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Informer et accompagner
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les professionnels de l’éducation CYCLES 2 3 4
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PHYSIQUE-CHIMIE
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Mettre en œuvre son enseignement
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L’énergie et ses conversions
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Pistes pour la construction
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d’une progression sur le thème
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« L’énergie et ses conversions »
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Introduction
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« De toutes les lois de conservation, celle qui traite de l’énergie est la plus difficile, la plus
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abstraite et cependant la plus utile, elle est plus difficile à comprendre que celles que je viens
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de décrire ; en effet, pour la charge et les autres lois de conservation, le mécanisme est clair,
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c’est plus ou moins la conservation de certains objets. Ce n’est pas tout à fait exact, car il y a le
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problème des objets nouveaux que l’on obtient à partir des anciens, mais, en tout cas, c’est une
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simple question de dénombrement. La conservation de l’énergie est un petit peu plus difficile,
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car, cette fois nous avons un nombre qui ne varie pas avec le temps, mais ce nombre ne repré-
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sente aucun objet particulier ».
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Ce texte issu du livre de Richard Feynman, « La nature de la physique »1 montre la complexité
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du concept et la difficulté à construire la notion d’énergie. Dans le même ouvrage, est publiée
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une conférence donnée par l’auteur en 1966 devant le congrès annuel de l’association
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nationale des professeurs de sciences des USA ; Richard Feynman critique un livre de sciences
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correspondant au niveau sixième :
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« On voit une première image qui représente un chien mécanique, un de ces jouets à ressort
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qu’il faut remonter ; on voit ensuite une main sur la clé du ressort et le chien se met à marcher.
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En dessous il y a la légende : « qu’est-ce qui fait marcher le chien ? ». Un peu plus loin, sur une
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autre image, on voit un vrai chien avec la même question […] puis on voit une moto toujours avec
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la même légende « qu’est-ce qui fait marcher la moto ? ». Au début, j’ai cru qu’il s’agissait d’une
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introduction aux différents domaines de la science : la physique, la biologie, la chimie. Mais
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pas du tout. Car la réponse juste, je l’ai trouvée dans le livre du maître joint au manuel : « C’est
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l’énergie qui fait marcher le chien, la moto, etc. » […] En somme la question posée par le manuel
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est bonne. C’est la réponse qui est mal venue, car ce n’est qu’une définition de l’énergie qui ne
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nous apprend rien. Imaginez qu’un élève dise : « Moi, je ne crois pas que ce soit l’énergie qui fait
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bouger le chien. Il est impossible de discuter avec lui ».
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Richard Feynman propose une autre réponse : tout ce que nous voyons bouger bouge parce
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que le Soleil brille. Cette assertion peut aussi être réfutée par les élèves mais cette fois la
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discussion est possible ; les transferts d’énergie d’un système à un autre peuvent commencer
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à être abordés.
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1. Richard Feynman – « La nature de la physique » - Collection Points-Sciences – Editions du Seuil - 1980.
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016 1
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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L’énergie et ses conversions
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La revue Recherches en didactique des sciences et des technologies a publié en 2014 un numéro
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spécial consacré à l’énergie2. Dans l’article « Quelle progression dans l’enseignement de
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l’énergie de l’école au lycée ? Une analyse des programmes et des manuels », les auteurs
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signalent les difficultés rencontrées lors de la construction de ce concept :
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• la polysémie du terme « énergie » qui a des acceptions différentes en sciences, économie,
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sport, ou en arts, ce qui implique de la part de l’élève une remise en cause de ses représen-
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tations antérieures ;
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• c’est un des concepts les plus abstraits de la physique : la définition même de l’énergie n’est
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pas simple. La définition scientifique qui présente l’énergie comme une grandeur qui se
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conserve (Richard Feynman) n’est pas accessible à un élève de cycle 3 ou en début de cycle 4,
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c’est pourquoi certains auteurs proposent de définir l’énergie comme une grandeur physique
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qui représente la capacité d’un système à fournir du travail ou de la chaleur, d’autres pré-
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fèrent la capacité à produire des changements. Une autre difficulté est liée à la mesure de
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cette grandeur : elle ne se mesure pas directement mais peut être déterminée à partir de
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mesures d’autres grandeurs. Enfin, c’est une notion qui intervient dans un grand nombre de
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phénomènes qui en apparence n’ont que peu de liens entre eux : il n’est pas immédiat de se
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rendre compte que l’énergie stockée par une bobine d’inductance L parcourue par un cou-
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rant d’intensité I (1/2.LI²) et l’énergie cinétique d’un véhicule de masse m roulant à la vitesse
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V (1/2.m.V²) sont deux grandeurs de même nature ;
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• la maîtrise du concept d’énergie passe par la maîtrise de notions sur lesquelles la construc-
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tion même du concept d’énergie va s’appuyer : sources d’énergie, formes d’énergie, conver-
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sions ou transformations d’énergie, transferts d’énergie, dissipation d’énergie… C’est
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d’autre part un concept qui est relié à d’autres concepts scientifiques : force, puissance ou
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encore température. Il s’agit pour les élèves de distinguer ces concepts qui sont souvent très
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proches.
