Ecole primaire Pierre Curie

Ecole primaire Pierre Curie
Le Creusot (71)
CM2 Mlle GENOVA
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.
En prolongement, un processus de réalisation d’objet technique permettra à l’élève
d’élaborer une démarche d’observation et de recherche. Cette réalisation pourra être,
pour l’élève, l’occasion de construire quelques connaissances élémentaires, de
s’approprier quelques notions scientifiques de base.
Comment soulever le bureau de l’enseignant ?
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.
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 de la
séquence au dispositif de la première colonne.
Construisons une machine à soulever des gros boulons…
Les élèves construisent (matériel de construction « Celda », disponible au centre
de ressources) des machines à base de leviers à partir du modèle d’une « machine
égyptienne ».
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.
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.
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 (les
leviers 2 longueurs, la charge, le pivot ...) :
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…
Lecture de l’album « Un tout petit coup de main » (Ann Tompert)
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.
Disponible au centre de ressources
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.
Anticiper - expérimenter et noter les résultats
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.
Les élèves travaillent sur une feuille individuelle. Ils doivent dans un premier temps
anticiper : soulever le gros écrou avec 1Moyen et ...Petits (toujours le moins possible),
avec …Petits. 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.
Présentation et utilisation de la balance
Repérer les différentes parties (pied - balancier/fléau - pivot ...)
L’enseignant propose ensuite 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 :
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"
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 ?
On vérifie
………………...
A, B ou ?
Lequel des deux objets est le
plus lourd ?
A, B ou ?
A, B ou ?
EXEMPLE :
A
B
1
2
3
Éponge
Pot en verre
Cylindre bois
Tournevis
Ciseaux
Cylindre bronze (de taille plus petite)
4
Boule bois
Boule acier (de taille plus petite)
5
6
7
8
Boule bois
Boule acier
Cube bois
Boudin pâte à modeler
Boule pâte à modeler (de taille plus petite)
Boule pâte à modeler (de taille plus grande)
Cube acier (de taille plus petite)
Boule pâte à modeler (même quantité de pâte)
9
Cylindre plastique
10
3 cylindres plastique
11
Bécher contenant lentilles
Cylindre acier (même hauteur, même diamètre)
1 cylindre alu (cylindres de mêmes dimensions,
donc volume A = 3 x Volume B)
Rq : Masse de A = masse de B
Bécher contenant haricots (même bécher, même
hauteur de contenu)
12
Bécher contenant eau
Bécher contenant haricots (même bécher, même
hauteur de contenu)
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.
Comparer 3 objets de masses proches sans en disposer simultanément
Matériel fourni: Balance, vis identiques.
Équilibrer un objet en utilisant rondelles, vis et petites pointes
Utiliser une boîte de masses marquées
Réinvestissement des acquis sur la schématisation dans d'autres situations
Exemple : Je veux glisser un tapis sous un meuble très lourd que je ne peux pas
soulever seul : puis-je m'aider d'un levier ? Comment ?
Exemples d'utilisation du levier, de nos jours, mais aussi dans le passé.
Rassembler des outils de jardinage et de bricolage, des ustensiles de cuisine, et écrire
leurs noms au tableau.
Expliquer ce qui permet de dire qu'ils utilisent le principe du levier, en se souvenant de
ce qui a été déjà appris, et en montrant où s'exerce la force de l'utilisateur, la force
résistante, où se trouve le point de rotation (point d'appui).
Essayer d'arracher un clou : avec les doigts, impossible ; puis avec un pied de biche,
très facile.
Couper une grosse branche : avec un sécateur, très difficile ; avec un coupe-branches,
très facile
Recherche documentaire
Qu’est-ce qu’un mobile ?
Dans un premier temps, les enfants vont mener une recherche documentaire sur les
mobiles pour répondre à la question : Qu’est-ce qu’un mobile ?
