques montées sur chacune des phases.
- Le redressement double alternance triphasée qui met en œuvre six diodes
identiques dont les trois d’entre elles ont leur cathode commune qui correspond à la
borne d’entrée du courant dans la charge ; les trois autres ont leur anode commune qui
correspond à la borne de sortie du courant de charge.
2.4. Utilisation de courant alternatif
Ce régime est appliqué pour la plupart des appareils assez puissants : éclairage de ville ou
village, chauffage électrique, alimentation des moteurs asynchrones et synchrones.
2.4.1. Utilisation sous forme d’énergie calorifique
L’énergie électrique est alors dissipée, en transformant l’énergie électrique par des appareils
en énergie calorifique, par effet Joule. Il se dégage de la chaleur. Il est utilisé pour raison :
d’éclairage, de chauffer rapidement les chambres (maison, magasin, église, etc.), de projecteur
électrique, de congeler rapidement les aliments dans un réfrigérateur.
2.4.2. Utilisation sous forme d’énergie mécanique
L’utilisation des machines à moteur électrique consomme quelques dizaines de KW. Les
machines des menuisiers transforment l’énergie électrique sous forme de rotation qui fait pâlir
les planches, trouer et briser des bois, usiner les pièces métalliques.
2.4.3. Circuit électrique avec quelques types de montage
Dans cette partie, on va étudier seulement un circuit à résistances R, capacités C et inductance
L localisées, parcourues par des courants alternatifs.
2.4.3.1. Montage d’un circuit alternatif avec une seule résistance pure
Pour commencer, on étudie le cas d’un circuit simple dont on néglige l’inductance et la
capacité, le circuit est parcouru par un courant alternatif instantané de valeur :
i = iMax sin ωt
On cherche une loi qui régit la variation de la chute de tension entre les extrémités du circuit.
En appliquant la loi d’ohm aux bornes de la résistance R, on obtient :
u = R . iMax sin ωt
On voit que la tension entre les extrémités de la résistance varie, elle aussi, suivant une loi
sinusoïdale. Le déphasage entre les oscillations de courant et celle de tension est nul. La
tension et le courant atteigne leur valeur maximale et s’annule simultanément. La valeur
maximale de la tension est :
UMax = iMax R.
Les grandeurs i et u varient suivant une loi harmonique, peuvent être représentées de façon
parlante, à l’aide des diagrammes vectoriels. On choisit l’axe d’une manière que le vecteur
représentatif des oscillations du courant, comme un axe de référence, soit dirigé le long de cet
axe. On appelle cet axe par la suite axe des courants. Alors, le vecteur représentant les
oscillations de la tension sera dirigé en parallèle à l’axe des courants. On a vu que le courant
et la tension sont de même sens et parallèle. Donc ils sont en phase. La tension a un vecteur de
longueur égale à l’amplitude de la tension iMax R.
Figure 2: Circuit alternatif à résistance R
2.4.3.2. Circuit à courant alternatif présentant uniquement une capacité C
On suppose maintenant une portion de circuit comportant uniquement un condensateur de
capacité C. On établit une loi suivant laquelle variera la tension entre les extrémités du
condensateur. On désigne la différence de potentiel entre les points A et B par :
U = UA – UB (2-
19)
et on considère la charge q du condensateur et le courant i comme positifs.
Or, on a :
U = (2-
20)
Mais
i =
(2-21)
en intégrant dq, on, obtient
q =
(2-22)
Si l’intensité du courant i dans le circuit obéit à la loi alternative sinusoïdale :
i = i Max sin ωt
On a :
q= cos (ωt)dt + q0 (2-
23)
La constante d’intégration q0 désigne ici une charge constante quelconque du condensateur
qui n’est pas liée aux oscillations du courant. Il permet de poser q0 = 0. La tension à ces
bornes devient :
U =- sin (ωt - ) (2-
24)
Donc on a vu que lorsque le circuit est parcouru par un courant sinusoïdal, la tension aux
bornes du condensateur est aussi sinusoïdale, mais les oscillations sont déphasées de en
retard sur les oscillations du courant (Figure 3.f). Le résultat obtenu comporte un sens
physique bien simple. La tension entre les armatures du condensateur est bien définie, à un
instant donné, par la charge que portent les armatures. Cette charge a été développée par un
courant qui avait circulé pendant un stade antérieur des oscillations. C’est ce qui explique le
retard des oscillations de la tension par rapport aux oscillations du courant et ainsi à l’instant
t = 0 l’intensité du courant est nulle. Dès que l’alternance est négative, le condensateur
possède une charge négative et la tension entre ses armatures n’est pas nulle. Pour une charge
nulle, il est nécessaire de parcourir pendant un certains temps t1, un courant de sens positif.
La formule (2-24) montre que l’amplitude de la tension aux bornes du condensateur a pour
grandeur :
UMax =
(2-25)
En comparant cette expression à la loi d’ohm relative dans un circuit à résistance pure, on voit
que :
Xc =
(2-26)
On appelle cette quantité réactance de capacité ou capacitance. C’est exprimé en farads et ω
en s-1, Xc sera obtenue en ohms. On peut représenter les résultats obtenus par un diagramme
vectoriel. Le vecteur représentant les oscillations de la tension ne coïncide plus ici avec l’axe
des courants. Il est tourné dans le sens négatif (le sens des aiguilles d’une montre) d’un angle
égal à . La longueur de ce vecteur est égale à l’amplitude de la tension .
La relation (2-26) montre que la résistance de capacité Xc dépend aussi de la pulsation ω du
courant.
Figure 3:Etudes de la tension u(t) et des courants i(t)
2.4.3.3 Circuit à courant alternatif présentant uniquement une inductance L
On considère un troisième circuit où il ne comprend qu’une seule inductance L. On désigne
comme précédemment par : U = UA - UB, la différence de potentiel entre les points A et B
(Figure 3. b) et on considère le courant i comme positif lorsqu’il est dirigé de A vers B.
Lorsqu’une bobine d’inductance l est parcourue par un courant alternatif, il y a apparition
d’une f.é.m. d’auto-induction. En appliquant la loi d’Ohm relative à cette portion de circuit,
on a :
U = Ir – Є
(2-27)
Dans le cas où r = 0, la f.é.m. d’auto-induction, d’après la formule (2-27), est : Є = -L
Donc :
U = L
(2-28)
Si l’intensité du courant dans le circuit varie suivant une loi sinusoïdale : i = i Max sin ωt, on a :
U = iMax ω L cos ωt. (2-
29)
Mais cos ωt = sin (ωt + ), d’où :
U = iMax ω L sin (ωt + ) (2-
30)
En comparant les deux relations, on voit que les oscillations de la tension aux bornes d’une
inductance sont déphasées de en avance sur les oscillations du courant. A l’instant où
l’intensité croissante du courant passe par zéro, la tension atteint son maximum ; après, elle
commence à décroître ; et lorsque l’intensité du courant dévient maximale, la tension passe
par zéro et ainsi de suite. Le sens physique de ce déphasage est le suivant : si la résistance de
la portion du circuit est nulle, la tension appliquée compense exactement la f.é.m. d’auto-
induction, elle est égale à la f.é.m. d’auto-induction changée de signe. Mais cette dernière est
proportionnelle à la vitesse de sa variation ω (ou pulsation) qui sera maximale à des instants
où l’intensité du courant passe par zéro. C’est pour cette raison que les maximums de tension
coïncident avec le zéro du courant et inversement.
De la formule (2-29), on en déduit que l’amplitude de la tension s’exprime par :
UMax = iMax ω L,
(2-31)
et on a donc la grandeur :
X L = ωL.
(2-32)
Cette expression joue le rôle d’une résistance de la portion du circuit. On l’appelle réactance
d’induction. De même que pour le cas précédents, les résultats obtenus dans ce circuit peuvent
être représentés par un diagramme vectoriel (Figure 3.d). Le vecteur représentant les
oscillations de la tension est tourné dans le sens positif par rapport à l’axe de courant d’un
angle égal à et sa longueur est celle de l’amplitude de la tension iMax ω L
2.4.3.4. Circuit comportant une résistance, un condensateur et une bobine
En utilisant les résultats obtenus au cours de sous titres 2.4.3.2, 2.4.3.3 et 2.4.3.4, on peut
trouver la relation entre les oscillations du courant et les oscillations de la tension dans
n’importe quel circuit à courant alternatif. On considère d’abord un cas où une résistance R,
un condensateur de capacité C et une bobine d’inductance L montées en série. Le courant
dans ce circuit reste toujours, comme le cas précédent, variable suivant une loi sinusoïdale.
i= iMax sin ωt.
Puisque dans un montage de conducteurs en série, les tensions aux bornes de chaque
composants s’ajoutent, et la tension U aux bornes de l’ensemble vaut la somme de trois chutes
de tension : dans la résistance R, dans le condensateur C et dans la bobine d’inductance L dont
chacune varie dans le temps, d’après les trois sous titres citées ci-dessus, suivant une loi
sinusoïdale. Pour composer ces trois oscillations harmoniques, on utilise le diagramme
vectoriel des tensions de la figure. Les oscillations de la tension aux bornes de la résistance
sont représentées par le vecteur UR, dirigé le long de l’axe des courants et ayant une longueur:
UR= i MaxR et les oscillations aux bornes de la bobine et du condensateur sont représentées par
des vecteurs perpendiculaires à l’axe de courant et ayant respectivement des longueurs
UL = iMax ωL et UC=i Max . En composant les deux dernières oscillations, on obtient une
oscillation harmonique représentée par le vecteur Ux perpendiculaire à l’axe de courant de
longueur :
Ux = iMax (ωL - ) (2-
33)
Ainsi, la tension totale entre les extrémités A et B peut être considérée comme étant égale ç la
somme de deux oscillations : de la tension UR (nommée de composant active) en phase avec
le courant et la tension Ux (nommée de composant réactive) déphasée de 2
π sur le courant.
En s’additionnant, ces deux oscillations donnent une oscillation harmonique égale :
U = UMax sin (ωt + ) (2-
34)
La longueur du vecteur résultant étant égale à l’amplitude de la tension UMax, l’angle
formé par le vecteur résultant et l’axe de courant est égal au déphasage . Dans ce triangle, on
en déduit, en appliquant le théorème de Pythagore,
U = iMax 2. (2-
35)
Le rapport de la composante active de la tension UR à l’amplitude du courant iMax :
R = est appelée résistance ohmique du circuit. Dans un circuit électrique, la résistance
ohmique provoque de dégagement de chaleur par effet Joule. Quant au rapport :
X = (2-
36)
qu’on appelle la réactance du circuit et d’expression : X = ω.L – . Donc on peut obtenir le
déphasage entre les oscillations du courant et celles de la tension par la relation :
tg = . (2-
37)
Figure 4: Circuit R, L, C en série
2.4.3.5. Circuit résonance
Maintenant, on fait varier la pulsation ω des oscillations. On fait analyser tout d’abord les
variations de l’amplitude du courant :
Si ω = 0, on a = . Dans ce cas, la résistance R devient infiniment grande et le courant i
s’annule :
Lorsque ω augmente, le carré de la réactance ( )2 commence à diminuer.
Pour une pulsation ω = ω0 déterminée par la condition ω02 = , la réactance
( ) s’annule et la résistance apparente R du circuit prend sa valeur minimale, égale à
la résistance ohmique du circuit. Dans ce cas, l’intensité du courant atteint son maximum.
Pour ω > ω0 le carré de la réactance a une nouvelle valeur différente de zéro et il croît quand
la pulsation ω croît. Il entraîne encore une augmentation de la résistance R et une diminution
de l’amplitude du courant i qui tend asymptotiquement vers zéro.
La variation de i en fonction de ω qui est représentée graphiquement sur la Figure 4.b montre
trois correspondantes à trois valeurs différentes de la résistance ohmique R.
La formule montre que pour très petites pulsations, ω L << , tg prend
une valeur négative très grande. Par conséquent . Dans ce cas, le courant est déphasé
en avance par rapport à la tension et la partie réactive du circuit se comporte comme une
capacité. Quand on fait croître la pulsation ω, la réactance ( ) diminue en valeur
absolue, tout en restant négative et le déphasage diminue et égale à zéro si ω atteint ω0,
pulsation à la résonance (cela veut aussi dire que tg ). Si on fait croître encore la
pulsation d’une valeur supérieure à la pulsation ω0, la réactance ( ) devient positive
et augmente en même temps que la pulsation. On a donc : 0 < tg < et 0 < < . Cela
signifie que pour ω > ω0 le courant est déphasé en retard par rapport à la tension et la partie
réactive se comporte comme une inductance ; de plus, lorsqu’on augmente la pulsation ω, le
déphasage tend asymptotiquement vers sa valeur limite égale à .
Le déphasage, de même le courant i, dépend encore de la résistance R. La variation de au
voisinage de ω = ω0 est d’autant plus rapide que la valeur de la résistance R est plus petite et
si dans le cas limite où R = 0, la déphasage , varie par saut.
DDEEUUXXIIEEMMEE PPAARRTTIIEE
PPRROODDUUCCTTIIOONN DDEE LL’’ EENNEERRGGIIEE EELLEECCTTRRIIQQUUEE
Chapitre 3 : Les Alternateurs
L’alternateur, appelé aussi générateur est une machine tournante destinée à produire une
tension alternative. L’expérience de l’aimant tournant devant une bobine est l’image d’un
alternateur.
Le principe de fonctionnement de toutes les génératrices électriques actuelles repose sur le
principe d’induction électromagnétique qui est généralement expérimenté en déplaçant un
aimant permanent dans une bobine. Une tension se crée aux bornes de la bobine. Voyons une
génératrice de bicyclette qui fonctionne à l’aide d’un aimant permanent en acier pour créer de
champ d’induction. Mais la puissance délivrée est relativement faible, de l’ordre de quelques
watts à quelques dizaines de watts. Elle n’est pas préférable d’alimenter dans des milieux
demandant d’énormes énergies. Si on désire avoir un générateur de puissance plus importante,
il faut recouvrir à l’électroaimant (remplacer l’aimant permanent à l’électro aimant).
Pour réaliser un électroaimant, il suffit de faire parcourir par un courant une bobine de fil
conducteur enroulé autour d’un noyau de fer pur. L’aimant obtenu est plus puissant que
l’aimant permanent.
3.1. Constitution et fonctionnement d’un alternateur
Dans un alternateur : la bobine siège de la tension induite est nommée induit, et
l’électroaimant, origine de l’induction, est appelé inducteur. Un alternateur comporte deux
parties essentielles : le rotor et le stator.
3.1.1. Le rotor
Le rotor, également appelé roue polaire, est un organe mobile portant des enroulements,
alimentés en courant continu assuré par l’intervention de bagues et de balais. Il est composé
de deux coquilles polaires emboitées l’une dans l’autre, formant chacune plusieurs pairs de
pôles et l’ensemble donne des pôles alternativement nord et sud. Ces coquilles conduisent le
flux magnétique généré par le noyau bobiné, vers le stator en passant par l’air de l’entrefer.
