Deux ampoules en série : brillent-elles autant ?
« Les ampoules jumelles »
- ÂgeDès 8 ans
- Durée20 min
- AdulteAdulte dans la pièce
- OùSur une table
Avec Les ampoules jumelles, construis un circuit en série avec deux ampoules et compare leur éclat à celui d'une ampoule seule. Dès 8 ans, avec un adulte dans la pièce, cette expérience permet de découvrir comment deux ampoules se partagent une même alimentation. Prévois 5 minutes de préparation et 15 minutes d'expérience, sur une table sèche et dégagée.
La question
Deux ampoules en série brillent-elles autant qu'une seule ?
Ton hypothèse
Que va-t-il se passer, à ton avis ? Formule ton hypothèse avant de commencer.
Le matériel
- 3, installées dans le boîtier porte-piles, soit 4,5 V au total Piles alcalines AA de 1,5 V
- 1 Boîtier porte-piles adapté aux 3 piles AA
- 4, dont 1 gardé en réserve Fils à pinces crocodile
- 2 Petites ampoules identiques de 4,5 V
- 2 Douilles adaptées aux ampoules
L’expérience
- 1
Pose le matériel sur la table sèche, avec les bornes du boîtier libres. Installe chaque ampoule dans sa douille, sans serrer fort, et garde le quatrième fil à l'écart.
- 2
Pour le premier montage, relie un contact de la première douille à la borne négative du boîtier avec un fil. Fixe un deuxième fil à l'autre contact de cette douille et laisse sa pince libre posée à l'écart du boîtier.
Une douille possède deux contacts distincts : chaque fil doit rejoindre un contact différent.
- 3
Fais vérifier ce montage par l'adulte avant de raccorder la pince libre à la borne positive du boîtier. Observe l'éclat de l'ampoule pendant quelques secondes, sans la toucher.
- 4
Débranche d'abord le fil de la borne positive, puis celui de la borne négative, sans déplacer les autres pinces. Le boîtier ainsi déconnecté, détache les fils de la douille.
- 5
Avec le boîtier toujours déconnecté, relie un contact de la première douille à un contact de la seconde avec un fil. Fixe un autre fil au contact restant de la première douille et un troisième au contact restant de la seconde ; laisse leurs deux extrémités libres séparées du boîtier.
Tu dois pouvoir suivre un seul chemin : un fil, la première ampoule, un fil, la seconde ampoule, puis un dernier fil.
- 6
Fais vérifier le nouveau montage par l'adulte avant de raccorder les deux pinces libres aux bornes du boîtier, une à chaque borne. Observe les deux ampoules pendant quelques secondes et compare leur éclat à celui de l'ampoule seule.
- 7
Débranche d'abord le fil de la borne positive, puis celui de la borne négative, sans déplacer les autres pinces. Laisse les deux ampoules et leur fil de liaison en place sur la table.
Observe
Avec une seule ampoule, tu vois un éclat assez vif si les piles sont en bon état. Avec les deux ampoules en série, chacune brille moins que l'ampoule seule. Les deux ampoules identiques ont normalement un éclat très proche. Leur lumière peut être assez faible : regarde-les dans les mêmes conditions d'éclairage, sans changer de place entre les comparaisons.
À noter dans ton carnet
- L'éclat de l'ampoule seule : faible, moyen ou vif.
- L'éclat de chacune des deux ampoules en série, avec les mêmes mots.
- La présence ou l'absence d'une différence visible entre les deux ampoules.
- Le nombre de piles et le nombre d'ampoules utilisés dans chaque montage.
Comprendre
Dans ce montage, le courant passe dans les deux ampoules, l'une après l'autre. Elles brillent presque autant l'une que l'autre, mais moins qu'une ampoule seule, car le courant est plus faible.
Un circuit en série possède un seul chemin pour le courant électrique. Ici, ce chemin traverse successivement les deux ampoules avant de revenir au boîtier. Le courant électrique correspond à un déplacement de charges électriques. Son intensité indique la quantité de charges qui passe chaque seconde à un endroit du circuit : elle est la même dans les deux ampoules.
La première ampoule ne consomme donc pas une partie du courant en laissant le reste à la seconde. Dans ce circuit, les charges ne s'épuisent pas en chemin. Pense à une file de personnes qui franchissent successivement deux portes : en régime régulier, le même nombre de personnes passe chaque seconde par chaque porte. Les ampoules, elles, reçoivent de l'énergie électrique et la transforment notamment en lumière.
Le boîtier contenant les trois piles fournit une tension d'environ 4,5 V. La tension est une grandeur électrique qui permet de décrire l'alimentation reçue par les ampoules. Une ampoule seule reçoit presque toute la tension disponible. Avec deux ampoules identiques en série, cette tension se répartit à peu près également entre elles : chacune reçoit environ 2,25 V.
La résistance électrique décrit la manière dont un élément limite le passage du courant. Ajouter une deuxième ampoule en série limite davantage le courant fourni par les mêmes piles. Le courant devient plus faible, et chaque ampoule reçoit moins d'énergie par seconde : elle éclaire moins. Dans ces ampoules, le filament, un fil très fin qui devient lumineux, change aussi de résistance selon sa température : on ne peut donc pas affirmer que le courant est exactement divisé par deux.
