Mise en situation Rentrer tard le soir et ne pas bien voir où est la serrure, échapper un objet dans le fond de sa voiture ou bien vouloir être vu des automobilistes sont des situations, parmi tant d’autres, où l’utilisation d’une lampe de poche peut être pratique. Tes connaissances en électricité t’amènent à concevoir un prototype de mini lampe de poche portative. De plus, le concours en entreprenariat de ton centre t’incite à réfléchir sur la façon dont tu pourrais rendre ton produit abordable et attrayant pour une possible mise en marché. En bref, ton défi consiste à réaliser un prototype de qualité d’une mini lampe de poche et d’en évaluer les coûts minimaux de fabrication. Nom : _________________________________ Date : ______________________ Cette SAÉ est une adaptation de François Guay-Fleurent du travail réalisé par la Table régionale de science et technologie au secondaire de Laval-Laurentides-Lanaudière (2008) et par Francis Lapointe, Bénédicte Boissard et Julie Trottier de la CSSMI (2010). TON MANDAT : Analyser et expliquer le fonctionnement de chacune des composantes électriques de la lampe de poche; Réaliser un schéma de principes de votre circuit électrique; Construire votre prototype en respectant les contraintes du cahier des charges; Réaliser un schéma de construction du prototype final. LE CAHIER DES CHARGES Fonction globale de la lampe de poche L’objet permet d’éclairer facilement un petit endroit ombragé. Sur le plan humain, la lampe de poche portative doit : être facile à utiliser, légère, attrayante, esthétique et sécuritaire. Sur le plan technique, la lampe de poche portative doit : être munie d’un boîtier de plastique; s’illuminer en pressant un bouton-poussoir; être autonome en énergie; mesurer au plus 5 cm x 5 cm x 10 cm. Sur le plan physique, la lampe de poche portative doit : être suffisamment solide pour résister à de petits chocs; être fabriquée de matériaux fournis par l’enseignant ou approuvés par ce dernier. Sur le plan industriel, la lampe de poche portative doit : être totalement réalisée dans un atelier de science et technologie. Sur le plan économique, la lampe de poche portative doit : être réalisée pour moins de 6$. 1 CERNER LE PROBLÈME Cerner mon problème en fonction de mon cahier des charges et des ressources disponibles. 1. Je comprends que je dois… Concevoir une mini lampe de poche portative. 2. Dans tes mots, quelles contraintes devras-tu respecter? (Voir le cahier des charges) 3. Comment faire pour que ta lampe de poche ne fonctionne pas en permanence ? Y inclure un interrupteur. 4. Pourquoi est-ce nécessaire d’utiliser des piles dans la lampe de poche? Afin d’être portatif et de fournir l’alimentation au circuit électrique. 5. Qu’est-ce qu’une DEL? Pourquoi pourrait-elle être un bon choix? Une diode électroluminescente. Puisque qu’elle consomme très peu d’énergie. 6. Qu’est-ce qu’une fonction électrique ? Chacune des composantes d’un circuit électrique assume ce que l’on appelle une « fonction électrique ». Il s’agit des fonctions d’alimentation, de protection, d’isolation, etc. Ces fonctions garantissent le bon fonctionnement de l’appareil ainsi que la sécurité des utilisateurs. En bref, « une fonction électrique est le rôle que joue une composante dans le contrôle ou la transformation du courant électrique. » Observatoire, p. 462. 2 7. ANALYSE TECHNOLOGIQUE Compléter le tableau ci-dessous en associant le symbole, la fonction électrique et une caractéristique pour chacune des composantes. COMPOSANTE ÉLECTRIQUE SYMBOLE ASSOCIÉ Piles Résistance DEL ultra brillante Interrupteur boutonpoussoir Fil de cuivre recouvert d’une gaine FONCTION ÉLECTRIQUE Fonction d’alimentation Résistance électrique CARACTÉRISTIQUE (RÔLE ET PRINCIPES PHYSIQUES) Elles fournissent un courant électrique au circuit. Réaction d’oxydo-réduction qui transforme l’énergie chimique en énergie électrique. Elle limite le passage des électrons dans un circuit. Elle résiste au passage du courant et fait chuter la tension du circuit. Elle le fait en transformant l’énergie électrique en chaleur. Fonction de transformation d’énergie Elle émet de la lumière. Lorsqu’elle est parcourue par un courant électrique, dans le bon sens, elle émet de la lumière. Fonction commande Ouvrir ou fermer le circuit électrique. Interrupteur unipolaire unidirectionnel. Fonction de conduction Transmettre le courant électrique d’une partie à une autre du circuit. Les électrons parcourent un matériau conducteur, souvent le cuivre, qui possède une excellente conductibilité électrique. Symboles et mots clés : Fonctions électriques : alimentation, conduction, transformation d’énergie, commande, résistance électrique. 3 Collecte d’informations 8. Selon le fabricant, les caractéristiques optimales de fonctionnement de la DEL UV sont de 3 V à 20 mA. Cependant, on utilisera trois piles de 1,5 V branchées en série. Il faudra donc ajouter une résistance pour ne pas que la DEL « brûle ». Quelles devront être les caractéristiques de cette résistance sachant que P = U * I et que U = R * I ? On cherche sa puissance minimale (en Watts) et sa résistance (en Ohms). Calculs : P = 4,5 V (batterie) * 0,020 A = 0,09 W = puissance totale du circuit, donc une résistance 0,25 W, valeur réellement disponible sur le marché, sera amplement suffisante pour « s’opposer au courant électrique du circuit » sans surchauffer. P = R*I² = 75 Ω * 0,02 A ² = 0,03 W = puissance minimale de la résistance. On accepte aussi cette réponse. Cependant, s’il y a un court-circuit dans la DEL, il est plus avantageux d’avoir une puissance d’au moins 0,09 W afin de résister à la puissance maximale du circuit. Selon les caractéristiques de la DEL, on veut une « chute de tension » de 1,5 V, puisque 4,5 V – 3 V = 1,5 V. Donc, R = 1,5 V / 0,02 A = 75 Ω Autres démarches possibles. Réponses : Puissance minimale : Résistance : 75 Ω ¼W (Notez bien qu’avec une valeur de résistance plus élevé, cela fonctionnera quand même, mais ce sera moins « optimal ».) L’élève peut aussi répondre 0,09 W minimum ou 0,03 W minimum. 