Générateurs réels de tension

Les générateurs réels de tension illustrent parfaitement le décalage entre théorie et pratique en physique. Travailler avec des mesures concrètes et des manipulations permet aux élèves de constater que les formules ne sont pas que des abstractions, mais reflètent des comportements observables dans la vie quotidienne.

• Première
• Physique-Chimie Première : Matière, Énergie et Interactions
• 4 activités
• 15 min–45 min

Objectifs d’apprentissage

1. Calculer la force électromotrice (f.e.m.) et la résistance interne d'un générateur à partir de sa caractéristique expérimentale U(I).
2. Expliquer la chute de tension aux bornes d'un générateur réel en fonction de l'intensité du courant débité.
3. Analyser l'impact de la résistance interne sur la puissance maximale fournie par un générateur à un circuit extérieur.
4. Comparer le comportement d'un générateur réel à celui d'un générateur idéal en utilisant la relation U = E - rI.

Cercle de recherche

⏱ 45 min·Petits groupes

Cercle de recherche: Radiographie d'une pile

Chaque groupe recoit une pile differente (1,5 V neuve, 1,5 V usagee, 9 V, pile rechargeable). En faisant varier la resistance de charge et en mesurant U et I, les eleves tracent la caracteristique et determinent E et r pour chaque pile. La comparaison revele l'impact de l'usure et du type de pile.

Préparation et détails

Pourquoi la tension d'une pile s'effondre-t-elle quand on lui demande trop de courant?

Conseil de facilitation: Pendant l’activité Collaborative Investigation, exigez que chaque groupe note ses mesures de tension à vide et sous charge dans un tableau commun pour faciliter la comparaison collective.

Setup: Groupes en îlots avec accès aux ressources documentaires

Materials: Corpus de documents sources, Fiche de suivi du cycle de recherche, Protocole de formulation de questions, Canevas de présentation des résultats

• Analyser
• Évaluer
• Créer
• Autogestion
• Conscience de soi

Penser-Partager-Présenter

⏱ 15 min·Binômes

Penser-Partager-Présenter: Pourquoi la lampe faiblit ?

L'enseignant montre une video d'une lampe torche qui faiblit progressivement. Chaque eleve propose individuellement une explication, puis en discute avec son voisin. La mise en commun introduit la notion de resistance interne qui augmente avec l'usure de la pile.

Préparation et détails

Comment déterminer la force électromotrice et la résistance interne d'un générateur?

Conseil de facilitation: Lors du Think-Pair-Share, demandez aux élèves de justifier leurs réponses avec des exemples concrets avant de partager leur explication en grand groupe.

Setup: Disposition de classe standard ; les élèves se tournent vers leur voisin

Materials: Consigne de discussion (projetée ou distribuée), Optionnel : fiche de prise de notes pour les binômes

• Comprendre
• Appliquer
• Analyser
• Conscience de soi
• Compétences relationnelles

Enseignement par les pairs

⏱ 15 min·Binômes

Enseignement par les pairs: Lire E et r sur un graphique

Un eleve montre a son partenaire comment extraire la f.e.m. (ordonnee a l'origine) et la resistance interne (oppose de la pente) sur la droite U(I). Le partenaire applique ensuite la methode sur un graphique different et verifie la coherence avec U = E - rI.

Préparation et détails

Analysez l'impact de la résistance interne sur la puissance fournie par un générateur.

Conseil de facilitation: Pour la Peer Teaching, fournissez aux élèves des graphiques partiellement annotés pour qu’ils complètent ensemble les valeurs de E et r à partir de points choisis.

Setup: Espace de présentation face à la classe ou plusieurs îlots d'enseignement

Materials: Fiches d'attribution des sujets, Canevas de préparation de séance, Grille d'évaluation par les pairs, Matériel pour supports visuels

• Comprendre
• Appliquer
• Analyser
• Créer
• Autogestion
• Compétences relationnelles

Débat formel

⏱ 20 min·Classe entière

Débat formel: Pile neuve vs pile rechargeable

Deux groupes comparent les avantages d'une pile alcaline neuve (faible r initiale) et d'une batterie lithium-ion rechargeable (r stable, nombreux cycles). Les arguments doivent s'appuyer sur les caracteristiques tracees en TP et sur des considerations environnementales.

Préparation et détails

Pourquoi la tension d'une pile s'effondre-t-elle quand on lui demande trop de courant?

