se3d301b5feadc0cb.jimcontent.com€¦ · Web viewUNIVERSITÉ DU QUÉBEC À MONTRÉAL T 2 –...
45
UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À MONTRÉAL T2 – TRAVAIL ÉCRIT | CONCEPTION D’UNE ACTIVITÉ DE LABORATOIRE TRAVAIL PRÉSENTÉ À GENEVIÈVE ALLAIRE-DUQUETTE ET FRÉDÉRIC FOURNIER DANS LE CADRE DU COURS DDD8523 L'APPRENTISSAGE EN LABORATOIRE DE SCIENCES ET TECHNOLOGIE PAR BERNICE CHABOT-GIGUÈRE (CHAB10588408) JÉRÉMIE LOCKWELL (LOCJ31088208) RIGOBERT NGALISSAMY (NGAR07016701)
Transcript of se3d301b5feadc0cb.jimcontent.com€¦ · Web viewUNIVERSITÉ DU QUÉBEC À MONTRÉAL T 2 –...
UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À MONTRÉAL
T2 – TRAVAIL ÉCRIT | CONCEPTION D’UNE ACTIVITÉ DE LABORATOIRE
TRAVAIL PRÉSENTÉ ÀGENEVIÈVE ALLAIRE-DUQUETTE ET FRÉDÉRIC FOURNIER
DANS LE CADRE DU COURS DDD8523L'APPRENTISSAGE EN LABORATOIRE DE SCIENCES ET TECHNOLOGIE
PARBERNICE CHABOT-GIGUÈRE (CHAB10588408)
JÉRÉMIE LOCKWELL (LOCJ31088208)RIGOBERT NGALISSAMY (NGAR07016701)
14 AVRIL 2015
Table des matières
1. Description de la séquence d’enseignement...........................................................................3
1.1 Description sommaire............................................................................................................................. 3
1.2 Mise en situation........................................................................................................................................ 3
1.3 Énoncé du problème................................................................................................................................. 3
2. Informations destinées à l’enseignant......................................................................................4
2.1 Énoncé de l’objectif d’apprentissage du laboratoire.....................................................................4
2.2 Savoirs essentiels...................................................................................................................................... 4
2.3 Conceptions erronées en lien avec le problème proposé............................................................5
2.4 Vulgarisation des concepts scientifiques ou technologiques impliqués dans le problème
................................................................................................................................................................................ 7
2.5 Matériel requis........................................................................................................................................ 12
3. Séquence d’enseignement de l’activité de laboratoire......................................................12
3.1 Amorce....................................................................................................................................................... 12
3.2 Recherche de solution........................................................................................................................... 13
3.3 Formalisation........................................................................................................................................... 13
3.4 Suggestions d’activités d’enrichissement.......................................................................................13
3.5 Évaluation des apprentissages...........................................................................................................13
Annexe A – Cahier de l’élève........................................................................................................... 15
Annexe B – Instrument d’évaluation............................................................................................ 29
Références............................................................................................................................................ 30
2
1. Description de la séquence d’enseignement
1.1 Description sommaire
L'activité de laboratoire conçue s'intitule: Moteur de changement. Elle gravitera autour du
thème de l’efficacité des transformations énergétiques. Ce laboratoire est destiné aux élèves
de 5e secondaire en physique. Il sera réalisé en équipe de quatre et s’étalera sur une seule période
de cours. Cette activité a été conçue en respectant les contraintes suivantes : un laboratoire
déductif qui s’inscrit dans l’univers matériel en physique.
1.2 Mise en situation
Quand nous avons besoin d’une forme d’énergie précise pour effectuer un travail, on fait
souvent appel aux circuits électriques. En effet, on peut facilement utiliser ces derniers pour
convertir l’énergie électrique en une panoplie d’autres énergies utiles. Par exemple, les circuits
électriques dans nos demeures permettent d’obtenir de l’énergie lumineuse grâce aux ampoules,
de l’énergie thermique grâce aux éléments du four et de l’énergie sonore grâce aux haut-parleurs.
Les transformations d’énergie sont donc omniprésentes dans nos vies, bien que souvent invisibles
à nos yeux. Il advient donc pertinent de s’interroger sur l’efficacité de toutes ces transformations
et par conséquent, sur ce que cela peut entraîner comme conséquences (coûts reliés à la
consommation d’électricité, pertes de rendement énergétique, façons d’augmenter l’efficacité
d’un système, etc.). En effet, on considère souvent que les appareils perdent une partie de leur
énergie. Or, selon la loi de la conservation de l’énergie, il n’existe pas une telle chose qu’une
perte d’énergie. Toute énergie fournie à un système pour accomplir un travail sera, soit utilisée
réellement pour le travail ou, sera en partie transformée sous une autre forme. En somme, afin de
mesurer l’efficacité d’un système électrique, il est d’usage de mesurer son rendement
énergétique. Cette information nous permet donc de déterminer à quel point un moteur ou tout
autre appareil électrique utilise efficacement l’énergie qui lui est fournie.
