Cycle 3 : Ateliers sur l eau et ses propriétés. Domaine : Niveau : Cycle 3 Objectifs : Emettre des hypothèses et les vérifier Rappels sur l influence de la forme et de la masse de l objet sur la flottabilité. Notion de densité. Influence de la densité du liquide. Influence de l eau (un objet immergé ne devient pas plus léger, c est l eau qui le pousse vers le haut) : Notion de poussée d Archimède. Technologie : construction d un sous marin, c est à dire d un objet pouvant successivement flotter ou couler. Descriptif : Le but de cette fiche est de proposer une progression type sur la notion de flottabilité et la poussée d Archimède. Les premières expériences réalisées à l école des sciences traiteront de l influence de la masse, de la forme des objets, de la densité de l eau et de la poussée d Archimède sur la flottabilité. Ces mêmes notions seront revues en classe pour dégager les notions à acquérir et réinvesties par la conception et la fabrication d un objet technique (sous-marin). Ateliers sur l eau à l école des sciences Organisation : petits groupes (groupes de 4à 6 élèves) ateliers tournants Durée : 2 h à 3h Matériel : pour les ateliers à l école des sciences - bacs en plastique, - ficelle, - balance de Roberval avec poids, - boîtes vides de pellicules photos, - sel, - pailles, - billes, - pâte à modeler, - bouteilles en plastique (33 ou 50 CL), - bouchons en liège - bouteilles en plastique (1,5 L) - Fiche de route pour atelier et questionnaire (1 par élève à fourni par l enseignant pour construire le sous marin: - bouteilles en plastique (1,5 L) - bouteilles en plastique (33 ou 50 CL) - élastiques - clous - tuyau transparent Progression proposée Séance pouvant être réalisée en classe au préalable : Rappel rapide sur des objets qui flottent ou qui coulent. Hypothèses faites sur la flottabilité d un objet (dépend de la masse et de la forme. Après avoir choisi différents objets, les élèves tenteront d établir une liste de ce qui va flotter ou couler. L enseignant leur fera exprimer les critères qu ils prennent en compte (c est lourd, léger, plat, ).
Dans chaque atelier, les élèves vérifieront leurs prévisions en plongeant les objets choisis dans l eau et établiront un nouveau classement. On peut ensuite commencer à émettre quelques hypothèses sur les conditions de flottabilité (masse, forme). On peut aussi prendre des objets étonnants. Par exemple, une orange flotte mais si on l épluche, elle coule Ateliers à l école des sciences 1-Influence de la masse de l objet sur la flottabilité. Deux objets de même forme mais de masses différentes n ont pas la même flottabilité. 2- Influence de la forme de l objet sur la flottabilité. Deux objets de même masse n ont pas forcément la même flottabilité. Cela dépend de leur forme. 3- Influence de l eau sur la flottabilité (notion de poussée d Archimède) L eau a une influence sur un objet immergé. Elle pousse vers le haut tout objet qu elle reçoit. (2 expériences) 4- Influence de la densité du liquide. Un objet flotte plus facilement dans l eau salée que dans l eau douce. 5- L eau liquide idéale pour la mise en évidence de l air. L air exerce une force sur l eau et l eau permet de voir l air car dans l eau la présence d air se manifeste par des bulles. Séances à poursuivre en classe : - Séance 2 (en classe) : rappel sur les notions dégagées après chaque atelier à l école des sciences Influence de la masse de l objet sur la flottabilité Influence de la forme de l objet sur la flottabilité -Séance 3 (en classe) : rappel sur les notions dégagées après chaque atelier à l école des sciences Influence de l eau sur la flottabilité (notion de poussée d Archimède) Influence de la densité du liquide -Séance 4 (en classe) : travail sur le questionnaire - Séance 5 : Construction d un sous-marin C est à dire d un objet pouvant successivement flotter ou couler Prolongements possibles : Fiche technique du sous-marin, propulsion (mécanique ou électrique), construction de bateaux + propulsion... Séance 1 (à l école des sciences) : ateliers tournants Déroulement : Chaque groupe d élèves disposera d un bac rempli d eau. Les activités des paragraphes 1 à 5 peuvent seront organisées en ateliers tournants avec une feuille de route à remplir par les élèves. Cette feuille permettra aux élèves faire des hypothèses sur ce qu il pense qu il se passera puis d observer ce qu il se passe vraiment pour chaque expérience. 1) Influence de la masse de l objet sur la flottabilité. Atelier 1 : Les boîtes flottent-elles toutes à la même hauteur? Matériel (par groupe) : 3 ou 4 boîtes vides de pellicules photos billes On demande aux enfants si deux objets de même forme mais de masses différentes flottent de la même façon.