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La construction d’une progression sur la thématique de l’énergie implique de s’interroger sur
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les deux points suivants :
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• quelles sont les notions introduites à chaque niveau d’enseignement ?
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• quel est le niveau de formulation et le vocabulaire utilisé ?
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Si, suivant les auteurs, les priorités et les modes de présentation peuvent différer, deux points
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semblent faire concensus :
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• commencer au cycle 3 par une approche qualitative à laquelle se substitue progressivement
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une approche quantitative au cycle 4, pour parvenir à la notion de conservation de l’énergie ;
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• introduire progressivement les ingrédients essentiels nécessaires à la construction du
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concept d’énergie : les sources et les formes d’énergie, les notions de transformation ou de
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conversion, de transfert, de dissipation et pour terminer de conservation de l’énergie.
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Face à la complexité de la notion d’énergie, il aurait été simple de repousser son
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apprentissage au lycée. Ce choix n’a pas été fait par les concepteurs du programme, en
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raison de l’importance de ce concept dans la vie de tous les jours, parce que chaque être
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vivant a besoin d’énergie pour vivre, chaque machine a besoin d’énergie pour fonctionner ; la
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raison d’introduire la notion d’énergie dans les programmes de sciences est donc sociétale,
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et elle permet de sensibiliser les élèves à la problématique du défi énergétique. La bonne
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compréhension du fonctionnement des chaines énergétiques et du vocabulaire associé est
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essentielle à la formation du citoyen de demain : comprendre qu’une perte d’énergie est en fait
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une transformation d’énergie en une forme plus difficile à valoriser permet de progresser dans
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la compréhension des enjeux du monde qui nous entoure.
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Ainsi, même si la notion d’énergie est complexe, il est essentiel d’en aborder l’étude très
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tôt. Cependant les exigences doivent être modestes au départ et la construction de la notion
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2. BACHTOLD.M, MUNIER.V, GUEDJ.M, LEROUGE.A, RANQUET.A. (2014). Quelle progression dans l’enseignement de
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l’énergie de l’école au lycée ? Une analyse des programmes et des manuels. Recherches en didactique des sciences
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et des technologies, n°10, p. 63-91.
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016 2
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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L’énergie et ses conversions
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progressive, en prenant soin de réinvestir ce qui a été vu les années précédentes dans une
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logique de démarche « spiralaire ». Un des objectifs de fin du cycle 4 est d’associer la notion
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de conservation au concept d’énergie. La maîtrise complète de ce concept ne peut être
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attendue en fin de collège, ni même en fin d’études scientifiques au lycée.
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Ce document n’a pas l’ambition de répondre à l’ensemble des questions soulevées mais
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de proposer des pistes pour construire une progression. Un choix a été fait : l’introduction
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de l’énergie en partant des sources, des transformations et de l’utilisation (cycle 3) pour
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construire les notions de forme d’énergie et de conversion, l’identification des formes
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associées aux processus de dissipation d’énergie permettant d’arriver progressivement à la
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notion de conservation de l’énergie.
