Les balances

Les leviers - Les balances – C 3
Liens avec les programmes:
Un monde construit par l'homme.
Découverte de quelques objets, de leurs usages et de leur maniement.
Première réflexion sur les objets et les matériaux au travers d’activités permettant leur
observation, leur utilisation et mettant en jeu des constructions guidées par le maître.
Comparaison des objets selon leur masse. Ce qui nous intéresse ici est de mettre en
place la notion de masse.
A l’école primaire, masse et poids sont considérés comme synonymes. Masse volumique
et densité ne sont pas au programme de l’école élémentaire. Proposer aux élèves de
comparer la masse de 2 objets. « Lequel à votre avis est le plus lourd ? » « Comment
en être sûr ? ». Dans certaines conditions, soupeser suffira à mettre les enfants
d’accord, dans d’autre, les masses seront trop proches.
Objectifs:
Être capable de:
- prévoir ou d'interpréter qualitativement quelques situations d'équilibre, en
particulier lorsque les forces qui s'appliquent ne sont pas à égale distance de l'axe.
Être capable d’utiliser pour ce faire les deux propriétés suivantes:
- une même force a plus d’effet sur la rotation si elle est appliquée à une plus grande
distance de l’axe
- une grande force a plus d’effet qu’une petite force si elle est appliquée à la même
distance de l’axe.
Être
-
capable de :
comparer des objets selon leur masse
classer des objets selon qu'ils ont ou non la même masse
soupeser, utiliser une balance Roberval (comparaison directe)
utiliser un étalon (comparaison indirecte)
On n'abordera pas les calculs sur la mesure, avec utilisation d'unités.
Résumé du module:
Un levier est constitué d’une barre rigide mobile autour d’un axe de rotation appelé
«pivot» (et aussi, anciennement, « point d’appui »). Un levier modifie la force à exercer.
Ainsi, pour soulever un objet, on peut, à la limite, utiliser une force aussi petite qu’on
veut, pourvu qu’on utilise un levier assez grand.
En utilisant un matériel permettant de modéliser le fonctionnement de la balançoire,
les élèves s’interrogent sur le principe de fonctionnement d’un objet qui met en jeu des
notions de comparaisons de masses. A partir de la balançoire, on peut alors mieux
comprendre un autre objet construit spécialement pour la comparaison de masse, la
balance. C’est alors l’occasion de définir comment utiliser une balance, et en
prolongement comment effectuer une pesée.
1ère séance :
Comment soulever le bureau de l’enseignant ?
Aperçu rapide:
Le levage d’un objet lourd, le bureau de l’enseignant, est proposé aux élèves qui
réfléchissent aux moyens d’y parvenir.
Ils élaborent des dispositifs que la classe discute. Les mots leviers, poulies, cales… sont
utilisés.
Matériel : - cahier d’expériences, feuilles A3 (1 pour 1 groupe d’élèves), feutres.
Organisation : On alternera des phases collectives avec des phases de travail de
groupes. Les groupes seront constitués de façon à favoriser l’expression de chacun.
Collectivement :
Le maître peut évoquer des inondations, leurs dramatiques conséquences et la
nécessité de surélever les meubles pour les protéger des méfaits de l’eau. Il propose
alors le défi : Soulever le bureau afin de mettre des cales sous ses pieds.
On laisse un ou deux élèves tester seuls l’opération et on relève leurs
impressions : C’était lourd ; ça fait mal aux mains, au dos ; je n’ai pas assez de muscle,
de force…
D’où le problème que l’on expose: Imaginez comment on pourrait faciliter la tâche
afin de pouvoir relever le défi.