Puis, après avoir constaté que les boîtes vides et bouchées flottent toutes de manière équivalentes, on demande aux élèves de réfléchir à une expérience où ils pourront comparer la flottabilité d objets de même forme mais de masses différentes. Les enfants rempliront les boîtes d un certain nombre de billes et compareront la flottabilité des boîtes suivant le nombre de billes (donc de la masse), ils dessineront ce qu ils constatent et l expliqueront. Discussion collective pour tenter d expliquer l expérience, la flottabilité d un objet dépend de sa masse. Pour un objet de même forme et de même matière, nous constatons que plus sa masse est importante plus il coule. 2) Influence de la forme de l objet sur la flottabilité Atelier 2 : Peux- tu faire flotter la pâte à modeler? Matériel (par groupe) : pâte à modeler feuille de papier On constate dans un premier temps que le morceau de pâte à modeler coule et que la feuille de papier (posée à plat sur la surface de l eau) flotte. Puis on demandera aux élèves de faire flotter la pâte à modeler et de faire couler la feuille. Les élèves devront aplatir la pâte à modeler (en relevant les bords) et la poser à plat sur la surface de l eau, et faire pénétrer la feuille de papier dans l eau par la tranche. Discussion pour tenter d expliquer l expérience : la flottabilité d un objet ne dépend pas que de sa masse mais aussi de sa forme et de la surface de pénétration dans l eau. Les bateaux flottent, bien qu ils soient très lourds. 3) Influence de l eau sur la flottabilité (notion de poussée d Archimède) Ateliers 3 : La bouteille enfoncée Matériel (par groupe) : balance avec poids 1 bouteille plastique (33 ou 50 cl)
Si des objets flottent, est-ce que c est parce qu ils deviennent plus légers dans l eau, ou est-ce l eau qui exerce une action sur ces objets? L eau n agit-elle que sur les objets qui flottent? Les enfants immergent une petite bouteille vide et bouchée puis la lâchent. La bouteille est alors vivement propulsée vers le haut. Dans cet atelier les enfants dessinent et expliquent ce qu ils pensent qu il va se passer si on immerge une bouteille vide et bouchée dans un bac rempli d eau. Ils réalisent l expérience et expliquent ce qu ils ont constaté et pourquoi. Discussion collective : l eau exerce une force du bas vers le haut pour un objet qui flotte. Atelier 4 : La balance et l objet plongé dans l eau Les élèves réalisent l équilibre de la balance selon le dessin ci-dessous. Que va-t-il se passer si on plonge l objet suspendu au plateau dans un bac rempli d eau. Les élèvent dessinent ce qu ils pensent qu il va se passer puis réalisent l expérience. Ils observent l évolution de l équilibre lorsqu on plonge le poids dans un récipient rempli d eau. Discussion collective : L eau exerce aussi une poussée de bas en haut sur les objets qui coulent. L eau a une influence sur un objet immergé. Elle pousse vers le haut tout objet qu elle reçoit. Cette action de l eau s appelle la poussée d Archimède. Attention : ne pas laisser croire aux enfants que les objets deviennent plus légers dans l eau. C est l eau qui les repousse vers le haut, comme le fait tout support solide, et cette action compense le poids de ces objets. 4) Influence de la densité du liquide Atelier 5 : eau salée / eau pure Matériel (par groupe) : pâte à modeler
1 bouteille plastique remplie d eau douce 1 bouteille plastique remplie d eau salée 1 paille On leste la paille avec la pâte à modeler pour fabriquer un densimètre. Puis on plonge le densimètre successivement dans la bouteille d eau douce et dans la bouteille d eau salée. Les enfants font un schéma de leurs observations et arrivent à la constatation qu un objet flotte plus facilement dans l eau salée que dans l eau douce. Aborder la notion de densité d un liquide. L eau salée est plus dense que l eau douce. Les molécules du mélange eau sel sont moins espacées entre elles et opposent une résistance plus forte à la pénétration du solide. 