Les différentes inventions à travers l histoire pour mettre un objet en mouvement

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1 Les différentes inventions à travers l histoire pour mettre un objet en mouvement Problématique Qu est-ce qui fait avancer un véhicule? Est-ce que cela a évolué au fil du temps? Comment? Programmes 2008 Connaissances Exemples simples de sources d énergie - Savoir que l utilisation d une source d énergie est nécessaire pour mettre en mouvement. Vocabulaire : source d énergie, électricité, mouvement, consommation, transport, transformation. Capacités - Observer et utiliser un dispositif permettant de mettre en évidence la transformation de l énergie. Palier 2 compétences attendues en fin de CM2 La culture scientifique et technologique L élève est capable de : pratiquer une démarche d investigation : savoir observer, questionner ; manipuler et expérimenter, formuler une hypothèse et la tester, argumenter ; exprimer et exploiter les résultats d une recherche en utilisant un vocabulaire scientifique à l écrit et à l oral ; maîtriser des connaissances dans divers domaines scientifiques ; mobiliser ses connaissances dans des contextes scientifiques différents et dans des activités de la vie courante (par exemple, apprécier l équilibre d un repas) ; exercer des habiletés manuelles, réaliser certains gestes techniques. Séquence de 5 séances séance 1 : des véhicules comparer les mécanismes de mise en mouvement des véhicules identifier la source d'énergie Mise en lien avec une séquence en sciences, fonctionnement du corps humain et la santé - Relations entre l activité physique et les besoins des muscles. Séquence qui peut être réalisée avant ou après. séance 2 : séquence Défi technologique réaliser des objets techniques «automobiles» observer la transformation d'une énergie provenant de sources différentes en une énergie mécanique séance 3 : des véhicules qui se modifient au fil du temps Les vélos identifier l énergie primaire et le mode de transmission de véhicules semblables comparer les matériaux et techniques utilisées pour positionner les véhicules dans le temps (lien avec histoire) séance 4 : d'autres véhicules au fil du temps identifier l énergie primaire et le mode de transmission de véhicules (transfert de connaissances de la séance 3) décrire, le cas échéant, la transformation d'énergie séance 5 : les inventions Lien avec histoire identifier les inventions dans le temps comprendre les liens de cause à effet entre les inventions et les véhicules ou machines 1 / 14

2 Séance 1 : des véhicules Points du programme L énergie : Besoins en énergie et Les objets techniques - Objets mécaniques : transmission de mouvements. Objectifs Repérer différentes solutions techniques assurant une même fonction ; Repérer la source d'énergie et par quel moyen elle est utilisée Matériel Planche avec différents véhicules : Train à vapeur / Voiture / Scooter / Vélo / Canoë / Voilier (page 12) Déroulement en 2 temps (le matin et l'après-midi ou 2 journées consécutives) 1ère partie Présentation de la planche de véhicules Laisser les élèves décrire et nommer les véhicules Consigne : par 2, identifier ce qui est à l'origine (au départ) de la mise en mouvement de ces différents véhicules et l'élément qui reçoit cette matière. Décrire ce phénomène par une ou deux phrases. Collecte des productions (représentations initiales). L'enseignant choisit les phrases qui permettent soit de confronter des représentations différentes soit de compléter progressivement la description 2ème partie Rappel rapide de la consigne Mise en commun : Pour chaque véhicule, lecture des productions des élèves choisies par l'enseignant. Discussion et confrontation. La mise en commun a pour objet l'élaboration collective du tableau ( les en-têtes de colonnes doivent être trouvés par les élèves) Véhicules Moyens pour mettre en mouvement Vent sur la voile Carburant dans le moteur Train à vapeur Charbon dans une chaudière Action musculaire sur les rames Vélo Voilier Action musculaire sur les pédales Scooter Voiture Canoë 2 / 14

