Transcript Dq est proportionnelle à R. Dt

Nouveau programme de 1S
Couleurs et images
Sous thème
Notions et contenus
Compétences attendues
Couleur, vision et
image
Sources de lumière
colorée
Matières colorées
Quantification des
niveaux d’énergie de la
matière.
Énergie d’un photon.
Relation E = h dans les
échanges d’énergie
Interpréter les échanges d’énergie entre
lumière et matière à l’aide du modèle
corpusculaire de la lumière.
Connaître la relation E = h et l’utiliser pour
exploiter un diagramme de niveaux d’énergie.
Lois et modèles
Cohésion et
transformations de la
matière
Défaut de masse, énergie
libérée.
Réactions nucléaires et aspects
énergétiques associés.
Ordre de grandeur des énergies
mises en jeu
Utiliser la relation Elibérée = Δm.c².
Recueillir et exploiter des informations sur les réactions
nucléaires (domaine médical, domaine énergétique, domaine
astronomique, etc.).
Variation de température et
transformation physique d’un
système par transfert thermique
Interpréter à l’échelle microscopique les aspects énergétiques
d’une variation de température et d’un changement d’état
Réactions chimiques et aspects
énergétiques associés : énergie
libérée lors de la combustion d’un
hydrocarbure ou d’un alcool ;
ordres de grandeur
Mettre en oeuvre un protocole pour estimer la valeur de
l’énergie libérée lors d’une combustion
Énergie d’un point matériel en
mouvement dans le champ de
pesanteur uniforme : énergie
cinétique, énergie potentielle de
pesanteur, conservation ou non
conservation de l’énergie
mécanique.
Frottements ; transferts
thermiques ; dissipation
d’énergie.
Formes d’énergie
Principe de conservation de
l’énergie.
Connaître et utiliser l’expression de l’énergie cinétique d’un
solide en translation et de l’énergie potentielle de pesanteur
d’un solide au voisinage de la Terre.
Pratiquer une démarche expérimentale pour mesurer une
énergie de changement d’état
Champs et forces
Formes et principe de
conservation de l’énergie
Réaliser et exploiter un enregistrement pour étudier l’évolution
de l’énergie cinétique, de l’énergie potentielle et de l’énergie
mécanique d’un système au cours d’un mouvement.
Connaître diverses formes d’énergie.
Exploiter le principe de conservation de l’énergie dans des
situations mettant en jeu différentes formes d’énergie.
Défis du XXIème siècle
Convertir l’énergie
et économiser les
ressources
Ressources énergétiques
renouvelables ou non ; durées
caractéristiques associées.
Transport et stockage de
l’énergie ; énergie électrique.
Production de l’énergie
électrique ; puissance.
Conversion d’énergie dans un
générateur, un récepteur. Loi
d’Ohm. Effet Joule.
Notion de rendement de
conversion.
Recueillir et exploiter des informations pour identifier des
problématiques :
- d'utilisation des ressources énergétiques ;
- du stockage et du transport de l’énergie
Stockage et conversion de
l’énergie chimique.
Énergie libérée lors de la
combustion d’un hydrocarbure ou
d’un alcool
Recueillir et exploiter des informations sur le stockage et la
conversion d’énergie chimique.
Écrire une équation de combustion. Argumenter sur l’impact
environnemental des transformations mises en jeu.
Piles salines, piles alcalines, piles
à combustible.
Accumulateurs
Synthétiser des molécules
et fabriquer de nouveaux
matériaux
Créer et innover
Distinguer puissance et énergie.
Connaître et utiliser la relation liant puissance et énergie.
Connaître et comparer des ordres de grandeur de puissances.
Schématiser une chaîne énergétique pour interpréter les conversions
d’énergie en termes de conservation, de dégradation.
Pratiquer une démarche expérimentale pour :
- mettre en évidence l’effet Joule ;
- exprimer la tension aux bornes d’un générateur et d’un récepteur en
fonction de l’intensité du courant électrique.
Recueillir et exploiter des informations portant sur un système
électrique à basse consommation
Pratiquer une démarche expérimentale pour réaliser une pile et
modéliser son fonctionnement. Relier la polarité de la pile aux
réactions mises en jeu aux électrodes.
Recueillir et exploiter des informations sur les piles ou les
accumulateurs dans la perspective du défi énergétique
Ce qui est vu au collège…
1ère
3ème
1ère
4ème
3ème
3 intitulés pour les activités
expérimentales
• Elaborer et réaliser un protocole
• Mettre en oeuvre un protocole
• Pratiquer une démarche expérimentale
Pratiquer une démarche expérimentale pour mesurer
une énergie de changement d’état
?
