Expériences sur l'énergie solaire

Préambule

Ayant un projet pour travailler sur les énergies renouvelables, j'ai choisi l'énergie solaire qui pour moi est une solution à développer à notre époque. Ce sujet permet de travailler dans un esprit expérimental : problème, hypothèses, expérimentations (dont tâtonnement), conclusion ; les enfants sont ainsi confrontés à des difficultés d'organisation, d'adéquation du matériel, de formulation etc..Nous avons ensuite travaillé sur l'énergie marémotrice à l'occasion d'un séjour en Bretagne.
Il est difficile d'évaluer la durée étant donné qu'il sagit d'un travail pluridisciplinaire. Toutefois, voici quelques éclaircissements sur le déroulement et des durées approximatives.
- Séance 1 : (environ 45 mn) - Réponse individuelle aux questions 1 et 2 - examen des réponses par groupes, commentaires recherche dune solution par groupes - propositions - solution. Au cours de cette séquence, des invraisemblances, des anachronismes se sont révélés ; quelques instants ont été consacrés à " remettre les idées en place !
- Séance 2 : (environ 1 h) Conception d'une expérience individuellement puis par groupes. Recensement du matériel nécessaire à chaque groupe.
- Séance 3 : (environ 2 h) Réalisation de quelques expériences d'après les propositions des groupes. Mise au point des formulations imprécises qui rendent l'expérience irréalisable. Elimination des expériences qui demandent trop de temps (récipients trop gros par exemple). Projet élaboré en commun après discussion et rédaction précise (trois expériences).
- Séance 4 : (1h30) Mise en place de la première expérience (5 récipients identiques, variation de paramètre : le nombre de miroirs. Préparation, relevé des températures (par groupe). Compte-rendu. Schéma de l'expérience. Premières conclusions.
- Séance 5 : (1h + travail à la maison) Mise au propre des relevés de températures dans un tableau (travail sur ordinateur) - Tracé des courbes sur papier millimétré(fin à la maison). - Séance 6 : (1h 30) Deuxième expérience : Boîtes identiques mais de couleurs différentes - relevé des températures ; tableau. Compte-rendu. Schéma.
- Séance 7 (1 h) Troisième expérience : Récipient de même contenance, de même matière mais de formes différentes - relevé ; constatation de l'échec. Compte-rendu.
- Séance 8 : (1 h 30) Conclusions ; rédaction d'un compte-rendu collectif.
- Séance 9 : Prolongements : Maison solaire - Four solaire dOdeillo - (recherche documentaire et vidéos) etc.

Scénario pédagogique

Exemple de situation de départ

Essayer de résoudre l'énigme à l'aide des indices proposés successivement (par des phrases ou un dessin)

En 214 avant J-C, le général romain Marcellus assiège Syracuse.

Archimède, ingénieur militaire, défend la ville. Ce jour-là, il faisait beau, les assiégés en restant sur la terre ferme ont réussi à incendier les galères romaines.

A ton avis, comment ont-ils précédé ?

Indice supplémentaire : aucun projectile n'a été lancé. Les guerriers étaient équipés de casques, de boucliers et d'armes très bien entretenus.

Exemples de réponses

1. avec des boulets de canon, des flèches enflammées, des mitraillettes ! Un enfant trouve une solution faisant intervenir des miroirs et le soleil.(référence à Tintin) ;
2. avec le deuxième indice, les réponses logiques sont plus nombreuses.

Synthèse collective accompagnée d'un dessin schématisant le trajet des rayons solaires.

Recherche :

En t'inspirant de l'idée d'Archimède, imagine une expérience qui te permettra de faire chauffer de l'eau en utilisant l'énergie du soleil.

Exemple de réponses :

Je place un verre rempli d'eau face au soleil. Je prends quelques miroirs et je les place face au verre. L'eau chauffera.
Je mets plusieurs miroirs au-dessus d'une casserole d'eau
Je vais prendre une cuvette d'eau froide et je vais me mettre devant avec des miroirs

D'autres réponses du même genre proposent des récipients différents (bassine, piscine) Quant au nombre de miroirs, il varie selon les enfants; certains ne parlent pas de miroirs du tout.

Les idées sont rassemblées et discutées.

Exemples d'expériences proposées et réalisées par les enfants

Après mise en commun de toutes les suggestions et discussion collective, les enfants décident d'effectuer les expériences suivantes :

Première expérience

Variation du paramètre : nombre de miroirs.
Pour cette expérience comme pour les suivantes, chaque récipient contient la même quantité deau à la même température.

NOTE : Une difficulté cependant : l'exactitude des thermomètres. En effet il a fallu d'abord placer tous les thermomètres dans un même récipient et choisir ceux qui indiquaient la même température (étalonnage non précis) avant de commencer l'expérience.