3 Remarque : L'enseignant apporte le vocabulaire, si nécessaire. Le principe de l action musculaire sera étudié lors d une autre séquence. Points du programme : Fonctionnement du corps humain Établir des relations entre l activité physique, les besoins des muscles Synthèse de la séance 1 : Les véhicules avancent grâce à des moyens différents : vent sur la voile, carburant dans le moteur, action musculaire sur les rames, Ce qui est à l'origine de la mise en mouvement du véhicule s'appelle l'énergie. L'énergie provient de sources différentes : vent, action des muscles, charbon, carburant. ******** Séance 2 : séquence Défi technologique Cette séquence n'est pas développée intégralement dans ce document. Mise en œuvre ou rappel (si elle a déjà été réalisée). Points du programme Les objets techniques - Objets mécaniques : transmission de mouvements. L'énergie - approche de la notion de force et de la transformation d énergie Objectifs Réaliser des montages ou objets techniques. Mettre en place un protocole d expérimentation. Matériel de récupération pour réaliser le véhicule et le dispositif de mise en mouvement bouteilles, bouchons, roues, tiges, boîtes. Déroulement Défi technologique : construire un véhicule qui roule 1) faire avancer le véhicule (pas de contrainte). Le mécanisme doit lui permettre de rouler, glisser, flotter... 2) faire avancer le véhicule - sans le toucher, le rendre «automobile» Travail par groupe Essais ajustements Apports de connaissances, si nécessaire. Mise en commun quand les véhicules ont été construits Lister les forces qui mettent en mouvement le véhicule. Identifier la source de l'énergie Des exemples de véhicules qui roulent : photos ci-dessous propulsion grâce à la force de l'air (ballon de baudruche) propulsion grâce à la force de l'élastique qui se déroule, veut reprendre sa forme initiale Remarque : ne pas exiger un niveau de formulation trop éloigné des conceptions des élèves à ce stade de l'observation. 3 / 14

4 Présentation d'autres véhicules apportés par l'enseignant (ou possibilité de les faire construire à partir d'une fiche de fabrication) Objectif comprendre comment ils fonctionnent (observation - interprétation) Exemples de matériel : véhicule avec panneaux solaires (Solar Rover / Green science) véhicule avec moteur à combustion véhicule avec moteur électrique (type véhicule «Légo») Apport du vocabulaire : Mise en évidence des sources d énergie (vent soleil...) et des formes d énergie (énergie solaire énergie éolienne ) Synthèse de la séance 2 (ou rappel) : Il existe différents moyens pour propulser un véhicule, lui permettre d être autonome. On dit qu il est automobile. Force du vent qui s échappe du ballon énergie éolienne Force de l élastique qui se déroule énergie mécanique Force de l'électricité produite par des panneaux photovoltaïque énergie solaire Force de la vapeur d'eau produite par l'échauffement de l'eau par le charbon énergie thermique (changement de matière) Cette force s appelle «énergie». On qualifie souvent l'énergie selon sa source. Des exemples d'énergie : énergie nucléaire, énergie hydraulique. ******** Séance 3 : des véhicules qui se modifient au fil du temps Les vélos Lien Histoire et sciences Points du programme Sciences expérimentales et technologie - L énergie : Besoins en énergie et Les objets techniques - Objets mécaniques : transmission de mouvements. Histoire : La France dans une Europe en expansion industrielle et urbaine : des progrès techniques Objectifs Identifier l énergie primaire et le mode de transmission 4 / 14

