Documents nécessaires à l`activité

Activité d’intégration
Pour être au courant
Sciences physiques 416-430
Module 2 : Phénomènes électriques
© Chaire CRSNG/Alcan pour les femmes en sciences et génie au Québec
Vous avez le droit de reproduire et de distribuer ce document à des fins strictement éducatives.
Il ne doit cependant pas être intégré à un recueil de textes ou d’exercices ou utilisé à des fins lucratives.
Pour être au courant
Consignes
But de l’activité
Cette activité a pour but principal de vous permettre d'atteindre l'objectif terminal 1 du module 2 qui
est de mesurer une variable d'un circuit électrique à l'aide d'un instrument que vous aurez construit.
L'activité vous permettra aussi de consolider vos apprentissages des objectifs terminaux 2.2 à 2.4.
Description de l’activité
Au cours de cette activité, vous fabriquerez un galvanomètre en utilisant les connaissances que vous
avez acquises au cours de votre étude de l’électricité et du magnétisme. Cela se fera par le biais d’une
activité d’intégration qui portera sur une partie du contenu des objectifs terminaux 2.1 à 2.4. De plus,
il vous sera possible d’utiliser des notions vues lors du cours d’Initiation à la technologie de 3e
secondaire. Ce galvanomètre pourra par la suite être utilisé pour mesurer un courant et vérifier la loi
d’Ohm. Il sera alors possible de vérifier la fiabilité, la précision et la sensibilité de votre appareil et de
l’améliorer si le besoin s’en fait sentir.
Pour obtenir plus d’information au sujet du galvanomètre qui sera construit au cours de cette activité,
vous pouvez consulter le texte Principe de fonctionnement du galvanomètre simple.
Déroulement de l’activité
1. Fabrication d’un électroaimant
2. Construction du galvanomètre
3. Étalonnage et évaluation des qualités
4. Mesure d’un courant
5. Rédaction d’un rapport
Note : Chaque étape, sauf la dernière, nécessite une période de 75 minutes.
Consignes
1
Pour être au courant
Étape 1 : Fabrication d’un électroaimant
Consignes
Concepts abordés
O.T. 2.1 : variables caractéristiques en électricité
O.T. 2.2 : rémanence magnétique, électroaimant, influence du nombre de spires, de la nature du noyau
sur le champ magnétique d’un électroaimant
O.T. 2.3 : loi d’Ohm, résistance électrique de circuits en série, en parallèle et mixtes (unités, formules,
calculs, circuits)
O.T. 2.4 : puissance, voltage, intensité du courant
Lecture préalable
Principe de fonctionnement du galvanomètre simple
But
Construire un électroaimant qui pourra être utilisé dans la fabrication d’un galvanomètre.
Matériel nécessaire
♦ fil électrique solide isolé de calibre 22
♦ clous en acier non galvanisé de différentes grosseurs et longueurs
♦ 4 piles alcalines C ou source de tension continue variable
♦ boussole à cadre non métallique
♦
♦
♦
♦
pinces à couper
ruban électrique
voltmètre, ampèremètre et ohmmètre ou multimètre
résistances de 5 et 10 W de 1 à 10 Ω
♦ support pour 4 piles C
Mission
Pour cette première étape, vous devrez fabriquer un électroaimant qui vous permettra de mesurer un
courant d’environ 0,5 A avec un déplacement de l’aiguille de plus de 70°. De plus, l’électroaimant
devra se trouver à moins de 3 cm de la boussole.
Étape 1 : Fabrication d’un électroaimant
1
Pour être au courant
Pistes
Il vous faudra tout d’abord déterminer quelle valeur de résistance vous devrez utiliser pour tirer un
courant de 0,5 A de quatre piles C en série. Il se pourrait que vous ayez à utiliser une association de
résistances pour obtenir cette valeur. Il faudra aussi vous assurer que la puissance dissipée par les
résistances ne dépasse pas leur capacité qui est de 5 ou de 10 W chacune. Si ce devait être le cas, les
résistances chaufferaient rapidement et pourraient même brûler.
La puissance qui peut être dissipée par une association de résistances peut être calculée de la même
manière que la résistance équivalente de cette association. Ainsi, deux résistances de 10 W placées en
série dissiperont un total de 20 W alors que si elles étaient placées en parallèle, elles ne pourraient
dissiper que 5 W.
Nous vous suggérons aussi de mesurer précisément la tension fournie par chacune des piles et la valeur
exacte des résistances que vous utiliserez. Il se pourrait qu’il vous soit difficile d’obtenir un courant
d’exactement 0,5 A dans ces conditions. Nous considérerons donc qu’un courant situé entre 0,45 et
0,55 A est acceptable.
Vous pouvez maintenant fabriquer votre électroaimant. Pour ce faire, vous devez enrouler le fil sur un
clou. Votre électroaimant devrait être le plus régulier possible et avoir une longueur d’au moins deux
fois le diamètre du cadran de votre boussole. De plus, vous pouvez fabriquer un électroaimant formé de
plusieurs couches si cela s’avère nécessaire. Finalement, pour que votre galvanomètre fonctionne
correctement, vous devez prendre soin de placer la boussole vis-à-vis du centre de votre électroaimant.
Lorsque vous essayez votre électroaimant, prenez bien soin de noter à quelle distance de la boussole
vous le placez, le nombre de spires qu’il comporte, le nombre de couches que vous avez fait et le
déplacement de l’aiguille correspondant sur la feuille qui vous est fournie à cet effet. Il se pourrait que
vous n’ayez qu’à déplacer légèrement votre électroaimant pour obtenir le résultat recherché.
Lorsque vous faites vos essais, il se pourrait que le clou que vous utilisez devienne aimanté, ce qui
fausserait vos résultats. Il vous faudra alors, sortir le clou de l’électroaimant et le réinsérer dans le sens
contraire. Après un certain temps, vous devrez tout simplement changer de clou.
Lorsque vous avez atteint le but fixé, vous pouvez coller votre solénoïde avec du ruban électrique pour
éviter qu’il ne se défasse lorsque vous le manipuler. Enfin, vous devez faire approuver votre
électroaimant par votre enseignante ou enseignant.
