Les leviers - C3. Pour le maître :

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1 Les leviers - C3 Pour le maître : Ce module propose des activités pédagogiques dont l objectif est de comprendre que la mise en rotation d un solide par une force de grandeur donnée se fait plus ou moins efficacement selon la distance entre l axe de rotation et l endroit où s applique cette force. À travers ces exemples, nous souhaitons illustrer l intérêt et la complémentarité d approches relevant de disciplines différentes : recherche d un principe général s appliquant dans différents contextes (dispositifs techniques, monde du vivant) ; constructions ; recherche d une solution technique ; étude de mécanismes. Ainsi, pour soulever un objet donné, peut-on, à la limite, utiliser une force aussi petite qu on veut, pourvu qu on utilise un levier assez grand. «Donnez-moi un point d appui : je soulèverai le monde» disait Archimède trois siècles avant notre ère. Mais en contrepartie, on constate aussi que l on soulèvera l objet moins haut. Ce dernier aspect, tout à fait général, a une grande importance théorique car il est en rapport avec le principe de conservation de l énergie. Savoirs à construire : Être capable de prévoir ou d interpréter qualitativement quelques situations d équilibre, en particulier lorsque les forces qui s appliquent ne sont pas à égale distance de l axe. Être capable d utiliser pour ce faire les deux propriétés suivantes : une même force a plus d effet sur la rotation si elle est appliquée à une plus grande distance de l axe ; une grande force a plus d effet qu une petite force si elle est appliquée à la même distance de l axe. Commentaires : C est à travers des réalisations effectives et concrètes que s exerce la réflexion des élèves. Exemples possibles : fabrication d une grue et équilibre de la flèche ; fabrication et équilibre d un mobile, fabrication ou utilisation de pinces, de leviers Étude de leur efficacité Comment démarrer ce travail? : Les deux premières étapes introduisent l idée de levier à partir d une situation vécue (soulever le bureau de l enseignant) et de l évocation des travaux réalisés par l homme avant l invention des machines motorisées (pyramides égyptiennes par exemple). Comment poursuivre ce travail? : Les balances, la notion d équilibre Partant de la situation classique de l enfant qui veut se balancer avec un adulte (plus grand, plus lourd), on pourra proposer aux élèves de réinvestir leurs connaissances sur les leviers. (Où placer le pivot de la balancelle? Avec un pivot fixe, où placer l adulte et où placer l enfant?). À l issue de ce travail, on pourra proposer la fabrication d une balance romaine constituée d une tige suspendue par un anneau en un point proche d une extrémité. On cherchera à

2 faire l équilibre entre une charge accrochée à l extrémité et un contrepoids (boule de pâte à modeler, rondelles ) que l on fera coulisser le long de la tige à l aide d un trombone. Matériel : Celui contenu dans la mallette en prêt au centre de ressource : Une bûche, un manche de pioche, un arrache-clous, divers pinces, pincettes, paires de ciseaux, casse-noix, coupe- pain, agrafeuse ou perforatrice, balance Roberval, une boîte avec des écrous, des godets identiques, des réglettes de bois de 30cm de long, des pivots pour les réglettes A fournir par le maître : Un bureau ou une caisse à soulever Des gommettes de trois couleurs différentes Une brouette (facultatif) Proposition de progression : Etapes Question(s) de départ Objectif(s) Activités conduites avec les élèves Etape 1 Comment tirer le VTT de cette fâcheuse position? Lancer l activité sous forme de défi Faire émerger les différentes représentations Recherche d une solution individuellement Synthèse des propositions Tri des propositions dites simples ou complexes Etape 2 Comment soulever le bureau de la maîtresse sans mal? -> en utilisant un procédé simple Comment soulevait-on des charges autrefois? Confronter des propositions Faire justifier les choix Introduire la notion de levier Analyser un document historique Mettre en place une terminologie Recherche d une solution en groupe en réinvestissant un procédé simple Représentation graphique Analyse et compréhension d un document visuel Identification des différentes parties des dispositifs ( bras de levier- point d appui ) Expérimentation avec la barre à mine Etape 3 Comment réduire l effort à l aide d un levier? Faire découvrir grâce au tâtonnement les différentes variables sur lesquelles on peut agir : place du pivot, place de la charge, longueur du bras de levier Transposition d une situation dans une modélisation : utilisation d écrous pour représenter la charge et la force Exploration expérimentale du principe de levier

3 Comment réduire l effort à l aide d un levier? Lors d une deuxième séance : Faire manipuler à partir de 3 situations proposées avec contraintes Structurer les connaissances et tirer les règles de fonctionnement Manipulation guidée en groupe Vérification en grand groupe avec matériel adapté des observations Synthèse écrite- formulation des lois Etape 4 Y a-t-il des leviers dans les objets? Faire rechercher des leviers dans d autres situations Faire réfléchir à l utilisation optimale de ces objets -> transposer et réinvestir les concepts liés à la réduction de l effort Observation et manipulation d objets techniques Tri d objets comportant ou non des leviers Identification des différentes parties Compréhension du fonctionnement Identification des différentes fonctions des objets ayant des leviers Etape 5 Quelles sont les similitudes et les différences dans ces objets avec leviers? Faire repérer les positions relatives du point d appui ou pivot (A), de l endroit ou s exerce la force (B), de celui où se situe la charge ou ce qui résiste (C) Identification des différentes parties Schématisation des dispositions relatives Tri d objets par «familles»

4 Annexe comportant des copies des documents du cahier d expériences et d observations pour chacune des étapes Etape N 1 : Comment tirer le VTT de cette fâcheuse position? Document distribué aux élèves pour le lancement de l activité. Il sera rempli individuellement avant une mise en commun des propositions. Recueil et tri des propositions des élèves d une classe :

