Activité loi d'Ohm : séquence de 2 cours avec LED et résistances

Une bonne activité sur la loi d'Ohm ne commence pas par la formule écrite au tableau à apprendre par cœur, mais par une prédiction que les élèves vérifient ensuite dans leur propre circuit. La séquence proposée ici tient en deux cours (2 × 40 minutes) et comporte quatre étapes : prédire (quelle résistance fait briller la LED davantage ?), calculer (combien de milliampères circulent d'après U = R × I ?), observer et mesurer (quelle est la luminosité de la LED, quelle tension lit l'Arduino ?) et comparer (pourquoi la prédiction, le calcul et la mesure sont-ils proches sans être identiques ?). Quand l'élève a utilisé la formule de ses propres mains, il se souvient de U, I et R par l'expérience et non par la mémoire.

Nous ne reprenons pas la théorie ici : la formule, les unités et le calcul de puissance sont dans qu'est-ce que la loi d'Ohm, et le fonctionnement d'une résistance et d'une LED est expliqué dans qu'est-ce qu'une résistance et qu'est-ce qu'une LED. Cet article se concentre sur ce que tu emportes en classe : objectifs, tableau du matériel pour une classe de 24, déroulé minute par minute des deux cours, un court programme Arduino de mesure qui compile, un modèle de tableau de mesures, une fiche de 6 questions avec corrigé, les idées reçues fréquentes et des pistes de différenciation pour les groupes rapides et plus lents.

Le principe de l'activité : prédire, calculer, mesurer, comparer

Cet ordre a un but : faire de la formule non plus une machine à réponses, mais un outil de vérification. Si un élève se trompe dans sa prédiction à la première minute (beaucoup diront « la plus grosse résistance est plus forte, donc la LED brille plus »), ce n'est pas un problème, c'est la matière du cours. Voir sa propre prédiction tomber de ses propres yeux au deuxième cours marque bien plus que lire la même chose au tableau. Travailler avec une seule couleur de LED (rouge) tout au long de l'activité est aussi un choix voulu : quand la résistance est la seule variable, les élèves voient clairement ce qui change quoi. Les autres couleurs restent des tâches d'approfondissement pour les groupes rapides.

Objectifs et prérequis

• Lit la valeur d'une résistance à quatre anneaux avec le code couleur et la vérifie avec une application.
• Calcule la troisième grandeur de U = R × I quand deux sont connues et convertit correctement milliampères et kiloohms.
• Explique qu'une LED a besoin d'une certaine tension de seuil pour s'allumer et que la tension aux bornes de la résistance est la tension d'alimentation moins cette valeur.
• Montre par l'expérience qu'une résistance plus grande donne moins de courant et une LED moins lumineuse, et donne au moins deux raisons de l'écart entre valeurs calculées et mesurées.
• Déduit du tableau de mesures qu'une LED ne se comporte pas comme une résistance : sa tension change très peu alors que le courant est multiplié.

Comme prérequis, il suffit que les élèves aient déjà entendu les mots tension, intensité et résistance. La séquence fonctionne aussi avec une classe qui n'a jamais vu la formule ; tu allonges simplement de quelques minutes la partie du triangle au premier cours. Savoir brancher deux composants en série sur une plaque d'essai aide beaucoup. Si ce n'est pas le cas, montre au cours précédent, en échauffement de cinq minutes, le schéma des connexions internes de qu'est-ce qu'une breadboard. Aucune expérience d'Arduino n'est nécessaire : tu peux téléverser toi-même le programme du deuxième cours à l'avance, les élèves ouvrent seulement le Moniteur série et lisent les nombres. La séquence a été pensée pour des élèves du collège et du début du lycée, mais le même déroulé convient en lycée professionnel et en atelier d'initiation à l'électronique.

Liste du matériel : par groupe et pour une classe de 24

Option sans multimètre : l'entrée analogique de l'Arduino Uno transforme 0 à 5 V en un nombre entre 0 et 1023, la carte est donc à la fois une source 5 V et un voltmètre simple. Le deuxième cours de cette séquence est construit ainsi ; le multimètre n'est qu'un plus pour les groupes qui veulent savoir « combien de volts donne vraiment la broche 5 V ? » ou mesurer directement le courant. Si tu as quelques multimètres, tu peux faire la mesure de courant en démonstration sur ton bureau ; le bon calibre et l'endroit où brancher les pointes sont expliqués dans comment utiliser un multimètre. Sans Arduino ni multimètre, le premier cours reste identique, et au deuxième tu fais seulement l'expérience de luminosité en laissant vides les colonnes de mesure.

