L'énergie …………………………………………………………

……………………………… sous toutes ses formes Travail réalisé et proposé par :

• les chercheurs et enseignants-chercheurs du Département de Physique de l'Université Blaise Pascal (Clermont-Fd), représentant la Société Française de Physique,

• les maîtres des écoles de Clermont-Ferrand (A.Bayet), Aubière (Vercingétorix), St Genès-Champanelle, Gerzat

• Monsieur l'inspecteur de la circonscription Clermont couronne • et avec la participation de l'IUFM d'Auvergne.

Année scolaire 1999-2000

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SOMMAIRE

1. Les enjeux du projet • le choix du thème • déroulement des interventions 2. Activités en classe • les questions des élèves • quelques manipulations simples • une manipulation pour le maître • l'électricité ou le jeu de chaises musicales 3. Mise en forme des questions des élèves • sources d'énergie • formes d'énergie • notion de conservation de l'énergie 4. Conclusion: qu'avons nous appris de l'énergie? 5. Annexe

• fiches expériences • texte de R. Feynman

• des témoignages d'activités menées au cours du projet dans différentes clas-ses des écoles de Clermont-Ferrand (A.Bayet), Aubière (Vercingétorix), St Genès-Champanelle, Gerzat,

• des informations à caractère scientifique pour le maître • des suggestions d'expériences réalisables avec du matériel simple

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1. Introduction Le choix du thème

Suite au projet mené pendant l'année scolaire 1998/1999 sur "la grande expérience de Blaise-Pascal au Puy de Dome", nous voulions ex-périmenter un sujet d'une nature différente. Le choix de "l'énergie sous toutes ses formes" permet à la fois d'aborder un sujet pour lequel chaque élève peut avoir une expérience personnelle riche (contraire-ment à l'expérience de Blaise-Pascal!), mais qui, paradoxalement, correspond aussi à une notion pour le moins abstraite.

Déroulement des interventions

Quatre chercheurs et enseignants-chercheurs de l'Université Blaise-Pascal sont intervenus à trois reprises dans douze classes regroupées en quatre écoles de la région Clermontoise (A. Bayet à Clermont-Ferrand, Vercingétorix à Aubière, Saint-Genès Champanelle, et Ger-zat). Afin de sensibiliser les élèves au sujet, ces interventions ont été pré-cédées, dans chaque classe, par un travail de recherche et d'expéri-mentation simple avec le professeur d'école. Chaque intervention était ensuite articulée autour d'une série de ques-tions-réponses avec les élèves, puis d'une série d'expérimentations simples afin d'arriver à faire prendre conscience aux élèves de la no-tion d'énergie : sources d'énergie, transformation d'une forme d'éner-gie à l'autre, conservation de l'énergie. Les classes de CE2, CM1 et CM2 étaient concernées par ce projet.

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2. Activités en classe

Les questions des élèves

Chaque élève a une expérience plus ou moins claire de la notion d'éner-gie. Le premier travail de réflexion s'est donc articulé autour de trois questions aux élèves : • Recherchez autour de vous ce qui vous fait penser à l'énergie • Relevez les propositions. Quelles questions se pose-t-on à propos de ces propositions? • Groupez ces propositions en fonction de l'énergie qu'elles consom-ment ou qu'elles produisent.

Les élèves ont ainsi pu remplir un tableau récapitulatif, dont un exem-ple est indiqué à la page suivante. Il permet de préparer l'analyse des différents phénomènes en fonction de la source d'énergie, et de la forme qu'elle peut prendre (voir chapitre 3).

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Où trouve-t-on de l'énergie dans la vie courante?

Comment cela fonctionne-t-il?

Qu'est ce que je voudrais sa-voir?

• Barrage Eau; elle fait tourner les tur-bines et cela crée de l'élec-tricité

Quels sont les risques si le bar-rage disparaît? Y a t-il une éner-gie de remplacement

• Chaleur du soleil • Panneaux solaires

Rayonnement solaire Que se passerait-il si le soleil disparaissait?

• Les éoliennes Vent: il fait tourner les pales et cela crée de l'électricité

Quelle est l'influence de la vites-se du vent? Comment produisent-elles de l'électricité? Pourquoi sont-elles nombreuses dans cer-tains pays?

• Centrale atomique On trouve du plutonium, des particules. Des atomes sont frappés par quelque chose, ils se divisent en 2

• Lumière • Chauffage • Appareils ménagers • Electricité statique • Aimant • Pile • Puce électronique • Etincelle • Champ électrique

Electricité: il faut • des fils électriques •des lignes à haute tension •transformer du 2000 volts en 220 volts •des liquides (piles) • des métaux conducteurs •des électrons

Comment l'électricité arrive chez nous? Comment ça marche dans les fils? Comment fait-elle pour aller si vite? (on branche, ça marche!) Comment une plaque électrique peut-elle chauffer? Pourquoi c'est dangereux d'utili-ser de l'eau avec de l'électricité?

• Electricité statique Electricité •on frotte sur de la laine une règle, elle peut ainsi soulever du papier • on frotte un ballon de bau-druche sur des cheveux, il se colle au plafond.

Pourquoi ce rapprochement?

• Cerveau Electricité: influx nerveux qui passe

• Gazinière gaz • Centrale nucléaire • Bombe

Énergie nucléaire: • il faut du pétrole • elle marche grâce à de la radioactivité.

Quels sont les dangers? Qu'est ce que c'est la radioacti-vité?

• Respiration • Muscle

Oxygène et aliments qui per-mettent de faire fonctionner le corps.

• Micro-onde Pourquoi reste-t-il froid alors qu'il chauffe des aliments, et que le four traditionnel est chaud?