La bobine inductrice en fil de cuivre émaillé est enroulée sur un noyau d’acier concentrique à
l’arbre. Elle est de la forme cylindrique et fait un ensemble très robuste. L’alimentation de la
bobine se fait par deux bagues (pistes conductrices) solidaires de l’arbre en rotation sur
lesquelles frottent les balais. L’un des balais est relié à la masse de l’alternateur (relié au pôle
négatif de la batterie pour l’alternateur de l’automobile) et l’autre balai frotte sur une bague
isolée de fer. Les balais permettent d’amener le courant d’excitation sur le rotor. Le rotor
tourne à l’intérieur du stator. Son diamètre est très légèrement inférieur à celui de l’alésage du
stator (la différence des rayons est égale à l’entrefer).
3.1.2. Le stator
Il se présente sous l’aspect d’un anneau fixe. Il porte dans ses encoches les enroulements
induits qui sont le siège de la force électromotrice induite. Soumis au flux tournant du rotor, il
est constitué par un empilage de tôles feuilletées et isolées entre elles dans le but de réduire au
minimum les pertes de courants de Foucault. Le flux tournant du rotor génère dans les
enroulements statoriques une f.é.m. d’induction alternative et sinusoïdale.
Figure 5: Coupe d’un alternateur
3.1.3. Force électromotrice induite - Fréquence
La f.é.m. induite créée dans les enroulements du stator a pour valeur efficace E. Elle est
proportionnelle à la fréquence de rotation n du rotor (nombre de tour effectués par seconde),
au nombre de paires de pôles p, au flux maximal Ø embrassé par une spire et au nombre N de
spires de l’enroulement du stator. Soit :
E = K.p.N.n. Ø
(3-1)
où K est le coefficient dit de Kapp dépendant des caractéristiques constructives de la machine.
Le rotor de l’alternateur comporte p paires de pôles a pour fréquence f qui est proportionnelle
à sa fréquence de rotation n :
f = p.n (3-2)
La plupart des réseaux de distribution d’électricité délivrent une fréquence de 50Hz. Ceci
implique que l’alternateur de production d’énergie doit être entraîné à une fréquence de
rotation égal à :
3000 tr/min s’il est bipolaire (p=1),
1500 tr/min s’il est tétrapolaire (p=2),
1000 tr/min s’il est hexapolaire (p=3),
Et ainsi de suite…
Car :
fn
p=
(3-3)
Pour une fréquence fixe d’un alternateur, le nombre de tours (vitesse de rotation) n et le
nombre de paires de pôles sont des grandeurs inversement proportionnels. Un alternateur de
quatre paires de pôles par exemple a une vitesse de rotation moins de quatre fois qu’un
alternateur possédant une paire de pôles. D’après la formule (3-3), on obtient n = 750 trs/min.
3.1.4. Mode d’excitation
L’indicateur est constitué des électroaimants tournant qui sont toujours alimentés par un
courant continu. Le courant d’excitation peut être obtenu par des différentes manières :
- soit avec une batterie ;
- soit par un générateur à courant continu, monté au bout de l’arbre de l’alternateur ;
- soit par auto-excitation : à l’aide d’un convertisseur de courant ou un redresseur du courant
alternatif délivré par un petit alternateur et le réinjecter dans le circuit inducteur ;
- soit par un dispositif de redressement de courant alternatif alimenté par une machine
synchrone.
3.2. L’alternateur triphasé
C’est un alternateur qui utilise trois enroulements (bobines) décalés dans l’espace l’un par
rapport aux autres de un tiers de circonférence (120°). Lorsque le rotor tourne, on obtient dans
chacun des enroulements qu’on désigne par E1, E2 et E3, déphasées de 2π/3 chacun par rapport
à celle qui la précède. Si l’équation de la f.é.m. engendrée dans l’enroulement E1 s’exprime
par la formule :
Є1 = Є0 sinωt
Les deux f.é.m. produites dans les deux autres enroulements ont pour équations respectives :
Є2 = Є0 sin (ωt - 23
π) (3-4)
Є3 = Є0 sin (ωt – 4 3
π)
(3-5)
La variation en fonction du temps des f.é.m. développées dans les trois enroulements est
représentée graphiquement sur la Figure 7. Chacun des enroulements ferme une résistance
d’utilisation respective r1, r2 et r3 et donc obtenir trois courants alternatifs qui sont caractérisés
par des déphasages rigoureusement constants. Un système de trois courants alternatifs
coordonnés s’appelle système triphasé ou courant triphasé (Figure 6).
a)
Montage en étoile
b)
Montage en triangle
Figure 6: Montage de l’enroulement
Figure 7: Allures des tensions triphasées
Les nombres de conducteurs qui relient l’alternateur à la charge peuvent être réduits, de même
que dans le cas de courant triphasé. Si on relie en un fil commun l’un des sommets de chacun
des trois enroulements, on obtient dans ce cas un montage en étoile d’un alternateur (Figure
6.a). On appelle ce point commun, en électricité, par neutre (N) et phase (P) l’extrémité
respectif de chacun des enroulements (Figure 7).
On suppose que l’alternateur est en circuit ouvert (c’est-à-dire r1 = r2 = ∞) et on cherche la
relation qui existe entre la tension simple (c’est-à-dire la tension entre phase et neutre) notée
respectivement par V1, V2 et V3 et la tension composée entre deux fils deux phases U1, U2 et
U3. Il est évident que la tension aux bornes de chaque enroulement est égale à la tension
simple V et sa valeur maximale est Є0. La tension composée entre n’importe quels deux
autres conducteurs (phase-phase) sera identique. Si on veut déterminer par exemple la tension
entre la phase 1 et la phase 2, elle est égale à la différence de potentiel entre les extrémités
libres des enroulements E1 et E2 :
Є = Є0 sin ωt – Є0 sin (ωt - 2 ) (3-6)
= 2 Є0 sin . cos (ωt - )
Mais Sin = , cos (ωt - ) = sin(ωt + ), d’où (3-6) donne :
Є = Є0 sin (ωt + ).
On a donc une tension composée qui varie avec la même fréquence ω que la tension simple
mais son amplitude est √3 fois celle de la tension simple. Ainsi, lorsque les enroulements de
l’alternateur sont montés en étoile, on peut obtenir dans la ligne deux tensions différentes, à
savoir la tension simple Є0 et la tension composée Є0√3.
On suppose maintenant que l’alternateur est chargé par des résistances d’utilisation montées
entre elles aussi en étoile. Ses valeurs sont égaux : r1 = r2 = r3 (charges équilibrées). Dans ce
cas, les courants dans chacun des fils de phase 1,2 et 3 auront la même valeur maximale i0 et
varieront suivant les lois :
i1 = i0 sin ωt, i2 = i0 sin (ωt - 2 ), i3 = i0 sin (ωt - 4 ). (3-7)
Dans le fil du neutre (point commun des trois enroulements), l’intensité du courant i sera
égale à la somme de tous les courants composés :
i = i1 + i2 + i3 (3-8)
et on a : i =i0 sin ωt + i0 sin (ωt - 2 ) + i0 sin (ωt - 4 ).
Mais : sin (ωt - 2 ) + sin (ωt - 4 ) = 2 sin (ωt -π) cos
= sin (ωt - )
= - sin ωt
D’où : i = i1 + i2 + i3 = 0
Ainsi, lorsque les charges sont équilibrées, l’intensité du courant dans le fil commun est nul
d’où le nom de fil neutre noté N. Les enroulements d’un alternateur peuvent être couplés
d’une autre manière, soit en triangle, soit en étoile (Figure 6). Il semble à première vue que
dans ce cas les enroulements de l’alternateur soient fermés entre eux-mêmes (mis en court
circuit). En effet, il en serait ainsi comme trois sources de courant continu. Or, en réalité, ce
sont des sources à trois f.é.m. alternatives présentant des déphasages l’une sur les l’autres, ce
qui change radicalement la situation (Figure 7). A ce montage, la force électromotrice de
chacun des enroulements s’ajoute vectoriellement et donne la valeur résultante égal à :
Є = Є 1 sin ωt + Є 2 sin (ωt - 23
π) + Є 3 sin (ωt - 4
3
π). (3-9)
Or, on a déjà calculé cette somme sur la page ci-dessus et on a vu qu’elle était nulle. La f.é.m.
résultante dans le montage en triangle est nulle et si le générateur ne débite pas, ses
enroulements ne seront pas mis en court circuit et en général ne seront parcourus par aucun
courant.
Dans le montage en triangle, on peut conclure sans procéder des calculs que les tensions
composées (entre n’importe deux bornes) sont égales aux tensions simples (Figure 6.b).
Lorsque l’alternateur ne débite pas, l’amplitude des tensions composées est égale à
l’amplitude de la f.é.m. Є0 engendrée dans un roulement.
Concernant les montages de l’alternateur et le récepteur, on veut avoir une connexion
identique : soit en étoile, soit en triangle. On peut dire aussi que des montages combinés sont
également possibles, par exemple, un montage en étoile pour le générateur et un montage en
triangle pour le récepteur d’énergie ou, inversement, un triangle pour le générateur et une
étoile pour le récepteur.
Chapitre 4 : Sources et production d’énergie électrique
4-1. Sources d’énergies
L’épuisement à plus ou moins long terme des gisements d’énergie concentrée impose que
l’on se penche dès maintenant sur les sources d’énergie diffuses. La vitesse à laquelle la
source se régénère mais aussi la vitesse à laquelle elle est consommée de définir le caractère
renouvelable d’une énergie.
4.1.1 Les énergies non renouvelables
Le pétrole, l’uranium, le gaz naturel et le charbon ne sont pas des sources d’énergie
inépuisables. Il faudra des millions d’années pour reconstituer des stocks d’énergie fossile que
l’on consomme actuellement. De même, la réserve d’uranium disponible sur terre étant
limitée. Ce sont donc des énergies non renouvelables, les ressources étant consommées à une
vitesse bien supérieure à la vitesse à laquelle ces ressources sont naturellement créées. Elles
n’ont pas de caractère renouvelable.
4.1.2 Les énergies renouvelables
Les énergies renouvelables correspondent à différentes sources d’énergie qui se renouvellent à
l’échelle humaine de vie et de temps. En d’autre terme, une énergie renouvelable est une
énergie exploitée par l’homme, de telle manière que ses réserves sont inépuisables. Autrement
dit, sa vitesse de formation doit être plus grande que sa vitesse d’utilisation. Il existe différents
types d’énergie.
Les énergies renouvelables sont issues de phénomènes naturels réguliers provoqués par les
astres, système terre-lune, principalement le soleil qui est à l’origine de nombreuse énergie
renouvelable, son rayonnement constitue en lui-même une énergie exploitable. Ce
rayonnement donne aussi naissance à d’autre forme d’énergie, ainsi on prend comme exemple
le cycle de l’eau qui se permet de créer de l’hydroélectricité. La chaleur interne de la terre est
aussi une source d’énergie considérée comme renouvelable, la géothermie.
Il existe différents types d’énergies renouvelables, telles que :
- L’énergie solaire,
- L’énergie éolienne,
- L’énergie géothermique,
- L’énergie hydraulique,
- L’énergie biomasse.
4.1.2.1. L’énergie solaire
L’énergie solaire à directement pour origine l’activité du soleil. Le rayonnement solaire est un
rayonnement électromagnétique dans laquelle on trouve notamment les rayons cosmiques
gamma, X, la lumière visible, l’infrarouge, les micro- onde et les ondes radios en fonction de
la fréquence d’émission. Tous ces les types de rayonnement électromagnétique émettent de
l’énergie. Le niveau d’irradiante (le flux énergétique) arrivant à la surface de la terre dépend
de la longueur d’onde du rayonnement solaire.
On distingue :
- L’énergie photovoltaïque qui utilise le rayonnement lui-même.
- L’énergie solaire thermique qui utilise la chaleur transmise par rayonnement.
L’énergie solaire photovoltaïque
L’énergie solaire photovoltaïque se base sur l’effet photoélectrique pour créer un courant
électrique continu à partir d’un rayonnement électromagnétique. Cette source de lumière peut
être naturelle (soleil) ou bien artificielle (lampe). Pour capter le rayonnement solaire, on
utilise un dispositif appelé panneau solaire photovoltaïque.
L’énergie solaire thermique
Dans les conditions terrestres, le rayonnement thermique se situe entre 0,1 à 100 micromètres.
Il se caractérise par l’émission d’un rayonnement au détriment de l’énergie calorifique du
corps émetteur. Ainsi un corps émettant un rayonnement thermique voit son énergie
calorifique augmenter. Le soleil émet principalement dans le rayonnement visible, entre 0,4 et
0,8 micromètres. Ainsi rentrant en contact avec u corps, le rayonnement solaire augmente la
température de ce corps : c’est de l’énergie solaire thermique. L’énergie solaire thermique
peut être utilisée soit directement pour chauffer des aliments (fours solaires) ou de l’eau
sanitaire (panneaux solaires chauffant), soit indirectement pour la production de vapeur d’un
fluide caloporteur pour entraîner des turbines et aussi obtenir une énergie électrique (énergie
solaire thermodynamique)
4.1.2.2 L’énergie éolienne
L’énergie éolienne est une forme indirecte de l’énergie solaire puisque ce sont les différences
de températures et de pression induite dans l’atmosphère par l’absorption du rayonnement
solaire qui mettent les vents en mouvement. C’est l’énergie mécanique des déplacements de
masses d’air qui est à la base de l’énergie mécanique. L’énergie éolienne est exploitée à l’aide
des éoliennes qui transforment cette énergie mécanique en énergie électrique.
4.1.2.3. L’énergie géothermique
Le noyau central de notre planète est le siège de très hautes températures. Plus on s’enfonce
dans le sol, plus celle-ci augmente. L’énergie géothermique est l’énergie de la terre convertie
en chaleur. Dans les couches profondes, la chaleur de la terre est produite par la radioactivité
naturelle des roches qui constituent la croûte terrestre. C’est l’énergie nucléaire produite par la
désintégration de l’uranium, du thorium et du potassium.
L’énergie géothermique contenue dans le sol est exploitée pour l’utiliser sous forme de
chauffage ou pour la transformation en électricité par l’intermédiaire d’un turboalternateur
4.1.2.4. L’énergie hydraulique
L’énergie hydraulique est aussi une dérivée de l’énergie solaire. Les phénomènes
météorologiques prélèvent de l’eau principalement dans les océans et en libérant une partie
sur les continents à des altitudes variables : c’est le cycle de l’eau. De l’eau en altitude
possède une énergie potentielle de pesanteur. Cette énergie est peut être lors captée et
transformée, lors des mouvements de l’eau qui retourne vers les océans. Sa conversion en
énergie mécanique et électrique est techniquement au point depuis très longtemps.
D’autre énergie hydraulique existent et elles sont généralement de source marine :
- l’énergie des vagues,
- l’énergie marémotrice,
- l’énergie hydrolienne,
- l’énergie thermique des mers,
- l’énergie osmotique.
4.1.2.5. La biomasse
Elle s’agit d’énergie solaire stockée sous forme organique grâce à la photosynthèse. Elle est
exploitée par combustion. Cette énergie est renouvelable à condition que les quantités brûlées
n’excèdent pas les quantités produites. Cette condition n’est pas toujours remplie ; on peut
citer notamment les bois et les biocarburants.