Setup: Deux équipes face à face, le reste de la classe en position d'auditoire

Materials: Fiche de sujet de débat, Dossier documentaire pour chaque camp, Grille d'évaluation pour le public, Chronomètre

• Analyser
• Évaluer
• Créer
• Autogestion
• Prise de décision

Enseigner ce sujet

Privilégiez une approche progressive où les élèves partent de l’observation directe avant d’aborder les modèles théoriques. Évitez de donner la formule U = E – rI trop tôt : laissez les élèves la découvrir à travers des mesures et des graphiques. Cette démarche ancrée dans l’expérience limite les erreurs de conceptualisation et renforce la compréhension durable.

À quoi s’attendre

Les élèves doivent être capables d’expliquer pourquoi une pile fatiguera plus vite sous charge, de calculer la f.e.m. et la résistance interne à partir de données expérimentales, et de transférer ces concepts à des situations réelles comme l’usure des piles ou le choix entre piles jetables et rechargeables.

Attention à ces idées reçues

Idée reçue courante

During Collaborative Investigation : Radiographie d'une pile, watch for...

Ce qu'il faut enseigner à la place

Lors de cette activité, les élèves doivent mesurer la tension à vide puis sous une charge résistive. Intervenez si un groupe confond la tension mesurée sous charge avec la f.e.m. E, en leur rappelant de bien noter les conditions de mesure et de comparer les valeurs obtenues.

Idée reçue courante

During Think-Pair-Share : Pourquoi la lampe faiblit ?, watch for...

Ce qu'il faut enseigner à la place

Lors du partage des explications, repérez les élèves qui attribuent la baisse de luminosité à une baisse de la f.e.m. E. Ramenez la discussion vers la résistance interne r en leur demandant de relire la formule U = E – rI avec les valeurs mesurées pendant l’activité précédente.

Idée reçue courante

During Peer Teaching : Lire E et r sur un graphique, watch for...

Ce qu'il faut enseigner à la place

Pendant la correction collective du graphique, surveillez les élèves qui ignorent la résistance interne r. Insistez sur le fait que r n’est pas un détail mais un paramètre clé en traçant la droite U(I) et en montrant comment son coefficient directeur correspond à –r.

Idées d'évaluation

Vérification rapide

After Collaborative Investigation : Radiographie d'une pile, demandez aux élèves de calculer E et r à partir de deux points de leur graphique U(I). Évaluez leur capacité à expliquer ce qui se passerait si r doublait, en observant leur justifications théoriques et leurs calculs numériques.

Question de discussion

During Think-Pair-Share : Pourquoi la lampe faiblit ?, lancez un débat en demandant aux élèves d’expliquer la baisse de luminosité d’une lampe de poche en utilisant les termes f.e.m., résistance interne et chute de tension. Évaluez leur capacité à proposer des solutions concrètes comme l’utilisation de piles neuves ou l’ajout de résistances en série.

Billet de sortie

After Peer Teaching : Lire E et r sur un graphique, demandez à chaque élève d’écrire sur un post-it la relation U = E – rI et d’y associer un exemple concret où cette relation est cruciale, comme le choix d’une pile pour un jouet ou l’efficacité d’une batterie de voiture.

Extensions et étayage

• Demandez aux élèves les plus rapides de prédire comment évoluerait la caractéristique U(I) si on utilisait une pile de même f.e.m. mais avec une résistance interne plus grande.
• Pour les élèves en difficulté, proposez des exercices guidés où ils tracent d’abord U(I) à partir de données fournies avant de passer à des mesures réelles.
• Invitez les élèves à explorer l’impact de la température sur la résistance interne en mesurant U(I) à différentes températures avec une pile placée au réfrigérateur puis à température ambiante.

Vocabulaire clé

Force électromotrice (f.e.m.)	Tension à vide aux bornes d'un générateur, représentant l'énergie qu'il peut fournir par unité de charge. Elle est notée E.
Résistance interne	Résistance propre au générateur, notée r, qui cause une perte de tension lorsque le courant circule. Elle s'exprime en ohms (Ω).
Caractéristique U(I)	Graphique représentant la tension U aux bornes d'un générateur en fonction de l'intensité I du courant qu'il débite. Elle est généralement linéaire pour un générateur réel.
Tension à vide	Tension mesurée aux bornes d'un générateur lorsqu'aucun courant n'est débité (I=0). Elle est égale à la f.e.m. (E).