5 Etape N 2 : Comment soulever le bureau de la maîtresse sans mal? -> en utilisant un procédé simple On élimine les procédés proposés dans la deuxième colonne ci dessus, considérés comme impossibles à l école Recherche puis Relevé des différentes propositions des groupes. Montage avec toutes les solutions proposées par les groupes de la classe Comment soulevait-on des charges autrefois? Document donné pour permettre une réflexion sur le problème. Il sera complété par les élèves. Ensuite, un code couleur sera mis en place : le bras de levier sera colorié en bleu ou violet et le pivot en vert

6 Demande de transposition de la situation (soulever le bureau de la maîtresse) sur un schéma La bonne disposition du pivot et du levier n est pas encore acquise

7 Ecrit de synthèse en fin de séance : Etape n 3 : Comment réduire l effort à l aide d un levier? Transposition d une situation dans une modélisation Les élèves comprennent qu un levier permet de réduire l effort à condition d agir sur les grandeurs pertinentes. Matériel Pour les élèves : Un godet contenant dix masses identiques (représentées ici par des écrous) est fixée à l une des extrémités d une réglette d environ 30 cm.elle symbolise la charge à soulever. Un second godet et l élastique qui permet de le fixer sont également préparés, mais la boîte n est pas fixée sur la règle : ce sera aux élèves de le faire et d éprouver l effet de la distance au pivot. Pour le maître : Des règles ou des baguettes plus grandes à proposer aux groupes ayant terminé leur première exploration. Le maître présente le matériel On imagine un monde miniature où les petits hommes ne peuvent pas soulever plus d un écrou à la fois. En utilisant le matériel fourni, ils doivent réussir à soulever une boîte en contenant dix. Le maître s assure que les élèves perçoivent correctement la correspondance entre les éléments de la vraie machine et ceux de la maquette.

8 Les élèves font leurs premières expériences à l aide des écrous supplémentaires qu ils mettent dans la deuxième boîte. Ils sont encouragés à essayer de nombreuses manières de procéder par des questions incitatives : «Peux-tu réussir en utilisant moins d écrous?» «Est-ce possible de faire monter la charge plus haut?» «Où as-tu fixé la seconde boîte? As-tu essayé de la fixer plus près ou plus loin?» Il est important que les élèves éprouvent, à travers les expériences qu ils réalisent, l influence de différents paramètres (position du pivot, position de la boîte contenant les écrous qu ils ajoutent) ainsi que leurs conséquences (augmentation ou réduction du nombre d écrous nécessaires, hauteur d élévation). 3 situations problèmes sont ensuite proposées aux élèves N 1 C :10 écrous A : au milieu du levier- fixe B et C : fixés aux extrémités du levier Comment soulever la charge (C)? N 2 C : 10 écrous B et C : fixés aux extrémités du levier Comment soulever la charge C avec moins de 10 écrous? C : 10 écrous A : au milieu du levier fixe N 3 Comment soulever la charge C avec moins de 10 écrous?

9 Remarques libres notées par un groupe : Ecrit de synthèse, réalisé collectivement en fin de séance après avoir réalisé collectivement les manipulations à l aide d un matériel plus volumineux (latte de plancher, bûche - les écrous sont remplacés par des cahiers de classes tous identiques)

10 Etape N 4 : Y a-t-il des leviers dans les objets? Il s agit de réinvestir les connaissances acquise sur le principe du levier et de partir à la «chasse aux leviers» dans les objets du quotidien. Cette fiche est d emblée proposée individuellement aux élèves. Suit une manipulation d objets : coupe pain, brouette, casse noix, ciseaux, ouvre boîte, décapsuleur, arrache clous. Cette manipulation permettra aux élèves de ressentir les endroits de résistance, d appui ; ceux où la force à exercer est la plus efficace. Remplissage des deux fiches suivantes :

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12 Etape N 5 : Selon la fonction de l objet, repérer les positions relatives du pivot, du point d appui et de l endroit où la force s exerce Un premier document de synthèse est élaboré (avec des étiquettes à coller). Il s agit de regrouper les objets par «famille» selon qu ils permettent d équilibrer, de soulever, de couper, casser, porter

13 Puis à l aide de gommettes, on matérialise selon un code le pivot ou point d appui (gommette verte) l endroit où s exerce la force (gommette bleue) et la charge ou la résistance (gommette rouge). Cette matérialisation permet aux enfants de visualiser l organisation des éléments les uns par rapport aux autres et les variations possibles.

14 Prolongements possibles : Comment fabriquer une maquette de pont - levis? Faire réinvestir un principe dans une situation nouvelle : où fixer l attache du fil sur la passerelle? Les élèves imaginent et réalisent une expérience destinée à montrer qu il est plus facile de soulever la passerelle en fixant les fils loin de l axe de rotation. Les élèves mettent en relation les activités menées dans les diverses séances et reconnaissent sous des habillages différents un principe commun qu ils formulent de manière plus généra l: une même force a plus d effet sur la rotation si elle est appliquée à une plus grande distance de l axe ; une grande force a plus d effet qu une petite force si elle est appliquée à la même distance de l axe.

15 Y a-t-il des leviers dans les organismes vivants? Le principe du levier intervient également dans le monde du vivant où il convient de mettre en évidence sa présence. L enseignant constatera toutefois une certaine difficulté pour les élèves à isoler le mécanisme de base du levier au sein d un organisme vivant complexe, il devra les aider à établir la schématisation nécessaire. Lorsqu il s agit par exemple de réfléchir aux points d attache des tendons sur les os, de nombreux élèves commettent des erreurs. Un travail complet sur le rôle des muscles dans le mouvement au niveau des articulations nécessite plusieurs séances. Documents pouvant être utilisés pour une Evaluation

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