1.3 Énoncé du problème
Au regard de la situation posée précédemment, le présent travail s’interroge à savoir
quelle sera la proportion d’énergie fournie à un moteur électrique qui sera réellement convertie en
3
énergie utile. En d’autres mots, quelle sera l’efficacité de ce moteur à transformer efficacement
l’énergie reçue ?
2. Informations destinées à l’enseignant
2.1 Énoncé de l’objectif d’apprentissage du laboratoire
L’étude de la transformation de l’énergie par le biais d’une démarche expérimentale
déductive ou encore, par le biais de divers autres outils didactiques durant l’année scolaire,
permettra aux élèves de physique 534 de mobiliser les connaissances nécessaires afin d’être en
mesure, à la fin du cursus, d’«analyser quantitativement une transformation d’énergie mécanique
dans une situation donnée.» (PDA, 2013). Dans le cas ci-présent, l’objectif d’apprentissage est
scindé en deux sous objectifs:
- L’élève devra analyser quantitativement la transformation d’énergie électrique en énergie
potentielle gravitationnelle effectuée par un moteur qui soulève une masse.
- L’élève devra analyser quantitativement une transformation d’énergie potentielle
gravitationnelle en énergie électrique par ce même moteur lors de la chute de la masse.
2.2 Savoirs essentiels
Afin de s’assurer que le laboratoire et le niveau de complexité de la matière visée par ce
dernier sont adéquats à ce point du cheminement, une liste des savoirs essentiels permettra de
vérifier que les concepts préalables nécessaires ont été acquis et que ces derniers, de par leur
nature et leur qualité, permettront la construction des nouveaux savoirs contenus dans ce
laboratoire.
A) Savoirs préalables :
a. Les concepts de puissance, d’énergie, de différence de potentiel, d’intensité du
courant, de temps d’utilisation, de masse, d’accélération gravitationnelle, de
hauteur.
b. La relation mathématique qui existe entre l’énergie électrique (EE) consommée, la
puissance d’un appareil électrique (P) et le temps d’utilisation (t), EE= Pt.
4
c. La relation mathématique qui existe entre l’énergie potentielle gravitationnelle
(Epg), la masse (m), l’accélération gravitationnelle (g) et le déplacement (h), Epg=
mgh.
Les savoirs préalables énumérés sont directement en lien avec le cours de physique 534 ainsi
qu’avec la réalisation particulière de ce laboratoire. En effet, pour pouvoir calculer un rendement
énergétique et répondre à l’objectif d’apprentissage du laboratoire, les élèves doivent avoir
préalablement maîtrisé les concepts et lois mathématiques énumérés précédemment. Par exemple,
les savoirs déclaratifs cités au point a) ont tous été vus et évalués lors du cursus de 3e et 4e
secondaire (PDA, 2013). Les savoirs procéduraux cités aux points b) et c) sont, quant à eux,
rencontrés par les élèves lors de leur passage en 4e secondaire. (PDA, 2013).
B) Savoir développés dans le cours:
a. Utiliser le rendement énergétique d’un appareil à des fins d’analyse d’une
transformation d’énergie.
Les savoirs préalables seront maintenant assemblés en un nouveau savoir procédural : le
rendement énergétique. La transformation d’énergie analysée par ce moyen relève du domaine du
cours de physique 5e secondaire et est sujet à une évaluation en fin d’unité selon la progression
des apprentissages (PDA, 2013).
2.3 Conceptions erronées en lien avec le problème proposé
Tableau I : Exemples de conceptions erronées au sujet de la transformation d’énergie par un
moteur.
Conceptions fréquentes Explications des conceptions Conceptions scientifiques (*)Un moteur a un rendement énergétique de 100%
L’électricité est souvent perçue comme un fluide. Selon cette conception, le moteur «boit» l’électricité qu’il reçoit et la transforme complètement. En effet,
La loi de la conservation de l’énergie.
5
aucune « perte » de ce fluide n’est remarquée après l’utilisation du moteur. Ceci indiquerait donc que ce dernier est complètement efficace à utiliser la totalité de l’énergie fournie. (*) (Therras et Arcelin, 2012)
(Lors de toute transformation d’énergie ou de tout transfert d’énergie, une partie de l’énergie est dissipée.)
Tout moteur ou système électrique «perd» de l’énergie.
Contrairement à la conception précédente, plusieurs considèrent qu’il y a «perte d’énergie» lorsqu’un moteur qui est en marche dégage de la chaleur. Ce dégagement de chaleur est communément considéré comme une «perte d’énergie» ou même une destruction de cette dernière puisque la chaleur est une résultante non souhaitée du design initial d’un moteur.
La loi de la conservation de l’énergie.
