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Difficultés, conceptions et obstacles relatifs à l’Energie
 
Pour rendre compte des analyses en conceptions, difficultés ou obstacles, nous partons de
 
regroupement des résultats des travaux autour de conceptions. Comme telles, il s’avère que
 
les conceptions se rapportent à des ensembles de situations qui relèvent d’un domaine, parmi
 
les principaux domaines de la Physique enseignés au niveau secondaire : la Mécanique,
 
l’Electricité et la Thermodynamique. Nous présentons ces conceptions en les rattachant à un
 
tel domaine. Notre intérêt pour l’aspect « transversalité » nous conduit alors à discuter de la
 
possibilité ou non de les rattacher à d’autres domaines.
 
En Mécanique
 
Une conception dominante mise en évidence par beaucoup de travaux de didactique est la
 
confusion des concepts physiques de force et d’énergie.
 
Remarquons que dans l’histoire, dès la naissance de l’Energie, le terme même de force est
 
employé au sens du concept énergie :
 
« C’est à Leibniz qu’il appartenait de constituer quantitativement et précisément le concept de l’énergie
 
liée au mouvement, qu’il appellera force vive » (Halbwachs, 1981, p.22).
 
Pour les élèves, il n’est pas facile de séparer la notion d’énergie de celle de force ou de celle
 
d’action. Dans une revue des recherches sur la conceptualisation par les élèves (11-16ans) des
 
aspects énergétiques de situations physiques, Brook (1985) a dégagé cinq conceptions
 
différentes de l’énergie du point de vue scientifique. La deuxième et la troisième renvoient à
 
des identifications du type énergie/force ou énergie/action :
 
« 1) l’énergie associée principalement aux objets animés, 2) l’énergie regardée comme synonyme de
 
force, 3) l’énergie associée seulement au mouvement, 4) l’énergie stockée à l’intérieur des objets, 5)
 
l’énergie considérée comme combustible. » (Cité par Koliopoulos et Tiberghien, 1986, p.169).
 
Bruguière et al. (2002, p.72-73) ont fait une synthèse de travaux concernant de telles
 
conceptions en lien avec des connaissances communes. Ainsi, nous pouvons préciser la
 
conception sous laquelle l’énergie n’est pas séparée des idées de mouvement et d’activité :
 
« La preuve de l’existence de l’énergie est l’activité (et parfois l’activité elle-même est appelée énergie).
 
Le mouvement est généralement donné comme exemple d’activité mettant en oeuvre de l’énergie
 
(Watts, 1983). A contrario, l’absence d’activité, l’immobilité, est une raison suffisante pour nier
 
l’existence d’énergie » (Bliss et Ogborn, 1985, Cité par Verseils-Bruguière et al., 2002, p.72-73).
 
Les considérations avancées par ailleurs dans cette synthèse nous conduisent à nous demander
 
si elles n’indiqueraient pas que la confusion force/énergie peut se constituer en obstacle
 
(épistémologique) pour l’élève :
 
« L.Viennot (1989) a montré comment certains raisonnements spontanés des élèves en cinétique et
 
dynamique procèdent, pour l’essentiel, d’une prise en considération globale du mouvement et d’une
 
tentative d’explications causales immédiates où la cause, attribuée à l’objet, se formule en un complexe
 
dynamique indifférencié : force/ énergie/ élan/ impulsion. Plus généralement, il apparaît que, dans leur
 
cursus et même à l’université, des élèves font un usage équivoque des mots « force » et « énergie » (De
 
Bueger-Vander et Mabille, 1989, cité par Verseils-Bruguière et al., 2002, p.72-73).
 
Soulignons que la notion de force est une notion spécifique6 de la Mécanique : la confusion
 
force/énergie est une conception attachée à ce domaine.
 
En Electricité
 
En étudiant les obstacles à l’apprentissage de l’électrocinétique, Closset (1989) a constaté la
 
tendance d’élèves de 12 à 14 ans à substantialiser l’énergie. Cette constatation rejoint des
 
déclarations d’enfants de 7 à 12 ans recueillies dans le travail de Tiberghien et Delacote
 
(1976, p.933).) : « L’électricité monte dans l’ampoule et cela fait marcher » ; « La pile, il y a
 
de l’électricité dedans et elle sert à allumer l’ampoule » ; « La pile sert à donner de
 
l’électricité, l’électricité fait marcher l’ampoule ».
 
