PHYSIQUE - Troisième


II - Électricité et vie quotidienne (durée conseillée : 16 h)

L’électricité est présente dans la plupart des actes quotidiens. Son utilisation demande de respecter impérativement des règles de sécurité. Celles-ci ne peuvent être maîtrisées qu’après une analyse rationnelle des éléments qui constituent une installation électrique.
Après avoir pris conscience du rôle des résistances, l’élève comprendra à partir d’expérimentations ce qu’est une tension alternative, comment on l’obtient et comment on peut la transformer pour la transporter ou l’adapter pour alimenter différents appareils.
Il sera amené ensuite à prendre conscience de l’aspect énergétique d’une installation domestique.

II-1 - Notion de résistance ( 4 h )

EXEMPLES D’ACTIVITÉS

CONTENUS-NOTIONS

COMPÉTENCES

Quelle est l’influence d’une résistance dans un circuit électrique ?

    

- Introduire dans un circuit simple des “résistances” de valeurs différentes et mesurer les intensités.
- Soumettre à une même tension des“résistances” de valeurs différentes et mesurer les intensités.

Comment varie l’intensité dans une résistance quand on augmente la tension appliquée ?

- Construire point par point, puis acquérir éventuellement à l’ordinateur la caractéristique d’un dipôle.
- Comparer la valeur de la résistance mesurée à l’ohmmètre à la pente de la caractéristique.

Tous les matériaux ont-ils les mêmes propriétés de résistance ?

- Mesurer la résistance de divers fils métalliques.

- Noter l’influence qualitative des paramètres géométriques (longueur, section).

Notion de résistance électrique.
Unité.

Caractéristique d’un dipôle.

[Mathématiques : proportionnalité, équation d’une droite]

Qualités conductrices des matériaux.
Fusibles.

Savoir que l’intensité du courant dans un circuit est d’autant plus faible que la résistance du circuit est plus élevée.
L’ohm (W), unité de résistance du SI.

Schématiser un montage permettant de tracer une caractéristique.

Évaluer l’intensité dans un circuit connaissant la valeur de la résistance et celle de la tension appliquée à ses bornes…

Savoir que tous les matériaux n’ont pas les mêmes propriétés conductrices d’où un choix selon l’utilisation souhaitée.

Commentaires

Les notions de circuit, de tension, d’intensité et de dipôle ont été introduites au cycle central. L’étude est maintenant prolongée par la mise en évidence d’un lien simple courant-tension pour un dipôle particulier déjà rencontré à l’occasion des montages effectués en technologie.
Le concept de résistance permet de préciser les comparaisons entre les propriétés de conduction des matériaux qui ont été présentées de façon qualitative en A1.2.
La notion de résistivité est hors programme de même que l’étude des associations de résistances.
L’expérimentation sera d’abord effectuée en continu mais on notera ultérieurement que la loi d’Ohm reste valable en alternatif, tant pour les valeurs instantanées que pour les valeurs efficaces.
Un dipôle est dit ohmique si sa caractéristique est de la forme U=RI, R étant un paramètre qui caractérise le dipôle dans des conditions physiques déterminées. La résistance R est en particulier fonction de la température, ce qui explique que l’on n’obtienne pas une caractéristique rectiligne si l’on soumet un dipôle ohmique à des tensions qui engendrent un échauffement non négligeable, cet effet étant particulièrement sensible dans le cas du filament d’une lampe.
La mise en œuvre d’un fusible est une première occasion de constater la conversion d’énergie électrique sous forme thermique (effet Joule).

II-2 - Le " courant alternatif " ( 6 h )

Volontairement l’expression utilisée comme titre de cette rubrique est celle qui est employée dans la vie courante. Cependant compte tenu de l’objet d’étude, le terme scientifiquement approprié est “ tension alternative ”.

EXEMPLES D’ACTIVITÉS

CONTENUS-NOTIONS

COMPÉTENCES

Qu’est-ce qui distingue la tension fournie par le “secteur” de celle fournie par une pile ?

    

- Comparer les effets d’une tension alternative à ceux d’une tension continue en utilisant un générateur TBF, une diode DEL, un moteur
- relever la tension manuellement et à l’ordinateur.

- Représenter graphiquement les variations d’une en fonction du temps.

Que signifient les courbes affichées par un oscilloscope ?

- Utiliser un oscilloscope sans balayage, puis avec balayage.

- Effectuer des déterminations de tension maximum, de période et de fréquence à

Que signifie l’indication d’un voltmètre utilisé en position « alternatif »  ?

