Preuve — Physique-Chimie — Intensité & tension (4ᵉ)
4ᵉ · « Mesurer l'intensité et la tension dans un circuit en série ». Une fiche de séance complète, produite avec les instructions du Projet de ce site et le programme officiel du niveau.
1. La fiche de séance (les instructions du Projet)
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Fiche de séance — Mesurer l'intensité et la tension dans un circuit en série
Informations générales
| Rubrique | Détail |
|---|---|
| Discipline | Physique-Chimie |
| Niveau / cycle | 4e (cycle 4) |
| Thème du programme | L'énergie, ses transferts et ses conversions — « Réaliser des circuits électriques simples et exploiter les lois de l'électricité » |
| Séance | Mesurer l'intensité et la tension dans un circuit en série |
| Durée | Créneau de 55 min (≈ 45 min effectives, accueil et rangement déduits) |
| Modalité | Travail en îlots / binômes, salle équipée de matériel d'électricité |
| Prérequis | Symboles normalisés des dipôles, savoir réaliser un circuit en série simple (5e), notion de courant et de tension abordée qualitativement |
| Matériel par poste | Générateur 6 V (ou pile/alimentation basse tension), 2 lampes 6 V identiques, interrupteur, fils de connexion, 1 ampèremètre, 1 voltmètre (ou 2 multimètres), plus 1 multimètre de secours |
Note sur les outils et sources. Cette fiche s'appuie sur le programme officiel de cycle 4 (BOEN n° 31 du 30 juillet 2020) et sur le document Éduscol « Repères pour l'enseignement de la physique-chimie au cycle 4 ». Pour préparer schémas et supports visuels, utiliser des liens de recherche (et non des URL inventées) : - Schéma normalisé d'un circuit en série avec ampèremètre et voltmètre : recherche Google Images - Branchement d'un ampèremètre en série / d'un voltmètre en dérivation : recherche Google Images - Simulateur de circuit Falstad : https://www.falstad.com/circuit/ - Simulateur PhET : recherche « PhET circuit construction kit »
Note sur les sources (documents réellement consultés). Cette fiche s'appuie sur trois documents officiels fournis. (1) Le programme de cycle 4 de physique-chimie (cycle4-physique-chimie.pdf, d'après le BOEN n° 31 du 30 juillet 2020), thème « L'énergie, ses transferts et ses conversions », attendu « Réaliser des circuits électriques simples et exploiter les lois de l'électricité ». Les attendus cités exactement plus bas figurent aux pages 7–8 du PDF (pagination Éduscol p. 102–103) : l'élaboration d'un protocole expérimental, l'unicité de l'intensité « en tout point d'un circuit qui ne compte que des dipôles en série », la loi d'additivité des tensions à une seule maille et la mise en relation des lois de l'électricité avec les règles de sécurité — c'est-à-dire exactement le contenu de cette séance. (2) L'aide à la construction d'une progression en physique-chimie au cycle 4 (progression-pc-cycle4.pdf, Éduscol, juin 2016) : document pleinement sur le thème et réellement exploité. Sa page 19 (colonne « Niveau 4ᵉ » de l'attendu « Réaliser des circuits électriques simples et exploiter les lois de l'électricité ») situe en 4ᵉ la première utilisation de l'ampèremètre et du voltmètre et propose de s'en servir « pour travailler autour de la conception dite de l'usure du courant » — conception placée au cœur de la situation déclencheuse et du tableau d'erreurs de cette fiche. Cette même page recommande, contre les représentations erronées, d'« aborder tension et intensité dans le même contexte » (approche globale du circuit), principe directement suivi ici en traitant I puis U dans la même séance. La page 17 (repères de progressivité) confirme que les lois de l'électricité relèvent des classes de 4ᵉ et 3ᵉ. (3) Les repères pour l'enseignement de la physique-chimie au cycle 4 (reperes-pc-cycle4.pdf, Éduscol, mars 2016) : document générique et HORS THÈME électricité — il ne mentionne ni l'intensité, ni la tension, ni les circuits. Il n'a apporté aucun contenu disciplinaire sur ce sujet et n'a servi que de cadre méthodologique général : caractère « avant tout expérimental » de l'enseignement (à ne pas remplacer par du document), place de la modélisation (observations vs modèle), nécessité d'une différenciation présente dans la plupart des séances et d'une évaluation positive par niveaux d'acquisition — principes qui sous-tendent le déroulement expérimental, les trois niveaux de différenciation et la grille d'auto-évaluation, mais qui ne sont pas spécifiques à ce thème.
