Plan de séance circuits en série et en dérivation

Ce plan de séance sur les circuits en série et en dérivation utilise un laboratoire virtuel gratuit : chaque binôme peut monter, rompre et mesurer des circuits en une seule séance, avec des appareils de mesure qui ne tombent jamais en panne. Les élèves découvrent pourquoi l'intensité est la même partout dans une boucle en série, pourquoi chaque branche en dérivation reçoit toute la tension de la pile, et pourquoi ajouter une branche fait travailler la pile davantage. Vous trouverez les objectifs, la préparation, les prédictions, les mesures que les élèves doivent obtenir, un jeu de cinq questions pour le lien de la classe, un prolongement et la différenciation. Chaque nombre provient du solveur de circuits de la simulation elle-même.

Si votre classe doit encore découvrir U = R·I, commencez par le plan de séance sur la loi d'Ohm. Cette séance s'appuie dessus.

La séance en un coup d'œil

• Niveau : de la 4e à la 2de (13–16 ans, grades 8–10 aux États-Unis), physique-chimie ou physique d'initiation.
• Durée : une séance de 55–60 minutes, plus un prolongement facultatif de 20 minutes.
• Prérequis : intensité, tension et résistance, loi d'Ohm U = R·I, milliampères.
• Organisation : binômes sur ordinateurs portables ou tablettes, ou classe entière avec un seul projecteur.
• Simulations : Kit de construction de circuits en courant continu. Prolongement : Loi d'Ohm – deux résistances en série.

Objectifs d'apprentissage

À la fin de la séance, les élèves savent :

1. Énoncer que l'intensité est la même en tout point d'un circuit en série.
2. Énoncer que les tensions aux bornes des composants en série s'additionnent pour donner la tension de la pile.
3. Énoncer que chaque branche en dérivation reçoit toute la tension de la pile, et que les intensités des branches s'additionnent pour donner l'intensité dans la pile.
4. Calculer la résistance totale de deux résistances en série (R₁ + R₂) et en dérivation (1/R = 1/R₁ + 1/R₂).
5. Expliquer pourquoi des ampoules en dérivation brillent plus que les mêmes ampoules en série.

Ce que fait la simulation

Le kit est une plaque de montage libre avec deux écrans.

• Introduction : faites glisser fils, piles, résistances, ampoules et interrupteurs de la boîte vers la plaque. Chaque pile fait 9 V et chaque ampoule ou résistance 10 Ω. Touchez un composant pour voir sa tension U, son intensité I et sa puissance P. Un voltmètre et un ampèremètre se trouvent dans le bac sous la boîte.
• Laboratoire : touchez un composant et réglez sa valeur avec un curseur : piles de 0 à 120 V, ampoules et résistances de 0 à 120 Ω, par pas de 0,5. Avancé règle la résistance interne de la pile.

Le réglage Circuit de départ charge un circuit prêt à l'emploi sur les deux écrans : « Pile, interrupteur et ampoule », « Deux ampoules en série », « Deux ampoules en dérivation » ou « Résistance en série avec deux ampoules en dérivation ». Cela fait gagner du temps de montage.

Quelques détails à connaître avant le cours :

• Les affichages utilisent trois chiffres significatifs. Les intensités inférieures à 1 A s'affichent en milliampères, par exemple 450 mA, et les plus grandes en ampères, par exemple 1,80 A.
• La luminosité suit la puissance. Les ampoules brillent davantage quand P = R·I² augmente.
• Le voltmètre a un signe. Il affiche le potentiel de la sonde rouge moins celui de la noire. Si la valeur est négative, échangez les sondes.

Matériel et préparation avant le cours

Matériel : un appareil par binôme (ou un projecteur), les tableaux de données ci-dessous sur papier et une calculatrice.

Préparation (10 minutes, une seule fois) :

1. Ouvrez la simulation et réglez Circuit de départ sur « Deux ampoules en série » dans le panneau des valeurs de départ situé dessous.
2. Cliquez sur Partager et créez un lien pour chaque classe, par exemple « Sciences · Groupe 2 ». Le lien verrouille ce circuit de départ.
3. Facultatif : dans l'onglet Questions, saisissez le jeu de questions ci-dessous et associez-le au lien. Les deux prédictions verrouillent la simulation jusqu'à ce que chaque élève s'engage. Le guide Prédire–Observer–Expliquer explique pourquoi cela fonctionne.
4. Publiez le lien, ou ouvrez-le en mode Présenter et affichez le QR code.

Les élèves changeront eux-mêmes le circuit de départ plus tard, dans le même panneau. Le changer reconstruit les deux écrans et ramène à l'onglet Introduction.