- Avec des tensions alternatives d’amplitudes différentes, mesurer la valeur maximale Umax à l’oscilloscope et lire l’indication U d’un voltmètre alternatif, calculer le rapport A=Umax / U

Comment est produite une tension alternative telle que celle du secteur ?

- D éplacer un aimant près d’une bobine.
- Visite d’une installation de production d’électricité.

Comment une alimentation branchée sur le secteur peut-elle jouer le même rôle qu’une pile ?

- Utiliser un transformateur de rapport modéré avec une très basse tension et dans les deux sens.
sur le transport et la distribution de l’électricité.
- Visualiser la tension à la sortie d’un dispositif redresseur.

Tension continue et tension variable au cours du temps.
Intensité continue et intensité variable au cours du temps.

Tension alternative périodique.
Valeurs maximum et minimum.
“Motif élémentaire”.
Période T définie comme la durée du motif.

Signification d’un oscillogramme.

Fréquence f définie comme le nombre de motifs par seconde.
Relation f=1/T.

Pour une tension sinusoïdale, un voltmètre alternatif indique la valeur efficace de cette tension. Cette  est proportionnelle à la valeur maximum.

Le déplacement d’un aimant au voisinage d’un circuit conducteur permet d’obtenir une tension variable dans le temps.

Le transformateur ne fonctionne qu’en alternatif , sans modifier la fréquence.
Rôle et emplois d’un transformateur.
Sécurité.
Existence de dispositifs redresseurs.

Identifier une tension continue, une tension alternative.
Réaliser un tableau de mesures pour une grandeur physique variant en fonction du temps.

Construire une représentation graphique de l’évolution d’une grandeur.
Reconnaître une grandeur alternative périodique.
Déterminer graphiquement sa valeur maximum et sa période.

Montrer à l’oscilloscope la variation d’une tension au cours du temps.

Reconnaître à l’oscilloscope une tension alternative.
Mesurer sa valeur maximum, sa période et sa fréquence.
Le hertz (Hz), unité de fréquence du Système International (SI).

Savoir que les valeurs des tensions alternatives indiquées sur les alimentations ou sur les récepteurs usuels sont des valeurs efficaces.
Déterminer la valeur maximum d’une tension sinusoïdale à partir de sa .

Produire une tension par déplacement d’un aimant.
Connaître le principe de la production de tensions alternatives.

Citer quelques emplois des transformateurs.
Identifier une tension redressée.

Commentaires

On désigne par courant alternatif un courant variable dont le sens s’inverse au cours du temps. On utilise en pratique des courants alternatifs périodiques et le plus souvent sinusoïdaux.
Toute manipulation directe sur le secteur est interdite ; pour toute visualisation le concernant, il convient d’utiliser des transformateurs protégés.
On pourra montrer les oscillogrammes de tensions alternatives non sinusoïdales, par exemple celle engendrée par un alternateur de bicyclette.
La relation U=Umax/A (A ³1) sera étudiée expérimentalement et explicitée sous la forme A=Ö2 seulement pour une tension de même forme que celle du secteur (tension dite sinusoïdale).

II-3 - Installations électriques domestiques (durée conseillée : 6h)

EXEMPLES D’ACTIVITÉS

CONTENUS-NOTIONS

COMPÉTENCES

Quelles sont les caractéristiques des prises du secteur (à deux ou trois bornes) ?

    

- Mesurer la tension entre les différentes bornes (manipulation professeur).
- Etude (texte ou document multimédia) des dangers du courant électrique.

Comment sont constitués les circuits électriques utilisés à la maison ?

- Etude d’une installation domestique sur document ou sur maquette.
- R éaliser un montage basse tension de lampes en dérivation.
Mettre progressivement les lampes en circuit et observer la variation d’intensité dans le circuit principal.

- Observer le rôle des conducteurs et des isolants dans une installation.

- Etudier sur une maquette en très basse tension le rôle de la prise de terre et du disjoncteur différentiel.

Que signifie la valeur exprimée en watts (W) qui est indiqué sur chaque appareil électrique ?

- Comparer les ordres de grandeur des puissances nominales inscrites sur divers appareils domestiques.

À quoi correspond une facture d’électricité?

- Rechercher sur la facture familiale la “puissance souscrite” et identifier les appareils qui pourront fonctionner simultanément.

- Lire les indications d’un compteur d’énergie électrique.
- Recherche documentaire : tarifs spéciaux EDF.

