L'énergie de la lumière
| Projet | Durée | Difficulté | Âge |
|---|---|---|---|
| The Dexter Lab | 2-3 heures | Débutant | 10-14 ans |
Problématique : Comment pouvons-nous récolter de l'énergie pour produire de l'électricité à partir de sources renouvelables ?
Matériel
- 1 LED, 1 ampoule ou 1 petit moteur
- 1 petite cellule photovoltaïque
L'univers est composé de deux éléments distincts : la matière et la lumière. La matière, qui est quantifiable et possède une masse, est une substance tangible. Elle peut être sous ses formes habituelles observée, touchée et manipulée. En revanche, la lumière ne possède pas de masse, on ne peut pas la stocker, ni la toucher mais on peut la capter grâce à nos yeux. On sait depuis le début du vingtième siècle que la lumière possède à la fois les propriétés d'un corps et celle d'une onde. C'est cette découverte qui a conduit à l'apparition de la physique quantique. Mais de quoi est donc composée la lumière ? La lumière est en réalité composée de particules appelées photons. Ces particules, qui n'ont pas de masse, sont les éléments constitutifs de la lumière et sont responsables de sa propagation à travers l'espace.
Dans ce protocole, on va montrer à travers l'utilisation de panneaux solaires que la lumière possède une énergie et qu'elle peut être transformée sous d'autres formes pour être réutilisée par l'homme.
Déroulé de l'activité
Dans ce protocole, l'objectif est de comprendre le concept physique de l'énergie, ses formes et ses transformations. Nous pourrions fabriquer de nombreux dispositifs simples en connectant différents composants pour explorer et comprendre comment l'énergie peut se transformer d'une forme à une autre. Dans le cas particulier de ce protocole, nous allons étudier la question de recherche "la lumière a-t-elle de l'énergie ?".
Le dispositif d'étude comportera une cellule photovoltaïque connectée à une LED ou à un petit moteur. La cellule photovoltaïque permettra de transformer l'énergie de la lumière en électricité, qui alimente ensuite la LED ou le moteur. La mise en œuvre de ce dispositif illustrera que la lumière est bien porteuse d'énergie. Cela constituera une opportunité de discussions et de réflexion sur les challenges de développement durable (et plus particulièrement le SDG 7) liés aux sources d'énergies durables et propres.
Un protocole TheDexterLab aborde des questions similaires à celui-ci autour des transformations de l'énergie. Il est disponible dans les ressources du projet et il est intitulé : "Les chutes d'eau et le vent ont-ils de l'énergie ?". Ces deux protocoles peuvent venir nourrir une séquence pédagogique autour des énergies renouvelables.
Compétences mobilisées
Ce projet peut être relié à plusieurs compétences du programme scolaire, telles que :
- En sciences physiques : l'énergie (formes et transferts), la lumière (sources et propagation), les circuits électriques simples, les dispositifs photovoltaïques, les sources d'énergie renouvelables
- En sciences de la nature : les interactions avec le milieu physique et chimique, la production et l'utilisation d'énergie
- En technologie : la compréhension et l'utilisation de dispositifs technologiques, la résolution de problèmes technologiques
Comme pour l'ensemble des ressources TheDexterLab, les compétences abordées peuvent être adaptées par l'enseignant en fonction de la discipline, du niveau scolaire des élèves et des objectifs d'apprentissage spécifiques.
Étape 1 : Collecter des données
Orientation
Pour démontrer que la lumière possède de l'énergie, nous devons d'abord trouver un moyen de collecter son énergie, puis de la transférer pour alimenter un appareil. Un dispositif très simple est simplement une LED, une ampoule ou un petit moteur.
Conceptualisation
Nous savons tous que les piles stockent de l'énergie. Nous pouvons vérifier si une pile est bonne ou non en la connectant de manière qu'elle alimente un moteur de jouet ou allume une LED. Si la pile ne contient plus d'énergie, le moteur ne tourne pas et la LED ne s'allume pas non plus.
Nous pouvons penser de la même manière avec la lumière. Si la lumière a de l'énergie et que nous trouvons un moyen de la collecter, nous pouvons l'utiliser pour alimenter notre moteur ou allumer une LED comme auparavant. Mais existe-t-il une preuve commune ou générale que la lumière possède de l'énergie ? Si oui, comment pouvons-nous la collecter ?
Investigation
Nous commençons par nous demander si la lumière a de l'énergie. La preuve la plus simple pour cela est de sortir par une journée ensoleillée. Avons-nous plus chaud en restant à la lumière directe ou lorsque nous sommes à l'ombre ? Cela démontre que la lumière transporte de l'énergie qui nous réchauffe.
Maintenant que nous connaissons cette preuve commune, nous pouvons réfléchir à des moyens de collecter l'énergie de la lumière. Avons-nous des idées ? Avons-nous déjà entendu parler des cellules solaires ou des panneaux photovoltaïques ?
Une cellule photovoltaïque est un dispositif qui recueille l'énergie de la lumière et la transforme en électricité. Ce processus particulier est appelé le phénomène photovoltaïque. Il existe différentes tailles de cellules, de la plus petite à la plus grande, qui peuvent alimenter de petits appareils ou une maison entière, respectivement. Dans notre cas, nous utiliserons une petite cellule.