Les moteurs ne peuvent que transformer l’énergie électrique en énergie mécanique. Ils ne peuvent faire l’inverse.
L’exemple le plus fréquent de l’utilisation du moteur est celui de l’automobile. Dans ce cas, l’énergie (chimique ou électrique) est convertie en énergie mécanique. Cette relation à sens unique nous fait tous rapidement oublier qu’un moteur peut emmagasiner une certaine quantité d’énergie et donc jouer le rôle d’un générateur également.
Principe de réversibilité des machines électriques
Une masse immobile ne possède jamais d’énergie physique.
Le mot énergie est souvent associé au mouvement. Il est alors difficile de se représenter qu’un objet immobile, mais
Énergie potentielle gravitationnelle.
6
placé à une certaine distance du sol (ex. pot de fleurs), puisse avoir une certaine quantité d’énergie. En effet, si la masse chutait, son énergie potentielle gravitationnelle pourrait alors être transformée ou transférée à un autre système. (*)
*Les conceptions scientifiques marquées d’un astérisque seront explicitées dans la section 2,4 :
Vulgarisation des concepts scientifiques impliqués dans le problème.
Sources:http://bdp.ge.ch/webphys/enseigner/situations/html/listefaussesconceptions.html#
électricité et (Terrace et Arcelin, 2012).
2.4 Vulgarisation des concepts scientifiques ou technologiques impliqués dans le problème
Le concept central de la présente situation d’apprentissage gravite autour de l’énergie.
Plus précisément, à apprécier l’efficacité des transformations d’énergie pour un système donné.
L’énergie se définit comme étant: “la capacité de provoquer un changement, par exemple de
changer l’état de la matière ou d’effectuer un travail entraînant un mouvement, de la chaleur ou
de la lumière.” (http://bv.alloprof.qc.ca/s1079.aspx) L’énergie ne se voit pas. On la remarque
seulement à cause de ses effets.
Dans le cas présent, le système à l’étude sera composé d’un moteur électrique qui
accomplira un certain travail. Pour ce faire, un moteur électrique utilise de l’énergie électrique
pour la transformer en énergie mécanique. Or, la plupart des moteurs peuvent aussi fournir de
l’énergie électrique à partir d’énergie mécanique et donc agir comme un générateur. Dans les
deux cas, on assiste alors à un changement de forme de l’énergie. On parle donc de
transformation d’énergie. À noter que l’énergie peut également être transférée, c’est-à-dire, sans
qu’elle ne subisse de modification de son état initial. La figure 1 donne un exemple de chaque
cas. Dans la première partie du laboratoire, il sera important de faire ressortir que l’énergie
fournie initialement est de type “électrique” et que l’énergie finale sera de type “potentielle
7
gravitationnelle”. Inversement, la seconde partie du laboratoire démontrera qu’il est possible
d’effectuer une transformation d’énergie allant de l’énergie potentielle gravitationnelle à de
l’énergie électrique (http://bv.alloprof.qc.ca/s1089.aspx).
Figure
1 : Transfert d’énergie en a) : le pédalier d’un vélo utilise de l’énergie mécanique. Cette énergie
mécanique se propagera jusqu’aux roues qui utiliseront cette énergie telle quelle. Transformation
d’énergie en b) : l’énergie chimique contenue dans le bois peut servir à alimenter un feu. Une part
de l’énergie chimique devient alors de l’énergie lumineuse et de l’énergie thermique.
Maintenant, pour connaître la quantité d’énergie qui peut être théoriquement transformée
durant une période de temps donnée, on utilise la notion de puissance (P) qui s’exprime en watts
(W). La puissance électrique d’un moteur est dépendante de la différence de potentiel entre ses
bornes (U, en volts) et l’intensité du courant dans le circuit électrique (I, en ampères) qui
l’alimente. On peut la calculer ainsi: P=UI. La puissance correspond donc, en des termes plus
simples, à la rapidité à laquelle l’énergie est transformée pour accomplir un certain travail.
Afin d’évaluer la capacité du moteur à effectuer le travail demandé, il est possible de
recourir de nouveau à la notion de puissance, mais en y intégrant cette fois-ci le concept
d’énergie électrique. L’énergie, s’exprimant en joules (J), se traduit, telle que définie
précédemment, en la capacité de produire un travail. Le travail étant ici, le résultat accompli à
l’aide de l’électricité, l’énergie utilisée est donc qualifiée d’énergie électrique. Ainsi, si on
multiplie la puissance (W) par le temps (secondes) on obtient l’énergie électrique (EE=Pt)
b)a)
8
consommée par le moteur (http://bv.alloprof.qc.ca/science-et-technologie/l%27univers-materiel/l
%27electricite/la-relation-entre-la-puissance-et-l%27energie-electrique-%28p=ui%29.aspx).