Par petits groupes :
On prend soin d’expliciter la situation : il s’agit d’inventer un dispositif pour
soulever plus facilement le bureau. On invite donc les élèves à exprimer oralement
quelques hypothèses. Ainsi, on aidera les élèves qui pourraient se trouver en difficultés
pour concevoir une hypothèse de départ.
Phase de recherche : Les élèves imaginent des dispositifs. Ils en rendent compte
par écrit : traces comprenant du texte et/ou du dessin sur le cahier d’expériences,
affiches de groupe…
Mise en commun : Les solutions proposées sont discutées par le groupe classe.
On demande aux élèves de proposer une catégorisation des dispositifs proposés.
Quelques idées relevées des élèves :
Intervention de l’enseignant : L’enseignant catégorise lui-même les documents
des élèves. Il demande alors qui peut expliciter sa solution (force musculaire/force
mécanique). Quand le critère de catégorisation est identifié, on le fixe par une reformulation précise : Il y a deux types de dispositifs : ceux qui utilisent la force
musculaire des hommes ou des animaux, ceux qui utilisent des machines.
Synthèse collective :
Les solutions sont classées dans un tableau à deux colonnes : les dispositifs mus
par l’homme ou par l’animal et ceux qui utilisent des machines.
Le tableau est conservé comme trace écrite commune. il est affiché dans la classe.
On conclut en disant aux élèves que l’on s’intéressera tout au long du module au
dispositif de la première colonne.
Construisons une machine à soulever des gros boulons…
Aperçu rapide:
Les élèves construisent des machines à bases de leviers à partir du modèle d’une
« machine égyptienne ».
Matériel :
- Matériel de construction « Celda », de la ficelle, 1 gros écrou, 1 petit écrou.
- Un modèle du dispositif illustré par la vignette « figure5 » (issue du livret
d’accompagnement des programmes « Enseigner les sciences à l’école,
cycle 3 » édité au Scéren) réalisé avec le matériel Celda.
- On utilise les vignettes issues du livret d’accompagnement des
programmes « Enseigner les sciences à l’école, cycle 3 » édité au
Scéren., figures 5 et 6 de la séance 2 « Comment les hommes des temps
anciens soulevaient-ils des charges ? »
Phase de recherche :
Collectivement :
L’enseignant évoque quelques constructions réalisées depuis l’aube de l’humanité
avant que n’existent les machines motorisées. Il peut s’appuyer sur la construction des
pyramides dont il présente quelques images ou quelques photos en évoquant le
caractère énigmatique qui règne encore sur les techniques mises en œuvre au regard de
l’énormité des masses à soulever (des rampes faiblement inclinées et des leviers ?).
Par petits groupes :
Le maître distribue la vignette représentant le dispositif égyptien permettant de
soulever ou de déplacer des blocs de pierre (document Arkéo Junior, décembre 2000).
Les élèves listent le matériel puis réalisent le modèle réduit de la figure. Pour ce
faire, on demande à chaque groupe de venir observer le modèle
Mais attention, chaque groupe n’a le droit qu’à trois déplacements vers ce modèle.
Ainsi, on oblige les élèves à une observation précise. Certains penseront à venir avec
une feuille et un crayon pour noter, faire un croquis. Ce type de démarche sera valorisé
lors de la mise en commun.
Mise en commun :
Collectivement :
Le maître oriente vers la question suivante : Nos dispositifs permettent-ils de
réduire l’effort nécessaire ?
La différence de taille et de poids des écrous feront naître l’idée d’économie