Nous sommes maintenant prêts à connecter notre cellule photovoltaïque à un moteur ou à une LED et à voir ce qui se passe. Le moteur tourne-t-il ? Ou la LED s'allume-t-elle ? Nous pouvons étudier ce qui se passe lorsque nous sommes à l'intérieur ou à l'extérieur dans la lumière solaire ambiante. Y a-t-il une différence ?
Débriefing
Dans cette phase, nous avons appris qu'il est possible de collecter l'énergie de la lumière à l'aide de cellules photovoltaïques, qui transforment l'énergie lumineuse en électricité. Nous avons également appris que la lumière transporte de l'énergie, ce qui peut être démontré par l'exemple de la chaleur que nous ressentons lorsque nous sommes exposés directement à la lumière du soleil. Nous avons également appris que différentes tailles de cellules photovoltaïques peuvent alimenter différents types d'appareils, des plus petits aux plus grands. Enfin, nous avons appris qu'en connectant une cellule photovoltaïque à un moteur ou à une LED, nous pouvons observer son fonctionnement dans différentes conditions de lumière.
Étape 2 : Afficher les données collectées
Orientation
Dans l'étape précédente, nous avons construit un circuit simple avec une cellule photovoltaïque et une LED ou un moteur pour démontrer que la lumière transporte de l'énergie. Dans cette étape, nous allons étudier ce qui se passe dans différentes conditions de lumière.
Conceptualisation
Nous voulons voir ce qui se passe dans différentes conditions de lumière, par exemple le matin, à midi ou l'après-midi, par temps nuageux ou ensoleillé. Nous voulons réaliser une enquête qualitative, ce qui signifie que nous ne collectons pas de données numériques et ne faisons pas d'analyse quantitative, mais nous voulons plutôt essayer une première étape pour voir si nous observons une différence lorsque nous exposons notre cellule photovoltaïque à différentes conditions de lumière. Par exemple, quand le moteur tourne-t-il plus vite ?
Investigation
À ce stade, nous décidons quand mener notre enquête, par exemple toutes les 3 heures à partir de 9 heures du matin. Nous créons un tableau avec des colonnes. La première colonne est "heure", la deuxième colonne est "conditions de lumière" et la troisième colonne est "observation ou commentaire".
| Heure | Conditions de lumière | Observation / Commentaire |
|---|---|---|
Voici un exemple :
| Heure | Conditions de lumière | Observation / Commentaire |
|---|---|---|
| 9h00 | Soleil | Le moteur tourne vite |
| 12h00 | Partiellement nuageux | Le moteur tourne plus lentement |
| 15h00 | Très nuageux | Le moteur ne tourne pas |
Débriefing
Grâce à cette phase, nous avons compris l'importance de collecter des données afin de tirer des conclusions et de comprendre les phénomènes étudiés. Nous avons également appris comment organiser et enregistrer les données collectées dans un tableau. De plus, nous avons compris l'importance de mener une enquête qualitative pour essayer de répondre à une question de recherche spécifique. Enfin, nous avons appris à discuter et à tirer des conclusions à partir de nos observations en classe.
Étape 3 : Analyser les données
Orientation
Dans l'étape précédente, nous avons rempli un tableau d'observations qui représente nos données. Nous voulons en tirer des enseignements en essayant de répondre aux questions suivantes : les conditions de luminosité changent-elles au cours de la journée ? Cela affecte-t-il la quantité d'énergie que nous pouvons obtenir ?
Conceptualisation
Comme nous l'avons déjà mentionné, notre analyse est qualitative dans le sens où nous ne pouvons donner qu'une réponse approximative à une question de recherche. Si nous voulons des réponses plus précises, nous devons collecter des données quantitatives et les analyser. Cela peut être l'objectif d'un projet de suivi.
Investigation
Nous parcourons notre tableau d'observations par jour et pour chacune d'entre elles, nous essayons de répondre par oui/non/peut-être aux questions suivantes :
- Les conditions de lumière changent-elles au cours de la journée ?
- Oui
- Non
- Peut-être
- Cela affecte-t-il la quantité d'énergie que nous pouvons obtenir ?
- Oui
- Non
- Peut-être
Enfin, nous écrivons nos conclusions et en discutons en classe. Nous réfléchissons également à l'ensemble du processus, depuis le début du projet jusqu'à sa fin. À ce stade, nous pouvons également discuter des énergies renouvelables, telles que la lumière solaire, ainsi que des défis associés à la production, au stockage et à la consommation d'énergie, à la durabilité et à l'utilisation de sources renouvelables.
Débriefing
Dans cette phase, nous avons appris à tirer des conclusions à partir des données collectées en répondant à des questions spécifiques sur les observations. Nous avons appris à discuter à partir de nos observations en classe, afin d'aborder des sujets connexes tels que les énergies renouvelables et les défis qu'elles posent à notre société de manière construite.
Cette analyse étant qualitative, pour des réponses plus précises, nous devrions collecter des données quantitatives grâce à un projet connexe.
Cette fiche fait partie du projet The Dexter Lab, financé par le programme Erasmus+. Contenu sous licence CC BY-SA 4.0.