Niveau concerné : 1ère S Résolution de problème.

Thèmes / Sous-thème : Comprendre / Champs et forces

Type de ressources : Document complet pour une résolution de problème (partie élève et partie prof)

Notions et contenus : Exemples de champs scalaires et vectoriels : pression, température, vitesse dans un fluide. Champ magnétique : sources de champ magnétique (Terre, aimant, courant).

Champ électrostatique : �⃗⃗� =�⃗⃗�

𝒒 Champ de pesanteur local : �⃗⃗� =

�⃗⃗�

𝒎

Loi de la gravitation ; champ de gravitation.

Compétences exigibles : (voir grille ci jointe)

Recueillir et exploiter des informations (météorologie, téléphone portable, etc.) sur un phénomène pour avoir une première approche de la notion de champ. Décrire le champ associé à des propriétés physiques qui se manifestent en un point de l’espace. Comprendre comment la notion de champ a émergé historiquement d’observations expérimentales. Pratiquer une démarche expérimentale pour cartographier un champ magnétique ou électrostatique. Connaître les caractéristiques : - des lignes de champ vectoriel ; - d’un champ uniforme ; - du champ magnétique terrestre ; - du champ électrostatique dans un condensateur plan - du champ de pesanteur local.

Nature de l’activité : Activité expérimentale / Résolution de problèmes scientifiques Lors de la démarche de résolution de problèmes scientifiques, il s’agit pour l’élève : - d’analyser le problème posé pour en comprendre le sens - de construire des étapes de résolution et les mettre en œuvre - de porter un regard critique sur le résultat - d’examiner la pertinence des étapes de résolution et les modifier éventuellement Résumé : Il s’agit de proposer aux élèves une activité de type « résolution de problème scientifique » comportant une partie analyse de document, une partie expérimentale et une partie communication écrite et/ou orale. L’activité peut s’étendre sur 2 séances de 1,5h.

Séance 0 : En groupe : Découverte du problème à résoudre (10minutes) (possibilité de visionner la vidéo). Individuellement (à la maison) : Lecture et analyse des documents (possibilité de création

d’une carte mentale pour mettre en lien les informations des documents). Rédaction des protocoles des expériences à réaliser en fonction de la liste du matériel disponible

Séance 1 : En groupe (de 3 ou 4) : Constituions des groupes/Repartions des rôles (animateur–scribe-secrétaire-

technicien). Mise en commun des éléments trouvés, construction des étapes de la résolution

du problème (possibilité de rédiger un plan ou une carte mentale de la résolution).

Mise en commun des démarches et des protocoles d’expériences. Réalisation des manipulations (évaluation par l’enseignant : voir grille), possibilité

de prendre des photos pour le compte rendu final. Début de rédaction d’un document commun (évalué et validé par l’enseignant :

voir grille). Séance 2 : En groupe : (en classe ou à la maison) Finalisation du document commun (évalué et validé par l’enseignant : voir grille).

Il devra comprendre :

- Une introduction rappelant la problématique et présentant le plan de votre réponse. - Un développement présentant de façon détaillé les différentes étapes de résolution (analyse des

données, démarche suivi, protocoles, expériences réalisées, calculs, éventuels schémas, analyse critique des résultats).

- Une conclusion avec les différents aspects répondant à la problématique. - Une affiche avec un schéma légendé le plus complet possible décrivant l’orientation et l’emplacement

optimum des tubes néons. En classe : Bilan des acquis et fin du cours sur les champs et exercices

Pour l’évaluation des compétences : L’accent est mis sur la qualité des mesures effectuées et le regard critique sur les résultats obtenus. Si on ne peut évaluer toutes les compétences mises en jeu, un choix doit être fait sur 2 ou 3 compétences. Mots clefs : Première S, champs scalaire et vectoriels, cartographie de champs, champs électrostatiques, résolution de problèmes scientifiques. Production de la ressource : Vossier Nicolas académie de Grenoble

Résolution de problème :

Comment allumer un tube néon sans le brancher ?