• Volcans Pourquoi les volcans se réveillent-ils?

• Haut parleur Pourquoi l'électricité produit-elle des sons?

• Robinet d'eau Quand je tourne le robinet, par quel moyen l'eau coule-t-elle?

• Voiture Comment l'essence fait-elle avan-cer la voiture?

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Quelques manipulations simples

Il est ensuite demandé aux élèves de concevoir et réaliser quelques ex-périences simples qui mettent en jeu des processus de transformation d'une forme énergie à une autre. Avec le matériel qui est à votre disposition fabriquer: • un moteur à air chaud • un moteur à eau • un moteur à élastique Pour chaque expérience, qu'observe t-on? Trouvons une explication. En plus de ces manipulations simples, plusieurs expériences particuliè-rement instructives peuvent être montées en classe, avec du matériel que l'on peut trouver sans difficultés: cellule solaire, électro-aimant, pile aux citrons, yo-yo, électrolyse de l'eau et pile au vinaigre. Elles sont détaillées dans des fiches, en annexe.

Le moteur à air chaud

Observation Le bateau avance. Que s'est-il passé? La bougie chauffe l'air qui monte. Il tape dans la plaque de métal, est renvoyé vers l'arrière du bateau, et permet au ba-teau d'avancer par réaction. L'énergie sous forme de chaleur s'est transformée en énergie sous forme de mouvement (énergie que l'on appelle aussi énergie cinétique).

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Le moteur à eau

Observations Les cuillères se remplissent d'eau l'une après l'autre, le moulin tourne. Que s'est-il passé? L' énergie correspondant à la chute de l'eau s'est transformée en énergie sous forme de mouvement.

Le moteur à élastique (1)

Observations La boîte avance quand on la lance puis revient sur elle-même. Que s'est-il passé? L'élastique s'enroule lorsque la boîte tourne dans un sens, puis il va se dérouler et faire tourner la boîte dans l'autre sens. L'énergie de l'élastique enroulé se transforme en énergie sous forme de mouve-ment.

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Le moteur à élastique (2)

Observations Le bateau avance. Que s'est-il passé? L'élastique enroulé se déroule, entraînant avec lui la palette qui chasse l'eau, ce qui fait avancer le bateau.

Refroidissement d'un gaz par détente

Matériel nécessaire Une bombe aérosol neuve contenant un produit « sans risque » tel qu’un parfum d’ambiance…, une fenêtre ouverte.

Déroulement Il suffit de vider la bombe d’aérosol à la fenêtre et de faire constater aux enfant que le corps de la bombe est devenu plus froid. Le refroidissement par la détente d’un gaz est le phénomène utilisé dans les réfrigérateurs.

Chauffage d'un gaz par compression

Matériel nécessaire Une pompe à vélo. Déroulement En actionnant la pompe plusieurs fois de suite , constater que le corps de la pompe est chaud.

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U ne expérience pour le maître

L'expérience suivante de dissolution peut être effectuée par le maître, mais nécessite un certain nombre de précautions. Elle permet de met-tre en évidence l'échange de chaleur, dans les deux sens: production et consommation, à partir de réactions chimiques.

Objectif

Montrer la transformation de l'énergie chimique en énergie thermique

Matériel

• trois verres de faible capacité (genre verre à liqueur) • du sel de cuisine • de la soude en pastille ou en poudre • du nitrate d'ammonium • de l'eau à température ambiante • un thermomètre

Réalisation

Verser de l'eau dans les trois verres et montrer, par exemple avec le thermomètre, que la température est la même partout. Dissoudre du sel de cuisine dans le premier verre puis vérifier, toujours avec le thermomètre, que la température n'évolue pas. Dissoudre de la soude dans le second verre et montrer que la tempéra-ture du mélange obtenu est plus élevée que la température de l'eau ini-tiale. Dissoudre du nitrate d'ammonium dans le troisième verre et vérifier que la température du mélange est plus basse que la température de l'eau initialement.

Commentaires

Les processus chimiques mis en jeu lors de la dissolution des différents produits dans l'eau conduisent à un changement de température du mi-lieu ; il y a donc eu production d'énergie sous forme de chaleur à partir d'une source d'énergie chimique, et vice-versa. Une petite précision néanmoins: cette transformation a lieu dans le sens chimique -> ther-mique pour la soude (puisque la température a augmenté) et dans le sens thermique -> chimique pour le nitrate d'ammonium (la température a diminué car la réaction chimique, pour avoir lieu, a pris de la chaleur à l'eau). Plutôt que d'utiliser un thermomètre, il est peut-être plus impression-nant pour les élèves de toucher directement les verres : si l'on procède de cette manière, il serait astucieux de prendre un quatrième verre d'eau qui servirait de verre témoin afin que les élèves puissent réaliser la comparaison.

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Mise en garde

Il faut manipuler la soude avec précaution et ne jamais la toucher di-rectement avec les doigts : c'est un produit caustique, c'est-à-dire qui attaque les tissus vivants, donc attention à la peau (gants) et aux yeux (lunettes). Il faut également ne jamais verser de l'eau sur la soude mais faire l'inverse : verser la soude dans l'eau (la raison est que, si l'on procède de la manière interdite, il y a tellement de soude pour la faible quantité d'eau que la température peut s'élever jusqu'à faire bouillir cette eau versée, projetant une vapeur chargée en soude dans toutes les directions, donc par exemple dans les yeux etc.. En revanche, par la seconde manière, il y a tellement d'eau pour le peu de soude ver-sé que la température ne pourra jamais s'élever suffisamment pour transformer l'eau en vapeur).