Étape 1 : Fabrication d’un électroaimant
2
Pour être au courant
Notes de travail
Équipe : _______
Équipier 1 : _____________________________ Équipier 2 : _____________________________
Tension fournie par les piles
Pile
Tension fournie (V)
Quelle est l’expression permettant de calculer la tension
équivalente d’une association de piles en série?
1
________________________________________________________
2
Calculs
3
4
Tension totale : __________
Résistance à utiliser
Quelle est l’expression permettant de
calculer la valeur d’une résistance
lorsqu’on connaît l’intensité du courant y
circulant et la différence de potentiel à ses
bornes?
Calculs
_____________________________________
Résistance nécessaire : _____________
Puissance qui sera dissipée par cette résistance
Quelle est l’expression permettant de
calculer la puissance dissipée par une
résistance lorsqu’on connaît l’intensité du
courant y circulant?
Calculs
_____________________________________
Puissance dissipée : ________________
Étape 1 : Fabrication d’un électroaimant
3
Pour être au courant
Association de résistances
Schéma (numérotez vos résistances)
Résistances utilisées
No
Valeur (Ω )
Calcul de la résistance équivalente
Puissance
supportée (W)
1
2
3
4
5
6
Calcul de la puissance équivalente
7
8
9
10
Résistance équivalente : ________________
Puissance équivalente : _________________
Étape 1 : Fabrication d’un électroaimant
4
Pour être au courant
La puissance équivalente supportée par cette association de résistances est-elle inférieure, égale ou
supérieure à la puissance qui sera dissipée?
___________________________________
Si elle est inférieure, quelle(s) modification(s) pouvez-vous apporter à votre association de résistances
pour qu’elle devienne supérieure ou égale?
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________________________
Intensité du courant
Quelle devrait être l’intensité du courant
circulant dans cette association de résistances?
Calculs
____________________________________
Quelle est-elle en réalité, telle que mesurée à
l’aide d’un ampèremètre ou d’un multimètre?
____________________________________
Pourquoi la valeur mesurée diffère-t-elle de la valeur prévue par calcul?
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
Étape 1 : Fabrication d’un électroaimant
5
Pour être au courant
Essai de l’électroaimant
Équipe : _______
Équipier 1 : _____________________________ Équipier 2 : _____________________________
Essai no : ___________
Longueur de l’électroaimant : __________
Plus de 2 fois le diamètre de la boussole? † oui † non
Nombre de spires : __________
Nombre de couches : __________
Distance entre l’électroaimant et la boussole : ____________
Intensité du courant utilisé : _____________
Déplacement de l’aiguille : _____________
Moins de 3 cm? † oui † non
Entre 0,45 et 0,55 A? † oui † non
Plus de 70°? † oui † non
Le résultat recherché est-il atteint? † oui † non
Si le résultat recherché n'est pas atteint, que devrez-vous faire pour y parvenir?
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
Étape 1 : Fabrication d’un électroaimant
6
Pour être au courant
Étape 2 : Construction du galvanomètre
Consignes
Concepts abordés
O.T. 2.1 : construction d’un instrument de mesure
But
Construire un galvanomètre fonctionnel.
Matériel
♦ matériel de l’étape 1
♦ électroaimant fabriqué à l’étape 1
♦ association de résistances fabriquée à l’étape 1
♦ tournevis
♦ colle contact
♦ règle de 30 cm
♦ planche de bois mou (ex. : pin) verni d’environ 20 cm
X 30 cm X 1,5 cm
♦ 2 pinces alligator avec gaine isolante (1 rouge et 1
noire)
♦ petits clous en acier non
galvanisé
♦ équerre
♦ papier quadrillé
♦ compas
♦ marteau
♦ fixations à tuyau en cuivre
Matériel facultatif
♦ fer à souder
♦ étain
♦ pâte à souder
♦ vis
Mission
Pour cette deuxième étape, vous devrez produire un plan de votre galvanomètre et le construire.
Pistes
Afin qu’il soit plus facile d’utilisation, votre galvanomètre sera monté sur une planche de bois. Avant de
vous lancer dans sa construction, vous devrez d’abord en dessiner un plan à l’échelle sur du papier
quadrillé en suivant les instructions qui suivent. Votre plan devra comporter au moins les éléments
suivants :
♦ boussole
♦ électroaimant
♦ fils
Étape 2 : Construction du galvanomètre
1
Pour être au courant
♦ résistances
♦ points de connexion
À un bout de la planche, coller la boussole. Elle doit être placée à 5 cm du bord de la planche, centrée
par rapport à la largeur de cette dernière. L’axe Est-Ouest de la boussole devra être parallèle à
l’extrémité de la planche. Vous devrez donc, pour prendre une mesure, tourner votre montage pour
que l’aiguille pointe dans la direction du Nord de la boussole.
Ensuite, il vous faudra fixer votre électroaimant à la planche à l’aide de fixations en cuivre en
respectant la distance à la boussole que vous avez déterminée à l’étape 1. Il devra être parallèle à
l’axe Est-Ouest de la boussole. Il faudra aussi qu’il soit fixé de telle manière que vous puissiez retirer le
noyau de votre électroaimant facilement, sans abîmer le solénoïde.
Vous devez maintenant fixer votre association de résistances à la planche. Pour obtenir des connexions
plus solides, vous pouvez enfoncer de petits clous dans la planche qui vous serviront à faire les
branchements entre les résistances et avec les fils (voir la figure 1). Pour ce faire, vous n’avez alors
qu’à enrouler les fils autour d’un clou. Vous pouvez aussi, si le matériel vous est fourni, souder les
connexions pour plus de solidité.
Figure 1 Connexion autour d’un clou
Coupez deux bouts de fil de 30 cm de longueur. Vous fixerez, à l’une de leurs extrémités, une pince
alligator que vous pouvez souder en place si le matériel nécessaire est disponible. Lorsque ce sera fait,
il vous faudra faire le branchement des extrémités libres de ces fils aux endroits appropriés et que vous
indiquerez sur votre plan.