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Explicitation de la ressource
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PRÉREQUIS – ATTENDUS DE FIN DE CYCLE 3
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Identifier différentes sources et connaître quelques conversions d’énergie
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• Identifier des sources et des formes d’énergie.
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• L’énergie existe sous différentes formes (énergie associée à un objet en mouvement, énergie thermique, élec-
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trique…).
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• Prendre conscience que l’être humain a besoin d’énergie pour vivre, se chauffer, se déplacer, s’éclairer…
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• Reconnaitre les situations où l’énergie est stockée, transformée, utilisée. La fabrication et le fonctionnement
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d’un objet technique nécessitent de l’énergie.
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• Exemples de sources d’énergie utilisées par les êtres humains : charbon, pétrole, bois,
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uranium, aliments, vent, Soleil, eau et barrage, pile…
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• Notion d’énergie renouvelable.
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• Identifier quelques éléments d’une chaîne d’énergie domestique simple.
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• Quelques dispositifs visant à économiser la consommation d’énergie.
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Les chaînes énergétiques sont abordées par une description du type : source, stockage,
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transformation et utilisation. Ce sont donc bien les objets réels qui servent de support
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d’analyse. Ainsi la description d’une chaîne énergétique qui va d’une éolienne à une ampoule
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peut être décrite de la manière suivante : la source d’énergie est le vent, l’éolienne transforme
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l’énergie fournie par le vent en une énergie transportée par l’électricité, la lampe placée à
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l’extrémité utilise cette énergie pour produire de la lumière.
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Progressivement, des formes d’énergie sont introduites pour modéliser graphiquement des
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situations simples ; avec une éolienne, on obtient le résultat suivant :
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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L’énergie et ses conversions
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ATTENDUS DE FIN DE CYCLE 4
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Identifier les sources, les transferts, les conversions et les formes d’énergie - Utiliser la conservation de l’énergie
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• Identifier les différentes formes d’énergie.
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• Cinétique (relation Ec = ½ mv2), potentielle (dépendant de la position), thermique, électrique, chimique,
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nucléaire, lumineuse.
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• Identifier les sources, les transferts et les conversions d’énergie.
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• Établir un bilan énergétique pour un système simple.
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• Sources.
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• Transferts.
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• Conversion d’un type d’énergie en un autre.
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• Conservation de l’énergie.
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• Unités d’énergie.
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• Utiliser la relation liant puissance, énergie et durée.
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• Notion de puissance.
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Les supports d’enseignement gagnent à relever de systèmes ou de situations de la vie
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courante. Les activités proposées permettent de souligner que toutes les formes d’énergie ne
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sont pas équivalentes ni également utilisables.
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Ce thème permet d’aborder un vocabulaire scientifique visant à clarifier les termes souvent
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rencontrés dans la vie courante : chaleur, production, pertes, consommation, gaspillage,
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économie d’énergie, énergies renouvelables.
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RÉALISER DES CIRCUITS ÉLECTRIQUES SIMPLES ET EXPLOITER LES LOIS DE L’ÉLECTRICITÉ
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• Élaborer et mettre en œuvre un protocole expérimental simple visant à réaliser un circuit électrique répondant
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à un cahier des charges simple ou à vérifier une loi de l’électricité. Exploiter les lois de l’électricité.
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-- Dipôles en série, dipôles en dérivation.
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-- L’intensité du courant électrique est la même en tout point d’un circuit qui ne compte que des dipôles en série.
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-- Loi d’additivité des tensions (circuit à une seule maille).
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-- Loi d’additivité des intensités (circuit à deux mailles).
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-- Relation tension-courant : loi d’Ohm.
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-- Loi d’unicité des tensions.
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• Mettre en relation les lois de l’électricité et les règles de sécurité dans ce domaine.
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• Conduire un calcul de consommation d’énergie électrique relatif à une situation de la vie courante.
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-- Puissance électrique P= U.I.
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-- Relation liant l’énergie, la puissance électrique et la durée.
