Leviers et balances. - Centre d`Appui aux Pratiques d`Enseignement

LA MAIN A LA PATE®
Leviers et Balances
Cycle 3
Leviers et
balances.
Leviers et Balances – cycle 3 - doc Ecole des Mines de Nantes
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LA MAIN A LA PATE®
Leviers et Balances
Cycle 3
Leviers et balances.
PROGRESSION GENERALE
Séance n°1 :
Recueil des conceptions et des connaissances initiales des élèves sous forme d’une discussiondébat sur le thème des équilibres.
Séance n°2 :
Etude d’équilibres simples à l’aide de baguettes de bois et d’un support demi-rond.
Séance n°3 :
Etude d’équilibres faisant intervenir différentes masses et longueurs de baguettes.
Séance n°4 :
Il s’agit de trouver une expérience pour soulever des objets lourds. On utilisera en particulier le
système de bras de levier.
Séance n°5 :
Etude de différentes balances que les élèves auront ramenées de la maison.
Séance n°6 :
Elaboration et construction d'une balance à fléau.
On pourra se référer pour ce thème aux fiches connaissances suivantes qui se trouvent sur le site
Internet du M.E.N et dont l’adresse est http://www.eduscol.education.fr/D0027/EXSREN02.htm:
-
Leviers et balances
-
L’énergie
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Leviers et balances.
LISTE DU MATERIEL
Pour 7 groupes de 4 élèves :
• 7 supports en bois demi-rond (L = 15 cm)
• 7 planches fines (L = 40 cm)
• 7 baguettes de longueur L = 48 cm
• 7 baguettes de longueur L = 30 cm
• 7 baguettes de longueur L = 22 cm
• 7 bouteilles en plastique (à apporter de la maison)
• du fil de cuisine
• pâte à modeler
• 14 assiettes
• 1 balance (à apporter de la maison)
• 7 barres de bois L=40cm
• 7 clous
• 7 pics à brochettes
• des punaises
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LEVIERS ET BALANCES
(Cycle 3)
Place dans le programme :
La réalisation de l'équilibre : étude de dispositifs tels que balance romaine, jeux didactiques
figurant une balance à fléau horizontal, "mobiles" construits par les élèves.
Notions d’effets d’une force.
1.
QUESTIONNEMENT INITIAL (séance 1)
Vocabulaire :
Balance, équilibre, force, levier.
Discussion collective autour de l’enseignant qui note au tableau les réponses proposées par les
élèves aux questions :
Qu’est-ce que l'équilibre ? Citer des phénomènes mettant en jeu des équilibres. Quels sont les
différents éléments qui interviennent ?
2.
L'EQUILIBRE
2.1
Etude de l'équilibre, expérimentation d'équilibre (séance 2)
Objectif :
Se familiariser avec la notion d'équilibre, application : mesure de distance.
Vocabulaire :
Axe de rotation, centre de gravité, équilibre, longueur, unité de mesure.
Matériel :
Pour un groupe de 4 :
•
un support demi-rond d'environ 20 cm,
•
des piques à brochettes
•
des baguettes de différentes longueurs (48 cm, 30 cm et 22 cm).
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Déroulement :
En utilisant le matériel proposé, l’enseignant demande aux élèves de mettre la baguette en
équilibre sur le support demi-rond puis il leur propose de recommencer avec une baguette de
longueur différente.
Il demande ensuite de mesurer la distance entre les extrémités de la baguette et l'axe de rotation
(axe sur lequel s’établit l’équilibre).
On
pourra
tirer
la
Support demi-rond
conclusion suivante : une baguette
baguette est en équilibre si
son
centre
(c.-à-d.
le
milieu) est sur le support
demi-rond.
Pour aller plus loin :
Introduire la notion de centre de gravité et le trouver pour des objets à géométrie simple à l'aide
d'un fil pesant.
La méthode est la suivante : on découpe dans du papier cartonné une forme simple. On fixe au
mur l’objet ainsi obtenu, par l’un de ses coins et à l’aide d’une punaise-chat (la rotation autour
de l’axe de la punaise doit être libre). On repère ensuite la verticale à l’aide d’un fil à plomb et
on trace la droite verticale passant par le point de fixation. On recommence avec un autre coin.
L’intersection des deux droites obtenues fournit le centre de gravité.
