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RéalisationAssociation québécoise pour la maîtrise de l’énergie (AQME)Sous la direction de Marie-France Courtemanche-Bell, AQME
Comité de conceptionMarie-France Boisvert, enseignante en physique, école secondaire des Chutes, Commission scolaire de l’Énergie (CSDE)Nancy Brouillette, conseillère pédagogique en science et technologie, CSDECaroline Fortin, enseignante en physique et en mathématique, école secondaire Champagnat, CSDEGuy Lavallée, enseignant en physique, école secondaire Val-Mauricie, CSDE
Comité de validation pédagogiqueRenée April, conseillère pédagogique en science et technologie, Commission scolaire de MontréalAnnie Grandmont, conseillère pédagogique en science et technologie, Commission scolaire du Chemin-du-RoyOlivier Rémillard, conseiller pédagogique au projet AMI, école Georges-Vanier, Commission scolaire de LavalJulie Robidoux, conseillère pédagogique en mathématique, science et technologie, Commission scolaire des ChênesGhislain Samson, M. Sc., Ph. D., professeur-chercheur, Département des sciences de l’éducation, Universitédu Québec à Trois-RivièresClaude Vallée, enseignant en physique, école secondaire Montcalm, Commission scolaire de la Région-de-Sherbrooke
Comité de validation scientifiqueMarius-Dorin Surcel, M. Sc. A., ingénieur, chercheur, programmes Transport et Énergie et émissions, FPInnovationsHugo Marsolais, ingénieur, directeur des opérations, Institut du transport avancé du Québec (ITAQ)Maxime Ouellet, M.Ing., ingénieur, Centre National du Transport Avancé (CNTA)Pierre-Luc Gélineau, directeur principal du projet étudiant Esteban, École Polytechnique de Montréal
Révision linguistiquePlein de sens
Graphisme Illustrations PhotographiesMarie-Ève Poirier, AQME Jean-Michel Poirier, AQME Gestion PL BeaulieuJean-Michel Poirier, AQME François Escalmel (Icônes) (Gamme de fabrication)(Idée originale : Line Jutras Design)
© Association québécoise pour la maîtrise de l’énergie, 2010Dépôt légal : 2010ISBN 978-2-923772-08-0ISBN 978-2-923772-09-7 (PDF)Imprimé au Canada
La reproduction, l’adaptation, la traduction ou la diffusion d’une partie ou de la totalité du Guide de l’enseignantde la situation d’apprentissage et d’évaluation Comment récupérer l’énergie cinétique d’un véhicule ? du projetGénergie sont autorisées en contexte scolaire uniquement. La source doit toujours être clairement indiquée. Pourobtenir l'autorisation d’utiliser le matériel Génergie à d’autres fins éducatives, veuillez communiquer avec l’Association québécoise pour la maîtrise de l’énergie (AQME).
Utilisée dans ce guide sans aucune discrimination, la forme masculine ne vise qu’à alléger le texte.
Imprimé sur du papier Rolland Enviro100 contenant 100 % de fibres postconsommation.
Notes
CoverPhysiqueProf.qxd:Layout 1 10-11-16 12:18 PM Page 2
Remerciements
L’Association québécoise pour la maîtrise de l’énergie (AQME) tient à mentionner la généreuse contribution duministère du Développement économique, de l’Innovation et de l’Exportation du gouvernement du Québec,principal partenaire financier dans la réalisation du projet Génergie.
Génergie a bénéficié, cette année, du soutien financier de Cascades et de la Commission de la constructiondu Québec. Ces entreprises ont su voir en ce projet une belle occasion de contribuer au soutien de la relève etde stimuler la curiosité et l’intérêt des élèves et de plusieurs intervenants du milieu scolaire pour les questionsénergétiques. L’AQME souhaite les en remercier.
L’AQME désire aussi souligner la grande collaboration des experts scientifiques qui ont accepté de partagerleur expertise. Leur précieuse collaboration a permis d’offrir un contenu riche et diversifié, ajoutant ainsi uneplus-value à cette situation d’apprentissage et d’évaluation.
L’AQME souhaite également exprimer sa gratitude envers tous les enseignants, professeurs et conseillers pédagogiques qui ont aidé à concevoir et à valider cette situation d’apprentissage et d’évaluation. L’AQME désire souligner plus particulièrement la collaboration de la Commission scolaire de l’Énergie, qui a soutenusans restriction le travail de ses enseignants et de sa conseillère pédagogique en science et technologie.
Finalement, l’AQME remercie très chaleureusement les membres du comité de travail qui ont su orienter le développement global du projet Génergie en offrant leurs conseils et en favorisant le rayonnement du projetdans leur réseau respectif.
01
Organismes collaborateurs
Principal partenaire financier Grands partenaires
Légende
02 Travail en équipe de base
Travail en équipe d’experts
Travail en groupe-classe
Travail individuel
G
I
E
B
Un peu d’histoire
En bref
Principes scientifiques etprocédés technologiques
Avantages et inconvénients
Vues sur le monde
Documents à photocopierpour les élèves
Lecture, recherche et collecte de données
Réflexion
Discussion et exposé oral
Expérience
Les métiers et carrièresen énergie
Table des matières
Remerciements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Légende . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
À propos de l’AQME. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Portrait de la SAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Synthèse des apprentissages ciblées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Méthodes d’évaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Avant de débuter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Préparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Réalisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Intégration et réinvestissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Mot de la fin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
ANNEXES
Annexe 1 : Canevas de planification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Annexe 2 : Solutionnaire – Questions d’activation des connaissances antérieures . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Annexe 3 : Pistes de réponses pour le laboratoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Annexe 4 : Symboles des unités de mesure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
03
À propos de l’AQME
L’Association québécoise pour la maîtrise de l’énergie (AQME) est une association multisectorielle qui rassemble les fournisseurs, les professionnels, les producteurs, les consommateurs et les distributeurs du milieu de l’énergie.
Au service de ses membres depuis 1985, l’AQME a fait des enjeux d’efficacité énergétique son cheval de bataille et est devenue une référence incontournable dans le domaine. Organisme sans but lucratif, neutre et indépendant, l’Association travaille à structurer l’industrie en promouvant l’acquisition, le développement et le partage de connaissances en maîtrise de l’énergie par le biais d’activités et de services adaptés auxbesoins des intervenants du milieu.
Présentation de GénergieLe projet Génergie s’inscrit dans la volonté de l’AQME d’éveiller la jeunesse aux enjeux énergétiques actuels et futurs. Par la conception et la production d’outils et de services éducatifs présentant divers aspects reliés àla maîtrise de l’énergie, l’AQME contribue à la mise en place de mesures favorisant l’épanouissement d’unerelève nombreuse et compétente en énergie. En créant un lien concret et dynamique entre le milieu scolaire et le milieu professionnel de l’énergie, l’AQME offre aux jeunes une occasion de poser un regard différent sur ce domaine en pleine effervescence.
Objectifs généraux• Stimuler l’intérêt des jeunes du secondaire et du collégial pour le domaine de l’énergie;
• Faciliter la compréhension des enjeux énergétiques;
• Promouvoir les métiers et les carrières en énergie;
• Dynamiser les relations entre le milieu scolaire et celui de l’industrie de l’énergie;
• Contribuer à l’enrichissement de la culture scientifique et technologique des enseignants et de leurs élèves.
