Guide d exploration et d intégration LES SYSTÈMES SIMPLES
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- Stanislas Briand
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1 Guide d exploration et d intégration LES SYSTÈMES SIMPLES Ateliers pour les élèves de deuxième et troisième cycles La Maison Léon-Provancher, Québec 2000
2 Ce document a été réalisé grâce à la participation financière du ministère de la Culture et des Communications du Québec, dans le cadre du programme «Étalez votre science». Ce programme est la propriété intellectuelle de La Maison Léon-Provancher de Québec et une autorisation de reproduction pour usage pédagogique vous est donnée. Malgré les efforts apportés, il peut comporter des erreurs ou des imprécisions. Il fera l objet, comme toutes les autres productions de l organisme, de révisions périodiques afin d améliorer le contenu et la forme. Tous commentaires ou suggestions permettant son amélioration seront appréciés. Plusieurs autres thèmes ont été produits par La Maison Léon-Provancher, informez-vous! Conception, recherche, rédaction et adaptation : Solange Moreau Jean Bérubé Claire Truchon Geneviève Boucher La Maison Léon-Provancher 1435 Provancher Cap-Rouge (Québec) G1Y 1R9 1991, révision 2002 Téléphone : (418) Télécopieur : (418) Courriel : semlp@total.net La Maison Léon-Provancher 1
3 Introduction Ce guide propose des activités d'exploration reliées au thème des systèmes simples. Il vise la connaissance des deux principales catégories de systèmes simples : les leviers et les plans inclinés et de leur fonctionnement. Pour arriver à les connaître, il faut avoir un aperçu de leur diversité et des facilités qu'ils apportent. Les activités proposées vont dans ce sens tout en intégrant la démarche scientifique. Certaines explications naissent spontanément et elles leur sont utiles pour comprendre leur environnement. D autres sont, cependant, plus éloignées de leur vécu. Les activités animées lors de la visite avec l animateur sont alors importantes afin d amener les jeunes à s approprier de nouvelles connaissances et les encourager à poursuivre leurs recherches. Ces ateliers permettent la manipulation, l expérimentation et la découverte par une approche coopérative. Ce guide suggère également quelques activités d intégration afin de consolider les connaissances acquises sur le sujet et de parfaire le développement de plusieurs compétences. Cadre pédagogique du thème Pendant l animation de ce thème, l élève pourra apprendre à... Identifier les types de leviers. Découvrir les plans inclinés. Expérimenter des poulies et comprendre leur fonctionnement. S initier au phénomène de la friction. Également, l élève pourra explorer des savoirs essentiels tels que : Effets de l attraction gravitationnelle sur un objet Effets d une force sur la direction d un objet Machines simples Fonctionnement d objets fabriqués Utilisation de machines simples L organisation des êtres vivants Les mouvements chez les animaux Caractéristiques du mouvement La Maison Léon-Provancher 2
4 Tableau des compétences transversales Ordres Compétences Composantes COMPÉTENCES D'ORDRE INTELLECTUEL Compétence 1 Exploiter l'information. Compétence 2 Résoudre des problèmes. Compétence 3 Exercer son jugement critique. S'approprier l'information. Reconnaître diverses sources d'information. Tirer profit de l'information. Analyser les éléments de la situation. Imaginer des pistes de solution. Mettre à l'essai des pistes de solution. Adopter un fonctionnement souple. Évaluer sa démarche. Construire son opinion. Exprimer son jugement. Relativiser son jugement. Compétence 4 Mettre en œuvre sa pensée créatrice. S'imprégner des éléments d'une situation. Imaginer des façons de faire S'engager dans une réalisation. Adopter un fonctionnement souple. Compétence 5 Se donner des méthodes de travail efficaces. Analyser la tâche à accomplir. S'engager dans la démarche. Accomplir la tâche. Analyser sa démarche. COMPÉTENCES D'ORDRE MÉTHODOLOGIQUE Compétence 6 S'approprier les technologies de l'information Exploiter les technologies et de la communication. de l'information Utiliser les technologies de l'information et de la communication. et de la communication pour effectuer une tâche. Évaluer l'efficacité de l'utilisation de la technologie. COMPÉTENCES D'ORDRE PERSONNEL ET SOCIAL Compétence 7 Structurer son identité. S'ouvrir aux stimulations environnantes. Prendre conscience de sa place parmi les autres. Mettre à profit ses ressources personnelles. Interagir avec ouverture d'esprit Compétence 8 dans différents contextes. Coopérer. Contribuer au travail collectif. Tirer profit du travail en coopération. COMPÉTENCE Compétence 9 Établir l'intention de la communication. DE L'ORDRE DE Communiquer de façon Choisir le mode de communication. LA COMMUNICATION appropriée. Réaliser sa communication. Les activités vécues lors de la visite et les activités suggérées dans ce guide visent le développement de chacune de ces compétences et de leurs composantes respectives. La Maison Léon-Provancher 3
