Cahier de l`élève
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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 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, 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… _______________________________________________________ 2. Dans tes mots, quelles contraintes devras-tu respecter? _______________________________________________________ 3. Comment faire pour que ta lampe de poche ne fonctionne pas en permanence ? _______________________________________________________ 4. Pourquoi est-ce nécessaire d’utiliser des piles dans la lampe de poche? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ 5. Qu’est-ce qu’une DEL? Pourquoi pourrait-elle être un bon choix? _______________________________________________________ 6. Qu’est-ce qu’une fonction électrique ? _______________________________________________________ « Le prix Nobel de physique a été décerné mardi [7 octobre 2014] aux Japonais Isamu Akasaki et Hiroshi Amano et au chercheur américain Shuji Nakamura pour l’invention des diodes électroluminescentes bleues (DEL), ce qui a permis de créer une source de lumière efficace et respectueuse de l’environnement. 7. ANALYSE TECHNOLOGIQUE La technologie DEL estci-dessous une percée a permis d’éclairer la lesfonction maisons et les écrans Compléter le tableau enqui associant le symbole, d’ordinateur, et de téléphones partout dans le monde. électrique de et télévision une caractéristique pourintelligents, chacune des composantes. Isamu Akasaki, Hiroshi Amano et Shuji Nakamura ont révolutionné la technologie de l’éclairage il y a 20 ans, en présentant une composante de la lumière blanche qui allait remplacer les COMPOSANTE SYMBOLE FONCTION CARACTÉRISTIQUE ampoules incandescentes ou fluorescentes, moins efficaces.»(RÔLE ET PRINCIPES ÉLECTRIQUE ASSOCIÉ ÉLECTRIQUE PHYSIQUES) Source : http://www.ledevoir.com/societe/science-et-technologie/420431/le-nobel-de-physique-auxinventeurs-japonais-de-l-ampoule-led Pour en savoir plus : http://www.batiweb.com/actualites/eco-construction/50-ans-dhistoire-de-diodes-electroluminescentes-led-16-10-2012-21012.html 2 Pile Résistance DEL super brillante Interrupteur bouton-poussoir Fil de cuivre recouvert d’une gaine 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 ultra brillante 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 : Réponses : Puissance minimale : _____ W Résistance : ______ Ω 9. 4 Avant de poursuivre, fais corriger ton travail par ton enseignant. CONCEPTION TECHNOLOGIQUE Schémas Réalise ton schéma de principe (sans boîtier). Fais approuver ton schéma par ton enseignant. Ensuite, tu pourras réaliser ta conception à l’atelier. Réalise ton schéma de construction. Ce schéma inclus toutes les pièces utilisées. Il peut être réalisé avant, pendant ou après la fabrication. 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 10. Tests, ajustements et modifications Pièces fabriquées et/ou assemblées Ajustements/ modifications Justifications CD1 : Mise en œuvre adéquate de la démarche Traitement des résultats 5 6 4 3 2 1 RETOUR SUR LA DÉMARCHE ET SYNTÈSE 11. La solution retenue respecte-t-elle le cahier des charges ? Pourquoi ? 12. Quels sont les avantages et inconvénients de la solution retenue ? 13. Quelles modifications pourrais-tu faire pour améliorer ton prototype ? 14. 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. CD1 : Élaboration de solutions pertinentes Proposition de solutions 5 4 3 2 1 7 15. Calcule le coût total de ta lampe de poche 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 ultra brillante : 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 $ 8 Calculs : 16. 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 4,5 V Chaleur Puissance Fonction d’isolation Circuit électrique Loi d’Ohm Lumière Loi de conservation de l’énergie Circuit en série « Ils ont réussi là où tout le monde a échoué, a déclaré le comité du prix Nobel. Les ampoules incandescentes ont éclairé le XXe siècle ; le XXIe siècle sera éclairé par les lampes DEL. » Source : idem Fonction de conduction Interrupteur à bouton-poussoir Soudure à l’étain 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 9