« Dans tous les cas il s’agit, d’une manière ou de l’autre, de rendre compte de l’alimentation de
 
l’ampoule en énergie, une énergie substantialisée, contenue dans la pile, qui a pour nom l’électricité ou
 
courant et qui doit donc « passer » par quelque part, c’est-à-dire par les fils.
 
Une autre conclusion qu’il est d’ores et déjà possible de tirer est relative à l’utilisation d’un seul concept
 
(nous dirons plutôt notion) pour décrire le circuit électrique. Il joue tout à la fois le rôle d’intensité, de
 
courant et d’énergie, il a certaines propriétés d’un fluide et notamment celle de s’écouler dans le circuit
 
comme dans des tuyaux, ou même des canaux » (Closset, 1989, p.935).
 
On peut mettre en relation cette tendance à substantialiser l’énergie avec des confusions de
 
type énergie/circuit électrique et énergie/intensité du courant qui ont conduit certains travaux
 
à viser des différenciations :
 
« Dans tous Des travaux plus récents tiennent compte explicitement de certaines des difficultés
 
rencontrées chez les élèves. Un certain nombre d’entre eux, se situant dans le domaine de l’électricité,
 
ont pour but la différenciation entre les grandeurs énergie et intensité du courant (Psillos et al. 1985,
 
Shipstone 1984, von Rhoneck 1984). » (Koliopoulos et Tiberghien, 1986, p.174).
 
Les concepts d’intensité et de courant appartiennent évidemment au domaine de l’Electricité.
 
La substantialisation est une conception plus généralement mise en évidence dans ce
 
domaine :
 
« Les propriétés électriques observées sont considérées comme les manifestations d’une substance
 
spécifique présente sur les corps électrisés : « le fluide électrique ». (Benseghir, 1989, p.8).
 
Peut elle apparaître dans d’autres domaines pour l’énergie ?
 
En Thermodynamique
 
La chaleur et la température sont des objets typiques de ce domaine et les élèves rencontrent
 
la difficulté de les différencier entre elles et avec le concept d’énergie : on est alors en
 
présence de ce que Rozier (1988) appelle des associations préférentielles entre grandeurs.
 
« Des confusions aussi fortes apparaissent également lorsqu’il est question d’énergie interne. Ainsi,
 
celle d’un morceau de plomb en train de fondre est souvent considérée comme constante, parce que sa
 
température est constante » (Rozier, 1988, p.70).
 
Notons qu’en 1986, Tiberghien souligne :
 
« Dans le domaine de la thermodynamique, on dispose de peu d’informations sur la différenciation par
 
les élèves entre la température, la chaleur et l’énergie dans le sens de la description de l’état d’un
 
système ou de l’interaction entre systèmes ». (Tiberghien, 1983, Cité par Koliopoulos et Tiberghien,
 
1986, p.170).
 
Plus tard, alors que l’enseignement de l’Energie au lycée connaît de nouvelles évolutions7,
 
des travaux indiquent que la confusion entre ces grandeurs existe et qu’elle perturbe
 
l’acquisition du Principe de conservation de l’énergie :
 
« Les interactions thermiques étant méconnues et peu ou pas clairement explicitées par les élèves, il
 
s’avère difficile de distinguer les statuts respectifs des grandeurs chaleur et température. La confusion
 
entre ces deux grandeurs prouve que les rôles respectivement joués par ces dernières dans le principe de
 
conservation énergétique ne sont pas discernés. » (Nsumbu-A-Nlambu, 1995, p.495).
 
« […] forte tendance à l’assimilation de la chaleur à une grandeur d’état, faisant obstacle à l’acquisition
 
des différentes composantes du concept d’énergie (liens entre la chaleur, le travail, l’énergie
 
macroscopique et l’énergie interne microscopique) donc aussi à l’acquisition du principe de
 
conservation » (Robardet et Guillaud, 1997, p.171).
 
Un autre obstacle identifiable réside dans la difficulté pour les élèves de mettre en relation
 
une variation de température, phénomène de thermodynamique, avec le travail qui est un
 
concept qui relève de l’Energie mais qui est défini en général dans le domaine de la
 
Mécanique.
 