Les deux ampoules sont identiques et traversées par le même courant : leur éclat est donc approximativement égal. De petites différences de fabrication peuvent rendre l'une un peu plus lumineuse. Comme lorsque tu compares deux petites lumières identiques dans une pièce, garde le même éclairage autour d'elles : une lumière paraît plus discrète près d'une fenêtre très lumineuse.
- Circuit en série
- Circuit dans lequel les éléments sont placés les uns à la suite des autres sur un seul chemin pour le courant.
- Courant électrique
- Déplacement de charges électriques dans un circuit.
- Intensité
- Grandeur qui indique la quantité de charges électriques passant chaque seconde à un endroit du circuit.
- Tension
- Grandeur électrique, exprimée en volts, qui caractérise notamment une alimentation ou ce qu'une ampoule reçoit entre ses deux contacts.
- Résistance électrique
- Propriété d'un élément qui limite le passage du courant électrique.
- Filament
- Fil très fin situé dans l'ampoule, qui devient lumineux lorsque le courant le traverse suffisamment.
Nouveau défi : L'ordre des jumelles change-t-il leur éclat ?
Avec le boîtier déconnecté de ses deux fils, échange les places des deux douilles dans le montage en série. Fais vérifier les connexions par l'adulte avant chaque remise sous tension, puis observe quelques secondes. L'ampoule placée de l'autre côté devient-elle plus lumineuse, ou les deux gardent-elles un éclat proche ? Déconnecte ensuite le boîtier.
Autres idées à tester
- Compare aussi la seconde ampoule seule à la première ampoule seule, avec les mêmes piles. Déconnecte le boîtier avant chaque changement et fais vérifier chaque montage par l'adulte avant de le raccorder ; observe seulement quelques secondes à chaque essai.
Ranger et jeter
Déconnecte le boîtier des deux fils. Une fois les ampoules refroidies, l'adulte compte les 2 ampoules, les 2 douilles et les 4 fils, puis range l'ensemble hors de portée des petits enfants. Essuie la table avec un torchon sec si nécessaire ; l'adulte retire les piles du boîtier pour un rangement prolongé.
Rien ne va dans l'évier. Le matériel intact est réutilisable ; confiez les ampoules et les éléments électriques hors d'usage à une collecte adaptée selon les consignes locales. L'adulte dépose les piles usagées dans un point de collecte de piles, jamais dans la poubelle.
Pour les enseignants et les animateurs
- Classes
- CE2, CM1-CM2 et 6e ; prolongement possible de la 5e à la 3e.
- Notion
- Circuit électrique simple, association d'ampoules en série et comparaison qualitative de leur éclat ; au collège, même intensité dans les éléments en série et répartition de la tension.
- Compétences
- Formuler une hypothèse et la confronter à des observations.
- Réaliser un montage simple en respectant les règles de sécurité.
- Comparer deux situations en conservant la même alimentation et les mêmes conditions d'observation.
- Représenter un circuit et communiquer un résultat avec un vocabulaire précis.
- En classe
- Pour 25 élèves, préparez 5 groupes de 5, chacun avec les 3 piles dans leur boîtier, les 4 fils et les 2 ampoules avec leurs douilles. Prévoyez 5 minutes d'installation et 15 minutes de manipulation, puis un temps de mise en commun. Échelonnez les essais pour vérifier personnellement chaque montage avant son raccordement au boîtier ; les autres groupes dessinent leur montage pendant cette attente. Faites comparer les observations au sein de chaque groupe, car l'état des piles peut varier d'un lot à l'autre.
- À la fin, l’élève sait…
- L'élève doit pouvoir dire que deux ampoules identiques en série brillent approximativement autant l'une que l'autre, mais moins qu'une ampoule seule alimentée par les mêmes piles. Il doit aussi montrer le chemin unique du courant et expliquer pourquoi le boîtier est déconnecté avant toute modification.
Questions fréquentes
Pourquoi les deux ampoules éclairent-elles moins qu'une seule ?
Avec deux ampoules en série, le montage limite davantage le courant qu'avec une seule ampoule. La tension disponible se répartit aussi entre les deux ampoules. Chacune reçoit moins d'énergie par seconde et produit moins de lumière. Cela ne signifie pas que la première garde le courant pour elle.
Les ampoules brillent à peine : l'expérience a-t-elle échoué ?
Pas forcément : deux ampoules de 4,5 V en série avec cette alimentation peuvent produire une lumière très faible. Conservez le montage déconnecté pendant que vous vérifiez les contacts et les références des ampoules. Si une ampoule seule éclaire déjà très peu, les piles peuvent être usagées. Gardez les quantités et le matériel prévus, puis faites vérifier le montage avant un nouvel essai.
Pourquoi une ampoule semble-t-elle un peu plus brillante que l'autre ?
Deux ampoules vendues comme identiques ne sont pas parfaitement semblables. De petites différences de fabrication peuvent modifier leur éclat. L'angle d'observation et la lumière de la pièce jouent également sur ce que vous voyez. Comparez-les de face, dans les mêmes conditions, et vérifiez les connexions uniquement avec le boîtier déconnecté.