d’effort (« il y a besoin de moins de poids »).
Construire le modèle réalisé avec le matériel « Celda » de la classe.
Le gros écrou, la charge à soulever, est fixé
sur le levier.
On remarque que l’axe (le pivot) est proche
de ce gros écrou (distance axe/charge = 8
trous).
Le gros écrou (charge) est soulevé. Il suffit de
fixer le petit écrou (contrepoids) à l’extrémité
de notre levier.
Le petit écrou est plus éloigné de l’axe du levier
(distance contrepoids/charge=13 trous)
Si l’on veut soulever 2 ou 3 gros boulons, on rapproche l’axe de ces boulons.
Pour soulever encore « plus lourd », on rallonge le levier pour éloigner le petit boulon de
l’axe et de la charge à soulever.
2ème séance
Objectifs :
Amener les élèves à faire part de leur représentation à propos d'un problème partagé
par la classe : soulever quelque chose de lourd.
Mobiliser et partager des connaissances pour concevoir une solution (attitude).
Amener les élèves à construire et à formuler une explication liée à une expérience.
Rédiger une phrase expliquant un fonctionnement
Rappel réactivation par rapport à la dernière séance
Ce qu'on a fait :
Les élèves retracent avec l'aide du maître le déroulement de la séance précédente (ce
qui a été fait, et pourquoi cela a été fait. Les traces écrites servent de point d'appui.
 Que cherchions-nous ?
 Quelles sont les idées de solutions qui ont été trouvées ?
 Que veut-on comprendre ? (Comment fonctionne le système de levier ? Pourquoi
faut-il "moins de force")
Présentation du matériel
Comme il n'est pas facile de travailler directement avec le bureau de la maîtresse, il est
possible de travailler avec un système de maquette, une sorte de modèle.
Présentation du matériel (les leviers 2 longueurs, la charge, le pivot ...)
Expériences
Tâches de l'élève
Ce que je cherche :
Passage de l’enseignant pour voir les problèmes de formulation, pour relancer.
Validation collective pour bien fixer le problème de recherche.
Ce que je fais :
Tâtonnement expérimental. Plusieurs essais, plusieurs solutions permettent de soulever
la charge à chaque fois, les élèves peuvent faire un schéma. L’enseignant peut proposer
de trouver comment soulever avec le moins de force possible…
Ce que je peux dire :
Donner une explication à ce qu’on a compris
Rôles de l'enseignant
- s'assure que les groupes restent bien dans la consigne,
- Incite les élèves à faire varier les paramètres.
- il fait formuler (expliciter) ce qui se passe sous les yeux des élèves,
et incite les groupes à écrire ce qu'ils ont compris.
Confrontation groupe classe
L'enseignant demande aux élèves de repérer ce qui apparaît comme important.
Discussion. (A la maîtresse de repérer des obstacles nouveaux).
Synthèse collective pour expliciter ce que l'on a compris du fonctionnement des leviers.
Une phrase sera notée au tableau. Elle sera reprise lors de la trace écrite élaborée en
classe (correction – validation).
Travail individuel - correction – validation
Cf. fiche
Lecture de l’album « Un tout petit coup de main » (Ann Tompert)
Objectifs :
Savoir utiliser un modèle réduit de balançoire pour repérer un fonctionnement non
explicité.
Amener les élèves à repérer ce qui influence sur le fonctionnement (position classique)
de la balançoire : la masse (plus ou moins lourd) et non le nombre ou bien le volume.
Comment soulever une chose lourde avec des choses plus légères ?
Proposer aux élèves de chercher comment faire avec une balançoire en modèle réduit
Tâtonnement avec le matériel -Travail de groupe