« L’augmentation de température dans une compression adiabatique est très souvent interprétée en
 
évoquant une intervention de la chaleur. Le travail n’est pas reconnu comme une grandeur énergétique
 
susceptible de faire varier la température des systèmes entre lesquels il se transfère. » (Ballini, Robardet
 
et Rolando, 1997, p.81).
 
Ici, c’est l’une des conditions d’accès à la transversalité de l’Energie qui peut s’avérer
 
problématique dans l’enseignement.
 
 
 
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Version du 21 novembre 2020 à 00:13


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Définition écrite


L’énergie est la capacité à fournir un travail. Il existe 6 formes principales d’énergie : - l’énergie thermique, ou chaleur. - l’énergie électrique. - l’énergie chimique (dans les carburants ou batteries, par exemple). - l’énergie potentielle, due à la gravité. - l’énergie cinétique, dans les objets en mouvement. - l’énergie nucléaire. L’unité de mesure de l’énergie est le Joule.

La puissance d’un système est l’énergie développée par ce système par unité de temps. Elle correspond donc à un débit d’énergie. Elle se mesure en watts (W). 1 Watt = 1Joule /seconde.

Pour mesurer l’énergie en terme de puissance, on utilise souvent les unités suivantes : - le kilowattheure (kWh) : 1kWh = 3,6 MJ (Mégajoules). - La Tonne d’équivalent pétrole (TEP) : 1 TEP = 42 GJ (Gigajoules).

L’énergie est principalement utilisée pour la production d’électricité, la production de chaleur et le transport.

Le système énergétique est l’ensemble des opérations effectuées sur l’énergie, depuis sa source d’approvisionnement jusqu’à son utilisation par l’homme.


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Puce-didaquest.png Exemples, applications, utilisations

  • L’énergie traduit la capacité du système qui la possède à effectuer une action.

C’est une notion assez abstraite car elle n’est pas observable ou mesurable directement, l’énergie peut seulement être exprimée à partir d’autre grandeurs. On sait seulement d’elle qu’elle ne peut être détruite mais qu’elle peut changer de forme et être transférée d’un système à un autre.

  • D’une façon usuelle, l’énergie est définie comme la « capacité d'un corps ou d'un système à produire du travail mécanique ou son équivalent » 7.

Dans un cadre plus formel, elle est définie comme « la grandeur physique qui se conserve lors de toute transformation d'un système physique fermé »8,9. Elle est sous-tendue par le principe de conservation de l'énergie. Applications de l'énergie solaire photovoltaïque Les applications de l'énergie obtenue à l'aide de générateurs photovoltaïques sont extrêmement variées.

De façon générale, elles peuvent être classées en deux grandes sections :

Les systèmes isolés Les systèmes raccordés au réseau Atersa a accompli des projets sous ces deux modalités. En voici quelques exemples :

Les systèmes isolés Télécommunications Électrification rurale Applications agricoles Applications pour l'élevage Éclairage public Signalisation Contrôle Développement rural Analysons un peu plus en détail les points ci-dessus :

Télécommunications :

Téléphonie mobile Répéteurs radio et télévision Bornes d'appel d'urgence Télécommande Contrôle des réseaux d'arrosage à distance Télémétrie Radars Radiotéléphonie générale ou militaire, ou pour les postes de surveillance des forêts Téléphonie rurale par satellite Micro-ondes Cabines téléphoniques publiques Centrales de commutation Liaisons radio Systèmes TRUNKING Couverture radio et communications dans les tunnels ferroviaires Il existe deux types de stations de téléphonie mobile : celles appelées BTS, composées d'un système hybride photovoltaïque - diesel, la puissance crête du panneau photovoltaïque étant de 6 Kwp et le groupe électrogène n'ayant qu'une fonction d'appui.

Le deuxième type d'installation, appelé RF, ne fonctionne qu'à partir des panneaux photovoltaïques et la puissance crête installée varie entre 0,6 Kwp et 1,8 Kwp.

Les télécommandes et les contrôles à distance via radio sont très utilisés pour des applications ayant rapport à l'eau, aux réservoirs, à l'irrigation, aux débitmètres et, de façon générale, au relevé et au contrôle de toute sorte de données.

