Elec_4e_modele_petits grains_lite

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Modèle des grains en électricité classe de 4
ème
François Connes, collège Feuchères de NIMES
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Remerciements ..................................................................................................................... 1
Avant propos : la démarche suivie.................................................................................... 1
Mes objectifs (certes ambitieux !).................................................................................. 2
Quelques remarques préalables........................................................................................ 3
La progression en 3 parties ............................................................................................... 4
I-Mise en place du modèle microscopique du courant :....................................................... 4
II Définition et mesures des grandeurs électriques .............................................................. 6
III Les lois du courant continu ........................................................................................... 10
Annexe figures ................................................................................................................... 11
Remerciements
Je tiens à remercier Monsieur Jean-Loup Canal qui a transformé mon regard sur
les sciences-physiques et leur enseignement et qui a initié tout mon travail sur
l’utilisation des modèles.
Je voudrais aussi remercier Anne-Elen Libot pour son aide toujours riche et les
nombreux échanges que nous avons, notamment autour de cette progression.
Merci enfin et surtout à Madame Courtillot pour ses précieux conseils pour la
rédaction de cet article, et surtout sa grande patience !
Note : afin de réduire la taille de ce fichier, tous les schémas du modèle sont
rassemblés dans un autre fichier qui constitue l’annexe de cet article.
Avant propos : la démarche suivie
La progression proposée est une adaptation au nouveau programme de 4
ème
des
travaux de Jean-Loup Canal (voir BUP n° 886 juillet/août/septembre 2006) que
j’ai eu la chance de rencontrer lors d’une de ses formations à Montpellier. Les
schémas sont extraits de cet article. Cette progression reprend très largement
les activités de ses fiches. Seules certaines « articulations » ont été modifiées.
La séquence décrite ci-dessous a été faite deux années de suite et m’a semblé
très concluante : les élèves confondent beaucoup moins les deux grandeurs
tension et intensité.
Nombre de séances : de 10 à 12 séances (ce qui correspond, quand on ajoute la
loi d’ohm et les évaluations) aux préconisations du programme officiel de 35% du
volume total de 4
ème
pour la partie électricité).

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Mes objectifs (certes ambitieux !)
1
ER
OBJECTIF : DONNER DU SENS AUX GRANDEURS TENSION, INTENSITE
ET RESISTANCE
Chaque grandeur est définie concrètement AVANT d’être mesurée.
Le tension est une « énergie par grain d’électricité », l’intensité est « le
nombre de grain d’électricité circulant par seconde en un point »
.
La grandeur n’est donc pas simplement le résultat d’une mesure.
Les trois grandeurs électriques -tension, intensité et résistance- sont
introduites « conjointement » et non plus successivement. Le lien existant
entre elle devient plus évident.
2
ème
OBJECTIF : METTRE EN ŒUVRE DES DEMARCHES D’INVESTIGATION
Le plus souvent possible, je demande à l’élève d’émettre des hypothèses
argumentées à l’aide du modèle des grains, puis de les valider, par exemple, par
des expériences ou des mesures.
3
ème
OBJECTIF : UTILISER UN MODELE SCIENTIFIQUE
On fait appel à une description microscopique pour dépasser la seule observation
macroscopique de 5
ème
et entrer dans l’explication par la modélisation, c’est la
nouveauté du programme de 4
ème
. On retrouve cela très explicitement en chimie
avec le modèle moléculaire.
Je mets en place un modèle microscopique du courant électrique que j’appelle le
modèle des petits grains d’électricité.
Trois aspects du modèle sont abordés dans les séances suivantes :
- décrire le fonctionnement d’un circuit ;
- prévoir des valeurs de tensions, d’intensités ou établir des lois ;
- le faire évoluer quand il ne permet plus d’expliquer convenablement les
phénomènes observés par les élèves
Cette triple utilisation est bien caractéristique d’un modèle scientifique.
Ainsi au début, seule la tension est introduite dans le modèle puis on
s’aperçoit qu’une autre grandeur –l’intensité- doit être introduite aussi pour
expliquer la différence d’éclat de deux lampes différentes. Une amélioration du
modèle a donc été nécessaire.
J’ouvre la porte à cette évolution, je la présente oralement comme faisant
partie intégrante de l’activité de modélisation scientifique.