Figure 2 Un galvanomètre déjà monté
Étape 2 : Construction du galvanomètre
2
Pour être au courant
Étape 3 : Étalonnage et évaluation des qualités
Consignes
Concepts abordés
O.T. 2.1 : variables caractéristiques en électricité, construction et sensibilité d’un instrument de
mesure
O.T. 2.3 : loi d’Ohm, qualités d’un instrument de mesure
O.T. 2.4 : voltage, intensité du courant, notion de courant électrique, unité de charge et de courant
électrique, concept de différence de potentiel
But
Étalonner le galvanomètre construit à l’étape 2 et évaluer ses qualités.
Matériel
♦ galvanomètre construit à l’étape 2
♦ papier épais ou carton de bricolage
♦
♦
♦
♦
punaises ou gommette
source de tension continue variable
ampèremètre ou multimètre
ciseaux
♦ règle
♦ compas
Mission
Pour cette troisième étape, vous devrez graduer votre galvanomètre et évaluer ses qualités.
Pistes
Dans un morceau de papier épais ou de carton de bricolage, découpez la forme du cadran de la
boussole de votre galvanomètre. Fixez ce morceau sur votre galvanomètre à l’aide de punaises de
manière à pouvoir le graduer.
Branchez votre galvanomètre directement aux bornes de la source de tension variable éteinte. Placez
votre galvanomètre de manière à pouvoir effectuer des mesures (c’est-à-dire l’aiguille alignée avec le
Étape 3 : Étalonnage et évaluation des qualités
1
Pour être au courant
Nord de la boussole). Indiquez sur le papier fixé autour de la boussole la position de l’aiguille quand
aucun courant ne circule dans votre électroaimant.
Allumez la source de tension et ajustez la tension pour qu’un courant de 0,05 A circule dans votre
galvanomètre. Indiquez par un trait la position de l’aiguille de la boussole. Si votre aiguille s’est
déplacée vers la gauche, les courant seront négatifs, si elle se déplace vers la droite, ils seront positifs.
Augmentez la tension de manière à obtenir un courant de 0,1 A et indiquez la position de l’aiguille.
Continuez à augmenter le courant par saut de 0,05 A jusqu’à un courant de 0,5 A.
Ramenez la tension à 0 V et inversez les connexions aux bornes de la source. Étalonnez votre
galvanomètre en polarisation inverse de la même manière que précédemment.
Avant d’utiliser votre galvanomètre pour mesurer des courants, il est bon d’évaluer ses qualités qui
sont la fidélité, la sensibilité et la justesse.
Tout d’abord, votre instrument est-il fidèle? Répondez aux questions des pages 2 et 3 des notes de
travail.
Ensuite, votre instrument est-il sensible? Répondez aux questions des pages 3 et 4 des notes de travail.
Finalement, votre instrument est-il juste? Répondez aux questions des pages 4 et 5 des notes de travail.
Étape 3 : Étalonnage et évaluation des qualités
2
Pour être au courant
Notes de travail
Équipe : _______
Équipier 1 : _____________________________ Équipier 2 : _____________________________
Étalonnage du galvanomètre
Résistance interne de votre galvanomètre :
Étalonnage du galvanomètre
_________________________________________
Intensité du
courant (A)
Comment allez-vous calculer la tension à
appliquer aux bornes de votre galvanomètre
pour obtenir le courant recherché?
- 0,50
_________________________________________
- 0,40
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
- 0,35
- 0,30
- 0,25
- 0,20
- 0,15
_________________________________________
- 0,10
_________________________________________
Déplacement
de l’aiguille
(°)
- 0,45
_________________________________________
_________________________________________
Tension
correspondante
(V)
- 0,05
0,00
0,05
_________________________________________
0,10
Relation à utiliser : ________________________
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
Étape 3 : Étalonnage et évaluation des qualités
3
Pour être au courant
Fidélité de l’instrument
Qu’est-ce que la fidélité d’un instrument de mesure? __________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
Comment procéderez-vous pour évaluer la fidélité de votre galvanomètre? ________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
Résultats de vos manipulations
À la lumière de ces résultats, jugez-vous que votre galvanomètre est fidèle? _______________________
Quels pourraient être les facteurs influençant la fidélité de votre instrument? _____________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
Étape 3 : Étalonnage et évaluation des qualités
4
Pour être au courant
Comment pourriez-vous le rendre plus fidèle? _________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
Sensibilité de l’instrument
Qu’est-ce que la sensibilité d’un instrument de mesure? ________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
Comment procéderez-vous pour évaluer la sensibilité de votre galvanomètre? ______________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
Résultats de vos manipulations
Étape 3 : Étalonnage et évaluation des qualités
5
Pour être au courant
À la lumière de ces résultats, jugez-vous que votre galvanomètre est sensible? _____________________
Quels pourraient être les facteurs influençant la sensibilité de votre instrument? ___________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
Justesse de l’instrument
Qu’est-ce que la justesse d’un instrument de mesure? __________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
Comment procéderez-vous pour évaluer la justesse de votre galvanomètre? ________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
Résultats de vos manipulations
Étape 3 : Étalonnage et évaluation des qualités
6
Pour être au courant
À la lumière de ces résultats, jugez-vous que votre galvanomètre est juste? ________________________
Quels pourraient être les facteurs influençant la justesse de votre instrument? _____________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
Comment pourriez-vous le rendre plus juste? _________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
Étape 3 : Étalonnage et évaluation des qualités
7
Pour être au courant
Étape 4 : Mesure d’un courant
Consignes
Concepts abordés
O.T. 2.1 : variables caractéristiques en électricité
O.T. 2.3 : loi d’Ohm, résistance électrique de circuits en série, en parallèle et mixtes (unités, formules,
calculs, circuits), loi des courants et des tensions
O.T. 2.4 : voltage, intensité du courant, notion de courant électrique, unité de charge et de courant
électrique, concept de différence de potentiel
But
Utiliser le galvanomètre étalonné à l’étape 3 pour mesurer un courant électrique dans un circuit.
