Y-a-t-il assez de lumière dans la salle de classe
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Y-a-t-il assez de lumière dans la salle de classe ? Compétences évaluées Coefficient S’approprier 1 Analyser 2 Réaliser 2 Valider 1 Contexte : L’influence de la lumière sur notre bien-être est aujourd’hui prouvée et plusieurs études récentes montrent qu’un bon éclairage augmente le plaisir de travailler dans un lieu, et donc les performances. L’ADEME (Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie) recommande d’ailleurs un éclairement minimal de 300 lux dans une salle de classe. Pour savoir si l’éclairage est adapté dans sa salle, votre professeur vous demande de construire un détecteur qui se déclenche lorsque l’éclairement est inférieur à 300 lux. Après quelques recherches sur internet, vous décidez de réaliser le montage ci-dessous. Ce montage contient notamment deux composants fabriqués à base de semi-conducteurs : une photorésistance électroluminescente et une diode : R=1 kΩ E+ S E- + U1=5V - R=1 kΩ + U2=3,5V - Montage diviseur de tension U1 : tension délivrée par le générateur 1. U2 : tension délivrée par le générateur 2. Montage comparateur associé à une photodiode En utilisant les documents et le matériel à votre disposition, votre travail consiste à : - Expliquer le principe de fonctionnement de ce circuit électrique et notamment pourquoi la diode électroluminescente s’allume lorsque l’éclairement est inférieur à une certaine valeur (10 lignes maximum). - Déterminer l’éclairement pour lequel la DEL s’allume si on réalise le montage avec les valeurs données ci-dessus et la photorésistance disponible au laboratoire. Pour répondre à cette question, vous tracerez notamment la courbe log(R) = f(log(E)) pour la photorésistance. - Proposer une modification du montage pour que la DEL s’allume dès que l’éclairement est inférieur à 300 lux. Document 1 : définition et mesure de l’éclairement : En optique, on définit l’éclairement E d’un objet, comme le flux lumineux reçu par unité de surface. On mesure l’éclairement à l’aide d’un appareil appelé luxmètre et l’unité utilisée est le lux (de symbole lx). Valeurs moyennes de l’éclairement Luxmètre Lieu concerné 0,5 lux Nuit de pleine lune 50 lux Rue éclairée la nuit 200 à 400 lux Appartement bien éclairé 500 à 5000 lux Extérieur par temps couvert 50000 à 100000 lux Extérieur en plein soleil Quelques exemples de valeurs d’éclairement Document 2 : la diode électroluminescente : Une diode électroluminescente est un composant opto-électronique capable d’émettre de la lumière lorsqu’il est parcouru par un courant électrique. Une diode électroluminescente ne laisse passer le courant électrique que dans un seul sens (le sens passant, comme une diode classique, l'inverse étant le sens bloquant). Elle produit alors un rayonnement monochromatique ou polychromatique grâce à la conversion d’énergie électrique en énergie lumineuse. D’après www.wikipédia.fr Document 3 : photorésistance et éclairement : Log R Une photorésistance est un composant électronique dont la résistance électrique varie en fonction de l’éclairement qu’elle reçoit. Son symbole normalisé dans un circuit est : Log E Evolution de la résistance d’une photorésistance en fonction de l’éclairement. Si on trace log(R) en fonction de log(E), on obtient une fonction affine. Cette modélisation est valable pour des éclairements compris entre quelques dizaines et quelques milliers de lux. Document 4 : Quelques données sur le montage à réaliser : Le montage à réaliser peut-être décomposé en deux parties : un diviseur de tension et un montage comparateur. A) Le montage diviseur de tension : Un circuit constitué de deux résistances en série avec un générateur est appelé montage diviseur de tension. On peut notamment démontrer que la tension aux bornes de la photorésistance vaut : Uphoto = U1× 