La photosynthèse est réalisée par les plantes. Le rayonnement solaire absorbé par le tissu vert
des plantes fournit de l’énergie pour réduire le dioxyde de carbone de l’atmosphère et former
des carbohydrates, qui sont ensuite utilisées comme source d’énergie et de matières premières
pour toutes les autres réactions synthétiques de la plante.
L’énergie solaire est aussi captée et stockée sous forme d’énergie chimique. Les matières
cellulosiques constituent donc une réserve considérable d’énergie.
Les avantages de cette source d’énergie sont ses caractères renouvelables et non polluants,
son stockage facile. Cependant, le rendement de conversion de l’énergie solaire en énergie
chimique est faible. En plus, la croissance de la population et l’appauvrissement des
ressources en bois conduisent à une déforestation excessive perturbant les milieux naturels.
4.2. Les centrales électriques
Une centrale de production d’énergie électrique ou centrale électrique est un site industriel
destiné à la production d’électricité. Les centrales électrique transforment différentes sources
d’énergie naturelle en énergie électrique afin d’alimenter en électricité les consommateurs,
particulier ou industriels relativement lointains. Le réseau électrique permet de transporter
puis de distribuer l’électricité jusqu’aux consommateurs.
Hormis dans les centrales électrique photovoltaïque, la génération d’électricité est assurée par
un alternateur entraîné en rotation par une turbine ou par éolienne qui est aussi une sorte de
turbine dans les centrales éolienne ou par un moteur diesel stationnaire dans quelques cas
rares.
Selon la nature de sources d’énergie exploitées pour produire de l’énergie électrique, il existe
plusieurs types de centrales électriques.
4.2.1 Les centrales thermiques à flamme
Une centrale thermique classique ou à flamme transforme l’énergie thermique d’un
combustible en énergie mécanique puis en énergie électrique. Elle est constituée d’une
chaudière et d’une turbine couplée d’un alternateur. Ce type de centrale utilise comme
combustible les sources d’énergie fossile : le plus souvent des charbons, mais on trouve aussi
des chaudières utilisant de la bio masse, des gaz naturels, de pétrole, des fuels.
Le combustible est brûlé dans une chaudière pour produit de la vapeur surchauffée (énergie
thermique) alimentant la turbine qui entraîne le rotor de l’alternateur. L’énergie électrique est
obtenue par conversion de l’énergie électrique produite par la turbine en rotation couplant
l’alternateur. En sortie de la turbine le refroidissement de la vapeur peut être assuré par une
réserve d’eau (cours d’eau par exemple). Le rendement de conversion mécanique-électrique
est d’environ 98%. L’essentiel des pertes se fait donc sur la conversion thermique mécanique.
Les avantages de ce type de centrale sont :
- La production d’énergie est indépendante des conditions météorologiques,
- La source d’énergie peut être, dans une certaine mesure facilement stockée,
- La puissance unitaire des centrales peut être très élevée. Une centrale thermique en flamme
fournit une puissance électrique de l’ordre de quelques centaines de mégawatts (variant de
100 à 700 mégawatts).
Cependant ces centrales peuvent provoquer beaucoup d’obstacles. Les sources d’énergie
fossile ont comme principaux défauts d’être épuisables (non retrouvables) et d’être à l’origine
d’une pollution de l’air. Les centrales thermiques à flamme produisent du dioxyde de carbone
(gaz à effet de serre), des oxydes d’azote et du souffre et d’autres polluants (poussière,
métaux lourds) contribuant à la production d’ozone troposphérique et de pluies, brumes et
brouillard acides. De plus elles induisent une dépendance à l’égard de producteur de
ressources (pétrole, gaz, charbon,…).
4.2.2. Les centrales nucléaires
Une centrale nucléaire transforme l’énergie thermique produite par la fission, c’est à dire le
fractionnement des noyaux d’uranium ou d’un mélange uranium- plutonium, dans le réacteur,
en énergie mécanique puis en énergie électrique par l’intermédiaire d’une turbine qui entraîne
le rotor d’un alternateur.
Au sein du réacteur, le combustible (uranium) est le siège de réactions en chaînes qui
provoquent un grand dégagement de chaleur. Un circuit primaire refroidit le réacteur et
transfère la chaleur dégagée à une chaudière (générateur de vapeur) qui produit la vapeur
d’eau alimentant la turbine (comme dans une centrale thermique à flamme).
La réaction de fission dégage une certaine radioactivité qui se manifeste sous forme de trois
rayonnements : le rayonnement alpha, le rayonnement bêta et le rayonnement gamma qui a
très grande pénétration qui ne peut être atténuée que par une forte d’épaisseur de plomb ou de
béton (80 cm d’épaisseur).
Comme les centrales thermiques, la production d’énergie est indépendante des conditions
météorologiques. La puissance unitaire des centrales nucléaires peut être très élevée : elles
produisent environ 15 % de l’électricité mondiale. Ces centrales n’émettent pas de dioxyde de
carbone mais elles engendrent des déchets radioactifs et tout risque d’accident ne peut être
exclu.
4.2.3. Centrale solaire photovoltaïque
Dans cette centrale, le mode de production d’électricité avec l’énergie solaire utilise les
rayonnements lumineux du soleil qui sont directement transformés en courant électrique par
intermédiaire des cellules à base de silicium, ou autre matériau ayant des propriétés de
conversion lumière-électricité, appelées cellules photovoltaïques. Chaque cellule délivre une
faible tension, les cellules sont assemblées en panneaux.
Ce système, bien que de rendement faible, et très simple à mettre en œuvre et
particulièrement léger. Il est très utilisé pour une production locale ou embarquée
d’électricité. Ce moyen peut être utilisé comme moyen de production individuelle. Mais outre
le problème du coût des panneaux qui est encore très élevé, il y a aussi pour le stockage de
l’énergie car la production est irrégulière dépendant des conditions météorologiques.
4.2.4. Centrale solaire thermique
Une centrale solaire thermique capte un maximum d’énergie thermique solaire en utilisant
plusieurs rangées de miroirs disposés en arc de cercle face à la course du soleil, qui renvoient
les rayons solaires en un seul point, le foyer. A ce foyer, une chaudière contenant un liquide,
qui est en général de l’eau, sert de capteur d’énergie. La vapeur du liquide surchauffée par
l’énergie thermique solaire est conduite jusqu’à une turbine couplée à un alternateur. Ainsi
l’énergie thermique solaire se transforme en énergie mécanique puis en énergie électrique.
Le problème de base de ce type de centrale électrique, est que la densité de puissance est
faible. Par ailleurs, la production est intermittente et localement imprévisible à moyen terme
(intermittence journalière jour – nuit et saisonnière, aléa météorologique)
4.2.5. Centrale géothermique
La terre est composée d’une croûte, posée sur un manteau de roches en fusion. Le principe de
l’exploitation de l’énergie géothermique consiste à creuser un trou dans cette croûte (puits
d’environ 1000 et 1150 mètres de profondeur), à envoyer un fluide caloporteur au fond à
l’aide d’un tuyau et à récupérer ce fluide chauffé remontant par un autre tuyau. Cette chaleur
fait tourner des turbines qui entraînent des alternateurs. Par rapport à d’autres énergies
renouvelables, la géothermie profonde ne dépend pas des conditions atmosphériques (soleil,
pluie, vent). De plus, ce type de centrale n’émet pas de gaz dioxyde de carbone qui est le
principal gaz à effet de serre, comme d’autres centrales utilisant une forme d’énergie
renouvelable. En outre, les gisements géothermiques ont une durée de vie de plusieurs
dizaines d’années.
En revanche, la profondeur du forage nécessaire diffère selon les endroits. Malgré ces
variations, elle reste importante et ce qui entraîne un fort coût d’investissement. En plus, il
existe un risque de remontée de magma. Les investisseurs laissent donc pour l’instant les
géologues rechercher des zones ayant des caractéristiques favorables avant d’entamer ce
genre de projet.
4.2.6. Centrale éolienne
Dans une centrale éolienne, l’énergie électrique est produite directement par des génératrices
éoliennes. Ces machines formées d’un mat, surmonté d’un générateur électrique entraîné par
une hélice. L’énergie cinétique du vent (déplacement d’une masse d’air) produit la rotation
des pales qui actionnent le générateur. Ces machines sont positionnées idéalement sur les
plans d’eau ou les collines ventées.
Les principaux défauts de ces éoliennes sont :
- une pollution visuelle du paysage relative,
- des nuisances sonores (bruit gênant) lorsqu’une éolienne est installée prés d’une habitation,
- les ressources du vent sont très irrégulières entre le jour et la nuit, entre l’hiver et l’été.
Géographiquement, les sites les plus privilégiés sont les côtes et le massif central mais, dans
tous les cas, l’utilisation des sources d’énergies renouvelable réduit la production de dioxyde
de carbone. Par ailleurs, une centrale éolienne peut certainement être considérée comme une
production locale à une zone favorable.
4.2.7. Centrale hydraulique
Centrale de production d’électricité dans laquelle le flux créé par l’eau amenée par
écoulement libre (canaux) ou par des conduites en charge (conduite forcée) actionne la
rotation de turboalternateur avant de retourner à la rivière. Une centrale hydroélectrique
transforme l’énergie d’une chute d’eau en énergie mécanique grâce à une turbine, puis en
énergie électrique grâce à un alternateur. C’est la puissance de l’eau qui fait tourner la turbine.
Les centrales sont classées en :
- centrales de haute chute, plus de 300m de chute, qui sont dotées d’une prise d’eau en
montagne et d’une conduite forcée qui amène l’eau à la centrale puis la restitue,
- centrales de moyenne chute ou usine d’éclusées entre 25 et 300 m de chute.
- centrales de basse chute, installées au fil de l’eau moins de 25 m de chute, ce qui est le cas
de la majorité des petites centrales hydroélectriques.
L’énergie hydraulique est considérée comme une énergie propre et inépuisable, contrairement
au pétrole ou au gaz naturel. Bien évidemment, ce type de centrales constitue une production
d’électricité non polluante car il ne dégage pas de gaz à effet de serre et ne produit pas de
déchets toxiques.
Malgré des coûts de réalisation généralement élevés, ce système de production est le plus
rentable, les coûts de maintenance sont raison raisonnable et l’installation est prévue pour
durer longtemps. Son coût de production étant parmi les plus bas des moyens actuels.
En revanche, la production d’hydroélectricité est limitée par la réserve d’eau disponible. Ce
qui dépend des conditions géologiques et météorologiques.
Chapitre 5 : Fonctionnement d’une station hydroélectrique
5.1. Bref historique sur le développement de l’hydraulique
Dès l’antiquité l’énergie hydraulique est apparue avec les moulins à eau. La création de
l’hydraulique en tant que science a été précédée par la découverte de toute une série de lois et
par l’étude des questions des particules concernant l’équilibre et le mouvement des fluides.
Dès la fin du XVe siècle, Léonard De Vinci s’occupa avec beaucoup d’ardeur de travaux
hydrotechniques. Il écrivit un ouvrage intitulé « Sur le mouvement de l’eau et les installations
fluviales » où il exposa les résultats de ses observations et son expérience en matière de
construction d’ouvrage hydraulique à Milan, à Florence et en d’autres endroits.
En 1612 paraît le traité de G. Galilée « Raisonnements sur les corps plongés dans l’eau ». Il y
était exposé d’une façon systématique les principes de l’hydrostatique. Un peu plus tard, en
1643, Torricelli, élève de Galilée, établit la loi de l’écoulement libre des liquides à travers les
orifices. Il fut découvert, en 1650 la loi de Transformation de la pression extérieure dans les
liquides, connue sous le nom de Principe de Pascal.
Des nombreux savants continuent les recherches et approfondissent les sciences en
hydraulique concernant le frottement dans les liquides visqueux en mouvement. Du XVIIIe au
XIX e siècle, Daniel Bernoulli exposa une des lois fondamentales des liquides sous forme
d’une équation reliant la pression et la vitesse. Le XIXe siècle fut caractérisé par une
accumulation de données expérimentales concernant les liquides dans des lits découverts et
fermées accompagné par d’autres savants comme Lomonossov et Euler.
L’édification de puissantes centrales hydroélectriques, des grands canaux et de pipe-lines
ainsi que le développement de l’industrie de la construction des machines hydrauliques se
posèrent devant les savants et les ingénieurs soviétiques. On a augmenté la taille des
installations et on a leur fait produire de l’électricité, ce qui a permis de faciliter l’utilisation
de cette énergie plus tard.
5.2. Equation fondamentale de l’hydraulique
5.2.1. Notions de base
Nous passerons à l’étude des courants de liquides naturels ou réels. Dans un tel liquide non
visqueux ainsi que dans les liquides visqueux au repos, une seule sorte de tension est possible.
Ce sont des tensions normales de compression, c’est-à-dire de la pression hydromécanique ou
simplement de la pression.
La pression dans le liquide parfait en mouvement a les mêmes propriétés que dans un liquide
au repos. A la surface extérieure du liquide, elle est dirigée suivant la normale intérieure, et en
un point donné, elle est à la même intensité dans toutes les directions.
On sait que l’écoulement d’un liquide, dans son trajet, peut être permanent ou stationnaire. A
la conception d’une réalisation d’une centrale hydraulique, on étudie le seul cas de
l’écoulement permanent. L’écoulement permanent de l’eau suscite provoquer des énergies
potentielles utilisées pour tourner le turbine.
L’écoulement permanent est un écoulement de l’eau qui ne varie pas avec le temps et pour
lequel la pression et la vitesse ne sont des fonctions que des coordonnées et ne dépend pas du
temps. La pression et la vitesse varient au cours du déplacement des particules liquides d’un
point à un autre (Figure 9.b), mais en un point fixe de l’espace, elles sont indépendantes du
temps si le mouvement du liquide est permanent. Dans un tel mouvement, une ligne de
courant d’eau est une ligne prise dans un liquide en mouvement de telle façon que sa tangente
en n’importe quel point coïncide avec la direction des vecteurs vitesses des particules liquides
qui s’y trouvent à un moment donné (Figure 8).
Figure 8: Ligne de courant
Figure 9 : Conduite à contour fermé.
Il est évidemment qu’au cas où le mouvement est permanent, les lignes de courant d’eau
coïncident et ne changent pas leur forme avec le temps. Dans un liquide en mouvement
permanent, nous prenons un contour fermé quelconque et traçons les lignes des courants par
tous ses points, nous obtiendrons une surface tubulaire (Figure 9.a). On appelle ces surfaces
« veine liquide». En n’importe quel point, la surface tubulaire est la surface traversée par les
particules liquides de vecteur vitesse de direction orthogonale à la surface tubulaire.
