Les circuits électriques

Dans ce document, un enseignant rapporte le déroulé d’une séquence d’activités qu’il a menée en classe - réactions des élèves, difficultés rencontrées, conseils aux autres enseignants... Ces témoignages peuvent être utiles à la fois dans le cadre de la préparation d’une séquence ou activité de classe, ou servir de matière aux enseignants pour construire leurs propres activités de classe.

Notions et connaissances travaillées : Réaliser quelques objets et circuits électriques simples, en respectant des règles élémentaires de sécurité.

Déroulé : Après avoir été mis au défi d'allumer une ampoule avec une pile plate près de l'ampoule puis loin de l'ampoule, les élèves doivent éteindre l’ampoule sans tout démonter et introduire un interrupteur dans le circuit. Ils réalisent ensuite un montage où l'on peut introduire différents objets (paire de ciseaux, compas, gommes, crayons, etc.) et explorent ainsi les notions d'isolants et conducteurs. Enfin, ils recherchent les causes d'une panne et mettent ainsi en oeuvre une démarche de résolution de problème.

Message à emporter : Pour qu'une ampoule s'allume à l'aide d'une pile, il faut que les deux lames de la pile soient en contact avec l'ampoule : soit les deux vis de la douille de l'ampoule, soit le plot et le culot de l'ampoule, s'il n'y a pas de douille. On peut allumer une ampoule à distance de la pile en utilisant des fils électriques et des pinces crocodile. La longueur des fils ne change rien à la lumière de l'ampoule. Il est possible d'interrompre un circuit à l'aide d'un interrupteur : quand le circuit est ouvert, l'ampoule ne brille plus ; si on le referme, l'ampoule brille de nouveau. Certains corps ne permettent pas à l'électricité de circuler : on les nomme "isolants". A l'inverse, les corps qui permettent à l'électricité de passer sont nommés "conducteurs".

Les enfants sont par groupes de 2. Au cours de chaque séance, ils représentent par le dessin leurs expériences. Ils consignent également leurs remarques. Ils stockent tous leurs documents dans un classeur.

Sécurité : A chaque séance, les enfants sont avertis des dangers de l'électricité. Ils ne doivent pas essayer de reproduire ces expériences chez eux sans la présence de leurs parents.

Démarche pédagogique

1 ère étape: allumer une ampoule avec une pile plate.

Problème posé : Allumer une ampoule avec une pile plate près de l'ampoule, puis loin de l'ampoule
Notion visée : Trouver les bons contacts.
Les enfants surmontent assez rapidement le problème, mais ont du mal à représenter et dessiner leurs expériences, c'est à dire les montages réalisés.
Problème posé : Est-ce que si j'éloigne l'ampoule, elle brille moins ? Pour répondre à cette question, les élèves doivent réaliser un montage dans lequel l'ampoule est reliée à la pile par des fils électriques.
Notion visée : Construire des circuits de plus en plus longs.
Les enfants dessinent les montages et réalisent assez facilement que l'intensité lumineuse reste la même.

Mot de La main à la pâte
Certains enfants peuvent penser qu'en prenant des fils plus longs, l'ampoule ne brillera plus autant. Rien ne vaut de les laisser faire afin de pouvoir comparer deux circuits : l'un avec des fils courts et l'autre avec des fils longs. C'est l'occasion de se rendre compte par soi-même que, dans ce cas, la longueur des fils n'a aucune influence détectable sur la façon de briller d'une ampoule.

2ème étape : Eteindre l’ampoule sans tout démonter

Problème posé : Éteindre l'ampoule sans démonter le dispositif (comme dans la réalité).
Notion visée : L'interrupteur, son utilité.
Les enfants proposent différentes solutions. Ils réalisent ensuite un montage proposé par le maître au tableau : c'est le moment venu pour codifier les différents éléments du circuit et très progressivement arriver à une schématisation.
Les enfants trouvent rapidement des solutions pour couper le circuit. Ils comprennent vite le rôle de l'interrupteur, mais rencontrent toujours des difficultés pour représenter graphiquement le montage.

Mot de La main à la pâte : quelques variantes possibles en plus de ce qui est proposé. Le montage peut être laissé à l’imagination des élèves qui, dans ce cas, ont à dessiner ce qu’ils envisagent de faire. Le problème de représentation graphique qui est souligné n’implique cependant pas le recours à une schématisation normalisée qui ne figure pas dans les programmes de l’école primaire. En ce qui concerne l’interrupteur, on pourra par exemple donner du matériel aux enfants (morceau de styropor, attaches parisiennes, fils électriques et trombones) et leur demander de concevoir et construire un interrupteur avec ce matériel. Les élèves proposent et comparent leurs interrupteurs. Cette variante suppose d'avoir prévu différents types de matériel (depuis une boîte d'allumettes jusqu'à des ressorts en passant par des attaches parisiennes) et n'est peut-être pas à faire avec des enfants trop jeunes. Il est sans doute préférable de réserver ce type d'activités à des enfants de fin de cycle 3. Enfin, cela suppose que le maître soit à l'aise avec le domaine, ce n'est donc pas forcément à faire la première fois que l'on se lance dans des activités sur les circuits électriques.

