Dossier Pédagogique La Fontaine et le Héron Sommaire Objectifs... 2 Un peu d histoire... 2 Déroulement de la séance... 3 Premier défi... 3 Deuxième défi... 5 Troisième défi... 8 Astuces pour un meilleur fonctionnement de la fontaine.... 10 Autres expériences ayant un lien avec l air où l eau... 11 Kévin Fauvre La Rotonde CCSTI Loire et Saint Etienne Page 1
Objectifs Eveiller aux sciences. Favoriser la coopération. Développer l imaginaire. Parvenir à formuler ses idées, ses remarques, à communiquer en groupe. Comprendre qu une bouteille «vide» contient de l air. Comprendre que l eau et l air «prennent de la place». Approcher la notion de pression. Comprendre le rôle des joints dans ce type de construction. Utiliser la démarche expérimentale. Utiliser et réaliser des schémas. Manipuler. Responsabiliser. Un peu d histoire Ingénieur, mécanicien et mathématicien grec du Ier siècle après J-C, Héron d'alexandrie, connu également sous le nom d'héron l'ancien, est à l'origine de nombreuses inventions dont le premier distributeur automatique payant d eau, les premiers automates, les premières portes automatiques, la première machine à rendre les oracles (escroquerie) et une fontaine automatique. 1 La fontaine de Héron, Exemplaire du lycée Carnot, Paris Kévin Fauvre La Rotonde CCSTI Loire et Saint Etienne Page 2
Déroulement de la séance Premier défi «Faire sortir de l eau d une bouteille sans toucher la bouteille et sans la percer» Objectifs spécifiques à ce défi : o Prise de connaissance du matériel. o Comprendre que l entrée d air entraîne une augmentation de la pression de l air dans la bouteille et donc la sortie de l eau. Matériel nécessaire : 1 bouteille (bouchon percé à deux endroits), 2 pailles droites. Schéma : Kévin Fauvre La Rotonde CCSTI Loire et Saint Etienne Page 3
Que se passe-t-il? o Pour la solution de gauche (schéma) : Lorsque l on souffle dans la bouteille, de l air entre dans cette dernière ce qui entraîne une augmentation de la pression de l air à l intérieur de la bouteille. Il y a donc un déséquilibre entre la pression au sein de la bouteille et la pression atmosphérique. Si la bouteille ne contient pas d eau, le retour à l équilibre se fait par une sortie d air de la bouteille par la deuxième paille. Si la bouteille contient de l eau et que le niveau d eau se situe au-dessus de la base de la seconde paille, le retour à l équilibre se fait par une sortie d eau de la bouteille par cette même paille. Si la bouteille contient de l eau mais que le niveau d eau se situe en-dessous de la base de la seconde paille, le retour à l équilibre se fait par une sortie d air de la bouteille par cette dernière. o Pour la solution de droite (schéma) : Dans cette solution, la sortie de l eau est due à la remontée des bulles d air créées lors du souffle et non pas à la pression. Kévin Fauvre La Rotonde CCSTI Loire et Saint Etienne Page 4
Deuxième défi «Faire sortir de l air d une bouteille sans souffler!» Matériel supplémentaire : 1 bouteille (bouchon percé 1 fois), 1 paille coudée, 1 bouchon percé 1 fois, 1 ballon, 1 potence. Objectifs spécifiques à ce défi o Prise de connaissance du pistolet à colle chaude, de son utilisation, des consignes de sécurité et des dangers liés au non respect de ces dernières. o Comprendre le rôle des joints. o Comprendre que l entrée d eau entraîne une augmentation de la pression de l air dans la bouteille et donc la sortie de l air. Remarque : il est nécessaire de couper la partie inférieure de la bouteille associée au bouchon percé 1 fois afin de pouvoir la remplir. Schéma : Kévin Fauvre La Rotonde CCSTI Loire et Saint Etienne Page 5