L'électricité ou le jeu de chaises musicales

Beaucoup de questions d'élèves se réfèrent à l'électricité. C'est ef-fectivement une forme d'énergie assez mystérieuse: on appuie sur un interrupteur, et, instantanément, la lampe s'éclaire! Il n'est cependant pas très facile, pour des élèves d'école primaire, d'expliquer les pro-cessus microscopiques à l'origine de l'électricité. Il est possible par contre de leur faire comprendre, par une analogie ludique, le principe de fonctionnement : c'est le jeu de chaises musicales! Avant d'arriver à ce jeu, il peut être utile de rappeler aux élèves quel-ques notions sur la structure élémentaire de la matière.

Quelques mots sur la matière

La donnée brute de la taille d'un atome, 10-10m soit un dix milliardième de mètre, n'est pas très significative pour beaucoup de monde. Une manière simple de "visualiser" la brique élémentaire de la matière, l'atome, est de demander aux élèves ce qui arrive lorsque l'on coupe une feuille de papier en deux, puis un des deux morceaux en deux, ... et ainsi de suite. Cela implique tout de suite qu'il faudra rapidement prendre un autre outil que la paire de ciseaux pour couper le morceau de papier, et une loupe pour y voir quelque chose, puis un microscope de plus en plus puis-sant, et des outils de plus en plus minutieux. Au bout de 26 "coupures de ciseaux", nous arriverons, à partir d'un bout de papier de 1 cm de long, à la taille de l'atome! Cet atome est composé de deux parties: • un noyau central formé d'un assemblage de "billes élémentai-res", les protons et neutrons. • Autour de ce noyau, un certain nombre de particules identiques,

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appelées électrons (avec autant d'électrons qu'il y a de protons dans le noyau), et qui, en première approximation, tournent, à la vitesse de la lumière (300.000 km/s) autour du noyau, comme la lune tourne autour de la terre.

Classification des éléments

Mendéléïev, un savant russe du XIX ème siècle a établi une classifica-tion des éléments. Elle fait l'inventaire de tous les éléments qui exis-tent dans la nature, ou de façon artificielle. Tous ces éléments sont formés à partir des mêmes briques élémentaires: les protons, neutrons et électrons, mais en nombre différent. La classification de Mendéléïev permet de connaître le nombre de protons (et donc d'électrons) et de neutrons de chaque élément. L'élément le plus simple est l'hydrogène (symbole H): il est formé d'un noyau constitué d'un seul proton, avec un électron en orbite autour de lui. L'oxygène, de symbole O, comprend 8 protons, 8 neutrons et 8 électrons. L'atome d'Uranium quant à lui comporte 92 protons, 146 neutrons et donc aussi 92 électrons. Certains éléments portent le nom du pays dans lequel ils ont été décou-verts (Francium, Américium), ou de la personne qui l'a découvert (Curium, Einsteinium) Le cuivre, qui forme les fils électriques, est un atome composé de 29 protons, 34 neutrons et donc de 29 électrons.

Le jeu de chaises musicales

Tout le monde connaît le jeu de chaises musicales. Il nécessite: • un certain nombre de chaises, rangées les unes à la suite des au-tres de façon à former une boucle. • des enfants en nombre juste égal, moins un, au nombre de chai-ses • une musique plus ou moins entraînante. Lorsque la musique démarre, les enfants courent le long des chaises. Ils s'assoient lorsque la musique s'arrête. Un enfant reste alors debout. Mais quel est donc le rapport avec l'électricité dans un circuit? Prenons une pile et branchons un fil électrique continu, qui passe d'une extrémité de la pile à l'autre. Le courant passe, comme peut en témoi-gner une ampoule (qui s'allume) si on la branche en série sur le circuit. Le fil électrique est composé en général d'atomes de cuivre, rangés dans un assemblage régulier. Compte tenu de la proximité de chaque atome l'un de l'autre, et de l'organisation particulière de ces atomes les uns par rapport aux autres, certains électrons de chaque atome ne vont plus tourner autour de son atome d'origine, mais se "balader" d'atomes en atomes. On dit alors qu'ils sont "délocalisés".

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Que se passe-t-il donc lorsque l'on branche la pile? Les réactions chi-miques qui se produisent dans la pile vont alors "récupérer" les élec-trons "délocalisés" du fil de cuivre, les uns après les autres, à la borne + de la pile, et en renvoyer d'autres dans l'autre extrémité du fil, à la borne -. Dans le fil, les électrons se comportent alors comme les en-fants du jeu de chaises musicales: ils vont d'atomes en atomes, comme les enfants vont de chaises en chaises. Et le top de départ est donné par la pile, qui joue ici le rôle de la musique pour entraîner tout le monde! Nous pouvons en fait pousser cette analogie bien plus loin: • Si les chaises sont trop confortables (de vrais fauteuils!), les enfants vont rester "avachis" dans leur chaise: le courant ne passe plus! C'est en particulier le cas lorsque les électrons sont trop liés au noyau de leur atome d'origine. Ils ne peuvent plus circuler: on dit alors que le matériau est isolant. • De même si la musique n'est pas assez entraînante, les enfants vont préférer rester assis dans leur chaise, et ce d'autant plus facile-ment que la chaise est confortable: selon le matériau, si la tension de la pile n'est pas assez forte, le matériau peut rester isolant. Par contre, un matériau isolant pour une tension faible, peut devenir conducteur si l'on augmente fortement la tension. Lorsque la musique devient de plus en plus entraînante, les enfants vont se mettre à circuler, même si les chaises sont confortables. • Il est clair que le jeu de chaises musicales ne peut marcher que si les chaises sont placées régulièrement les unes par rapport aux au-tres, en distance et en orientation. Avec des chaises mises n'importe comment, les enfants auront vite fait de se casser la figure, et le jeu s'arrêtera. De même, si l'assemblage des atomes dans le matériau ne suit pas des règles précises, alors le matériau sera isolant. C'est en particulier le cas pour les matières plastiques. • Le mouvement des électrons dans le métal crée de la chaleur, car il y a dissipation d'énergie par chocs. Quand il y a trop de frotte-ments, le métal fond car les empilements de cuivre sont déstabilisais. De la même manière, les enfants "perdent" de l'énergie chaque fois qu'ils se cognent dans les chaises (ou tout autre obstacle présent comme des tables,...).