L’énergie électrique sera, dans notre cas, utilisée par un moteur pour élever un objet à la
verticale. À mesure que l’objet montera, il gagnera un nouveau type d’énergie, l’énergie
potentielle gravitationnelle (Epg) s’exprimant elle aussi en joules (J). Une énergie potentielle est
une énergie emmagasinée dont les effets ne sont visibles que lors de la libération de cette énergie.
On parle d’énergie potentielle qui est gravitationnelle puisque tout objet, à la surface de la Terre,
est soumis à l’emprise de l’accélération gravitationnelle (g), une constante établie à une valeur
de g = 9,81 m/s2. L’accélération gravitationnelle est le résultat qu’exerce la pesanteur provoquée
par la gravité terrestre. Plus un objet tombe de haut, plus il pourra gagner de la vitesse, car il aura
accéléré pendant plus longtemps. Donc, plus un objet est élevé, plus il aura la capacité de créer
un changement important (ici, une plus grande vitesse). Il aura donc une énergie potentielle
gravitationnelle plus grande. La hauteur (h) d’un objet jouera donc un rôle dans la quantité
d’énergie potentielle gravitationnelle d’un corps. La masse de l’objet aura aussi une incidence sur
la forme d’énergie décrite. On peut facilement imaginer qu’un ballon de soccer et une boule de
quilles tombant du 10e étage d’un édifice n’auront pas le même effet s’ils tombent sur une
voiture, et ce, malgré une vitesse théoriquement semblable au moment de l’impact. Encore une
fois, quand on parle de capacité à effectuer un changement, on parle essentiellement d’énergie.
La boule de quilles, de masse plus grande que le ballon de soccer, aura une énergie plus grande
malgré les autres variables qui sont constantes. L’énergie potentielle gravitationnelle est donc
aussi dépendante de la masse (m).
En résumé, l’énergie potentielle gravitationnelle est une énergie potentielle, donc
emmagasinée, qui tient en compte les aspects reliés à la hauteur (h) et à la masse (m) dans un
contexte de gravité terrestre (g). Elle est calculée ainsi: Epg= mgh. Comme il est illustré dans la
figure 2, n’importe quelle masse qui se trouve au sol a une énergie potentielle gravitationnelle
nulle. À masse égale, celle qui se trouve plus haute aura une énergie potentielle gravitationnelle
plus élevée. Enfin, à hauteur égale, ce sera la plus grande masse qui aura une plus grande énergie
potentielle gravitationnelle (http://bv.alloprof.qc.ca/p1027.aspx).
9
Figure 2 : Influence de la hauteur et de la masse d’un objet sur son énergie potentielle
gravitationnelle.
Finalement, afin de s’assurer d’utiliser le vocabulaire adéquat entourant l’énergie durant
la présente SAÉ, il importe de faire la distinction entre énergie reçue (consommée) et énergie
utile. L’énergie reçue correspond à l’énergie qui alimentera la première étape d’une
transformation d’énergie. Par exemple, dans le cadre de notre laboratoire, cette “énergie reçue”
correspond à l’énergie électrique alimentant le moteur pour le faire fonctionner. Or, l’énergie
reçue sera plutôt, en deuxième partie du laboratoire, l’énergie potentielle gravitationnelle. En
effet, c’est cette dernière qui fera alors tourner le moteur pour qu’il génère de l’énergie électrique.
L’énergie utile, quant à elle, sera l’énergie qui servira à effectuer un travail et pour laquelle on a
initié la transformation d’énergie en premier lieu. Par exemple, lorsqu’on allume le rond d’un
four, l’énergie utile est la chaleur produite. C’est celle qui permet le changement d’état des
aliments et c’est pour l’obtenir qu’on a consommé puis transformé de l’énergie électrique à la
base. En première partie du laboratoire, l’énergie utile sera donc maintenant l’énergie potentielle
gravitationnelle. Puis, en deuxième partie, ce sera l’énergie électrique produite par le moteur (en
mode générateur) qui sera qualifiée d’énergie utile.
IIIIIIIII 0.3 kg0.1 kg0.1 kg0.1 kg Epg I < Epg II Epg I < Epg II 0.3 kg0.1 kgEpg I =Epg II = 0 J Sol
10
Si la transformation d’énergie était efficace à 100%, la quantité d’énergie reçue serait
transformée, joule pour joule, en une même quantité d’énergie utile. Or, il n’existe pas de
transformation d’énergie qui soit efficace à 100%; il y a toujours une “perte”. Cette perte peut
être plus ou moins grande et devrait plutôt être qualifiée d’énergie dissipée (fig.3). En effet,
selon la loi de la conservation de l’énergie, il n’y a pas de pertes possibles d’énergie dans un
système. Cette dernière ne peut qu’être, transformée ou transférée. Par exemple, un moteur
automobile dégage beaucoup de chaleur lors de la transformation de l’énergie. Or, la chaleur est
parfois considérée comme une “perte” d’énergie puisqu’elle n’est pas le résultat initialement
recherché par le procédé. Toutefois, cette chaleur est réellement de l’énergie et pourrait générer
un travail à part entière.