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Que se passe-t-il? Lorsque l eau entre dans la bouteille N 2, cela entraîne une augmentation de la pression de l air à l intérieur de la bouteille. Il y a donc un déséquilibre entre la pression au sein de la bouteille et la pression atmosphérique. Le retour à l équilibre se fait par une sortie de l air contenu dans la bouteille par la deuxième paille. Kévin Fauvre La Rotonde CCSTI Loire et Saint Etienne Page 7
Troisième défi «Fabriquer une fontaine marchant toute seule!» Matériel à retirer : le bouchon percé une fois et le ballon de baudruche associé. Matériel supplémentaire : 1 bouteille (bouchon percé 2 fois), 3 pailles coudées, 1 paille droite, un objet permettant de surélever la bouteille N 3 (exemple : boîtes d œufs). Objectifs spécifiques à ce défi : o o Comprendre le fonctionnement de la fontaine. Comprendre pourquoi la fontaine ne fonctionne pas (si c est le cas). Remarque : il est nécessaire de percer une deuxième fois le bouchon de la bouteille N 1. Kévin Fauvre La Rotonde CCSTI Loire et Saint Etienne Page 8
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Que se passe-t-il? o On amorce la fontaine en versant de l eau dans la bouteille n 1. o L eau passe de la bouteille n 1 à la bouteille n 2 à l aide des pailles rouge et violette o En rentrant dans la bouteille n 2, l eau entraîne une augmentation de la pression de l air à l intérieur de la bouteille. Il y a donc un déséquilibre entre la pression au sein de la bouteille et la pression atmosphérique. Le retour à l équilibre se fait par une sortie d air de la bouteille n 2 vers la bouteille n 3. (défi 2) o En entrant dans la bouteille n 3, L air entraine une augmentation de la pression de l air à l intérieur de la bouteille. Il y a donc un déséquilibre entre la pression au sein de la bouteille et la pression atmosphérique. Le retour à l équilibre se fait par une sortie d eau de la bouteille n 3 vers la bouteille n 1 o Et le circuit recommence à partir du point n 2. La fontaine s arrêtera de fonctionner lorsque le niveau de l eau de la bouteille n 3 descendra en dessous de la paille jaune. A ce moment là il suffira alors d inverser les bouteilles n 2 et n 3 (ou de vider la bouteille n 2 dans la bouteille n 3) et de réamorcer la fontaine. Astuces pour un meilleur fonctionnement de la fontaine. Dans les bouchons, faire des trous d un diamètre adapté : trop petits, ils abîmeront la paille ; trop grands, ils seront difficiles à boucher. Avoir une très bonne étanchéité au niveau des bouchons : pour cela il faut être sûr que le matériau utilisé bouche bien tous les trous. En cas d utilisation d un pistolet à colle chaude ou de cire de bougie, penser à mettre du scotch autour des pailles (voir le schéma) afin d éviter de les faire fondre. A l aide d une paire de ciseaux, faire une petite fente à l extrémité de l une des pailles pour que l emboitement des pailles soit plus facile. Pour permettre une meilleure étanchéité, mettre du scotch au niveau de la jonction (voir le schéma). Penser à mettre les bouteilles à des hauteurs différentes. Kévin Fauvre La Rotonde CCSTI Loire et Saint Etienne Page 10
Autres expériences ayant un lien avec l air où l eau Ci-dessous quelques expériences et reportages liés à l eau ou l air. Ces liens vous dirigeront vers des vidéos de la Boîte à Bidouilles, expériences scientifiques que vous pouvez réaliser très facilement à la maison ou en classe, ou de Carbone 42, le magazine des sciences dans la Loire. Le ludion : http://r2sciences42.com/bidouille-le-ludion Des roseaux pour filtrer l eau : http://r2sciences42.com/une-station-d-epuration-avecdes Comment dévier un filet d eau? http://r2sciences42.com/bidouille-comment-devierun-filet Le vortex : http://r2sciences42.com/bidouille-le-vortex Comment fabriquer une fontaine : http://r2sciences42.com/la-boite-a-bidouilles- Comment L Airzooka : http://r2sciences42.com/la-boite-a-bidouilles-airzooka Kévin Fauvre La Rotonde CCSTI Loire et Saint Etienne Page 11