sablier temps parole

Cycle 3 :
Le sablier à eau pour le temps de parole
A/ Objectifs
1. Mettre en œuvre une démarche scientifique [expérimentale et technologique]
2. Initier à la recherche de solutions techniques
3. Acquérir des connaissances et des compétences relatives aux techniques et
procédures de fabrication.
B/ Compétences visées
-
Matérialiser l’air et son caractère pesant
Utiliser des instruments de mesure (chronomètre, balance, double décimètre)
Recommencer une expérience en ne modifiant qu’un seul paramètre.
Mettre en relation des données et les interpréter
Mettre en relation des observations et des savoirs.
Rédiger un compte rendu intégrant des schémas.
Etape n°1 : observation du sablier du maître
Situation de départ
On voudrait réaliser un sablier à eau.
eau.
Parce c’est gratuit et que ça doit bien couler.
Problème
Mais dans le sablier à eau du maître, l’eau ne coule pas.
Comment le faire fonctionner ?
Hypothèses des enfants
Tester les propositions
1.
2.
3.
Le trou d’écoulement n’est pas assez gros.
Il faut plusieurs trous bien au milieu
Il n’y a pas assez d’eau dans la bouteille du haut
Expériences guidées par le maître, faites par un élève devant
toute la classe.
Matériel :
- Plusieurs bouchons percés de
diamètre différents ou de
plusieurs trous.
- De l’eau colorée.
Les tests :
Résultat attendu : L’eau doit s’écouler
entièrement.
Remarques :
1. Pour l’hypothèse n°1 et 2, donner trois bouchons percés (un diamètre 4, un
diamètre 9 et un de deux trous).
2. Pour l’hypothèse n°3 « Il n’y a pas assez d’eau dans la bouteille du haut », on
met un peu d’eau dans le bouchon dévissé de la bouteille et ça coule (donc
hypothèse fausse)
Conclusion n°
n°11 ::
Quelque chose empêche l’eau de descendre ! Mais quoi ?
Expérience :
Le maître propose alors une expérience de l’entonnoir
relié de façon étanche à une bouteille (avec de la pâte
à modeler par ex).
Quand on remplit l’entonnoir d’eau, celle-ci ne coule
pas.
Qu’est ce qu’il y a dans le bouteille qui peut s’opposer à
l’eau située dans l’entonnoir ?
Si c’est l’air, comment peut on le vérifier ?
Le maître propose de glisser une paille pour faire sortir
l’air …
Et ça marche, l’eau descend dans la bouteille.
>>> Schématiser l’expérience et légender.
Conclusion n°2 :
L’air contenu dans la bouteille empêche l’eau de prendre sa place si on ne lui permet pas
de sortir. (l’entonnoir est fixé de façon étanche sur la bouteille avec de la pâte à
modeler).
Etape n°2 : vers une première solution :
Situation de départ
Notre sablier à eau ne fonctionne pas.
Mais dans l’expérience de l’entonnoir relié de façon étanche à
une bouteille, l’eau descend si une paille laisse sortir l’air
emprisonné dans la bouteille.
Problème
Peut on adopter la solution de la paille avec le sablier à eau ?
Quelle serait la longueur de la paille ?
Hypothèses des enfants
Une seule hypothèse semble bonne, 2 passages différents
pour l’eau et l’air à l’aide d’une paille dans un des trous.
Les tests : Faire des essais avec des pailles de plusieurs longueurs.
Conclusion n°
n°3
n°3 :
Il faut une assez longue paille dans un des trous pour faciliter la remontée de l’air sans
turbulence (sans subir la pression de la hauteur d’eau).
Etape n°
n°3
n°3 : Fabrication :
Situation de départ
On sait maintenant construire un sablier qui
fonctionne avec de l’eau.
Il faut maintenant en fabriquer un par groupe.
Problème
1. Comment les fabriquer en toute sécurité ?
2. Comment peut on les utiliser ?
Hypothèses des
enfants
1. Il faut tout préparer à l’avance.
2. On met plus ou moins d’eau dans la bouteille
du haut.
Tester les
propositions
Recherche guidée par le prof.
Fabrication par groupes
Etalonnage avec un chronomètre
Matériel :
- Deux bouteilles plastiques
- Un bouchon adapté au diamètre
- Une chignole ou une perceuse à main + des forets
- Une paille
- Un étau
- Un entonnoir
- Une montre chronomètre.
Procédure de fabrication du
du sablier
Action 1
Coller les bouchons avec de la
colle « spéciale PVC »
(colle utilisée en plomberie),
(temps de séchage = quelques
heures).
Ajuster le bouchon de liège
liège au diamètre
de la bouteille avec une râpe.
(Attention la plupart des bouteilles ont un
goulot de diamètre 25 alors que les bouchons
de liège standard ont un diamètre 24)
Action 2
Serrer le bouchon dans un étau.