Attention –
Notion à
connaître
seulement
en terminale
Mettre en oeuvre un protocole pour estimer la valeur
de l’énergie libérée lors d’une combustion
Fil pour suspendre la canette
Thermomètre
canette métallique en aluminium ou en fer
contenant 200mL d’eau du robinet
bougie
Lorsque la température a augmenté d’environ une dizaine de degrés, on éteint la bougie
Attention !
Certaines activités expérimentales ‘‘actuelles’’
ne peuvent plus être traitées à l’identique…
Exemple: Energie cinétique et potentielle
Comment traitez vous cela actuellement ?
Compétence : Réaliser et exploiter un enregistrement
pour étudier l’évolution de l’énergie cinétique, de
l’énergie potentielle et de l’énergie mécanique d’un
système au cours d’un mouvement.
Proposition de progression sur l’énergie.
On commence par une évaluation diagnostique sur ce qui est vu au collège.
Un QCM de 5 minutes sur la tension, l’intensité, le branchement d’un multimètre…
Ce test peut être fait à l’aide des boitiers de vote que l’on peut avoir avec un TBI, ce qui
permet d’avoir les résultats dans la foulée.
Lancer le test.
Activité de groupe
Notions et contenus
Compétences attendues
Distinguer puissance et énergie
Connaître et utiliser la relation liant
puissance et énergie
Connaître et comparer des ordres de
grandeur de puissances.
Situation déclenchante :
On dispose d’une lampe de poche dont la lampe porte les indications suivantes « 6V –
2,7 W ». On désire acheter une lampe neuve de rechange.
Sur le catalogue du fournisseur, on a le choix suivant :
Lampe 6V - 100 mA
« Quelle lampe choisir ? »
Lampe 6V - 250 mA
Lampe 6V - 300 mA
Lampe 6V - 450 mA
Lampe 6V - 1 A
Aux élèves de proposer de placer cette lampe dans un circuit électrique, de l'alimenter
sous 6V, et de mesurer la tension (en V) et l'intensité du courant (en A)
Cette étape est l'occasion de rappeler les unités de mesure de la tension et de l'intensité
ainsi que le branchement des appareils de mesure nécessaires pour ces mesures (en
série ou en dérivation).
Les élèves réalisent ensuite le circuit, réalisent les mesures et après discussion sur la
signification du 2,7 W, trouvent la relation liant U, I et la puissance P.
D'où la relation P = U x I
Exercice Anny sur les puissances
Concernant la puissance des lampes, proposer une étiquette sur laquelle on trouve 11W =
60W !
Évoquer le fait que l'on indique la puissance électrique et que ces deux puissances
correspondent à des lampes différentes mais donnant la même sensation lumineuse.
Cela amène une nouvelle question :
« Pourquoi appelle t'on ces lampes des lampes à économie
d'énergie ? »
Puissance plus faible de l'une par rapport à l'autre
Donc en diminuant P on diminue l'énergie. On réalise donc des
économies d'énergie car si la lampe fonctionne la même durée, pour
une puissance plus petite, l'énergie consommée est plus petite.
Que paye t'on ?
Utilisation d'une facture d'électricité où l'énergie consommée apparaît
en kWh
L'analyse de l'unité permet de trouver la relation mathématique liant
P, Dt et E : E = Px Dt
Activité de classe
Exercices d’application sur la séance précédente
Notions et contenus
Compétences attendues
Ressources énergétiques renouvelable ou
non; durées caractéristiques associées
transport et stockage de l'énergie
Recueillir et exploiter des informations
pour identifier des problématiques :
- d'utilisation des ressources énergétiques
- du stockage et du transport de l'énergie.
Argumenter en utilisant un vocabulaire
scientifique adéquat.
ceci peut par exemple être fait à l’aide de « c’est pas sorcier » sur « Nouvelles énergies,
la planète carbure au vert »
Activité de groupe
Notions et contenus
Compétences attendues
- effet joule
- notion de rendement
Pratiquer une démarche expérimentale pour
:
- mettre en évidence l'effet joule.
Situation déclenchante :
Pour préparer le thé, la température de l'eau doit être de 95°C. Pour cela, on peut
utiliser une bouilloire électrique.
« Pourquoi y a-t-il une élévation de la
température de l'eau ? »
La réponse que les élèves vont vraisemblablement donner portera sur l'électricité ou le
courant électrique...