5 comparer les matériaux et techniques utilisées pour positionner les véhicules dans le temps Savoir que les progrès techniques et scientifiques bouleversent les modes de transport (chemin de fer, ). Matériel Documents : Planche sur les vélos (page 13) Déroulement Consigne : «Pour chaque vélo, identifie la source d énergie et la forme d'énergie, le mode de transmission du mouvement, utilise ces informations pour placer sur un axe du temps les différents véhicules.» Réponse attendue (les dates sont indiquées pour l'enseignant et peuvent faire l'objet d'une recherche documentaire) Pour chaque vélo : Source d'énergie : les muscles (même pour le «vélo électrique» - ce n'est qu'une assistance) Forme d'énergie : énergie mécanique (poussée des jambes). Il y a transmission d'énergie mécanique (action du muscle) en énergie mécanique (déplacement du vélo) Modes de transmission du mouvement : évolution des mécanismes du vélo 1.Draisienne (1817) en bois poussée des jambes sur le sol - remarquer le système de direction de la roue avant qui rend difficile les virages 2.Vélocipède (1861) ou Michauline poussée des jambes sur les pédales positionnées sur la roue avant 3.Grand Bi (1870) poussée des jambes sur les pédales + grande roue multiplie le mouvement initial des jambes et des pédales (rapport entre le périmètre du cercle des pédales et le périmètre du cercle de la roue) 4.Tricycle (1880) - poussée des jambes sur les pédales meilleure stabilité grâce aux 2 roues arrière celui-ci a une transmission par chaîne (le pédalier était au préalable fixé directement sur l'axe). Le déplacement avec un tricycle a été abandonné on a préféré la bicyclette 5.Bicyclette ( ) poussée des jambes sur les pédales + chaîne pour entraîner la roue arrière, ce qui permet de maintenir plus facilement l'équilibre (comparaison avec le Grand Bi) 6.Bicyclette avec dérailleur fin I ème siècle - poussée des jambes sur les pédales + chaîne + dérailleur pour choisir comment multiplier le mouvement initial des jambes sur les pédales (adaptation à la pente du terrain) 7.Bicyclette à assistance électrique (à partir de 1935 / 1970) pour amplifier le mouvement Synthèse de la séance 3 : Les vélos se sont transformés au fil du temps et ont évolué. L'évolution des mécanismes et des matériaux utilisés ont facilité la transmission du mouvement. On peut avancer plus vite (ou plus longtemps) en utilisant moins d'énergie. 5 / 14

6 ******** Séance 4 : d'autres véhicules au fil du temps Lien Histoire et sciences Points du programme Sciences expérimentales et technologie - L énergie : Besoins en énergie et Les objets techniques - Objets mécaniques : transmission de mouvements. Histoire : La France dans une Europe en expansion industrielle et urbaine : des progrès techniques Objectifs Identifier l énergie primaire et les changements (transformations) d'énergie comparer les mécanismes utilisés pour positionner les véhicules dans le temps Savoir que les progrès techniques et scientifiques bouleversent les modes de transport (chemin de fer, ). Matériel Documents : Planche avec des véhicules : char romain / machine à vapeur de Watt / 2 CV / La «jamais contente» / Le vélocar / fardier (page 14) Rangement des vélos (séance précédente) Encyclopédie pour dater les véhicules Déroulement en 2 temps (le matin et l'après-midi ou 2 journées consécutives) 1ère partie réinvestissement de la séance précédente Présentation de la planche de véhicules Laisser les élèves décrire, nommer les véhicules car les élèves ne connaissent pas tous les noms. Consigne : «Pour chaque véhicule, identifie la source d énergie et la forme d'énergie, le mode de transmission du mouvement, utilise ces informations pour placer sur un axe du temps les différents véhicules.» Travail par 2 Mise en commun pour chacun des 6 «machines» des éléments de réponse apportés par les élèves. + Apport de l'enseignant : les informations manquantes (apport culturel) et faire identifier s'il y a transformation d'énergie. char romain (antiquité) Source d'énergie : action des muscles des chevaux - tirer Forme d'énergie : énergie mécanique (traction des chevaux). Il y a transmission d'énergie mécanique (action du muscle) en énergie mécanique (déplacement du char) Modes de transmission du mouvement : attache au cheval + essieu + roues déplacement du cheval (translation) qui permettent le déplacement du char (rotation des roues) fardier (1770) Source d'énergie : action de la vapeur d'eau échauffement de l'eau (bois) Forme d'énergie : énergie thermique (changement d'état de l'eau). Il y a transformation d'énergie thermique (vapeur d'eau) en énergie mécanique (déplacement par rotation des roues) 6 / 14