Figure 3 : schéma d’une transformation d’énergie.
L’énergie dissipée dans notre laboratoire se traduira principalement par de la chaleur qui
émanera du moteur, et ce, dans les deux parties du laboratoire. En bref, l’énergie reçue équivaut à
la somme de l’énergie utile et de l’énergie dissipée (fig. 3) . De façon pragmatique, l’énergie
dissipée peut être, certes, moins intéressante que l’énergie utile, mais ne représente certainement
pas une perte.
Les transformations d’énergies sont donc nombreuses, peuvent prendre plusieurs formes
et sont essentiellement imparfaites. Afin d’en apprécier l’efficacité, il est nécessaire de
déterminer le rendement énergétique (η). Pour ce faire, on utilise la formule suivante (fig.4)
mettant en rapport l’énergie utile sur l’énergie reçue, le tout résultant en un pourcentage
d’efficacité. Dans une transformation énergétique, l’énergie utile sera donc toujours inférieure à
l’énergie reçue puisqu’une partie sera dissipée sous une autre forme (ex. chaleur). Le rendement
Énergie dissipée
Énergie utileÉnergie reçue
Moteur (ou
autre machine)
11
énergétique permet donc de calculer la proportion d’énergie consommée par un appareil qui sera
réellement transformée en énergie utile recherchée. Cette information est d’intérêt dans la vie
quotidienne, car elle permet de sélectionner de meilleurs appareils au rendement plus performant
ou encore, de trouver des solutions à des problèmes d’efficacité technologique
(http://bv.alloprof.qc.ca/s1091.aspx).
Figure 4 : équation du rendement énergétique. Ce dernier s’exprime
en pourcentage.
2.5 Matériel requis
Matériel pour 1 équipe (4 équipes au total) :
Potence avec tige et pince Source électrique avec fils crocodiles (+++) Moteur raccordé avec tige noire Masses : 20g et 50g Fil plastique 1m EXAO avec capteurs «Currant» et «Volt»
3. Séquence d’enseignement de l’activité de laboratoire
3.1 Amorce
Montrer une photo ou une vidéo de quelqu’un qui cuit des aliments sur le moteur de sa
voiture (le «carbecue»). Entamer ainsi une discussion sur la provenance de la chaleur émise par
un moteur (énergie dissipée, conception erronée no 2). Emmener ensuite les élèves à se
questionner sur l’efficacité de la transformation d’énergie effectuée par un moteur (conception
Ereçue
Eutileη = X 100
12
erronée no 1). Demander aux élèves l’importance de connaître cette efficacité dans plusieurs
contextes.
3.2 Recherche de solution
Tout d’abord, un court enseignement magistral (10 minutes) sera effectué afin
d’enseigner, ou de rappeler, les notions qui seront utilisées dans le laboratoire (voir section 2,2).
Par la suite, les élèves seront amenés à réaliser le protocole (20 minutes) qui leur aura été remis et
à y consigner leurs observations, les données recueillies et les valeurs expérimentales (Annexe
A : Cahier de l’élève). Un quiz visant à mesurer la maîtrise des connaissances reliées à la
transformation de l’énergie sera remis aux élèves à la fin de la période.
3.3 Formalisation
Une rétroaction en groupe sera faite sur les résultats obtenus lors de l’expérimentation afin
de vérifier si les hypothèses initiales formulées par le groupe ont été validées ou infirmées. Des
explications détaillées seront également fournies aux élèves afin de consolider leurs acquis
(rendement énergétique, énergie reçue vs utile, etc.). Si le temps le permet, il leur sera également
demandé d’estimer en groupe le rendement énergétique et, par conséquent, l’efficacité de la
transformation énergétique, lors que Jérémie soulève un haltère ? De plus, ils devront indiquer
quelle est la forme de l’énergie reçue et la forme de l’énergie utile dans cette mise en situation.
Un chocolat sera remis à l’étudiant qui aura estimé le plus justement le rendement énergétique.
3.4 Suggestions d’activités d’enrichissement
a) Utiliser le moteur en mode générateur pour alimenter divers éléments (ampoule D.E.L.,
autre moteur, etc.)
b) Présenter une situation concrète de transformation d’énergie. Demander aux élèves de la
décrire et d’estimer son rendement énergétique.
c) Brancher une résistance en série dans le montage initial. Ensuite, calculer le rendement
énergétique du moteur pour la résistance utilisée. Déduire l’influence de la résistance sur
les résultats.
