Levier et balance

Plan séquence « Un tout petit coup de main »
DOCUMENT DE TRAVAIL
Point du programme :
Programmes
D’une manière générale, on vise :
La découverte de quelques objets, de leurs usages et de leur maniement, règles de sécurité.
L’élève est conduit à une 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.
Être capable de :
- Mesurer ou comparer des masses
Avoir compris et retenu :
- L’existence de règles de sécurité pour l’utilisation d’objets ….
Résumé :
À partir de cet album, 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 comparaisons de masses. 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 comment effectuer une pesée. Ce
nouvel outil permet d’anticiper sur le problème de départ, comment faire pour soulever
l’éléphant : En mettant de l’autre côté une masse légèrement supérieure.
À travers cette séquence c’est aussi l’occasion d’aborder une autre notion qui sera
spécifiquement travaillée en cycle 3 : le principe des leviers. Ici il s’agira simplement de
repérer qu’une grosse masse (l’éléphant) peut être soulevée par une plus légère, si le plus
lourd se rapproche de l’endroit pivotant.
Séance 1
1. Mise en situation
L’album « Un tout petit coup de main »
Plusieurs possibilités : lire une partie de l’album jusqu’à une page 13
Malgré la présence du lion, de la girafe, du zèbre, de la souris, la planche de la balançoire ne
bascule pas… D’autres animaux contemplent…
- À partir de là, il est possible de demander, et alors ? …
Remarque : possible aussi de ne montrer que ce double page et demander aux élèves
de raconter ce qui se passe et ce qui va se passer.
2. Anticipation, émissions d’hypothèses - formulation du problème
Les élèves imaginent ce qui peut se passer, si besoin le maître peut recentrer sur ce que
souhaite l’éléphant..
Sur une affiche le maître note les idées des élèves.
Le maître propose aux élèves de rechercher une solution avant de lire la suite de l’histoire.
Avant de présenter le matériel, le maître demande à la classe de préciser ce que l’on cherche.
Ceci permet aux élèves de faire l’effort de formuler une question problème qui guidera le
travail d’investigation.
1
Exemple de formulation :
Comment soulever l’éléphant ? ou comment faire basculer l’éléphant ?
Complément apporté par le maître : Le maître propose de compléter la question de manière à
rendre la recherche plus générale et moins contextualisée. Argument, si on y arrive pour
l’éléphant on saura faire pour d’autres animaux, ou pour d’autres objets … Comment
soulever une chose de lourde avec des choses plus légères ? (les deux formulations peuvent
coexister…)
3. Présentation du matériel de modélisation :
1 balançoire en modèle réduit
1 série d’écrous en 3 tailles :1 gros écrou, 5 ou 6 moyens, 8 ou 9 petits.
1 boîte de rangement des écrous
Remarque sur le choix du matériel :
Pour résoudre le problème posé la modélisation n’est qu’un moyen. Le matériel doit
permettre de conserver un lien avec le contexte : la balançoire, mais elle doit
permettre de comprendre un principe plus général d’où l’utilisation d’écrous en 3
tailles représentant 3 grands « types » d’animaux (1 lourd, des animaux moyens, et
des petits). C’est cette distance qui peut permettre de trouver une réponse basée sur le
principe de balance.
4. Tâtonnement avec le matériel
Par groupe de 4 , les élèves apprennent à utiliser le matériel. Le maître passe et s’assure de
l’utilisation correcte du matériel. Sans contrainte particulière, les élèves trouvent une solution.
Consigne : Fais des essais avec le matériel pour soulever « l’écrou éléphant ».
La seule condition posée dès le départ : avoir une utilisation « normale » de la balance.
Les écrous sont placés
derrière les poignées.
Pour les élèves du début du cycle, il est intéressant de « rejouer » le début de l’histoire en
utilisant le matériel. Les élèves pourront ainsi petit à petit se familiariser avec le matériel et ce
qu’il représente.
Selon la différence de réussite dans les groupes, le maître peut inciter certains élèves à
rechercher d’autres solutions…
Une fois que tous les groupes ont trouvé au moins une solution, le maître demande à chaque
groupe de représenter une solution testée et de mettre de côté les écrous nécessaires.
5. Synthèse : Confronter les premiers points de vue.
Amener les élèves à repérer que dans la classe tout le monde n’a pas forcément la même
solution pour soulever le gros écrou « éléphant ».
2
Chaque groupe affiche un dessin et dépose sa boîte de rangement avec les écrous utilisés pour
soulever …
À partir des dessins : combien d’écrous ? quelle taille ? des petits, des moyens ? … Montrer
que pour être utilisé le dessin a besoin d’être plus précis… (à reprendre par la suite)
Comparaison des boîtes de rangement … Tout le monde n’a pas soulevé l’écrou « éléphant »
de la même manière … Il y a donc plusieurs solutions ? … ,
0+
Les élèves donnent quelques explications, le maître propose alors de vérifier cela en faisant
d’autres expériences.