Questions et commentairesPour télécharger gratuitement le matériel éducatif de Génergie ou pour en connaître davantage sur ce projet etl’AQME, nous vous invitons à consulter la page Internet suivante : www.aqme.org/genergie ou à communiqueravec nous.
Association québécoise pour la maîtrise de l’énergie255, boulevard Crémazie Est, bureau 750Montréal (Québec) H2M 1L5Tél. : 514 866-5584Téléc. : 514 [email protected] 04
Portrait de la SAE
Cette situation d’apprentissage et d’évaluation (SAE) a été conçue pour s’intégrer au cours de physique de latroisième année du deuxième cycle du secondaire. Elle favorise l’acquisition et la structuration de plusieursconcepts prescrits en physique dans le Programme de formation de l’école québécoise (PFEQ) par le biaisd’applications technologiques liées au monde du transport et à la consommation d’énergie.
Elle offre aux élèves la possibilité d’explorer le domaine général de formation Environnement et consommation,mais également un domaine d’emploi particulier, ce qui peut les amener à raffiner leur réflexion quant à leurorientation professionnelle. Elle comporte deux démarches fondamentales en science et en technologie, soit ladémarche expérimentale (première partie, qui est optionnelle) et la démarche d’analyse (deuxième partie).
Les nombreuses stratégies d’exploration et d’analyse mises à contribution à divers moments de la SAE soutiennentle développement des trois compétences du domaine d’apprentissage de la science et de la technologie. De plus,la SAE permet de poursuivre le développement de plusieurs compétences reliées à d’autres domainesd’apprentissage, notamment au français pour la rédaction de textes et aux mathématiques pour tout ce quitouche au formalisme mathématique. Des outils d’évaluation par compétence (transversale et disciplinaires)ont aussi été développés et sont présentés à la fin du Cahier de l’élève.
Enfin, cette SAE sensibilise les élèves à l’importance de développer et d’utiliser des modes de transport durablesen suscitant la réflexion sur la consommation de carburant, la récupération d’énergie et les impactsenvironnementaux, sociaux et économiques liés au transport des individus et des marchandises.
Veuillez noter que le canevas de planification de la SAE se trouve en annexe 1 du présent document.
Intention pédagogiqueAmener les élèves à comprendre qu’il existe plusieurs moyens de récupérer de l’énergie cinétique dans un véhicule, afin de la transformer et de l’emmagasiner pour une utilisation ultérieure.
Objectifs spécifiquesCette SAE vise à développer les compétences et les connaissances des élèves en leur faisant vivre plusieursexpériences d’apprentissage qui abordent une thématique habituellement peu exploitée. Les élèves serontdonc amenés à réaliser les tâches suivantes :
• Observer, comprendre et calculer un transfert d’énergie cinétique par le biais d’une démarche expérimentale(option avec laboratoire);
• Effectuer une recherche documentaire sur l’un des quatre systèmes de récupération et d’emmagasinage d’énergie cinétique;
• Comprendre le contexte d’application de ces systèmes et proposer une solution à une étude de cas fictive;
• Explorer et évaluer leur intérêt personnel pour des métiers et des carrières reliés au domaine de l’énergie dans les transports.
Durée prévueOption sans laboratoire : quatre périodes de 75 minutes en salle de classe et périodes de devoir à la maison.Option avec laboratoire : six périodes de 75 minutes en salle de classe et périodes de devoir à la maison.
Nous vous invitons à réaliser cette SAE en seconde partie d’année scolaire, car elle peut faire l’objet d’une activité synthèse qui met en relation certains concepts provenant de chapitres différents.
05
Synthèse des apprentissages ciblés
Domaine général de formation (DGF) : Environnement et consommation
Intention éducative : « Amener l’élève à entretenir un rapport dynamique avec son milieu, tout en gardant une distance critique à l’égard de la consommation et de l’exploitation de l’environnement. » (Gouvernementdu Québec, 2007, p. 9)
Axe de développement : Connaissance de l’environnement
Compétences disciplinaires• Compétence 1 : Chercher des réponses ou des solutions à des problèmes relevant de la physique
(option avec laboratoire)
• Compétence 2 : Mettre à profit ses connaissances en physique
• Compétence 3 : Communiquer sur des questions de physique à l’aide des langages utilisés en science et en technologie
Compétence transversale• Compétence : Se donner des méthodes de travail efficaces
Concepts préalables (2e année du 2e cycle)• Relation entre puissance et énergie électrique
• Loi de la conservation de l’énergie
• Relation entre vitesse constante, distance et temps
• Rendement énergétique
• Relation entre le travail et l’énergie
• Relation entre l’énergie cinétique, la masse et la vitesse
• Fonction de transformation de l’énergie
Concepts prescrits en physique
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Cinématique (option avec laboratoire )
• Mouvement rectiligne uniforme (MRU)
- Relation entre la position par rapport à l’origine, la vitesse et le temps
- Déplacement et distance parcourue
• Mouvement rectiligne uniformément accéléré(MRUA)
- Relation entre l’accélération, la variation de la vitesse et le temps
- Relation entre l’accélération, la distance parcourue et le temps
- Vitesse moyenne et vitesse instantanée
- Mouvement d’un corps sur un plan incliné
Transformation de l’énergie
• Relation entre la puissance, le travail et le temps
• Énergie mécanique
Dynamique
• Lois de Newton
• Diagramme de corps libre
• Équilibre et résultante de plusieurs forces
• Force de frottement
• Force centripète
• Accélération gravitationnelle
Stratégies d’exploration• Inventorier le plus grand nombre possible d’informations scientifiques, technologiques et contextuelles
éventuellement utiles pour cerner un problème ou prévoir des tendances
• Évoquer des problèmes similaires déjà résolus
• Anticiper les résultats d’une démarche
• Explorer diverses pistes de solutions
Stratégies d’analyse• Déterminer les contraintes et les éléments importants pour la résolution d’un problème
• Faire appel à divers modes de raisonnement (ex. : inférer, induire, déduire, comparer, classifier, sérier)pour traiter des informations
• Raisonner par analogie pour traiter des informations et adapter ses connaissances scientifiques
Attitudes intellectuelles• Rigueur
• Sens du travail méthodique
• Souci de précision dans la mesure et le calcul
Attitudes comportementales• Autonomie
• Souci d’efficacité
• Sens de l’effort
• Coopération efficace
Repères culturels• Gaz à effet de serre (GES)
• Transport durable
• Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques (CCNUCC)
• Protocole de Kyoto
• Salon national de l’environnement (exposants en transport durable)
• Visite d’un musée sur le transport (ex. : Bombardier à Valcourt)
• Visite d’un département de génie mécanique (cégeps et universités)
• Économie et consommation responsable d’énergie
• Isaac Newton (lois résumant les relations entre les forces et le mouvement)
• Richard Feynman, physicien américain
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Méthodes d’évaluation
Une grille d’évaluation descriptive à cinq niveaux a été élaborée pour chacune des compétences que cible laSAE, soit la compétence 1 : Chercher des réponses ou des solutions à des problèmes relevant de la physique,la compétence 2 : Mettre à profit ses connaissances en physique, et la compétence 3 : Communiquer sur desquestions de physique à l’aide des langages utilisés en science et en technologie. Ces grilles sont disponibles à la fin du Cahier de l’élève.
Conçus dans un souci de rigueur et le respect du PFEQ, plusieurs outils d’évaluation permettent aussi auxélèves d’effectuer individuellement ou en groupe des rétroactions pertinentes sur le développement des compétences mobilisées dans cette SAE.
