F2 - Comment faire briller une lampe sous une

Electrodynamique – circuit électrique en courant continu
F2
Comment faire briller une lampe sous une puissance
donnée ?
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. On désire ici montrer la pertinence de la notion de “ point de fonctionnement ” et, plus
généralement, celle de “ caractéristique intensité-tension ” du composant.
Les élèves travaillent en petits groupes de quatre ou cinq, à partir de la situation-problème suivante : du
matériel électrique en vrac est disponible. Il permettra de tester les propositions qui auront été retenues et
de s’assurer de leur validité.
Questionnement possible
On dispose d’un générateur de tension réglable entre 0 V et 6 V et d’une lampe adaptée (par exemple 6 V
; 0,3 A, c’est-à-dire brillant normalement lorsqu’on lui applique la tension maximale du générateur).
– Comment fournir à la lampe l’énergie électrique sous une puissance de 1 W (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)
A
V
(b)
V
(c)
N.B. – Les choix et les arguments des élèves peuvent être présentés sur un transparent. Les propositions
des groupes seront ainsi 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 = 1 W. Exemples de
couples susceptibles d’être proposés : (5 V ; 0,2 A), (1 V ; 1 A), (4 V ; 0,25 A), etc. Les élèves 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 5 V puis agir sur le
rhéostat de manière à avoir 0,2 A 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.
Questionnement possible
“ Quels sont les couples permis ? Comment les déterminer ? ” On est alors ramené à la manipulation
classique : rechercher tous les couples de valeurs (U ; I) possibles (entre 0 et 6 V). Les résultats peuvent
être notés au tableau, pendant que chaque élève construit une courbe (U ; I).
Conclusion
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 1 W. 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.
Le point de fonctionnement d’un composant, sous une puissance P donnée, doit être recherché parmi les
points de fonctionnement 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. On peut terminer 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 lui imposer un
fonctionnement sous une puissance supérieure (par exemple, en imposant une tension de 20 V à la lampe
étudiée ou en court-circuitant un générateur), le composant risque d’être détruit.
Compétences du programme mises en œuvre
Compétences expérimentales et manipulatoires
– 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.
1
Cf. JOHSUA et DUPIN, Représentations et modélisations : le débat scientifique dans la classe, Berne, Peter Lang, chapitre 7,
1989.