CONTEXTE DU SUJET:

Richard Box, artiste en résidence au département de physique de l'Université de Bristol, a eu l'idée d’une installation après une conversation fortuite avec un ami : "Il m'a dit qu'il jouait avec un tube néon sous un pylône près de sa maison et qu'il s’illuminait comme un sabre laser". Après avoir trouvé un terrain, de 3600 mètres carrés, loué 200£ à un agriculteur local, il plante 1301 tubes néons alignés sous une ligne haute tension (THT) et réalise les photos de ce qui deviendra une de ces œuvres majeur.

Attention : la réalisation de cette expérience suppose la prise en compte des dangers liés à l’électricité : une distance de sécurité suffisante doit être respectée, il ne faut pas entrer en contact avec la ligne, ni avec les structures (pylônes) qu’il ne faut escalader en aucun cas.

TRAVAIL A EFFECTUER : À l’aide des documents et en utilisant vos connaissances, rédiger un document, répondant à la problématique

suivante :

« Comment les néons de Mr Box placés sous les lignes à hautes tension peuvent-ils s’illuminer ? »

Après avoir, rappeler quel type de champ existe sous une ligne à haute tension, réaliser expérimentalement une cartographie du champ existant entre deux conducteurs électriques linéaires parallèles (à l’aide d’une cuve rhéographique). Déduire de cette étude expérimentale et des informations fournies dans les documents l’ensemble des caractéristiques du champ nécessaire à l’installation artistique de Mr Box (direction, sens et norme). Puis dans un deuxième temps, déterminer par un calcul quelle doit être la distance maximale dmax entre le sol et une ligne électrique THT de 400’000V pour que les tubes néon de l’installation de Mr Box s’illuminent.

A partir de vos résultats réaliser, sur une affiche, un schéma légendé le plus complet possible décrivant l’orientation et l’emplacement optimum des tubes néons.

Un document de synthèse devra également être rendu au terme des 2 séances de 1h30 (compte rendu rédigé, carte mentale détaillée, livre numérique…). Il devra comprendre :

- Une introduction rappelant la problématique et présentant le plan de votre réponse. - Un développement présentant de façon détaillé les différentes étapes de résolution (analyse des

données, démarche suivi, protocoles, expériences réalisées, calculs, éventuels schémas, analyse critique des résultats).

- Une conclusion avec les différents aspects répondant à la problématique.

DOCUMENTS :

Attention chaque manipulation doit être réalisée avec l’accord du professeur et en sa présence, avec un

protocole qu’il aura préalablement validé.

Document 1 : How does this field of lignts work? The 1,301 fluorescent tubes are powered only by the electric fields generated by overhead powerlines. Richard Box, artist-in-residence at Bristol University's physics department, got the idea for the installation after a chance conversation with a friend. "He was telling me he used to play with a fluorescent tube under the pylons by his house," says Box. "He said it lit up like a light sabre." Box decided to see if he could fill a field with tubes lit by powerlines. After a few weeks hunting for a site, he found a field, slipped the local farmer £200 and planted 3,600 square meters with tubes collected from hospitals. The fluorescent tube he used glows when an electric field is set up across it. The electric field set up inside the tube excites atoms of mercury gas, making them emit ultraviolet light. This invisible light strikes the phosphor coating on the glass tube, making it glow. Because powerlines are typically 400,000volts, and Earth is at an electrical potential of zero volts, pylons create electric fields between the cables they carry and the ground. Box denies that he aimed to draw attention to the potential dangers of powerlines. "For me, it was just the amazement of taking something that's invisible and making it visible," he says. "When it worked, I thought: 'This is amazing.'

The Guardian, Thursday 26 February 2004 12.21 GMT

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Lycee h laurens

Document 3 : Notion et définition d’un champ. (voir la vidéo ci-contre). Prenez un crayon avec le bout des doigts et lâchez-le de n’importe quel endroit de l’espace ; il tombe. Le crayon est donc soumis à une action à distance en n’importe quel endroit de l’espace où on le place. De la même manière une particule chargée est attirée ou repoussée, à distance, par un endroit de l’espace où existe une autre charge. Il en est de même pour une bille de fer placée à proximité d’un aimant, celle-ci sera soumise à une force d’attraction dont l’intensité dépendra de la distance entre la bille et l’aimant. De ce type d’observations est née historiquement la définition des champs.

