Service pédagogique :

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1 Service pédagogique : Contactez Isabelle Roux de 9h à12h et de 14h à 18 h du lundi au vendredi inclus. Mel. pedagogie@citedelamer.com Tel Fax Gilles Chaffangeon, professeur de Sciences physiques Mis à disposition au service pédagogique de La Cité de la Mer. Mel. gilles.chaffangeon@ac-caen.fr Tel Fax

2 INTRODUCTION, OBJECTIFS : ATELIER SOUS-MARIN POUSSEE D'ARCHIMEDE L'atelier sous-marin est basé sur l'utilisation d'une maquette de sous-marin et a pour objectif de faire comprendre à des élèves de classes de collèges et lycées la signification du principe d'archimède. Il peut être associé à une visite de La Cité de la Mer de Cherbourg, au sein de laquelle une part importante de l exposition permanente est consacrée aux sous-marins : histoire, technique de construction, principe de fonctionnement, simulateurs de pilotage. La visite du «REDOUTABLE», ancien sous-marin nucléaire (128 m de long, 10 m de diamètre) permet de replacer les problèmes de flottabilité dans leur contexte industriel. L'atelier sous-marin s adresse essentiellement à des élèves de classes de 3 ème et de seconde, mais peut également être exploité par d autres classes (lycées professionnels, enseignement supérieur ) dans le cadre d une thématique sur les forces et mouvements. La démarche pédagogique consiste à énoncer le principe d'archimède dès le début de la séance et à proposer aux élèves des expériences permettant de comprendre le sens de cette loi physique. En effet l'énoncé du principe lui-même est relativement complexe, ou du moins difficilement compréhensible par un élève dont les connaissances en sciences physiques sont sommaires et pour lequel les notions de force, poids et masse ne sont pas totalement maîtrisées. Outre l'aspect compréhension, la manipulation présentée doit amener l'élève à déterminer quantitativement l'intensité de la poussée d'archimède. Cet atelier permet donc d'impliquer une équipe pluridisciplinaire d'enseignants : Sciences physiques : énoncé et vérification du principe d'archimède Sciences de l'ingénieur ou technologie : réalisation de la maquette Mathématiques pour le calcul des volumes D'autre part la manipulation peut amener l'élève à réfléchir sur plusieurs démarches pour arriver à un même résultat : détermination d'un volume de façon purement mathématique ou à partir d'expériences simples.

3 PRINCIPE DE L'ATELIER SOUS-MARIN : L'atelier repose principalement sur l'utilisation d'une maquette de sous-marin, réalisée à l'aide de matériaux et de matériels faciles à se procurer dans le commerce et peu onéreux. La base principale est constituée de tubes et raccords en matières plastiques (PVC gris et méthacrylate de méthyle transparent) utilisés dans l'industrie du bâtiment. Une photographie de la maquette, d'une longueur totale d'environ 65 cm, est donnée cidessous : Les deux tubes transparents constituent les ballasts du sous-marin. Au moyen d une pompe à eau réversible, extérieure à la maquette, on peut soit remplir les ballasts avec de l'eau, soit au contraire extraire l'eau des ballasts pour les remplir d air. Un peson à affichage numérique permet de déterminer la masse de la maquette et d'en déduire son poids. - Mise en évidence de la poussée d'archimède : Après avoir rempli les ballasts d'eau, l'élève compare le poids du sous-marin dans l'air et dans l'eau. La différence entre les deux poids doit amener l'élève à conclure que l'eau a une action sur la maquette. - Quantification de la poussée d'archimède : L'énoncé du principe d'archimède amène à se préoccuper de la détermination du volume de la maquette. Deux démarches sont alors envisageables et proposées aux élèves : La méthode basée sur le calcul mathématique du volume, en assimilant les différentes parties du sous-marin à des cylindres. La méthode expérimentale qui consiste à immerger totalement la maquette dans un bac rempli préalablement avec de l'eau et à mesurer le volume d'eau obtenu par débordement, du fait de l'immersion. Il est également fait allusion, dans le principe d'archimède, au "poids du volume de liquide déplacé". Ceci doit amener l'élève à se poser la question de la détermination du poids de l'eau dont le volume correspondrait à celui du sous-marin. Là également, deux méthodes sont possibles : Prélèvement d'un volume d'eau exactement équivalent à celui de la maquette et pesée de ce volume d'eau.

