Nouveau programme de 1S Energie et champs Quelques idées.

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1 Nouveau programme de 1S Energie et champs Quelques idées

2 Compétences attendues
Couleurs et images Sous thème Notions et contenus Compétences attendues Couleur, vision et image Sources de lumière colorée 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. Matières colorées

3 Lois et modèles Cohésion et transformations de la matière
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 Pratiquer une démarche expérimentale pour mesurer une énergie de 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 Champs et forces Formes et principe de conservation de l’énergie 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. 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.

4 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 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 Stockage et conversion de l’énergie chimique. Énergie libérée lors de la combustion d’un hydrocarbure ou d’un alcool Piles salines, piles alcalines, piles à combustible. Accumulateurs 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. 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 Synthétiser des molécules et fabriquer de nouveaux matériaux Créer et innover

5 Ce qui est vu au collège…
1ère 3ème

6 1ère 4ème 3ème

7 3 intitulés pour les activités expérimentales
Elaborer et réaliser un protocole Pas toujours évident de respecter l'intitulé choisi pour telle ou telle activité expérimentale ! Mettre en oeuvre un protocole Pratiquer une démarche expérimentale

8 ? Pratiquer une démarche expérimentale pour mesurer une énergie de changement d’état

9 Attention – Notion à connaître seulement en terminale

10 Fil pour suspendre la canette
Mettre en oeuvre un protocole pour estimer la valeur de l’énergie libérée lors d’une combustion canette métallique en aluminium ou en fer contenant 200mL d’eau du robinet bougie Thermomètre Fil pour suspendre la canette Lorsque la température a augmenté d’environ une dizaine de degrés, on éteint la bougie

11 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.

12 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.

13 Compétences attendues Distinguer puissance et énergie
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 mA Lampe 6V mA Lampe 6V mA Lampe 6V mA Lampe 6V - 1 A « Quelle lampe choisir ? »

14 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

15 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

16 Compétences attendues
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 »

17 Compétences attendues - effet joule - notion de rendement
Activité de groupe Notions et contenus Compétences attendues - effet joule - notion de rendement Pratiquer une démarche expérimentale pour : - mettre en évidence l'effet joule.

18 « Pourquoi y a-t-il une élévation de la température de l'eau ? »
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 ? »

19 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 !)

20 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

21 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

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23 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 Troisième expérience : (l'autre demi groupe) 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 Lors d'une nouvelle série de mesures on prendra soin de renouveler l'eau si sa température dépasse 35°C

24 Dq est proportionnelle à Dt
PREMIERE EXPERIENCE R = 4 W et I = 2 A Dt en s Dq en °C 90 0,7 0,8 0,9 Dq est proportionnelle à Dt

25 SECONDE EXPERIENCE I = constante = 4 A

26 Avec ces 3 courbes, on montre que :
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

27 TROISIEME EXPERIENCE R = constante = 4 W

28 Dq est proportionnelle à I².Dt
TROISIEME EXPERIENCE R = constante = 4 W Dq est proportionnelle à I².Dt

29 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

30 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%)

31 Prolongement lors de l'activité en classe entière suivante :
La chaîne énergétique :

32 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

33 Compétences attendues Loi d'ohm
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. 33

34 ? Situation déclenchante : Indications (valeurs nominales) Lampe L1
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 ? ? 34

35 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 ? A V I Upile Interrupteur ouvert Upile = U0 = Interrupteur fermé 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) ? 35

36 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) 36

37 Upile= - 0,544*I + 4,55 37

38 UPN = E - r*I 4,55 - 0,544*I Upile 0,544*I 4,55 I
Rq : Après avoir vu la loi d'Ohm en cours, on reviendra sur l' expression UPN = E - r*I 38

39 Aux élèves de proposer un protocole.
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. 39

40 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). 40

41 Prolongement en activité de classe
Tracé de la caractéristique d'un conducteur ohmique « Rappel : loi d'Ohm » I UR = R*I Retour sur la caractéristique de la pile : écriture de Upile = U0 - r*I = E - r*I E I r*I E - r*I I Upile E;r Exercice(s) d'application 41

42 Les champs Notions et contenus Compétences attendues
Exemples de champs scalaires et vectoriels : pression, température, vitesse dans un fluide. Champ magnétique : sources de champ magnétique (Terre, aimant, courant). Champ électrostatique : Champ de pesanteur local : Loi de la gravitation ; champ de gravitation.   Lien entre le champ de gravitation et le champ de pesanteur Recueillir et exploiter des informations (météorologie, téléphone portable, etc.) sur un phénomène pour avoir une première approche de la notion de champ. Décrire le champ associé à des propriétés physiques qui se manifestent en un point de l’espace. Comprendre comment la notion de champ a émergé historiquement d’observations expérimentales. Pratiquer une démarche expérimentale pour cartographier un champ magnétique ou électrostatique. Connaître les caractéristiques : - des lignes de champ vectoriel ; - d’un champ uniforme ; - du champ magnétique terrestre ; - du champ électrostatique dans un condensateur plan - du champ de pesanteur local. Identifier localement le champ de pesanteur au champ de gravitation, en première approximation.

43 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

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45 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

46 © Pierron