𝑅𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜 𝑅+𝑅𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜 UR Uphoto . Elle est d’autant plus grande que la valeur de la résistance de la photorésistance est élevée. B) L’amplificateur opérationnel en mode comparateur: U1 : tension délivrée par le générateur. Uphoto : tension aux bornes de la photorésistance Rphoto : résistance de la photorésistance R : résistance du conducteur ohmique présent dans le circuit (R=1,0 kΩ) L’amplificateur opérationnel (A.O.) est un composant électronique destiné à amplifier la tension électrique présente entre ses bornes d’entrée (notées E+ et E-). Il a pour autre utilité de pouvoir effectuer des opérations mathématiques dans les calculateurs analogiques : somme, multiplication, dérivation, intégration, etc… Dans le circuit réalisé, l’amplificateur opérationnel est utilisé en mode comparateur. Le signal de sortie dépend de la valeur des tensions UE+ et UE- . - Si UE+ > UE- (Uphoto>U2), la tension US est positive et la diode électroluminescente est allumée. - Si UE+ < UE- (Uphoto<U2), la tension US est négative et la diode électroluminescente est bloquée. Fiche professeur Domaine d’étude : matériaux Mots clés : Semi-conducteurs Prérequis des élèves : Les élèves ont déjà étudiés les propriétés des matériaux semi-conducteurs. Les élèves savent utiliser un ohmmètre. Durée estimée : Cette activité a été testée avec 4 groupes de spécialité (soit environ 30 binômes). La plupart des binômes ont réussi à terminer leur compte rendu au bout de 2h. Matériel : Le montage est réalisé sur la paillasse professeur. Les élèves y ont accès, ce qui leur permet de mieux appréhender son fonctionnement. Le matériel à disposition des élèves : - photorésistance - pince + potence (pour accrocher la photorésistance) - multimètre + fils - luxmètre - ordinateur muni d’un tableur grapheur. Evaluation par compétence : - La compétence s’approprier est évaluée dans l’introduction du compte rendu: Les critères retenus pour l’évaluation de la compétence s’approprier sont : Rechercher et extraire l’information. Pour expliquer le principe de fonctionnement du montage, l’élève doit expliquer que Rphoto et donc Uphoto augmentent lorsque l’éclairement diminue. Ainsi, lorsque l’éclairement devient suffisamment faible, U photo>U2, donc US>0 et la DEL s’allume. - La compétence analyser est évaluée lorsque l’élève essaie de déterminer la valeur de l’éclairement pour laquelle la DEL s’allume avec le montage proposé. Les critères retenus sont : Construire les étapes d’une résolution de problème et proposer un protocole expérimental. Etape 1 : On attend que l’élève utilise la formule : Uphoto = U1× 𝑅𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜 𝑅+𝑅𝑝ℎ𝑜𝑡𝑜 pour déterminer la valeur minimale de Rphoto pour que la DEL s’allume. Etape 2 : L’élève propose un protocole précis pour tracer la courbe log(R) = f(log(E)) pour la photorésistance à l’aide du matériel disponible. Etape 3 : L’élève détermine à partir de la courbe obtenue la valeur de l’éclairement pour lequel la DEL s’allume. A : Le raisonnement proposé par l’élève est correct. B : Il manque une étape de la résolution de problème. C : Il manque deux étapes de la résolution de problème. D : L’élève a été incapable de proposer un début de démarche. - La compétence réaliser est évaluée lorsque l’élève effectue des calculs littéraux ou numériques et lorsqu’il trace et exploite le graphique. A : Pas d’erreur de calcul, le graphique est correctement tracé et bien exploité. B : une erreur de calcul ou une mauvaise utilisation du graphique. C : Plusieurs erreurs de calcul. D : les calculs sont aberrants. - La compétence valider est évaluée lorsque l’élève propose une modification du montage. Il pourra par exemple décider de changer la valeur de la tension U2. On attend dans ce cas qu’il trouve la valeur adéquate.