Par exemple, une grille d’auto-évaluation de la compétence transversale : Se donner des méthodes de travailefficaces a été créée pour permettre à l’élève d’évaluer son travail. Elle est disponible à la page 19 duCahier de l’élève.
Vous êtes invité à faire découvrir ces outils à vos élèves en début d’activité afin qu’ils gardent en tête le développement de ces compétences et qu’ils connaissent vos attentes.
Il est important de souligner que les outils d’évaluation de cette SAE sont présentés à titre de modèles. Il estpossible qu’ils aient besoin d’être retravaillés afin qu’ils soient plus conformes à votre enseignement. Notezcependant qu’ils ont été testés en classe et qu’ils se sont avérés tout à fait fonctionnels.
Puisque Génergie est une initiative éducative ouverte et dynamique, nous aimerions vous inviter à nous faireparvenir les outils que vous concevrez ainsi que tout commentaire recueilli lors de la réalisation de cette SAE.Vous pouvez communiquer directement avec la coordonnatrice du projet Génergie à l’adresse courriel suivante : [email protected].
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Avant de débuter
Option avec laboratoire
Commande du matérielCette SAE exige l’utilisation d’un objet essentiel que la plupart des écoles devront commander, soit le systèmede récupération d’énergie cinétique (petit moteur). Assurez-vous de commander cette pièce à l’avance, car ilfaut prévoir de deux à six semaines pour la livraison.
Pour savoir comment vous procurer les systèmes de récupération d’énergie et quels modèles choisir, consultez le document d’information complémentaire sur l’achat de matériel pour la SAE sur la page Internet de Génergie : www.aqme.org/genergie.
Gamme de fabricationPrévoyez du temps pour permettre à vos techniciens en travaux pratiques de réaliser le ou les montages.Il est estimé que le montage d’une structure peut prendre en moyenne une heure. Il est suggéré de montersuffisamment de structures pour que les élèves puissent travailler en équipe de quatre. Vous pouvez aussimonter moins de structures et fonctionner sous forme d’atelier rotatif. Une partie de vos élèves effectue lelaboratoire alors que l’autre répond aux questions d’activation de connaissances antérieures (Cahier de l’élève,page 2) et vice-versa. Puis, pendant que certaines équipes complètent la partie analyse, l’autre commence la deuxième partie du laboratoire.
Il est aussi possible de monter un seul statif et de transformer ce laboratoire en démonstration interactive en faisant participer quelques élèves. Le travail est donc réalisé en groupe-classe.
Une gamme de fabrication présentant une séquence de montage des statifs qui doivent servir de base à la réalisation du laboratoire (partie optionnelle) est proposée dans la fiche 7, Gamme de fabrication pour le laboratoire.
Préparation du matériel didactiqueAssurez-vous d’avoir imprimé le Cahier de l’élève en nombre suffisant. Pour les fiches, vous pouvez aussi lesphotocopier et les distribuer à vos élèves ou simplement les plastifier afin de les récupérer et de les réutiliserultérieurement. Vous pouvez également les projeter sur un écran en utilisant les versions PDF disponibles surla page Internet de Génergie.
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PréparationDurée : 1 heure 15 minutes
Introduction à la thématique généralePour capter l’intérêt de vos élèves et introduire la thématique du transport, nous vous suggérons d’entamer la SAE avec le visionnement d’une vidéo traitant de la notion de transport durable et de l’évolution dans lesmodes de transport ou encore avec la présentation sommaire de certaines innovations en récupérationd’énergie ou concernant les véhicules électriques.
Consultez la section Liens utiles de la SAE sur la page Internet de Génergie pour découvrir des suggestions de vidéos ou d’hyperliens traitant de ces sujets.
Vous pouvez aussi amorcer une discussion sur les moyens que vos élèves peuvent utiliser pour se déplacer demanière écologique (ex. : vélo, marche, transport en commun, voiture électrique, covoiturage). Amenez-les àpréciser leur pensée en les interrogeant sur les caractéristiques qui font de ces types de transport des moyensde déplacement durables.
Vous pouvez également leur parler de la notion de conduite écologique, qui consiste à opter pour un comportementresponsable sur la route, en respectant notamment les limites de vitesse, et à réduire le poids de son véhicule.
Puis, orientez le débat vers l’exploration des technologies qui permettent de réduire la consommation de carburant et d’optimiser l’utilisation de l’énergie dans les moyens de transport, favorisant ainsi la réductiond’émissions de gaz à effet de serre (GES).
PISTES DE RÉPONSESTechnologies et stratégies qui réduisent les émissions de GES :
• La voiture à hydrogène (demande cependant beaucoup d’énergie pour la production initiale de l’hydrogène);
• Le moteur à essence de cylindrée réduite et couplé à un turbocompresseur et à une injection plus directe;
• La boîte de vitesses manuelle à commande d’embrayage électronique;
• Les biocarburants;
• L’écopédale;
• L’allègement des véhicules;
• Une carrosserie plus aérodynamique;
• Les véhicules hybrides, leurs systèmes de récupération d’énergie cinétique et les différents modes d’emmagasinage de l’énergie récupérée.
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Mise en contexteInvitez vos élèves à lire la mise en contexte qui se trouve à la page 1 du Cahier de l’élève. Demandez-leur deréécrire le mandat qui leur est confié dans leurs propres mots (Cahier de l’élève, page 1).
Puis, expliquez-leur brièvement en quoi consiste un système de récupération d’énergie cinétique. La fiche 2,Informations générales, vous présente un tour d’horizon assez complet sur les notions de consommationd’énergie et de récupération. Vous pouvez la faire lire à vos élèves ou vous en inspirer pour bâtir votre intervention.Celle-ci peut prendre la forme d’une discussion interactive où vous posez des questions et où les élèves répondentselon leurs connaissances. Un espace pour prendre des notes est prévu à la page 1 du Cahier de l’élève.
Avant de réaliser la tâche complexe, les élèves effectueront plusieurs tâches pour se familiariser avec certainsconcepts. Le laboratoire proposé en option permet de faire comprendre aux élèves, par une approche visuelleet très concrète, les forces qui influencent le mouvement d’un véhicule, les « pertes » énergétiques qui endécoulent et les possibilités de les récupérer et de les réutiliser à d’autres fins.
Les élèves auront aussi à réaliser une recherche documentaire, en équipe d’experts, sur l’une des technologiesde récupération et d’emmagasinage de l’énergie cinétique.
Puis, lors de la réalisation de la tâche complexe, les élèves devront décider, en équipe de base, du meilleursystème de récupération et d’emmagasinage d’énergie cinétique à utiliser selon les différentes études decas proposées.
Formation des équipesFormez vos équipes de base de quatre élèves. Chacune d’elles pourra réaliser le laboratoire et l’analyse del’étude de cas. Demandez à vos élèves d’inscrire le nom de leurs coéquipiers sur la page couverture de leurcahier à l’endroit approprié. Informez-les qu’ils rempliront la section « expert en » lorsque vous constituerez leséquipes d’experts. Chaque équipe de base sera alors composée de quatre experts ayant étudié chacun unsystème de récupération d’énergie différent (fiches 3 à 6).
