Clé de correction

Mise en situation
Ton ami est vendeur itinérant de jeux vidéos depuis quelques mois. La semaine
dernière, il a fait énormément de ventes, mais il s’est aussi fait passer plusieurs faux
billets : des billets de 10, 20 et 50 dollars. Il a été victime d’un acte criminel! Pire encore, il
apprend qu’il ne peut être dédommagé pour sa perte. En effet, la Loi sur les banques n’oblige
pas les institutions financières à honorer de faux billets. Ils estiment que le remboursement
de ceux-ci ne ferait qu’encourager la contrefaçon.
Les nouveaux billets en polymère sont plus difficiles à imiter, donc les faux billets
fabriqués par les criminels imitaient tous l’ancien modèle. Un des moyens de reconnaître un
de ces billets consiste à révéler les marques fluorescentes comprises dans le papier, grâce à
une lumière ultraviolette (UV). Comme vous aimez bricoler, vous décidez de lui fabriquer un
petit détecteur de faux billets portatif à l’aide du matériel de l’école.
http://www.banqueducanada.ca/billets/series-de-billets-de-banque/epopee-canadienne/
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 du détecteur de faux billets;
 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 du détecteur de faux billets portatif
L’objet permet de détecter la présence de marqueurs ultraviolets (pigments
fluorescents), que l’on retrouve dans les billets de la monnaie canadienne.
Sur le plan humain, le détecteur de faux billets portatif doit :
 être facile à utiliser, léger, attrayant, esthétique et sécuritaire;
<AVERTISSEMENT> Ne jamais diriger le faisceau lumineux dans les yeux.
Tenir hors de la portée des jeunes enfants.
Sur le plan technique, le détecteur de faux billets portatif doit :
 être muni 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, le détecteur de faux billets portatif doit :
 être suffisamment solide pour résister à de petits chocs;
 être fabriqué de matériaux fournis par l’enseignant;
Sur le plan industriel, le détecteur de faux billets portatif doit :
 être totalement réalisé dans un atelier de science et technologie;
Sur le plan économique, le détecteur de faux billets portatif doit :
 être réalisé pour moins de 5$.
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 un détecteur de faux billets.
2. Dans tes mots, quelles contraintes devras-tu respecter?
(Voir le cahier des charges)
3. Comment faire pour que ton détecteur ne fonctionne pas en
permanence ?
Y inclure un interrupteur.
4. Pourquoi est-ce nécessaire d’utiliser des piles dans le détecteur de
faux billets?
Afin d’être portatif et de fournir l’alimentation au circuit électrique.
5. Qu’est-ce qu’une DEL?
Une diode électroluminescente.
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.
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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
ultraviolette
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
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8. Nommez quatre des six éléments de sécurité inclus dans les billets.
Lequel sera vérifié par le détecteur de faux billets?
Bande métallique (bande holographique), image fantôme (filigrane), traits (fil
de sécurité), chiffre en transvision, Encre en relief (gravure en taille-douce),
UV (fluorescence).
9. 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 :
¼W
Résistance :
75 Ω
(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.
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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, non fonctionnel avec les nouveaux
billets en polymère, difficile à réparer si on n’est pas à l’atelier,
dangereux pour les yeux, 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 du détecteur,
imperméabiliser parfaitement le détecteur, etc.
15. Explique, dans un court texte, le fonctionnement de ton détecteur.
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 UV : 0,39 $
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 $
0,39 $
0,06 $
+ 0,05 $
0,30 $
0,10 $
0,13 $
0,10 $
0,10 $
______
1,72 $
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, etc.
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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