Introduction
Un circuit est un dispositif qui laisse circuler l’électricité, généralement pour alimenter d’autres appareils. Tout circuit complet doit avoir une alimentation ou une source d’énergie – par exemple, une pile. Dans ce laboratoire, vous créerez et testerez des circuits simples faits d’une pile, de fils et d’ampoules.
Objectifs
- Découvrir comment fonctionne un circuit parallèle
- Découvrir comment fonctionne un circuit en série
- Découvrir la différence entre un conducteur et un isolant
Matériel
- Diodes électroluminescentes (DEL) de 5 mm – 3 à 5 par élève ou groupe pour le premier test, et 3 à 5 supplémentaires pour les tests restants.
- Pile de 9 volts – 1 par élève ou groupe.
- Pâte à modeler (Play-Doh) – 1 paquet par élève ou groupe.
- Paire de pinces crocodiles – 1 par élève ou groupe.
- Trombones – 2 par élève ou groupe.
- Bâtonnet de bois – 1 (deux moitiés) par élève ou groupe.
- Paille en plastique – 2 morceaux par élève ou groupe.
- Pièces de un cent – 2 par élève ou groupe. (Si vous n’avez pas de cents et/ou si vous souhaitez approfondir l’expérience, demandez aux élèves de tester différentes pièces de monnaie et de formuler une hypothèse sur les raisons pour lesquelles un matériau serait conducteur.)
Instructions (Parties 1 à 3)
Partie 1 : Test d’un circuit parallèle
Étape 1
Prenez une des pinces crocodiles et fixez une extrémité à une borne de la pile. Prenez la deuxième pince crocodile et fixez une extrémité à la deuxième borne. Pour le reste de l’expérience, vous ne vous déplacerez pas et n’échangerez pas ces pinces. Elles resteront en place.
Observez qu’une pince crocodile est reliée à la borne positive (+) de la pile, tandis que l’autre est reliée à la borne négative (−). Ce sera important plus tard.
Étape 2
Prenez une diode DEL et testez-la pour déterminer quelle patte est positive (+) et laquelle est négative (−). Pour ce faire, prenez les extrémités libres de chaque pince crocodile (celles qui ne touchent pas la pile) et fixez-en une sur chaque patte, ou fil, de la diode.
Important : Si la diode ne s’allume pas brièvement, déconnectez les pinces crocodiles des pattes de la diode, PAS des bornes de la pile. Rattachez les pattes aux pinces dans le sens inverse de votre premier test.
De plus, en raison de la force du courant de la pile, votre diode ne s’allumera probablement qu’une seconde avant de griller, alors observez attentivement !
Étape 3
Vous remarquerez qu’une patte est plus longue que l’autre.
- Quand la diode s’allume, observez quelle patte de la diode est reliée à la pince menant à la borne négative (−) de la pile et quelle patte est reliée à la pince menant à la borne positive (+) de la pile.
- La patte positive de la diode DEL s’appelle l’anode (+). La patte négative s’appelle la cathode (−).
Répondez aux questions 1.3A et 1.3B dans la section Questions de l’élève qui suit les instructions.
Étape 4
Déconnectez les pinces crocodiles de la diode DEL (PAS de la pile). Ensuite, formez deux boules ovales avec la pâte à modeler. Insérez une pince crocodile dans chacune.
Votre montage devrait maintenant ressembler à l’image de droite.
Observez : Le fil relié à la borne positive (+) de la pile est votre fil positif. Une fois la partie métallique de la pince crocodile insérée dans la pâte à modeler, ce morceau de pâte devient lui aussi « positif ». Même chose pour le fil de la borne négative (−) de la pile. Si vous insérez le fil négatif dans la pâte à modeler, vous obtenez une pâte à modeler « négative ».
Étape 5
Pliez les pattes de la diode DEL pour pouvoir les insérer dans la pâte à modeler.
Étape 6
Insérez la patte positive (anode) de la diode DEL dans la pâte à modeler positive. Ensuite, insérez la patte négative (cathode) de la diode dans la pâte à modeler négative.