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Réalisation
Laboratoire : Le transfert d’énergie dans un système complexeDurée : 2 heures 30 minutes
But du laboratoireInitiez vos élèves au concept de récupération d’énergie afin de leur permettre de comprendre plus facilementles différents systèmes de récupération et d’emmagasinage d’énergie. Ces systèmes sont présentés dans lesfiches techniques 3 à 6.
Activation des connaissances antérieuresPour que vos élèves soient capables de bien réaliser les tâches demandées dans ce laboratoire, faites unretour sur certaines notions clés telles que les unités et les symboles utilisés dans ce laboratoire (Cahier de l’élève,page 23). Ce retour peut prendre la forme d’un jeu-questionnaire, d’un schéma de concepts dessiné au tableauou d’un simple échange en groupe-classe. Basez-vous sur la liste des concepts préalables nommés enpage 6 du présent guide.
Après ce bref rappel de concepts préalables, demandez à vos élèves de répondre, en équipe de base auxquestions de la section Activation des connaissances antérieures du Cahier de l’élève (page 2). Vous trouverezle solutionnaire en annexe du présent guide (annexe 2).
Expérience no 1 : Calcul des pertes sans récupération d’énergie
But de l’expérience
La première expérience sert à faire prendre conscience à vos élèves que le mouvement d’un objet, dans cecas-ci du chariot, engendre toujours des pertes d’énergie. Cela signifie qu’une partie de l’énergie, destinée enprincipe à réaliser un mouvement, sera transformée en une autre forme d’énergie, qui ne servira pas à fairedéplacer l’objet (ex. : en chaleur). Une partie de l’énergie devient donc de l’énergie dite « perdue » puisqu’ellen’est pas utilisable pour effectuer le travail visé. Pour en savoir plus, consultez la fiche 2.
Cette première expérience donne l’occasion à vos élèves de s’approprier des concepts qu’ils reverront dans laSAE. Il n’est donc pas prévu qu’ils soient évalués à cette étape.
Déroulement
Dans un premier temps, expliquez à vos élèves le but du laboratoire, puis invitez-les à observer le montage quiest devant eux. Demandez-leur ensuite d’émettre une hypothèse sur l’importance des pertes énergétiques dece montage (système). Dans les faits, la quantité d’énergie perdue sera faible, puisque le montage est trèssimplifié et ne libère pas beaucoup d’énergie. Mais, proportionnellement à la taille du montage, la quantitéd’énergie perdue est signicative.
Par la suite, vos élèves doivent compléter le protocole défini dans leur cahier. Ce protocole leur est donné, carsans lui, très peu d’équipes parviendraient seules au résultat attendu. De plus, cette expérience vise à fairecomprendre à vos élèves le phénomène de perte d’énergie et non à les mener à élaborer un protocole. Cependant,lors de la seconde expérience, vos élèves auront à bâtir leur propre protocole. Ils pourront alors se référer auxapprentissages réalisés lors de la première expérience.
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Liste de vérificationAssurez-vous de valider chacun des protocoles de vos élèves avant d’autoriser ces derniers à poursuivre;
• Assurez-vous que les chariots sont bien attachés et qu’ils ne risquent pas de tomber en bas du plan incliné;
• Vérifier avec vos élèves que le contrepoids est bien ajusté : trop lourd, le chariot ne descendra pas, tropléger, le chariot continuera d’accélérer;
• Revoyez avec eux comment ils comptent travailler ensemble pour prendre les différentes mesures.
Vos élèves mettent ensuite le montage en marche. Ils peuvent faire un premier essai pour voir si tout est bieninstallé. Par la suite, ils doivent prendre des lectures du chronomètre à étincelle afin de s’assurer que le chariotatteint une vitesse constante après les 15 premiers centimètres de descente. Lorsque le chariot atteint unevitesse constante, l’espacement entre les points imprimés sur le ruban à étincelles devient presque uniforme.
Vos élèves ont aussi à recueillir certaines données pour effectuer les calculs qui les conduiront à découvrir la quantitéd’énergie perdue par le système. Ils doivent inscrire leurs données dans le tableau des mesures situé à la page 4de leur cahier. Rappelez à vos élèves que la masse du chariot et celle du contrepoids sont en kilogrammes.
Vous trouverez à l’annexe 3 des exemples de données recueillies et de calculs. Notez que ces résultats sontexpérimentaux et qu’ils varieront selon les composants utilisés dans votre montage (ex. : masse du chariot,angle du plan incliné, masse du contrepoids).
Si vous désirez introduire les technologies de l’information et de la communication (TIC) dans cette SAE etfaire produire des graphiques pour illustrer le déplacement du chariot à l’aide d’un logiciel tel qu’Excel, vouspouvez demander à vos élèves d’effectuer plus d’une descente pour permettre la prise de données multiples.
Analyse des résultats
Mentionnez à vos élèves que leur analyse se fait de manière individuelle. Cependant, pour les aider à structurerleur texte, invitez-les à consulter la liste de vérification (Cahier de l’élève, page 6). Vous pouvez égalementdemander à vos élèves que cette partie soit faite en devoir.
Notez qu’il est souhaitable de laisser vos élèves, le cas échéant, revenir sur leur hypothèse ou leur protocoletout au long de l’expérience. Ils démontrent ainsi qu’ils prennent conscience des impacts de leurs actions etqu’ils y réfléchissent. Cependant, il est primordial qu’ils conservent toutes les traces de leurs démarches, ycompris les changements qu’ils ont apportés à ces dernières.
De plus, il est suggéré que vous prévoyiez un temps pour que vos élèves effectuent, en grand groupe, unerétroaction sur l’expérience qu’ils viennent de vivre afin qu’ils soient mieux préparer à réaliser la suivante.
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Expérience no 2 : Calcul des pertes avec récupération d’énergie
But de l’expérienceCette seconde expérience vise à faire comprendre à vos élèves qu’il est possible de récupérer une partie del’énergie normalement perdue par un système. En comparant les pertes d’énergie générées lors de la premièreexpérience et celles produites lors de la deuxième, et en tenant compte de l’énergie de travail récupérée, vosélèves pourront déterminer le pourcentage du rendement de leur système de récupération d’énergie par rapportaux pertes.
Notez que lorsqu’un système de récupération d’énergie cinétique est ajouté à un véhicule, la quantité d’énergieque perd celui-ci augmente inévitablement, notamment en raison de l’ajout du poids et de l’augmentation dela friction qu’entraîne l’installation du système. Pour être efficace, le système doit donc récupérer la totalité decette énergie perdue en plus d’une partie de l’énergie que perd normalement le véhicule.
Déroulement
Procédez comme pour la première expérience, mais laissez plus de liberté à vos élèves. Lorsqu’ils arriveront àla rédaction de leur propre protocole, guidez-les en leur rappelant ce qu’ils ont fait dans l’expérience numéroun. Rappelez-leur que cette seconde expérience vise à récupérer de l’énergie normalement perdue lors dudéplacement du chariot afin de faire allumer la diode électroluminescente (DEL). Les modifications à apportéesau montage pour récupérer de l’énergie et la mesurer sont les suivantes : relier le chariot au système de récupération d’énergie (moteur), relier les différents composants électriques (voir le circuit électrique de lagamme de fabrication, fiche 7), déterminer comment et par qui seront prises les nouvelles mesures et ajuster lecontrepoids du chariot. L’angle du plan incliné et la masse du chariot doivent être les mêmes pour les deuxexpériences. De plus, le raccordement du chariot au moteur augmente légèrement la résistance au roulementdu chariot, c’est pourquoi il faut effectuer une comparaison entre les données recueillies lors de la premièreexpérience et celles de la seconde.