Dans un contour ou une enceinte fermée continue, pour des sections variées, la permanence
d’écoulement de l’eau permet d’écrire l’égalité suivante (Figure 9.b) :
S1V1 = S2V2 = …. = SnVn (5-1)
Cette relation permet de dire que la pression est fonction du vecteur vitesse, mais par contre
elle est inversement proportionnelle à la surface balayée des particules liquides. Donc on a :
= (5-2)
5.2.2. Débit
Le débit est une caractéristique fondamentale pour planifier la conversion de l’énergie
hydraulique en énergie électrique ou en énergie mécanique. On appelle débit la quantité de
liquide qui passe à travers de la section de l’écoulement pendant l’unité de temps. Pour un
milieu homogène et plan dont les sections sont constantes, de vitesse constante V en tout
point de chacune des sections, on peut admettre que le débit est le même en tout point des
sections considérées d’une conduite (Figure 9.b). Le terme de débit s’emploie habituellement
en hydraulique ; son unité est le kilogramme par seconde ou le mètre cube par seconde.
Dans le cas général, le débit Q doit être calculé d’après la relation
Q = VS
(5-3)
5.2.3. Comportement des conduites
5.2.3.1. La conduite simple
Convenons d’appeler conduite simple une conduite à diamètre constant sans bifurcation. Un
liquide se déplace dans une conduite parce que son énergie potentielle au début de la conduite
est supérieure à celle qu’il possède au bout. Cette différence de niveau de l’énergie potentielle
peut être causée par plusieurs facteurs : grâce à la différence des niveaux du liquide, au travail
fourni par une pompe ou bien à la pression exercée dans le liquide. Donc on a le plus souvent
à faire à des conduites où l’écoulement des liquides est assuré par de travail fourni par une
pompe. L’écoulement des liquides dû à une différence de niveau n’est utilisé que dans des
installations au sol.
Les principes de calcul des conduites, énoncés dans ce paragraphe, se rapportent aux procédés
déjà cités en alimentation en liquide, c’est-à-dire qu’ils ne dépendent pas de la manière dont a
été créée la chute d’énergie. Les particularités de l’amenée d’un liquide dans une conduite ont
été limitées par les caractéristiques (débit, vitesse) nécessaires à l’énergie hydraulique.
Considérons une conduite simple disposée d’une façon quelconque. Elle a une longueur L et
un diamètre d et qui comprend toute une série des résistances hydrauliques locales. Cette
conduite a pour but d’élever régulièrement, à l’aide d’une vanne, la quantité d’eau qu’on veut.
Nous appellerons H la différence des hauteurs piézométriques de la conduite.
Il faut retenir que pour une conduite d’écoulement laminaire, la hauteur au début du tuyau est
toujours supérieure à la hauteur de la fin du tuyau. En ces deux niveaux, les particules liquides
peuvent s’écouler d’une façon altérée. L’expression de l’énergie potentielle ne dépend pas du
chemin suivi par les particules.
5.2.3.2. Le Siphon
On appelle siphon une conduite simple à écoulement non forcé dont une partie est plus élevée
que dans la surface dans le réservoir d’alimentation (Figure 9.b). Le liquide se déplace dans le
siphon grâce à la différence de niveau ou dénivellation H ; tout d’abord, il s’élève jusqu’à la
hauteur au-dessus de la surface libre du réservoir A, après quoi il descend d’une hauteur
relativement au-dessous du réservoir B.
Pour que le siphon commence à fonctionner, il est indispensable de le remplir de liquide. Au
cas où le siphon est un tube ou tuyau rigide immobile, il faut prévoir de mettre un robinet ou
une vanne destiné à assurer l’aspiration de l’air et de l’espace vide par des liquides. Ainsi, le
débit qui passe à travers un siphon est déterminé par la dénivellation H et par la résistance de
la conduite.
5.2.3.3. Conduite forcée
On appelle conduite forcée une conduite simple à écoulement forcé, de pente généralement
assez grande. Elle ne contient pas de siphon. Sa dénivellation est particulièrement assez
importante. La pression liquide est très élevée à la sortie de la conduite. Elle relie souvent le
réservoir de liquide ou bassin de stockage à la centrale de production. Elle transporte l’énergie
potentielle délivrée par un tel débit du liquide nécessaire à tourner la turbine de la centrale.
Une conduite forcée est caractérisée par la résistance locale. Elle a une longueur presque
uniformément rectiligne déterminée par la nécessité du centre de production.
En supposant que le glissement du liquide soit parfaitement rigoureux, la pression est fonction
de la section d’après la relation :
F = P.S
où F est la valeur de la force appliquée par le liquide et S est la section de la conduite.
5.3. Différents types de centrale hydroélectrique
En fonction de leur situation géographique, du relief, du type de cours d’eau et de la hauteur
de la chute d’eau, on distingue trois types de centrale.
5.3.1. Centrales de lac ou de haute chute
Elles sont généralement situées en haute montagne, avec un débit faible et un dénivelé
important (chute d’eau supérieur à 300m). Les centrales sont placées au pied d’un barrage
retenant un lac artificiel de grande superficie en s’opposant à l’écoulement de l’eau. Elles
servent à la régulation saisonnière de la production d’électricité. La production peut donc être
variable en fonction de la demande.
5.3.2. Centrales d’éclusée ou de moyenne chute
Ces centrales sont situées aussi en moyenne montagne ou en bas relief. Elles ont généralement
un débit moyen et un dénivelé assez fort (chute d’eau entre 30m et 300m). Ce type de centrale
sert à la régulation journalière ou hebdomadaire de la production d’électricité.
5.3.2. Centrale au fil de l’eau ou de basse chute
Elles sont caractérisées par l’absence de réserve ou réservoir, leur capacité de production ne
dépend que du débit du cours d’eau.
Le débit est très important comme sur les grands cours d’eau et sur les grandes fleuves ou
rivières. Leur dénivelé est faible (chute d’eau inférieur à 30m) et elles servent à la garantie de
la production d’électricité toute l’année.
5.4. Les éléments principaux d’une station hydraulique
. Le réservoir d’eau
L’eau s’accumule et forme un lac de retenue, le bassin sert à stocker de l’eau provenant du
fleuve ou de rivière. Le barrage permet aussi de souvent de créer un réservoir de stockage de
l’eau pendant les périodes de forte pluviosité. Tout ce qui permet à la centrale de continuer à
fonctionner même en période de basses eaux.
. L’évacuateur de crues
L’évacuateur de crues et aussi appelé déversoir de crues est une ouverture dans le barrage par
où l’eau peut circuler sans entrer dans le centrale. Il aide également à maintenir le débit d’eau
requis et à gérer les fortes crues d’eau du printemps et les chutes de pluie abondante.
. Le canal d’amenée
Ce canal est une conduite en béton armé dans laquelle l’eau circule à partir du réservoir
jusqu’à la grille à barreaux qui retient les déchets et les débris présents dans l’eau avant que
celle-ci se déverse dans la conduite forcée.
. La conduite forcée
Elle est un tunnel ou peut être un canal simple ouvert à écoulement forcé ou une galerie
souterraine qui achemine l’eau du canal d’amenée jusqu’à la centrale.
. La centrale
La centrale elle-même, appelée aussi usine, est un bâtiment qui abrite les équipements de la
production, la salle des commandes les interrupteurs électriques, la turbine liée à l’alternateur
et autres. Elle peut être disposée au pied du barrage, la hauteur de la chute est alors celle du
barrage.
. La turbine
La turbine est un appareil de transformation de l’énergie cinétique de l’eau en énergie
mécanique. La turbine est une roue motrice, fabriquée en acier, munie des pales (hélices). Elle
est caractérisée par ses nombres des pales. La vitesse de rotation nécessaire pour faire tourner
le rotor de l’alternateur est assurée par la barre de transmission ; elle dépend des nombres de
pales. En tout cas, la vitesse de rotation est inversement proportionnelle aux nombres des
pales.
Il existe trois types de turbines très connues. Le choix du type de turbine le plus adapté est fait
par le calcul de la vitesse spécifique notée ns qui peut être définie comme la vitesse idéale
d’une turbine.
.La turbine Pelton, avec une roue à augets, est adaptée aux hautes chutes (chute supérieure à
300m).
.La turbine Francis, avec une roue à aubes simple ou double, est plutôt montée pour des
chutes moyennes (chute entre 30m et 300m).
. La turbine Kaplan, avec une roue de type hélice, comme celle d’un bateau, est parfaitement
adaptée aux basses chutes et forts débits (chute d’eau moins de 30m).
. L’alternateur
L’alternateur appelé aussi générateur est une machine rotative qui convertie l’énergie
mécanique fournie par une turbine en énergie électrique à courant alternatif. Il est rattaché à la
turbine qui tourne, et donc, tourne avec elle par la vitesse de la turbine elle-même.
. Le canal de fuite
Ce canal conduit et restitue à la rivière l’eau dérivée qui est passée dans la turbine après
service fait.
. Poste extérieure et lignes électriques
C’est une zone où se trouve le transformateur qui sert à élever la tension du courant électrique
produit par l’alternateur. L’électricité est ensuite transportée et distribuée jusqu’aux lieux
d’utilisation par l’intermédiaire des lignes électriques à haute, à moyenne et puis à basse
tension.
5.5. Principe de fonctionnement d’une station hydraulique
La production hydroélectrique exploite l’énergie de l’eau en mouvement (la rivière, le fleuve,
le cours d’eau). L’énergie potentielle de pesanteur de l’eau accumulée par le barrage ou le
réservoir est transformée en énergie cinétique par écoulement.
On achemine l’eau par un canal d’amenée vers une conduite forcée dans laquelle l’eau
s’engouffre. A la sortie de cette conduite, l’eau est projetée sur une turbine. L’eau par son
poids et sa vitesse fait tourner cette turbine, grâce à elle l’énergie cinétique en énergie
mécanique. La puissance de l’eau qui fait tourner la turbine dépend du débit et de la hauteur
de chute d’où elle tombe.
La turbine est couplée à un alternateur qui transforme l’énergie mécanique en énergie
électrique. La rotation des pales (turbine) entraîne le pivotement d’un arbre (alternateur),
lequel fait tourner le rotor de l’alternateur. Le rotor qui tourne crée un champ
électromagnétique, ce qui produit un courant électrique alternatif.
A la sortie de la turbine, l’eau qui a perdu de sa puissance est libérée au pied de la centrale.
Elle est rejetée dans le cours d’eau ou dans la rivière par un canal de fuite.
La tension du courant électrique produit par l’alternateur est élevée à l’aide d’un
transformateur. Ceci est réalisé afin d’ensuite pouvoir faire circuler l’électricité sur un large
réseau permettant de fournir en électricité les compagnies électriques puis les foyers.
L’augmentation de cette tension permet également de réduire les pertes en effet l’électricité
qui est souvent acheminée sur des dizaines ou même de centaines de kilomètres. L’électricité
est donc distribuée par des lignes électriques à haute et à très haute tension.
5.6. Etude des transformations énergétiques
Quatre types d’énergies différentes peuvent être constatées aux différents stages de
l’exploitation d’énergie dans une situation hydroélectrique : l’énergie potentielle, l’énergie
cinétique, l’énergie mécanique et enfin l’énergie électrique.
5.6.1. L’énergie potentielle
Le premier stade de l’exploitation s’une station hydraulique est la retenue d’une certaine
masse d’eau dans un réservoir ou dans un bassin afin d’ensuite exploiter son énergie
potentielle. L’eau retenue accumule également d’énergie potentielle.
Par définition, l’énergie potentielle de pesanteur ou énergie potentielle d’altitude est l’énergie
qui possède un système du fait de sa position. Elle ne dépend pas du parcours effectués entre
deux points h1 et h2 mais seulement des positions initiale et finale de l’objet étudié.
La formule associée s’écrit :
Epp = m.g.h
(5-5)
La variation de l’énergie potentielle entre deux points donnés est :
Epp(2) – Epp(1) = m.g.(h2 – h1) (5-6)
5.6.2. L’énergie cinétique
L’énergie cinétique d’un corps est l’énergie produite par ce corps du fait de son mouvement.
Dans le cas d’une station hydraulique, il s’agit de l’énergie fournie par la chute de l’eau dans
la conduite forcée. Elle résulte directement de l’énergie potentielle.
Dans le cas idéal sans frottements toute l’énergie potentielle est convertie en énergie cinétique
(qui est Ec = mv2), d’après le théorème de Bernoulli Donc :
m.g.h = mv2, d’où v2 = 2.g.h et alors v =
Il y a une relation entre l’énergie potentielle et l’énergie cinétique. Cette énergie se focalise
sur la chute d’eau dans la conduite forcée. La vitesse de l’eau lors d’une chute est traduite par
la formule v = . Connaissant la vitesse de l’eau donc nous pouvons calculer l’énergie
cinétique par cette chute d’eau. L’énergie cinétique d’un corps en mouvement est
proportionnelle à sa masse et au carré de sa vitesse.
Ec = m .v2 (5-7)
On voit bien que plus la vitesse est grande, plus l’énergie cinétique est importante.
5.6.3. L’énergie mécanique
L’énergie mécanique d’un système est utilisée pour désigner l’énergie emmagasinée sous
forme d’énergie potentielle et d’énergie cinétique. Dans le cas où seule la force de poids
travaille, l’énergie mécanique se conserve. Et dans le cas où une autre force que le poids
travaille, par exemple une force de frottement, alors l’énergie mécanique ne se conserve pas.
L’énergie mécanique s’exprime généralement :
Em = Epp + Ec (5-8)
Dans une station hydraulique, c’est la turbine qui assure la transformation de l’énergie
cinétique en énergie mécanique par le mouvement rotatif de ses pales :
- l’eau à haute pression arrive des côtés au dessus de la turbine,
- le choc de l’eau sur les hélices fait tourner la turbine (conversion de l’énergie
cinétique de l’eau en énergie mécanique).
Après l’eau ressort à basse pression en dessous de la turbine. Si l’on considère le
point d’arrivée de l’eau sur la turbine comme point de référence d’altitude 0, toute
l’énergie potentielle a été transformée en énergie cinétique qui elle-même à été
transmise à la turbine.
5.6.4. L’énergie électrique
L’énergie électrique résulte de la combinaison de l’énergie mécanique et d’un alternateur. Ce
dernier est une machine rotative qui convertit l’énergie mécanique fournie par la turbine en
énergie électrique à courant alternatif. Il est composé de deux parties principales : le rotor et le
stator. Le rotor est la partie mobile composée d’électroaimants, il est fixé à la turbine qui
tourne, et donc, il tourne avec elle. Le stator est la partie fixe de l’alternateur, il est composé
d’un bobinage de fils de cuivre et est situé tout autour du rotor.
L’arbre qui relie la turbine et le rotor fait tourner ce dernier afin de créer un champ
électromagnétique à l’intérieur de l’alternateur. Ce sera ce champ qui engendrera le
déplacement d’électrons, transformé en courant électrique dans le stator.
5.7. Conclusion
Le fonctionnement d’une centrale hydroélectrique est bien plus complexe que ce que nous
pouvons imaginer. La centrale hydraulique utilise le flux créé par l’eau amenée par
écoulement en faisant tourner des turbo-alternateurs pour produire de l’électricité. Installer
une centrale n’est pas une chose facile, il faut d’abord bien choisir le milieu dans lequel
l’inauguration d’une centrale est le plus appropriée, choisir le type de centrales convenable.