• Les boîtes sont installées sur des plateaux sur lesquels sont installés 0, 1, 2, 3 ou 4 miroirs.
• Les enfants sont répartis en 5 groupes effectuant chacun une expérience (zéro, un, deux, trois ou quatre miroirs) La mise en oeuvre est déjà très délicate étant donné l'espace restreint dont nous disposons (les expériences s'effectuent dans la salle de classe)
• Les miroirs sont orientés de façon à diriger les rayons du soleil vers les boîtes remplies d'eau.
• La température est relevée toutes les deux minutes.

NOTE
Cette décision a été prise en cours d'expérience : au début, la température était relevée toutes les minutes, mais les enfants éprouvaient des difficultés de précision de lecture. Donc, il a été décidé de ne continuer à relever que toutes les deux minutes.

• Un tableau permet de noter les températures relevées sur les cinq thermomètres.
• Un schéma permet de vérifier si le trajet des rayons solaires est bien compris.
• Au cours de l'expérience, les enfants se déplacent pour observer le déroulement des autres expériences. Ils rédigent ensuite un compte-rendu de l'ensemble des 5 expériences
• Une courbe de températures est construite (cinq couleurs différentes)

Conclusion : "Plus le nombre de miroirs est élevé, pus la température s'élève."

Deuxième expérience :

Variation du paramètre : couleur des boîtes : bleue, blanche, noire, recouverte d'aluminium.

• La classe est organisée de la même manière que pour l'expérience précédente.
• L'expérience se déroule avec 4 miroirs sur chaque plateau.
• Les rayons sont dirigés sur le corps de la boîte (celle-ci étant fermée, un trou dans le couvercle permet de placer le thermomètre)
• La température est également relevée toutes les deux minutes.

• Les enfants rédigent un compte-rendu
• On classe les boîtes par ordre décroissant de température atteinte : Noire, bleue, blanche, recouverte d'aluminium.

Conclusion :Plus la couleur de la boîte est foncée plus la température s'élève.

Troisième expérience

Variation du paramètre : forme de la boîte
On utilise maintenant des boîtes transparentes de même contenance mais de formes différentes.
Les différences de températures étant trop minimes, aucune conclusion n'a pu être tirée de cette expérience.

Conclusion générale

• Si on veut chauffer de l'eau avec l'énergie solaire, il faut utiliser un récipient noir et orienter un nombre maximum de miroirs vers ce récipient.
• Un objet qui reçoit de la lumière du soleil s'échauffe
• Plus l'objet est sombre, plus la température s'élève.

Applications

• Précautions à prendre en été (vêtements clairs, couleurs à éviter surtout dans les pays chauds)
• Construction d'un cuiseur solaire à l'aide d'un phare de voiture
• Le four solaire d'Odeillo (Vidéo "c'est pas sorcier")

Evaluation

L'évaluation s'est faite fortuitement en cours de l'année scolaire suivante : le conseiller pédagogique m'ayant demandé d'accueillir des stagiaires " la main à la pâte " pour leur expliquer ma façon de procéder (la veille pour le lendemain), j'ai décidé, après avoir donné les grandes lignes, de laisser la parole aux principaux intéressés : les enfants. Ceux-ci avaient donc participé à ce travail en CM1.
Même les enfants les moins motivés ont été capables de relater les expériences et leurs conclusions avec force détails. En Bretagne, en fin dannée, ils ont eu l'idée d'utiliser du plastique noir pour faire chauffer plus rapidement - le soleil n'étant guère au rendez-vous - de l'eau de mer pour obtenir de l'eau douce.
Au cours de ce séjour en Bretagne, les enfants ont pu voir les panneaux solaires d'un satellite au musée des télécommunications de Pleumeur-Bodou, ce qui m'a permis de faire à nouveau un petit bilan et de montrer aux enfants une autre application de l'énergie solaire.

Le mot du maître

Ce travail a beaucoup intéressé l'ensemble des enfants.
La première question a donné lieu à des réponses inattendues (mitraillettes, canons)
Les dessins présentent des invraisemblances quant au trajet des rayons solaires
Certains enfants ont trouvé aussitôt la solution grâce à leur "culture" personnelle (Tintin ou films relatant une situation semblable)
Au sujet de la conception d'une expérience:
Difficultés pour exprimer l'idée : des imprécisions de descriptions entraînent un dispositif inefficace.
Déroulement de l'expérience :
Difficultés pour bien orienter les miroirs
Le soleil" bouge", il faut réorienter les miroirs !
L'intensité du rayonnement solaire a varié, entraînant des ralentissements dans l'augmentation de la température.
Difficultés liés à la lecture des températures lorsque l'augmentation est faible.
Les enfants ont été très étonnés de pouvoir faire monter la température de l'eau de 15° à 66,5° en 40 minutes en plein hiver.
Compétences transversales : Savoir procéder à des mesures simples, présenter et interpréter des résultats.


Le mot de La main à la pâte :
A noter qu'il est utile que les élèves aient travaillé sur le thème de la réflexion de la lumière, et qu'ils aient déjà manipulé des miroirs dans le cadre d'expériences, avant de commencer cette séquence.