Synthèse de vos apprentissages 23








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Titre de la situation d'apprentissage : Entendez-vous le boum boum tchi-ka-boum?



Party!

https://pixabay.com/static/uploads/photo/2013/07/12/12/56/party-146582_960_720.png

Source : Pixabay.com

Durée approximative : Entre 4 et 8 heures

Auteur : Érick Sauvé, conseiller pédagogique à la CS de Laval.

Adaptation : François Guay-Fleurent, enseignant à la commission scolaire de la Riveraine.

Validation : Guy Mathieu, enseignant à la commission scolaire de la Vallée-des-Tisserands.

Informations générales avant de commencer
Compétences disciplinaires visées :

  • Chercher des réponses ou des solutions à des problèmes d'ordre scientifique ou technologique


Compétences transversales développées dans cette SAE :

  • Se donner des méthodes de travail efficaces


Démarche d'investigation ou stratégies incluses dans la SAE :

Vous utiliserez une démarche de conception afin de fabriquer un haut-parleur!

Mise en situation

Dring Dring! (ton cellulaire sonne)

Ton ami : Salut! C’est moi, j’ai un gros problème pour le party de ce soir. Les haut-parleurs de ma chaine stéréo sont défectueux. Il est trop tard, les magasins sont déjà fermés. Je ne sais pas quoi faire!

Toi : Relax, ce n’est pas grave! Tu as tout ce qu’il faut chez toi pour te faire un haut-parleur.

Ton ami : Hein?

Toi : Ben oui. Est-ce que tu as du fil électrique très fin, de la colle, du carton et un aimant?

Ton ami : Oui

Toi : Bon, alors ne bouge pas, j’arrive! Je vais te montrer comment faire tes haut-parleurs pour ce soir!

Ton ami : COOL!
Haut-parleur sans la caisse de résonnance

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5e/bravox_e2k.jpg

Source : Matias Reccius
Q27. Connaissez-vous certains composants des microphones ou des haut-parleurs? Si oui, nommez-les.

Réponse personnelle : Vous devriez tout de même avoir déjà observé la membrane, les fils électriques et le boitier. À la fin de cette situation, vous en connaitrez beaucoup plus.

Q28. Les haut-parleurs et les microphones sont conçus avec les mêmes composants électriques et magnétiques. Mais l'un sert à faire exactement le contraire de l'autre. Donnez la fonction de chacun des appareils en faisant ressortir le lien avec l'électricité.
Haut-parleur :

Il sert à transformer l'énergie électrique transmise par un amplificateur audio par l'entremise du courant électrique en énergie sonore (son).
Microphone :

Il sert à tranformer l'énergie sonore en énergie électrique sous la forme d'un courant électrique qui sera acheminé à un amplificateur audio.

Tâches à accomplir dans cette situation :

  1. Concevoir un haut-parleur ;

  2. Fabriquer un haut-parleur ;

  3. Vérifier son fonctionnement ;

  4. Montrer qu'il peut servir de microphone.


En effectuant cette démarche de conception, vous pratiquerez encore les techniques de laboratoire suivantes : Montage et démontage — Utilisation sécuritaire du matériel — Utilisation des instruments de mesure — Schématisation.
Michael Faraday n’a pas eu un parcours classique. N’ayant reçu qu’une instruction sommaire, il s’engagea à 14 ans comme garçon de courses chez un libraire-papetier de Londres. C’est grâce à cet emploi qu’il se mit à lire beaucoup. Après la découverte d’un petit livre de chimie, il fit ses propres expériences pour confirmer ce qu’il avait lu. Plus tard, un client de son patron le remarqua et l’invita à un de ses cours. De fil en aiguille, il devint son assistant et l’accompagna dans ses voyages. j0299125

Faraday entreprend des recherches sur l’électromagnétisme et constate l’action exercée par l’aimant sur un courant électrique, complétant ainsi les théories élaborées par Ampère. Par ce moyen, il réussit à faire tourner un circuit sous l’action d’aimants permanents, découvrant ainsi le principe du moteur électrique et du haut-parleur.

Tâche 1 : Concevoir un haut-parleur

Le haut-parleur que vous allez concevoir et fabriquer devra respecter un cahier des charges. Celui-ci fixe les exigences que vous devrez absolument suivre et les contraintes qui encadrent votre travail.

c:\users\portable\appdata\local\microsoft\windows\temporary internet files\content.ie5\hq5598jf\icon_video[1].pngVisionnement d'une vidéo https://youtu.be/wB_tm70-Lm8

Afin de voir les liens entre la production d'un champ magnétique par des courants électriques et le fonctionnement d'un haut-parleur, visionnez la vidéo suivantes : Elle vous sera très utile pour entreprendre votre conception. La vidéo se nomme Principe sous-jacent au fonctionnement des haut-parleurs.

Q29. Que se passe-t-il lorsqu'un conducteur parcouru par un courant électrique est près d'un aimant?
Il subit une force qui dépend du sens du courant électrique et de son intensité.