Séance 2
Situation contrainte : Amener les élèves à manipuler les paramètres en reprenant la situation
de départ mais de manière moins ouverte.
Connaissances à construire :
Amener les élèves à comprendre qu’il y a une relation de masse indépendante du nombre pour
soulever un objet sur une balançoire.
Savoir faire à construire :
Amener les élèves à avoir une manière efficace et simple pour représenter la balançoire.(
différenciation selon le niveau dans le cycle)
1. Rappel de la séance précédente
Qu’avez-vous fait lors de la dernière séance ?
Que cherchiez-vous ? Qu’aviez-vous trouvé ? …
2. Expérience suite : Soulever l’écrou éléphant avec le moins d’écrous moyens possible
Chaque groupe reçoit le matériel (une balançoire – 7 à 8 écrous taille moyenne – une boîte de
rangement) et tâtonne.
Une fois qu’une solution stable est trouvée : représenter la situation individuellement, puis sur
une affiche A3.
(Différenciation possible selon le niveau dans le cycle : Faire une phrase décrivant les
résultats schématisés. Ou bien position balançoire pré dessinée pur le début du cycle. )
Conserver les écrous moyens utilisés dans une boîte de rangement. (dessin A3 par groupe)
Remarque : Avec ce type de contrainte, les solutions deviennent convergentes ce qui
permet de comparer plus aisément les représentations afin de les faire progresser.
3. Synthèse - confrontation
Amener les élèves à repérer qu’il y a bien une règle car tout le monde tend vers le même
résultat.
3
Comparaison des boîtes : Si les résultats ne sont pas tout à fait convergents, il est possible de
refaire l’expérience collectivement pour trancher.
Amener les élèves à raisonner :
Pourquoi trouvez-vous le même résultat ?
Comment expliquer que 4 écrous moyens arrivent à soulever le gros écrou ?
Recueillir les explications des élèves (plus lourd, plus nombreux, plus gros …) Les idées qui
font l’objet d’un consensus sont alors notées sur une affiche.
4. Variable sur le nombre.
Proposer à la classe de soulever « l’écrou éléphant » avec uniquement des petits écrous (le
moins possible).
Une fois une solution stable trouvée, conserver les écrous moyens utilisés dans une boîte de
rangement. Faire un schéma (travail individuel puis une affiche A3 par groupe).
(Différenciation possible selon le niveau dans le cycle : Faire une phrase décrivant les
résultats schématisés ou bien une position balançoire déjà dessinée pur le début du cycle. )
7. Synthèse confrontation
Affichage de quelques schémas, récupération des solutions dans les différents groupes.
Avec des écrous moyens, il faut 4 écrous, avec des petits écrous, il faut 15 écrous. Ce n’est
donc pas toujours le même nombre … Pourquoi ?
- Amener les élèves à dégager une explication du type plus lourd / moins lourd.
Pour soulever « l’écrou éléphant » que faut-il ? Est-ce le quatrième écrou moyen qui soulève ?
(on peut essayer de le mettre seul, il ne soulève pas à lui tout seul). Si es élèves partent sur la
piste de plus gros moins gros , il est possible de faire une expérience devant la classe avec un
objet volumineux mais léger(une éponge sèche, une boîte plastique vide …)
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.
Une fois une ou deux phrases expliquant le phénomène produites => noter sur une affiche
Séance 3
1. Mettre en place une manière de schématiser efficace (pour que la classe puisse se
comprendre) .
Affichage des dessins
Comparaison des dessins
Y a-t-il des dessins plus facile à comprendre ? Pourquoi ?
Voyez-vous des erreurs ? Pourquoi ?
Mettre en place avec les élèves les éléments les plus importants (fiche guide) :
- Vue de profil => permet de voir de quel côté ça penche
4
-
Respect de la taille des écrous => permet de ne plus utiliser les boîtes de matériel pour
comparer
Respect de la taille de la balançoire entre les différents dessins
…
2. Structuration : Utiliser la fiche guide pour représenter la solution au problème : Soulever
l’écrou éléphant avec le moins d’écrous moyens possible.
Travail individuel.
Exigence sur la manière de représenter.
Différenciation possible : la balançoire est déjà représentée, il faut être rigoureux sur les
écrous.
3. Structuration
Travail individuel reprenant des expériences faites en classes. Les élèves doivent soit dessiner
les écrous, selon la position de la balançoire, soit dessiner la position de la balançoire en
fonction du nombre d’écrous. Voir fiche.