4 Détermination expérimentale de la masse volumique de l'eau (par prélèvement d'un volume connu d'eau et pesée) et calcul du poids d'eau d'un volume équivalent à celui du sous-marin Les deux méthodes peuvent être utilisées en parallèle, le résultat obtenu étant évidemment sensiblement le même. Détermination de la condition d'équilibre : Après que le principe d'archimède ait été démontré, un prolongement intéressant peut être de se préoccuper des conditions de flottabilité d'un sous-marin : l'élève peut vérifier expérimentalement que le sous-marin reste en équilibre si son poids est égal à la poussée d'archimède. REALISATION DE LA MAQUETTE DE SOUS-MARIN : Matériel nécessaire : a Un té réduit à 90 ( ) en PVC b Deux tronçons de tube transparent en Altuglass DN 90, longueur 230 mm i d h g f c Deux bouchons femelle PVC DN 90 d Un bouchon femelle PVC DN 50 e Deux tronçons de tube PVC DN 40, longueur 250 mm f Un tronçon de tube PVC DN 50, longueur 70 mm g Quatre disques de plastique rigide de diamètre 90 mm percés à 40 mm au centre h 500 ml de mousse expansive i Environ 1 m de tube à air comprimé (Rilsan par exemple) de diamètre 8mm j Deux raccords laiton en té pour tuyau Rilsan de 8 mm k Barre, ou billes, ou morceaux d'acier (lest) de masse totale 1,4 kg c b a e j c b e k

5 Le coût total est d'environ 90 TTC, sachant qu'une partie de ce matériel peut être récupérée (disques en plastique rigide, tuyau Rilsan, raccords à air comprimé, acier ) A cette liste il convient de rajouter : - Une pompe réversible et son alimentation en 12 V, d'un coût total approximatif de Un peson à affichage digital, portée 10kg, prix : 50 Le prix de revient global est donc de l'ordre de 200 TTC. Le schéma en coupe de la maquette est donné sur la figure ci-dessous. La réalisation peut être l'objet d'un travail pratique réalisé en classe par un groupe d'élèves. Les différents éléments peuvent être assemblés par simple emboîtement, ou éventuellement collés à la colle pour PVC. Les parties creuses (embouts et partie centrale) sont remplies de mousse expansive, afin d'éviter les entrées d'eau. Arrivée d'air Arrivée d'eau Le lest, représenté en gris sur le schéma, est réparti de manière symétrique dans les deux tubes centraux (DN 40) et une barre d'acier est vissée sous la partie centrale, servant ainsi de quille. EXPLOITATION PEDAGOGIQUE : L'atelier sous-marin consiste en une séance de manipulations, la séquence ayant une durée d'1 heure 30 minutes. La démarche pédagogique adoptée consiste à énoncer dès le départ le principe d'archimède et de proposer aux élèves d'en expliciter les différents termes par une série d'expériences. La suite du document (pages 6 à 12) est en fait le livret remis à l'élève. Il comporte tout d'abord une partie énoncé du principe d'archimède et description de la maquette de sous-marin.

6 Quatre activités sont ensuite proposées : - Activité 1 : Détermination de la poussée d'archimède. - Activité 2 : Détermination du volume du sous-marin, par le calcul et expérimentalement. - Activité 3 : Détermination du poids d'eau correspondant au volume du sousmarin, par pesée et par détermination de la masse volumique de l'eau. - Activité 4 : Condition de flottabilité. Les différents résultats obtenus au cours de l'atelier sont rassemblés sur le documentréponse, pages 11 et 12. A partir de ce document-réponse, le professeur de sciences physiques reviendra sur l'énoncé du principe d'archimède et pourra donner une représentation vectorielle des forces correspondant au poids et à la poussée d'archimède.

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