Consigne : Vous allez chercher comment soulever le gros écrou (balançoire), et quand
vous aurez trouvé une solution vous la dessinerez sur votre feuille de travail. (Avec la
règle pour tracer la balançoire)
S’assurer de la compréhension de la consigne.
Par groupe, les élèves apprennent à utiliser le matériel.
NB : Les écrous sont placés derrière les poignées.
Selon la différence de réussite dans les groupes :
- demander si la solution trouvée fonctionne dans l’autre sens (Et si on mettait le gros
écrou de l’autre côté ? …)
- inciter certains élèves à rechercher d’autres solutions…
Une fois que tous les groupes ont trouvé au moins une solution, chaque élève
représente la solution testée.
Insister sur l’idée que ce que l’on dessine c’est la solution trouvée. Vérifier l’adéquation
entre le choix du nombre de gommettes et l’expérience.
Synthèse : Confronter les premiers points de vue.
Amener les élèves à dégager une explication du type plus lourd / moins lourd.
Exemple : Pour soulever le gros écrou, il faut mettre assez d’écrous de l’autre côté pour
que ce soit plus lourd que le gros écrou.
3ème séance
Objectifs
Amener les élèves à comprendre que le déséquilibre est dû à la différence de masse. Pour
soulever une même charge, il faut plus d'objets légers.
Savoir repérer l'équilibre avec une balance et comprendre sa signification (pèse autant que)
1. Rappel - réactivation
Amener les élèves à reformuler, à expliciter ce qui a été fait la dernière fois.
Rappel du système de codage.
2. Entraînement
Savoir utiliser le codage mis en place
Savoir s'organiser : anticiper - expérimenter et noter ces résultats
Les élèves travaillent sur une feuille individuelle. Ils doivent dans un premier temps
anticiper : soulever le gros écrou avec 1M et ...P (toujours le moins possible), avec …P.
Puis ils font l'expérience et notent les résultats.
Une série d'expériences entrecoupées de moments de synthèse rapide, permet aux élèves de
repérer quelques régularités et de manipuler des tournures, du type plus lourd que ... parce que
...
Ceci permet d'amener les élèves à repérer un fonctionnement logique de la balançoire.
Synthèse à chaque fois
Exemple d’explication possible :
 Plus on met d’écrous moyens, moins il faut de petits écrous…
 Un écrou moyen pèse plus qu’un petit …
 …
3. Présentation de la balance
Repérer les parties identiques (pied - balancier/fléau - pivot ...)
4. Utilisation de la balance
L’enseignant propose aux élèves de soulever comme avec la balançoire le gros écrou avec que
des moyens, puis qu'avec des petits (toujours en en mettant le moins possible) .... Puis de noter
les résultats.
Avant de commencer se mettre d'accord sur le dessin le plus simple de la balance
Exemple :
5. Tâtonnement expérimental
Les élèves font des essais, l'enseignant conseille aux élèves de regarder les résultats trouvés
avec la balançoire.
Remarque : Pendant cette phase apparaît en général un point particulier difficile à voir
avec la balançoire (peu précise) : l'équilibre. L'enseignant peut aider les élèves à expliciter
en ajoutant ou bien en retirant un écrou : pas assez lourd...... trop lourd ........Amener
ainsi les élèves à comprendre par encadrement que l'équilibre correspond à une égalité
"pèse pareil" ou "pèse autant que"
Problème : Comment soulever le gros écrou avec des écrous plus petits ?
Expérience 1 : 1M et …P
Ce que je pense
Expérience 2 : 2M et …P
Ce que je pense
Expérience 3 : …P
Ce que je pense
4ème séance
1. Collectif : lequel de ces 2 objets est le plus lourd?

