Physique-chimie · 4ème · L'Électricité : Lois des Circuits · 2e Trimestre

Loi d'additivité des intensités

Les élèves appliquent la loi des nœuds pour l'intensité du courant dans les circuits en dérivation.

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• MEN: Cycle 4 - Lois des circuits

À propos de ce thème

La loi d'additivité des intensités (loi des noeuds) est un pilier de l'analyse des circuits en dérivation. Elle stipule que l'intensité du courant entrant dans un noeud est égale à la somme des intensités sortantes. Les élèves de 4ème apprennent à mesurer l'intensité avec un ampèremètre branché en série et à vérifier cette loi par l'expérience.

Ce chapitre s'inscrit dans la progression du Cycle 4 de l'Éducation nationale, où les élèves passent de l'observation qualitative des circuits à l'exploitation quantitative de mesures. La loi des noeuds est liée à la conservation de la charge électrique, un principe fondamental que les élèves abordent sans formalisme mathématique excessif mais avec rigueur expérimentale.

Les activités de mesure collaborative, où chaque binôme prend en charge un point de mesure différent dans le même circuit, permettent de mutualiser les données et de vérifier collectivement la loi, tout en développant la rigueur dans l'utilisation des instruments.

Questions clés

1. Expliquez la loi des nœuds pour l'intensité du courant.
2. Calculez l'intensité du courant dans les branches d'un circuit en dérivation.
3. Justifiez la conservation de l'intensité dans un circuit en série.

Objectifs d'apprentissage

• Expliquer la loi des nœuds en termes de conservation de l'intensité du courant au niveau d'un point de branchement.
• Calculer l'intensité totale du courant dans un circuit en dérivation à partir des intensités dans chaque branche.
• Comparer expérimentalement l'intensité du courant avant et après un nœud dans un circuit en dérivation.
• Identifier les branches d'un circuit en dérivation où l'intensité du courant sera la plus faible ou la plus forte en fonction de la résistance (si abordée en prérequis).

Avant de commencer

Circuit en série : Intensité

Pourquoi : Les élèves doivent comprendre que l'intensité est la même en tout point d'un circuit en série avant d'aborder sa division dans un circuit en dérivation.

Mesure de l'intensité avec un ampèremètre

Pourquoi : La capacité à utiliser correctement un ampèremètre est essentielle pour vérifier expérimentalement la loi des nœuds.

Vocabulaire clé

Nœud	Point de connexion où un fil conducteur se divise en deux ou plusieurs autres fils, créant une séparation du courant.
Intensité du courant	Quantité de charge électrique qui traverse une section de conducteur par unité de temps, mesurée en ampères (A).
Circuit en dérivation	Circuit comportant plusieurs chemins possibles pour le courant électrique, où l'intensité se divise entre les branches.
Loi des nœuds	Principe stipulant que la somme des intensités des courants entrant dans un nœud est égale à la somme des intensités des courants sortant de ce nœud.

Attention à ces idées reçues

Idée reçue courante

L'intensité se divise en parts égales dans chaque branche d'un circuit en dérivation.

Ce qu'il faut enseigner à la place

La répartition dépend de la résistance de chaque branche. Une branche avec une lampe consomme plus qu'une branche avec un simple fil. La mesure expérimentale dans un circuit à branches inégales, suivie d'un échange en groupe, permet de déconstruire cette idée.

Idée reçue courante

L'ampèremètre se branche en dérivation comme un voltmètre.

Ce qu'il faut enseigner à la place

L'ampèremètre doit être branché en série pour mesurer le courant qui le traverse. Un branchement en dérivation court-circuiterait l'appareil. Un exercice pratique où les élèves identifient les erreurs de branchement sur des photos de montages réels renforce cette distinction.

Idée reçue courante

Le courant s'affaiblit après chaque noeud.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Le courant total se conserve : ce qui entre dans un noeud en ressort intégralement. Les charges ne disparaissent pas aux intersections. Le jeu de rôle où les élèves se répartissent physiquement aux noeuds rend cette conservation tangible.