1er cours (40 minutes) : prédiction et calcul

Ne donne pas la réponse à la question d'amorce ; ramasse les cartes de prédiction et garde-les pour le deuxième cours. Une partie de la classe dira « 1 kΩ est plus grand, il donne plus d'énergie », une autre aura la bonne prédiction et la justifiera par « la résistance freine le courant ». Quand les justifications des deux groupes sont relues à la fin du deuxième cours, la discussion démarre toute seule. Pour le code couleur, les élèves lisent les anneaux puis vérifient sur le téléphone avec l'outil Code couleur ; l'outil n'est pas là pour lire à leur place, mais pour confirmer leur propre lecture. Pose donc la règle dès le départ : d'abord sur papier, ensuite on vérifie.

Pour le triangle, ne fais pas apprendre la formule sous trois formes ; un seul triangle suffit. Quand on cache du doigt la grandeur cherchée, les deux lettres restantes sont soit côte à côte (multiplication), soit l'une au-dessus de l'autre (division). Trois exemples que nous proposons : 5 V et 1 kΩ, combien de mA (5 mA) ? 2 V et 10 mA, combien d'ohms (200 Ω) ? 20 mA et 150 Ω, combien de volts (3 V) ? Les élèves vérifient en entrant deux valeurs dans l'outil Loi d'Ohm. L'erreur la plus courante concerne les unités : un élève qui écrit 10 au lieu de 10 mA trouve un résultat absurde comme 0,2 Ω. Pour l'attraper, demande à voix haute à chaque exemple : « le résultat est-il logique ? »

La partie LED est le cœur de l'activité. Explique qu'une LED ne s'allume pas un peu à n'importe quelle tension comme une ampoule : une LED rouge ne laisse presque pas passer de courant en dessous de 1,6–1,7 V, et vers 2 V le courant monte très vite. C'est pourquoi, sur les 5 V de la source, environ 2 V restent aux bornes de la LED, les 3 V restants tombent sur la résistance, et ce sont ces 3 V qui fixent le courant. Fais chercher les valeurs typiques par couleur dans l'outil Tensions des LED ; il indique environ 1,85 V pour le rouge, et en classe nous arrondissons à 2 V pour faciliter le calcul. Ce petit écart fait une bonne question : avec 220 Ω, est-ce 13,6 mA ou 14,3 mA ? Les deux veulent dire « environ 14 mA ». Ensuite, chaque groupe calcule le courant pour ses quatre résistances, entre ce courant dans l'outil Résistance de LED et constate que la résistance proposée est proche de la sienne. Le tableau ci-dessous est ton corrigé ; les valeurs sont calculées avec une source de 5 V.

• Question de sortie 1 : Qui laisse passer le plus de courant, 220 Ω ou 330 Ω ? Justifie avec un nombre.
• Question de sortie 2 : Dans un circuit en 5 V, s'il y a 2 V aux bornes de la LED rouge, combien de volts y a-t-il aux bornes de la résistance ?
• Question de sortie 3 : La tension de seuil d'une LED bleue est plus élevée que celle d'une rouge. Avec la même résistance de 220 Ω, le courant de la LED bleue augmente-t-il ou diminue-t-il ?

2e cours (40 minutes) : expérience de luminosité et mesure avec l'Arduino

Il est important de commencer l'expérience de luminosité par 1 kΩ : en allant du circuit le plus faible au plus lumineux, les élèves voient mieux la différence et leurs yeux ne se fatiguent pas. Donne une échelle commune : 1 « à peine visible », 3 « bien visible à la lumière de la salle », 5 « gênant à regarder ». Comparer des couleurs différentes à l'œil est trompeur, car l'œil est plus sensible au vert qu'au rouge et au bleu ; à courant égal, une LED verte peut sembler plus lumineuse. Compare donc toujours la luminosité au sein d'une même couleur. Ces deux cours peuvent aussi s'ajouter comme journée supplémentaire au programme d'atelier Arduino sur 5 jours ; ils se placent bien juste après la première journée consacrée aux LED.

Monter le circuit et transformer l'Arduino en voltmètre

1. Câble USB débranché, relie la broche 5V de l'Arduino à une rangée de la plaque d'essai.
2. Plante une patte de la résistance dans la même rangée et l'autre dans une rangée libre.
3. Plante la patte longue de la LED rouge (anode) dans la même rangée que la deuxième patte de la résistance, et la patte courte (cathode) dans une autre rangée.
4. Relie la rangée de la cathode de la LED à la broche GND de l'Arduino.
5. Tire un fil depuis la rangée où se rejoignent la résistance et l'anode de la LED jusqu'à la broche A0 de l'Arduino.
6. Branche l'USB, ouvre le Moniteur série à 9600 bauds et note dans le tableau de mesures les deux valeurs qui arrivent chaque seconde.
7. Débranche l'USB, remplace la résistance par la suivante et refais l'étape 6. Pas besoin de téléverser à nouveau le programme.