Encore une fois, avant de passer à la partie du test, vous devez vérifier le protocole de vos élèves.
Notez que si la diode électroluminescente (DEL) ne s’allume pas lors des essais, le problème réside probablementdans le montage du circuit électrique ou dans le sens d’enroulement de la ficelle. Il se peut aussi que certainespièces soient défectueuses.
Vos élèves effectuent ensuite leur test. Normalement une descente devrait suffire pour prendre les donnéesnécessaires.
Comme dans la première expérience, vos élèves ont à recueillir certaines données pour effectuer les calculs.Ils doivent inscrire leurs données dans le tableau des mesures situé à la page 8 de leur cahier.
Vous trouverez aussi dans la seconde partie de l’annexe 3 des exemples de données recueillies et de calculs.Notez que ces résultats sont expérimentaux et qu’ils varieront selon les composants utilisés dans votre montage(ex. : masse du chariot, angle du plan incliné, masse du contrepoids).
Selon le modèle de moteur que vous vous serez procuré, les valeurs de courant et de tension équivaudrontprobablement à la limite de puissance pouvant être fournie par le moteur (point de saturation approximatif de3,5 selon le modèle utilisé dans la gamme de fabrication). L’angle joue aussi un rôle très important : moins de20 °, la valeur du courant est souvent trop instable, plus de 20 °, le moteur risque de griller.
14
Analyse des résultats
Rappelez à vos élèves que leur analyse se fait de manière individuelle. Cependant, pour les aider à structurerleur texte, invitez-les à consulter la liste de vérification (Cahier de l’élève, page 10). Vous pouvez demander àvos élèves que cette partie soit faite en devoir.
Retour sur le laboratoireAprès avoir réalisé les deux laboratoires, il est suggéré d’effectuer un retour collectif avec vos élèves. Faites-leurressortir les éléments qu’ils retiennent de ces expériences. Vous pouvez aussi leur mentionner que, souvent,en science, les résultats d’expériences de laboratoire menées à l’aide de prototypes, comme celles qu’ils viennentde faire, peuvent parfois sembler insatisfaisants : faibles différences entre les données initiales et finales, tauxde récupération d’énergie insignifiant, instabilité des appareils de mesure, etc. Cependant, indiquez-leur qu’ilsviennent d’étudier un principe, comme des théoriciens le font leur vie durant. Ce sont les ingénieurs et lestechnologues qui ajustent les systèmes en fonction des paramètres décidés par les théoriciens. Ainsi, les ingénieurset les technologues mettent en application, à différents degrés, les principes découverts par les théoriciens.Les chercheurs, pour leur part, améliorent les performances des prototypes (idée de lien avec l’approcheorientante).
La quantité d’énergie récupérée par le système (prototype) peut sembler faible ou négligeable, mais lorsque leprincipe que les élèves ont étudié est appliqué à un système qui perd beaucoup d’énergie, la récupértationd’un pour cent peut devenir très significatif. Par exemple, un pour cent de toute l’énergie perdue par une flottede véhicules, lorsqu’il est récupéré, peut représenter une grande quantité d’énergie (ex. : autobus scolaires devotre école ou autobus publics de votre ville) potentiellement équivalante à une réduction de plusieurs tonnes deGES. Il faut évaluer les répercussions de ces systèmes sur une grande échelle.
15
Étude des systèmes de récupération d’énergie cinétique Durée : 2 heures 30 minutes
Information générale Revoyez de nouveau avec vos élèves les informations générales contenues dans la fiche 2. Cette fiche permetà vos élèves :
• De comprendre comment est consommée l’énergie dans un véhicule;
• De reconnaître les principales sources d’énergie pour les véhicules de transports terrestres;
• De s’initier au principe de la récupération d’énergie cinétique.
Pour aider vos élèves à mieux comprendre le principe, demandez-leur ensuite de revoir la fiche individuellementet d’inscrire dans leur cahier les principales informations qu’ils en retirent.
Étude de casFaites, avec vos élèves, un bref retour sur le mandat initial qui leur a été confié. Puis, distribuez les études decas (fiche 1). Une étude de cas doit être remise à chacune des équipes de base. Notez que vous pouvez trèsbien écrire vos propres études de cas ou encore les adapter. Demandez par la suite à vos élèves de coller oude réécrire leur étude de cas dans l’espace prévu à cet effet dans leur cahier (page 11).
Offrez-leur un peu de temps en équipe de base afin qu’ils surlignent les éléments importants du texte et qu’ilsen discutent.
Recherche sur les systèmes de récupération d’énergie cinétiqueFormez les équipes d’experts. Assurez-vous que chacune des équipes de base, lorsqu’elle se réunira de nouveau,soit composée de quatre élèves experts de systèmes différents. Il se peut que vous ayez à former plusieurs équipesd’experts pour un même type de système si votre classe est nombreuse. Utilisez un moyen quelconque pour lesdifférencier (ex. : pastilles de couleur, numéros d’équipe).
Les élèves doivent inscrire des questions qui orienteront leur recherche en se basant sur les informations tirées de leur étude de cas. Puis, chacun devra lire la fiche du système dont il est l’expert. Ils doivent inscriredans leur cahier les informations clés leur permettant d’expliquer ce système à leur équipe de base. Un espace est prévu à cet effet à la page 12 du Cahier de l’élève. Des pistes de vérifications y sont aussi offertes.
La lecture de la fiche peut se faire en devoir à la maison et les élèves peuvent partager leurs réflexions aucours suivant en équipe d’experts.
Il est recommandé que les élèves complètent leur recherche en allant sur Internet, en consultant des ouvrages àla bibliothèque ou en discutant avec des spécialistes dans leur entourage. Pour obtenir des exemples de sitestraitant de ces sujets, consultez la liste des Liens complémentaires à cette SAE sur la page Internet de Génergie.Précisez à vos élèves qu’ils devront justifier les sources qu’ils auront consultées et inscrire toutes les informationsbibliographiques qui s’y rapportent. Profitez de l’occasion pour leur parler de la rigueur scientifique et insistez sur l’importance de consulter des sources fiables pour se faire une opinion d’un sujet, qu’il soit scientifique ou non.
Vous pouvez aussi demander à vos élèves d’être attentifs tout au long de leur recherche afin de repérer desinformations sur des métiers et des carrières du domaine du transport durable. Ces informations pourraient lesaider à remplir la section Tes champs d’intérêt de la page 18 du Cahier de l’élève.
16
17
Absence d’un élèveChaque équipe de base devra avoir accès à un expert pour les quatre systèmes de récupération d’énergie cinétique. Si un coéquipier est absent pendant la période de recherche de contenus sur les systèmes de récupération d’énergie cinétique, vous pourrez offrir à l’équipe pénalisée de :
1. Consulter l’expert d’une autre équipe;
2. Se joindre à une autre équipe pour la période de présentation de ce système;
3. Lire la fiche du système et devenir experte d’un second système;
4. Ne pas tenir compte de ce système (méthode peu conseillée).
Partage des informations sur les différents systèmesLes élèves retournent en équipe de base. Chaque coéquipier présente le système qu’il a étudié. Les autres,pendant ce temps, prennent quelques notes afin, par la suite, de délibérer sur le système à recommanderselon leur étude de cas.
