Comment faire briller une lampe sous une puissance donnée?

FICHE N° 2 Activité
Comment faire briller une lampe sous une puissance donnée ?
Objectifs
Les élèves qui ont vu que les deux grandeurs U et I intervenaient dans la définition de la puissance P sous
laquelle fonctionne un récepteur ou le générateur d’un circuit peuvent légitimement penser que ces deux
grandeurs sont indépendantes l’une de l’autre. Autrement dit, que pour faire fonctionner un composant sous
une puissance donnée, on peut choisir les deux valeurs à donner à U et à I et qu’il suffit que P soit égale à
U.I. L’objectif de cette activité est de montrer aux élèves que dans le fonctionnement d’un composant les
grandeurs U et I sont liées et que leurs valeurs ne peuvent être choisies indépendamment l’une de l’autre.
Avec cette activité, on désire montrer la pertinence de la notion de “point de fonctionnement” et plus
généralement celle de “caractéristique intensité-tension” du composant.
Activité
Les élèves travaillent en petits groupes de 4 ou 5. Du matériel électrique en vrac est disponible sur le
bureau du professeur ou sur des tables réservées à cet effet. Il permettra de tester les propositions qui auront
été retenues et de s’assurer de leur validité.
Le professeur présente aux groupes la situation problème suivante :
Situation-problème
On dispose d’un générateur de tension réglable entre 0V et 6V et d’une lampe adaptée (par exemple 6V ;
0.3A c’est-à-dire brillant normalement lorsqu’on lui applique la tension maximale du générateur).
Questions :
-
Comment fournir à la lampe l’énergie électrique sous une puissance de 1W (sans
chercher à ce qu’elle brille forcément de manière normale)?
-
Parmi les montages schématisés ci-dessous, y en a-t-il un qui permet de réaliser cet
objectif ? Si oui lequel et pourquoi ? Sinon pouvez-vous en proposer un autre et
indiquer la procédure à utiliser ?
A
A
V
A
V
(a)
(b)
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V
(c)
Vous proposerez votre choix et vos arguments par écrit sur un transparent. Les
propositions des groupes seront ensuite présentées et discutées par toute la classe.
Commentaires.
Il est clair que le montage (b ) habituel convient, mais les élèves ont très peu de chance de le savoir et
surtout d’en comprendre la raison. En effet ils n’ont pas, a priori, de raison de penser que les grandeurs U et
I, qui caractérisent le fonctionnement de la lampe, sont liées. Or cette connaissance est nécessaire pour
comprendre le principe de la manipulation effectuée avec ce montage.
En revanche, on peut raisonnablement s’attendre à ce que la plupart des élèves proposent de prendre des
valeur simples pour la tension et pour l’intensité et de choisir U(V) et I(A) tels que U.I = 1W. Exemples de
couples susceptibles d’être proposés : (5V ; 0.2A) (1V ; 1A) (4V ; 0.25A) etc.
Ils peuvent alors être tentés de chercher à régler séparément les valeurs de U et I. On sait également que de
nombreux élèves pensent qu’un générateur fixe à la fois la tension mais aussi l’intensité du courant qu’il
crée dans le circuit1. Ils peuvent alors considérer que seul le circuit schématisé en (a) permet de régler
séparément les valeurs de U et de I dans la lampe en imaginant régler le générateur, par exemple sur 5V
puis agir sur le rhéostat de manière à avoir 0.2A à l’ampèremètre.
Bien entendu, cette hypothèse sera invalidée par l’expérience et l’on constatera alors sur le montage réalisé
qu’il est impossible de faire fonctionner la lampe comme prévu et que les couples de valeurs simples ne
peuvent généralement pas être obtenus expérimentalement.
Conclusion : la lampe ne peut fonctionner avec n’importe quel couple de valeurs (U ;I).
Tension et intensité ne sont pas indépendantes l’une de l’autre.
Question : Quels sont les couples permis ? Comment les déterminer ?
On est alors ramené à la manipulation classique.
Des élèves manipulent alors au bureau du professeur et recherchent tous les couples de valeurs U, I
possibles (entre 0 et 6V). Ceux-ci sont notés au tableau par un élève. Au fur et à mesure, les autres élèves
reportent chacun ces valeurs sur une feuille de papier dans un système d’axes U, I gradués.
A l’issue de ce travail, le professeur conclut de la manière suivante :
N’importe quel couple de valeurs (U,I) ne permet pas, a priori,
de décrire le
fonctionnement de la lampe.
En revanche, chaque point tracé dans le plan (U,I) à la suite des mesures effectuées
représente un “point de fonctionnement” possible pour celle-ci.
L’ensemble de tous les points de fonctionnement possibles constitue une courbe appelée
“caractéristique intensité-tension” de la lampe.
Les élèves recherchent par tâtonnement sur leur courbe le point correspondant au fonctionnement de la
lampe sous la puissance donnée de 1W. Ils constatent qu’en règle générale les valeurs trouvées pour U et I
ne sont pas aussi simples que celles qu’ils avaient imaginées au départ.
Conclusion : le point de fonctionnement d’un composant sous une puissance P donnée,
doit être recherché parmi les points de fonctionnements possibles de ce composant,
c’est-à-dire sur sa caractéristique intensité tension. Ce résultat est vrai quel que soit le
composant, récepteur ou générateur.
Le professeur termine en faisant remarquer que la caractéristique intensité-tension d’un composant est en
général limitée par le point correspondant à la puissance maximale admissible du composant. Si on tente de
1
Cf. Johsua & Dupin 1989, Représentations et modélisations : le débat scientifique dans la classe , Berne, Peter Lang,
chapitre 7.
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lui imposer un fonctionnement sous une puissance supérieure (par exemple en imposant une tension de 20V
à la lampe étudiée ou en court-circuitant un générateur) le composant risque d’être détruit.
Compétences testées (cf. BO N°7 du 31 08 2000)
Compétences expérimentales et manipulatoires
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


Formuler une hypothèse sur un paramètre pouvant jouer un rôle dans un phénomène.
Proposer une expérience susceptible de valider ou d’invalider une hypothèse ou répondant à un
objectif précis.
Analyser des résultats expérimentaux.
Faire le schéma d’une expérience.
Reconnaître, nommer, choisir et utiliser le matériel de laboratoire.
Compétences transversales



Décrire une expérience, un phénomène.
Utiliser le vocabulaire scientifique.
Construire un graphique et savoir l’utiliser.
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