5 Les activités suggérées avant la visite Des outils d'un temps ancien (Durée suggérée : 1 période) Déroulement : à partir des illustrations d'outils préhistoriques fournies à la fin de ce guide (page annexe 1), les jeunes en équipe de trois ou quatre se questionneront sur l'utilité de ces objets : de quel sorte d'objet s'agit-il? À quoi servait-il? En équipe, ils discutent de leurs hypothèses. Les équipes notent les meilleures sur leur feuille. Ensuite, susciter l'échange entre les équipes qui présenteront leurs différentes propositions. Ils pourront parfaire la démarche scientifique en consultant des livres de référence ou des documents sur Internet et revenir sur leurs hypothèses. Ensuite, présenter les outils en démontrant leur vraie fonction (page annexe 2). Pour conclure, rechercher ensemble la définition d'un système simple : Un système simple est un objet qui sert à faciliter l'exécution d'une tâche. Les systèmes simples existent depuis très longtemps et leurs utilisations ont évolué au cours des années. Trucs pédagogiques Inventorier tous les systèmes simples rencontrés dans une journée et essayer de trouver leurs ancêtres. Inventer des systèmes simples des années La Maison Léon-Provancher 4
6 Des ingénieurs ingénieux (Durée suggérée : 1 à 2 périodes) Déroulement : partir d'un extrait de la bande dessinée «Astérix et Cléopâtre» (pages 16 et 17 : la construction du palais) pour démontrer la facilité avec laquelle les Égyptiens déplaçaient les blocs servant à la construction du palais de Cléopâtre, grâce à la potion magique de Panoramix. Dans la réalité, comment arriver à déplacer des blocs de pierre aussi imposants. Avec la classe, noter les étapes devant être réalisées pour que le palais soit construit. 1- Tailler les pierres 2- Les transporter jusqu'au bateau 3- Les placer sur le bateau 4- Les sortir du bateau 5- Les déplacer jusqu'au site de construction 6- Les monter sur le bâtiment Chaque équipe propose des idées quant à la façon de réaliser ces étapes. Encourager les jeunes à faire preuve d'ingéniosité et d'habilité. Ils deviennent des ingénieurs dont la mission est de résoudre un problème. Les équipes proposent un plan de leur solution ou, si le temps et le matériel le permettent, une maquette qu'ils présenteront aux autres équipes. Les solutions envisagées par les équipes peuvent être de plusieurs types : rampes, poulies, rouleaux de bois, roues, grues, ciseaux pour tailler le roc, etc. Faire remarquer que les solutions peuvent être regroupées en différentes catégories : leviers, plans inclinés ou réduction de la friction. Faire prendre conscience des étapes réalisées dans la démarche scientifique (observation d'un problème, recherche de solutions, essais, évaluation et conclusion). L'annexe 3 présente une hypothèse expliquant la construction des pyramides. Trucs pédagogiques Faire réaliser une recherche sur les pyramides, le temps des Pharaons, les conquêtes de César, les Gaulois etc. (sciences humaines). Faire des jeux de rôles sur les métiers se rapportant aux systèmes simples (sciences humaines). Inviter un «patenteux» ou un grand débrouillard. La Maison Léon-Provancher 5
7 fi Ateliers pour les élèves de 2 e et 3 e cycles Les systèmes simples Animation offerte Accueil Définition d un système simple : c'est un objet qui aide l'être humain dans son travail et qui s'utilise sans moteur. Des objets qui sont des systèmes simples. Présentation des différents groupes de systèmes simples : les leviers les plans inclinés les systèmes qui réduisent la friction (exemple : la roue) Ateliers Les plans inclinés le principe des plans inclinés leur diversité et les facilités qu'ils apportent jeu de classification Les leviers le principe du levier leur diversité et les facilités qu'ils apportent liens avec la vie courante par un jeu d'association les treuils Les poulies les poulies sont des leviers présentation des types de poulies prévisions et expérimentation sur les poulies Les systèmes simples dans la nature la présence de leviers, de poulies et de plans inclinés chez les animaux et les plantes le phénomène de la friction chez les animaux jeu d'association La friction qu'est-ce que c'est? liens avec le travail et les systèmes simples prévisions et expérimentation par des «courses de souliers» La Maison Léon-Provancher 6