• Que se passe-t-il dans une ampoule électrique? Le filament des ampoules est en tungstène. Celui-ci, parcouru par un courant, s'échauffe. A haute température, cet échauffement produit un rayon-nement visible: l'ampoule brille. Simultanément, la chaleur éjecte peu à peu les atomes de tungstène du filament (agitation thermique: le fil "s'évapore"!) si bien qu'au bout d'un moment, il cassera. De la même manière, à force de se casser la figure sur des chaises, la continuité de la chaîne va être brisée, et le jeu s'arrêtera.

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3. Mise en forme des questions des élèves

Pour essayer de clarifier un peu la notion d'énergie d'un système, il est nécessaire de classifier les différentes manifestations exprimées par les élèves (voir tableau de la page 7) en deux grands chapitres: les dif-férentes sources d'énergie, et les différentes formes sous lesquelles l'énergie nous apparaît. Une feuille de cahier d’élève est représentée en page 21.

Sources d'énergie

Les différentes sources d'énergie ne sont en fait que des systèmes de transformation qui permettent de rendre utilisable, sous une certaine forme, une quantité d'énergie emmagasinée dans un élément donné. Les réactions élémentaires mises en jeu dans ces transformations sont de trois types:

Réactions chimiques

Ce sont elles par exemple qui sont à l'origine de la production d'énergie par combustion de charbon, gaz, bois ou pétrole dans les centrales thermiques, ou dans un simple fourneau ou cheminée. Elles sont aussi à l'origine des processus mis en jeu dans les piles élec-triques. Elles sont enfin responsables du fonctionnement des réactions élémen-taires dans les êtres vivants: un élève arrivera à courir si il a suffi-samment mangé (combustible!).

Réactions nucléaires

Les réactions nucléaires sont celles qui permettent de libérer l'énergie emmagasinée dans un morceau d'Uranium, comme cela est fait dans une centrale nucléaire. Ces mêmes réactions nucléaires ont aussi lieu au centre de la terre, et sont à l'origine de l'énorme quantité de chaleur présente sous terre. Celle ci se matérialise sous forme de volcans, mais aussi sous forme de vapeur, ou d'eau très chaude, que l'on peut récupérer: c'est le domaine de la géothermie. Des réactions nucléaires sont enfin à l'origine du fonctionnement du soleil. Ces réactions nucléaires produisent non seulement de la chaleur, mais aussi un rayonnement intense que nous récupérons sur terre.

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Réactions gravitationnelles

Ces réactions gravitationnelles s'expriment à différentes échelles. Ce sont elles par exemple qui sont responsables du ballet incessant des planètes autour du soleil. Sur terre, elles font que nous avons bien les pieds sur terre, et qu'une balle lancée en l'air retombera inévitable-ment. Ces forces agissent aussi sur l'eau emmagasinée dans les lacs de montagne: lorsque cette eau est acheminée par conduite forcée au fond des vallées, elle produit alors de l'électricité dans les centrales hydrauliques. De même, dans l'atmosphère, les mouvements des masses d'air sont déterminés par les forces de gravitation: elles sont ainsi à l'origine des vents qui permettent de faire tourner des éoliennes, et de produire aussi de l'énergie sous forme électrique. Enfin , l'attraction du soleil, combinée à celle de la lune, produit le phé-nomène des marées: l'énergie ainsi produite peut être récupérée sous forme électrique dans les centrales hydrauliques dites "marée motrice" (usine de la Rance).

Formes d'énergie

Une fois l'énergie "produite" (comme nous venons de le voir, elle est en fait plutôt "exprimée" car il ne peut y avoir génération spontanée d'énergie!), elle nous apparaît sous quatre formes différentes.

Energie cinétique

C'est l'énergie représentée par le mouvement de systèmes macroscopi-ques: chute d'eau, rotation d'un axe de moteur, vélo, voiture,...

Energie thermique

C'est l'énergie représentée par la production, ou l'absorption de cha-leur par un système. Lorsque la température d'un système augmente, son énergie thermique augmente. Si elle diminue, il perd de l'énergie.

Energie de rayonnement

C'est l'énergie représentée par l'émission de rayonnement, qu'il soit visible (lumière) ou non: soleil, four à micro-onde, ondes radio, télévi-sion, rayons X,...

Energie électrique

C'est la forme d'énergie liée à la circulation d'électrons dans un circuit conducteur (voir chapitre 2).

Comme tout travail de classification, cette distinction entre les quatre formes d'énergie ci-dessus est très simplifiée.

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Notion de conservation de l'énergie

Comme nous venons de le voir, tous les systèmes physiques ne sont en fait que des systèmes dans lesquels l'énergie apparaît sous forme dif-férente, mais elle ne peut jamais disparaître ou apparaître spontané-ment: "rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme !". C'est le principe de conservation de l'énergie. On peut voir assez facilement comment ce principe s'applique à toutes les expériences indiquées dans le chapitre 2 et en annexe. On peut aussi s'amuser à le mettre en évi-dence dans tous les phénomènes de la vie courante, même si parfois il est très subtilement caché! Nous avons reproduit en Annexe un texte de R. Feynman, Prix Nobel de Physique, sur cette notion pour le moins abstraite. Ce texte est particulièrement instructif tout en étant très simple.