3ème étape : d’autres objets dans le circuit

Conducteurs et isolants
Problème posé : Réalisation d'un montage où l'on peut introduire différents objets (paire de ciseaux, compas, gommes, crayons, etc.)
Notion visée : Conducteurs et isolants.
Les enfants doivent trouver trois objets qui "laissent passer le courant" et trois autres "qui ne le laissent pas passer".
Ils construisent un tableau et essayent de déterminer ce qui caractérise les objets conducteurs et ceux qui ne le sont pas.
Les enfants s'amusent beaucoup et ils aiment tester de nouveaux objets. Ils comprennent très rapidement que certains objets ne peuvent être conducteurs mais hésitent quant aux métaux.

Mot de La main à la pâte : Cette activité passionne les enfants. Cependant, il est utile de leur rappeler qu'il est très dangereux de faire la même chose à la maison avec l'électricité domestique (220V) car il y a risque de brûlures, de recevoir des décharges, voire de s'électrocuter. En effet des objets déclarés " non conducteurs " avec le montage utilisé en classe (pile et ampoule) le sont en fait un peu, pas suffisamment pour que l'ampoule brille, mais suffisamment pour créer, avec du 220V, des dégâts.

Des ampoules supplémentaires
Problème posé : Allumer plusieurs ampoules dans un même circuit électrique.
Notion visée : Amener la notion de montage en série.
Au départ, les enfants utilisent deux fils par ampoule. Ces fils partent tous d'une borne de la pile. Pourtant, un groupe réussit à aligner plusieurs ampoules et progressivement tous les groupes réussissent leur montage.
Les enfants ont remarqué une baisse de l'intensité lumineuse sans en connaître la cause.

Des interrupteurs supplémentaires ?
Notion visée : Comprendre qu'une seule ouverture du circuit empêche l'ampoule de s'allumer.
Deux interrupteurs sont montés sur le circuit réalisé par le groupe. Ces interrupteurs sont manoeuvrés par chacun des enfants afin d’essayer d'allumer l'ampoule.
Les enfants auront beaucoup de mal à comprendre et à dessiner l'expérience. Au tableau le maître, en schématisant l'interrupteur ouvert ou fermé, aide à la compréhension.

4ème étape : les pannes

Problème posé : Comment trouver les causes d'une panne ? « Mon circuit ne marche pas, comment faire ? »
Notion visée : Adopter une démarche scientifique pour trouver une solution.
Les montages fonctionnent et les enfants, par groupe, vont volontairement provoquer l'accident (une panne) qui n'aura qu'une seule cause : fils mal branchés, ampoule grillée ou encore pile usagée... Le groupe suivant tente de réparer le circuit. Il devra tester un par un les composants (consigne du maître).
C'est une activité amusante pour les enfants mais très difficile, ils oublient souvent de vérifier un élément.

Mot de La main à la pâte
Les élèves de cycle 2 arrivent en général très vite à allumer une ampoule avec une pile plate, ce qui ne signifie pas qu'ils ont remarqué la nécessité de contacts entre d'un côté le culot de l'ampoule et l'une des bornes de la pile et de l'autre le contact entre le plot de l'ampoule et l'autre borne de la pile (d'où des difficultés pour les élèves de dessiner les montages réalisés). Les élèves commencent à sentir cette nécessité lorsqu'il leur est demandé d'allumer cette ampoule en utilisant la pile et des fils électriques, car ils sont alors dans l'obligation, pour que l'ampoule brille, de placer correctement les fils sur l'ampoule.
Ceci étant, certains peuvent réussir le montage sans pour autant avoir pris conscience de cette nécessité. Les enseignants s'en aperçoivent lorsqu'ils regardent certains dessins de montages réalisés par les élèves. En effet, tout ceci suppose que le circuit soit électriquement fermé et les élèves n'ont, pour la plupart, pas encore acquis cette notion. C'est en travaillant sur l'interrupteur que les élèves commencent à prendre conscience de cette notion de circuit fermé.
On voit par exemple, une évolution dans les dessins des enfants : les fils arrivant à l'ampoule sont souvent au début reliés à n'importe quelle partie de l'ampoule, puis, petit à petit, l'enfant dessine clairement que l'un des fils arrive sur le culot et l'autre sur le plot.
Ceci étant, même lorsqu'ils sont capables de réaliser un montage qui " marche " (l'ampoule brille car le circuit est fermé), ils peuvent donner plusieurs types d'explications.
-Certains pensent qu'un seul fil amène l'électricité à l'ampoule : la sixième séance oblige alors ces élèves à se poser indirectement cette question. En effet, en raisonnant de cette façon, ils auront quelques difficultés à expliquer pourquoi une ampoule située entre la pile et l'interrupteur ouvert ne brille pas.
-D'autres raisonnent en termes de courants antagonistes, c'est à dire qu’ils pensent que de l'électricité part de chaque borne de la pile pour se diriger vers l'ampoule et non de l'une des bornes, passe par les fils et l'ampoule pour revenir à l'autre borne de la pile. Des enseignants pensent qu'en introduisant un moteur dans le circuit, cela va permettre aux élèves de modifier leurs raisonnements. Hélas, ce n'est pas toujours le cas. Il est peut-être raisonnable d'attendre le cycle 3 pour faire dessiner le chemin que suit l'électricité dans un circuit simple et dans un circuit à deux ampoules, par exemple.

Prolongements possibles

Au croisement des sciences et des arts, vous pouvez mettre à profit ces circuits électriques pour créer avec vos élèves des objets illuminés.

Voici les productions de la classe d'Illana Ouaknine (CM1-CM2) :