Électrification rurale :

Habitat temporaire Habitat permanent Électrification centralisée permettant le contrôle individuel des consommations pour chaque habitation, dans les agglomérations rurales Électrification de refuges et auberges de montagne Postes de soins de premier niveau (éclairage, conservation de médicaments et vaccins dans des réfrigérateurs) Écoles et établissements communaux Postes de police et de frontière Installations religieuses (ermitages, missions, etc.) De nos jours, l'électrification rurale apporte tout le confort fourni par un système d'électrification conventionnel, car les nouveaux onduleurs à onde sinusoïdale permettent l'utilisation de toute sorte d'appareils électroménagers.

L'électrification de petites agglomérations rurales à l'aide d'un système centralisé est l'une des principales applications actuelles. Les avantages de ce système par rapport à l'installation dans chaque logement sont les suivants :

Le moindre coût de l'installation Une réduction des frais de maintenance Un meilleur confort de l'utilisateur Une installation plus sûre Une meilleure performance globale Afin de permettre une meilleure gestion de l'énergie, un appareil électronique limiteur de la puissance est installé dans chaque habitation et programmé pour fournir une quantité donnée d'énergie par jour à l'utilisateur. Cet appareil doit être suffisamment intelligent pour pouvoir augmenter la quantité d'énergie attribuée si la batterie est en bon état, ou pour la réduire, si elle est en mauvais état. Afin de simplifier et de ne pas avoir à poser de réseaux électriques compliqués, la communication entre le limiteur de puissance et les onduleurs passe par la même ligne à 220 Vca et ne subit que de légères variations qui n'ont as d'influence sur le fonctionnement du système.

Un autre inconvénient, la puissance de l'onduleur et sa performance en cas de petites charges, est contrecarré par l'installation de plusieurs onduleurs en parallèle, dont l'un (le maître) agit sur le contrôle des autres (les esclaves). Ainsi, en cas de puissance consommée inférieure à la somme de la puissance de tous les onduleurs, il commande l'arrêt de certains d'entre eux afin de s'adapter à celle-ci. Le grand avantage est que tous les onduleurs sont capables d'agir aussi bien en tant que maîtres ou esclaves, ce qui permet d'assurer la fourniture d'électricité en cas de panne de l'un d'entre eux.

Applications agricoles :

Pompage d'eau, en CC ou en CA, (avec batterie) Pompage d'eau à entraînement direct (sans batterie) Électrification de bâtiments industriels Contrôle de l'irrigation Serres (Automatisation des fenêtres et de l'éclairage) L'une des principales applications pour l'agriculture, du fait de sa simplicité et surtout, de l'absence de maintenance et de l'automatisation totale, est le pompage d'eau à entraînement direct, qui consiste dans un champ de panneaux solaires photovoltaïques, un équipement électronique et l'ensemble du système de contrôle et de capteurs du pompage.

Pour les pompages à faible débit, la fonction de cet équipement électronique consiste à obtenir le meilleur rendement du panneau. Dans le cas des pompages à haut débit, il se charge aussi de transformer le courant continu du panneau en courant alternatif.

Le plus grand avantage des pompages à entraînement direct est la correspondance de la courbe de radiation avec la courbe de demande en eau. Ils permettent en outre d'extraire de l'eau en milieu rural, où le coût de l'installation d'une ligne conventionnelle s'avère trop élevé.

Une autre application dans le milieu agricole correspond à l'électrification des systèmes de contrôle de l'irrigation et des électrovannes, qui permet une meilleure distribution et une économie de l'eau, notamment pour les systèmes de micro-irrigation ou basse pression.

Applications pour l'élevage :

Pompages d'eau pour l'abreuvement du bétail Électrification de fermes (éclairage, moteurs, tondeuses, etc.) Systèmes de traite et de refroidissement du lait Électrification de clôtures Outre leur application agricole, les pompages à entraînement direct jouent un rôle important dans l'élevage.

La fabrication d'onduleurs haute puissance a permis, dans le milieu de l'élevage, de fournir de l'électricité aux systèmes de traite, de conservation du lait (cuves de refroidissement) et aux pompes de nettoyage, d'éclairer les bâtiments et installations pour le bétail, d'alimenter les moteurs de distribution des aliments, les ventilateurs, d'automatiser les persiennes des bâtiments pour le bétail et les serres. À l'origine, afin d'obtenir un meilleur rendement, les moteurs de ces installations fonctionnaient au CC. Actuellement, grâce aux nouveaux onduleurs haute performance, l'utilisation de moteurs à CA a permis d'augmenter la sécurité de l'exploitation en cas de panne, car s'il est aisé de se procurer un moteur à CA, les moteurs à CC font l'objet d'une fabrication spéciale.