En physique un champ est une zone de l’espace ou règne en chaque point une grandeur physique. Si la grandeur est définie par un nombre on parle de champ scalaire et si elle est définie par un vecteur on parle de champ vectoriel.

Exemple de champ scalaire Exemple de champ vectoriel

Document 2 : vidéo « néon ligne THT »

Les champs

https://www.youtube.com

/watch?v=lBSqsbWq9tI

néon ligne THT

http://www.dailymotion.co

m/video/xmlyqz_l-experience-du-neon_news

Document 4 : Différentes sources de champs vectoriels et leurs caractéristiques.

Champ magnétique Champ électrique Champ de pesanteur

Exemples :

La terre

Un aimant

Un conducteur électrique traversé

par un courant.

Exemples :

Particules de charges opposées

Particules de même charge

Molécule polaire

Exemples :

Champ de pesanteur terrestre

Notation : �⃗⃗� Notation : �⃗⃗� Notation : �⃗⃗�

Direction/Sens : Tangent aux lignes de champs

Orienté du nord vers le Sud

Direction/Sens : Tangent aux lignes de champs

Orienté du pôle + vers le pôle -

Direction : Tangent aux lignes de champs

Orienté du plus léger vers le plus lourd

Norme :

Mesurée avec un Teslamère en Teslas (T).

Norme :

𝑬 =𝑭

𝒒=

𝑼

𝒅

E champ électrique en V/m F force électrostatique en N q quantité de charge en c U tension en V d distance en m

Norme :

𝒈 =𝑷

𝒎=

𝑮.𝒎𝑻

𝑹𝑻²

g champ de pesanteur en N/kg P Poids en N m masse en kg G constante universelle de gravitation mT masse de la terre en kg RT rayon de la terre en m

Observer les exemples de champs magnétiques mis à disposition sur la table du professeur.

Cours complét sur les champs électriques

https://www.youtube.com/watch?

v=Iy5PXsNlGKg

Cours complét sur les champs gravitationel

https://www.youtube.com/watch?

v=ynP314gfm_4

Cours complét sur les champs magnétiques

https://www.youtube.com/watch?

v=UM1csRAzv9Q

Document 6 : Equipotentielles et ligne de champ. Une équipotentielle, ou surface de niveau d'un champ (gravitationnel, électrique, etc.), est l'ensemble des points où un champ prend une même valeur numérique. De manière générale, les équipotentielles sont perpendiculaires aux lignes de champ et plus le champ est intense, plus les équipotentielles sont resserrées.

Par exemple, dans un champ radial ci-contre, les équipotentielles sont des sphères. http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89quipotentielle

Lignes de champ (flèches) et

surfaces équipotentielles (cercles) créées

par une charge électriques

Document 5 : Cartographier un champ.

Cartographier un champ consiste à déterminer l’ensemble de ces caractéristiques (direction/sens/norme) en plusieurs points de l’espace et à en donner une représentation sous la forme d’un vecteur dans le cas d’un champ vectoriel et /ou sous la forme de lignes de champs. Les lignes de champs étant des lignes tangentes en chacun de ces points au vecteur champ. Elles sont orientées par une flèche dans le même sens que celui du champ. Exemples de vecteur champs et de lignes de champs :

Champ de pesanteur créé par une masse m Champ électrique dans un condensateur plan

Rmq : Lorsqu’un champ a les mêmes caractéristiques en tous points de l’espace considéré on dit qu’il est uniforme, c’est le cas du champ électrique dans un condensateur plan. Dans ce cas les lignes de champ sont parallèles entre elles et perpendiculaires aux armatures.