3.5 Évaluation des apprentissages
13
L’évaluation des élèves se fera en deux temps. Tout d’abord, ils devront remplir en classe
un rapport de laboratoire (Annexe A, cahier de l’élève). L’obtention de bonnes réponses aux
différentes étapes du cheminement démontrera que les élèves auront été en mesure d’utiliser
adéquatement les savoirs enseignés. Ensuite, ils devront répondre à un quiz sommatif à la maison
(Annexe B, questionnaire) qui vérifiera s’ils sont en mesure de transférer les apprentissages
réalisés durant le laboratoire dans d’autres contextes du quotidien.
14
Annexe A – Cahier de l’élève
15
LABO 7 : MOTEUR DE CHANGEMENT
De l’énergie électrique à l’énergie mécanique
Cahier de l’élève :
Mises en garde :
1- Assurez-vous de vérifier l’état du matériel (source électrique et fils électriques) avant de débuter afin de s’assurer qu’ils sont tous bien connectés l’un à l’autre.
2- Lors de la mise en marche de la source, veillez à respecter une certaine distance du montage afin de ne pas entraver la montée ou la descente de la masse.
3- Aucun breuvage ni nourriture n’est permis près de la source électrique.
4- Ne manipulez aucun appareil lorsque vos mains sont mouillées.
5- Utilisez toujours des fils, des pinces et des connecteurs recouverts d’un isolant.
6- Manipulez vos outils avec soin et gardez votre lieu de travail propre.
7- Signalez immédiatement toute situation d’urgence.
Physique 534
Hiver 2015
Professeurs Chabot-Giguère, Lockwell et Ngalissamy
16
Mise en situation :
Quand nous avons besoin d’une forme d’énergie précise pour effectuer un travail, on fait souvent
appel aux circuits électriques. En effet, on peut facilement utiliser ces derniers pour convertir
l’énergie électrique en une panoplie d’autres énergies utiles. Par exemple, les circuits électriques
dans nos demeures permettent d’obtenir de l’énergie lumineuse grâce aux ampoules, de l’énergie
thermique grâce aux éléments du four et de l’énergie sonore grâce aux haut-parleurs. Les
transformations d’énergie sont donc omniprésentes dans nos vies, bien que souvent invisibles à
nos yeux. Il advient donc pertinent de s’interroger sur l’efficacité de toutes ces transformations et
par conséquent, sur ce que cela peut entraîner comme conséquences (coûts reliés à la
consommation d’électricité, pertes de rendement énergétique, façons d’augmenter l’efficacité
d’un système, etc.). Afin de mesurer l’efficacité d’un système électrique, il est d’usage de
mesurer son rendement énergétique. Cette information nous permet donc de déterminer à quel
point un moteur ou tout autre appareil électrique utilise efficacement l’énergie qui lui est fournie.
But :
Calculer le rendement énergétique d’un moteur électrique lors de deux situations données afin
d’analyser l’efficacité de la transformation de l’énergie appliquée au système, soit :
1. Le rendement énergétique du moteur lorsqu’il soulève une masse donnée.
2. Le rendement énergétique de ce même moteur lorsque la masse, maintenant hissée au
sommet du montage, tombe en chute libre vers son point d’origine.
Hypothèses : (indiquez ici vos hypothèses de travail. N’oubliez pas de les formuler sous
forme d’une affirmation.)
17
Déroulement : (Le montage du système à l’étude a déjà été réalisé pour vous, simplement
vérifier que le matériel énuméré est bien présent à votre table de travail et que toutes les pièces
semblent bien raccordées entres elles avant de débuter)
A) Matériel par équipe :a. Potence avec tige et pince
b. Source électrique avec fils crocodiles
c. Moteur raccordé avec tige noire
d. Masses : 20g et 50g
e. Fil plastique (longueur de 1m)
f. EXAO avec capteurs «Currant» et «Volt»
B) Schéma du montage : Situation 1 (départ)
18
C) Schéma du montage : Situation 2 (départ)
D) Protocole :
En tout temps, rapportez-vous à la section « Résultats » pour valider que vous passez bien par
chacune des étapes menant à la détermination du rendement énergétique du système et par le fait
même, pour y noter vos résultats et observations pertinentes.
Mise en place et vérification :
a) Ajuster la source électrique à 7,2 V, mais surtout NE L’ALLUMER PAS.
b) Ouvrir l’EXAO et vérifier que les deux canaux associés aux capteurs «Current» et
«Volts» apparaissent bien à l’écran.
c) S’assurer que le poids (20g ou 50g selon le cas) pend librement de la potence et
19
n’interfère pas avec la table ou tout autre objet.
Exécution :
d) Allumer la source électrique, afin de faire monter la masse choisie (20g ou 50g).
ÉTEINDRE LA SOURCE ÉLECTRIQUE DÈS QUE LA MASSE ATTEINT LE
SOMMET DE LA POTENCE. Un coéquipier peut maintenir en place la masse afin que
cette dernière ne redescende pas durant la consignation des données de cette première
partie par les autres membres de l’équipe.
e) Rapporter vos données dans la feuille de résultats et déterminer le rendement énergétique
du moteur pour cette situation précise (situation 1).
f) La source électrique étant toujours en mode «éteint», laisser tomber librement la masse du
sommet de la potence jusqu’à son point de départ initial.
g) Rapporter vos données dans la feuille de résultats et déterminer le rendement énergétique
du moteur pour cette nouvelle situation (situation 2).