Des calculs extrêmement précis et déterminant doivent être réalisés et vérifiés. Les quatre
énergies (potentielle, cinétique, mécanique, électrique) s’enchaînent dans les centrales
hydroélectriques.
TTRROOIISSIIEEMMEE PPAARRTTIIEE
MMEETTHHOODDOOLLOOGGIIEE DD’’ AAPPPPRREENNTTIISSSSAAGGEE
Chapitre 6 : Propositions du programme scolaire
Il est nécessaire de voir ce que propose le programme scolaire pour qu’il y ait réellement un
apprentissage.
Au collège d’enseignement général et au lycée, les programmes scolaires appliqués d’une
manière progressive depuis l’année scolaire 1996-1997 précisent les objectifs de chaque
niveau et de chaque matière dispensée qui amènent les enseignants à mettre en place des
situations d’apprentissage adéquates. Les instructions mentionnées dans ces programmes
scolaires indiquent clairement les méthodes et pratiques pédagogiques à adopter dans
l’apprentissage du « courant alternatif» au secondaire.
6.1. Les objectifs
D’après les programmes scolaires, l’enseignement des Sciences Physiques « doit
amener l’élève à :
- pratiquer une démarche expérimentale pour faire aboutir une recherche,
- adopter une attitude scientifique en développant chez lui l’esprit scientifique,
- interpréter des phénomènes naturels par les connaissances qu’elles lui apportent,
- mieux connaître le monde technique qui nous entoure par le biais de l’analyse des réalités et
de l’effort pour comprendre et expliquer. »1.
A la fin du cycle « l’élève doit être capable d’interpréter des faits physiques de son
environnement naturel et technique. »2. Ceci suppose que l’apprenant puisse découvrir et
maîtriser la capacité visée par chaque objectif dans le but d’élaborer lui-même un savoir ou un
savoir-faire réinvestissable.
Pour l’enseignement du « courant alternatif » en classe de quatrième, l’objectif est
que « l’élève doit être capable de décrire une expérience illustrant le principe de production
d’une tension alternative, ainsi que le redressement. »3. Ainsi l’atteinte de cet objectif
nécessite la réalisation d’expériences en classe pour que les élèves puissent analyser et
interpréter les faits observés.
6.2. Les méthodes préconisées par le programme
Selon les instructions indiquées dans les programmes scolaires de la classe de quatrième « La
Physique et la Chimie sont des sciences expérimentales. Alors, chaque leçon doit être bâtie
1 MINESEB, Programmes scolaires, classe de 4ème,1997, p.156. 2 MINESEB, Ibidem, p.156. 3 MINESEB, op cit, p. 167.
sur des expériences simples ou rattachée à l’environnement naturel ou technique des élèves.
L’explication de l’expérience animée par le professeur doit comporter une participation active
des élèves. »4.
Les méthodes proposées sont donc basées sur une démarche par laquelle le savoir ou le
savoir-faire doit être acquis à partir des expériences et où l’apprenant doit participer
effectivement à l’élaboration de son propre savoir et que l’enseignant doit proposer des
séances d’expérimentation proches du vécu des élèves.
D‘ailleurs, Gaston MIALARET a dit « l’enseignement des sciences physiques devint
expérimentale, qu’il fit d’abord appel aux faits et qu’il habituait peu à peu l’élève à voir lui-
même comment des faits sortent les lois. »5.
Mais pour pouvoir adopter les pratiques pédagogiques de ces instructions et
recommandations des programmes scolaires, les enseignants des sciences physiques doivent
maîtriser la démarche expérimentale pour qu’ils puissent la mettre en œuvre.
4 MINESEB, op cit, p.172 5 G. MIALARET, La pédagogie expérimental, Qui suis-je ? , Presses Universitaires de France, 2ème édition Paris, 1991, p. 21.
6.3. La démarche expérimentale
La démarche expérimentale, communément appelée démarche OHERIC, se caractérise par
une succession d’étapes : Observation- Hypothèse- Expérience- Résultat- Interprétation-
Conclusion.
Pour l’éclaircir plus amplement, il est nécessaire d’expliquer ces différentes étapes.
Observation : c’est observer et analyser des phénomènes physiques simples dans
l’environnement des élèves. Ainsi le rôle de l’enseignant est de les amener à préciser
le plus possible les observations relatives au sujet traité dans la leçon par
questionnement.
Hypothèse : faire formuler une ou des hypothèses simples considérées comme
solution possible au problème. Ainsi l’enseignant doit amener l’élève à émettre des
hypothèses permettant éventuellement d’expliquer ces diverses observations
précédentes.
A titre de remarque pour ces deux premières étapes, il s’agit des échanges oraux
avec la classe qui ne figurent pas dans le contenu de la leçon.
Expérience : vérifier expérimentalement chaque hypothèse en incluant une partie
de manipulation. Pour ceci, l’enseignant devrait préparer préalablement les matériels
nécessaires en fonction des expériences à réaliser. Celles-ci seront réalisées avec la
participation active des apprenants.
Résultat : analyser les résultats de l’expérience qui pourront être qualitatifs ou
quantitatifs. Le rôle de l’enseignant est de faire observer à ses élèves les faits, les
résultats et les transcrire sous une forme adaptée (tableau, graphes, ......).
Interprétation : interpréter les résultats observés. Un raisonnement logique
élaboré avec les élèves doit être visé dans cette étape à partir d’un bon
questionnement. Ceci permettra à l’enseignant de dégager l’interprétation ou
l’explication de ces résultats.
Conclusion : conclure sur la validité de l’hypothèse testée expérimentalement.
C’est donc la ou les réponse(s) aux questions soulevées dans l’étape précédente.
Toutes ces différentes étapes devront être faites avec la participation active et effective des
apprenants pour qu’ils ne soient plus de simples récepteurs mais de constructeurs de leurs
savoirs.
En effet, « l’apprentissage doit être fait par le contact des apprenants avec l’objet, le
raisonnement expérimental rend l’élève comme acteur de son apprentissage. Il recherche donc
l’explication des phénomènes. »6. Par conséquent, au cours de l’apprentissage du courant
alternatif au secondaire, l’apprenant devrait réaliser des expériences, observer, donner les
résultats de ces faits observés, les interpréter afin d’en tirer la conclusion relative à la notion
scientifique étudiée.
6 G. MIALARET, op cit, p. 71.
Chapitre 7 : Quelques notions de didactique
7.1. Le domaine pédagogique
La pédagogie, c’est la « science de l’éducation des enfants, méthode d’enseignement. »7.
Pour Louis ARENILLA, elle est « l’activité que le maître déploie pour enseigner. »8 Ainsi la
pédagogie « c’est une réflexion sur tout ce qui concerne l’éducation. »9 .
En d’autres termes, elle désigne l’ensemble des méthodes ou techniques que l’enseignant
devra acquérir afin de réussir dans son activité professionnelle.
La pédagogie cherche toujours la meilleure méthode pour l’enseignement. Quant au
terme « méthode », celle ci se définit comme « le chemin le plus droit et le plus sûr pour
arriver à découvrir la vérité. »10. La réussite de l’enseignement dépend de la méthode
pédagogique adoptée. On entend par « méthode pédagogique » la manière d’organiser les
relations entre les trois sommets du triangle pédagogique : l‘enseignant, le savoir et l’élève.
Figure 10: Schéma inspiré du triangle pédagogique de P. MEIRIEU
Dans le cadre scolaire, toutes les méthodes se ramènent à deux catégories : les méthodes
traditionnelles et les méthodes nouvelles. Un aperçu de ces deux catégories de méthodes est
donné par la suite.
7.2. Les méthodes traditionnelles
Pourquoi traditionnelles ? Ce sont les méthodes qui sont les plus pratiquées par la majorité
des enseignants depuis toujours. Elles sont basées sur l’autorité de l’enseignant « qui a
l’initiative et la responsabilité de la transmission du savoir. »11, c’est à dire l’enseignement est
centré sur l’enseignant, l ‘apprentissage centré sur le contenu. Les activités proposées par
7 Le petit LAROUSSE compact, 1991. 8 L. ARENILLA, Dictionnaire de la pédagogie, Bordas, 1996, 287p. 9 P. CHAMPY, Dictionnaire encyclopédique de l’éducation et de la formation, Nathan, p. 121. 10 CHARRIER et R. OZOUF, Pédagogie vécue, Nathan, 1948, p. 121. 11 P. PELPEL, Se former pour enseigner, Bordas, Paris, 1986, p. 52.
l’enseignant ne tiennent pas compte de la personnalité des élèves, de leurs différences
intellectuelles, de leurs besoins, de leurs intérêts ni de leurs possibilités d’assimilation.
Ces méthodes sont aussi dénommées méthodes magistrales, dogmatiques ou frontales. Elles
se reposent sur le modèle transmissif, distributif, expositif ou démonstratif des connaissances.
Les élèves sont considérés comme des récipients vides à remplir car ils ne sont que de simples
récepteurs d’information, leurs rôles se réduisent à écouter, à copier ; l’enseignant se
considérant comme étant le détenteur des connaissances joue le rôle de médiateur entre le
savoir et l’apprenant.
De plus, ces méthodes ne considèrent pas la motivation, les conceptions des apprenants, ne
leur permettent pas la construction du savoir par leurs moyens et stratégies personnels.
La pratique de ces méthodes « empêche les élèves de se construire leur propre savoir et freine
le développement de la personne. Dans ce cas l’apprentissage est terriblement freiné. »12.
Pour réussir un apprentissage, l’enseignant doit adopter les méthodes les mieux adaptées aux
possibilités de chaque élève. Il importe au professeur de ne pas tout donner mais de guider
l’apprenant à s’approprier son savoir. De telles méthodes sont dites « méthodes nouvelles ».
7.3. Les méthodes nouvelles
Le principe de ces méthodes est basé sur la liberté et la confiance accordée envers l’élève.
Elles lui donnent une certaine liberté en lui laissant agir et découvrir. Ces méthodes tiennent
compte des intérêts et des besoins des élèves, suscitent leur motivation, développent leur
esprit de collaboration et mobilisent leur attention durant l’apprentissage. Ainsi, elles créent
dans la classe un climat de confiance qui incite l’élève à prendre la parole, à confronter ses
idées avec celles des autres, à exprimer ses observations, à poser des questions, également à
participer activement dans la séquence d’apprentissage par la réalisation des activités variées
que l’enseignant lui propose. En fait ces méthodes amènent l’élève à être responsable et
autonome.
Le rôle de l’enseignant, par ces méthodes, consiste à guider ses élèves, à animer sa classe et à
mettre en place des activités pédagogiques qui devraient viser des connaissances plus
élaborées, des processus plus larges, des comportement plus stables et qui permettent aux
apprenants de faire des recherches et des découvertes.
Par la pratique de ces nouvelles méthodes appelées aussi méthodes actives, participatives ou
de la découverte, les élèves se sentent acteurs de leur apprentissage car l’enseignement est
centré sur eux. Quant à l’enseignant « il s’agit bien en principe de confier aux enfants et
adolescents de plus en plus d’activités, [..... ] ; de partir des intérêts de l’enfant, de son vécu ;
12 C. R. ROGERS, Liberté pour apprendre, Bordas, Paris, 1948, p.2.
de faire appel à la motivation [.... ], rendre la pensée de l’enfant active dans la construction et
la maîtrise du savoir. »13.
Comme « la pédagogie est une science basée sur la connaissance de l’enfant », elle
s’intéresse donc à la psychologie de l’enfant. De ce fait, il est nécessaire que l’enseignant
connaisse la psychologie et les caractéristiques de ses apprenants en vue de leur adapter son
enseignement.
7.4. Le domaine psychologique
La psychologie « c’est une science qui étudie le comportement animal ou humain »14.
Pour Maurice REUCHLIN « La psychologie de l’enfant étudie le développement avec l’âge
de la perception, du raisonnement, détermine quelles sont les acquisitions habituellement
réalisées à chaque âge. »15. Partir de ces citations, la psychologie analyse et étudie les
caractéristiques, les développements biologique et intellectuel, l’évolution des tendances et le
comportement de l’individu selon l’âge.
La connaissance de la psychologie des apprenants est indispensable pour celui qui va
enseigner. Quelles sont alors les caractéristiques des groupes d’enfants qui composent la
classe de quatrième au collège ?
Actuellement, l’âge moyen des élèves de la classe de quatrième se situe entre 12 ans et 1ans.
Pour bien comprendre leurs caractéristiques, il importe de rappeler les données
psychologiques relatives à cette classe d’âge.
« L’adolescence commence vers 11ans et se clôture vers 20 ans. »16. Elle se divise en deux
phases ; la première est la phase pubertaire ou la préadolescence qui se manifeste entre 12ans
et 19ans. Celle-ci « est dominée par les changements pubertaires qui vont conduire l’individu
à la maturité physique et sexuelle de l’adulte. »17. Ces changements de la morphologie
générale du corps de l’enfant sont souvent accompagnés de troubles affectifs et caractériels.
La deuxième phase, phase de l’adolescence proprement dite, entre 15 ans et 19 ans ou 20 ans
dans laquelle les enfants recherchent un nouvel équilibre, marque le goût de l’équipe avec les
gens de son âge. Il prend conscience de soi et affirme son individualité.
La classe de quatrième des collèges est composée d’élèves complexes à caractéristiques
différentes tels que vulnérable, vite enthousiaste, vite découragé, sensible à l’échec, insatisfait
de lui-même, très soumis ou contestataire,...
13 G. PALMADE, Les méthodes en pédagogie, édition Presses Universitaires, Paris ; 1988, p 120. 14 P. CHAMPY, op cit, p. 818. 15 M. REUCHLIN, Psychologie, PUF, 1986, p. 11. 16 D. GAONAC’H et C. GOLDER, Manuel de psychologie pour l’enseignement, Hachette, Paris, 1995, p. 197. 17 ibidem, p.197
Ainsi, « l’ensemble de cette évolution amène l’enfant à son achèvement ; la personnalité
s’organise, se structure ; le comportement devient adapté à la réalité et le contrôle de
l’originalité, de ses possibilités, de son autonomie, ..., la pensée se transforme et accède à la
logique.»18
Compte tenu de ces caractéristiques, il appartient à l’enseignant d’ « adapter une approche
concrète de son enseignement qui s’appuie sur la manipulation et l’exploitation des choses et
favorise la construction mentale des élèves par le questionnement progressif et l’apprentissage
par la découverte personnelle »19 et de mettre en place une situation d’apprentissage qui
répond aux besoins et intérêts des apprenants.
Si telles sont les caractéristiques de ceux qui sont les principaux acteurs de cette situation
d’apprentissage, qu’est-ce qui caractérise cet apprentissage ?
7.5. Apprentissage- Enseignement
Dans le cadre scolaire, l’apprentissage et l’enseignement sont deux notions en interrelation.
7.5.1. Apprentissage
Etymologiquement, le terme « apprentissage » vient du mot « apprenti » qui signifie « le fait
d’apprendre ».
Le petit Larousse illustré de l’année 1995 le définit comme « action d’apprendre », mais
« qu’est- ce qu’apprendre ? ».
D’après le dictionnaire Larousse, apprendre veut dire « acquérir la connaissance ou pratique.
»20.