Matériel
♦ galvanomètre étalonné à l’étape 3
♦ ampèremètre ou multimètre
♦ résistances de puissance (5 et/ou 10 W) de 1 à 10 Ω
♦ plaquettes pour montage électrique
♦ source de tension continue variable
Mission
Pour cette quatrième étape, vous devrez utiliser votre galvanomètre pour mesurer un courant
électrique.
Pistes
Vous devez tout d’abord monter le premier circuit illustré dans vos notes de travail. Pour ce circuit,
vous devez mesurer l’intensité du courant électrique aux endroits indiqués à l’aide de votre
galvanomètre, de même qu’à l’aide d’un ampèremètre commercial. De plus, vous devez calculer quel
devrait être l’intensité du courant mesurée à chacun de ces endroits.
Ensuite, vous répétez ces mêmes manipulations sur les deux autres circuits.
Pour terminer, vous devez discuter vos résultats en répondant aux questions qui se trouvent à la page 4
de vos notes de travail.
Étape 4 : Mesure d’un courant
1
Pour être au courant
Notes de travail
Équipe : _______
Équipier 1 : _____________________________ Équipier 2 : _____________________________
Premier circuit
Schéma du circuit
De quel type de circuit s’agit-il? ________________
____________________________________________
Tableau des résultats
Mesure
Galvanomètre
maison (A)
Ampèremètre Prédiction
commercial par calcul
(A)
(A)
I1
I2
Calcul des courants
Étape 4 : Mesure d’un courant
2
Pour être au courant
Deuxième circuit
Schéma du circuit
De quel type de circuit s’agit-il? ________________
____________________________________________
Tableau des résultats
Galvanomètre
Mesure
maison (A)
Ampèremètre
Prédiction
commercial
par calcul (A)
(A)
I1
I2
I3
Calcul des courants
Étape 4 : Mesure d’un courant
3
Pour être au courant
Troisième circuit
Schéma du circuit
Tableau des résultats
Galvanomètre
Mesure
maison (A)
Ampèremètre
Prédiction
commercial
par calcul (A)
(A)
I1
I2
I3
I4
De quel type de circuit s’agit-il? _____________________________________________________________
Calcul des courants
Étape 4 : Mesure d’un courant
4
Pour être au courant
Discussion des résultats
Est-ce que les valeurs de courant mesurées avec votre galvanomètre sont proches des valeurs calculées
et de celles mesurées avec un ampèremètre commercial?
________________________________________________________________________________________
Si non, pour quelle(s) raison(s)? _____________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
Que pourriez-vous faire afin d’obtenir un meilleur instrument? __________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
________________________________________________________________________________________
Étape 4 : Mesure d’un courant
5
Pour être au courant
Étape 5 : Rédaction d’un rappor t
Consignes
But
Rédiger un rapport afin de communiquer les résultats de vos manipulations.
Éléments de présentation du rapport
Page titre
On doit retrouver, sur la page titre, les renseignements suivants :
♦ Nom et numéro du cours;
♦ Année scolaire et étape en cours;
♦ Titre de l’expérience;
♦ Noms des auteurs;
♦ Dates de chacune des étapes de l’expérience;
♦ Date de la remise du rapport.
Introduction
L’introduction sert à préciser le but de l’expérience et à présenter le sujet de l’étude expérimentale.
Théorie
Il s’agit d’un exposé court des éléments essentiels de la théorie qui présente les relations utiles à la
compréhension du rapport.
Méthodes expérimentales
Présentation du montage expérimental (illustration à l’aide d’un schéma et commentaires sur le choix
du montage) et du matériel utilisé en cours d’expérience. Présentation de la méthodologie
(identification claire des étapes à effectuer et justification des manipulations et de l’ordre suivi).
Résultats expérimentaux
Identification claire des observations et résultats propres à chaque série de mesures effectuées.
Présentation des résultats sous forme de tableaux. Traitement des données (tout calcul doit être placé
en annexe).
Étape 5 : Rédaction d’un rapport
1
Pour être au courant
Discussion
Analyse rigoureuse des résultats. Comparaison des résultats avec ce qui est prédit par la théorie. En
cas de désaccord, proposez une explication. Discuter de la validité et de la fiabilité des résultats.
Conclusion
Résumé des grandes lignes du travail expérimental accompli et exposé commenté des principales
réalisations, observations et résultats obtenus. Suggestions de modifications au montage expérimental.
Proposition d’une méthodologie différente. Opinions personnelles pertinentes.
Annexe
On y relègue ce qui n’est pas indispensable à la compréhension du texte : exemples de calcul, etc. Vous
devrez aussi y joindre toutes vos notes de travail.
Contenu du rapport
Votre rapport doit obligatoirement contenir les éléments suivants :
♦
♦
♦
♦
schéma de l’instrument;
liste des composants de l’instrument;
description des méthodes de construction utilisées;
description des difficultés rencontrées au cours de l’activité;
♦ description des moyens utilisés pour surmonter ces difficultés;
♦ description de l’évaluation expérimentale de l’appareil de mesure.
L’essentiel du contenu de votre rapport se trouve dans vos notes de travail de chacune des étapes, il
vous suffit de faire une synthèse de vos manipulations et de vos résultats. Vous devriez fournir des
éléments de réponse aux questions suivantes :
♦ Comment avez-vous procédé lors de la construction de votre galvanomètre? Quelles sont ses
caractéristiques physiques?
♦ Votre instrument rencontre-t-il les exigences énoncées au tout début de l’activité?
♦ Quelles sont les qualités de votre instrument? Quelles sont ses faiblesses? Quels moyens peuvent
être pris pour l’améliorer?
♦ Votre galvanomètre vous a-t-il permis de vérifier des calculs théoriques de courant dans
différents circuits? Pourquoi?
Un élève qui n’a jamais construit de galvanomètre devrait être en mesure d’en construire un sans avoir
à consulter d’autres documents que votre rapport. Il se doit donc d’être détaillé et complet, tout en
étant concis.
Étape 5 : Rédaction d’un rapport
2
Pour être au courant
Guide du maître
But de l’activité
Cette activité a pour but principal de permettre à l’élève d'atteindre l'objectif terminal 1 du module 2
qui est de mesurer une variable d'un circuit électrique à l'aide d'un instrument qu’il a construit.
