Informer et accompagner les professionnels de l’éducation ÉVALUATION CYCLES 2 3 4 PHYSIQUE-CHIMIE La guirlande électrique COMPOSANTE(S) DU SOCLE COMMUN D4 | Les systèmes naturels et les systèmes techniques ÉLÉMENTS SIGNIFIANTS Mener une démarche scientifique, résoudre un problème (D4) • Extraire, organiser les informations utiles et les transcrire dans un langage adapté • Modéliser et représenter des phénomènes et des objets • Mettre en œuvre un raisonnement logique simple • Mettre en œuvre un protocole expérimental • Pratiquer le calcul numérique (exact et approché) et le calcul littéral Situation d’évaluation Thème : l’énergie et ses conversions Attendus de fin de cycle Réaliser des circuits électriques simples et exploiter les lois de l’électricité. Connaissances et compétences associées Relation tension-courant : loi d’Ohm. Nature de la situation d’évaluation Succession de tâches simples avec activité expérimentale. Durée : 55 min Retrouvez Éduscol sur eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Novembre 2016 1 ÉVALUATION CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE Synopsis Nous disposons d’une guirlande électrique avec DEL et résistances de protection. Afin de faire varier l’éclat des DEL, nous allons faire varier la valeur de la tension fournie par le générateur. La valeur de l’intensité du courant dans chaque branche de la guirlande ne doit pas dépasser 20 mA sous peine de détériorer la DEL. Nous utiliserons la loi d’Ohm et la loi d’additivité des tensions dans un circuit en série pour déterminer la valeur maximale de la tension délivrée par le générateur. Acquis nécessaires pour mener la tâche à bien • Le conducteur ohmique : symbole normalisé et grandeur caractéristique. • Mesures de tension et d’intensité. • Conversions d’unités. • Calcul d’une valeur moyenne. • Loi d’Ohm. • Loi d’additivité des tensions. Scénario L’élève met en place une expérimentation permettant de mesurer les valeurs de la tension aux bornes d’un conducteur ohmique et de l’intensité du courant électrique qui le traverse. Après avoir vérifié que les mesures réalisées permettent de confirmer la loi d’Ohm, l’élève l’applique afin de calculer la valeur maximale de la tension aux bornes d’un conducteur ohmique (URmax) correspondant à Imax = 20 mA. Enfin, il répond à la situation problème en utilisant la loi d’additivité des tensions dans un circuit en série. Différents « coups de pouce » assurent une bonne poursuite de l’étude. Indicateurs permettant de suivre la progression de l’élève au cours de l’éva- luation Mener une démarche scientifique, résoudre un problème (D4) I1 : réaliser un schéma électrique intégrant un voltmètre et un ampèremètre. I2 : réaliser un circuit électrique à partir d’un schéma et effectuer des mesures. I3 : calculer une valeur moyenne. I4 : comparer deux valeurs. I5 : calculer la valeur d’une tension en utilisant la loi d’Ohm. I6 : répondre à une situation problème. Retrouvez Éduscol sur eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Novembre 2016 2 ÉVALUATION CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE Évaluation de l’élève MAÎTRISE INSUFFI- MAÎTRISE SATIS- TRÈS BONNE MAÎ- MAÎTRISE FRAGILE SANTE FAISANTE TRISE I1 : Réaliser un schéma Schéma normalisé du L’élève réussit à Schéma électrique électrique correct circuit fourni à l’élève. schématiser le circuit correct. avec un voltmètre et en utilisant au moins un ampèremètre bien un des coups de Les deux appareils positionnés pouces proposés (1, 2). de mesures sont correctement représentés et bien orientés. I2 : Réaliser un circuit Le circuit est réalisé Le circuit n’est pas Le circuit est électrique à partir d’un par le professeur. entièrement réalisé entièrement réalisé schéma et effectuer par l’élève, au moins par l’élève, les calibres des mesures. Après intervention un des appareils indiqués dans l’énoncé du professeur l’élève de mesure est mal sont respectés. réalise correctement connecté (orientation, les mesures. choix des bornes…). Les mesures sont correctement réalisées. I3 : Calculer une valeur Malgré le coup de L’élève fait appel au L’élève détermine la L’élève détermine la moyenne. pouce (4), l’élève ne professeur et utilise valeur moyenne sans valeur moyenne sans parvient pas à effectuer le coup de pouce (4) aide aucune mais aide aucune et l’exprime ce calcul. proposé. n’indique pas d’unité. en V/A ou en Ω. L’élève utilise un tableur comportant un tableau déjà préparé permettant le calcul de la valeur moyenne à partir de 5 valeurs. L’élève compare ces L’élève détermine L’élève détermine l’écart deux valeurs à l’aide l’écart absolu entre ces relatif entre les deux I4 : Comparer deux d’une inéquation. deux valeurs. valeurs et l’exprime valeurs. sous la forme d’un pourcentage L’élève calcule Umax L’élève convertit Imax L’élève fournit sans se poser des en A et calcule Umax en l’expression littérale I5 : Calculer une tension questions sur les indiquant