Fait à souligner, cette section du Cahier de l’élève n’est pas évaluée puisqu’il est impossible pour l’élève quiprend des notes de savoir si l’information qui lui est transmise est juste ou erronée.
Recommandation pour l’étude de cas
Critères d’évaluation
Chaque équipe de base détermine les critères d’évaluation qui lui permettront de choisir le meilleur systèmeen fonction du contexte de leur étude de cas.
Choix du système de récupération d’énergie cinétique
Par la suite, vos élèves discutent en équipe de base et décident du meilleur système à recommander. Ils inscriventles arguments qu’ils ont retenus dans leur cahier (page 14).
Il est important que vos élèves trouvent des arguments d’ordre scientifique et technologique, mais aussi d’ordresocial, environnemental et économique. En contexte réel, les vraies décisions dépendent toujours de ces facteurs.Il ne faut donc pas les négliger.
Notez que pour chaque étude de cas, il peut y avoir plus d’une solution. L’important est d’établir une concordanceentre les critères sélectionnés, le système recommandé et la justification.
Il est recommandé que vous vérifiiez si vos élèves ont un argumentaire solide qui concorde avec leur choix desystème avant de les laisser entreprendre la rédaction de leur rapport.
PISTES DE RÉPONSES• Importance de la réduction de la consommation
de carburant
• Augmentation de la puissance
• Faibles coûts d’installation et d’entretien
• Autonomie du véhicule
• Confort des passagers
• Quantité d’énergie pouvant être stockée
• Fiabilité du système
• Impacts environnementaux
Rédaction du rapportAfin que vos élèves puissent être évalués de manière plus adéquate et personnalisée, il est recommandé defaire rédiger le rapport final de manière individuelle. Cependant, si vous le souhaitez, vous pouvez très bienexiger un rapport par équipe.
Pour guider vos élèves dans la rédaction de leur rapport, survolez avec eux la liste de vérification présentée enpage 15 de leur cahier. Vous pouvez demander à vos élèves d’écrire leur rapport en devoir à la maison ouréservez du temps en classe pour le faire. Un espace est prévu dans le Cahier de l’élève pour y inscrire le planou le rapport lui-même.
Notez que vos élèves devront recommander une technologie et expliquer les raisons de ce choix. Leurs argumentsdevront mettre en évidence leur compréhension des éléments suivants :
• La relation entre la quantité d’énergie pouvant être emmagasinée et relâchée, le travail produit et le tempsd’action;
• Le transfert d’énergie et ses différentes formes (électrique, cinétique, mécanique);
• L’augmentation du rendement énergétique lorsqu’un véhicule est muni d’un système de récupération d’énergie cinétique;
• La loi de la conservation de l’énergie;
• Les applications dans lesquelles cette technologie peut être utilisée;
• Les avantages et les limites du système suggéré d’un point de vue environnemental, social et économique(ex. : pollution, bruit, consommation d’énergie, effet sur la santé, coût de réparation).
18
Intégration et réinvestissementDurée : 1 heure 15 minutes
Retour et discussion Pour permettre à vos élèves de structurer davantage leur apprentissage, faites un retour sur les élémentsimportants de la SAE :
• La notion de perte et le principe de récupération d’énergie cinétique;
• L’importance de réduire sa consommation de carburant afin de diminuer ses émissions de GES;
• Le formalisme mathématique étudié;
• La différence que peut faire le fait de récupérer une petite partie d’énergie perdue lorsque ce principe est appliqué à une flotte de véhicules.
Exploration d’applications technologiquesVous pouvez aussi amener vos élèves à imaginer d’autres applications dans lesquelles un système de récupérationd’énergie cinétique pourrait être intégré. Discutez avec vos élèves de leur vision du développement de l’industriedu transport dans une perspective de développement durable. Comment le monde du transport pourrait-il évoluerpour devenir encore plus énergétiquement efficace ?
Je me découvre et j’élargis mes horizons…Dans le but de favoriser l’intégration de l’approche orientante en salle de classe, proposez à vos élèves de prendrequelques minutes pour évaluer leurs aptitudes en science et technologie.
Tes champs d’intérêtPuis, offrez-leur du temps pour colliger les informations en lien avec les métiers et les carrières en énergie dansle secteur de l’industrie du transport durable. La page 16 du Cahier de l’élève a été conçue pour que vos élèvesy inscrivent leurs résultats de recherche. Pour les guider dans leur exploration des métiers et des carrières,vous pouvez les inviter à prendre connaissance de la section Métiers et carrières de la page Internet de Génergie ou encore leur proposer d’effectuer une recherche personnelle en rencontrant des travailleurs du milieu du transport durable.
Vous pouvez également inviter votre conseiller d’orientation à venir discuter en classe avec vos élèves desmétiers et carrières reliées à l’énergie dans l’industrie du transport.
Compétence transversale : Se donner des méthodes de travail efficacesUne grille d’auto-évaluation a été élaborée dans le but d’aider vos élèves à prendre conscience du travail personnel qu’ils ont accompli en ce qui concerne le développement d’une de leurs compétences transversales. Invitez-les à remplir ce questionnaire (Cahier de l’élève, page 19).
19
PISTES DE RÉPONSES• Freins d’atterrissage d’avions
• Mécanisme d’ascenseur
• Système intégré aux tondeuses à gazon
• Applications en aérospatiale (ex. : alimentation du système de purification de l’air)
• Vélo à assistance électrique
Mot de la fin
L’AQME et ses partenaires souhaitent que cette SAE vous ait permis d’explorer un domaine habituellement peuprésenté aux élèves du secondaire, mais qui favorise cependant l’intégration de plusieurs concepts de physiqueet leur contextualisation en milieu de vie.
En espérant que cette SAE ait répondu à vos attentes, l’AQME vous invite à lui faire part de vos commentaireset suggestions.
Si vous avez apprécié cette SAE et souhaitez réaliser d’autres activités sur le thème de l’énergie, consultez leRépertoire des visites techniques en entreprise disponible sur la page Internet de Génergie à l’adresse :www.aqme.org/genergie. Vous y découvrirez des occasions formidables d’entrer en contact avec le milieu del’efficacité énergétique !
Le défi énergétique du Québec est un enjeu d’actualité important et il s’avère primordial que la jeunesse y soitsensibilisée. En ayant réalisé les activités proposées dans ce guide, vous avez participé à éveiller la jeunesse àl’une des principales problématiques globales, soit l’exploitation et l’utilisation efficace de l’énergie. En espérantque cela portera ses fruits, toute l’équipe de Génergie vous remercie pour le geste que vous venez de poser enfaveur d’un développement et d’une consommation énergétiques plus responsables.
Bonne continuation !
20
Canevas de planification
Description de la SAE : Comment récupérer l’énergie cinétiqued’un véhicule ?Cette SAE met en application deux démarches fondamentales en science et technologie, soit la démarche expérimentale et la démarche d’analyse. Au cours de leur apprentissage, les élèves seront amenés à découvrirdifférents systèmes de récupération d’énergie cinétique, à poser un regard critique quant à leur application età prendre conscience de leurs impacts économiques, sociaux et environnementaux. Au final, les élèves serontsensibilisés à l’importance de développer et d’utiliser des modes de transport durables.
