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Fiche professeur THEME du programme : Comprendre Sous-thème : Cohésion et trans

Fiche professeur THEME du programme : Comprendre Sous-thème : Cohésion et transformations de la matière Interaction électrostatique, loi de Coulomb Type d’activité : Partie 1 = 1 activité documentaire (30 minutes) et 1 activité expérimentale (1 h). Partie 2 = 2 activités sur ordinateur (1 h) Conditions de mise en œuvre : L’étude documentaire (activité 1) sera réalisée en classe entière (elle peut être également donnée comme travail de recherche à la maison). Une séance de travaux pratiques de 2 h sera nécessaire pour réaliser les activités 2, 3 et 4. Si on ne dispose que d’une séance d’1h30, on pourra proposer l’activité 4 comme exercice à faire à la maison. Si on manque de temps, le compte-rendu de chaque activité pourra être rédigé à la maison. Pré- requis : - isolant/conducteur ; courant électrique (notions vue au collège) - constitution de l’atome. - équilibre d’un solide soumis à des forces. NOTIONS ET CONTENUS COMPETENCES ATTENDUES Interaction électrostatique, loi de Coulomb Réaliser et interpréter des expériences simples d’électrisation Compétences transversales : - S’approprier l’information. - Réaliser une expérience, un schéma. Observer et décrire les phénomènes. Utiliser un tableur. - Extraire des informations des données et les exploiter. - Proposer un protocole. - Elaborer un modèle. - Valider un modèle. - Communiquer à l’écrit en utilisant un vocabulaire scientifique et en utilisant l’outil informatique. - Etre autonome, respectueux des règles de vie de classe et de sécurité. Mots clés de recherche : interaction électrostatique, charges électriques, loi de Coulomb, modèle, loi. Provenance : Académie d’Orléans-Tours Adresse du site académique : http://physique.ac-orleans-tours.fr/php5/site/ • La première partie de cette séquence s’articule autour d’un texte présentant l’histoire de l’électricité statique. Elle débute par l’étude du texte (activité 1). Un positionnement (soit réalisé par le professeur soit réalisé par l’élève) est possible afin de vérifier l’acquisition de capacités. La deuxième activité permet de partir sur les traces de Thalès, Gray et Du Fay en réalisant des expériences simples d’électrisation afin de vérifier les constats de ces savants. Les élèves doivent proposer des expériences, les réaliser et analyser leurs observations (démarche d’investigation). Une grille permet d’évaluer l’acquisition de compétences. • La deuxième partie permet de modéliser l’interaction coulombienne en exploitant les résultats de l’expérience historique de Charles Coulomb à l’aide d’un tableur (activité 3). On propose ensuite aux élèves de confronter le modèle de Coulomb avec les résultats de chercheurs contemporains ayant réalisé la reconstitution historique de cette fameuse expérience (activité 4). Capacités et attitudes travaillées dans les activités APP : S’APPROPRIER L’INFORMATION ACT 1 ACT 2 ACT 3 ACT 4 Se mobiliser en cohérence avec les consignes données (agir selon les consignes données ; extraire des informations utiles d’une observation, d’un texte ou d’une représentation conventionnelle (schéma, tableau, graphique,…)). X X X X REA : RÉALISER (FAIRE) Réaliser ou compléter un schéma. X Réaliser le dispositif expérimental correspondant au protocole X Maîtriser certains gestes techniques (utiliser le matériel, les appareils de mesure, les outils informatiques) X X X Observer et décrire les phénomènes. X ANA : ANALYSER Extraire des informations des données et les exploiter. X X X Elaborer et/ou choisir et utiliser un modèle adapté (mettre en lien les phénomènes observés, les concepts utilisés et le langage mathématique qui peut les décrire) X X X Proposer et/ou justifier un protocole, identifier les paramètres pertinents X VAL : VALIDER, CRITIQUER Confronter un modèle à des résultats expérimentaux : vérifier la cohérence des résultats obtenus avec ceux attendus X X COM : COMMUNIQUER Rendre compte de façon écrite (de manière synthétique et structurée, en utilisant un vocabulaire adapté et une langue correcte) X X X Présenter se résultats avec l’outil informatique. X X AUTO : ETRE AUTONOME, FAIRE PREUVE D’INITIATIVE, SAVOIR-ETRE Travailler efficacement seul ou en équipe (en étant autonome, en respectant les règles de vie de classe et de sécurité) X X X X Soigner sa production X X X 2 ACT. 1: PETITE HISTOIRE DE L’ELECTRICITE « STATIQUE » C'est le fameux mathématicien et philosophe grec Thalès de Milet (celui du théorème !) qui fit la première découverte scientifique d'un phénomène électrique. Au VIème siècle J.