Physique du primaire et du collège · Grades 1–9
23Les circuits en série
L’an dernier, une guirlande de fête s’est éteinte parce qu’une seule lampe manquait — et nous avons promis que cette disposition avait un nom. Le voici : le circuit en série, la façon la plus simple de placer plusieurs joueurs sur une même boucle. Il a un règlement strict, et la lampe de poche de ton tiroir lui obéit depuis toujours.
23.1 Une boucle, plusieurs joueurs
Définition 23.1 (En série)
Des joueurs d’un circuit sont en série quand ils se trouvent sur une seule boucle, les uns après les autres, comme des perles sur un même collier : la route du courant traverse le premier, puis le second, puis le troisième, sans jamais se séparer en deux. Un circuit construit ainsi est un circuit en série.
Méthode 23.2 (Le construire)
Avec une pile, deux lampes, un interrupteur et des fils :
- partir de la borne de la pile avec un fil vers l’interrupteur ;
- un fil de l’interrupteur à la première lampe, puis de la première lampe à la seconde ;
- fermer la boucle : de la seconde lampe à la borne de la pile ;
- actionner l’interrupteur et observer les deux lampes ensemble.
Suis la boucle du doigt avant d’allumer : si ton doigt doit un jour choisir entre deux routes, ce n’est pas un circuit en série.
23.2 Le règlement
Proposition 23.3 (Les règles de la boucle unique)
Dans un circuit en série :
- tout ou rien : une seule coupure quelque part — un interrupteur ouvert, une lampe grillée, un fil mal serré — et tous les joueurs s’arrêtent d’un coup ;
- l’ordre est sans importance : échange les lampes, déplace l’interrupteur de l’autre côté de la boucle — tout se comporte exactement comme avant ;
- le partage : plus il y a de lampes sur la boucle, plus chacune brille faiblement ; la poussée de la pile se partage sur tout le collier.
Exemple 23.4 (Voir les règles à l’œuvre)
Construis le circuit à deux lampes et éprouve chaque règle. Dévisse l’une ou l’autre lampe : les deux s’éteignent — règle première (la douille vide est une coupure). Échange les deux lampes, ou place l’interrupteur entre elles : aucun changement — règle deuxième. Reconstruis maintenant avec une seule lampe : elle brille nettement plus fort, seule, qu’avec sa partenaire — règle troisième, à l’envers.
Exemple 23.5 (La guirlande de fête, élucidée)
Le vieux mystère n’en est plus un : les lampes de la guirlande sont en série, des dizaines de perles sur un même collier. Une lampe manquante est une coupure, et la règle première éteint toute la guirlande. Chercher la lampe coupable en les essayant une par une a appris la règle première, à la dure, à des générations de familles — les guirlandes modernes sont construites autrement, comme le montrera l’an prochain.
Remarque 23.6 (L’interrupteur commande tout le monde)
La règle deuxième a une conséquence bien pratique : un seul interrupteur, placé n’importe où sur la boucle, commande tous les joueurs qui s’y trouvent. Voilà pourquoi un unique interrupteur mural peut commander toute une rangée de plafonniers — et pourquoi, pour la même raison, tu ne peux pas éteindre une seule lampe d’une guirlande en série sans les tuer toutes.
23.3 Plusieurs piles sur le collier
Exemple 23.7 (Tête à queue)
Les piles aussi peuvent faire la queue en série — mais elles sont plus difficiles que les lampes : elles doivent se placer tête à queue, le de chaque pile touchant le de la suivante. Deux piles ainsi alignées poussent ensemble, et la lampe brille nettement plus fort qu’avec une seule. Retourne une pile — tête contre tête — et les deux poussées se combattent : la lampe ne donne rien.
Exemple 23.8 (Dans la lampe de poche)
Ouvre une lampe de poche : les piles se glissent l’une derrière l’autre dans un tube — une file tête à queue toute prête — puis la lampe et le bouton-interrupteur complètent une seule boucle à travers le boîtier. Une lampe de poche est un circuit en série dans une poche. Et tu sais maintenant pourquoi elle reste éteinte si une seule pile est mise à l’envers : tête contre tête, les poussées s’annulent.
23.4 Exercices
Exercice 23.1 ★
Que veut dire « en série » ? Quelle image de la vie de tous les jours le chapitre utilise-t-il pour cela ?
Solution
Solution de Exercice 23.1.
Les joueurs se trouvent sur une seule boucle, les uns après les autres, sans jamais de séparation en deux routes — comme des perles enfilées sur un même collier.
Exercice 23.2 ★
Énonce les trois règles du règlement du circuit en série.
Solution
Solution de Exercice 23.2.
Tout ou rien (une seule coupure arrête tout le monde) ; l’ordre est sans importance (échanger les joueurs ne change rien) ; le partage (plus il y a de lampes sur la boucle, plus chacune brille faiblement).