2.2.
Equilibres faisant intervenir différentes masses et longueurs de baguettes (séance 3)
Objectif :
Montrer différents types d'équilibre.
Vocabulaire :
Masse, longueur, unité de mesure (cm, g).
Matériel :
Pour la classe :
• une balance
Pour un groupe de 4 :
• les différentes baguettes
•
1 support demi-rond,
•
de la pâte à modeler.
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Déroulement :
A l'aide de la pâte à modeler qui peut être installée sur les baguettes, les élèvent doivent
équilibrer la baguette en choisissant un point d'appui différent de celui du milieu.
Après une manipulation libre, l’enseignant fera une première mise en commun.
Puis il impose une contrainte supplémentaire : placer la pâte à modeler aux extrémités de la
baguette. Par groupe il faudra trouver 4 exemples d'équilibre et essayer de conclure : on essayera
de trouver la relation entre la masse et la longueur par rapport à l’axe.
Il serait par exemple intéressant de remplir un tableau de la forme suivante:
M1
L1
L2
L1
M1
M2
M2
L2
Pour aller plus loin : Trouver la loi des moments : M1 5 L1 = M2 5 L2
2.3.
Soulever des objets lourds (séance 4)
Objectif :
Réinvestir les séances précédentes et comprendre à quoi peut servir un levier.
Vocabulaire :
Action, force.
Matériel :
Pour un groupe de 4 :
•
1 planche fine
•
1 support demi-rond,
•
1 livre
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Déroulement :
L’enseignant lance aux élèves le défi suivant :
soulever le maximum de livres avec un seul doigt
(sans casser de baguettes !). Ils essayeront sans
doute au début sans le levier, il faudra alors
suggérer des pistes pour qu’ils utilisent un système
de levier. Ils pourront décrire les distances à l'axe
par rapport aux livres et à leur doigt. On aborde ici
le concept de force exercée sur un objet.
Pour aller plus loin :
On peut envisager l’étude de leviers plus puissants.
3.
LES BALANCES
3.1
Etude de balance (séance 5)
Objectif :
A partir de l’objet qu’est la balance, se poser des questions concernant son fonctionnement et
utiliser le vocabulaire adéquat.
Vocabulaire :
Balance, bras, masse, plateau.
Matériel :
Pour un groupe de 4 :
•
une balance par groupe, si possible différents types de balance (on demandera aux enfants
d’en apporter de la maison pour faire des comparaisons).
Déroulement :
L’enseignant commence par une présentation des balances : à quoi servent-elles ? Qu’est-ce
qu’elles ont de différent ?
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plateau
Il effectue ensuite une première mise en
commun : combien d’éléments différents
avez-vous remarqué ? L’enseignant dessine
une
balance
simple
au
tableau,
avec
uniquement les éléments importants, et écrit
bras
une légende.
Axe de
rotation
Ce schéma est repris par les élèves.
Les élèves manipulent avec la balance, ils y placent des objets de différentes tailles et de
différentes masses. Ils comparent les forces, celles qui s'équilibrent et celles qui ne s'équilibrent
pas. Puis en fin de séance, l’enseignant recueille toutes les questions que se posent les élèves
suite à l’observation de la balance.
Pour aller plus loin :
On peut proposer des exercices de mathématiques avec les masses déposées sur le plateau de la
balance.
3.2. construction d’une balance à fléau (séance 6)
Objectif :
Réaliser un objet technologique : une balance à fléau.
Vocabulaire :
Balance à fléau, masse étalonnée.
Matériel :
Pour un groupe de 4 :
•
1 bouteille plastique remplie de sable
•
de la ficelle de cuisine
•
1 barre en bois
•
1 clou
•
2 assiettes en carton
Déroulement :
L’enseignant propose aux élèves de construire une véritable balance : la balance à fléau. Il
pourra par exemple distribuer le matériel nécessaire et laisser les élèves construire une balance
répondant aux conditions d’équilibre et permettant de peser des objets.
Schéma de la balance :
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clou
Tasseau de bois
servant de fléau
ficelle
Assiette en
carton
Bouteille en plastique
remplie de sable
On termine la séance et le module par la pesée de différents objets à l’aide de masses étalonnées.
Les élèves comparent leurs résultats et concluent sur la précisions de leurs mesures.
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