Selon le dictionnaire encyclopédique, apprendre c’est « acquérir par l’étude, par la pratique,
par expérience une connaissance, un savoir-faire »21.
De ces différents sens de ce mot, apprendre renvoie donc à l’idée d’avoir des connaissances.
Qu’en disent les chercheurs en matière d’éducation ?
Pour Alain REY, « apprendre c’est chercher à acquérir un ensemble des connaissances par un
travail intellectuel ou par expérience. »22.
Olivier REBOUL avance que « apprendre est un acte, et un acte que le sujet exerce sur lui-
même ; c’est acquérir une information ou un savoir-faire ou une compréhension ; c’est faire
18 R. LAFON, Vocabulaire de psychologie, PUF, Paris, 1969, p. 287. 19 D. GAONAC’H et C. GOLDER, ibidem, p.211. 20 Le petit Larousse compact, Bordas, 1994,p 80. 21 Le grand Larousse, dictionnaire encyclopédique, Larousse Bordas, 1997, Paris, p388. 22 A. REY, Robert Micro-poche, Les dictionnaires Robert, Canada, 1986, p 49.
l’expérience des choses ; et c’est en plus découvrir une évidence, recevoir une illumination
intellectuelle. »23.
De plus « apprendre, ce n’est pas seulement recevoir l’information ; mais c’est aussi et surtout
traiter cette information pour se l’approprier afin de permettre la structuration du savoir »24.
Pour Roger MUCHIELLI, apprendre c’est « modifier durablement le comportement. »25.
« Apprendre c’est ajuster un comportement à une situation »26, d’après Jean Berbaum.
En d’autre terme, d’après ces définitions avancées par les théoriciens, apprendre signifie
modifier ou ajuster le comportement grâce à l’appropriation des savoirs ou savoir-faire
nouveaux par l’évolution des conceptions. Cette modification sous-entend un processus des
activités mentales et une volonté personnelle.
Compte tenu des sens du mot apprendre énoncés précédemment, il y a apprentissage lorsque
quelqu’un apprend.
D’après Louis ARENILLA, l’apprentissage désigne « la période pendant laquelle quelqu’un
apprend un savoir-faire nouveau pour lui ; le processus par laquelle ce savoir nouveau
s’acquiert. »27.
Selon Olivier REBOUL, l’apprentissage se définit comme « l’acquisition d’un savoir-faire
c’est-à-dire d’une conduite utile au sujet ou à d’autre que lui, et qu’il peut reproduire à
volonté si la situation s’y prête. »28.
Philippe CHAMPY avance que l’apprentissage c’est « l’acquisition d’une conduite nouvelle
ou une manière d’être nouvelle. »29.
De plus « l’apprentissage apparaît comme un moyen de satisfaction d’un besoin comme la
réponse à une volonté d’acquérir un savoir-faire nouveau. »30.
Toutes ces définitions proposées se rejoignent ; l’apprentissage est considéré comme un
changement ou une modification du comportement du sujet apprenant par l’évolution de ses
propres conceptions. De plus les connaissances les plus ajustées s’approprient à partir de
qu’on sait déjà c’est-à-dire un sujet apprend à partir de ses propres conceptions pour que son
apprentissage soit réussi.
Dans une situation d’apprentissage, le sujet mobilise ses capacités et il doit acquérir les
connaissances par ses stratégies personnelles. L’apprentissage est une activité indissociable
de l’enseignement. Mais qu’est-ce que l’enseignement ?
23 O. REBOUL, Qu’est-ce qu’apprendre ? , PUF, 5ème édition, Paris, 1993, pp 12,16,176 ; 24 P. MAHIEU, Travailler en équipe, Hachette, Paris, 1992, p 111. 25 R. MUCHIELLI, Les méthodes actives dans la pédagogie des adultes, ESF, Paris, 1995, p 45. 26 J. BERBAUM, Développer la capacité d’apprendre, ESF, 2ème édition, Paris, 1991, p49. 27 L. ARENILLA, Dictionnaire de pédagogie, Bordas, 1996. 28O. REBOUL, Qu’est ce qu’apprendre ? PUF, 5è édition, Pris, 1993, p 41. 29 P. CHAMPY, Dictionnaire encyclopédique de l’éducation et de formation, Nathan, 1994, p 70 ; 30 J. BERBAUM, Développer la capacité d’apprendre, ESF, 2è édition, Paris, 1991, p 25.
7.5.2. Enseignement
D’après les dictionnaires Larousse, les sens du mot enseignement sont :
- « action, manière d’enseigner, de transmettre des connaissances ; l’art d’enseigner ou
profession de celui qui enseigne ».
Cette définition renvoie à l’idée du terme enseigner. Mais que signifie ce terme ?
D’après le dictionnaire Larousse, enseigner signifie instruire ; action de transmettre un
message ; c’est faire connaître, faire répéter et faire retenir ; c’est faire acquérir la
connaissance ou la pratique de.
Selon J. P MEVEL, enseigner c’est « transmettre un savoir théorique ou pratique » 31.
Pour Antoine PROUST, enseigner veut dire transmettre des connaissances et diriger un
apprentissage.
En d’autres termes, enseigner c’est faire connaître, faire travailler, faire agir, faire apprendre
et aussi rendre actif la pensée de l’élève dans le but de développer sa capacité intellectuelle et
ajuster son comportement.
L’action d’enseigner est assurée par l’enseignant dont son rôle consiste à faire agir les élèves
de façon intelligente, stimulante en visant leurs différences de l’un à l’autre biologiquement et
psychologiquement. De ce fait cette action se déroule dans une institution scolaire et
représente une activité à long terme dont les buts sont explicites.
L’enseignement est une activité qui vise à provoquer l’apprentissage de l’élève.
D’après Margueritte ALTET, l’enseignement se définit comme « un processus
interpersonnel, intentionnel qui utilise essentiellement la communication verbale, le discours,
le dialogue finalisé comme moyens pour provoquer, favoriser, faire réussir
l’apprentissage. »32.
En d’autre terme, l’enseignement désigne l’action de l’enseignant dans le but de rendre actif
la pensée des élèves, de leur permettre d’acquérir et de construire eux-mêmes un savoir
transférable et de réussir leurs apprentissages en visant les objectifs fixés de l’institution dans
les programmes scolaires. Il a donc pour but de développer la capacité intellectuelle et l’esprit
critique des élèves, de réussir leurs apprentissages et de préparer l’enfant à la vie.
De ce fait, pour que les apprentissages scolaires soient réussis, il appartient à l’enseignant
d’utiliser les méthodes d’enseignement adaptées aux possibilités de chaque élève. Celles-ci lui
permettent de motiver ses élèves.
31 J. P. MEVEL, Le dictionnaire Hachette encyclopédique 32 M. ALTET, La formation professionnelle des enseignants, PUF, Paris, 1991, p.3 ;
Chapitre 8 : Théorie de la pédagogie différenciée
8.1. Définition
Selon Halina PRZESMYKI, la pédagogie différenciée se définit comme « une pédagogie
individualisée qui reconnaît l’élève comme une personne ayant ses représentations propres de
la situation de formation ; une pédagogie variée que propose un éventail de démarches
s’opposant ainsi du mythe identitaire de l’uniformité, faussement démocratique selon lequel
tous doivent travailler au même rythme, dans la même durée et par les mêmes itinéraires. »33.
Pour Ronald FRESNE, « la pédagogie différenciée est une pratique d’enseignement qui
consent aux différences entre individu et qui tente d’organiser les apprentissages en tenant
compte de chacun. »34.
Viviane et G de LANDSHEERE avancent que « la pédagogie différenciée se définit comme
la démarche qui cherche à mettre en oeuvre un ensemble diversifié de moyens et procédures
d’enseignement et apprentissage afin de permettre à des élèves d’âges, d’aptitudes, de
comportements, de savoir-faire hétérogènes mais regroupés dans une même division,
d’atteindre par des voies différentes des objectifs communs. »35.
De plus la pédagogie différenciée, « c’est une méthodologie d’enseignement qui consiste à
proposer différentes modalités d’organisation et de travail adaptées aux possibilités de chaque
apprenant en tenant compte de l’hétérogénéité de la classe »36
En d’autre terme, d’après ces définitions avancées par les chercheurs, la pédagogie
différenciée se définit comme un ensemble des méthodes d’enseignement individualisé ou
diversifié où les situations d’apprentissage sont suffisamment variées et adaptées aux
possibilités de chacun. Ceci, pour que l’élève puisse apprendre selon son propre itinéraire
d’appropriation des savoirs, des savoir-faire ou des savoirs-être dans le but d’atteindre des
objectifs communs.
Elle donc tient compte de l’hétérogénéité de la classe en considérant chaque apprenant par sa
psychologie, ses caractéristiques, ses pré requis, son rythme ses besoins, ses intérêts, ses
émotions, ses conceptions, son milieu socioculturel face au travail scolaire. Cette théorie a été
élaborée afin de lutter contre l’échec scolaire ?
33 Halina PRZESMYKI, Pédagogie différenciée, Hachette, Paris, 1991, p. 10. 34 Ronald FRESNE, Pédagogie différenciée, Nathan, 1996, p.4. 35 Viviane et G de LANDSHEERE, L’éducation et la formation ; sciences pratique, PUF, 1992, p.159. 36 UERP/ MEN/ UNICEF, La pédagogie de la maîtrise/ La pédagogie différenciée, Antananarivo, 1996 p.7
8.2. Fondement théorique
La pédagogie différenciée se fonde sur deux exigences qui la sous-tendent. La première
consiste à «la foi dans les potentiels de l’être humain qui permettent son éducabilité »37 et la
deuxième c’est « l’idéal d’égalité des chances pour tous. »38. Il s’agit d’éclaircir plus
amplement les idées fondées sur ces théories.
La pédagogie différenciée se base sur l’éducation d’un être humain en tenant compte de son
développement dans toutes ses formes. Elle est donc centrée sur l’individu qui est muni de
potentiel propre qui lui diffère de l’animal. Par conséquent, un « être humain » est un être qui
peut penser, imaginer, observer, réfléchir, réagir et se développer, c’est ainsi que tout être
humain a la même structure psychique. Pourtant, malgré les différences entre individus telles
que l’état physiologique, les caractères psycho affectifs, le milieu socioculturel, la vitesse
d’apprentissage, la capacité d’assimiler, ...; quiconque serait capable d’acquérir, d’approprier
et d’assimiler des savoirs pour le développement de sa personnalité.
De ce fait, tout être humain est éducable et chacun a la même chance à être plus développé,
élaboré, à progresser et à réussir.
La pédagogie différenciée est basée ainsi sur la collaboration étroite et continue entre
apprenants et enseignant. Et pour qu’il y ait une bonne attente, il appartient à l’enseignant de
savoir canaliser selon les possibilités de ses élèves les pratiques d’enseignement procédées
pour atteindre les objectifs visés. Avant tout, la connaissance de ses élèves dans toutes les
dimensions est préalablement nécessaire pour le professeur : leur développement intellectuel,
leurs caractères psychoaffectifs, leurs besoins, motivations, intérêts ; leur façon d’apprendre,
vitesse d’apprentissage, niveau de connaissances. L’enseignement est donc centré sur les
apprenants et augmente leurs chances d’atteindre leur potentiel intellectuel maximal. Pour que
chaque élève ait la même chance de réussir, la méthode et la démarche adoptées seront
variées.
Si tels sont les fondements théoriques de la pédagogie différenciée, la partie suivante consiste
à voir quelques concepts de base de cette théorie pédagogique.
8.3. Les concepts de base de la pédagogie différenciée
La pédagogie différenciée se préoccupe particulièrement de l’hétérogénéité de la classe et de
la diversité des situations d’apprentissage. Il s’agit donc le respect de la liberté des apprenants
face au travail scolaire. Dans ce cas l’identification de leur motivation, de leurs
représentations doit être prise en compte afin de leur permettre la construction du savoir par
eux-mêmes et favoriser leur autonomie.
37 H. PRZESMYKI, Pédagogie différenciée, Hachette, 1991, p.11 38 H. PRZESMYKI, ibidem, p. 11.
8.3.1. La considération de la motivation des apprenants
Comme « motivation et apprentissage se trouvent profondément liés et il n’y a pas
d’apprentissage sans motivation »39, la motivation des apprenants fait partie des conditions
déterminantes de l’acquisition des nouvelles connaissances ainsi que de la réussite de
l’apprentissage.
Ainsi, l’enseignant doit prendre en compte la diversité de la motivation des élèves face au
travail scolaire car « le bon enseignant est celui qui motive ses élèves. »40 et aussi « la
motivation est la base de tout l’apprentissage »41, dans toute situation de classe il faut qu’il
sache motiver ses apprenants.
Qu’est-ce que la motivation ?
Selon le dictionnaire Hachette, la motivation est l’ensemble des facteurs conscients ou
inconscients qui déterminent un acte ou une conduite.
« La motivation en contexte scolaire est un état dynamique qui a ses origines dans les
perceptions qu’un élève a de lui-même et de son environnement et qui l’incite à choisir une
activité »42 .
C’est aussi le « désir d’agir et d’apprendre »43.
En d’autre terme, la motivation est donc un état dynamique qui détermine la réalisation
d’activités scolaires.
L’élève doit avoir la motivation car elle constitue un moteur indispensable pour apprendre.
L’appropriation d’un savoir ne peut se faire que si on a la volonté de la faire. Pour cela,
l’enseignant doit proposer des activités qui présentent de l’intérêt pour ses élèves. Celles-ci
doivent correspondre à leur pensée, leurs goûts, leurs tendances, bref leurs besoins. En effet
l’intérêt joue un rôle important dans l’acquisition des connaissances: l’apprenant retient ce qui
l’intéresse et oublie vite ce qu’il déteste. Quand il est intéressé, il est motivé et est toujours
prêt à fournir un effort volontairement.
D’autre part, la motivation diffère selon les élèves, elle peut être :
- d’origine externe née d’une récompense extérieure.
- ou d’origine interne née de l’action comme le désir de connaître, de faire et d’agir.
D’après Olivier REBOUL, les motivations à l’acte d’apprendre se distinguent par divers
aspects tels que :
- la curiosité qui s ‘épuise avec la satisfaction. C’est la joie de comprendre.
39 THORPE & SCHMULLER, Traité de psychologie expérimentale Tome II, PUF, p.1 40 O. REBOUL, Qu’est-ce qu’apprendre, PUF, 1980,p.145 41 H. PRZESMYKI, Pédagogie différenciée, Hachette, 1991, p.82 42 R. VIAV, La motivation en contexte scolaire, Editions du Renouveau Pédagogique, p.7 43 H. PRZESMYKI, op. cit, p.82
- le besoin de grandir. Pour l’enfant, grandir c’est apprendre. Selon la relation de
l’apprenant avec son enseignant, l’élève peut recourir au besoin de faire plaisir à
quelqu’un tel que l’enseignant par exemple ; au besoin d ‘obtenir quelque chose de
gratifiant comme la meilleure note ; au besoin de réaliser une activité.
- le plaisir ressenti à faire l’apprentissage comme le plaisir d’être acteur de
l’apprentissage, le plaisir de découvrir par soi-même, le plaisir de comprendre.