Retour :
h) Comparer le rendement du moteur pour ces deux scénarios et faites un retour sur vos
hypothèses de travail. Que pouvez-vous conclure ?
Résultats :
Situation 1 : Masse hissée par le moteur électrique.
A) Données à recueillir :
20
Masse utilisée (kg)
Gain en hauteur de la masse après sa montée (m)
Différence de potentiel aux bornes du moteur (V)
Temps pris par la masse pour atteindre le sommet (sec)
Intensité du courant (A)
B) Détermination du rendement énergétique :
1. Calculer la puissance (P) du moteur : P = UI
où P est la puissance en watts (W), U la différence de potentiel en volts (V) et I, l’intensité du
courant en ampères (A).
Calculs :
Réponse : P = ____________ (W)
2. Calculer l’énergie potentielle gravitationnelle (EPg) : EPg = mgh
où EPg est l’énergie en joules (J) emmagasinée par l’élévation de la masse par le moteur, m
est la masse utilisée en kilogrammes (kg), g la constante de l’accélération gravitationnelle
(9,81 m/s2) et h, la hauteur parcourue par la masse en mètre (m).
Calculs :
21
Réponse : EPg = _____________ (J)
3. Calculer l’énergie électrique (EE) : EE = Pt
où EE est l’énergie consommée en joules (J) par le moteur pour accomplir le travail, P (W) est
la puissance déterminée au point 1 et t, le temps qu’a pris la masse pour atteindre le haut de la
potence en secondes (sec).
Calculs :
Réponse : EE = ____________ (J)
4. Calculer le rendement énergétique du moteur (%) : ɳ = (Eutile / Ereçue) x 100où le rendement énergétique (ɳ ) est le pourcentage (%) d’énergie reçue par le moteur qui
sera réellement transformée en énergie utile. L’énergie reçue correspond à l’énergie initiale
dans une transformation d’énergie. L’énergie utile, quant à elle, est l’énergie qui sert à
effectuer un travail et pour laquelle on effectue la transformation d’énergie en premier lieu.
Dans la situation 1, l’énergie utile est EE ou EPg ?
Réponse: _______________
Dans la situation 1, l’énergie reçue est EE ou EPg ?
22
Réponse: _______________
Calculs du rendement énergétique :
Réponse : Rendement énergétique = ____________ (%)
Situation 2 : Masse en chute libre à partir du haut de la potence.
A) Données à recueillir :
Masse utilisée (kg)
Gain en hauteur de la masse dans la situation 1 (m)
Différence de potentiel aux bornes du moteur (V)
Temps pris par la masse pour dérouler complètement la corde en chutant (sec)
Intensité du courant (A)
B) Détermination du rendement énergétique :
1. Calculer la puissance (P) du moteur dans la situation 2 : P = UI
où P est la puissance en watts (W), U la différence de potentiel en volts (V) et I, l’intensité du
courant en ampères (A).
23
Calculs :
Réponse : P = ____________ (W)
2. Calculer l’énergie potentielle gravitationnelle (EPg) : EPg = mgh
où EPg est l’énergie en joules (J) emmagasinée par l’élévation de la masse par le moteur, m
est la masse utilisée en kilogrammes (kg), g la constante de l’accélération gravitationnelle
(9,81 m/s2) et h, la hauteur parcourue par la masse en mètre (m).
Calculs:
Réponse : EP = _____________ (J)
3. Calculer l’énergie électrique (EE) : EE = Pt
où EE est l’énergie produite, en joules (J), par le moteur pour accomplir le travail, P (W) est la
puissance déterminée au point 1 et t, le temps qu’a pris la masse pour atteindre son point le
plus bas (sec).
Calculs :
Réponse : EE = ____________ (J)
24
5. Calculer le rendement énergétique du moteur (%) : ɳ = (Eutile / Ereçue) x 100où le rendement énergétique (ɳ ) est le pourcentage (%) d’énergie reçue par le moteur qui
sera réellement transformée en énergie utile. L’énergie reçue correspond à l’énergie initiale
dans une transformation d’énergie. L’énergie utile, quant à elle, est l’énergie qui sert à
effectuer un travail et pour laquelle on effectue la transformation d’énergie en premier lieu.
Dans la situation 2, l’énergie utile est-elle EE ou EPg ?
Réponse: _______________
Dans la situation 2, l’énergie reçue est-elle EE ou EPg ?