Les élèves vont observer différents mobiles apportés par l’enseignant :
 De l’observation et de la description de mobiles présentés par l’enseignant
émergeront quelques notions scientifiques (équilibre, horizontalité) qu’il conviendra
de préciser.
 Les enjeux sont pour les élèves de comprendre quel objet on va réaliser, d’en
donner les caractéristiques essentielles, de s’approprier ou mobiliser le lexique
nécessaire.
Observation, description :
L’enseignant présente un court moment les mobiles dont les fléaux sont :
 pour certains horizontaux :
1. les objets (boules de tailles différentes) sont accrochés aux extrémités, l’axe
est excentré;
2. les objets (boules de tailles identiques) sont accrochés aux extrémités, l’axe
est centré ;
 pour d’autres pas : sur l’un d’eux, les objets suspendus s’entrechoquent.
Les élèves sont invités à observer de façon critique ces différents modèles.
Phase orale :
L’enseignant demande aux élèves de décrire les mobiles et de discuter sur celui ou
ceux qui leur semble(nt) « réussi(s) ».
Phase écrite :
Chacun dessine le mobile qu’il a choisi.
Mise en commun :
Que faut-il pour que l’objet construit soit un mobile ?
Comment sait-on qu’un mobile est réussi ? (Écrire au tableau, au fur et à mesure, le
lexique qui sera utile pour la suite : fil, baguette, fléau, équilibre, horizontal, pencher,
tourner, se cogner, droite, gauche, loin de, près de…)
N.B. : Il faudra veiller à ne pas installer de confusion entre les deux mots
« horizontal » et « vertical ». Il n’est pas nécessaire d’insister sur la verticalité, les fils
de suspension seront toujours dans cette position…Ce qui nous intéresse ici, c’est
l’horizontalité du fléau. « Quand c’est en équilibre, ça ne bouge plus », c’est toujours
vrai, même si le mobile est de travers ou s’il est emmêlé. Le mot « équilibre » risque
de devenir synonyme d’ « horizontal », attention, ce n’est pas le mobile mais les tiges
qui sont horizontales.
Construction de mobiles
Les élèves vont tout d’abord être amenés à découvrir, au fil de plusieurs essais, les
différents paramètres qui entrent en jeu pour maintenir horizontal le fléau d’un
mobile.
1. L’objectif est d’équilibrer horizontalement une baguette (fléau) suspendue à
un fil (axe de rotation).
-
-
-
Hypothèses : l’accroche se fait au milieu de la baguette et le poids doit être
identique des 2 côtés du fil (c’est-à-dire qu’il faut la même longueur de
baguette de chaque côté).
Expériences réalisées : les élèves constatent que le poids de la baguette
n’est pas réparti de façon uniforme donc les positions d’accroche n’ont pas
été les mêmes pour tous les groupes mais chaque binôme a cherché le point
d’équilibre de son montage (baguette + fil) et a pu constater qu’il fallait faire
varier la position du fil sur la baguette.
Mise en commun des résultats : le point d’attache du fil se situe vers le
milieu de la baguette.
2. L’objectif est d’équilibrer horizontalement une baguette (fléau) en plaçant
un objet d’un côté de l’axe
- Hypothèses
- Expériences
- Mise en commun des résultats : pour obtenir l’équilibre du fléau avec un
objet
d’un côté de l’axe, il faut rapprocher l’objet de l’axe.
Une série de défis est proposée aux enfants :
 les enfants vont résoudre successivement plusieurs défis ;
 au fur et à mesure que les défis sont résolus par les équipes, elles passent
au défi suivant en se servant du montage réalisé lors du défi précédent ;
 si des équipes restent longtemps bloquées, d’autres qui ont trouvé viennent
les aider.
1er défi
Formulation du problème posé
Il va s’agir de « réaliser un mobile à un fléau, sur lequel on placera une épingle à linge
de chaque côté du fil de suspension. Le fléau devra être le plus horizontal possible.