l’unité, sans URmax = Imax×R. en utilisant la loi unités passer par l’expression d’Ohm. littérale. Il convertit Imax en A et calcule Umax à 0,1 V près, en indiquant l’unité. Pas de réponse La loi d’additivité Résultat juste et unité Toutes les expressions I6 : Répondre à une est connue mais le précisée ont été établies de façon situation problème. résultat est erroné. littérale Matériel disponible • 1 Générateur de tension continue réglable (0,0 à 9,0 V) • 1 Conducteur ohmique (R = 470Ω) • 1 DEL • 2 multimètres • Fils de connexion Retrouvez Éduscol sur eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Novembre 2016 3 ÉVALUATION CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE Coups de pouce n°1 Coup de pouce niveau 1 Coup de pouce niveau 2 Symbole normalisé d’un conducteur ohmique : Symbole normalisé d’une DEL : n°2 Coup de pouce niveau 1 Coup de pouce niveau 2 1. Un voltmètre est toujours branché en 1. Un voltmètre est toujours branché en dérivation dérivation entre les bornes de l’objet d’étude. entre les bornes de l’objet d’étude. Symbole : 2. Un ampèremètre est toujours branché en série 2. Un ampèremètre est toujours branché en sur la même branche que l’appareil étudié. série sur la même branche que l’appareil étudié. Symbole : n°3 Coup de pouce niveau 1 Coup de pouce niveau 2 Convertir de milliampères en ampères Convertir de milliampères en ampères 1 mA = 0,001 A = 1×10-3 A 1 mA = 0,001 A = 1×10-3 A ÷1000 Soit : mA A ou encore A mA 0, 0 0 1 Retrouvez Éduscol sur eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Novembre 2016 4 ÉVALUATION CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE n°4 Coup de pouce niveau 1 Coup de pouce niveau 2 UR Calculer ( )moyenne : I Calculer une moyenne : UR somme des 5 valeurs de on divise la somme des valeurs par le UR I ( )moyenne = nombre de valeurs I 5 Retrouvez Éduscol sur eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Novembre 2016 5 ÉVALUATION CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE La guirlande électrique (document élève) Le schéma électrique ci-dessous représente une guirlande électrique composée de 10 branches dérivées identiques entre elles. Chacune de ces branches est composée de l’association en série d’un conducteur ohmique de résistance R = 470 Ω et d’une diode électroluminescente (DEL). Afin de faire varier l’éclat des DEL il est envisageable de faire varier la tension UG délivrée par le générateur. Situation problème Sachant que la valeur de l’intensité maximale de fonctionnement des diodes électroluminescentes est Imax = 20 mA, quelle valeur maximale de la tension fournie par le générateur, notée UGmax, ne doit pas être dépassée afin de les préserver ? L’expérience est menée sur une seule branche. Des « coups de pouces » sont disponibles à votre demande tout au long de l’étude. Réalisation du circuit d’étude Schéma du circuit En vous aidant de la liste de matériel proposée, schématisez, dans le cadre ci-dessous, un circuit électrique permettant la mesure de la tension électrique UR présente entre les bornes du conducteur ohmique et celle de l’intensité du courant électrique I qui le traverse. Liste de matériel : • 1 générateur de tension continue réglable. • 1 interrupteur. • 1 DEL. • 1 conducteur ohmique de résistance R = 470 Ω. • 1 ampèremètre. • 1 voltmètre. • des fils de connexion. Retrouvez Éduscol sur eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Novembre 2016 6 ÉVALUATION CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE Donnée : Symbole normalisé d’un générateur de tension continue réglable : Coups de pouces disponibles : 1 et 2 Appelez le professeur Réalisation du montage Réalisez le montage en respectant les consignes suivantes : • L’interrupteur doit être ouvert. • L’ampèremètre doit être sur le calibre 20 mA. • Le voltmètre doit être sur le calibre 20 V. Appelez le professeur Réalisation des mesures Complétez les lignes « UR » et « I » dans le tableau suivant : TENSION DÉLIVRÉE PAR LE 0,0 3,0 4,5 6,0 7,5 9,0 GÉNÉRATEUR UR (EN V) I (EN A) UR I Coup de pouce disponible : 3 Appelez le professeur Débranchez le circuit et rangez le matériel Retrouvez Éduscol sur eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Novembre 2016 7 ÉVALUATION CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE Exploitation des résultats Complétez la 4e ligne du tableau. UR UR Calculez la valeur moyenne ( )moyenne : ( )moyenne = ______________ . I I Coup de pouce disponible : 4 UR La valeur moyenne ( )moyenne obtenue est-elle en accord avec la valeur de la résistance de ce I conducteur ohmique ? Calculez la valeur URmax de la tension correspondant à l’intensité maximale Imax de fonctionnement des DEL : URmax = ______________ . En appliquant la loi d’additivité des tensions dans un circuit en série, répondez à la situation problème : Donnée : UDEL = 1 V Retrouvez Éduscol sur eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Novembre 2016 8