Cet exercice permet d’éprouver la logique du fonctionnement de la balançoire, et de
s’entraîner à représenter efficacement une situation.
4. Validation
Une fois le travail papier crayon terminé, distribution du matériel permettant de vérifier les
solutions. La vérification se fait au niveau de chaque groupe.
5. Synthèse
Affichage de quelques exemples
Faire expliciter la solution choisie ( quelle logique ?)
Exemple : Si avec 4 écrous on peut soulever le gros écrous, alors avec 5 écrous on pourra
aussi soulever car 5 écrous c’est plus lourd que 4 écrous.
Séance 4 : De la balançoire à la balance
1. Rappel de la séance précédente
Avec des dessins au tableau reprenant quelques exemples de la fiche d’exercices de la séance
précédente. Le matériel à portée de main pour valider.
2. Utiliser la balance comme la balançoire.
=> Amener les élèves à faire la relation à travers un fonctionnement identique.
Plus ou moins lourd une idée retenue lors de la séance 2 =>PROPOSITION => un appareil
comme une balançoire mais plus précis pour mesurer.
Proposer aux élèves de reprendre les expériences avec à la place de la balançoire, une balance.
Au tableau le maître propose une représentation simplifiée afin que les élèves puissent
schématiser sans problème.
Anticipation À votre avis combien faudra-t-il d’écrous de taille moyenne / d’écrous de petites tailles. Selon
le niveau dans le cycle cette partie peut-être menée à l’oral ou individuellement par écrit.
5
Selon le cas le maître passe dans les groupes pour demander pourquoi avoir prévu « x »
écrous …
3. Expérience
Sans autre indication, les élèves utilisent la balance.
Consigne : En utilisant la balance. essayer de soulever « l’écrou éléphant » ou le gros écrou
avec des écrous moyens (le moins possible), puis avec des écrous de petites tailles (le moins
possible).
- Écrit : feuille individuelle avec les situations pré dessinées (pour le début de cycle) sans
indication pour les plus grands.
- Inciter les élèves à noter le nombre d’ écrous nécessaires.
4. Confrontation - synthèse
Comparaison des résultats (affichage de quelques feuilles de travail)
Que pouvez-vous dire ? Et par rapport à la balançoire ?
Amener les élèves à expliciter pourquoi les résultats sont les mêmes. Amener les élèves à
repérer des éléments équivalents ….
Au tableau le maître schématise une balançoire et une balance
Exemple : La balance fonctionne comme la balançoire car il y a une articulation => un pivot
(trait rouge) il y a la même longueur de chaque côté du pivot, on met les écrous de chaque
côté …
Mise au point d’un trace écrite permettant de repérer les équivalences entre la balançoire et la
balance. En fixant un vocabulaire minimum.
Les élèves repassent avec la même couleur les éléments équivalents et font une légende.
(plateau – fléau – pivot – pied …)
5. Le cas particulier de l’équilibre
Avec la balançoire, on a plus de précision, car c’est un objet qui permet de mesurer combien
un objet est lourd.
Différence entre équilibrer et soulever…
Amener les élève à repérer cet état particulier de la balance en équilibre (trop difficile à
obtenir avec la balançoire)
Avec 4 écrous, le gros écrou est soulevé.
Avec 15 écrous de petite taille, le gros écrou est soulevé, mais les deux plateaux restent en
équilibre.
Caractéristiques de l’équilibre :
Comment savoir s’il y a équilibre ? À quoi le voit-on ?
6
 Repérer la partie la plus fiable pour repérer l’équilibre.
6. Faire des équilibres
Consigne avec les écrous que vous avez à disposition, trouver des équilibres. À chaque fois
que vous en aurez un faite un schéma pour se rappeler et pour montrer vos solutions.
Les élèves manipulent et gardent trace de chaque équilibre. (différenciation possible feuille
préparée avec des schéma de balances en équilibre).
Remarque : Le maître peut proposer aux élèves une simplification de la représentation
de la balance à l’équilibre en ne représentant que les deux plateaux.
7. Confrontation – Synthèse : L’équilibre : quel intérêt ?
Affichage de quelques travaux
Les élèves se rendent compte que les solutions des autres correspondent aux leurs.
Vérification des équilibres si besoin avec le matériel.
Qu’est-ce que cela signifie, lorsqu’il y a équilibre ? … Pourquoi y a-t-il équilibre ?
=> Hypothèses des élèves à l’oral
Vérification directe avec une balance différente (une balance à plateaux autre ou bien avec
une balance électronique qui indiquera le même nombre).
Amener les élèves à repérer que l’équilibre correspond à l’égalité => aussi lourd d’un
côté que de l’autre. La balance permet de savoir si un objet est plus lourd, moins lourd, ou
aussi lourd (équilibre).