Exercice 23.3 ★
Dans le circuit à deux lampes, la lampe 2 est dévissée. Qu’arrive-t-il à la lampe 1, et pourquoi ? Quelle règle est à l’œuvre ?
Solution
Solution de Exercice 23.3.
La lampe 1 s’éteint elle aussi. La douille vide est une coupure dans la boucle unique, et la règle première — tout ou rien — arrête tous les joueurs d’un coup.
Exercice 23.4 ★
Zoé déplace l’interrupteur d’avant la lampe 1 à après la lampe 2. Que change-t-il dans le comportement du circuit ? Quelle règle le dit ?
Solution
Solution de Exercice 23.4.
Rien ne change : l’interrupteur commande toujours les deux lampes exactement comme avant. Règle deuxième — l’ordre sur la boucle est sans importance.
Exercice 23.5 ★
Une pile allume joliment une lampe. Prédis l’éclat avec : deux lampes en série ; trois lampes en série. Qu’est-ce qui se partage ?
Solution
Solution de Exercice 23.5.
Deux lampes : chacune nettement moins brillante que la lampe seule. Trois : plus faibles encore. C’est la poussée de la pile qui se partage sur tout le collier.
Exercice 23.6 ★
Comment deux piles doivent-elles être placées pour pousser ensemble ? Dessine la file avec les et les marqués sur chaque pile.
Solution
Solution de Exercice 23.6.
Tête à queue : le de l’une touchant le de la suivante, pour que toutes deux poussent dans le même sens autour de la boucle. Dessin : alignées sur une même file.
Exercice 23.7 ★
Suis la boucle d’une lampe de poche : nomme les joueurs que le courant visite depuis la borne de la pile jusqu’à son .
Solution
Solution de Exercice 23.7.
Depuis le : par la lame métallique du boîtier jusqu’au bouton-interrupteur, par l’interrupteur jusqu’à la lampe, à travers le filament de la lampe, puis retour le long du tube — en traversant la seconde pile, tête à queue — jusqu’au de la première pile. Une seule boucle, sans embranchement.
Exercice 23.8 ★
Le circuit d’une sonnette comporte une pile, un bouton et la sonnerie en série. Où pourrais-tu ajouter un second bouton pour que la sonnerie ne retentisse que si l’on appuie sur les deux boutons ?
Solution
Solution de Exercice 23.8.
N’importe où sur la même boucle — par exemple juste après le premier bouton. En série, les deux boutons doivent être fermés pour compléter l’unique route : la sonnerie ne retentit donc que si l’on appuie sur les deux en même temps.
Exercice 23.9 ★
Une guirlande de dix lampes en série est éteinte. Les lampes ont toutes l’air en bon état. Décris un plan patient, avec une lampe dont on sait qu’elle marche, pour trouver celle qui est grillée.
Solution
Solution de Exercice 23.9.
Remplacer la première lampe par celle dont on sait qu’elle marche ; si la guirlande s’allume, la lampe retirée était la coupable. Sinon, remettre l’originale et passer à la deuxième douille, et ainsi de suite tout au long de la guirlande. À une certaine douille, la guirlande s’allumera — la lampe qu’on vient de retirer est la perle grillée.
Exercice 23.10 ★★
La lampe de poche de Tom prend deux piles et brille fort. Après avoir changé les piles dans le noir, elle ne donne plus rien — alors que les deux piles neuves sont pleines, la lampe est en bon état et aucun fil n’est desserré. Qu’a fait Tom, et pourquoi la lampe de poche reste-t-elle éteinte ? (Voir Exemple 23.7.)
Solution
Solution de Exercice 23.10.
Dans le noir, Tom a glissé une pile à l’envers. Tête contre tête, les poussées des deux piles se combattent au lieu de s’ajouter, et la lampe ne reçoit rien — un match nul de pleine puissance reste un match nul. Retourner une pile rétablit la file tête à queue, et la lumière.
Exercice 23.11 ★★
Une ingénieure doit placer un unique interrupteur d’arrêt d’urgence pour une machine dont le moteur se trouve sur une seule boucle avec sa pile. Elle dit : « N’importe où sur la boucle fera l’affaire. » A-t-elle raison ? Et pourquoi son plan échouerait-il si le circuit de la machine comportait des routes séparées ? (Le chapitre de l’an prochain a un nom pour celles-là.)
Solution
Solution de Exercice 23.11.
Elle a raison : sur une boucle unique, un interrupteur placé n’importe où commande tout — l’ordre est sans importance. Avec des routes séparées, le courant pourrait contourner son interrupteur par une autre branche, et le moteur continuer de tourner ; les circuits à branches demandent un placement d’interrupteur plus réfléchi (ce sont les circuits en dérivation de l’an prochain).