- enseignement Catholique

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HPT
Formation scientifique
UAA5
AUTEUR : Philippe Godts
9 octobre 2014
Fiche d’activité 2
Fil électrique chauffé jusqu’à l’incandescence
Enoncé de la situation
Comprendre pourquoi un fin fil conducteur relié à un générateur s’échauffe au fur et à mesure qu’on le
raccourcit, jusqu’à finir par pouvoir enflammer des morceaux de papier et fondre.
Développements attendus principalement visés
Établir expérimentalement comment varie l’intensité du courant dans un circuit quand la résistance
varie à tension constante (A2).
L’élève utilise ou construit un dispositif expérimental permettant de vérifier qu’à tension constante,
l’intensité du courant diminue quand la résistance augmente.
Suggestions
1. Expérience d’introduction à mener avec toute la classe : on tend une longueur d’environ 1 m de fil
de constantan (par exemple 0,2 mm² de section) entre deux supports, on dépose des petits
morceaux de papier pliés en deux à cheval dessus et on relie ses extrémités aux bornes d’un
générateur variable par l’intermédiaire de pinces crocodiles. En augmentant progressivement la
tension au générateur jusqu’à environ 12 V, on remarque que le fil s’abaisse au fur et à mesure.
Ensuite, tout en maintenant la tension, on raccourcit la longueur utile du fil en déplaçant une des
pinces crocodile vers l’autre par petites étapes. Pour une certaine distance, le fil commence à
rougir, puis les morceaux de papier se consument, et enfin, le fil rompt sous son propre poids.
2. Les élèves notent les différentes étapes de l’expérience et relèvent les observations. En particulier,
ils notent les longueurs de fil pour lesquelles les différents phénomènes observés ont commencé à
se manifester.
3. On recommence alors l’expérience d’introduction avec un nouveau fil, et en branchant cette fois-ci
un ampèremètre en série et un voltmètre en parallèle. On relève les valeurs de la tension et du
courant pour les deux phases de l’expérience (quand on augmente progressivement la tension, puis
quand on raccourci la longueur utile du fil tout en maintenant la tension constante). On fait
remarquer aux élèves qu’on ne peut peut-être pas aller aussi loin que la première fois : un courant
trop important pourrait endommager l’ampèremètre. Après avoir placé les valeurs dans deux
tableaux, on fait observer aux élèves que dans la première partie de l’expérience, le courant
augmente quasi proportionnellement avec la tension, ce qui se traduit par un rapport de la tension
par le courant (R = U/I) quasi constant. Par contre, pour la deuxième partie de l’expérience, le
rapport R diminue au fur et à mesure que la longueur du fil diminue.
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4. On peut à présent laisser du temps aux élèves pour terminer par eux-mêmes les calculs des valeurs
de R et tracer le graphe de la tension en fonction du courant dans la première phase de l’expérience
(voir exemples de résultats ci-dessous).
5. Ensuite, on fait un point théorique en faisant noter aux élèves la définition de la résistance (R = U/I),
son unité SI, sa signification physique (la capacité d’un conducteur à s’opposer au passage d’un
courant), le fait que la résistance soit une caractéristique du conducteur (sauf si la température varie
fort, comme à la fin de la première phase de l’expérience), et qu’elle peut se mesurer directement
au moyen du multimètre branché adéquatement et avec le bon calibre.
Exemples de résultats avec un fil de
constantan de 1 m de long et de 0,2 mm²
de section
I(A) en fonction de U(V)
10.0
U (V)
I (A)
0
1
2
3
4
5
U/I (V/A)
0
0,045
0,090
0,153
0,205
0,255
22,2
22,2
19,6
19,5
19,6
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
0
10
20
30
40
50
60
6. On distribue alors aux élèves des portions d’un fil (le même que celui de l’expérience ou un autre)
et on leur demande de mesurer leur longueur ainsi que leur résistance à l’aide d’un multimètre. On
note les résultats dans un tableau commun et on trace un graphe de la résistance en fonction de la
longueur.
Exemples de résultats avec
différentes longueurs d’un fil
de constantan de 0,2 mm² de
section :
9.0
l (cm)
8.0
R (ohm)
5
10
20
30
40
50
1,0
1,8
3,7
5,0
7,0
8,4
R(ohm) en fonction de l(m)
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
0
10
20
30
40
50
60
7. Les élèves rédigent alors (par petit groupe éventuellement) une réponse circonstanciée à l’énoncé
de la situation (lorsque l’on a réduit la longueur utile du fil dans l’expérience d’introduction, on en a
en fait diminué la résistance, ce qui a fait en sorte qu’il s’oppose moins au passage du courant
électrique qui a augmenté, augmentant par la même occasion l’effet thermique constaté).
8. Prolongement possible : expliquer le rôle du fusible, chargé d’éviter des courants trop importants
dans les conducteurs d’une installation électrique.
Modalités d’organisation
L’activité devrait se dérouler dans un laboratoire ou un local polyvalent de sciences.
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