L'activité lui permettra aussi de consolider ses apprentissages des objectifs terminaux 2.2 à 2.4.
Description de l’activité
Au cours de cette activité, l’élève fabriquera un galvanomètre en utilisant les connaissances qu’il a
acquises au cours de son étude de l’électricité et du magnétisme. Cela se fera par le biais d’une
activité d’intégration qui portera sur une partie du contenu des objectifs terminaux 2.1 à 2.4. De plus,
il lui sera possible d’utiliser des notions vues lors du cours d’Initiation à la technologie de 3e
secondaire. Ce galvanomètre pourra par la suite être utilisé pour mesurer un courant et vérifier la loi
d’Ohm. Il sera alors possible de vérifier la fiabilité, la précision et la sensibilité de l’appareil et de
l’améliorer si le besoin s’en fait sentir.
Pour obtenir plus d’information au sujet du galvanomètre qui sera construit au cours de cette activité,
vous pouvez consulter le texte Principe de fonctionnement du galvanomètre simple.
Déroulement de l’activité
1. Fabrication d’un électroaimant
2. Construction du galvanomètre
3. Étalonnage et évaluation des qualités
4. Mesure d’un courant
5. Rédaction d’un rapport
Note : Chaque étape, sauf la dernière, nécessite une période de 75 minutes.
Présentation de ce document
Ce document tente de faciliter la réalisation de l’activité. Il fournit des conseils pratiques et des
solutions à certains problèmes qui peuvent être rencontrés en cours d’activité. De plus, vous trouverez
Guide du maître
1
Pour être au courant
à la fin du document, une description détaillée d’un galvanomètre qui a été fabriqué lors de
l’élaboration de cette activité. Tout au long de ce document, les points critiques à considérer sont
indiqués en orange.
Si toutefois il ne répondait pas à toutes vos interrogations ou si vous rencontriez des problèmes que ne
sont pas considérés dans le présent document, vous pouvez nous contacter par courrier électronique à
cette adresse : [email protected]. Aussi, n’hésitez pas à nous faire parvenir vos commentaires et
suggestions à propos de cette activité à cette même adresse.
Matériel nécessaire
(pour chaque équipe de deux élèves; les chiffres entre parenthèses indiquent l’étape au cours de
laquelle ce matériel est utilisé)
♦ fil électrique solide isolé de calibre 22 (1, 2)
Servira à la fabrication du galvanomètre.
Le fil utilisé peut avoir une gaine de caoutchouc ou être laqué.
Il faudra prévoir quelques mètres de fil par équipe.
Il serait préférable de conseiller aux élèves de ne pas couper le fil tant que leur
électroaimant ne répondra pas aux critères fixés, cela permettra d’économiser du fil.
L’utilisation du fil solide est privilégiée parce qu’il est plus facile à dégainer.
♦ clous en acier non galvanisé ou en fer doux de différentes grosseurs et longueurs (1)
Servira à la fabrication du galvanomètre.
Afin de pouvoir fabriquer un électroaimant suffisamment fort, le clou utilisé doit être assez
long et assez gros.
Il est conseillé d’avoir à votre disposition des clous supplémentaires au cas où certains
devraient être remplacés après avoir été aimantés.
♦ 4 piles alcalines C (1)
Serviront de source lors de la construction de l’électroaimant.
Peuvent être remplacées par une source de tension continue ajustable.
Il faudrait vérifier que les piles utilisées produisent bien une tension d’environ 1,5 V. Si ce
n’est pas le cas, les élèves pourraient rencontrer des difficultés.
♦ boussole à cadre non métallique (1, 2)
Servira à la fabrication du galvanomètre.
Il est bien important que le cadre de la boussole ne puisse pas être
aimanté.
♦ pinces à couper (1, 2)
♦ ruban électrique (1)
Permettra d’éviter que le solénoïde ne se défasse.
Guide du maître
2
Pour être au courant
♦ voltmètre, ampèremètre et ohmmètre ou multimètre (1, 3, 4)
Serviront à l’étalonnage du galvanomètre de même qu’à la vérification des variables
électriques considérées.
♦ résistances de 5 et 10 W de 1 à 10 Ω (1, 4)
Permettront de maintenir le courant parcourant l’électroaimant à un niveau acceptable.
Serviront aussi au montage des circuits qui seront testés.
Les résistances doivent pouvoir supporter un courant suffisamment intense (environ 0,5 A),
c’est pourquoi les résistances de puissance sont suggérées.
♦ support pour 4 piles C (1)
Facilite la manipulation des piles en série.
N’est pas nécessaire si les piles sont remplacées par une source de tension continue.
♦ planche de bois mou (ex. : pin) verni d’environ 20 cm X 30 cm X 1,5 cm (2)
Servira de support au montage du galvanomètre.
Tout autre support suffisamment grand et sur lequel le matériel pourra être fixé fera aussi
bien l’affaire.
♦ 2 pinces alligator avec gaine isolante (1 rouge et 1 noire) (2, 3, 4)
Faciliteront les mesures de courant.
♦ petits clous en acier non galvanisé (2)
Permettront d’effectuer les branchements sur le montage du galvanomètre.
♦ marteau (2)
♦ fixations à tuyau en cuivre (2)
Permettront de fixer l’électroaimant au montage.
Vous devrez disposer de différentes dimensions de fixations afin
d’accommoder toutes les grosseurs d’électroaimant possibles.
Toute autre fixation qui ne sera pas aimantée par le champ magnétique de l’électroaimant
conviendra.
♦ vis (2)
♦ tournevis (2)
♦ colle contact (2)
La colle contact est probablement le meilleur moyen de fixer solidement la boussole au
montage.
♦ règle de 30 cm (2, 3)
♦ équerre (2)
Guide du maître
3
Pour être au courant
♦ papier quadrillé(2)
♦ papier épais ou carton de bricolage (3)
Permettra d’étalonner le galvanomètre.
♦ punaises ou gommette (3)
Serviront à fixer le carton de calibration du galvanomètre.