�⃗⃗�

Document 7 : La cuve rhéographique. La cuve rhéographique (voir schéma ci-dessous) permet de déterminer les caractéristiques du champ électrique E (direction, sens et norme) entre deux plaques conductrices parallèles. Elle est constituée de deux plaques immobiles reliées aux bornes d’un générateur continu 6V et d’une cuve, contenant de l’eau du robinet. Sous la cuve se trouve, une feuille de papier quadrillée en cm, sur laquelle il est possible de tracer au préalable deux axes orthonormés (O,x,y) (voir schéma) pour pouvoir mesurer distances. Un voltmètre mesure la tension U entre la plaque reliée à la borne – (0V) du générateur et une sonde qu’il est possible de déplacer dans la cuve. En déplaçant la sonde de mesure dans la cuve, il est possible de repérer les lignes équipotentielles (voir vidéo-ci-dessous) et de les cartographier sur un second quadrillage (un peu comme pour le jeu de la bataille navale). Il ne reste plus qu’à tracer les lignes de champs pour trouver la direction du champ électrique. Pour mieux comprendre lire la vidéo ci-dessous.

La cuve rhéographique

https://www.youtube.com/watch?

v=mzlemoYCzv0

MATERIEL MIS A DISPOSITION : - Montage de la cuve rhéographique. - Affiche A3 ou A2.

- Différents montage à observer sur la paillasse du professeur. - Eau du robinet

Document 8 : Comment fonctionnent nos tubes néon ?

Coloré et scintillant sur les enseignes commerciales, blafard dans la cuisine, le tube fluorescent, appelé à tort " néon ", illumine nos nuits depuis 1937.

Principe de fonctionnement d’un tube néon.

Schéma général d'un tube fluorescent

1- L'application d'une tension électrique ou d’un champ électrique très important (12500V/m) aux bornes du tube provoque la circulation d'un flux d'électrons libres entre les deux électrodes métalliques.

2- Entre les électrodes, les électrons subissent une accélération et acquièrent de l'énergie.

3- Au cours de leur déplacement, les électrons heurtent les atomes de gaz enfermés dans le tube. Lors du choc, les électrons cèdent aux atomes de gaz l'énergie acquise pendant leur déplacement.

4- Les atomes de gaz ont alors un surplus d'énergie et deviennent instables. Ils ne peuvent garder cette énergie et la réémettent sous la forme de rayonnement ultra-violet, invisible à l'œil nu.

5- Les ultra-violets se propagent jusqu'aux parois du

tube.

6- La surface interne du tube est enduite d'un revêtement fluorescent. Celui-ci absorbe les ultra-violets et réémet à la place de la lumière visible.

http://www.lerepairedessciences.fr/reflexions/questions_cours_fichiers/eclairage.htm

images :

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/df/Dueling_lightsabers.svg/220px-Dueling_lightsabers.svg.png

http://www.richardbox.com/field%2001.htm

http://wardenclyffesgardens.blogspot.fr/

manuel hachette 1erS Dulaurans Durupthy

http://ww2.ac-poitiers.fr/sc_phys/IMG/jpg/moment.jpg

http://fr.wikipedia.org/wiki/Champ_%C3%A9lectrique#mediaviewer/Fichier:Camposcargas.PNG

http://www.jeulin.fr/dimg/106/FICHIER/fr/8/1000009958_IMG_292064_v01.jpg

http://2.bp.blogspot.com/tHE6RjKpOEc/UVYIpEpkh8I/AAAAAAAAFD8/xegBQppbGLk/s1600/1%25C3%25A9reSCUVERHEOGRAPHIQUE245.jpg

Correction : Comment les néons de Mr Box placés sous les lignes à hautes tension peuvent-ils s’illuminer ?

Résultats des Expériences en image.

