110 – Loi de Kirchhoff

Cette activité de laboratoire initie les élèves à la loi des nœuds de Kirchhoff (LNK) et à la loi des mailles de Kirchhoff (LMK) par des expériences pratiques avec des circuits en série et en parallèle. En construisant des circuits, en mesurant des grandeurs électriques et en analysant des données, les élèves valideront ces principes fondamentaux de la théorie des circuits.

Objectifs Éducatifs

• Comprendre les lois de Kirchhoff
  • Les étudiants appliqueront la LKC (la somme des courants entrant dans une jonction est égale à la somme des courants sortant) et la LVK (la somme des chutes de tension dans une boucle fermée est égale à la tension d'alimentation) pour analyser les circuits série et parallèle.
• Développement des compétences en analyse de circuits
  • Grâce à un assemblage précis de circuits et à l'utilisation de multimètres, les étudiants mesureront l'intensité du courant et les chutes de tension aux bornes des résistances, améliorant ainsi leurs compétences techniques.
• Relier la théorie à la pratique
  • En comparant les prédictions théoriques (par exemple, V total​=V1​+V2​+V3​ (en série) avec les résultats expérimentaux, les étudiants vérifieront les principes de conservation sous-jacents aux lois de Kirchhoff.
• Améliorer la pensée analytique
  • Les étudiants évalueront les divergences entre les valeurs calculées et mesurées, en identifiant les sources d'erreur telles que les tolérances des résistances ou les imprécisions de mesure.
• Promouvoir la collaboration
  • En travaillant en groupe, les élèves distribueront les rôles dans l'assemblage de circuits, la collecte de données et l'analyse, favorisant ainsi le travail d'équipe et la communication.
• Insister sur les protocoles de sécurité
  • Les étudiants suivront des consignes de sécurité pour prévenir les dangers électriques, notamment des réglages appropriés de l'alimentation électrique et la manipulation d'outils isolés.

Protocole

1. Installez un circuit en série contenant les 3 résistances.
2. Allumez l'alimentation et réglez-la sur 12V.
3. Mesurez l'intensité du courant à la sortie de chaque résistance.
4. Mesurez l'intensité du courant à la source.
5. Mesurez la tension aux bornes de chaque résistance.
6. Mesurez la tension à la source.
7. Enregistrer le schéma du circuit et le démonter.
8. Mettez en place un circuit parallèle contenant les 3 résistances.
9. Répétez les étapes 2 à 7.

Résultats attendus

Analyse de circuit en série

• Mesures actuellesLes étudiants observeront des valeurs de courant identiques en tous points du circuit série, validant ainsi la loi des nœuds (KCL).

• Mesures de tensionLa somme des chutes de tension aux bornes des résistances (V1​+V2​+V3​) sera égale à la tension source (12V), confirmant la LVK.

Analyse de circuit parallèle

• Mesures actuellesLe courant total provenant de la source sera égal à la somme des courants à travers les résistances individuelles, respectant la loi des nœuds (KCL).

• Mesures de tensionLa tension identique aux bornes de toutes les résistances parallèles s'alignera avec les prédictions de la loi des mailles de Kirchhoff.

Calculs

• Les étudiants calculeront la résistance totale (R total​) pour les deux circuits et comparer les valeurs théoriques (par exemple, R série​=R1​+R2​+R3​) avec des résultats expérimentaux issus de $V=IR$.

Résumé du devoir par tranche d'âge

9e-10e année
Focalisation Compréhension fondamentale du comportement des circuits et des lois de Kirchhoff.

• Les élèves assembleront des circuits, mesureront le courant et la tension, et reconnaîtront des motifs (par exemple, courant égal en série, tension égale en parallèle).

• Accent sur l'analyse qualitative et les calculs de base.

Résultats attendus :

• Capacité à distinguer les configurations série et parallèle.

• Maîtrise élémentaire de l'utilisation des multimètres et de l'interprétation des données.

11e-12e année
Focalisation Analyse quantitative avancée et évaluation critique.

• Les étudiants calculeront la résistance totale, la dissipation de puissance et l'erreur en pourcentage entre les résultats théoriques et expérimentaux.

• Les rapports de laboratoire détaillés incluront une analyse des erreurs (par exemple, l'impact de résistances non idéales ou la précision des instruments).

Résultats attendus :

• Maîtrise des lois de Kirchhoff dans des scénarios complexes.

• Compétence en dépannage de circuits et en affinage de méthodes expérimentales.

Essentiels de laboratoire

Instruments

• Platine d'expérimentation
• 3 x résistances
• Fils
• Multimètre
• Alimentation électrique

Produits