Durée prévue
• Option sans laboratoire : quatre périodes de 75 minutes en salle de classe et devoirs à la maison
• Option avec laboratoire : six périodes de 75 minutes en salle de classe et devoirs à la maison
Clientèle
• Élèves de la troisième année du deuxième cycle du secondaire
Disciplines
• Physique, français, mathématique et développement professionnel
Ressources et références utiles
Organismes
• Équiterre
• Transport Canada
• Association canadienne des automobilistes (CAA)
• Comité sectoriel de main-d’œuvre de l’industrie du transport routier au Québec
Ressources Internet
• Émission BioÉthique – Accès transport viables (Chaîne Vox)[http://fr.video.canoe.tv/video/art-de-vivre/bioethique/16420126001/acces-transports-viables/19166529001]
• Musée des sciences et de la technologie du Canada (Renseignements de base sur l’énergie)[http://www.sciencetech.technomuses.ca/francais/schoolzone/basesurenergie.cfm#transpo]
• Actualités sur les transports écologiques – Transport 21[http://web.mac.com/pierrelanglois/PLanglois-PCA/Transport21.html]
Autres ressources
• Salon national de l’environnement
• Visite d’un musée sur le transport ou d’un département de génie mécanique
Pour obtenir d’autres idées de ressources, consultez la section Liens utiles de la page Internet de Génergie.
21
ANNEXE 1
22
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DURÉE
PRÉPARATION
1 heure 15 minutes
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RÉALISATION
5 heures (avec option laboratoire)
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Étude des systèm
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INTÉGRATION ET RÉINVESTISSEMENT
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DÉRO
ULEMEN
TMATÉRIEL
DURÉE
24
Solutionnaire – Questions d’activation desconnaissances antérieures
Quellessontladéfinitionetlaformulequipermettentdecalculerl’énergiepotentiellegravitationnelle ?
Énergieemmagasinéedansunobjetimmobilepositionnéenhauteursurl’axedesy.
Ep =mgh
Quellessontladéfinitionetlaformulequipermettentdecalculerl’énergiecinétique ?
Énergieinduiteparlemouvementd’unobjetetpouvantêtretransféréeàunautreobjet.
Ek =mv2
2
Quelleestl’équationdebasereprésentantuntransfertd’énergiemécaniquesansperte?
Ep +Ek =Ep +Ek
Quelleestl’équationdebasereprésentantuntransfertd’énergiemécaniquequicomprendlespertesénergétiquesetlaproductiond’untravail?
Ep +Ek =W=Ep +Ek +Q
Quelleestl’équationquireprésentel’énergieélectriqueproduiteparunedifférencedepotentieletd’intensitédecourant?
Eé =UI∆t
ANNEXE 2
25
Pistes de réponses pour le laboratoire
Ilestimportantdesoulignerquelesdonnéesiciprésentéessontexpérimentalesetque,dépendammentdumatérielquevousutilisez,leschiffrespeuventdifférer.
Expérience no 1 : Calcul des pertes sans récupération d’énergie
Hypothèse
ExempleJecroisquelespertesénergétiquesserontfaibles,carlemontageestdepetitetailleetneproduirapasbeaucoupd’énergiemécanique,maisaussiparcequelesforcesquipeuventinfluencerlemouvementduchariotneserontpasimportantes.
Protocole
Lesélèvescomplètentleprotocoleendécrivantquiferaquoietcomment.Ilsinscriventaussicommentferont-ilspourdéterminerlepoidsducontrepoids.
Tableau des mesures sans récupération d’énergie
Calculs
1.Vitessededescenteduchariot(v)
v=∆s=0,53m=0,429m/s
∆t 1,235s
2.Hauteurperdue(distanceparcourueetangle)parlechariotdurantcetintervalledetemps(h)
h=∆s•sinθ =0,53m•sin20º=0,181m
ANNEXE 3
PARAMÈTRE SYMBOLE RÉSULTAT UNITÉ
Intervalledetemps ∆t 1,235 s
Masseduchariot mc 1,394 kg
Masseducontrepoids mp 0,351 kg
Angleduplanincliné θ 20 degré
Déplacement ∆s 0,53 m
Accélérationgravitationnelle(informationsupplémentaire)
g 9,8 m/s2
26
3. Énergie cinétique produite par le mouvement du chariot (Ekc)
Ekc = mcv2 = 1,394 kg•(0,43 m/s)2 = 0,128 J
2 2
4. Énergie cinétique produite par le mouvement du contrepoids (Ekp)
Ekp = mpv2 = 0,351 kg•(0,43 m/s)2 = 0,032 J
2 2
5. Énergie potentielle du chariot avant et après le mouvement (Epc1 et Epc2)
Epc1 = mcgh = 1,394 kg•9,8 m/s2•0,18 m = 2,459 J
Epc2 = mcgh = 1,394 kg•9,8 m/s2•0 m = 0 J (note : h = 0)
6. Énergie potentielle du contrepoids avant et après le mouvement (Epp1 et Epp2)
Epp1 = mpgh = 0 J
Epp2 = mpgh = 0,351 kg•9,8 m/s2•0,53 m = 1,823 J
Tableau des résultats des calculs sans récupération d’énergie
SYMBOLE RÉSULTAT UNITÉ
v 0,429 m/s
h 0,181 m
Ekc 0,128 J
Ekp 0,032 J
Epc1 2,459 J
Epc2 0 J
Epp1 0 J
Epp2 1,823 J
Réponse à ajouter après avoir répondu à la question 7 :
Q 0,636 J
guidedel'enseignantphysiqueFINAL.qxd:Layout 1 10-11-16 10:06 AM Page 26
27
M
A
V
7. Pertes énergétiques du système (Q); Epc1 + Ekc1 + Ekp1 = Epp2 + Ekc2 + Ekp2 + Q
Q = Epc1 + Ekc1 + Ekp1 – Epp2 – Ekc2 – Ekp2
= 2,459 J + 0,128 J + 0,032 J – 1,823 J – 0,128 J – 0,032 J
= 0,636 J
Expérience no 2 : Calcul des pertes avec récupération d’énergie
Information complémentaire
Voici le schéma du circuit électrique. Vous pouvez le fournir à vos élèves ou leur expliquer en grand groupe afinqu’ils comprennent davantage le montage qui est devant eux.
Hypothèse
ExempleJe crois que le rendement énergétique sera faible, car ce montage génère peu d’énergie, comme nous l’avonsconstaté lors de notre première expérience. Par contre, la portion d’énergie cinétique qui pourra être récupérées’avèrera importante proportionnellement à la taille du montage.
Protocole
Les élèves créent leur propre protocole en s’inspirant de celui de la première expérience, mais l’ajustent enfonction du mandat. De manière générale, il faut encore contrebalancer le contrepoids, car en reliant le moteurau chariot, une charge supplémentaire s’ajoute. Les élèves doivent aussi expliquer le circuit électrique, incluant les multimètres, et prendre les mesures.
Tableau des mesures avec récupération d’énergie
Les élèves doivent bâtir leur propre tableau en se basant sur celui de la première expérience.