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IMPORTANT : Le modèle microscopique est illustré par une analogie mécanique
qui permet à l’élève de se faire une image de ce qui se passe à l’intérieur des
matériaux du circuit. Le modèle des petits grains d’électricité est donc du type
modèle analogique.
Quelques remarques préalables
1. A propos du modèle : il faut veiller à ce que l’élève ne mélange pas le
modèle microscopique et l’analogie mécanique ou avec la réalité.
Le modèle théorique microscopique du courant électrique est une description de la
réalité et l’analogie mécanique n’est qu’une image qui facilite l’appropriation du
modèle et son fonctionnement.
Jean-Loup Canal parle de simulation lorsque les élèves jouent avec les grains ce
qui facilite la compréhension de ce modèle analogique.
L’enjeu ici n’est pas que les élèves se représentent le courant comme un ensemble
de petits grains d’électricité circulant dans les conducteurs mais bien d’obtenir
qu’ils représentent le courant par un ensemble de petits grains circulant.
G. Robardet et J.C. Guillaud expliquent que « si nous voulons que les élèves
utilisent les modèles, l’enseignement doit clairement privilégier la fonction outil à
la fonction objet ».
THÉORIE
MODÈLE
Donne le
sens
RÉALITÉ
générale
RÉALITÉ
locale
(Champ
expérimental
de référence)
prédit
interprète
Générale qui
tend à
l’universelle
Partiel et adapté
à un champ
expérimental
donné

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2. Le modèle n’étant pas une compétence exigible du programme, il ne
devrait pas donner lieu à une évaluation. Toutefois, il est précisé dans
l’introduction générale des programmes que l’enseignement au collège doit
permettre à l’élève de « modéliser de façon élémentaire ».On pourra laisser à la
disposition de l’élève, comme document de travail, les différentes hypothèses et
définitions constituant le modèle des grains. On privilégiera plutôt son utilisation
que sa mémorisation, mais quoi qu’il en soit la représentation imagée et mémorisée
peut aussi être une aide à la compréhension, en particulier à la différenciation U
et I !
3. Je fais circuler les grains d’électricité dans le sens du courant. Le
terme d’électrons n’est pas précisé sauf par les élèves eux-mêmes. Le modèle
ayant comme caractéristique d’être évolutif, le nom des « grains » d’électricité et
leur sens de déplacement seront précisés en troisième dans le chapitre
« comprendre la conduction dans les métaux » où les élèves ont les moyens de
comprendre ce sens. L’inversion du sens des mouvements des électrons n’a posé
aucun problème avec mes classes de Troisième. A ceux qui me disaient qu « ’ils
avaient appris des trucs faux », j’ai pu répondre que l’évolution d’un modèle en
fonction de l’avancée des connaissances était une des caractéristiques
intrinsèques d’un modèle.
4. La loi d’ohm n’est pas présentée dans cet article, elle n’est en fait qu’un cas
particulier du lien entre tension, intensité et résistance. Je la traite à l’issue de
cette progression de façon classique avec mesures, tracé de caractéristiques de
différents dipôles (lampes notamment) et mise en évidence de la proportionnalité
de U et I dans le cas d’un résistor.
La progression en 3 parties
I- Mise en place du modèle
II- Définitions des grandeurs tension, intensité et résistance
III- Les lois du courant continu
I-Mise en place du modèle microscopique du courant :
Situation de départ n° 1 : questionnaire de rappel des résultats de 5ème
aboutissant à une question : pourquoi l’éclat de 2 lampes montées en série n’est
pas le même que dans le cas de 2 lampes en dérivation ?

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L’explication nécessite de comprendre comment se comporte le courant dans le
circuit. C’est une réalité invisible, les scientifiques utilisent dans ce cas un modèle
pour rendre accessible à nos sens cette réalité invisible.
Les « germes » du modèle sont donnés ainsi que sa première utilisation pour
expliquer l’émission de lumière par une lampe :
Modèle des grains d’électricité :
- Il y a dans les éléments d’un circuit électrique des « grains
d’électricité », tous identiques, qui peuvent se déplacer. Le
déplacement de ces « grains d’électricité » correspond à ce qu’on
appelle le courant électrique.
- Le frottement des grains d’électricité avec les matériaux du filament
provoque un échauffement tel que le filament est porté à
incandescence.
Situation de départ n°2 : Où se trouvent les grains dans le circuit ?
Situation 1 Situation 2
Note : dans ce schéma, quand on retire la tige, les grains circulent, quand on la
remet ils ne peuvent plus circuler. On ne parle pas d’interrupteur ouvert ou fermé,
nomenclature qui prête à confusion au début du cours d’électricité.
Les élèves complètent individuellement ce document, les versions les plus
intéressantes sont recopiées sur transparent ou au tableau pour être simulées,
discutées, validées ou écartées.
Quelques productions d’élèves où l’on retrouve certaines conceptions comme la
pile réservoir ou le courant qui s’arrête à l’interrupteur :
Situation 1 :
- les grains d’électricité sont tous dans le générateur ;
- les grains d’électricité sont entre le générateur et la tige ;