1// Ohm kanunu etkinliği: LED ve direnç gerilimini ölç / Ohm's law activity: measure LED and resistor voltage
2// Devre / Circuit: 5V -> direnç / resistor -> A0 + LED anot / anode -> LED katot / cathode -> GND
3const float VCC = 5.00;      // 5V pinindeki gerilim, multimetre varsa ölçüp yaz / voltage on the 5V pin, measure it if you have a multimeter
4const int SENSE_PIN = A0;    // direnç ile LED'in birleştiği nokta / node where the resistor meets the LED
5const int SAMPLES = 20;      // ortalaması alınacak okuma sayısı / number of readings to average
6
7void setup() {
8  Serial.begin(9600);
9  Serial.println(F("V_LED (V)   V_R (V)"));
10}
11
12void loop() {
13  long sum = 0;
14  for (int i = 0; i < SAMPLES; i++) {
15    sum += analogRead(SENSE_PIN);         // 0-1023
16    delay(5);
17  }
18  float raw = sum / (float)SAMPLES;       // ortalama okuma / average reading
19  float vLed = raw * VCC / 1023.0;        // LED üzerindeki gerilim / voltage across the LED
20  float vRes = VCC - vLed;                // direnç üzerindeki gerilim / voltage across the resistor
21
22  Serial.print(vLed, 2);
23  Serial.print(F("        "));
24  Serial.println(vRes, 2);                // akımı kağıtta bul: I = V_R / R / find the current on paper: I = V_R / R
25  delay(1000);
26}

Le programme ne calcule volontairement pas le courant : le Moniteur série affiche seulement la tension aux bornes de la LED et de la résistance, et les élèves trouvent le courant sur papier avec I = U_R / R. La loi d'Ohm est ainsi utilisée une fois de plus en fin de cours, cette fois avec une vraie mesure, et il n'y a rien à téléverser quand on change de résistance. analogRead() convertit la tension sur A0 en un nombre de 0 à 1023 ; avec une référence de 5 V, un pas vaut environ 4,9 mV. Pour une classe qui n'a jamais vu comment se lit ce nombre, l'exemple de lecture analogique de qu'est-ce qu'un potentiomètre est une bonne préparation. Comme le programme fait la moyenne de 20 lectures, les nombres ne sautent pas à l'écran. Les 5 V de l'USB se situent en général entre 4,7 et 5,1 V ; si tu as un multimètre, mesure une fois entre 5V et GND et écris la valeur à la ligne VCC, les deux colonnes gagnent quelques pour cent de précision.

Le tableau des élèves ressemblera à peu près à ceci : quand la résistance passe de 1 kΩ à 220 Ω, le courant est multiplié par quatre ou cinq et la note de luminosité passe de 1–2 à 4–5, mais la tension de la LED n'augmente que de quelques dixièmes de volt, restant typiquement entre 1,8 et 2,0 V pour une LED rouge. C'est le moment le plus précieux du cours, car les élèves voient avec leurs propres nombres qu'une LED ne se comporte pas comme une résistance : on applique la loi d'Ohm à la résistance et on traite la LED comme un composant qui prend une tension presque fixe. Un écart de quelques pour cent entre calcul et mesure est normal ; laisse les élèves en trouver les causes. Réponses attendues : la tension de l'USB n'est pas exactement 5 V, les résistances ont une tolérance de ±5 %, la vraie tension de seuil de la LED diffère de nos 2,0 V arrondis, et un pas de la lecture analogique vaut environ 5 mV.

Fiche d'exercices : 6 questions et corrigé

Idées reçues fréquentes et comment les corriger en classe

Les deux premières idées reçues sont les plus tenaces. Contre « la résistance consomme le courant », la démonstration au multimètre est la plus convaincante ; sans multimètre, montre que les deux tensions du Moniteur série font toujours presque exactement 5 V au total et explique que c'est la tension qui se partage dans un circuit en série. C'est une entrée naturelle vers les lois de Kirchhoff, à donner en devoir aux élèves curieux. Réfute « la résistance ne sert à rien » par le calcul plutôt qu'en grillant une LED : voir le courant grandir quand R diminue, et devenir indéfini à zéro, est assez frappant.