7 Modes de transmission du mouvement : rotation de la roue à aubes qui permet la mise en rotation des roues pour faire avancer le jouet. machine à vapeur de Watt (1783) Source d'énergie : action de la vapeur d'eau échauffement de l'eau (bois ou charbon) Forme d'énergie : énergie thermique (changement d'état de l'eau). Il y a transformation d'énergie thermique (vapeur d'eau) en énergie mécanique (mise en mouvement de la machine) Modes de transmission du mouvement : mécanismes divers (cylindre pistons...) qui permettent la mise en rotation de la roue. Lien avec histoire : personnage James Watt La «jamais contente» (1899) Source d'énergie : électricité stockée dans la batterie (réaction chimique) Forme d'énergie : énergie électrique. Il y a transformation d'énergie électrique (libérée par la batterie) en énergie mécanique (déplacement de la voiture) Modes de transmission du mouvement : moteur électrique et différents mécanismes qui permettent le déplacement de la voiture. Le vélocar (1930) pédalier + chaîne Source d'énergie : action musculaire de l'homme Forme d'énergie : énergie mécanique (poussée des jambes). Il y a transmission d'énergie mécanique (action du muscle) en énergie mécanique (déplacement du vélocar) Modes de transmission du mouvement : pédalier et chaîne qui permettent le déplacement de la voiture. 2 CV (1948) - moteur et différents mécanismes Source d'énergie : essence (qui provient du pétrole) Forme d'énergie : énergie chimique (essence + oxygène). Il y a transmission d'énergie chimique (essence) en énergie mécanique (déplacement de la 2CV) Modes de transmission du mouvement : moteur à essence (appelé aussi moteur thermique moteur à combustion interne) et différents mécanismes qui permettent le déplacement de la voiture. 2ème partie mieux comprendre la transformation d'énergie Travail par 2 Consigne : «en utilisant les connaissances, regroupe les véhicules de toutes les séances dans le tableau en tenant compte de l'énergie d'entrée et de la source d'énergie» Le tableau est présenté et commenté. L'énergie a pour but de faire avancer le véhicule, quel que soit la forme d'énergie produite à l'entrée l énergie à utiliser c'est de l'énergie mécanique. Remarque : le nombre de lignes n'est pas donné. C'est aux élèves à classer les véhicules. Sources d'énergie Énergie produite Objet technique Énergie pour qui transforme faire avancer le l'énergie véhicule ou mettre en mouvement la machine Véhicules - machines Énergie mécanique Mise en commun 7 / 14

8 Lister toutes les sources d'énergie (colonne 1) Retrouver l'énergie produite à partir de la source d'énergie (proposition / justification) Renseigner la colonne 5 (véhicules - machines) se mettre d'accord justifier sa réponse, si nécessaire vérifier. Véhicules à classer : train à vapeur / voiture / scooter / vélo / canoë / voilier / véhicule à panneaux solaires / voiture moteur Légo / draisienne / vélocipède / Grand Bi / tricycle / bicyclette / bicyclette avec dérailleur / bicyclette à assistance électrique / char romain / machine à vapeur de Watt / 2 CV / La «jamais contente» / Le vélocar / jouet de Ferdinand Verbiest Apport de l'enseignant : aider les élèves à trouver l'objet technique qui permet la transformation d'énergie Remarque : on décrit la transformation d'énergie et non plus le mécanisme de transformation du mouvement. Forme Véhicules d'énergie pour mettre en mouvement machines Sources d'énergie Forme d'énergie «Objet» produite technique où se transforme l'énergie Alimentation --> muscles de l'animal Énergie chimique char romain Alimentation --> muscles de l'homme Énergie chimique bicyclette ou vélo (avec ou sans dérailleur), vélocar, vélocipède, Grand Bi, draisienne, tricycle bicyclette à assistance électrique, canoë Bois ou charbon vapeur d'eau Énergie thermique (eau vapeur) chaudière Énergie mécanique machine à vapeur de Watt, train à vapeur, jouet de Ferdinand Verbiest Pétrole essence Énergie chimique moteur Soleil Énergie solaire panneaux Vent Énergie éolienne voile Énergie chimique Batterie, pile scooter, voiture, 2 CV véhicule à panneaux solaires voilier voiture Lego, La «Jamais contente» Prolongement : étudier un véhicule en mettant évidence toutes les transmissions de mouvements et les mécanismes (séquence de technologie) Synthèse de la séance 4 : Après avoir exploité sa propre force et celle des animaux (énergie musculaire), l homme a appris à exploiter les énergies contenues dans la nature, par exemple les vents (énergie éolienne), le soleil (énergie solaire), et des carburants (énergie thermique). Exemples de carburants : essence, charbon, bois. 8 / 14