Déroulé de la séance

1. Accroche et prédictions (8 minutes)

Projetez la simulation avec Circuit de départ réglé sur « Pile, interrupteur et ampoule ». Touchez l'ampoule : elle affiche U = 9,00 V et I = 900 mA. Touchez l'interrupteur pour l'ouvrir et le fermer pendant que la classe regarde les électrons s'arrêter et repartir.

Demandez ensuite deux prédictions, sur papier ou sur le lien :

• P1. « Deux ampoules identiques sont branchées sur la même pile, d'abord en série, puis en dérivation. Quand brillent-elles le plus ? »
• P2. « Deux ampoules sont en dérivation. Vous ajoutez une troisième ampoule dans une nouvelle branche. L'intensité dans la pile augmente-t-elle, diminue-t-elle ou reste-t-elle la même ? »

Beaucoup d'élèves s'attendent à ce que la pile débite une intensité fixe : ils prédisent donc la même luminosité pour P1 et « diminue » pour P2. Ne corrigez personne pour l'instant.

2. Série : un seul chemin, une tension partagée (12 minutes)

Les binômes ouvrent le lien (« Deux ampoules en série »). Ils touchent chaque ampoule, lisent la ligne « Intensité dans Pile 1 », puis placent l'ampèremètre sur trois fils différents. Enfin, ils placent les deux sondes du voltmètre aux bornes de chaque ampoule, puis aux bornes des deux ampoules ensemble.

Mesure	Valeur attendue
Intensité dans la pile	450 mA
Intensité dans l'ampoule 1 et dans l'ampoule 2	450 mA chacune
Ampèremètre sur n'importe quel fil	450 mA
Tension aux bornes de chaque ampoule	4,50 V
Tension aux bornes des deux ampoules	9,00 V
Puissance de chaque ampoule	2,02 W

Demandez : « L'intensité est-elle consommée par la première ampoule ? » Non : 450 mA avant, entre et après les ampoules. Ce qui se partage, c'est la tension : 4,50 V + 4,50 V = 9,00 V.

Faites ensuite glisser une ampoule dans la boîte pour la retirer. L'autre ampoule s'éteint et l'intensité tombe à zéro. Une seule coupure interrompt l'unique chemin.

3. Dérivation : toute la tension, une intensité partagée (12 minutes)

Dans le panneau des valeurs de départ, les binômes règlent Circuit de départ sur « Deux ampoules en dérivation » et refont les mesures.

Mesure	Valeur attendue
Intensité dans la pile	1,80 A
Intensité dans chaque ampoule	900 mA
Ampèremètre sur le fil près de la pile	1,80 A
Ampèremètre sur une branche	900 mA
Tension aux bornes de chaque ampoule	9,00 V
Puissance de chaque ampoule	8,10 W

Chaque ampoule se comporte comme si elle était seule sur la pile : 9,00 V et 900 mA, comme l'ampoule unique de l'accroche. Les intensités des branches s'additionnent : 900 mA + 900 mA = 1,80 A. Retirez maintenant une ampoule. L'autre reste allumée avec 900 mA, et l'intensité dans la pile retombe à 900 mA.

Vérifiez P1. Les ampoules en dérivation brillent davantage parce que chacune consomme 8,10 W, quatre fois les 2,02 W d'une ampoule en série. Vérifiez P2 de la même façon : une troisième branche appelle 900 mA de plus, donc l'intensité dans la pile monte à 2,70 A. Les binômes rapides peuvent construire cette troisième branche à partir de la boîte pour le voir.

4. Résistances différentes sur l'écran Laboratoire (14 minutes)

Les binômes ouvrent l'onglet Laboratoire, où le même circuit de départ les attend. Ils touchent une ampoule, règlent sa résistance avec le curseur et relisent toutes les valeurs. Pour les lignes en dérivation, ils changent Circuit de départ et rouvrent l'onglet Laboratoire.

Circuit (pile de 9 V)	Intensité dans la pile	Ampoule 1	Ampoule 2
Série, 10 Ω et 20 Ω	300 mA	3,00 V, 300 mA	6,00 V, 300 mA
Dérivation, 10 Ω et 20 Ω	1,35 A	9,00 V, 900 mA	9,00 V, 450 mA
Série, 20 Ω et 40 Ω	150 mA	3,00 V, 150 mA	6,00 V, 150 mA

Demandez aux binômes deux régularités. Bonnes réponses : « En série, la plus grande résistance prend la plus grande part de la tension, dans le même rapport » et « En dérivation, la plus grande résistance prend la plus petite part de l'intensité. »

Cherchez ensuite la résistance totale à partir des mesures dans la pile :

• Série : 9 V ÷ 0,300 A = 30 Ω, soit 10 Ω + 20 Ω.
• Dérivation : 9 V ÷ 1,35 A ≈ 6,67 Ω, ce qui correspond à 1/R = 1/10 + 1/20.