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Les exemples de circuits électriques privilégient les dispositifs rencontrés dans la vie
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courante : automobile, appareils portatifs, installations et appareils domestiques. Les activités
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proposées permettent de sensibiliser les élèves aux économies d’énergie pour développer des
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comportements responsables et citoyens.
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Description de la proposition de progression des apprentissages
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Cette proposition de progression ne constitue pas une préconisation. D’autres pistes pour
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la construction d’une progression sur ce thème sont proposées dans la ressource « Aide à
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la construction d’une progression ». Il s’agit ici d’un exemple qui, en prenant appui sur les
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acquis du cycle 3, a pour objectifs de stabiliser le vocabulaire autour de l’énergie, d’effectuer
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des bilans quantitatifs et d’associer progressivement le concept d’énergie à la notion de
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conservation. Cette proposition de progression est plus « classique » pour la partie électricité.
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L’exploitation des ressources publiées sur le site éduscol en 2008 est, à ce propos, toujours
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possible : en fonction des acquis des élèves (cycle 3), il est possible de transférer en classe
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de cinquième des éléments qui dans les anciens programmes étaient prévus en classe de
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quatrième. Les deux parties, énergie et électricité, sont liées ; aussi peut-il être intéressant
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016 4
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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L’énergie et ses conversions
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de commencer par aborder les chaînes énergétiques depuis la source primaire jusqu’à
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l’utilisation finale, cela permet de montrer l’importance de l’électricité pour le transport de
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l’énergie, mais aussi de rappeler à l’élève qu’en amont de la prise de courant il y a une chaîne
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énergétique. Le travail sur un calcul de consommation d’énergie électrique relatif à une
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situation de la vie courante permet un retour quantitatif sur les bilans énergétiques.
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En classe de cinquième, l’objectif est de stabiliser les acquis du cycle 3 : l’élève identifie
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source, stockage, transformations et utilisation de l’énergie et représente cette chaîne par un
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schéma. Progressivement les formes d’énergie sont introduites, l’objectif étant qu’en classe
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de quatrième source d’énergie et forme d’énergie soient bien distinguées et maitrisées. On
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attend alors qu’un élève identifie la source et la forme d’énergie associée, les différentes
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conversions dans la chaîne ainsi que la ou les formes d’énergie en bout de chaîne. On peut
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alors faire comprendre que toutes les formes d’énergie ne sont pas équivalentes, certaines
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sont plus adaptées pour le stockage, d’autres pour le transport et d’autres sont peu ou pas
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réutilisables (dissipation d’énergie sous forme d’énergie thermique par exemple). En classe
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de troisième, en partant de ces notions, l’objectif est de commencer à formaliser le concept de
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conservation de l’énergie.
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La conservation de l’énergie n’intervient qu’en fin de parcours pour formaliser des démarches
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qui auront été engagées en amont. Cependant, en ce qui concerne les ordres de grandeurs et
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les applications numériques, il n’est pas nécessaire d’attendre d’avoir abordé la conservation
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de l’énergie pour effectuer des bilans.
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Ressources bibliographiques
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Livres
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• Feynman R, La nature de la physique, Collection Points Sciences, Seuil, 1980
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• Salviat B., Proust B., Allégraud K., Une énergie, des énergies, comment fonctionne le monde,
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Belin, 2015
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• Harlen W., Idées de la science, idées sur la science, Le Pommier !, 2015
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Article
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• BACHTOLD.M, MUNIER.V, GUEDJ.M, LEROUGE.A, RANQUET.A. (2014). Quelle progression
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dans l’enseignement de l’énergie de l’école au lycée ? Une analyse des programmes et des
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manuels. Recherches en didactique des sciences et des technologies, n°10,
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Site de l’ENS de Lyon Culture Sciences Physique
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• Ressources pour le thème de convergence sur l’énergie
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• Mémento sur l’énergie
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• Les rendez-vous sciences et énergie
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016 5
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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Mouvement et interactions
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Exemple de construction de progression
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CONNAISSANCES
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ET COMPÉTENCES ASSOCIÉES NIVEAU 5E NIVEAU 4E NIVEAU 3E
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OBJECTIFS DE FIN DE CYCLE
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IDENTIFIER LES SOURCES, LES TRANSFERTS, LES CONVERSIONS ET LES FORMES D’ÉNERGIE
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UTILISER LA CONVERSION DE L’ÉNERGIE
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Identifier les sources, les transferts L’élève identifie une source d’énergie, un trans- L’élève identifie une source d’énergie renouve- L’élève traduit une situation donnée par une
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fert ou transport d’énergie, un stockage d’éner- lable ; il repère les dissipations d’énergie dans chaîne énergétique, il en identifie les différents
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gie, un mode d’utilisation de l’énergie. une chaîne énergétique. éléments et l’exploite en termes scientifiques et
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Un élève décrit une chaîne énergétique en identi- Pour un système simple donné : sociétaux.