-C., Thalès observe une curieuse propriété de l'ambre jaune appelé êlektron en grec : cette résine fossile attire de petits corps légers lorsqu’on la frotte à de la fourrure. Ne disposant pas alors de nos connaissances actuelles, il attribue à l’ambre un caractère divin. Aujourd’hui, nous savons que cette propriété ne se limite pas à l’ambre : de nombreux matériaux comme le plastique ont la faculté d’attirer de petits objets une fois frottés. C’est à la fin du XVIIème siècle que reprennent les travaux sur l’électricité grâce notamment à William Gilbert (1544-1603). Ce savant anglais qui fut le médecin de la reine Elisabeth I, reprend les expériences des grecs et s’intéresse aussi aux phénomènes magnétiques. Il publie en 1600 un ouvrage De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (Du magnétisme et des corps magnétiques, et du Grand Aimant de la Terre) dans lequel il utilise le mot êlektron pour qualifier les phénomènes associés à l'électricité. En 1662, Otto von Guericke (1602-1686) qui était alors le maire de la ville de Madgebourg en Allemagne et célèbre pour l’invention de la pompe à vide, met au point la première machine électrostatique qui générait des décharges électriques. Cette machine sera améliorée par d’autres savants et permettra des découvertes majeures comme la distinction entre conducteur et isolant par Stephen Gray (1666-1736). Ce savant anglais est le premier, en 1729, à classer les matériaux en deux catégories : les isolants comme l’ambre, le verre, la soie qui, après frottements, peuvent attirer des corps légers et les conducteurs comme les métaux, le corps humain qui n’ont pas cette faculté. Il établit également que l’on peut électriser un corps non électrisé en les mettant en contact avec un autre corps électrisé. Au XVIIIème siècle, le chimiste français Charles François de Cisternay du Fay (1698-1739) alors Grand Intendant du Jardin du Roi, reprend les expériences de Gray. Il observe alors que deux objets constitués du même matériau et électrisés de la même façon se repoussent. Ainsi, deux tiges de verre frottées avec de la soie se repoussent, tout comme deux morceaux d'ambres frottés avec la fourrure. Il établit aussi que le verre frotté et l’ambre frottée s’attirent. Il fait alors l’hypothèse qu’il existe deux sortes d’électricité comme le montre ce court extrait issu de ces mémoires publiées en 1733 « Il y a deux sortes d’électricité […] l’une que j’appelle électricité vitrée, et l’autre électricité résineuse. Le caractère de ces deux électricités est de se repousser elles-mêmes et de s’attirer l’une l’autre. Ainsi un corps de l’électricité vitrée repousse tous les autres corps qui possèdent l’électricité vitrée, et au contraire il attire tous ceux de l’électricité résineuse. » Si Du Fay pensait que ces deux types d’électricité étaient liés à la nature des corps, Benjamin Franklin (1706-1790), inventeur du célèbre paratonnerre et co-rédacteur de la déclaration d’indépendance des Etats- Unis d’Amérique, attribue ces deux types d’électricité à l’existence de deux types de charges électriques qu’il distingue par les signes + et − ; les électrisations positives et négatives étant liées à l'excès ou à la perte d'un « fluide électrique » unique. Il choisit arbitrairement de donner le signe + aux charges électriques portées par une tige en verre frottée et le signe − aux charges portées par l’ambre frottée. 3 Il développe cette théorie à partir de 1750, énonce le principe de conservation de la charge électrique, et interprète l'attraction exercée par un corps électrisé sur un corps léger par une action à distance. Cette même théorie a été développée indépendamment par l’anglais William Watson (1715-1787). Il faut attendre 1784 pour qu’un expérimentateur très rigoureux, Charles Augustin Coulomb (1736-1806), mette au point une expérience réalisée à l'aide d'une balance de torsion de son invention pour déterminer la force qui s'exerce entre deux corps électriquement chargés. Il énoncera en 1785 une loi mathématique qui porte aujourd’hui le nom de loi de Coulomb. En hommage à ses travaux, l’unité de la charge électrique est le Coulomb (C). Malgré ces progrès importants, cette nouvelle science reste cantonnée aux salons des cours d’Europe où l’on réalise des expériences d’électricité pour se divertir ; elle ne fournit pas d’applications pratiques car il s’agit en effet d’électricité de forme « statique ». C’est grâce aux travaux d’Alessandro Volta (1745-1827) et notamment à l’invention de sa célèbre pile en 1800, que l’électricité entrera dans une ère nouvelle. Crédits photos : wikipedia (illustrations libres de droits) Lire et comprendre le texte 1. Quelle est l’origine du mot électron ? ………………………………………… 2. Ce mot fut utilisé par Gilbert pour qualifier les phénomènes associés à l'électricité. Rechercher d’autres mots provenant du mot êlektron. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. 3. Quelles sont les deux façons d’électriser un corps ? …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. 4. Tous les corps s’électrisent-ils par frottement ? ……………………………………………………………………………….. 5. Donner la définition de isolant/conducteur établie par Gray. Rappeler la définition que vous avez apprise au collège. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………. 6. Rappeler le nom et uploads/Science et Technologie/comprendre-interaction-electrostatique.pdf