Attendus du programme (citation exacte)
« Réaliser des circuits électriques simples et exploiter les lois de l'électricité » « Élaborer et mettre en œuvre un protocole expérimental simple visant à réaliser un circuit électrique répondant à un cahier des charges simple ou à vérifier une loi de l'électricité. » « Exploiter les lois de l'électricité. » — « Dipôles en série, dipôles en dérivation. » — « L'intensité du courant électrique est la même en tout point d'un circuit qui ne compte que des dipôles en série. » — « Loi d'additivité des tensions (circuit à une seule maille). » « Mettre en relation les lois de l'électricité et les règles de sécurité dans ce domaine. »
Source : programme de physique-chimie du cycle 4, thème « L'énergie, ses transferts et ses conversions », rubrique « Réaliser des circuits électriques simples et exploiter les lois de l'électricité ». Document PDF p. 7–8 (pagination Éduscol p. 102–103), d'après le BOEN n° 31 du 30 juillet 2020.
Reformulation. Les élèves apprennent à mesurer concrètement deux grandeurs : l'intensité du courant I (en ampère, A) avec un ampèremètre branché en série, et la tension U (en volt, V) avec un voltmètre branché en dérivation (aux bornes du dipôle). La séance vise l'établissement expérimental de l'unicité de l'intensité dans un circuit en série et prépare la loi d'additivité des tensions. Conformément au programme, l'apprentissage est articulé aux règles de sécurité.
Compétences travaillées (programme cycle 4)
| Compétence | Mise en œuvre dans la séance |
|---|---|
| Pratiquer des démarches scientifiques (S'approprier, Analyser, Réaliser) | Élaborer un protocole de mesure, réaliser un montage conforme à un schéma |
| Concevoir, créer, réaliser | Câbler ampèremètre en série et voltmètre en dérivation |
| Utiliser des outils et méthodes (mesurer) | Choisir le calibre, lire une mesure, exprimer le résultat avec son unité |
| Pratiquer des langages | Lire et produire un schéma normalisé ; rédiger une conclusion |
| Adopter un comportement éthique et responsable | Respecter les consignes de sécurité électrique |
Connaissances visées
- Symboles normalisés de l'ampèremètre et du voltmètre.
- I en ampère (A) ; U en volt (V).
- L'ampèremètre se branche en série, le voltmètre en dérivation.
- Dans un circuit en série, l'intensité est la même en tout point.
- Première approche : la tension du générateur se répartit entre les dipôles (additivité des tensions, à une maille).
Objectifs (formulés côté élève)
À la fin de la séance, je suis capable de : - brancher un ampèremètre en série et lire l'intensité I en ampères (A) ; - brancher un voltmètre en dérivation aux bornes d'un dipôle et lire la tension U en volts (V) ; - montrer par la mesure que l'intensité est la même partout dans un circuit en série ; - appliquer les règles de sécurité : ne jamais brancher l'ampèremètre directement aux bornes du générateur.
Conceptions et erreurs fréquentes
| Conception / erreur de l'élève | Réalité scientifique | Levier en classe |
|---|---|---|
| « Le courant s'use / diminue après chaque lampe » | Dans un circuit en série, I est identique en tout point | Mesurer I à plusieurs endroits et comparer |
| Confondre intensité et tension | I (A) = débit du courant ; U (V) = différence aux bornes | Tableau des deux grandeurs, deux appareils, deux branchements |
| Brancher l'ampèremètre en dérivation | L'ampèremètre se branche en série (le courant le traverse) | Verbaliser : « l'ampèremètre est sur la route du courant » |
| Brancher le voltmètre en série | Le voltmètre se branche en dérivation, aux bornes du dipôle | Verbaliser : « le voltmètre saute par-dessus le dipôle » |
| Brancher l'ampèremètre directement aux bornes du générateur | Danger / court-circuit : interdit | Consigne de sécurité explicite, validation prof avant mise sous tension |
| Oublier l'unité ou se tromper de calibre | Un résultat = valeur + unité ; calibre adapté | Démarrer sur le plus grand calibre puis affiner |
| Inverser les bornes (COM / A / V) sur un multimètre | Respecter le repérage des bornes | Affiche-repère au tableau, vérification du branchement |
Déroulement détaillé et chronométré (total 55 min)
| Phase | Durée | Activité de l'élève | Rôle du professeur / consignes |
|---|---|---|---|
| 0. Accueil | 0–4 (4 min) | S'installer par binômes, sortir le matériel | Faire l'appel, annoncer l'objectif du jour, distribuer la fiche-protocole |
| 1. Situation déclencheuse | 4–9 (5 min) | Observer un circuit série à 2 lampes : « le courant est-il plus faible après la première lampe ? » Émettre une hypothèse écrite | Recueillir les hypothèses sans trancher ; relancer la controverse |