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fie les différents éléments. • identifier différentes formes d’énergie ; Progressivement, on laisse plus d’autonomie
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L’élève commence à identifier les formes d’éner- aux élèves pour conduire une étude énergétique
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• identifier des conversions d’énergie ; (augmentation de la complexité).
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gie correspondantes.
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• tracer le diagramme énergétique correspon- Cette partie permet de traiter la compétence
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Représentation sous forme d’une chaîne éner- dant à la situation étudiée.
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gétique. « calcul de la consommation d’énergie électrique
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Les situations sont un peu plus complexes que relatif à une situation de la vie courante »
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Les situations proposées sont simples, par celles présentées en cinquième, et touchent dif-
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exemple depuis une source primaire (vent) Voir exemple « Ascension du Mont Ventoux ».
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férents domaines de la physique ou de la chimie.
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jusqu’à l’utilisation (ampoule). Cet exemple L’étude des différentes conversions permettent
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présente l’intérêt de pouvoir servir d’introduction Voir exemple « Quel est le véhicule qui atteindra le d’aborder la notion de conservation de l’énergie
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aux circuits électriques. plus rapidement 320 km/h ? » qui n’a jamais été explicitée jusqu’à mainte-
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Pour les ordres de grandeur, on limite en cin- Pour les ordres de grandeur, on attend la nant : même quantité d’énergie qui entre dans le
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Identifier différentes formes d’énergie - Identi-
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quième à la comparaison d’ordre de grandeurs, connaissance du joule et du wattheure. Les convertisseur que celle qui sort.
|
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fier des conversions d’énergie :
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les valeurs étant exprimées dans la même unité expressions de l’énergie cinétique et de l’énergie La conservation de l’énergie étant introduite,
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• cinétique (relation Ec = ½ mv²) ; en fonction de la puissance peuvent être utilisées
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(comparaisons simples du type : consomme ou il est alors possible de préciser ce que signifie
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• potentielle (dépendant de la position) ; produit plus ou moins, une source qui permet pour calculer une énergie. Identifier les sources scientifiquement le vocabulaire utilisé dans la vie
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de faire fonctionner un nombre de récepteurs à d’énergie, les transferts et les conversions. courante : gaspillage d’énergie, consommation
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• thermique, électrique, chimique, nucléaire,
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lumineuse. déterminer, etc.). d’énergie, dissipation d’énergie…
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Pour les bilans quantitatifs, il est aussi donné
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Établir un bilan énergétique pour un système plus d’autonomie aux élèves. Les relations don-
|
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simple nant l’énergie cinétique et l’énergie en fonction
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de la puissance et la durée sont régulièrement
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• Sources utilisées. Les conversions d’unités sont systéma-
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• Transferts tiquement données pour ne travailler que sur les
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• Conversion d’un type d’énergie en un autre bilans d’énergie.
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• Conservation de l’énergie
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• Unités d’énergie
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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Mouvement et interactions
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CONNAISSANCES
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ET COMPÉTENCES ASSOCIÉES NIVEAU 5E NIVEAU 4E NIVEAU 3E
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OBJECTIFS DE FIN DE CYCLE
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Utiliser la relation liant puissance, énergie Notion de puissance : Puissance et énergie : Puissance et énergie :
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et durée. • savoir que l’énergie convertie par un appareil • calcul de l’énergie connaissant la puissance et • maîtrise de la relation qui lie puissance, éner-
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Notion de puissance dépend de sa puissance et de sa durée d’utili- le temps de fonctionnement ; gie et durée. L’utilisation de cette relation ne
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sation. On ne compare pas des puissances et • utilisation du joule (J) et du wattheure (Wh). se limitant pas à l’électricité ;
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une énergie ; • maîtrise des unités joule (J) et wattheure (Wh)
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Voir exemple « Quelle bouilloire choisir ».