Montrer les 2 objets, demander aux élèves de les désigner et de les décrire.

Présenter chacun d’eux sur un plateau (de couleurs différentes ou repérés par A et
B pour simplifier la désignation).

Chaque élève note dans un tableau celui qui, selon lui, est le plus lourd.

Faire vérifier par quelques élèves, en soupesant.

Faire noter, après avoir soupesé, si la réponse initiale était juste, erronée ou s’il
reste une incertitude.

Renouveler plusieurs fois l’expérience avec d’autres paires d’objets.
(Une fois la procédure de comparaison acquise sur des paires d’objets de masses
nettement différentes, on introduira des masses proches pour lesquelles soupeser
ne permettra plus de décider : les élèves ressentiront alors la nécessité de
« peser »).

En fin de séance, tous les élèves peuvent manipuler, et donc soupeser, les
objets.(voir liste)
2. Par 2 : réaliser des équilibres – se servir de la balance
Chaque groupe dispose d’une balance de Roberval.
Laisser les enfants comparer les masses de quelques objets
-
Comment savoir quel est l’objet le plus lourd ?
Le choix du plateau a-t-il de l’importance ?
L’ordre dans lequel on pose les objets a-t-il de l’importance ?
La place de l’objet sur le plateau a-t-il de l’importance ?
Vocabulaire : le fléau, les plateaux, le socle, l’aiguille, équilibrer…
Quand la balance est à l’équilibre, les masses des objets posés sur les plateaux sont
égales, le fléau est horizontal, l’aiguille est verticale.
Lequel des deux objets est le plus lourd ?
On regarde seulement les deux
objets, sans les toucher.
On vérifie en soupesant.
Lequel des deux objets est le
plus lourd ?
Lequel des deux objets est le
plus lourd ?
A, B ou ?
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
On vérifie ………………...
…………………………
A, B ou ?
Lequel des deux objets est le
plus lourd ?
A, B ou ?
A
B
1
Éponge
Tournevis
2
Pot en verre
Ciseaux
3
Cylindre bois
Cylindre bronze (de taille plus petite)
4
Boule bois
Boule acier (de taille plus petite)
5
Boule bois
Boule pâte à modeler (de taille plus petite)
6
Boule acier
Boule pâte à modeler (de taille plus grande)
7
Cube bois
Cube acier (de taille plus petite)
8
Boudin pâte à modeler
Boule pâte à modeler (même quantité de pâte)
9
Cylindre plastique
Cylindre acier (même hauteur, même diamètre)
10
3 cylindres plastique
1 cylindre alu (cylindres de mêmes dimensions,
donc volume A = 3 x Volume B)
Rq : Masse de A = masse de B
11
Bécher contenant lentilles
Bécher contenant haricots (même bécher, même
hauteur de contenu)
12
Bécher contenant eau
Bécher contenant haricots (même bécher, même
hauteur de contenu)
5ème séance
1. Par 2 : 5 objets à classer du plus léger au plus lourd
5 objets A E I O U : boîtes films contenant des rondelles cachées par un papier
Quelle stratégie? Expliquer
Classement : I U A E O
2. Par 2 : Comparer et ranger 3 objets de masses proches sans disposer de ces
objets simultanément
Donc soupeser ne suffit pas
3 objets A B C : boîtes films contenant des rondelles cachées par un papier
Classement : B A C
Donner B en premier (le plus léger)
Matériel fourni : Vis identiques
3. Par 2 :
Équilibrer l'objet B en utilisant rondelles, vis et petites pointes.
Chaque groupe note les différentes combinaisons qui lui ont permis de réaliser
l'équilibre.
Les résultats sont repris collectivement au tableau
4. Par 2 :
Utiliser une boîte de masses marquées
Lire indications sur les masses
Réaliser des équilibres en prenant note des masses posées sur les 2 plateaux et
signaler les égalités
Peser les objets A E I O U et noter la mesure en grammes
Mettre X grammes de sucre sur un plateau (prévoir les masses dont on aura
besoin)
OOOOO




Le plus
léger

Le plus
lourd
OOOOO

Le plus
léger




Le plus
lourd
Je pose l’objet
A sur un plateau de la balance.
Je pose ………. vis sur l’autre plateau pour équilibrer
la balance.
Je pose l’objet
B sur un plateau de la balance.
Je pose ………. vis sur l’autre plateau pour équilibrer
la balance.
Je pose l’objet
C sur un plateau de la balance.
Je pose ………. vis sur l’autre plateau pour équilibrer
la balance.
Je classe les objets A, B et C du plus léger
au plus lourd :
…………… - …………… - ……………
NB : Il conviendra de prévoir des séquences d’évaluation.
Prolongements possibles:
Construction de mobiles
Numéro
du
groupe
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Nombre
d’objets
utilisés
Je pèse les objets A E I O U
Je pose l’objet
A sur un plateau de la balance.
Je pose des masses marquées sur l’autre plateau pour équilibrer
la balance :
…………………………………………………………………………………………………………
Je pose l’objet
…………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………
g
L’objet
E
pèse …….
g
L’objet
I
pèse …….
g
O sur un plateau de la balance.
Je pose des masses marquées sur l’autre plateau pour équilibrer
la balance :
…………………………………………………………………………………………………………
Je pose l’objet
pèse …….
I sur un plateau de la balance.
Je pose des masses marquées sur l’autre plateau pour équilibrer
la balance :
Je pose l’objet
A
E sur un plateau de la balance.
Je pose des masses marquées sur l’autre plateau pour équilibrer
la balance :
Je pose l’objet
L’objet
L’objet
O
pèse …….
g
U sur un plateau de la balance.
Je pose des masses marquées sur l’autre plateau pour équilibrer
la balance :
…………………………………………………………………………………………………………
L’objet
U
pèse …….
g