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4. Conclusion Qu'avons nous appris de l'énergie?

Les différentes expériences réalisées en classe, et le travail de clarifi-cation des différentes formes sous lesquelles on peut retrouver l'énergie d'un système, permettent de faire ressortir plusieurs notions importantes. • Tout d'abord la notion de conservation de l'énergie. Elle est ici comprise dans un sens qualitatif car aucune mesure n'a été faite. • Ensuite la notion "d'immatérialité" de l'énergie dans la mesure où tout système a une certaine quantité d'énergie, qui peut être utili-sée sous différentes formes.

Ces propriétés sont finalement très proches de celles qui caractérisent une notion que les élèves connaissent bien: la notion de "valeur mar-chande" d'un objet, qu'ils peuvent acheter avec leur argent de poche. On peut acheter un CD par exemple avec son argent de poche. L'élève n'a alors plus de billets, mais un CD qu'il peut revendre, ou échanger contre des bonbons de même valeur marchande. Cette valeur mar-chande est bien sûr l'analogue de l'énergie d'un système. La notion de "perte d'énergie" dans un système de transformation, au sens où l'énergie que l'on peut récupérer est inférieure à celle que l'on a consommée (en général parce qu'il y a eu frottement, et donc trans-formation d'une partie de l'énergie en énergie thermique) se traduit même aisément dans cette analogie: un élève qui achète une sucette, et qui ne peut s'empécher de la sucer. La valeur marchande de la sucette est alors moindre, sans possibilité de la reconstruire, par contre "l'énergie" de l'élève a augmenté!

Cette analogie avec l'argent de poche, que l'on pourrait sans doute pousser encore plus loin, permet d'énoncer une "définition" de "la quan-tité d'énergie d'un système" (ou plus communément de l'énergie du système): On dit qu'un système "à une certaine quantité d'énergie" lorsqu'il a la possibilité d'évoluer ou de se transformer; cette possibilité peut n'être que "potentielle" et jamais réalisée. Ainsi un ballon gonflé et bloqué en haut d'une colline a une certaine quantité d'énergie car il peut rouler jusqu'au fond du vallon. Une fois arrivé au fond, il lui reste encore de l'énergie car si on le perce il se dégonflera, et l'air évacué pourra par exemple faire tourner une petite hélice! L'air emprisonné sous pression représente une certaine quantité d'énergie. Une fois dégonflé, il aura encore une certaine quantité d'énergie car on peut le faire brûler et récupérer ainsi l'énergie sous forme de chaleur, produite par les réactions chimiques de combustion de l'enveloppe du ballon! Et ainsi de suite...

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Annexe A: Fiches expériences

Les fiches suivantes rassemblent sous forme synthétique les expérien-ces effectuées devant les élèves. Elles peuvent être réalisées avec du matériel simple, ou achetées à moindre frais.

• La cellule solaire • L'électro-aimant • La pile aux citrons • Le yo-yo • Électrolyse de l'eau et pile au vinaigre

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La cellule solaire

Objectif

Mettre en évidence les quatre formes d’énergie : rayonnement/ élec-tricité/ mécanique/ thermique et leur transformation l’une dans l’autre. Notion de conservation de l’énergie et de rendement.

Matériel

Le matériel utilisé a été acheté sous forme de kit auprés du fournis-seur Pierron. Il comprend: quelques panneaux solaires à assembler en série ou en parallèle, du fil électrique, un moteur électrique, une hélice.

Déroulement

Montage:

• Mise en place des panneaux solaires dans leur cadre • Cablage des panneaux en parallèle ou en série selon utilisation • Branchement du moteur

Expériences:

• Mise en évidence du phénomène: le moteur tourne lorsque les cellules sont éclairées par le soleil. Mise en évidence d’un effet de seuil. In-fluence du flux lumineux lorsque des nuages masquent le soleil • Comment contrôler l’énergie transférée: - en cachant un ou plusieurs panneaux. Cela diminue l'intensité si les panneaux sont montés en parallèle, ou la tension si ils sont montés en série. - en mettant une ou plusieurs vitres devant les panneaux. Les vi-tres absorbent une certaine quantité de rayonnement (la partie dite Ultra-Violette), et c'est donc de l'énergie en moins absorbée par les panneaux. - en mettant des filtres (papier transparent de couleur). En prin-cipe, la lumière bleu-violet est plus énergétique que la lumière rouge. Et donc un filtre rouge (ne laissant passer que la lumière rouge) doit ab-sorber plus d'énergie qu'un filtre bleu. L'hélice entrainée par le moteur devrait alors tourner plus lentement. En pratique cependant, l'absorp-tion dépend aussi de l'épaisseur des filtres par exemple, qui n'est pas obligatoirement la même pour tous. A tester donc avant de faire l'ex-

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périence! - en inclinant les panneaux. Pour une incidence rasante, la lumière est en partie réfléchie (on peut se servir du panneau solaire comme mi-roir!), donc n'est plus transmise aux cellules solaires. La quantité d'énergie reçue par ceux-ci diminue donc. De plus, la lumière transmise parcourt un chemin plus long dans la vitre, et donc est aussi plus absor-bée. • Mesures quantitatives possibles en branchant un voltmètre et/ou un ampéremètre dans le circuit (pas testé). Ces mesures, pour être signi-ficatives, devraient être faites à l'aide d'un projecteur halogène pour avoir un flux lumineux constant.