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• utilisation du watt (W). - Réaliser une conversion d’unité.
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RÉALISER DES CIRCUITS ÉLECTRIQUES SIMPLES ET EXPLOITER LES LOIS DE L’ÉLECTRICITÉ
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• Élaborer et mettre en œuvre un protocole La progressivité des apprentissages se joue essentiellement au niveau de la complexité des supports utilisés.
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expérimental simple visant à réaliser un • Caractériser un appareil électrique comme un objet dipolaire.
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circuit électrique répondant à un cahier des
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charges simple • Prévoir le fonctionnement d’un dipôle dans un circuit électrique (circuit ouvert - fermé - court-circuit).
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• Élaborer un circuit électrique répondant à un cahier des charges précis.
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• Réaliser un schéma normalisé.
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• Réaliser un montage à partir d’un schéma.
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• Identifier - Réaliser - schématiser un circuit en série, en dérivation.
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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Mouvement et interactions
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CONNAISSANCES
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ET COMPÉTENCES ASSOCIÉES NIVEAU 5E NIVEAU 4E NIVEAU 3E
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OBJECTIFS DE FIN DE CYCLE
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Exploiter / vérifier les lois de l’électricité La mesure de résistance est plutôt réservée à la classe de 4e. Entretien de ces capacités.
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• Dipôles en série, dipôles en dérivation • Identifier des dipôles branchés en série - en dérivation.
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• L’intensité du courant électrique est la même • Identifier une boucle.
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en tout point d’un circuit qui ne compte que • Caractériser la tension en tant que grandeur physique.
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des dipôles en série
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• Mesurer une tension (cas simples).
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• Loi d’additivité des tensions (circuit à une
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seule maille) • Placer un appareil de mesure sur un schéma.
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• Loi d’additivité des intensités (circuit à deux • Communiquer le résultat d’une mesure par une phrase et une écriture codée.
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mailles) • Réaliser une conversion d’unité.
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• Relation tension-courant : loi d’Ohm • Mettre en œuvre un protocole expérimental pour tester les lois concernant la tension par des me-
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• Loi d’unicité des tensions sures.
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• Écrire les lois concernant la tension, les exploiter qualitativement.
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Mettre en relation les lois de l’électricité et les • Savoir qu’il existe une tension électrique aux • Exploiter les lois pour comprendre le rôle
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règles de sécurité dans ce domaine bornes le l’interrupteur dans un circuit ouvert des dispositifs de protection des installations
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alimenté. électriques (coupe-circuit).
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• Exploiter les lois pour comprendre le rôle
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des dispositifs de protection des installations
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électriques (coupe-circuit).
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Conduire un calcul de consommation d’éner- Notion de puissance • Utiliser la relation liant l’énergie, la puissance
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gie électrique relatif à une situation de la vie • Savoir que la puissance est liée à l’intensité du électrique et la durée.
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courante courant qui traverse l’appareil dans une instal- • Savoir que la puissance est liée à l’intensité du
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• Puissance électrique P=U.I lation électrique domestique et à la tension à courant qui traverse l’appareil dans une instal-
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• Relation liant l’énergie, la puissance élec- ses bornes. lation électrique domestique et à la tension à
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trique et la durée • Les premiers calculs de puissance peuvent ses bornes.
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être conduits mais la maîtrise de la relation • Utiliser la relation qui lie puissance, tension et
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P=U.I n’est pas demandée. intensité.
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• Savoir que l’énergie convertie par un appa-
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reil dépend de sa puissance et de sa durée
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d’utilisation.
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• Utiliser la relation qui lie puissance, énergie
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et durée.
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016 8
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