Q30. Que faut-il faire pour qu'une membrane vibre rapidement?
Il faut s'organiser pour que le sens du courant électrique à l'intérieur du solénoïde change rapidement. Le solénoïde ou l'électroaimant doit être fixé à la membrane.

Cahier des charges de la fabrication de votre haut-parleur :
Au regard du milieu technique :

    • Le haut-parleur devra être branché à un amplificateur audio.

    • Le haut-parleur devra mesurer au maximum 20 cm x 20 cm x 20 cm.


Au regard du milieu humain :

    • Le haut-parleur devra être sécuritaire, léger, facilement manipulable et démontable.


Au regard du milieu industriel :

    • Le haut-parleur devra être fabriqué à partir des outils et du matériel fournis à l’atelier.

Matériel disponible :

Aimant cylindrique en néodyme

Fil de cuivre émaillé

Carton rigide et carton souple

Colle

Fil audio 1/8

Cylindres

Amplificateur

Ruban adhésif

Autres matériaux recyclés

Outils :

Ciseaux

Pinces coupantes

Couteau à lame rétractable

Afin de planifier la fabrication de votre haut-parleur, vous devez d'abord concevoir le circuit électrique et expliquez comment il va fonctionner. Vous devrez faire valider votre conception par votre enseignant avant qu'il vous fournisse le matériel nécessaire et que vous procédiez à la fabrication.

Schéma du circuit électrique de votre haut-parleur :

Schématisez le circuit électrique qui permettra à votre haut-parleur de fonctionner. Vous devez inclure dans votre schéma tous les composants électriques et magnétiques. Référez-vous à la liste des symboles normalisés à la page 162.


Fonctionnement :

La description du fonctionnement doit inclure le rôle de chaque composant et les principes d'électricité et de magnétisme impliqués.

Lorsqu'un courant électrique en provenance d'un amplificateur audio arrive au solénoïde, celui-ci crée un champ magnétique. Le solénoïde est près d'un aimant permanent et est fixé à une membrane mince. Puisque l'intensité du courant varie constamment à l'intérieur du solénoïde, le champ magnétique induit par celui-ci variera aussi constamment. En présence de l'aimant permanent, il y aura alternance entre la répulsion et l'attraction du solénoïde. Cela se traduira par un mouvement de vibration de l'ensemble formé du solénoïde fixé à la membrane.

Cette vibration se transmettra à l'air sous forme d'ondes sonores si les fréquences de vibration sont dans la plage perceptible par l'oreille humaine. Celle-ci se situe entre 16 Hz et 18 kHz.


Tâche 2 : Fabriquer un haut-parleur

À l'atelier ou au laboratoire de votre centre, procédez à la fabrication du haut-parleur.

Consignes facilitant la fabrication :

L’aimant devrait être fixe et la bobine mobile. Cette dernière est tout près ou autour de l’aimant.

La bobine et la membrane devraient être solidaires et bouger ensemble.

Les deux extrémités du fil de cuivre (bobine) doivent sortir de votre haut-parleur pour se brancher à l’amplificateur.

Les extrémités des fils devront être sablées afin d’enlever la couche de vernis qui isole le cuivre et empêche le contact électrique.

Tâche 3 : Vérifier son fonctionnement
Vérification du cahier des charges :

Assurez-vous que votre haut-parleur fonctionne adéquatement et qu'il respecte le cahier des charges.

Conseils pour la vérification du fonctionnement :

À l’aide d’un ohmmètre, vérifiez la résistance de votre haut-parleur. Une résistance trop faible pourrait endommager votre lecteur MP3. Par mesure de sécurité, ajoutez une résistance de 10 ohms à votre circuit si vous utilisez un appareil personnel. Le mieux est de faire les essais avec un appareil sans valeur.

Avec le fil audio fourni par votre enseignant, dont l’une des deux extrémités a été dénudée, branchez la prise 1/8 toujours en place à votre lecteur MP3.

Branchez l’autre extrémité du fil audio (deux fils dénudés) à vos deux extrémités du fil de cuivre de votre bobine.

Faites jouer de la musique connue. La reconnaissez-vous? Sinon, montez le volume au maximum et collez votre oreille sur votre haut-parleur.

Normalement, avec un lecteur MP3, la musique devrait être reconnaissable.

Tâche 4 : Montrer qu'il peut servir de microphone
Comme on l'a déjà dit au début de cette situation d'apprentissage, le haut-parleur que vous avez fabriqué possède les mêmes composants que le microphone.
Microphone de spectacle

haut-parleur microphone

Source : Circe Denyer

Évidemment, les microphones sont généralement beaucoup plus petits et sensibles que les haut-parleurs. Avant de prouver que votre haut-parleur pourrait aussi servir de microphone, il est nécessaire de faire connaissance avec l'induction électromagnétique.