Analyse

L’énergie est apportée sous forme de rayonnement par le soleil (cf. sources d’énergie). Ce rayonnement (“grains de lumières”), lorsqu’il est suffisamment fort (effet de seuil) permet de mettre en marche le jeu de chaises musicales (cf. formes d’énergie): ces grains de lumière "en-trainent" des électrons du matériau (silicium) composant les panneaux solaires: l’électricité est générée puis véhiculée dans les fils de câblage jusqu’au moteur électrique: l’énergie électrique est alors transformée en énergie mécanique qui fait tourner l’axe du moteur (cf électro-aimant) et entraine une hélice. En même temps que de l’énergie mécani-que est produite, le moteur chauffe: toute l’énergie électrique n’est pas transformée en énergie mécanique, mais une partie se retrouve sous forme de chaleur (énergie thermique); le rendement de la transforma-tion d'énergie électrique en énergie mécanique est inférieur à 100%, par contre l’énergie totale, en incluant la chaleur, est conservée.

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L'électro-aimant

Objectif

Mettre en évidence la transformation d'énergie sous forme électrique en énergie sous forme mécanique

Matériel nécessaire :

• Une grosse vis d’environ 5 cm de long et 0,8 cm de diamètre et un écrou. • 3 mètres de fil émaillé à bobinage. • 2 dominos de petite taille. • 2 trombones. • Une pile plate de 4,5V • Un tournevis et du papier de verre. L’expérience est réalisable par les enfants par groupes de deux.

Déroulement

Enrouler le fil autour de la vis en tournant toujours dans le même sens et de façon à laisser dépasser 10 cm de fil au début et à la fin de l’enroulement. L’écrou sert à maintenir le bobinage sur la vis. A l’aide du papier de verre, dénuder les extrémités des fils sur 2 cm

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environ puis les introduire et les immobiliser dans les dominos.

Déplier une « patte » de chaque trombone et enfiler un trombone sur chaque pôle de la pile. La fermeture du circuit électrique se fait en introduisant les « pattes » dépliées des trombones dans les dominos. Ne pas laisser le branchement en permanence pour éviter de décharger la pile. Pour constater que l’on a bien réalisé un aimant il est possible de :

- approcher une boussole dont on verra tourner l’aiguille dans un sens ou dans l’autre suivant que l’on approche la vis par une extrémité ou l’autre. Le même effet est obtenu en laissant la boussole d’un seul coté de la vis mais en permutant les bornes de la pile

- approcher un petit objet métallique (tel qu’un trombone), il est attiré. Vérifier qu’il ne l’est pas en l’absence de courant. Avant le branchement approcher un petit aimant permanent de la vis, il se colle à elle, dès la fermeture du circuit il est éjecté pour le sens de branchement correct, sinon permuter les bornes de la pile.

De l’électro-aimant au moteur électrique

La réalisation d’un moteur électrique demande plus de soin et de temps, aussi il est possible de présenter le principe du moteur électrique à partir d’un petit film de quelques minutes : « Petit voyage en électrici-té » réalisation Jacques Rouxel, Editions de la Cité des Sciences et de l’Industrie, Paris (1996). La présentation est simple et les schémas reprennent le dispositif pré-senté ci-dessus. Remarque La transformation inverse: d'énergie mécanique en énergie électrique se fait dans une dynamo de vélo.

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La pile aux citrons Objectif

Montrer la transformation de l'énergie chimique en énergie électrique Matériel

• trois citrons • 1 diode électroluminescente rouge (LED ou DEL) • 3 lames rectangulaires de zinc de 5 cm par 2 cm environ •3 lames rectangulaires de cuivre de 5 cm par 2 cm environ • un peu de fil électrique • une brosse métallique • un nécessaire à soudure ou bien de la colle conductrice On peut trouver du zinc en décortiquant une pile plate saline de 4,5V

Réalisation

Prendre une plaque de zinc et une plaque de cuivre et les relier par un fil électrique (soudure --conseillé-- ou colle conductrice). Refaire la même manœuvre avec un autre couple de lames cuivre-zinc. Enfin fixer à chaque lame restante un fil électrique dont on laissera l'autre extrê-mité dénudée ; cette dernière sera reliée par la suite à une borne de la DEL.

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Malaxer le citron en le comprimant légèrement à la main sur une table afin de libérer le jus à l'intérieur. Après avoir décapé les lames à l'aide de la brosse métallique, les en-foncer dans chaque citron de la façon indiquée à la figure de la page précédente. Après une longue utilisation, il convient en effet d'éliminer l'oxyde qui se crée sur chaque lame. Essayer, dans chaque citron, d'enfoncer et de rapprocher le plus possi-ble les lames, sans qu'elles ne se touchent, à environ 1 cm de distance. Enfin, brancher les deux bornes de la diode électroluminescente aux deux fils dont les extrêmités sont libres.

Commentaires

La diode électroluminescente (DEL) est polarisée, c'est-à-dire qu'il faut la brancher dans le bon sens : si elle ne s'allume pas du premier coup, il peut suffire d'inverser les branchements pour qu'elle fonc-tionne. Dans le cas contraire, vérifier l'état des connections et des la-mes (ces dernières doivent être propres et ne pas se toucher, tout en étant suffisamment proches à l'intérieur des citrons). Les grosses piles plates salines de 4,5V sont en général constituées de trois sous-piles montées en série. Il peut donc être intéressant pour les élèves de comparer la pile aux citrons décrite précédemment avec une << vraie >> pile plate dont on a retiré l'emballage cartonné, afin de montrer que les deux systèmes sont identiques dans le principe. Cette pile aux citrons développe une très faible puissance électrique, d'où le choix de la DEL qui nécessite une tension de l'ordre du volt et une intensité de quelques dizaines de milliampère pour s'allumer. Dans le but d'augmenter le débit de cette pile, on peut rajouter des citrons supplémentaires si l'on a la quantité de lames suffisantes ; ainsi, il se-rait possible de faire fonctionner, par exemple, une petite ampoule de lampe de poche avec un nombre de citrons correct (en série pour aug-menter la tension, en parallèle pour augmenter l'intensité).