| 2. Apports et schéma | 9–17 (8 min) | Noter les symboles, la règle ampèremètre en série / voltmètre en dérivation, I en A et U en V | Au tableau : schéma normalisé ; insister sur les deux branchements distincts |
| 🛑 Stop pédagogique SÉCURITÉ | 17–20 (3 min) | Lire et reformuler les consignes de sécurité ; faire valider le schéma avant câblage | Consignes : circuit ouvert (interrupteur ouvert) pendant le câblage ; ne JAMAIS brancher l'ampèremètre directement aux bornes du générateur (court-circuit) ; basse tension uniquement ; faire vérifier le montage par le professeur AVANT mise sous tension |
| 3. Réalisation expérimentale 1 — intensité | 20–32 (12 min) | Câbler le circuit série, insérer l'ampèremètre en série à 3 emplacements successifs, mesurer I, noter en A | Circuler, débloquer le choix du calibre, faire verbaliser « même valeur partout » |
| 4. Réalisation expérimentale 2 — tension | 32–42 (10 min) | Brancher le voltmètre en dérivation aux bornes de chaque lampe puis du générateur ; noter U en V | Vérifier le branchement en dérivation ; amener à comparer U(L1)+U(L2) et U(générateur) |
| 🛑 Stop pédagogique — mise en commun | 42–47 (5 min) | Comparer les mesures entre binômes, conclure : I identique partout ; les tensions s'additionnent | Recueillir au tableau, lever les conceptions, valider/invalider les hypothèses |
| 5. Trace écrite co-construite | 47–52 (5 min) | Compléter le tableau-mémo avec le professeur | Faire formuler la phrase-clé ; corriger les unités |
| 6. Rangement | 52–55 (3 min) | Ouvrir l'interrupteur, débrancher, ranger le matériel, vérifier l'inventaire du poste | Vérifier le rangement et la mise hors tension |
Différenciation (3 niveaux)
| Niveau | Élèves concernés | Aménagement |
|---|---|---|
| Soutien | Élèves en difficulté de câblage | Schéma pré-imprimé avec emplacements numérotés ; appareils déjà réglés sur le bon calibre ; tutorat par un pair ; étapes fournies une à une |
| Standard | Majorité de la classe | Protocole guidé à compléter ; choix du calibre accompagné ; tableau de mesures à remplir |
| Approfondissement | Élèves rapides / à l'aise | Protocole à élaborer eux-mêmes à partir du seul objectif ; prédire les mesures avant de les faire ; tester avec 2 lampes différentes et interpréter l'écart de tension ; vérifier U(L1)+U(L2)=U(gén.) |
Trace écrite co-construite (tableau-mémo)
| Grandeur | Symbole | Unité | Appareil | Branchement | Règle dans un circuit en série |
|---|---|---|---|---|---|
| Intensité du courant | I | ampère (A) | ampèremètre | en série | I est la même en tout point |
| Tension | U | volt (V) | voltmètre | en dérivation (aux bornes du dipôle) | les tensions s'additionnent : U(gén.) = U(L1) + U(L2) |
Phrase-bilan (à faire formuler par les élèves) : « Dans un circuit en série, le courant a la même intensité partout ; chaque dipôle reçoit une part de la tension du générateur. L'ampèremètre se branche en série, le voltmètre en dérivation. »
Sécurité (à recopier) : « On ne branche jamais l'ampèremètre directement aux bornes du générateur. »
Auto-évaluation à indicateurs observables
| Je sais… | Indicateur observable | Acquis / En cours / À retravailler |
|---|---|---|
| brancher un ampèremètre | l'ampèremètre est inséré en série sur le circuit | |
| brancher un voltmètre | le voltmètre est placé en dérivation aux bornes du dipôle | |
| lire une intensité | je donne I avec l'unité A et le bon calibre | |
| lire une tension | je donne U avec l'unité V | |
| énoncer la loi de l'intensité | j'écris « I est la même en tout point d'un circuit en série » | |
| respecter la sécurité | je n'ai jamais relié l'ampèremètre directement au générateur ; j'ai fait valider mon montage |
Activités d'approfondissement
- Remplacer une lampe par une lampe de tension différente et interpréter la répartition des tensions.
- Vérifier numériquement la loi d'additivité des tensions sur le circuit à une maille.
- Reproduire le circuit dans un simulateur et comparer mesures réelles / simulées : Falstad (https://www.falstad.com/circuit/) ou PhET (recherche « PhET circuit construction kit »).
Prolongements
- Séance suivante : circuit en dérivation et loi d'additivité des intensités (circuit à deux mailles).
- Vers la loi d'Ohm (relation tension-courant) et la puissance électrique P = U·I en classe de 3e (aspects énergétiques).
- Lien technologie : chaînes d'énergie et fonction d'un objet technique.
- Éducation à la sécurité électrique domestique et à la sobriété énergétique (comportements citoyens).
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