Différenciation : groupes rapides et plus lents

• Groupe rapide, série et parallèle : Deux 220 Ω en série (440 Ω, environ 6,8 mA) et deux 1 kΩ en parallèle (500 Ω, environ 6,0 mA). Faire d'abord prédire lequel brillera le plus ; les deux sont presque identiques, et cette surprise lance une bonne discussion. Ils peuvent vérifier la résistance équivalente dans l'outil Série / parallèle. Cet outil est Premium ; sans abonnement, il s'ouvre en vitrine Calcul d'exemple, et calculer avec ses propres valeurs demande Premium. Les formules sont dans calcul de résistances en série et en parallèle.
• Groupe rapide, une résistance à la place de la LED : Retirer la LED et mettre une deuxième 1 kΩ à sa place ; A0 lit environ 2,5 V. Avec 220 Ω en haut et 330 Ω en bas (à la place de la LED), A0 lit 5 × 330 / 550 = 3,0 V. Comparer dans leur tableau comment la tension varie proportionnellement avec la résistance, alors qu'aux bornes de la LED elle restait presque constante.
• Groupe rapide, changer de couleur : Refaire la mesure avec une LED bleue, confronter à la mesure les quelque 7,7 mA calculés avec 220 Ω et expliquer par la tension de la résistance pourquoi la LED bleue consomme moins de courant. La mesure leur permet aussi de savoir si leur LED verte est de l'ancien type (environ 2,2 V) ou un vert pur (environ 3,2 V).
• Groupe plus lent, circuit préparé : Donne au groupe une plaque d'essai avec la résistance de 330 Ω et la LED rouge déjà en place et le fil A0 branché. Les élèves changent seulement la résistance, notent deux tensions et font une seule opération : I = U_R / R.
• Groupe plus lent, carte d'étapes : Pose sur la table une carte avec le triangle U = R × I et la ligne « 5 V − tension de la LED = tension de la résistance ». Un élève qui ne sait pas encore lire le code couleur entre d'abord les couleurs dans l'outil Code couleur, puis fait la lecture lui-même au deuxième essai.

Liste de vérification avant le cours

• Le programme de mesure est téléversé sur chaque Arduino et le Moniteur série a été testé une fois à 9600 bauds.
• Les câbles USB ont été vérifiés : ce sont des câbles de données (un câble de charge seule ne fait pas apparaître la carte sur l'ordinateur).
• Les sachets de résistances sont prêts, sans valeurs écrites ; la 100 Ω est sur le bureau de l'enseignant.
• Les pattes des LED ne sont pas coupées, la patte longue se reconnaît comme anode ; chaque groupe a une LED rouge de rechange.
• Carte de prédiction, tableau de prévision, tableau de mesures et fiche d'exercices sont imprimés pour 24 élèves.
• BlueGrays est installé sur les téléphones des élèves et l'écran Outils s'ouvre ; les quatre outils du cours ont été essayés une fois.
• Si un multimètre est utilisé, sa pile et le fusible du calibre courant ont été vérifiés.

Comment utiliser BlueGrays dans cette activité

• Outils gratuits : Code couleur, Loi d'Ohm, Résistance de LED et Tensions des LED font partie des outils gratuits. Ils s'ouvrent depuis l'onglet Outils du menu du bas. Les élèves calculent d'abord sur papier puis vérifient avec l'outil ; il sert à valider leur propre calcul, pas à donner la réponse.
• Projet Clignotement d'une LED : Clignotement d'une LED est entièrement gratuit : schéma du circuit, liste des composants, code source, vue en blocs avec Voir en blocs et Comprendre le code sont ouverts. Dans un troisième cours, allumer cette fois la LED depuis une broche numérique et choisir la résistance par son propre calcul est la suite naturelle de l'activité.
• Questions du jour : Il y a environ 400 questions sur 6 niveaux ; parmi les thèmes figure Électricité, et parmi les types de questions, Calcul et Circuit. Une nouvelle série arrive chaque jour et prend environ 3 minutes. Pour la semaine entre les deux cours, la consigne « fais ta série chaque jour » offre une bonne révision. L'application n'a pas de tableau de bord de classe qui montre les scores à l'enseignant ; si tu veux suivre, demande aux élèves d'apporter leurs résultats de la semaine.
• Si tu as besoin de Premium : Si tu veux utiliser avec toute la classe des outils Premium comme Série / parallèle ou des projets Premium, nous expliquons dans codes Premium pour la classe comment fonctionne la distribution de codes issus d'un pack enseignant au lieu d'un abonnement par élève. Toute cette activité peut se faire avec les outils gratuits.

Au bout de deux cours, les élèves n'ont pas une formule apprise par cœur, mais leur propre carte de prédiction, un tableau qu'ils ont calculé et mesuré eux-mêmes et leur propre réponse écrite à « pourquoi ma prédiction ne s'est-elle pas vérifiée ? ». La prochaine fois que la loi d'Ohm reviendra, ce sont les nombres de ce tableau dont ils se souviendront. Si tu installes l'application BlueGrays sur ton téléphone la veille et que tu essaies une fois les quatre outils gratuits et le projet Clignotement d'une LED, tu sauras à l'avance ce que les élèves verront sur leur écran.