Important : Si elle ne s’allume pas, vous avez peut-être inversé les pattes de la diode DEL. Essayez de les échanger.
La pâte à modeler agit comme une résistance : elle réduit le courant pour que la diode s’allume sans griller.
Étape 7
Une fois la diode allumée, ajoutez une autre diode DEL de la même façon que la première : positif avec positif, et négatif avec négatif.
Répondez à la question 1.7A.
Répondez aux questions 1.7B et 1.7C pour formuler et expliquer une hypothèse sur ce qui se passera si une deuxième diode est placée incorrectement dans la pâte à modeler.
Étape 8
Laissez la première diode DEL correctement insérée dans les bornes de pâte à modeler. Inversez la deuxième diode DEL pour que la patte positive soit dans la pâte à modeler NÉGATIVE et la patte négative dans la pâte à modeler POSITIVE.
Répondez aux questions 1.8A et 1.8B.
Étape 9
Replacez maintenant la deuxième diode dans la bonne position, avec la patte positive dans la pâte à modeler positive et la patte négative dans la pâte à modeler négative. Ajoutez une troisième diode dans la bonne position.
Répondez à la question 1.9A.
Étape 10
Inversez maintenant seulement la dernière (troisième) diode, pour qu’elle soit placée incorrectement.
Répondez aux questions 1.10A et 1.10B.
Allez plus loin. Vous venez de créer un circuit parallèle.
Choisissez la bonne réponse pour la question 1.10C.
Partie 2 : Test d’un circuit en série
Étape 1
Revenez au montage initial avec une diode DEL dans deux morceaux de pâte à modeler. Assurez-vous qu’elle s’allume !
Étape 2
Formez un morceau de pâte à modeler séparé, de la même forme que les autres. Vous devriez maintenant avoir trois morceaux de pâte à modeler. Disposez la pâte à modeler pour que le premier et le dernier morceau soient reliés aux pinces crocodiles, avec un morceau seul au milieu.
Étape 3
Ajoutez deux diodes DEL, mais cette fois, une patte de la diode doit être insérée dans la pâte à modeler reliée à la pince crocodile, tandis que la deuxième patte de la diode doit être insérée dans le morceau de pâte à modeler du milieu.
Important : Assurez-vous que la patte positive (+) (anode) de la première diode est reliée à la pâte à modeler positive, et que la patte négative (−) (cathode) de la deuxième diode est reliée à la pâte à modeler négative.
Si elle ne s’allume pas, vérifiez que les pattes des diodes sont reliées aux bons fils. Quand le montage est correct, les deux diodes devraient s’allumer.
Important : Assurez-vous que les trois morceaux de pâte à modeler ne se touchent PAS.
Répondez aux questions 2.3A et 2.3B pour formuler une hypothèse et expliquer ce qui, selon vous, se passera si une diode DEL est placée incorrectement dans la pâte à modeler.
Testez votre hypothèse.
Inversez la deuxième diode pour que les pattes soient insérées incorrectement.
Répondez aux questions 2.3C et 2.3D.
Étape 4
Formez maintenant un morceau de pâte à modeler de plus, pour un total de quatre morceaux. Disposez les morceaux de pâte à modeler pour que ceux des extrémités soient reliés aux pinces crocodiles, avec deux morceaux au milieu.
Étape 5
Ajoutez trois diodes DEL, en prenant soin d’insérer correctement les pattes positives et négatives. Le montage devrait ressembler à ceci.
Important : Si elles ne s’allument pas, vérifiez soigneusement les pattes des diodes et échangez-les au besoin.
Répondez aux questions 2.5A et 2.5B.
Étape 6
Inversez une diode DEL pour qu’elle ne s’allume pas.
Répondez aux questions 2.6A et 2.6B.
Allez plus loin
Nous venons de créer un circuit en série.
Répondez aux questions 2.6C et 2.6D.
Question de réflexion – Défi.
Répondez à la question 2.6E pour réfléchir à la raison pour laquelle inverser une diode dans un circuit parallèle a un effet différent d’inverser une diode dans un circuit en série.