L'onduleur installé pour augmenter la sécurité du système est modulaire et dispose de plusieurs étapes de puissance, qui peuvent être réparées sans priver l'ensemble du système de courant électrique.

Éclairage :

Panneaux publicitaires Lampadaires pour l'éclairage public Arrêts de bus Éclairage de tunnels, grottes, etc. L'éclairage public à l'aide de systèmes photovoltaïques constitue l'une des solutions les plus économiques pour l'illumination des accès des villages, des carrefours, des aires de repos, etc.

L'installation d'un nouveau type de lampadaires (plus de 300 unités) intégrant des batteries longue durée à électrolyte gélifié est en cours aux îles Canaries. De ce fait, ils ne requièrent pas de maintenance.

Signalisation :

Phares et bouées de signalisation maritime Radiophares et radiobalises à usage aéronautique Signalisation routière de virages, obstacles, ronds-points, etc., dans les villes et sur les routes, à base de led. Indicateurs de l'heure et la température sur la voie publique Passages à niveau Plates-formes pétrolières L'utilisation de l'énergie solaire photovoltaïque a permis l'automatisation des phares, ainsi qu'une augmentation de la sécurité des bouées, pour lesquelles l'acétylène était auparavant utilisé, ainsi qu'une diminution importante de leur maintenance.

Des panneaux sont utilisés en aéronautique pour l'alimentation des balises et des panneaux de signalisation sur les pistes. Aux aéroports de Madrid et des Baléares en particulier, ils permettent d'identifier très facilement les installations.

Une nouvelle application est récemment venue s'ajouter aux précédentes, pour la sécurité routière : la signalisation de ronds-points, virages, panneaux de signalisation, obstacles, etc., à base de led haute luminosité, qui permettent de réaliser des installations photovoltaïques de format réduit et à faible consommation.

Contrôle :

Débitmètres et anémomètres Actionnement de vannes (électrovannes) Contrôles et stations météorologiques et sismiques Caméras de TV pour la surveillance et la mesure du trafic routier Monitorage et automatisation de portes Répéteurs à fibre optique Stations de mesure environnementale Contrôle de gazoducs et d'oléoducs Collecte de données Contrôle et maîtrise à distance du fonctionnement des barrages Protection cathodique Des travaux sont actuellement accomplis dans les bassins fluviaux pour le contrôle du débit et de la qualité de l'eau, les systèmes photovoltaïques étant les plus sûrs et les plus économiques pour ce type d'application.

Les installations photovoltaïques ont fait preuve d'une grande fiabilité pour des applications et des projets aussi importants que les gazoducs et les oléoducs, en ce qui concerne la fourniture d'énergie électrique aux systèmes de contrôle, de communication, d'actionnement des vannes et de protection cathodique. Cette dernière application est également utilisée pour les ponts.

Autres applications :

Chloration par pompe doseuse Épuration par lagunage et alimentation des moteurs de nettoyage des grilles et des débitmètres Oxygénation de l'eau à l'aide de compresseurs Dessalage de l'eau saumâtre (osmose inverse) Ponts-bascules pour le pesage de camions (décharges, sites industriels, etc.) Systèmes de détection d'incendie à l'aide de caméras à infrarouges Systèmes de sécurité périmétrale aux infrarouges Surveillance et contrôle d'accès (visiophones, ouverture et fermeture de portes, télécommande) Paratonnerres avec dispositif d'ionisation Fournitures didactiques pour les universités, les écoles professionnelles, etc. Voiliers et autocaravanes Équipement espaces de loisirs Les systèmes raccordés au réseau électrique constituent le deuxième grand groupe d'applications de l'énergie photovoltaïque.

Systèmes connectés au réseau électrique Il s'agit d'une application récente et innovante des systèmes photovoltaïques, consistant à installer une ferme photovoltaïque et un onduleur capable de transformer l'énergie fournie par les panneaux et l'injecter dans le réseau électrique.

Dans ce type d'installation, l'onduleur est le noyau central et doit disposer d'un certain nombre de protections contre des situations susceptibles de se produire dans le réseau électrique :

Tension hors-plage Panne du réseau Réseau en déphasage Pour rendre ces systèmes économiquement viables, le pays doit disposer d'une réglementation et d'aides financières permettant de compenser l'accroissement du coût par Kwh produit.


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