Traduire cette idée avec les exemples d’équilibre trouvé dans les différents groupes. (passage
à l’écrit possible selon le niveau dans le cycle)
A est plus lourd que B
C est moins lourd que D
E est aussi que F (même masse)
7
Séance 5 : Vers le mesure
1. Rappel de la séance précédente (aspect équilibre)
Qu’avez-vous appris de particulier en utilisant une balance ?
2. De la comparaison à la mesure : Expériences
Le maître propose aux élèves un nouveau matériel, il s’agit de masses marquées empilables
qui ressemblent à des disques plastiques de tailles différentes avec chacun un n°
correspondant à la masse. Ce numéro ne sera expliciter qu’après mais servira de repère pour
les représentations.
Consignes : faites des équilibres avec ces disques plastiques (3 tailles 3 n°) et dessinez chaque
solution sur votre feuille (en notant les n°).
3. De la comparaison à la mesure : synthèse - confrontation
Afficher quelques résultats
Repérer la convergence des résultats dans la classe
Quelle remarque faire par rapport aux chiffres sur les disques plastiques ?
10
5
1
1
1
1
1
Repérer l’égalité numérique pour chaque équilibre.
Présenter les disques plastiques comme étant des masses marquées, 10 signifie 10 grammes ce
qui s’écrit 10g.
C’est normal qu’à l’équilibre il y ait la même masse d’un côté et de l’autre.
4. Peser des objets – apprendre à utiliser les masses marquées
Le maître propose aux élèves une série d’objet (gros écrous, écrous moyens, …)
Les élèves doivent réaliser l’équilibre et noter (ou dessiner selon la place dans le cycle) la
masse de l’objet ou bien des objets pesés.
Rôle du maître : apprendre à trouver par l’action une méthode d’utilisation des masses
efficace (de la plus grande vers la plus petite).
5. Synthèse – confrontation
Comparaison raide des résultats de pesée dans la classe. S’il y a des différences vérification et
validation immédiate avec le matériel.
Faire formuler et expliciter une manière de s’organiser pour peser.
6. Entraînement
Voir exercices sur fichiers, plus autres pesées …
Séance 6 : Différence balançoire et balance
1. Rappel de ce qui a été fait lors de la séance précédente
comment mesurer la masse d’un objet (technique de pesée)
2. Retour à l’histoire « un petit coup de main » Nouvelle situation
8
Imaginons que dans le village tous les animaux soient partis au marché, sauf l’éléphant et la
girafe, et pourtant ils veulent faire de la balançoire … Comment faire pour arriver à ce que les
animaux arrivent à se balancer ?
Le maître présente le matériel qui va être distribue dans les différents groupes
3. Anticipation orale collective : Quelqu’un a une idée ? …
Les élèves donnent des idées et le grand groupe réagit, sans que l’enseignant ne prenne
position.
4. Tâtonnement expérimental : comment peuvent faire les animaux pour arriver à se
balancer ? …
Les élèves cherchent avec le matériel
Et s’ils trouvent une solution la dessinent sur une feuille A3
5. Gestion de la situation de recherche
Le maître passe dans les différents groupes pour suivre l’évolution de la réflexion. Si le
groupe est bloqué, le maître peut relancer en disant par exemple : « Où « l’écrou éléphant »
pourrait-il se mettre pour que « l’écrou girafe » le soulève ? …
Si un groupe avance plus vite, il possible de proposer une situation avec à la place d’un
« écrou girafe » un « écrou souris » mais cette fois le groupe doit anticiper et dessiner ou li va
placer les écrous avant de pouvoir vérifier avec le matériel.
Il est aussi possible d’entre couper la situation de recherche pour faire un point afin de mettre
sur la voie des groupes qui ne seraient pas tout à fait prêt.
6. Synthèse – confrontation
Affichage des productions de groupe
Repérage des éléments convergents : Quelle est l’idée que vous avez trouvé ?
Les élèves explicitent l’influence de la distance sur l’équilibre.
Le maître questionne sur la masse : l’écrou devient-il moins lourd ? …
Amener les élèves à distinguer la force qui change alors que la masse elle ne change pas …
(notion difficile qui ne fait pas l’objet d’un apprentissage réel).
7. Complément
Proposer aux élèves de faire la même chose avec la balance
Impossible car c’est objet est fait pour mesurer la masse à l’équilibre donc sur une balance à
plateaux on ne peut pas changer la distance …
Matériel :
- 7 balançoires
- 7 balances « Main à la pâte »
- 14 gros écrous
- 40 écrous de taille moyenne
- 120 écrous de petite taille
- 7 lots de masses parquées (3x10g – 6x5g – 10x2g – 10x1g)
- 1 balance à plateaux modèle différent
- 1 album un petit coup de main
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