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. 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 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 Visitez le site suivant : http://www.banqueducanada.ca/billets/series-debillets-de-banque/epopee-canadienne/ 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, donc une résistance 0,25 W sera suffisante pour s’opposer au courant électrique 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 : ¼W 75 Ω L’élève peut aussi répondre 0,09 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, 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. 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