Partie 3 : Test des conducteurs et des isolants
Lisez les définitions.
Certains matériaux laissent circuler l’électricité.
Ils s’appellent des conducteurs.
Quand l’électricité circule à travers un conducteur vers un appareil, l’appareil s’allume, puisque le conducteur laisse passer l’électricité.
Un fil métallique est un exemple de conducteur.
Certains matériaux ne laissent pas circuler l’électricité.
Ils s’appellent des isolants.
Quand l’électricité essaie de circuler à travers un isolant vers un appareil, l’appareil ne s’allume pas, puisque l’isolant empêche l’électricité de passer.
Le papier est un exemple d’isolant.
Faites une prédiction
Répondez à la question 3.1 en remplissant le tableau.
Étape 1 : Testez votre prédiction
Revenez au montage initial avec deux morceaux de pâte à modeler et une diode DEL (assurez-vous qu’elle s’allume).
Étape 2
Retirez les pinces crocodiles de la pâte à modeler. Insérez ensuite une pièce de un cent dans chaque morceau de pâte à modeler et reliez les pinces crocodiles à chaque pièce.
Répondez aux questions 3.2A à 3.2C.
Étape 3
Déconnectez les pinces crocodiles. Ensuite, retirez les pièces et remplacez-les par des morceaux de paille en plastique. Reliez les pinces crocodiles à chaque morceau de paille.
Répondez aux questions 3.3A à 3.3C.
Étape 4
Déconnectez les pinces crocodiles. Ensuite, retirez les pailles en plastique et remplacez-les par des morceaux de bois.
Répondez aux questions 3.4A à 3.4C.
Étape 5
Déconnectez les pinces crocodiles. Ensuite, retirez les morceaux de bois et remplacez-les par des trombones. Reliez les pinces crocodiles à chaque trombone.
Répondez aux questions 3.5A à 3.5C.
Défi d’identification.
Ci-dessous se trouvent des circuits parallèles et des circuits en série.
Examinez les images, puis répondez aux questions 3.5D à 3.5G pour identifier chaque type de circuit.
Questions de l’élève (Parties 1 à 3)
Complétez les espaces vides (positive ou négative / anode ou cathode)
1.3A. La patte la plus longue est la borne _____________________, appelée l’_____________________.
1.3B. La patte la plus courte est la borne _____________________, appelée la _____________________.
1.7A. Est-ce que les deux diodes se sont allumées ? __________________
1.7B. Formulez une hypothèse : Nous savons que si la patte positive de la diode est insérée dans la pâte à modeler négative, et la patte négative dans la pâte à modeler positive, la diode ne s’allumera pas. Selon vous, que se passera-t-il si la première diode est placée correctement dans la pâte à modeler, mais que la deuxième diode est placée incorrectement ?
1.7C. Expliquez votre hypothèse :
1.8A. Est-ce que les deux lumières se sont éteintes, ou une seule ? _______________________
1.8B. Si une seule, laquelle ? La première, ou celle que vous avez inversée ? _______________________
1.9A. Est-ce que les trois lumières sont restées allumées ? ______________________________
1.10A. Est-ce que toutes les lumières se sont éteintes, ou une seule ? ______________________________
1.10B. Si une seule, laquelle ? La première ou celle que vous avez inversée ? ______________________________
1.10C. Dans un circuit parallèle, si une lumière « s’éteint », les autres lumières :
- Resteront allumées.
- S’éteindront.
- Resteront allumées ou s’éteindront, selon le nombre de lumières.
2.3A. Formulez une hypothèse : Encore une fois, que se passera-t-il cette fois-ci, selon vous, si une diode est placée correctement dans la pâte à modeler, mais que l’autre est placée incorrectement ?
2.3B. Expliquez votre hypothèse :
2.3C. Est-ce que les deux lumières se sont éteintes, ou une seule ? ______________________________
2.3D. Si une seule, laquelle ? La première, ou celle que vous avez inversée ? _____________________________ (Vous pouvez répondre « aucune des deux » si les deux se sont éteintes.)