L'idée clé : une branche en dérivation ajoute un chemin, donc la résistance totale est plus petite que la plus petite branche. C'est pourquoi l'intensité dans la pile a augmenté dans P2.

5. Un circuit mixte (6 minutes)

Réglez Circuit de départ sur « Résistance en série avec deux ampoules en dérivation » et revenez à l'onglet Introduction. Demandez aux binômes de prédire les mesures avant de toucher :

• Les deux ampoules en dérivation équivalent à 5 Ω, donc le total est 10 Ω + 5 Ω = 15 Ω.
• Intensité dans la pile : 9 V ÷ 15 Ω = 600 mA. La résistance est traversée par les 600 mA et prend 6,00 V.
• Chaque ampoule reçoit les 3,00 V restants et est traversée par 300 mA.

La simulation confirme, et les ampoules qui brillent faiblement montrent qu'elles se partagent maintenant la tension avec la résistance.

6. Bilan de sortie (5 minutes)

Utilisez les questions 3 à 5 du jeu ci-dessous. Ouvrez ensuite Voir les réponses et montrez côte à côte les colonnes Prédiction et Après pour P1 et P2.

Jeu de questions pour cette séance

Saisissez-les dans l'onglet Questions de la simulation. Consignes pour les élèves suggérées : « Utilisez le réglage Circuit de départ dans le panneau sous la simulation. Touchez un composant pour lire sa tension et son intensité. »

1. Choix multiple · Avant, comme prédiction · Reposer la question après la simulation

• Question : « Deux ampoules identiques sont branchées sur la même pile, d'abord en série, puis en dérivation. Quand brillent-elles le plus ? »
• Options : En série / En dérivation (correcte) / Pareil dans les deux cas / Cela dépend de l'ampoule la plus proche de la pile
• Explication : « En dérivation, chaque ampoule reçoit les 9 V, est traversée par 900 mA et consomme 8,10 W. En série, les ampoules se partagent les 9 V : chacune reçoit 4,50 V, l'intensité n'est que de 450 mA et chaque ampoule consomme environ 2 W. La luminosité suit la puissance : les ampoules en dérivation brillent donc davantage. »

2. Choix multiple · Avant, comme prédiction · Reposer la question après la simulation

• Question : « Deux ampoules sont en dérivation sur une pile de 9 V. Vous ajoutez une troisième ampoule identique dans une nouvelle branche. L'intensité dans la pile… »
• Options : augmente (correcte) / diminue / reste la même / tombe à zéro
• Explication : « Chaque branche reçoit les 9 V et appelle 900 mA, quoi que fassent les autres branches. Deux branches appellent 1,80 A et trois en appellent 2,70 A. Chaque nouvelle branche est un chemin de plus : la résistance totale diminue et l'intensité dans la pile augmente. »

3. Nombre · Après la simulation

• Question : « Sur l'écran Laboratoire, utilisez Deux ampoules en série. Réglez une ampoule à 10 Ω et l'autre à 20 Ω. Quelle est la tension aux bornes de l'ampoule de 20 Ω ? »
• Réponse : 6,00, marge d'erreur ± 0,05, unité V
• Explication : « La résistance totale est de 30 Ω, donc l'intensité est de 9 V ÷ 30 Ω = 300 mA partout. L'ampoule de 20 Ω prend 0,300 A × 20 Ω = 6,00 V et celle de 10 Ω prend 3,00 V. La plus grande résistance reçoit la plus grande part, et les deux s'additionnent pour donner 9 V. »

4. Nombre · Après la simulation

• Question : « Utilisez maintenant Deux ampoules en dérivation avec les mêmes valeurs, 10 Ω et 20 Ω. Quelle est l'intensité dans la pile ? »
• Réponse : 1,35, marge d'erreur ± 0,02, unité A
• Explication : « Les deux branches reçoivent les 9 V. La branche de 10 Ω est traversée par 900 mA et celle de 20 Ω par 450 mA. La pile fournit les deux : 0,90 A + 0,45 A = 1,35 A. Le couple se comporte donc comme une seule résistance de 6,67 Ω, plus petite que chacune des deux. »

5. Réponse courte · Après la simulation

• Question : « Expliquez pourquoi deux résistances en dérivation ont une résistance totale plus petite que chacune seule. »
• Réponses acceptées (facultatif) : *chemin*
• Réponse modèle : « Une branche en dérivation offre au courant un chemin de plus. La pile impose la même tension à chaque chemin : les intensités s'additionnent et l'intensité totale est plus grande qu'avec une seule résistance. Une intensité plus grande pour la même tension signifie une résistance totale plus petite. »

Les questions 1 et 2 sont les prédictions, reposées après la simulation pour que les élèves puissent comparer. Le guide de l'évaluation formative explique comment lire les résultats d'une classe à l'autre.