En discutant avec la classe, on les amènent à faire des hypothèses sur les différents
facteurs intervenant :
- l'intensité
- la tension (facteur que l'on éliminera car toutes les bouilloires fonctionnent sur le
secteur)
- la durée
- la résistance (que l'on pourra illustrer soit avec une bouilloire dans laquelle elle est
visible, soit avec une photo !)
BUT:
Montrer que l'énergie calorifique, proportionnelle à l'élévation de température Dq,
dépend de 3 facteurs :
l'intensité I du courant (le facteur le plus important puisqu'il est au carré)
la durée D t pendant laquelle circule le courant
la résistance R du conducteur
Liste du matériel :
Calorimètre
Thermomètre (sonde)
Résistances de 2 et 4 W (accessoire
calorimètre)
Ampèremètre
Alimentation ELC (12 V)
Interrupteur
Rhéostat 23 W 7 A
Chronomètre
Éprouvette 250 mL
Eau (distillée ?)
Fils
Remarque : on pourra faire un montage potentiomètrique
Déroulement de la séance :
Première expérience : (tout le groupe)
Introduire 200 mL d'eau dans le calorimètre.
Plonger la résistance de 4 W dans l'eau
Régler l'intensité I du courant à 2 A
Mesurer la température et déclencher le chronomètre
Mesurer la température toutes les 30 secondes pendant 6 minutes.
Seconde expérience : (un demi groupe)
Conserver les 200 mL d'eau
Plonger successivement les résistances de 2, 4 et 6 W dans l'eau du calorimètre
Régler pour chaque résistances l'intensité du courant à 4 A
Mesurer la température et déclencher le chronomètre
Mesurer la température toutes les 30 secondes pendant 6 minutes.
Troisième expérience : (l'autre demi groupe)
Conserver les 200 mL d'eau
Plonger la résistances de 4 W dans l'eau du calorimètre
Régler successivement l'intensité du courant à 2 A; 3 A; 3,5 A et 4 A
Mesurer la température et déclencher le chronomètre
Mesurer la température toutes les 30 secondes pendant 6 minutes.
Lors d'une nouvelle série de mesures on prendra soin de renouveler l'eau si sa
température dépasse 35°C
PREMIERE EXPERIENCE R = 4 W et I = 2 A
Dt
en s
Dq en
°C
90
0,7
90
0,8
90
0,9
90
0,9
90
0,9
Dq est proportionnelle à Dt
SECONDE EXPERIENCE
I = constante = 4 A
PREMIERE EXPERIENCE R = 4 W et I = 2 A
Avec ces 3 courbes, on montre
que :
Dq / Dt est proportionnel à la
résistance R
donc que :
Dq est proportionnelle à R. Dt
TROISIEME EXPERIENCE R = constante = 4 W
45
40
température en °C
35
I= 2 A
30
I= 3 A
I =3,5 A
I = 4A
25
20
15
0
50
100
150
temps en s
200
250
TROISIEME EXPERIENCE R = constante = 4 W
Dq est proportionnelle à I².Dt
Dq est proportionnelle à Dt
Dq est proportionnelle à R. Dt
Dq est proportionnelle à I².Dt
Dq est proportionnelle à R . I² . Dt
L'énergie calorifique, proportionnelle à l'élévation de température Dq, est bien
proportionnelle :
au carré de l'intensité I du courant
à la durée D t pendant laquelle circule le courant
à la résistance R du conducteur ohmique
Activité de classe
Prolongement : le rendement d'une bouilloire.
-avec un wattmètre (ou un
voltmètre et un ampèremètre),
on mesure la puissance
électrique fournie à la bouilloire
pendant 30 secondes.
- on calcule l'énergie électrique
fournie (Eel).
- On mesure l'élévation de température correspondante (attendre que l'eau atteigne sa
température maximale).
- On calcule Q = m c Dq, qui est inférieure à Eel et on en déduit le rendement (de
l'ordre de 95%)
Prolongement lors de l'activité en classe entière suivante :
La chaîne énergétique :
Prolongement lors de l'activité en classe entière suivante :
Les pertes en ligne :
- On peut illustrer l'intérêt d'élever la tension
pour le transport du courant :
Longs fils de cuivre ou fils très résistants
Transformateurs 6V/24V
Activité de groupe
Notions et contenus
Compétences attendues
Loi d'ohm
Pratiquer une démarche expérimentale pour
:
- exprimer la tension aux bornes d'un
générateur et d'un récepteur en fonction de
l'intensité du courant.
Situation déclenchante :
On dispose d'une pile plate de 4,5 V et de trois lampes à incandescence L1, L2 et L3
Indications (valeurs nominales)
Lampe L1
6 V ; 0,1 A
Lampe L2
3,5 V ; 0,3 A
Lampe L3
12 V ; 250 mA
Quelle est la lampe la mieux adaptée ?