9 ******** Séance 5 : les inventions Points du programme Partie historique : consolidation des connaissances sur les inventions Objectifs Savoir que les progrès techniques et scientifiques bouleversent les modes de transport (chemin de fer, ). Décrire les inventions et en déduire les usages qui en ont été faits et les progrès qu'elles ont permis. Déroulement Consigne : A quel moyen de transport peut-on relier ces inventions? Quelles sont les autres inventions qui ont découlé de celles-ci? Montrer les illustrations. Proposition / justification. Possibilité de demander d'écrire une phrase avant d'ouvrir le débat (impliquer tous les élèves dans la recherche) 1) La roue (3500 Av JC), la roue dentée ARCHIMEDE (2ème av JC) Invention liée à la transmission et transformation du mouvement et qui a permis d'utiliser l énergie (du char à la voiture) Progrès : faciliter le déplacement 2) L éolipyle d Héron d Alexandrie (1er siècle AP JC) : En chauffant l eau contenue dans la chaudière inférieure, la vapeur d eau formée donne en s échappant, un mouvement de rotation à la sphère. Invention liée à l'utilisation et à la transformation d'énergie (machine et véhicule à vapeur) 9 / 14

10 Progrès : utiliser l'énergie, inventer des machines pour aider les hommes 3) L effet photovoltaïque (1839 A. Becquerel) : conversion de l énergie lumineuse en électricité. Invention liée à l'utilisation et à la transformation d'énergie (énergie solaire en énergie électrique) Progrès : utiliser l'énergie solaire, source inépuisable (?) + développement durable 4) La pédale (1860) Pierre Michaux : la force musculaire est transmise par l'intermédiaire des pédales et de la transmission aux roues du vélo. Invention liée à la transformation du mouvement et qui a permis d'utiliser l énergie de l'homme (vélo, voiture à pédales) Progrès : faciliter le déplacement 5) Le pétrole (1859 Drake) : la découverte du pétrole remonte à l antiquité mais c est le 27 août 1859 que E Drake a produit du pétrole en forant pour la première fois. Invention liée à la recherche de sources d'énergie, indispensables pour faire fonctionner les machines sans utiliser l'énergie de l'homme ou de l'animal (voiture, scooter.) Progrès : construire de plus en plus de machines. 6) La dynamo industrielle (1869) de GRAMME (courant continu) et H. FONTAINE (1873) moteur électrique : transforme l énergie mécanique en énergie électrique. 10 / 14

11 Invention liée à l'utilisation et à la transformation d'énergie Progrès : utiliser l'énergie, améliorer le confort des hommes (éclairage, chauffage) 7) Le pneu (1887 Dunlop) : Après avoir fait breveter son invention, John Boyd DUNLOP fonde en 1889 la première manufacture de pneumatiques. Édouard et son frère André Michelin inventent un nouveau système de pneu avec chambre à air, qui est breveté en 1891). L ECLAIR est la première voiture sur pneus (1895) Invention liée à la transformation du mouvement et qui a permis de mieux utiliser toutes les énergies (vélo, voiture ) Progrès : faciliter le roulement de la roue 11 / 14

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