♦ source de tension continue variable (3, 4)
♦ ciseaux (3)
♦ compas (3)
Sera utile pour reproduire la forme de la boussole si elle est ronde.
♦ plaquettes pour montage électrique (4)
Permettra de monter les circuits à tester.
Matériel facultatif
Ce matériel servira à la fabrication d’un montage permanent si désiré. Il faudra vous assurer que son
utilisation est faite de manière sécuritaire.
♦ fer à souder (2)
♦ étain (2)
♦ pâte à souder (2)
L’activité étape par étape
Étape 1 : Fabrication d’un électroaimant
Au cours de cette étape, l’élève devra fabriquer un électroaimant qui entrera dans la construction du
galvanomètre. Cet électroaimant doit répondre à certains critères : sa longueur doit correspondre à au
moins deux fois le diamètre de la boussole, il doit provoquer une déviation de l’aiguille de la boussole
de plus de 70° lorsqu’un courant de 0,5 A y circule et lorsqu’il est placé à moins de 3 cm de la
boussole.
L’élève devra d’abord déterminer quelque grandeur de résistance lui permettra d’obtenir un courant
d’environ 0,5 A pour une tension d’environ 6 V. Il faudra donc qu’il applique la loi d’Ohm dans ses
calculs. La résistance calculée devra probablement être obtenue grâce à une association de résistances.
L’élève doit donc être en mesure de calculer la résistance équivalente d’une association de résistances.
Étant donné la difficulté d’obtenir en pratique une résistance de grandeur exactement égale à la valeur
calculée, nous jugeons correcte l’obtention d’un courant dont l’intensité se situe entre 0,45 et 0,55 A.
Guide du maître
4
Pour être au courant
En plus de consolider ses acquis, l’élève apprendra à calculer la puissance qui peut être dissipée par
une association de résistances sans que celles-ci ne brûlent. Cette étape est très importante, ses
résultats auront des répercussions sur toute la suite de l’activité.
Étape 2 : Construction du galvanomètre
Lors de cette étape, l’élève doit dessiner le plan détaillé de son galvanomètre et ensuite en effectuer
le montage. Il pourra alors mettre à profit des aptitudes qu’il devrait avoir acquises lors de son cours
d’Initiation à la technologie de 3e secondaire.
Cette étape peut nécessiter moins d’une période de 75 minutes.
Étape 3 : Étalonnage et évaluation des qualités
À cette étape, l’élève doit étalonner son galvanomètre de manière à être en mesure d’effectuer une
mesure de courant. C’est aussi à ce moment qu’il se familiarisera avec l’utilisation de son appareil.
L’aimantation du noyau de l’électroaimant devient ici un véritable problème. Il faut donc que l’élève
prenne bien soin d’en inverser l’orientation fréquemment. L’élève devra d’ailleurs tenir compte de cet
élément lors de l’évaluation des qualités de son galvanomètre.
Étape 4 : Mesure d’un courant
Au cours de cette dernière étape d’expérimentation, l’élève aura à effectuer des mesures de courant à
l’aide du galvanomètre qu’il aura construit. Il comparera les résultats ainsi obtenus aux résultats
obtenus à l’aide d’un ampèremètre commercial. Aussi, l’élève devra d’abord prédire les résultats
obtenus en faisant les calculs nécessaires. Encore une fois, l’orientation du clou formant le noyau de
l’électroaimant devra être inversée fréquemment afin que les mesures soient les plus justes possibles.
Étape 5 : Rédaction d’un rapport
Cette dernière étape consiste en la communication des résultats expérimentaux sous la forme d’un
rapport. La rédaction d’un rapport constitue une étape primordiale de tout travail expérimental, elle
doit donc être considérée avec minutie. Cette importance devrait être soulignée à l’élève.
La rédaction du rapport peut être écourtée en négligeant la section Théorie, qui se résume à la
présentation des relations utilisées, et en substituant les notes de travail à la section Résultats
expérimentaux. La partie la plus importante de tout rapport d’expérience est celle où les résultats sont
discutés.
Description d’un galvanomètre fonctionnel
Au cours de l’élaboration de cette activité, l’auteure a fabriqué un galvanomètre. En voici les
caractéristiques. Elles pourront vous guider.
Guide du maître
5
Pour être au courant
Électroaimant
♦ Longueur du solénoïde : 11,1 cm
♦ Longueur du noyau : 15,5 cm
♦ Diamètre du noyau : 7 mm
♦ Nombre de spires : environ 144
♦ Nombre de couches de spires : 2
♦ Distance à la boussole : 2 mm
Résistance utilisée
♦ Valeur : 13 Ω
♦ Puissance supportée : 10 W
Autres caractéristiques
Déplacement de l’aiguille de la boussole pour un courant de 0,5 A : 83°
Éléments d’évaluation
Tout au long de l’activité, l’élève pourra être évalué sur son comportement en laboratoire, sa
compréhension des manipulations à effectuer, son esprit d’initiative en cas de problème, son
autonomie et son aptitude au travail d’équipe. La justesse des calculs effectués aux étapes 1, 3 et 4
peut aussi être évaluée. Finalement, le rapport peut constituer un dernier élément d’évaluation.
Où trouver le matériel
Certains objets utilisés dans le cadre de cette activité ne sont habituellement pas accessibles dans une
classe de laboratoire. La liste ci-dessous vous permettra de trouver tout ce qu’il faut pour rendre la
réalisation de l’activité possible.
Gros clou : centre de rénovation ou quincaillerie
Résistance de puissance, support pour piles, pince alligator : magasin de matériel électronique (ex. :
Maddisson, RadioShack)
Les résistances de puissance sont vendues sous le nom anglais de wirewound resistor. Puisqu’elles sont
dispendieuses à l’unité (environ 1$), il est préférable de les acheter en gros.
Guide du maître
6
Pour être au courant
Boussole : magasin de matériel pour les sports d’extérieur, pour la chasse ou pour la pêche
Fixation à tuyau de cuivre : centre de rénovation, quincaillerie, distributeur de matériel de plomberie
Documents complémentaires
Vous devriez consulter les documents suivants avant d’entreprendre cette activité avec vos élèves :
♦ texte intitulé Principe de fonctionnement du galvanomètre simple;
♦ consignes des étapes 1 à 5;
♦ notes de travail des élèves des étapes 1, 3 et 4.