4 10. CONCEPTION TECHNOLOGIQUE Schémas Réalise ton schéma de principe (sans boîtier). Fais approuver ton schéma par ton enseignant avant de le réaliser en atelier. Réalise ton schéma de construction. Ce schéma inclus toutes les pièces utilisées. Évaluation de l’enseignant. CD1 : Élaboration d’une démarche pertinente pour la situation Planification du plan d’action 5 4 3 2 1 Choix des ressources 5 4 3 2 1 5 11. Tests, ajustements et modifications Plusieurs modifications possibles. Au jugement de l’enseignant. Pièces fabriquées et/ou assemblées Ajustements/ modifications Justifications Soudure supplémentaire sur la plaque de montage Il était difficile de souder le fil à la patte de l’interrupteur. Un pont d’étain a été réalisé sur la plaque de montage afin de souder le tout. Batterie Utilisation de la pipette LED et fil de cuivre Entortillement de la patte et du fil Il était difficile, avec le ruban électrique, de faire tenir ensemble les trois piles tout en maintenant le contact avec les fils. La pipette a donc été utilisée afin de fixer le tout. Afin de facilité la soudure, la patte et le fil ont été entortillés préalablement à la soudure. LED Pour éviter le court-circuit Une patte de la LED a été isolée afin d’éviter un court-circuit entre les deux pattes. Interrupteur et fil de cuivre Soudure refaite Le courant ne circulait pas, puisque la soudure était incorrecte. Interrupteur et fil de cuivre CD1 : Mise en œuvre adéquate de la démarche Traitement des résultats 5 6 4 3 2 1 RETOUR SUR LA DÉMARCHE ET SYNTÈSE 12. La solution retenue respecte-t-elle le cahier des charges ? Pourquoi ? Plusieurs réponses possibles. 13. Quels sont les avantages et inconvénients de la solution retenue ? Avantages : portatif, ergonomique, léger, sécuritaire, peu coûteux, etc. Inconvénients : batterie à changer, difficile à réparer si on n’est pas à l’atelier, etc. 14. Quelles modifications pourrais-tu faire pour améliorer ton prototype ? Monter l’ensemble du circuit sur une plaque de montage miniature, enlever et raccourcir le plus de fils possibles, mettre de meilleures piles, mettre des piles rechargeables, incorporer au circuit un panneau solaire miniature afin d’accroître l’autonomie, imperméabiliser parfaitement le détecteur, mettre seulement deux piles et enlever la résistance, etc. 15. Explique, dans un court texte, le fonctionnement de ta lampe de poche. Pour ce faire, imagine que tu es un électron de ce circuit et explique ton voyage. Assure-toi d’inclure dans tes explications les principes de la loi de la conservation de l’énergie. Éléments souhaités dans la réponse : la batterie libère un courant électrique (électron), je passe si l’interrupteur est fermé, chute de tension lors du passage dans la résistance, énergie perdue sous forme de chaleur, DEL transforme énergie électrique en énergie lumineuse, retour à la batterie. Rien n’a été créé ou détruit, tout s’est transformé. CD1 : Élaboration de solutions pertinentes Proposition de solutions 5 4 3 2 1 7 16. Calcule le coût total de ton détecteur à l’aide de la liste de prix cidessous. Indique, par la suite, les moyens que tu pourrais prendre pour réduire les coûts afin de maximiser ton profit lors d’une éventuelle mise en marché. Liste de prix (sans les taxes) : Interrupteur : 0,49 $ DEL : 0,20 $ Résistance : 0,06 $ Plaque de montage : 0,05 $ 3 piles : 0,30 $ Fils : 0,10 $ Pot de pilule : 0,13 $ Pipette : 0,10 $ Goujons : 0,10 $ Calculs : 0,49 $ 0,20 $ 0,06 $ + 0,05 $ 0,30 $ 0,10 $ 0,13 $ 0,10 $ 0,10 $ ______ 1,53 $ On pourrait récupérer des pots de pilules ou des pots à papier pH, on pourrait enlever un fil et réduire la longueur de ceux-ci, vérifier d’autres fournisseurs afin de réduire le coût des pièces, trouver un autre système pour faire la batterie et réduire les coûts de ce poste de dépenses, mettre seulement deux piles et ne pas mettre de résistance, etc. 8 17. Finalement, produis un réseau des concepts abordés dans cette situation d’apprentissage. Demande à ton enseignant un exemple de réseau de concepts au besoin. Pour plus de clarté et d’esthétisme, tu peux utiliser l’ordinateur. Liste des concepts obligatoires à inclure : Schéma électrique Symbole Fonction d’alimentation Fonction de commande Résistance Piles Lois de Kirchhoff Fonction de transformation de l’énergie Tension de 4,5V Chaleur Puissance Fonction d’isolation Fonction de conduction Interrupteur à bouton-poussoir Circuit électrique Loi d’Ohm Lumière Loi de conservation de l’énergie Circuit en série Soudure à l’étain Plusieurs réponses possibles. CD1 : Élaboration de solutions pertinentes Concordance avec le cahier des charges 5 4 3 2 1 Pistes d’amélioration et analyse critique 5 4 3 2 1 1