- l’intérêt de l’élève pour ce qu’il étudie.
- la coopération qui donne à chacun la joie de se sentir utile. De plus elle lui permet
d’apprendre à écouter et à dialoguer.
Un apprenant motivé participe activement à la réalisation des différentes activités proposées
en situation de classe. En conséquence, l’enseignant aura pour rôle de rendre son cours plus
motivant en donnant à ses élèves des raisons de ressentir, de penser, d’agir. Ainsi il leur
suscite le désir d’apprendre et de découvrir.
Il est à souligner que la motivation de l’élève dépend aussi de son développement biologique
et psychologique.
C’est pourquoi par exemple au cours de l’apprentissage du courant alternatif, en classe de
quatrième, « il s’agit d’associer à l’objet de la leçon l’intérêt des élèves en considération de
leur âge ; l’enseignement doit d ‘autant plus faire appel à la motricité et l’activité
sensorielle. »44. La réalisation d’expériences en est une occasion.
En résumé, on dira que la considération de la diversité de la motivation des apprenants au
cours de l’enseignement permet leur participation effective et active et les aide à leur
construction du savoir.
8.3.2. La prise en compte des conceptions des apprenants.
La conception ou encore conception mentale s’appelle la représentation mentale ou
représentation. Selon S. MERSH & TURENHOUDT, « une représentation est un pré- savoir
implicite, une manière à priori de concevoir les choses, une image intérieure d’une réalité
vécue »45.
Pour Jean BERBAUM, « une représentation est une image mentale que l’on se donne pour
pouvoir agir sur cette réalité.... Elle tient également compte de toutes les connaissances que
l’on possédait au préalable. »46.
Jean Marie DE KETELE avance que « la représentation est une synthèse mentale
d’informations de plus ou moins chargées effectivement que la personne se construit plus ou
44 A. FERRE, Cours de psychologie enfantine et juvénile, SUDEL, 1948 p.252 45 S. MERSH & TURENHOUDT, Gérer une pédagogie différenciée, de Boeck Université, 1994, p.37 46 J. BERBAUM, Développer la capacité d’apprendre, ESF, 1991, pp.40, 41
moins consciemment à partir de ce qu’il est, de ce qu’il a été et de ce qu’il projette et qui
guide son comportement ».47.
En d’autres termes, les représentations mentales des apprenants constituent les connaissances
antérieures ou pré-acquises : ce sont les idées vraies ou fausses sur la réalité dont les élèves
évoquent à propos du sujet d’étude.
D’après ces définitions, les conceptions des élèves résultent des expériences ou des contextes
psychoaffectifs, sociologiques et culturels dans lesquels ils ont vécu. Elles sont aussi
constituées de pré-acquis provenant de leurs classes antérieures ou de leur environnement. Les
représentations des élèves peuvent être différentes d’un individu à l’autre. Et une classe
centrée sur l’apprenant doit prendre en considération ses représentations.
Ainsi avant d’entreprendre l’étude d’un thème nouveau, il est nécessaire que l’enseignant
prenne comme point de départ de son enseignement les conceptions de ses élèves se
rapportant à ce thème. Pour les recueillir et les analyser, l’enseignant peut avoir recours à des
questionnaires à répondre ou à des dessins à remplir ou à des définitions à formuler ou à des
jeux de rôles,...
En sciences physiques, ces représentations peuvent être connues à partir d’expérience. Ces
représentations lui ont sont indispensables car lui permettent de situer les niveaux des
connaissances déjà acquises par leurs élèves. Aussi il détectera les confusions des notions ou
les erreurs commises qu’il conviendra de rectifier. En conséquence, il agira en adoptant la
méthode adéquate dans le but de faire réussir l’apprentissage.
Donc, « il faut émerger les représentations ; apporter les connaissances exactes ; montrer où
sont les erreurs dans les représentations initiales et pourquoi elles ont pu exister. »48.
De plus, les représentations peuvent évoluer. La rectification des conceptions fausses permet
au savoir de s’insérer aux acquis antérieurs et on aboutit à un savoir plus élaboré.
Ainsi, « apprendre c’est passer d’une représentation fausse à une représentation un peu plus
juste »49Pour que la conception initiale de l’élève se transforme, il appartient à l’enseignement
d’apporter des arguments tout en laissant à son élève le soin de réfléchir, d’analyser, de
raisonner. Les activités proposées amèneront l’apprenant à ajuster, à confirmer son idée
personnelle ou à rectifier les erreurs de pensée. Ces acquis se développeront par la suite et
l’acquisition des nouvelles connaissances s’opérera. Cette évolution des représentations
mentales des élèves assurera la construction de leur savoir.
47 J.M DE KETELE, L’enseignement des sciences dans le secondaire, Bordeaux, 1985, p.169 48 A. GIORDAN&G. DE VECCHI, L’enseignement scientifique : comment faire pour que ça marche ?,
p.86 49 A.GIORDAN & G. DE VECCHI, Les origines du savoir, Delachaux & Niestlé, 2ème édition, paris,
1994, p .70
En résumé, la pratique de la pédagogie différenciée exige la prise en considération des
différentes représentations mentales des élèves. D’ailleurs, ceci constitue une manière de les
motiver. Ainsi ils se sentent acteurs de leur apprentissage.
8.3.3. La construction du savoir par les apprenants.
Toutes les méthodes d’enseignement dites actives se sont inspirées de l’aspect de la théorie de
J. PIAGET selon laquelle le sujet apprenant lui-même construit ses propres savoirs au cours
de l’apprentissage. La construction du savoir ne peut se réaliser que par le contact direct du
sujet avec un objet ou un fait.
L’apprentissage différencié est une des méthodes actives centrées sur l’élève, c’est-à-dire ce
dernier étant partie prenante de son apprentissage. Dans ce cas, le rôle de l’enseignant est de
l’aider à construire le nouveau savoir. Pour cela, il l’habitue à agir lui-même en suscitant sa
motivation conformément à son développement biologique et intellectuel. La liberté ainsi
procurée peut créer en classe un climat de confiance favorisant son autonomie.
Mais comment aider les apprenants à construire eux-mêmes leur savoir ?
Comme la motivation est la base de tout apprentissage, il fallait donc que l’enseignant arrive
à éveiller la curiosité et à motiver ses élèves. Il va « donner aux élèves la possibilité d’être
actifs et de s’exprimer pour qu’ils construisent eux-mêmes leur savoir »50. Ainsi, la
motivation de l’élève au cours de son apprentissage facilite et favorise la construction du
savoir par lui-même. De plus, « la construction de la connaissance passe par la prise en
compte des conceptions des apprenants »51 qui sont différentes d’un apprenant à un autre.
L’enseignement sera d’autant plus efficace lorsqu’il est en relation avec ce que l’élève sait
déjà ou avec ses conceptions, même fausses car celles-ci évoluent à travers des activités de
confrontation des idées telles que les conceptions des autres ou avec les faits observés pour
être ajustées. L’erreur permet à l’enseignant de mieux cerner les conceptions de l’élève et à
adapter la situation d’apprentissage. L’erreur est aussi source de progrès pour l’élève qui
réussit à l’éprouver car elle le déstabilise avant un nouvel équilibre plus stable et élaboré.
Pratiquement, l’enseignant en choisissant la pédagogie différenciée procède comme suit :
- il propose une situation de départ afin de faire émerger les différentes représentations de ses
apprenants, par exemple, en réalisant des expériences. Cette situation de départ permet à
l’enseignant d’identifier les conceptions fausses qui seront traduites en « obstacles à
dépasser », De ce fait il recherche les sources des différentes erreurs relevées et y apporte des
remédiations adéquates pour que ces conceptions fausses puissent évoluer. Ceci est confirmé
50 H. PRZESMYKI, op cit, p.103 51 A. GIORDAN & G. DE VECCHI, Les origines du savoir, Delachaux & Niestlé, 2ème édition, Paris,
1994, pp 182, 185
par le fait qu « apprendre c’est réorganiser les connaissances existantes ; apprendre c’est
changer »52.
En plus ces séances d’expérimentation constituent une source de motivation pour les
apprenants.
- il met en place des situations de recherche ; de ce fait l’élève est le principal acteur
dans la construction de son savoir en participant activement durant le cours. L’enseignant
jouera le rôle de guide ou d’animateur, en apportant l’aide ou le renseignement au fur et à
mesure de la demande ou quand il juge nécessaire. Cette aide est souvent orientée vers le
traitement des difficultés ou l’analyse et la rectification des erreurs commises. Cette
assistance « passe par une diversification des modes d’enseignements de toutes les manières
possibles, capables de favoriser l’assimilation des connaissances »53.
Dans la pratique de la pédagogie différenciée, ce sont les apprenants eux-mêmes qui
construisent leur savoir au cours de leur apprentissage. La construction du savoir par les
élèves sera d’autant plus favorisée lorsqu’ils sont motivés, se sentent acteurs de leur
apprentissage, participent effectivement à la réalisation d’activités variées proposées et enfin
qu’ils se sentent autonome et responsable. Et que, « la construction de la connaissance passe
par la prise en compte des conceptions des apprenants. »54.
52 G. DE VECCHI, op cit, p.188 53 F CLERC, Enseigner en module, Hachette, 1992, Paris, p.15 54 A. GIORDAN & G. DE VECCHI, op.cit, p. 185
Chapitre 9 : Quelques suggéstions
9.1. Formation pédagogique continue
La profession d’enseignant nécessite en plus des connaissances académiques, des
connaissances méthodologiques et pédagogiques. Les nouveaux programmes par leurs
orientations pédagogiques exigent des nouvelles façons de faire des enseignants de la
discipline Sciences Physiques qui, en vu de notre enquête, dans la plupart de cas, la majorité
ont eu des formations initiales professionnelles déficientes. Ils ne sont pas issus d’une école
de formation pédagogique et n’ont suivi aucune formation relative à leur fonction.
Or les méthodes pédagogiques adoptées par l’enseignant durant son enseignement ont une
grande importance sur l’apprentissage des apprenants. La formation continue des enseignants
s’avère nécessaire. Celle-ci devrait apporter aux enseignants des collèges une acquisition des
théories et des techniques de la mise en œuvre des innovations pédagogiques telles les
méthodes actives, la démarche expérimentale, les techniques d’approche selon la pédagogies
différenciée,…
Il n’existe pas une méthode idéale, qui a elle seule, résoudra toutes les difficultés. Mais à
l’issue d’une telle formation les enseignants pourront posséder une bonne maîtrise de leur
discipline, développer leurs facultés à épuiser dans chaque méthode dont ils ont besoin pour
rendre plus efficace, plus fructueux leur enseignement.
D’autre part, les enseignants devront participer aux journées pédagogiques organisées par
l’E.P.E (Equipe Pédagogique d’Etablissement) et / ou par l’E.P.I.E (Equipe Pédagogique
Inter- Etablissement). Les éventuels échanges d’expériences professionnelles lors de ces
journées les rendront plus performants dans l’exercice de leur métier. Ces journées leur
permettront de s’entraider mutuellement en vue d’une amélioration qualitative de leur
enseignement.
La possession d’un diplôme professionnel adéquat et l’existence d’une collaboration
éventuelle entre les enseignants ne les empêchent pas à participer à des formations
pédagogiques car la pédagogie ainsi que la didactique ne cessent d’évoluer. D’où la nécessité
d’une formation continue bien ciblée qui répond aux besoins de chaque enseignant.
Quant au problème linguistique, des regroupements régionaux sont nécessaires. Ils devront
être axés principalement à la langue d’enseignement. Partant d’une activité de Sciences
Physiques simple mais riche du point de vue langage,en diversifiant les activités langagières :
exposé d’une production personnelle, discussion sur les processus d’apprentissage, compte
rendu d’un travail de groupe, jeux de rôle…, donnerait certainement un résultat au niveau des
expressions orales.
9.2. Rôles de l’institution scolaire
Le problème d’ordre matériel constitue un facteur de blocage de la réussite de
l’apprentissage.La professionnalisation du métier d’enseignement exige des mesures
d’accompagnement adéquates. Les responsables de l’éducation de tous niveaux, du Ministère
de l’Education Nationale aux parents d’élèves, sont appelés à rédoubler d’effort en direction
des dotations en matériels et mobiliers sccolaires, en auxiliaires pédagogiques et en matière de
documentation pour répondre aux besoins de l’apprentissage car l’infrastructure est une
condition nécessaire à la bonne marche et à la réussite de l’apprentissage.
A côté de ces mesures, d’autres à caractères incitatifs sont souhaités pour mieux motiver les
enseignants. Elles consistent à la revalorisation de la fonction enseignante en tout point de
vue : abandon du traitement inégalitaire(avancement à jour, stages , pour ceux ou celles qui
béneficient de certaines conditions inconnues par la majorité), revision de salaire, des
avantages qui doivent être en rapport avec le travail effectué.
9.3. Techniques de travail en groupe
La diversification des pratiques pédagogiques peut passer par le travail en groupe.
9.3.1. Importance du travail en groupe
Le travail en groupe doit être structuré en fonction des objectifs scolaires poursuivis. Il est une
des techniques favorisant des situations dynamiques en classe. Il est très formateur et
permettra une certaine réussite de l’élève.
Les techniques de travail en groupe suscitent la motivation, l’attention, la volonté, la curiosité,
le plaisir, le désir de travailler, la créativité chez les élèves. Elles favorisent la prise
d’initiative et de responsabilité des élèves.
De plus la pratique de ces techniques permettra d’identifier les occasions de prise de parole
des élèves. Elle permet aussi de faire participer simultanément toute la classe à des recherches
et à différentes activités. En effet la communication au sein d’un groupe provoque une
puissante motivation effective à la recherche.
Dans un travail en groupe, chaque élève s’enrichit au contact des autres dans son groupe avec
l’ensemble de la classe et / ou il apporte de l’aide aux autres. La confrontation, avec les
autres aide chaque élève à la construction d’une pensée objective et permet à tous les élèves
d’avoir accès à l’ensemble des travaux réalisés. Elle favorise tout à la fois le développement
personnel.
La mise en commun des différentes productions, qui pourraient être discutées en grand groupe
et validées par toute la classe, conduit à obtenir des résultats les plus pertinents.
9.3.2. Rôle de l’enseignant
Les acivités de l’enseignant dans un travail en groupe seront les suivantes :
- organise la construction de groupes des élèves selon leurs niveaux de pré requis ou leurs
besoins ou leur âge, leurs affinités,…,
- propose des activités, des tâches communes et faciles à réaliser par chaque groupe avec des
consignes claires et précises,
- organise le déroulement de la tâche ( disposition de table, service protocole,….) et contrôle
l’activité,
- limite la durée du travail.
9.3.3. Rôle de l’apprenant
Les tâches de l’apprenant pendant un travail en groupe consisteront à :
- repartir les taches à chaque membre de groupe,
- exprimer son opinion, discuter, confronter ses idées avec celles de ses pairs donc
communiquer avec ses camarades,
- écouter les autres, argumenter, coopérer, coordonner son activité avec celle d’autrui,
- être écouté,
- rectifier ses erreurs, ses conceptions fausses à partir de celles des autres
- prendre des initiatives et de décisions.