Éléments de réponse pour les notes de travail
Étape 1 : Fabrication d’un électroaimant
Tension fournie par les piles
Supposons que les quatre piles fournissent respectivement une tension U1, U2, U3 et U4. Si ces piles sont
branchées en série, la tension résultante sera
U résultante = U1 + U 2 + U 3 + U 4 .
Il suffit donc d’additionner la tension fournie par chaque pile pour déterminer la tension équivalente
d’une association de piles en série.
Si les piles fournissent chacune une tension de 1,45 V, la tension totale qu’elles fournissent lorsque
branchées en série est de :
U1 = U 2 = U 3 = U 4 = U = 1,45 V
U résultante = 4U
U résultante = 4 × 1,45 V
U résultante = 5,8 V
Résistance à utiliser
L’expression à utiliser pour déterminer la valeur de la résistance qui devra entrer dans la fabrication du
galvanomètre est la loi d’Ohm :
U = RI
U
R=
I
Guide du maître
7
Pour être au courant
Si les piles fournissent une tension totale de 5,8 V, et que le courant recherché est de 0,5 A, la
résistance à utiliser doit avoir une valeur qui est calculée comme suit.
U = 5,8 V et I = 0,5 A
U
I
5,8 V
R=
0,5 A
R = 11,6 Ω
R=
La résistance à utiliser, dans ces conditions, est de 11,6 Ω.
Puissance qui sera dissipée par cette résistance
Il existe différentes expressions qui permettent de calculer la puissance qui est dissipée par une
résistance.
P = UI
P = RI 2
P=
U2
R
Pour des valeurs données de tension, de résistance et d’intensité de courant, ces différentes
expressions donneront le même résultat. Dans le cas considéré ici, la puissance électrique se calculera
de la façon suivante.
U = 5,8 V et I = 0,5 A
P = UI
P = 5,8 V × 0,5 A
P = 2,9 W
La résistance ou l’association de résistances qui entrera dans la fabrication du galvanomètre devra donc
être en mesure de supporter cette puissance sans brûler.
Association de résistances
Pour obtenir une résistance équivalente de 11,6 Ω il est possible de réaliser l’association de résistances
illustrée ci-dessous.
Guide du maître
8
Pour être au courant
La résistance équivalente du groupe de résistances branchées en parallèle (résistances 3, 4 et 5) est :
R3 = 3 Ω, R 4 = 1 Ω et R5 = 3 Ω
1
1
1
1
=
+
+
R éq R 3 R 4 R5
1
1
1
1
=
+
+
R éq 3 Ω 1 Ω 3 Ω
1
= 1, 6
R éq
1
Ω
Réq = 0,6 Ω
La résistance totale de l’association de résistances est donc :
R1 = 10 Ω, R 2 = 1 Ω et R éq = 0,6 Ω
R totale = R1 + R 2 + R éq
R totale = 10 Ω + 1 Ω + 0,6 Ω
R totale = 11,6 Ω
ce qui est exactement le résultat recherché.
La puissance supportée par cette association de résistances peut être calculée de façon similaire. Si
chacune des résistances utilisées dans l’association peut supporter une puissance de 5 W, la puissance
supportée par l’association complète est donc de 11,67 W. Cette valeur est nettement suffisante pour
supporter la puissance dissipée prévue de 2,9 W.
Intensité du courant
Puisque nous avons réussi à produire une association de résistances ayant une résistance équivalente
d’exactement 11,6 Ω, l’intensité du courant circulant dans le circuit devrait être d’exactement 0,5 A.
Cependant, les valeurs de résistances utilisées dans le calcul sont des valeurs nominales, et non
exactes, ce qui faussent légèrement les calculs. C’est pourquoi l’intensité du courant mesurée à l’aide
d’un ampèremètre ou d’un multimètre diffère de celle qui est calculée.
Étape 3 : Étalonnage et évaluation des qualités
Étalonnage du galvanomètre
La résistance interne du galvanomètre est la résistance équivalente de l’association de résistances
construite à l’étape 1.
La tension à appliquer aux bornes du galvanomètre pour chacune des valeurs d’intensité de courant
peut être calculée à l’aide de la loi d’Ohm, ainsi :
U = Ri I
Guide du maître
9
Pour être au courant
où Ri est la résistance interne du galvanomètre.
Fidélité de l’instrument
Un instrument qui est fidèle fournit des valeurs rapprochées les unes des autres lors de mesures
subséquentes d’une grandeur physique constante. Pour vérifier si le galvanomètre fabriqué est fidèle, il
suffit de mesurer plusieurs fois une intensité de courant fixée. Si les mesures sont rapprochées, on
pourra dire que l’instrument est fidèle.
Le facteur ayant le plus grand impact sur la fidélité du galvanomètre est l’aimantation du noyau de
l’électroaimant. De plus, la mesure de courant effectuée à l’aide de ce galvanomètre dépend de
l’orientation de celui-ci. Si l’appareil est déplacé d’une mesure à l’autre, cela peut modifier la valeur
mesurée.
Ainsi, pour rendre le galvanomètre construit plus fidèle, il faudra veiller à changer l’orientation du
noyau de l’électroaimant fréquemment pour éviter qu’il soit aimanté. Il faudra aussi s’assurer que
l’orientation du galvanomètre est bien correcte avant d’effectuer une mesure.
Sensibilité de l’instrument
Un instrument de mesure est sensible si la valeur indiquée varie beaucoup pour une variation donnée de
la grandeur mesurée. Pour évaluer la sensibilité du galvanomètre construit, on peut tenter de
déterminer qu’elle est la variation de l’intensité de courant qui change l’orientation de l’aiguille de la
boussole de manière notable.
Le facteur influençant la sensibilité du galvanomètre est l’électroaimant utilisé. Plus ce dernier
comportera un nombre élevé de spires, plus le courant nécessaire pour produire un champ magnétique
d’une intensité donnée sera petit. Ainsi, si l’électroaimant comporte plus de spires, le courant
nécessaire pour que l’aiguille de la boussole se déplace sera moins important.