Idées d'apprentissage actif

Investigation collaborative : Vérifier la loi des noeuds

Un circuit en dérivation avec trois branches est monté au bureau. Chaque binôme mesure l'intensité dans une branche différente avec un ampèremètre. Les résultats sont rassemblés au tableau pour vérifier que la somme des intensités des branches égale l'intensité totale.

30 min·Binômes

Penser-Partager-Présenter: Prédire avant de mesurer

L'enseignant présente un schéma de circuit en dérivation avec deux valeurs d'intensité données. Chaque élève prédit la troisième valeur, compare avec son voisin, puis la mesure réelle est effectuée. L'écart entre prédiction et mesure est discuté collectivement.

15 min·Binômes

Jeu de rôle: Les charges au carrefour

Les élèves jouent le rôle de charges électriques circulant dans un circuit dessiné au sol. Arrivés à un noeud (intersection), ils se répartissent dans les branches selon des règles données. Ce jeu physique illustre la conservation de la charge et la division du courant.

20 min·Classe entière

Exercice différencié : Circuits à résoudre

Trois niveaux de circuits en dérivation sont proposés (2 branches, 3 branches, circuit mixte). Chaque élève choisit son niveau et calcule les intensités manquantes. Les résultats sont vérifiés entre pairs avant correction collective.

25 min·Individuel

Liens avec le monde réel

• Les électriciens utilisent la loi des nœuds pour concevoir et dépanner les installations électriques domestiques. Par exemple, ils calculent comment l'intensité se répartit dans les différentes prises et éclairages d'une pièce pour assurer la sécurité et le bon fonctionnement.
• Dans les centres de données informatiques, où des milliers de serveurs fonctionnent en parallèle, la gestion de l'intensité du courant est cruciale. Les ingénieurs s'assurent que l'alimentation électrique se divise correctement pour éviter les surcharges et maintenir la stabilité du réseau.

Idées d'évaluation

Billet de sortie

Donnez aux élèves un schéma simple d'un circuit avec un nœud et des intensités connues dans deux branches. Demandez-leur de calculer l'intensité dans la troisième branche et d'écrire une phrase expliquant leur démarche en utilisant le terme 'loi des nœuds'.

Vérification rapide

Présentez un circuit en dérivation avec des ampèremètres affichant des valeurs différentes. Posez la question : 'Si l'intensité totale entrant dans le nœud est de 5A et que 2A passent dans la première branche, quelle est l'intensité dans la seconde branche ? Justifiez votre réponse.'

Question de discussion

Lors d'une expérience en groupe, demandez aux élèves : 'Pourquoi est-il important de brancher l'ampèremètre en série pour mesurer l'intensité ? Que se passerait-il si nous le branchions en dérivation au niveau d'un nœud ?'

Questions fréquentes

Comment expliquer la loi des noeuds en 4ème ?

La loi des noeuds dit que la somme des intensités entrant dans un noeud est égale à la somme des intensités sortantes. On l'illustre par l'analogie du carrefour routier : le nombre de voitures arrivant à une intersection est le même que le nombre repartant, elles se répartissent simplement sur les routes disponibles.

Comment brancher un ampèremètre dans un circuit ?

L'ampèremètre se branche toujours en série, c'est-à-dire que le courant doit traverser l'appareil. On ouvre le circuit à l'endroit de la mesure et on insère l'ampèremètre. La borne COM est reliée côté borne négative du générateur. Le calibre le plus élevé est sélectionné en premier.

Pourquoi l'intensité est-elle la même en tout point d'un circuit en série ?

Dans un circuit en série, il n'y a qu'un seul chemin pour le courant. Les charges traversent chaque composant l'une après l'autre sans se diviser ni s'accumuler. C'est la conséquence directe de la conservation de la charge. Les mesures à différents points le confirment expérimentalement.

Quelles activités pratiques pour enseigner la loi d'additivité des intensités ?

La vérification expérimentale collaborative est la plus efficace : chaque binôme mesure l'intensité dans une branche différente et les résultats sont mis en commun. Le jeu de rôle physique où les élèves se répartissent aux noeuds donne une intuition corporelle de la conservation du courant.