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Le Yo-Yo Objectif

Introduire la notion de bilan énergétique et de rendement une fois que la notion de conservation de l'énergie a été abordée

Matériel

• un yoyo • et c'est tout !

Réalisation

Lancer le yoyo normalement plusieurs fois en le faisant remonter à chaque fois grâce à un coup du poignet. Dans une deuxième phase, lancer le yoyo et le laisser remonter tout seul sans action du poignet et faire vérifier qu'il ne remonte pas jus-qu'en haut comme dans la phase précédente. Question: pourquoi le yo-yo neremonte-t-il pas au même endroit?

Commentaires

Dans cette expérience, il faut commencer par faire sentir que le mou-vement du yoyo peut s'interpréter comme une transformation conti-nuelle d'énergie sous deux formes : une énergie liée au mouvement lui-même (appelée énergie cinétique) et qui est d'autant plus grande que la vitesse est élevée, et une énergie liée à la force de pesanteur qui s'exerce sur le yoyo (on parle dans ce cas d'énergie potentielle de gra-vitation). Lorsque le yoyo est en << haut >>, il est immobile (sa vitesse est nulle et il ne tourne pas sur lui-même), donc son énergie cinétique est nulle (pas de mouvement), donc son énergie potentielle de gravita-tion est maximale (l'énergie totale se conserve). Puis, lorsqu'il descend, sa vitesse (et donc son énergie cinétique) augmente et son énergie po-tentielle, de fait, diminue. La phase de remontée du yoyo s'interprète de façon similaire. Par conséquent, en ne faisant rien, le raisonnement précédent prédit que le yoyo doit remonter exactement à la position qu'il avait initiale-ment. Néanmoins, la phase deux de l'expérience prouve le contraire ; cela signifie donc que, puisque l'énergie totale se conserve, il y a une << fuite >> d'énergie sous une forme non envisagée : le bilan énergétique est incorrect. Bien sûr, la réponse fait appel aux frottements du yoyo avec l'air et aux frottements du fil sur le yoyo qui se traduisent par un

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dégagement de chaleur (quand on descend le long d'une corde rapide-ment à mains nues, ça chauffe !!) qui est la manifestation de l'énergie thermique, énergie que le yoyo a perdue et ne peut récupérer. Ce n'est donc plus la somme << énergie cinétique + énergie potentielle de gravita-tion >> qui est conservée, mais plutôt << énergie cinétique + énergie potentielle de gravitation + énergie ther-mique >>. Cela permet d'expliquer l'importance du mouvement du poignet dans la remontée du yoyo jusqu'à sa position initiale : l'énergie apportée par ce mouvement compense l'énergie thermique produite par les frottements et que le yoyo perd à chaque aller-retour.

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Electrolyse de l'eau et pile au vinaigre Objectif

Montrer la transformation de l'énergie chimique en énergie électrique, et réciproquement. Ce type de pile est l'un des plus ancien connu ; antérieurement à la dé-couverte du zinc, on utilisait l'argent. La structure la plus simple était constituée d'une pièce d'argent et d'une pièce de cuivre séparées par une toile imprégnée d'acide. Pour avoir des effets sensibles (par exem-ple faire ressentir aux amateurs la secousse électrique), on empilait un grand nombre de cellules élémentaires, d'où le nom de "pile" donné à cet ensemble, puis par extension, à un élément producteur de tension électrique d'origine chimique.

Matériel

• Une plaque de zinc • du vinaigre • de l'eau salée • deux verres • deux fils de cuivre

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Réalisation

La réalisation est très simple : dans un verre ou un ramequin, on verse du vinaigre, puis on met un fil de cuivre (fil électrique) et un morceau de zinc (pris par exemple dans une pile ordinaire, ou obtenu auprès d'un plombier). Le fil de cuivre sera prévu assez long pour aboutir à un autre récipient, et un autre fil électrique sera mis en contact avec le zinc (une petite pliure du zinc suffit à assurer le contact). Le débit en cou-rant d'un tel élément est très faible, en particulier à cause de la pola-risation des électrodes. Aussi il est difficile de déceler un effet ins-tantané du courant Un effet cumulatif peut être mis en évidence en plongeant les fils dans un second récipient contenant de l'eau salée (chlorure de sodium): il se produit alors l'électrolyse de l'eau: un des fils est attaqué par le chlore et donne un produit vert (chlorure de sodium); l'autre est le siège d'un dégagement de petites bulles (hydrogène provenant de la décomposi-tion de l'eau par le sodium). Cette électrolyse peut avoir été au préala-ble étudiée par les élèves en utilisant une pile ordinaire à la place de la pile au vinaigre.

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Annexe B: Texte de R. Feynman Nous reproduisons ci-dessous un texte relatif à l’énergie écrit par R. Feynman, Prix Nobel de Physique, et paru dans son cours sur la Mécanique destiné aux élèves de DEUG. Dans ce chapitre, nous commençons notre étude plus détaillée de différents aspects de la physique, ayant terminé notre description des choses en général. Afin d'illustrer les idées et les types de raisonnement qui peuvent être utilisés en physique théorique, nous allons main-tenant examiner l'une des lois les plus fondamentales de la physique, la conservation de l'énergie.