En 1831, Michael Faraday effectue sa découverte la plus marquante, celle de l’induction électromagnétique, qui permet de transformer un travail mécanique en énergie électrique. Cette découverte est à la base de la conception des générateurs électriques et des... microphones!j0299125
Après avoir découvert qu'un courant électrique pouvait produire un champ magnétique, il a ensuite démontré que le processus inverse existait : un champ magnétique peut générer un courant électrique. On appelle ce processus l'induction électromagnétique.




c:\users\portable\appdata\local\microsoft\windows\temporary internet files\content.ie5\hq5598jf\icon_video[1].pngVisionnement d'une vidéo

Visitez le site Web suivant qui présente l'induction électromagnétique et écoutez la capsule : http://www.larousse.fr/encyclopedie/animations/Induction_%c3%a9lectromagn%c3%a9tique/1100197

Pour pouvoir produire un courant électrique à partir d'un champ magnétique, on peut procéder de 3 façons :


  • en déplaçant un conducteur à l'intérieur d'un champ magnétique;

  • en déplaçant un aimant près d'un conducteur;

  • en faisant varier le champ magnétique d'un électroaimant près d'un conducteur.


En fait, il faut qu'il y ait variation du champ magnétique dans le conducteur. Cette variation peut être causée par le mouvement de l'aimant ou du conducteur, mais aussi par une variation de l'intensité du courant électrique dans un électroaimant. En effet, si le courant électrique varie dans un solénoïde, le champ magnétique qu'il produira variera aussi comme vous l'avez constaté dans la situation précédente dans l'activité sur les solénoïdes.
L'induction électromagnétique est largement utilisée pour transformer l'énergie mécanique en énergie électrique.

Q31. Dans vos mots, dites ce qu’est l’induction électromagnétique.
L'induction électromagnétique est la production d'un courant électrique ou d'une force électromotrice par un conducteur soumis à une variation d'un champ magnétique.
Q32. Quel instrument de mesure pourriez-vous utiliser pour observer si un courant électrique est produit?
Un ampèremètre ou un multimètre réglé à la position « Intensité du courant ».

Q33. Nommez deux moyens d’induire un courant électrique dans un fil ou tout autres conducteurs.

  1. Bouger un aimant près du fil ou du conducteur

  2. Bouger le fil ou le conducteur près de l'aimant

  3. Faire varier le champ magnétique d'un électroaimant près d'un fil ou d'un conducteur.

Afin de vérifier que votre haut-parleur peut produire du courant électrique, vous pouvez vous inspirer des idées suivantes selon le matériel disponible :

  • Prenez des mesures de l'intensité du courant ou de la f.é.m. induite avec un multimètre,

  • Connectez-le à un oscilloscope si possible et observez votre voix à l'écran,

  • Au lieu de brancher votre haut-parleur dans une sortie audio de votre amplificateur, branchez-le dans une prise micro et tentez d’enregistrer des sons;

  • Si votre haut-parleur n'est pas assez sensible, il faudra peut-être que vous donniez de petits coups sur la membrane afin de créer de petites pulsions électriques.

Retour sur votre démarche

C'est déjà votre troisième conception d'appareil électrique. Dans le tableau suivant, pour chaque énoncé, cochez la case qui correspond le plus à ce que pensez.

Énoncés vous décrivant

Totalement vrai

En partie vrai

Faux

Je m'efforce de faire ma conception sans consulter le corrigé.










Je prends soin de bien réfléchir avant de faire une manipulation.










Je suis de plus en plus autonome à l'atelier.










Lorsque je ne suis pas certain de ce qu'il faut faire, je me valide auprès de l'enseignant (ou du technicien).










Je valide mon prototype (haut-parleur) en m'assurant qu'il respecte le cahier de charge.











Si vous avez répondu Totalement vrai pour les 5 énoncés, tout va bien pour vous. Vous avez la bonne attitude et vous n'avez qu'à la conserver tout au long de ce cours. Dans le cas contraire, vous savez sur quel(s) aspect(s) vous devrez redoubler d'effort.

La conservation de l'énergie
Afin de compléter ce chapitre, on vous propose de vous initier à l'un des principes les plus fondamentaux de la science : la conservation de l'énergie. L'énergie est toujours conservée, tant dans la nature que dans tous les appareils qui nous entourent. Elle se transforme d'une forme à l'autre, mais jamais elle ne peut être détruite ou créée.
Afin de vous initier à la loi de conservation de l'énergie, faites les pages suivantes dans votre cahier de savoirs et d'activités :

Page 163 au complet à l'aide du dictionnaire ou d'Internet afin de trouver les définitions des mots qui servent à compléter le texte :

Pages 157 à 162 au complet :

Loi de la conservation de l’énergie.
Q34. Quelle transformation de l'énergie permet le moteur électrique?
Il permet de transformer l'énergie électrique en énergie mécanique de rotation.

Q35. Quelle transformation de l'énergie permet le microphone?
Il permet de transformer l'énergie sonore (énergie cinétique de vibration des molécules d'air) en énergie électrique.
Q36. Quelle transformation de l'énergie permet une DEL?
Elle permet de transformer l'énergie électrique en énergie lumineuse

Attention : Bien que l'énergie soit toujours conservée lors d'une transformation, il y a la plupart du temps une certaine partie de cette énergie qui se transforme en chaleur. C'est le cas dans tous les appareils électriques. On dit qu'il y a alors une perte d'énergie bien qu'elle ne soit pas vraiment perdue! On en reparlera au prochain chapitre.
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