Distinction entre le neutre et la phase. Valeur efficace et fréquence de la tension du secteur.
Risques d’électrocution, entre la phase et le neutre et entre la phase et la terre.

Montage en dérivation.
L’intensité dans le circuit principal d’un montage en dérivation augmente avec le nombre de récepteurs en dérivation.

Spécificité des matériaux employés dans une installation électrique.

La mise à la terre du châssis protège de certains risques électriques.

La puissance (dite nominale) indiquée sur un appareil est la quantité d’énergie électrique qu’il transforme chaque seconde dans ses conditions normales d’utilisation.

L’intensité qui parcourt un fil conducteurs ne doit pas dépasser une valeur déterminée par un critère de sécurité.

L’énergie électrique transformée pendant une durée t par un appareil de puissance constante P est égale au produit E = t P.
[Mathématiques : grandeur produit]

Distinction entre neutre et phase.
Valeur efficace et fréquence du secteur.
Être conscient des risques d’électrocution présentés par une installation domestique.

Les installations domestiques sont réalisées en dérivation.
Mettre en évidence en basse tension que lorsqu’on augmente le nombre de récepteurs l’intensité traversant le circuit principal augmente.

Identifier une mauvaise isolation et une cause de court-circuit.

Savoir qu’il est indispensable que le châssis métallique de certains appareils soit relié à la terre.

Le watt (W), unité de puissance du SI.
Quelques ordres de grandeurs de puissances électriques.
Évaluer l’intensité efficace traversant un appareil alimenté par le secteur à partir de sa puissance nominale. (1)

Connaître le rôle d’un coupe-circuit.

Être capable de calculer l’énergie électrique transformée par un appareil pendant une durée donnée et de l’exprimer dans l’unité du S I le joule (J) ainsi qu’en kilowatt-heures (kWh)

(1) Le commentaire ci-dessous précise les conditions de cette évaluation.

Commentaires

On commence dans cette rubrique à donner une signification quantitative au concept d’énergie en mentionnant l’unité d’énergie et en reliant l’énergie électrique à d’autres grandeurs physiques. On peut noter que l’unité d’énergie est également mentionnée à propos de la valeur énergétique des aliments.
Dans le langage courant, on parle de “consommation d’énergie ” et même de “consommation d’électricité ”. Les observations effectuées permettront d’expliquer que l’énergie ne disparaît pas mais est transformée et l’on mentionnera la nature de cette transformation.
En courant continu, la puissance électrique transformée est égale au produit UI. En courant alternatif, elle est égale a k UI (valeurs efficaces) avec k<= 1, k=1 correspond au cas d’un appareil purement résistif, ne produisant que des effets thermiques . Le nom du coefficient k (facteur de puissance) n’a pas à être mentionné.
On se limitera donc en fait à utiliser l’expression P=UI, en veillant toutefois à préciser que celle-ci n’est valable strictement que pour un appareil dont les effets sont purement thermiques et qu’elle est une bonne approximation pour de nombreux appareils domestiques. On est ainsi capable d’évaluer l’intensité efficace qui traverse un appareil branché sur le secteur à partir de sa puissance nominale : I » P / 2 3 0 .
La loi de conservation pour l’intensité étudiée en quatrième s’étend aux courants variables (dont l’intensité est fonction du temps). Elle reste une excellente approximation pour les valeurs instantanées des courants de fréquences faibles (en particulier pour le courant du secteur). En revanche, de même que la loi d’additivité des tensions, elle n’est valable pour les grandeurs efficaces que dans des circuits résistifs. Le professeur n’aura pas à rentrer dans ces considérations dans la mesure où tout calcul relatif à la répartition des tensions et des intensités dans un réseau électrique est exclu au niveau du collège. On tire toutefois une conclusion pratique importante des remarques précédentes si on note que, l’énergie consommée dans une installation domestique l’étant principalement sous forme thermique, il est possible d’effectuer une approximation qui confond les divers appareils avec des résistances. Cette approximation permet d’estimer l’intensité du circuit principal à partir des puissances nominales P des divers appareils : l’intensité efficace traversant chaque appareil est donnée par la relation I » P/U et celle dans le circuit principal est voisine de la somme des intensités en dérivation. En ce qui concerne une installation domestique, la conclusion est que l’on obtient une estimation de l’intensité du circuit principal en effectuant le quotient par 230 de la puissance totale de l’installation.
La relation E = tP constitue à ce niveau une définition, elle ne fera donc pas l’objet d’une vérification expérimentale.