Montage

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Compétences Travail attendu

Analyser

/ 3pts

Analyser Doc 1 le champ généré sous la ligne est un champ électrostatique (400kv-0V)

Protocole

Avec le dispositif On mesure U et d (d entre plaque à 0V et pointe de touche) en différents points On calcul E=U/d on reporte les valeurs sur la feuille quadrillée On trace des équipotentiels On cherche direction et sens des lignes de champ perpendiculaire aux équipotentiels

Détermination de dmax

E=U/d U=400’000V

Pour que les néons s’illuminent Emin=12’500V/m

dmax=U/E=400’000/12'500 = 32m

Réaliser

Mesures Qualité des mesures et respect du protocole

Utilisation satisfaisante du matériel et des appareils de mesure

Résultats cartographie quadrillage

En tt point de l’espace E=cte Le champ électrique est uniforme

orientation du + vers le – perpendiculaire aux armatures

Ligne de champs // entre elles

Communiquer

Conclusion Pour l’installation de Mr Box :

champ elec / vectoriel / uniforme / perpendiculaire au sol / Emin=12’500V/m / dmax ≈ 30m

Document final Organisation : présence d’un plan / enchainement logique des étapes.

Présentation satisfaisante.

Affiche Complétude sol-ligne 400’000V- lignes de champs orientées-néons orientés-32n dmax Présentation

S’impliquer

partie

individuelle

Au cours des séances

- S’impliquer dans un projet individuel ou collectif : Facultés de communication et/ou d’organisation (Leadership) et adéquation avec les autres.

- Mobiliser sa créativité, sa curiosité : Proposer des idées.

- Prendre des initiatives : Savoir s’imposer.

- Demander une aide pertinente :

- Travailler en autonomie : Réaliser seul certaines taches

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Nom

COMPETENCES

EXEMPLES DE CAPACITES ET D’ATTITUDES (NON EXHAUSTIFS)

S’APPROPRIER

- Rechercher, extraire et organiser l’information en lien avec une situation

- Définir des objectifs

- Adopter une attitude critique vis-à-vis des informations.

- Reformuler, synthétiser l’information extraite.

ANALYSER

- Proposer une stratégie pour répondre à la problématique - Proposer une modélisation ou choisir un modèle. - Identifier des paramètres, choisir des grandeurs à mesurer. - Choisir, concevoir ou justifier un protocole / dispositif expérimental - Définir les conditions d’utilisation des instruments de mesure. - Evaluer l’ordre de grandeur d’un phénomène et de ses variations - Exploiter les informations extraites de données ou de résultats expérimentaux. - Observer et décrire les phénomènes

REALISER

- Suivre un protocole - Utiliser le matériel (dont l’outil informatique) de manière adaptée - Effectuer des mesures avec précision - Reporter un point sur une courbe ou dans un tableau - Effectuer un calcul simple - Réaliser ou compléter un schéma

VALIDER

- Exploiter et interpréter des observations, des mesures

- Utiliser les symboles et unités adéquats

- Analyser des résultats de façon critique

COMMUNIQUER

- Utiliser les notions et le vocabulaire scientifique adaptés

- Présenter, formuler une proposition, une argumentation, une synthèse ou une conclusion de manière cohérente complète et compréhensible

ETRE AUTONOME FAIRE PREUVE D’INITIATIVE

- S’impliquer dans un projet individuel ou collectif

- Prendre des initiatives

- Travailler en autonomie

- Demander une aide pertinente

- Travailler en équipe

- Mobiliser sa créativité, sa curiosité

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Liste du matériel

D223 + vidéoprojecteur

Paillasse élève x 6:

- Voltmètre.

- Cuve rhéographique ou aquarium des bio avec 2 plaques en

cuivre et des pinces crocodiles + feuille quadrillée en dessous.

- Générateur 6/12VDC.

- Fils de connexion 3R 2 N.

- 1 Pointe de touche.

- Pissette d’eau du robinet

Paillasse prof : o Ordi + vidéoprojecteur

o Aimant + limaille de fer dans la boite de kinder (demander au prof).

o aiguille aimantée (boussole)

o Montages de mise en évidence des champs magnétiques suivant selon matériel disponible :

aimant droit + limaille de fer

aimant droit + plaque avec petits barreaux de fer.

aimant en U avec limaille de fer et plaque en plexiglass ou verre.

générateur DC 12V + rhéostat 30Ω + montage fils conducteur + limaille de fer

générateur DC 12V + rhéostat 30Ω + montage spire + limaille de fer

générateur DC 12V + rhéostat 30Ω + montage solénoïde + limaille de fer

x3

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