Donc, pour rendre le galvanomètre plus sensible, il faudrait remplacer l’électroaimant par un autre plus
imposant.
Justesse de l’instrument
Un instrument est juste si l’erreur systématique sur la mesure est faible. Il est possible de vérifier la
justesse du galvanomètre construit en comparant le résultat d’une mesure à celle obtenue à l’aide d’un
ampèremètre ou d’un multimètre commercial.
Les facteurs ayant une influence sur la justesse de l’appareil sont les mêmes que pour sa fidélité, soit
l’aimantation du noyau de l’électroaimant et l’orientation du galvanomètre. Si l’orientation de départ
du galvanomètre n’est pas la bonne (l’aiguille de la boussole ne pointe pas exactement vers le Nord),
cela introduira une erreur sur toute mesure qui sera effectuée. De plus, si le noyau de l’électroaimant
est aimanté, l’orientation de l’aiguille de la boussole sera modifiée, ce qui faussera les mesures.
Guide du maître
10
Pour être au courant
Les actions à poser pour rendre le galvanomètre plus juste sont les mêmes que celles concernant sa
fidélité.
Étape 4 : Mesure d’un courant
Premier circuit
Il s’agit ici d’un circuit en série. La résistance équivalente de ce circuit est calculée comme suit :
R1 = 3 Ω, R 2 = 5 Ω et R 3 = 2 Ω
R éq = R1 + R 2 + R3
Réq = 3 Ω + 5 Ω + 2 Ω
R éq = 10 Ω
En utilisant la loi d’Ohm et connaissant la tension appliquée aux bornes du circuit, il est possible de
calculer l’intensité du courant circulant dans le circuit.
R = 10 Ω et U = 1,5 V
U = RI
U
I=
R
1,5 V
I=
10 Ω
I = 0,15 A
Aussi, puisque le courant doit être conservé, son intensité sera la même en tout point du circuit.
Deuxième circuit
Il s’agit dans ce cas-ci d’un circuit en parallèle. Sa résistance équivalente est donc :
R1 = 10 Ω et R 2 = R3 = 20 Ω
1
1
1
1
=
+
+
R éq R1 R 2 R3
1
1
1
1
=
+
+
R éq 10 Ω 20 Ω 20 Ω
1
= 0,2
R éq
1
Ω
R éq = 5 Ω
Connaissant cette valeur, il est maintenant possible de calculer I3.
Guide du maître
11
Pour être au courant
R éq = 5 Ω et U = 2 V
U = R éq I 3
I3 =
U
R éq
2V
5Ω
I 3 = 0,4 A
I3 =
Il est ensuite possible de calculer les courants I1 et I2 en tenant compte que la tension aux bornes de
chacune des résistances est de 2 V.
R1 = 10 Ω et U = 2 V
U
I1 =
R1
2V
I1 =
10 Ω
I1 = 0,2 A
R3 = 20 Ω et U = 2 V
U
I2 =
R3
2V
I2 =
20 Ω
I 2 = 0,1 A
Troisième circuit
Ce circuit est de type mixte, puisqu’il comporte des agencements de résistances en parallèle et en
série. Il faut donc procéder par étapes afin d’obtenir toutes les données recherchées.
Calculons tout d’abord la résistance équivalente du circuit et le courant I1.
Résistances en parallèle
R 2 = 5 Ω et R 3 = 20 Ω
1
1
1
=
+
R 23 R 2 R3
1
1
1
=
+
R 23 5 Ω 20 Ω
1
= 0,25 Ω1
R23
R 23 = 4 Ω
Guide du maître
12
Pour être au courant
Résistances en série
R1 = 7 Ω, R 23 = 4 Ω et R 4 = 3 Ω
R éq = R1 + R 23 + R 4
R éq = 7 Ω + 4 Ω + 3 Ω
R éq = 14 Ω
Courant parcourant le circuit
R éq = 14 Ω et U = 4 V
I1 =
U
R éq
4V
14 Ω
I1 = 0,286 A
I1 =
Puisqu’il y a conservation du courant, l’intensité du courant sortant de la pile et de celui en sortant est
la même.
I 4 = I1 = 0,286 A
Il est maintenant possible de calculer les courants qui circulent dans les deux résistances branchées en
parallèle. Il faut d’abord calculer la différence de potentiel se trouvant entre les bornes des
résistances.
I1 = 0,286 A et R 23 = 4 Ω
U 23
U 23 = R 23 I1
= 4 Ω × 0,286 A
U 23 = 1,144 V
Connaissant maintenant la tension aux bornes des résistances R2 et R3, nous pouvons maintenant
calculer l’intensité du courant les parcourant.
R 2 = 5 Ω et U 23 = 1,144 V
U 23
R2
1,144 V
I2 =
5Ω
I 2 = 0,2288 A
I2 =
Guide du maître
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Pour être au courant
R 3 = 20 Ω et U 23 = 1,144 V
U 23
R3
1,144 V
I3 =
20 Ω
I 3 = 0,0572 A
I3 =
Discussion des résultats
Les mesures d’intensité du courant obtenues à l’aide du galvanomètre construit dans le cadre de cette
activité ne devraient pas être proches des valeurs calculées ou mesurées avec un ampèremètre
commercial. Cela est attribuable à la résistance interne du galvanomètre qui est grande par rapport aux
résistances utilisées dans les circuits. Ainsi, lorsque le galvanomètre est introduit dans un circuit, il a un
grand impact sur celui-ci. C’est pourquoi un bon ampèremètre doit avoir une résistance interne la plus
petite possible. Ainsi, lorsqu’il est introduit en série dans un circuit, il n’en modifie pas la résistance
équivalente et par le fait même il ne fausse pas le résultat des mesures.
Pour améliorer l’appareil, il faudrait donc diminuer sa résistance interne, ce qui le rendrait inutilisable,
puisque le courant parcourant l’électroaimant serait très intense, à moins d’utiliser des différences de
potentiel très basses.
Guide du maître
14