?
Après discussion, on réalise le montage suivant pour chacune des trois
lampes, on constate qu'une seule brille « correctement » : la lampe L2.
Comment choisir la lampe adéquate ?
U
pile
V
I
A
Interrupteur
ouvert
Interrupteur
fermé
Upile = U0 =
lampe L1
lampe L2
lampe L3
U1pile= 4,5 V
U2pile = 4,4 V
U3pile = 4,5 V
I1= 0,09 A
I2= 0,22 A
I3= 0,15 A
L'intensité du courant débité par la pile ainsi que la tension à ses bornes
dépendent des lampes.
Quelle est la relation qui lie Upile et I ? Quelle est la fonction Upile = f(I) ?
Upile
Comment déterminer la fonction Upile = f(I) ?
Aux élèves de proposer un protocole.
On utilisera :
 des résistances boites à décades X1 et X10
 le tableur de Latis-Pro
I
I en A Upile
0,04
4,55
0,09
4,51
0,15
4,44
0,41
4,34
0,75
4,13
0,9
4,06
1,12
3,93
1,53
3,72
2,31
3,3
La courbe représentative
de la fonction Upile = f(I)
s'appelle
la caractéristique de la pile
Avec l'outil modélisation on trouvera la fonction Upile = f(I)
Upile= - 0,544*I + 4,55
4,55 - 0,544*I
Upile
4,55
0,544*I
I
Rq : Après avoir vu la loi d'Ohm en cours, on reviendra sur l' expression
UPN = E - r*I
De la même façon que nous avons tracé la caractéristique de la pile nous
pouvons tracer la caractéristique des lampes à incandescence
Aux élèves de proposer un protocole.
Afin de pouvoir tracer les caractéristiques de plusieurs lampes sur le
même graphe on imposera des valeurs d'intensité, par exemple, de 0 à
300 mA avec un pas de 25 mA
Pour une bonne exploitation des mesures conserver des calibres
identiques.
On discutera de la signification de ces deux couples de mesures et on comparera
leurs valeurs aux valeurs mesurées au début de l'activité (si besoin refaire les
mesures).
Prolongement en activité de classe
Tracé de la caractéristique d'un conducteur ohmique
« Rappel : loi d'Ohm »
UR = R*I
I
Retour sur la caractéristique de la pile :
écriture de Upile = U0 - r*I = E - r*I
E - r*I
Upile
E
r*I
E;r
I
Exercice(s) d'application
I
Les champs
Notions et contenus
Compétences attendues
Exemples de champs scalaires et vectoriels : pression, Recueillir et exploiter des informations (météorologie,
température, vitesse dans un fluide.
téléphone portable, etc.) sur un phénomène pour avoir
une première approche de la notion de champ.
Champ magnétique : sources de champ magnétique
Décrire le champ associé à des propriétés physiques qui
(Terre, aimant, courant).
se manifestent en un point de l’espace.
Champ électrostatique :
E=F
q
Comprendre comment la notion de champ a émergé
historiquement d’observations expérimentales.
Champ de pesanteur local : g = P
m
Pratiquer une démarche expérimentale pour
cartographier un champ magnétique ou électrostatique.
Connaître les caractéristiques :
- des lignes de champ vectoriel ;
- d’un champ uniforme ;
Loi de la gravitation ; champ de gravitation.
- du champ magnétique terrestre ;
Lien entre le champ de gravitation et le champ de
- du champ électrostatique dans un condensateur plan
pesanteur
- du champ de pesanteur local.
Identifier localement le champ de pesanteur au champ
de gravitation, en première approximation.
Un champ est une propriété de l’espace, c’est à dire une grandeur physique
définie en tout point M d’une région de l’espace.
On distingue deux types de champs :
Les champs scalaires : à chaque point M d’une région de l’espace est associée une
grandeur scalaire.
Exemples :
•champs de température T(M),
•de pression P(M),
•de concentration c(M),
•masse volumique m(M),
•altitude z(M),
•potentiel électrique V(M),
•population...
gilles.beharelle.pagesperso-orange.fr/docs/Electromagnetisme/ChampsEB/champs.pdf
Les champs vectoriels : à chaque point M d’une région de l’espace est associée une
grandeur vectorielle.
Exemples :
•champs de pesanteur
• champ de vitesses
• champ électrostatique
•Champ magnétique
http://phet.colorado.edu/sims/efield/efield_fr.jnlp
http://phet.colorado.edu/sims/charges-and-fields/charges-andfields_fr.html
© Pierron