La réalisation de l’activité en groupe doit commencer chaque fois par une étape de réflexion
individuelle. La mise en commun collective des productions de chaque groupe est nécessaire.
L’échange, la confrontation, la recherche en groupe sont des situations favorisant l’acquisition
et la structuration des connaissances : « Nous nous construisons face et à travers les autres »55.
La construction des connaissances par les élèves prend appui sur l’alternance d’un travail
individuel et des travaux en groupe. Ceux-ci doivent être renforcés par un travail personnel de
consolidation tel que des exercices ou des recherches afin de conduire les élèves à progresser
très vite.
9.4. Technique de la pédagogie différenciée
Tenant compte des contenus des programmes scolaires en vigueur et de l’hétérogénéité de la
classe, l’enseignement / apprentissage du « courant alternatif » exige des méthodes adaptées
correspondant aux besoins et aux intérêts de la classe de quatrième.
Pour que tous les élèves de la même classe aient la même chance de réussir à l’apprentissage,
bénéficient des savoirs communs malgré leurs différences ( différence d’âge, de sexe, de
mode de pensée, du milieu socio-culturel,…), nous pensons que la mise en œuvre pratique de
55 Gérard de VECCHI, op cit, p 211
la pédagogie différenciée pourrait résoudre les difficultés à l’enseignement / apprentissage de
ce thème.
La pédagogie différenciée a pour objectif de lutter contre l’échec scolaire. Sa pratique vise à
diminuer l’écart entre les meilleurs élèves et ceux qui sont en difficultés. Pour ce faire,
l’enseignant doit concevoir et mettre en œuvre de différentes stratégies permettant à chaque
apprenant d’être acteur principal de son apprentissage et de construire lui-même son savoir.
C’est la raison pour laquelle l’enseignant doit mieux connaître ses élèves : leurs intérêts, leurs
besoins afin qu’il suscite les ressources et les moyens pour les aider dans l’acquisition de leurs
connaissances.
La mise en place de la pédagogie différenciée dans une séquence d’appretissage nécessite une
série d’étapes qui doit prendre en considération la diversité des élèves.
La première démarche à faire c’est d’entreprendre un diagnostic initial en faisant un « pré-
test » oral ou écrit. Ceci portera à la fois sur ce qu’est en relation avec les notions à enseigner
du cours précédent et sur les conceptions des élèves relatives à la notion considérée.
Puis la repartition des élèves en groupes selon les résultats des activités précédentes.
Ensuite, vient la mise en place d’une situation d’apprentissage au cours de laquelle chaque
groupe travaille à des activités différentes d’un groupe à l’autre : certains reprennent les
connaissances de bases nécessaires pour aborder la nouvelle leçon, d’autres peuvent acquérir
les nouvells notions ; en utilisant des outils variés et diversifiés ( manipulation,
questionnaire…).
Après le travail en groupe, la classe se regroupe pour la synthèse collective des différentes
productions.
Enfin, la dernière étape doit être réserver au travail de consolidation personnelle (exercices,
leçon, recherche…).
La pratique de la pédagogie différenciée peut conduire à la réussite de l’apprentissage de
chaque élève. Mais elle demande des effrorts et des intiatives de la part des apprenants et
surtout des enseignants.
9.5. L’évaluation
L’évaluation est en étroite relation avec l’apprentissage. Elle peut avoir plusieurs fonctions :
- fonction d’orientation : il s’agit de déterminer dans quelle mesure l’acquis des élèves permet
d’entamer un nouvel apprentissage, ou encore de cerner les forces et les faiblesses des élèves.
- fonction de régulation : la décision à prendre au terme de l’évaluation est de déterminer la
remédiation la plus appropriée aux difficultés de chaque élève.
- fonction de certification : l’objectif est de déterminer si oui ou non les acquis dechacun sont
suffisants n regard des exigences correspondant au niveau requis.
Elle pourrait se présenter sous différentes formes.
Des exercices d’application
Cette évaluation est orientée vers l’utilisation de la notion apprise dans des situations simples
dans lesquelles l’élève sait qu’il doit l’utiliser ou comment l’utiliser.
Des questions de compréhension
Les questions de compréhension devrait conduire l’élève à exercer une activité sur un matériel
qui contient toutes les données nécessaires à sa résolution
Des activités de remédiation
Si des difficultés apparaîssent, il serait important de proposer une série d’activités qui devrait
partir d’une difficulté constatée et analysée et de mettre en place un processus
d ‘apprentissage complémentaire.
9.6. Reproduction de matériels de sciences physiques
L’existance d’une salle et des matériels de laboratoire est importante. Les directives général
du programme l’éxigent et l’enseignement des sciences physiques doit être fondé sur des
expériences servant d’appui pédagogique. En effet, les expériences en sciences physiques
jouent un rôle important car elles doivent permettre d’atteindre trois buts : amener les élèves à
une meilleur compréhension des concepts, à prendre conscience du faite que de nombreux
concepts et théories ont pour point de départ des résultats expérilentaux et enfin les amener à
aquerir certains savoir faire pratique comme la réalisation d’expériences, les techniques de
mesure, la familiarisation avec des appareils de mesure, l’analyse des données et
l’interprétation des résultats. On ne peut pas alors ignorer la place importante que doive
occuper par la salle de laboratoire et les matériels des sciences physiques.
Pour palier l’inexistance des salles de laboratoire, il serait possible d’amenager une des salles
disponible, pour les établissements qui en possèdent, afin de la transformer en laboratoire.
Ensuite il faut l’équiper de matériels.
Il serait préférable d’encourager les enseignants des sciences physiques à construire des
matériels simples mais efficaces ou des maquettes, à partir des ressources locales.
Il serait aussi d’inciter l’établissement à chercher une coopération avec d’autres
éltablissements ou avec l’association des parents d’élèves ou avec des autorités locales pour
avoir du budget alloué à l’achat des matériels.
CCOONNCCLLUUSSIIOONN La réalisation de cette recherche nous a permise de comprendre ce que signifie
« apprendre ». L’enseignement doit permettre à l’élève de construire lui-même ses
connaissances avec l’aide des enseignants, en ce sens que des connaissances plus élaborées
s’approprient à partir des acquis antérieurs grâce aux efforts et stratégies personnelles des
élèves.
Dans la situation d’apprentissage, une activité pédagogique devrait viser des
connaissances plus élaborées, des processus plus larges et des comportements plus stables.
L’enseignement nécessite donc une situation d’apprentissage respectant et valorisant chaque
élève, des méthodes d’enseignement adéquates qui favorisent cette construction de savoir.
Les objectifs du programme scolaire préconisent la méthode qui fait participer
activement l’élève dans l’élaboration de ses connaissances pour acquérir un savoir
scientifique conduisant à une attitude scientifique. Ce qui nous a poussés à choisir comme
référence théorique « la pédagogie différenciée » qui se rattache à des réflexions sur la faculté
de la réussite de tous devant leur enseignement par la pratique d’une démarche diversifiée,
individualisée conformément aux besoins et aux attentes de chacun.
Cependant, des problèmes et difficultés sont rencontrés par les enseignants des
collèges et du lycée au cours de l’enseignement des sciences physiques : les contenus à
enseigner et les objectifs ne sont pas conformes aux moyens pédagogiques dont disposent les
enseignants. Les méthodes adoptées ne permettent pas d’atteindre suffisamment les objectifs
fixés dans le programme. L’enseignement des sciences physiques rencontre des sérieux
obstacles.
Des solutions sont suggérées en vue d’améliorer l’enseignement du courant alternatif
au secondaire. Une de ces solutions est la pratique de la pédagogie différenciée qui tient
compte de la différenciation des élèves, leurs motivations et représentations mentales.
Pour terminer, nous pensons que le problème ne se pose pas seulement à
l’enseignement du courant alternatif au secondaire. Lors de notre stage pratique, nous avons
constaté que l’enseignement du chapitre mécanique rencontre aussi des sérieuses difficultés. Il
serait donc intéressant de voir plus près ce problème de l’enseignement des sciences
physiques en général, qui pourra faire l’objet d’un autre thème de recherche.
BBIIBBLLIIOOGGRRAAPPHHIIEESS
DICTIONNAIRES
ARENILLA Louis, Dictionnaire de pédagogie, Ed. Bordas, Paris, 1996, 267p.
CHAMPY Philippe, Dictionnaire encyclopédie de l’éducation et de la formation,
Ed. Nathan, Paris, 1992, 1094p.
Grand Usuel LAROUSSE, Dictionnaire encyclopédique, Ed. Larousse, Bordas,
Paris, 1997.
OUVRAGES
BERBAUM J., Développer la capacité d’apprendre, ESF 2ème édition, Paris,
1991.
DEKETELE Jean Marie, L’enseignement des sciences dans le secondaire, Ed.
Bordas, 1985, 200p.
GIORDAN André, L’enseignement scientifique, Nice, 1994, 222p.
HARDY Jean Jacques, Guide Professionnel des métiers de l’électricité ; Ed
Délagrave, Paris, 2006, 352p.
HARRIS Benson, Electricité et Magnétisme, Ed ERPI, 2004, 430p.
MATHIEU Pierre, Travailler en équipe, Hachette, Paris, 155 p.
MIALARET Gaston, La pédagogie expérimentale, Que sais-je ? Presses
Universitaire de France, 2ème édition corrigée, Paris, 1991, 128p.
MICHEL Michaïlids, Sciences physiques 4ème, Nathan, 1990, 200p.
PUSTELNIK R., Technologie d’électricité, Ed Bordas, Paris, 1983, 174p.
PRZESMYCKI H., Pédagogie différenciée, Ed. Hachette, Paris, 1991, 160p.
REBOUL Olivier, Qu’est-ce qu’apprendre, Bordas, Paris, 1986, 164p.
UERP, Programme scolaire classe de 4ème, 1998.
AANNNNEEXXEE
Documents à exploiter Nous avons choisi de proposer un ensemble d’outils d’enseignement du courant alternatif
pour la classe de quatrième et non une fiche de préparation de leçon, ni un modèle de leçon.
Nous avons opté cette démarche , car une fiche de préparation est relative à une classe,
adaptée à une situation particulière ; elle dépend de plusieurs facteurs tels que l’état
psychologique des apprenants, le niveau intellectuel de la classe, l’existence des materiels
didactiques, l’horaire …, d’où la proposition d’une fiche guide que l’on peut utiliser, exploiter
en vue d’une préparation de leçon après analyses.
Cette fiche guide est présentée sous forme de tableau à quatre colonnes, mettant en exergue
les différentes étapes ou séquences d’apprentissage. Mis côte à côte, les colonnes d’activités,
des consignes, des compétences visées et des commentaires. Cette présentation faciliterait la
lecture , la compréhension du pourquoi de chaque activité et le comment de son animation.
La première colonne « Activités » propose les situations susceptibles de mobiliser les élèves.
La deuxième colonne est celle des « Consignes » qui définissent les tâches
La troisième colonne « Compétences visées » explicite les aptitudes et les activités
intellectuelles visées
Dans la dernière colonne « Commentaires » sont portées des remarques, des précisions
relatives à chaque activité .
FFIICCHHEE
Objectifs : Montrer expérimentalement que :
- le mouvement de va et vient d’un barreau aimanté suivant l’axe d’une bobine permet
de mettre en évidence l’existence d’une tension alternative,
- la rotation d’un aimant devant l’une des faces d’une bobine fait apparaître à ses
bornes une tension alternative.
Liste des matériels :
- deux DEL en tête bêche,
- un barreau aimanté,
- une bobine fixe placée devant un aimant mobile autour de son axe.
- une bobine fixe,
- des fils de connexion,
- un générateur de courant continu,
ACTIVITES CONSIGNES COMPETENCES
VISEES COMMENTAIRES
Contrôle du
pré requis
On invite les
élèves à :
- dessiner dans
leur cahier le
montage d’un
circuit électrique
qui permet de
déterminer le sens
du courant ;
- faire le montage
et vérifier
Reconnaître le
sens du courant
électrique.
Les consignes données durant toutes
les activités qui s’en suivent doivent
être claires, simples et précises.
Les matériels nécessaires à chaque
expérience devraient être identifiés par
les élèves avant les activités
Identifier celui ou ceux qui n’arrivent
pas à dessiner le montage, les grouper
par types de problèmes et y apporter
les remédiations tout de suite (par des
questions judicieuses, information
supplémentaire, document...) pendant
que les autres abordent des aspects
complémentaires (document à
déchiffrer, exercices
d’approfondissement....).
Expérience :
mouvement de
va et vient d’ un
aimant droit
devant les faces
d’une bobine
On demande
aux élèves de :
- dessiner le
montage en
série d’un
circuit compor-
tant une bobine,
les deux DEL
en tête bêche,
- faire le
montage
On invite
successivement
les groupes à
faire l’expé-
rience du
mouvement de
va et vient de
l’aimant devant
l’une des faces
de la bobine
fixe,
Reconnaître que le
mouvement de va et vient
d’un aimant devant l’une
des faces d’une bobine
engendre un courant
électrique qui change de
sens à tout instant
Les élèves sont répartis en
groupe en fonction des
réponses du prérequis. (Les
groupes sont constitués selon
leur niveau de prérequis).
L’enseignant gère le
déroulement de l’expérience,
afin d’éviter le désordre, tout
en y apportant les remédiations
nécessaires au fur et à mesure
des difficultés qui peuvent
surgir durant cette activité.
Quand l’ensemble du groupe
arrive à schématiser le circuit,
on invite un élève à faire le
montage, puis les groupes vont
faire l’expérience.
Cette activité se fait par groupe
successif à cause de
l’insuffisance de matériels. Les
groupes qui ont déjà faits les
observations vont les noter sur
leur cahier et faire les
interprétations qui s’en
suivent..
On laisse les groupes libres de
faire l’expérience et les
constatations.
Cette activité est en quelque
sorte une évaluation des
niveaux d’acquisition des
élèves sur la démarche
expérimentale.
Analyse des
observations
effectuées
Emettre les interprétations
relatives aux
observations effectuées.
On laisse les groupes
émettre leurs conceptions, et
d’en déduire une ou des
conclusions partielles selon
leurs interprétations qu’on
rectifie ou qu’on oriente par
des questionnements adéquats.
Synthèse
partielle
Mettre en évidence
l’existence d’une tension
alternative.
On regroupe la classe pour une
synthèse collective des
productions de chaque groupe.
Prise de notes de
la synthèse
Schéma à prendre dans les cahiers par les élèves
Synthèse :
Le mouvement de va et vient d’un aimant devant l’une des faces d’une bobine fixe crée une
tension alternative à ses bornes.
Expérience : rotation
d’un aimant mobile
autour de son axe
devant l’une des faces
d’une bobine fixe
Faire l’expérience de la
rotation d’un aimant
mobile autour de son
axe devant l’une des
faces de la bobine fixe
Reconnaître que la
rotation d’un aimant
devant l’une des faces
d’une bobine produit
une tension alternative.
Même principe
que
précédemment
Synthèse :
La rotation de l’aimant devant la face de la bobine produit une tension alternative à ses bornes