2.5A. Une fois qu’elles sont reliées, est-ce que toutes les diodes s’allument ? _____________________________
2.5B. Qu’est-il arrivé à l’intensité de la lumière ?
- Elle est devenue plus forte.
- Elle est devenue plus faible.
- Elle est restée la même.
2.6A. Est-ce que toutes les lumières se sont éteintes, ou une seule ? _____________________________
2.6B. Si une seule, laquelle ? La première, celle que vous avez inversée, ou celle du milieu ? ________________________ (Vous pouvez répondre « aucune » si elles se sont toutes éteintes.)
2.6C. Dans un circuit en série, si une lumière « s’éteint », les autres lumières :
- resteront allumées.
- s’éteindront.
- resteront allumées ou s’éteindront selon leur position.
2.6D. Dans un circuit en série, qu’arrive-t-il à la lumière quand on ajoute des diodes ?
- Elle devient plus faible.
- Elle devient plus forte.
- Elle reste la même.
2.6E. Pourquoi, quand on inverse une diode dans un circuit parallèle, les autres diodes restent-elles allumées, alors que si on l’inverse dans un circuit en série, toutes les diodes s’éteignent ?
3.1 Faites une prédiction : Cochez la colonne qui, selon vous, identifie correctement chaque matériau.
| Matériau | Isolant | Conducteur |
|---|---|---|
| Pièce de un cent | ||
| Paille en plastique | ||
| Bois | ||
| Trombone |
3.2A. Est-ce que la diode DEL s’allume ? _________
3.2B. Une pièce de un cent est-elle un isolant ou un conducteur ? _________
3.2C. Comment le savez-vous ?
3.3A. Est-ce que la diode DEL s’allume ? _____________________
3.3B. Une paille en plastique est-elle un isolant ou un conducteur ? _____________________
3.3C. Comment le savez-vous ?
3.4A. Est-ce que la diode DEL s’allume ? _____________________
3.4B. Le bois est-il un isolant ou un conducteur ? _____________________
3.4C. Comment le savez-vous ?
3.5A. Est-ce que la diode DEL s’allume ? _____________________
3.5B. Les trombones sont-ils des isolants ou des conducteurs ? _____________________
3.5C. Comment le savez-vous ?
Identifiez chaque circuit en écrivant le type de circuit (en série ou en parallèle) sur la ligne sous chaque image.
3.5D. ____________________ 3.5E. ___________________ 3.5F. ___________________ 3.5G. ___________________
Partie 4 : Loi d’Ohm – Activité mathématique d’extension
Découvrez la loi d’Ohm
La loi d’Ohm est une règle simple qui nous aide à comprendre comment l’électricité fonctionne dans un circuit. Elle explique la relation entre trois éléments importants.
- Tension (V) : C’est comme la « poussée » qui fait circuler l’électricité dans un circuit. Elle vient d’une pile ou d’une source d’énergie.
- Courant (I) : C’est la quantité d’électricité qui circule réellement dans le circuit.
- Résistance (R) : C’est la mesure dans laquelle un élément du circuit ralentit l’électricité.
La règle est : Tension = Courant × Résistance
Si vous connaissez deux de ces valeurs (tension, courant ou résistance), vous pouvez trouver la troisième. La tension se mesure en volts (V), le courant en ampères (A) et la résistance en ohms (Ω).
Par exemple :
- Si vous augmentez la tension (la poussée), plus de courant circule.
- Si vous augmentez la résistance (par exemple en ajoutant un élément qui rend la circulation de l’électricité plus difficile), moins de courant circule.
C’est comme un raccourci mathématique pour comprendre comment l’électricité se comporte !
De plus, la formule pour calculer la puissance est P = I × V.
En la combinant avec la loi d’Ohm, on obtient P = V² / R.
Résolvez les problèmes mathématiques d’électricité et montrez votre travail
4.1 Un circuit a une résistance de 5 Ω et un courant de 2 A. Quelle est la tension aux bornes du circuit ?
4.2 Quelle est la résistance d’un circuit si la tension est de 12 V et le courant de 3 A ?
4.3 Un circuit alimenté par une pile de 10 V a une résistance de 20 Ω. Quel est le courant qui circule dans le circuit ?
4.4 La tension aux bornes d’une résistance est de 15 V lorsque le courant est de 0,5 A. Quelle est la valeur de la résistance ?