Prolongement : partage de la tension et pile réelle

Deux résistances en série (10 minutes). La simulation de résistances en série affiche I = U/(R1 + R2), U1 et U2 pour une source et deux résistances. Les élèves règlent les valeurs dans son panneau des valeurs de départ. Avec les valeurs par défaut, U = 12 V, R1 = 10 Ω et R2 = 20 Ω, elle affiche I = 0,400 A, U1 = 4,00 V et U2 = 8,00 V.

Mettez les binômes au défi d'obtenir U1 = 3,00 V exactement avec U = 9 V. Une réponse : R1 = 15 Ω et R2 = 30 Ω donnent I = 0,200 A, U1 = 3,00 V et U2 = 6,00 V. Tout couple où R2 vaut le double de R1 convient : c'est la formule du diviseur de tension à l'œuvre.

Résistance interne (10 minutes). Sur l'écran Laboratoire du kit, réglez Résistance interne de la pile sous Avancé à 1 Ω. Avec une seule ampoule de 10 Ω, l'intensité tombe à 818 mA et la tension aux bornes de la pile à 8,18 V. Avec « Deux ampoules en dérivation », la pile fournit 1,50 A et chaque ampoule ne reçoit que 7,50 V. Demandez : « Pourquoi ajouter une branche rend-il maintenant les ampoules plus faibles ? » L'intensité plus grande fait perdre plus de tension à l'intérieur de la pile elle-même.

Différenciation

Soutien :

• Donnez les tableaux avec le nom des mesures déjà rempli, pour que les élèves n'aient qu'à lire et noter.
• Sautez l'étape 4 et le circuit mixte ; comparez seulement des ampoules identiques en série et en dérivation.
• Donnez des débuts de phrases : « Dans un circuit en série, l'intensité est… » et « Dans un circuit en dérivation, chaque ampoule reçoit… »

Approfondissement :

• Trouver la résistance unique qui pourrait remplacer le circuit mixte (15 Ω), la régler sur l'écran Laboratoire et confirmer que l'intensité dans la pile est la même, 600 mA.
• Sur l'écran Laboratoire, cocher Ampoules réelles (la résistance augmente quand l'ampoule chauffe), régler une ampoule de 10 Ω et une de 20 Ω en série, et expliquer pourquoi les tensions ne sont plus exactement 3,00 V et 6,00 V.

Élèves allophones : la simulation existe en six langues. Créez un second lien dans la langue de l'élève pour que les libellés lui soient familiers pendant que la discussion se déroule en français.

Correspondance avec les référentiels

Cette séance s'inscrit dans l'unité sur l'électricité de la physique-chimie du collège, du GCSE Physics britannique ou d'un cours de physique d'initiation. Les NGSS (normes américaines) n'ont pas d'attente de performance dédiée aux circuits en série et en dérivation : nous n'en revendiquons donc aucune. La séance mobilise bien les pratiques « planifier et mener des investigations » et « analyser et interpréter des données ».

Pour un compte rendu de laboratoire complet, voir créer une activité de laboratoire virtuel. Pour d'autres idées dans cette unité, voir idées de séances de physique interactives, et pour les routines générales, utiliser les simulations interactives en classe.

Questions fréquentes

Pourquoi les ampoules en série affichent-elles 2,02 W et non 2,03 W ?

Les fils et la pile ont une résistance minuscule pour que le solveur ne divise jamais par zéro. L'intensité est ainsi un peu inférieure à 450 mA, et la puissance s'arrondit à 2,02 W. L'intensité et la tension affichent toujours 450 mA et 4,50 V.

Comment empêcher les élèves de faire des courts-circuits ?

Inutile. Un court-circuit ne fait que brûler un fil virtuel et afficher un avertissement. Servez-vous-en pour expliquer les fusibles, que les élèves peuvent ajouter sur l'écran Laboratoire.

Les élèves peuvent-ils faire cette séance sur téléphone ?

Oui. Les élèves ouvrent le lien sans compte, et toucher et faire glisser fonctionnent sur écran tactile. Sur les petits écrans, restez sur les circuits de départ plutôt que de monter depuis la boîte.