PARAMÈTRE SYMBOLE RÉSULTAT UNITÉ
Intervalle de temps ∆t 0,78 s
Masse du chariot mc 1,394 kg
Masse du contrepoids mp 0,20 kg
Angle du plan incliné θ 20 degré
Déplacement ∆s 0,43 m
guidedel'enseignantphysiqueFINAL.qxd:Layout 1 10-11-16 10:06 AM Page 27
28
Calculs
Note : Ekc = Ekc1 ou Ekc2 car c’est le même chariot
1. Vitesse de descente du chariot (v) pendant le transfert d’énergie
v = ∆s = 0,43 m = 0,55 m/s
∆t 0,78 s
2. Hauteur perdue par le chariot pendant l’intervalle de temps (h)
h = ∆s•sinθ = 0,43 m•sin20º = 0,15 m
3. Énergie cinétique produite lorsque le chariot est en mouvement (Ekc)
Ekc = mcv2 = 1,394 kg•(0,55 m/s)2 = 0,21 J
2 2
4. Énergie cinétique produite par le contrepoids pendant que le chariot est en mouvement (Ekp)
Ekp = mpv2 = 0,20 kg•(0,55 m/s)2 = 0,03 J
2 2
5. Énergie potentielle du chariot avant et après le mouvement (Epc1 et Epc2)
Epc1 = mcgh = 1,394 kg•9,8 m/s2•0,15 m = 2,049 J
Epc2 = mcgh = 1,394 kg•9,8 m/s2•0 m = 0 J (note : h = 0)
6. Énergie potentielle du contrepoids avant et après le mouvement (Epp1 et Epp2)
Epp1 = mpgh = 0 J
Epp2 = mpgh = 0,20 kg•9,8 m/s2•0,43 m = 0,843 J
PARAMÈTRE SYMBOLE RÉSULTAT UNITÉ
Accélération gravitationnelle(information supplémentaire) g 9,8 m/s2
Tension U 1,7 V
Intensité du courant I 0,007 A
guidedel'enseignantphysiqueFINAL.qxd:Layout 1 10-11-16 10:06 AM Page 28
29
7. Énergie électrique (travail réalisé) produite selon l’intervalle de temps à vitesse constante (-Eé = Wé)
Eé = UI∆t = 1,7 V•0,007 A•0,78 s
= 0,009 J
Tableau des résultats des calculs avec récupération d’énergie
8. Pertes énergétiques du système (Q); Epc1 + Ekc1 + Ekp1 + Wé = Epp2 + Ekc2 + Ekp2 + Q
Q = Epc1 + Ekc1 + Ekp1 + Wé – Epp2 – Ekc2 – Ekp2
= 2,049 J + 0,21 J + 0,03 J + 0,01 J – 0,21 J – 0,03 J – 0,80 J
= 1,259 J
L’équation peut être simplifiée, car la vitesse n’a aucune influence puisque les pertes ne sont dues qu’à la variation de l’énergie potentielle. L’élève peut donc inscrire la formule suivante : Epc1 + Wé = Epp2 + Q
9. Rendement en pourcentage du système de récupération d’énergie par rapport aux pertes (%)
np = Eé•100 = 0,009 J•100 = 0,71 %
Q 1,259 J
30
SYMBOLE RÉSULTAT UNITÉ
v 0,55 m/s
h 0,15 m
Ekc 0,21 J
Ekp 0,03 J
Epc1 2,049 J
Epc2 0 J
Epp1 0 J
Epp2 0,843 J
Eé 0,009 J
Q 1,18 J
ns 58,51 %
np 0,71 %
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Symboles des unités de mesure
ANNEXE 4
Notez que les symboles ici présentés ont été choisis car ils sont ceux qui semblent être les plus fréquemment utilisés dans la littérature
scientifique destinée au milieu scolaire de niveau secondaire.
SYMBOLE DÉFINITION UNITÉ
Ep Énergie potentielle Joule (J)
Ek Énergie cinétique Joule (J)
Eé Énergie électrique Joule (J)
mc Masse du chariot Kilogramme (kg)
∆s Déplacement Mètre (m)
∆t Intervalle de temps Seconde (s)
U Différence de potentiel Volt (V)
I Intensité du courant Ampère (A)
v Vitesse Mètre par seconde (m/s)
mp Masse du contrepoids Kilogramme (kg)
h Hauteur perdue Mètre (m)
Ekc Énergie cinétique du chariot Joule (J)
Epc Énergie potentielle du chariot Joule (J)
Ekp Énergie cinétique du contrepoids Joule (J)
Epp Énergie potentielle du contrepoids Joule (J)
P Puissance Watt (W)
Wé Travail Joule (J)
n Rendement énergétique Pourcentage (%)
Q Perte du système Joule (J)
θ
Angle du plan incliné
Degré (˚)
g Accélération gravitationnelle Mètre par seconde au carré (m/s2)
Bibliographie
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RéalisationAssociation québécoise pour la maîtrise de l’énergie (AQME)Sous la direction de Marie-France Courtemanche-Bell, AQME
Comité de conceptionMarie-France Boisvert, enseignante en physique, école secondaire des Chutes, Commission scolaire de l’Énergie (CSDE)Nancy Brouillette, conseillère pédagogique en science et technologie, CSDECaroline Fortin, enseignante en physique et en mathématique, école secondaire Champagnat, CSDEGuy Lavallée, enseignant en physique, école secondaire Val-Mauricie, CSDE
Comité de validation pédagogiqueRenée April, conseillère pédagogique en science et technologie, Commission scolaire de MontréalAnnie Grandmont, conseillère pédagogique en science et technologie, Commission scolaire du Chemin-du-RoyOlivier Rémillard, conseiller pédagogique au projet AMI, école Georges-Vanier, Commission scolaire de LavalJulie Robidoux, conseillère pédagogique en mathématique, science et technologie, Commission scolaire des ChênesGhislain Samson, M. Sc., Ph. D., professeur-chercheur, Département des sciences de l’éducation, Universitédu Québec à Trois-RivièresClaude Vallée, enseignant en physique, école secondaire Montcalm, Commission scolaire de la Région-de-Sherbrooke
Comité de validation scientifiqueMarius-Dorin Surcel, M. Sc. A., ingénieur, chercheur, programmes Transport et Énergie et émissions, FPInnovationsHugo Marsolais, ingénieur, directeur des opérations, Institut du transport avancé du Québec (ITAQ)Maxime Ouellet, M.Ing., ingénieur, Centre National du Transport Avancé (CNTA)Pierre-Luc Gélineau, directeur principal du projet étudiant Esteban, École Polytechnique de Montréal
Révision linguistiquePlein de sens
Graphisme Illustrations PhotographieMarie-Ève Poirier, AQME Jean-Michel Poirier, AQME Gestion PL BeaulieuJean-Michel Poirier, AQME François Escalmel (Icônes) (Gamme de fabrication)(Idée originale : Line Jutras Design)
© Association québécoise pour la maîtrise de l’énergie, 2010Dépôt légal : 2010ISBN 978-2-923772-08-0ISBN 978-2-923772-09-7 (PDF)Imprimé au Canada
La reproduction, l’adaptation, la traduction ou la diffusion d’une partie ou de la totalité du Guide de l’enseignantde la situation d’apprentissage et d’évaluation Comment récupérer l’énergie cinétique d’un véhicule ? du projetGénergie sont autorisées en contexte scolaire uniquement. La source doit toujours être clairement indiquée. Pourobtenir l'autorisation d’utiliser le matériel Génergie à d’autres fins éducatives, veuillez communiquer avec l’Association québécoise pour la maîtrise de l’énergie (AQME).
Utilisée dans ce guide sans aucune discrimination, la forme masculine ne vise qu’à alléger le texte.
Imprimé sur du papier Rolland Enviro100 contenant 100 % de fibres postconsommation.
Notes
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