8 Activités de suivi Ces suggestions sont présentées pour favoriser la diffusion et la poursuite des activités de sciences. faire une expo-systèmes à partir des plans et des maquettes réalisés avant la visite. identifier tous les systèmes simples présents dans la cour d'école ou dans la classe. trouver des systèmes simples du corps humain et leurs applications. organiser un concours de «patenteux» pour l'école. Contenu notionnel Les systèmes simples sont des objets qui facilitent le travail. Ils sont habituellement regroupés sous deux catégories : les plans inclinés et les leviers. Les plans inclinés Un plan incliné est une surface inclinée qui rend plus facile les déplacements de lourdes charges. Il est plus facile d'appliquer une plus faible force pour une distance plus longue car les muscles se fatiguent rapidement pour un travail plus difficile. En fait, le plan incliné n'est rien d'autre qu'une pente qui facilite les déplacements de lourdes charges ou qu'un tranchant qui facilite la coupe. Les pentes, les ciseaux à bois et les escaliers sont des plans inclinés proprement dit, les coins et les vis aussi. SIMPLES DOUBLES ENROULÉS exemple : cale pour la porte, exemples : entonnoir, exemples : vis, boulon, ciseau à bois clou ampoule Un plan incliné simple est souvent utilisé pour faciliter la montée ou la descente. L'escalier, la rampe d'accès pour handicapés, une échelle et une pente de ski en sont des exemples. Cette catégorie regroupe également les lames simples comme les ciseaux et les taille-crayons. Un plan incliné double peut être représenté comme deux plans inclinés placés l'un sur l'autre. Une de ses utilités principales est de fendre le bois (hache et coin) mais le principe est utilisé aussi pour réduire la friction de l'air ou de l'eau. Les canifs, clous, aiguilles, peignes, dents, griffes et les proues de bateaux utilisent le principe du coin. Un plan incliné enroulé est simplement une vis. Les routes qui montent autour d'une montagne, les escaliers en colimaçon, les bancs de travail réglables, l'étau, les serres joints et les clefs à ouverture variable sont des exemples de plan incliné enroulé. La Maison Léon-Provancher 7
9 Les leviers Le levier est un objet qui permet de déplacer une charge en appliquant une force qui le fait basculer sur un pivot. Il existe 3 classes de leviers déterminées par l'agencement du point d'appui (P), de l'endroit où s'exerce la force (F) et de la charge (C). F C F C F C P P P Type 1 Type 2 Type 3 SIMPLES balançoire brouette brosse à dents DOUBLES ciseaux perforateur pince de précision Le treuil Le treuil est un levier continu sur un pivot continu. Dans le treuil, un axe relie les trois éléments ensemble. Tourner l axe (F) amène la roue (P) à tourner et ainsi à déplacer la charge(c). Le taille-crayon et le tire-bouchon en sont des exemples. La Maison Léon-Provancher 8
10 Les poulies Les poulies sont une autre façon de soulever de lourdes charges en forçant le moins possible. Elles sont regroupées avec les leviers. Poulie fixe un levier de type 1 simple Poulie mobile un levier de type 2 simple Poulie fixe et mobile Palan Les systèmes simples dans la nature Les pattes, les griffes et les becs d'oiseaux offrent de bons exemples de systèmes simples, ce sont en fait des leviers et des plans inclinés. Exemple : certains oiseaux utilisent leur bec pour ouvrir les graines comme avec un casse-noix. De même, les bras de l'être humain sont de merveilleux exemples de leviers et les articulations, de poulies. Chez les plantes aussi il y a des exemples de systèmes simples : certaines graines sont propulsées au loin par un organe rappelant de très près la catapulte (levier). La friction La friction est la résistance à tout mouvement entre des surfaces en contact. Cette dernière réduit l'efficacité des systèmes simples. Pour une même surface, plus l'objet est lourd, plus grande est la friction. D'un autre côté, la friction est indispensable. Il s'agit juste de penser à la conduite automobile sur la glace pour s'en rendre compte. Enfin, pour réduire la friction, il est possible d'utiliser des lubrifiants ou transformer la friction de déplacement en friction de roulement (roulement à billes). La Maison Léon-Provancher 9
11 ANNEXE 1 La Maison Léon-Provancher 10
12 ANNEXE 2 Biface : coupe ou tranche la viande Hache : coupe le bois Racloir : racle les peaux d'animaux Archet et bâton : allume un feu Aiguille à chas : aide à la couture Pointe de flèche : arme de chasse Propulseur : aide à lancer une sagaie Hameçon : outil de pêche Pointe de harpon : arme de chasse Massue : assomme et fait des outils La Maison Léon-Provancher 11
13 ANNEXE 3 Une hypothèse expliquant la construction des pyramides 1- Les blocs furent extraits de différentes carrières. 2- C'est avec un outillage de cuivre ou de bronze, de silex ou de pierre dure que ces blocs furent taillés. 3- C'est avec des traîneaux de bois, des rouleaux, des cordages et des leviers que les blocs furent amenés au quai et placés sur des bateaux. 4- Ils étaient transportés par voie fluviale jusqu'au pied du plateau à la crue du Nil. 5- Il fallait ensuite les hisser à nouveau sur des traîneaux. 6- Des rampes en zigzag (plan incliné) construites temporairement, en briques séchées au soleil et en terre permettaient d'accéder au chantier. 7- Afin de permettre aux traîneaux d'avancer, on rendait la surface des rampes glissantes (réduction de la friction), en la recouvrant de terre glaise que l'on arrosait. La Maison Léon-Provancher 12
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