C'est un fait, ou si vous voulez une loi, qui gouverne tous les phénomènes naturels connus à ce jour. Il n'y a pas d'exception connue à cette loi - elle est exacte pour autant que nous sa-chions. La loi est appelée conservation de l'énergie. Elle affirme qu'il y a une certaine quanti-té que nous appelons énergie, qui ne change pas dans les multiples modifications que peut su-bir la nature. C'est une idée très abstraite, car c'est un principe mathématique; ce principe dit qu'il existe une quantité numérique, qui ne change pas, lorsque quelque chose se passe. Ce n'est pas la description d'un mécanisme, ou de quoi que ce soit de concret; c'est simplement ce fait étrange que nous puissions calculer un certain nombre et que, lorsque nous avons ter-miné d'observer l'évolution de la nature et que nous recalculons ce nombre, il soit le même. (Un peu comme ce fou sur un carré blanc qui, après un certain nombre de mouvements - aux détails inconnus - est toujours sur un carré blanc. C'est une loi de cette nature.) Puisque c'est une idée abstraite, nous illustrerons sa signification par une analogie.

Imaginons un enfant, par exemple « Denis la Menace », qui possède des cubes absolument indestructibles, et qui ne peuvent pas être divisés en morceaux. Tous les cubes sont identi-ques. Supposons qu'il ait 28 cubes. Sa mère le met dans une chambre au début de la journée avec ses 28 cubes. A la fin de la journée, étant curieuse, elle compte les cubes avec attention et découvre une loi phénoménale - quoiqu'il fasse avec ses cubes, il en reste toujours 28! Ceci se répète plusieurs jours durant, jusqu'au jour où il n'y a que 27 cubes, mais un peu de re-cherche montre qu'il y en a un sous le tapis-elle doit regarder partout pour s'assurer que le nombre de cubes n'a pas changé. Un jour, cependant, le nombre semble changer - il n'y a que 26 cubes. Une recherche attentive montre que la fenêtre était ouverte, et en regardant de-hors, elle retrouve les deux autres cubes. Un autre jour, un compte précis indique qu'il y en a 30! Ceci lui causa une consternation-considérable, jusqu'au moment ou elle réalisa que Bruce était venu en visite, amenant ses cubes avec lui, et qu'il en laissa quelques-uns à la maison de Denis. Après s'être débarassée de ces cubes supplémentaires, elle ferme la fenêtre, ne laisse pas rentrer Bruce et tout, alors, se passe bien, jusqu'au moment où recomptant elle ne trouve que 25 cubes. Néanmoins, il y a une boîte dans la chambre, une boîte de jouets, et la mère essaye d'ouvrir la boîte, mais le garçon dit: Non, n'ouvre pas la boîte à jouets », et se met à crier. La mère n'a pas le droit d'ouvrir la boite à jouets. Étant extrêmement curieuse

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et quelque peu ingénieuse, elle invente un stratagème! Elle sait qu'un cube pèse cent grammes, aussi pèse-t-elle la boîte au moment où elle voit 28 cubes, et elle trouve 500 grammes. A la vérification suivante, elle repèse la boîte, soustrait 500 grammes et divise par 100. Elle dé-couvre la chose suivante:

(poids de la boite) - 500 grammes (nombres de cubes observés) + = constante 100 grammes

Puis de nouvelles déviations apparaissent, mais une étude précise indique que le niveau de l'eau sale de la baignoire s'est modifié. L'enfant jette les cubes dans l'eau, et elle ne peut les voir parce que cette eau est trop sale, mais elle peut savoir combien de cubes se trouvent dans l'eau, en ajoutant un autre terme à sa formule. Puisque la hauteur initiale de l'eau était de 15 centimètres, et que chaque cube élève le niveau d'un demi centimètre, cette nouvelle formule sera: (poids de la boite)-500 grammes

(nombres de cubes observés) + 100 grammes

(hauteur de l’eau)-15 centimètres + = constante

0,5 centimètre Dans l'augmentation progressive de la complexité de son univers, elle trouve toute une série de termes représentant des manières de calculer combien de cubes se trouvent dans des en-droits où il ne lui est pas permis de regarder. En conclusion, dans son cas, elle trouve une formule complexe, une quantité qui doit être calculée, et qui reste toujours la même. Quelle est l'analogie entre ceci et la conservation de l'énergie? L'aspect le plus remarquable qui doit être écarté de ce schéma est qu'il n'y a pas de cubes. Éliminez les premiers termes dans ces deux équations et vous allez découvrir que vous calculez des choses plus ou moins abstraites. L'analogie est réalisée sur les points suivants. D'abord, lorsque nous calculons l'énergie, une certaine quantité de cette énergie quitte quelquefois le système et s'en va, ou d'autres fois un peu d'énergie rentre dans le système. Afin de vérifier la conservation de l'énergie, nous devons avoir soin de ne pas en ajouter ni en enlever. Ensuite, l'énergie appa-raît sous un très grand nombre de formes différentes, et il existe une formule pour chacune. Ce sont: l'énergie gravitationnelle, l'énergie cinétique, l'énergie thermique, (énergie élasti-que, l'énergie électrique, l'énergie chimique, l'énergie de rayonnement, l'énergie nucléaire, l'énergie de masse. Si nous additionnons les formules pour chacune de ces contributions, il n'y aura pas de changement à l'exception de l'énergie qui rentre et qui sort. Il est important de réaliser que dans la physique d'aujourd'hui, nous n'avons aucune connais-sance de ce qu'est l'énergie. Nous n'avons pas de représentation comme quoi l'énergie vien-drait en petits paquets d'une certaine quantité. Ce n'est pas ainsi. Cependant des formules permettent de calculer une certaine quantité numérique et lorsque nous les ajoutons toutes ensemble, cela donne « 28 » toujours le même nombre. C'est une chose abstraite en cela qu'elle ne nous donne pas le mécanisme ou les raisons des diverses formules.

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