Réponse: _______________
Calculs du rendement énergétique :
Réponse : Rendement énergétique = ____________ (%)
Bilan du rendement énergétique :
Scénario Rendement énergétique (%)
Scénario 1
Scénario 2
25
Observations sur la transformation de l’énergie au sein des deux scénarios :
Discussion : (discutez des résultats obtenus en fonction de vos hypothèses de départ et de
l’énoncé du but du laboratoire. N’oubliez pas vos sources bibliographiques !)
26
Conclusion : (faire un rappel des différentes sections de l’expérience. Avez-vous répondu au
but de l’expérience ? Quel est le message clé que vous voulez faire ressortir ? L’expérience a-t-
elle suscité de nouveaux questionnements ?)
27
Retour sur la démarche : (indiquez votre appréciation du laboratoire. Vous a-t-il
permis d’atteindre le but ? Quelle est la validité de vos résultats ? Avez-vous atteint un objectif
d’apprentissage particulier ? Suggérez des pistes d’amélioration.)
28
Annexe B – Instrument d’évaluation
Afin d’être en mesure d’apprécier l’atteinte du critère d’évaluation retenu pour ce laboratoire
particulier soit, la maîtrise des connaissances ciblées nécessaires à la réalisation de cet exercice
pratique, un questionnaire amenant les élèves à réutiliser les formules et les concepts rencontrés
lors du laboratoire et de la partie théorique semble tout à fait appropriée pour atteindre ce but.
Questionnaire sur le labo 7 : Moteur de changement
1. Laquelle des affirmations suivantes est vraie concernant l’énergie potentielle gravitationnelle (Ep)?
1. Ep ne dépend pas de la hauteur de l’objet2. Ep ne dépend pas de la masse de l’objet3. Ep ne dépend pas de la vitesse de l’objet4. Ep ne dépend pas de la planète où se trouve l’objet.
2. Quelle quantité d’énergie potentielle acquiert un ballon de 0,4kg que l’on soulève de 1,2m?
3. Comment se calcule l’énergie électrique d’un appareil?
4. Quelle est l’énergie électrique reçue dans la situation suivante? Une émission de télévision dure 30 minutes et est regardée sur un poste de 300W.
5. Quels sont les facteurs qui influencent le rendement énergétique ?
6. L’énergie utile est toujours inférieure à l’énergie reçue parce qu’une partie de l’énergie est dissipée pendant la transformation énergétique. Vrai ou Faux?
7. Un moteur électrique transforme de l’énergie électrique pour soulever une masse à une hauteur donnée. À quoi correspond l’énergie utile dans ce cas?
1. L’énergie potentielle gravitationnelle (Epg)2. L’énergie électrique3. a et b
8. Quel est le rendement énergétique d’une grue qui consomme 15200J pour effectuer un travail de 3500J?
9. Un moteur électrique fonctionne avec un rendement de 85%, quelle est l’énergie utile si l’énergie reçue est de 500J?
10. Une quantité d’énergie de 100J est consommée en 5s. Quelle est la puissance en watts?
29
Références
Allô prof. 2013. Science et technologie. L’énergie. Récupéré le 10 avril 2015 de
http://bv.alloprof.qc.ca/s1079.aspx
Allô prof. 2013. Science et technologie. Les transformations et les transferts d’énergie. Récupéré
le 10 avril 2015 de http://bv.alloprof.qc.ca/s1089.aspx
Allô prof. 2013. Science et technologie. La relation entre la puissance et l’énergie électrique
(P=UI). Récupéré le 10 avril 2015 de http://bv.alloprof.qc.ca/science-et-technologie/l
%27univers-materiel/l%27electricite/la-relation-entre-la-puissance-et-l%27energie-
electrique-%28p=ui%29.aspx
Allô prof. 2013. Physique. L’énergie potentielle. Récupéré le 10 avril 2015 de
http://bv.alloprof.qc.ca/p1027.aspx
Allô prof. 2013. Science et technologie. Le rendement énergétique. Récupéré le 10 avril 2015 de
http://bv.alloprof.qc.ca/s1091.aspx
Département de l'instruction publique. Site officiel de l'enseignement de la physique de
l'enseignement secondaire Genève – Suisse. Liste de fausses conceptions. Récupéré le 2
avril 2015 de
http://bdp.ge.ch/webphys/enseigner/situations/html/listefaussesconceptions.html#
electricite
Gagné, C. et Bouchard, R. (2011). Galaxie : la mécanique : 3e année du 2e cycle du secondaire.
[Cahier d’apprentissage]. Montréal : Lidec inc
Ministère de l’Éducation, Enseignement supérieur et Recherche (2013).Programme de formation
de l’école québécoise : enseignement secondaire deuxième cycle. Québec : Gouvernement
du Québec.
30
Ministère de l’Éducation, Enseignement supérieur et Recherche (2011). Progression des
apprentissages au secondaire. Québec : Gouvernement du Québec.
Therras, C. et Arcelin J. De l'enseignement de l'énergie à l'école élémentaire. Education.2012.
31