4.5 Un circuit comporte deux résistances, de 20 Ω et 30 Ω, montées en série avec une pile de 10 V. Quelle est la résistance totale du circuit ? (Indice : La résistance totale est la somme de toutes les résistances.)
4.6 Quel est le courant dans un circuit comportant deux résistances (10 Ω et 30 Ω) en série, reliées à une pile de 20 V ?
4.7 Un circuit contient une résistance de 5 Ω et une source d’énergie de 20 V. Calculez la puissance (en watts) dissipée par la résistance. (Indice : La formule de la puissance est P = V² / R.)
4.8 Une pile de 12 V est reliée à une résistance de 4 Ω. Quelle est la puissance utilisée par la résistance ? Utilisez la formule de la puissance (P = V² / R).
Partie 5 : Introduction aux schémas de circuits – Extension
Qu’est-ce qu’un circuit ?
Un circuit est un chemin que suit l’électricité. Pour qu’un circuit fonctionne, il lui faut :
- Une source d’énergie – comme une pile, pour fournir l’énergie.
- Des conducteurs – généralement des fils, pour transporter l’électricité.
- Un récepteur – un élément qui utilise l’électricité, comme une ampoule.
- Un interrupteur (facultatif) – pour contrôler la circulation de l’électricité.
Quand le circuit est fermé, l’électricité circule. Quand il est ouvert, l’électricité s’arrête.
Les symboles dans les schémas de circuits
Les schémas de circuits sont comme des cartes pour les circuits. Au lieu d’images, ils utilisent des symboles pour représenter les parties du circuit. Même si les fils sont souvent flexibles, un schéma de circuit reste très ordonné : on n’y trace que des formes rectangulaires.
Voici quelques symboles courants :
| Composants | Symbole |
|---|---|
| Pile |  |
| Fil |  |
| Ampoule |  |
| Interrupteur (fermé) |  |
| Interrupteur (ouvert) |  |
Identifiez les composants.
5.1 Observez le schéma à droite. Étiquetez la pile, l’ampoule et l’interrupteur. Indiquez si l’interrupteur est ouvert ou fermé.
Répondez à la question.
5.2 Dans le schéma de circuit à droite, l’ampoule est-elle actuellement « allumée » ou « éteinte » ? Expliquez votre réponse.
À vous de jouer.
5.3 Dessinez un schéma de circuit avec une pile, une ampoule et un interrupteur dans la position nécessaire pour que l’ampoule soit « allumée ».
Défi : Dessinez un circuit en série.
Un circuit en série est un type de circuit où toutes les parties (comme les ampoules, les piles ou les interrupteurs) sont reliées en une seule boucle. Cela signifie que l’électricité n’a qu’un seul chemin à suivre.
- Si une partie du circuit cesse de fonctionner, tout s’arrête, parce que la boucle est interrompue.
- Exemple : Si une ampoule d’une guirlande lumineuse grille, toutes les lumières peuvent cesser de fonctionner.
5.4 À l’aide des symboles de schémas de circuits ci-dessus, dessinez un circuit en série avec au moins trois ampoules et un interrupteur ouvert.
Défi : Dessinez un circuit parallèle.
Un circuit parallèle est un type de circuit où les parties sont reliées par plusieurs chemins. L’électricité peut circuler par chaque chemin séparément.
- Si une partie du circuit cesse de fonctionner, les autres parties peuvent continuer à fonctionner, parce que l’électricité peut passer par les autres chemins.
- Exemple : Dans votre chambre, les appareils électriques branchés sur le même circuit fonctionnent indépendamment. Si une ampoule grille dans un ventilateur de plafond, le ventilateur continue de fonctionner.
5.5 À l’aide des symboles de schémas de circuits ci-dessus, dessinez un circuit parallèle avec au moins trois ampoules et un interrupteur fermé.