Pour cela, on pourra si nécessaire déplacer l’une ou l’autre épingle sur la tige ».
Phase de recherche individuelle :
Chaque enfant essaie de représenter, par un schéma, le prototype du mobile qu’il va
construire (en tenant compte de la contrainte indiquée précédemment). Il précisera le
matériel utile.
Réalisation d’un prototype (par deux) :
Après un temps d’échange (par deux), chaque groupe réunira le matériel nécessaire et
construira un mobile. Une fois celui-ci terminé, chaque élève consignera ses
observations et commentaires par écrit.
2ème défi
Formulation du problème posé
Il va s’agir de « réaliser un mobile à un fléau, sur lequel on placera une épingle à linge
d’un côté du fil de suspension et deux épingles à linge de l’autre côté. Le fléau devra
être le plus horizontal possible. Pour cela, on pourra si nécessaire déplacer les épingles
sur la tige ».
Phase de recherche (par deux) :
Chaque groupe essaie de représenter, par un schéma, le prototype du mobile qu’il va
construire (en tenant compte de la contrainte indiquée précédemment). Il précisera le
matériel utile.
Réalisation d’un prototype (par deux) :
Après un temps d’échange (par deux), chaque groupe réunira le matériel nécessaire et
construira un mobile. Une fois celui-ci terminé, chaque élève consignera ses
observations et commentaires par écrit.
3ème défi
Formulation du problème posé
Il va s’agir de « réaliser un mobile à un fléau, sur lequel on placera un nombre
d’épingles à linge de son choix de chaque côté du fil de suspension. Le fléau devra être
le plus horizontal possible. Pour cela, on pourra si nécessaire déplacer les épingles sur
la tige ».
Phase de recherche (par deux) :
Chaque groupe essaie de représenter, par un schéma, le prototype du mobile qu’il va
construire (en tenant compte de la contrainte indiquée précédemment). Il précisera le
matériel utile.
Réalisation d’un prototype (par deux) :
Après un temps d’échange (par deux), chaque groupe réunira le matériel nécessaire et
construira un mobile. Une fois celui-ci terminé, chaque élève consignera ses
observations et commentaires par écrit.
Observation et discussion (par groupes de 4) :
Deux binômes mettent en commun leurs réalisations et comparent les résultats
obtenus : explications, entraide, échanges permettront à chaque groupe de choisir un
ou deux mobiles à présenter à la classe.
Communication à la classe
 Le point d’équilibre d’un objet n’est pas toujours au milieu de celui-ci ;
 Un objet lourd fait davantage pencher le fléau qu’un objet léger s’ils sont
fixés à égale distance de l’axe ;
 Pour obtenir l’équilibre du fléau avec un objet lourd et un léger, il faut
rapprocher l’objet lourd de l’axe.
Trace écrite(en classe) :
Ce que nous avons découvert, nos conclusions.
On reproduira ensuite la même démarche d’investigation pour construire un mobile à
deux fléaux horizontaux.
On utilisera le même matériel.
1. Dessiner le schéma d’un mobile à deux fléaux ;
2. Le réaliser et noter ses observations ;
3. Confronter les différentes réalisations et observations au sein du groupe ;
4. Au besoin, émettre de nouvelles idées et réaliser un nouveau mobile,
observer et conclure ;
5. Noter la synthèse collective réalisée au niveau du groupe classe :
 L’assemblage
 Les procédures
 Les principes d’équilibre
Réinvestissement
L’objectif de cette séance est de réinvestir le travail réalisé au cours des séances
précédentes. Les élèves ont travaillé au départ sur des réalisations relativement
simples. Il s’agissait de ne pas produire un mobile trop esthétique, ou trop porteur
d’affect, pour focaliser l’attention des élèves sur les problèmes d’équilibre. Le moment
est venu de leur proposer une construction de mobiles dans le cadre d’une réalisation
esthétique (ex : travail sur les œuvres d’Alexandre Calder).