Action 3
Choisir un foret de taille égale au diamètre de la paille
Et un autre plus petit pour le 2ème trou.
Percer avec une chignole (petite perceuse à main)
Action 4
Retirer les copeaux et poussières.
Action 5
Etape n°4
n°4 : étalonnage :
Situation de départ
On connaît la bonne longueur de paille.
La vitesse d’écoulement ne peut être modifiée.
Problème
Comment le régler à 30 secondes ?
Hypothèses des enfants On faire varier la quantité d’eau.
Procédure d’étalonnage :
1.
2.
3.
4.
5.
Mettre l’eau dans une bouteille avec un entonnoir
Fixer le bouchon sur la bouteille
Venir fixer la 2ème bouteille au dessus.
Retourner le sablier.
Etalonner avec une montre chronomètre
Conclusion n°4 :
Un sablier est prévu pour un usage bien défini. Il faut donc le fabriquer en fonction du
besoin de départ.
Vocabulaire acquis :
Besoin, Durée, temps, débit, diamètre ∅, mm (millimètre), seconde (‘’), perceuse, foret,
pression, dépression, procédure de fabrication,
Etape n°5
n°5 : Qu’est qu’une clepsydre ?
L’écoulement de l’eau d’une rivière semble parfaitement continu et uniforme,
c’est pourquoi les hommes l’ont associé à l’idée qu’ils se font de l’estimation du temps.
C’est ainsi qu’est née l’idée de la clepsydre.
Le principe est simple : un récipient (par ex un vase dans la clepsydre à variation
du 2ème millénaire avant JC) percé laisse s’écouler l’eau de façon continue et
uniforme. Après mesure du temps que met le vase pour se vider, on peut graduer ce
dernier pour indiquer le niveau d’eau correspondant à une heure.
Mais ce type de clepsydre est précis au quart d’heure près.
Mais il y a, dans cette technique, un grand
nombre d’imprécisions qui la rendent trop
approximative :
La mesure du temps de
référence (par cadran solaire) est
trop imprécise pour étalonner
correctement une clepsydre.
L’obstruction, même partielle,
de l’orifice peut provoquer des
erreurs très importantes.
La viscosité de l’eau qui varie
en fonction de la température n’est
pas non plus négligeable.
Toutes ces erreurs n’ont pu être
corrigées que bien plus tard, lorsque la
mécanique des fluides et les lois de la
thermodynamique sont maîtrisées.
Ainsi la clepsydre a connu bon nombre
d’évolutions et de perfectionnements
au cours des siècles.
- Il y a eu la clepsydre « à
écoulement constant », dont le
principe est de maintenir plein le
réceptacle (engendrant un débit
constant de ce dernier) par le
biais d’un récipient en amont
ayant un plus grand débit ;
- Sa forme tronconique permet de compenser la diminution du débit due à la baisse de
pression lorsque le niveau du liquide descend.
La clepsydre est l’ancêtre du chronomètre.
Quelques clepsydres qui ont marqué leur époque :
Date
Lieu et indications
−1500 avant J-C
La plus ancienne clepsydre connue est actuellement conservée au musée
du Caire. Elle a été construite sous le règne d’Aménophis III. Le bol est en
albâtre et a une capacité de 28 litres.
−1100 avant J-C
C’est un instrument formé de plusieurs réservoirs d’eau situés les uns en
dessous des autres. Au cours de l’hiver, on chauffait l’eau pour éviter la
congélation. (Chine)
−350 avant J-C
Leur usage s’établit dans les tribunaux grecs où elles servent à mesurer le
temps des plaidoiries.
−100 avant J-C
A leur tour, les Romains les utilisent dans les maisons de justice.
Ils la dotent de flotteurs reliés aux aiguilles d’un cadran.
Dans la vie privée, certains grands Romains l’utilisent pour donner
audience.
807
Les Arabes ont développé des clepsydres très évoluées : ainsi la clepsydre
à automates offerte par l’ambassade du Calife Haroun el Rachid à
Charlemagne. Néanmoins, leur complexité sert plutôt aux aspects
décoratifs qu’à la précision.
Moyen Age
Elles sont utilisées pour indiquer le moment de sonner les cloches pour
appeler les moines à la prière.
XVIème Siècle
Le Danois Brahé construit une clepsydre à mercure car il n’est pas
satisfait de la fiabilité des autres. Néanmoins le résultat n’est pas très
concluant.
Le point faible des clepsydres est leur source d’énergie (l’eau). Elles ne sont pas
des instruments fiables.
« Ceux d’eau, écrivait le chronologiste Juste-Joseph Scaliger, comparant les
clepsydres à eau et à sable sont moins durables et plus sûres car le sable s’amoncelle
quelquefois ou il s’humecte, si bien qu’il ne coule pas toujours ; l’eau coule
perpétuellement où il y a le moindre trou mais elle se consume ; et il en faut plus
mettre. »