5) L eau liquide idéale pour la mise en évidence de l air Atelier 6 : Présence et existence de l air Matériel (par groupe) :1 petite bouteille plastique vide sans fond 1 flotteur ( ex :bouchon en liège) Par cette expérience mettre en évidence dans l eau que les espaces couramment qualifiés de «vide» sont remplis d air. Que se passe-t-il si on immerge une bouteille d eau sans fond au dessus d un bouchon qui flotte dans un bac? Les élèves dessinent et écrivent ce qu ils croient qu il va se passer et réalisent l expérience. Ils font un schéma de ce qu ils ont observés et recherche une explication. Si je retire le bouchon de la bouteille immergée que va-t-il se passer? Ils expliquent ce qui va se passer en argumentant. L expérience est réalisée. Discussion collective : la bouteille est remplie d air et si je l immerge au dessus d un bouchon, ma ligne d eau est plus basse dans la bouteille que dans le bac. L air prend la place de l eau. Si j ouvre la bouteille je vois des bulles sortir de la bouteille et le niveau d eau monté dans ma bouteille. L air s échappe de la bouteille et l eau prend sa place. Séance 2 (en classe) : rappel sur les notions dégagées après chaque atelier à l école des sciences Influence de la masse de l objet sur la flottabilité Influence de la forme de l objet sur la flottabilité
Refaire en collectif les expériences des ateliers 1 et 2 et s assurer que les élèves ont bien compris que la flottabilité d un objet dépend de sa masse et de sa forme. Pour le questionnement collectif, l enseignant s appuiera sur la feuille de route remplie par les élèves à l école des sciences et le questionnaire en annexe comme trame. (Ce questionnaire sera rempli par les élèves à la séance 4). Séance 3 (en classe) : rappel sur les notions dégagées après chaque atelier à l école des sciences Influence de l eau sur la flottabilité (notion de poussée d Archimède) Influence de la densité du liquide Même déroulement que séance 2 pour les expériences des ateliers 3,4 et 5. Séance 4 (en classe) : Distribution du questionnaire en fin de document aux élèves qui doivent le remplir individuellement puis correction. (La correction est la trace écrite de tout ce qu on a appris). Ce document peut servir d évaluation. Séance 5 : Construction d un sous-marin Matériel (par groupe) : 1 bouteille plastique (33 ou 50 cl) 1 bout de tuyau transparent (Ø = 6 mm, l = 40 cm) 1 clou en acier (Ø = 5 mm, l = 15 cm) 2 élastiques L enseignant annonce que chaque groupe devra concevoir et réaliser un objet pouvant successivement flotter ou couler et amènera les élèves, soit par la discussion, soit par consultation de la documentation, à la solution du sous-marin. Après discussion (ou consultation de documents) sur le fonctionnement du sous-marin et en particulier sur la fonction de réservoirs qui se remplissent d air ou d eau (les ballasts), et après avoir pris connaissance du matériel disponible, chaque groupe imagine son modèle et passe à la conception en traçant un schéma. L enseignant passe dans les groupes et les conseille. Il serait sans doute intéressant de confronter les différents projets des groupes, les élèves expliquant pourquoi ils ont opté pour telle ou telle solution, les autres disant en quoi elle leur paraît bonne ou mauvaise. Il faut percer des trous dans la bouteille (partie basse) pour qu elle puisse se remplir d eau et utiliser le tuyau pour lui amener de l air. Le clou permet de lester la bouteille, favoriser son immersion et l empêcher de se retourner. Bibliographie : Ouvrages généraux, albums : La baignoire d Archimède, S. Ortoli, N. Witkowski, Seuil (Petite mythologie pleine d histoires d expérimentations) Qui flotte? Qui nage?, G. Solotareff, Hatier
Ce qui flotte, J. Zaton & J. Gaban, coll. Savant en herbe, Gamma Les effets de l eau, J. Zaton & J. Gaban, coll. Savant en herbe, Gamma Comment la mer devint salée, Livres documentaires (source : La main à la pâte) : Les sous-marins, Christophe Maynard Un galion au téléobjectif, Grisewood & Dempsey Un galion au XVIème siècle, R. Humble & M. Bergin Les plus beaux voiliers du monde, Olivier Puget Les voiliers en activité, Karl-Heinz Wieland L aventure sur les mers, Eric Kentley Aventure sur les mers, Laurence Ottenheimer Drôles de rames, P. Varaud & J-A. Arques De mémoires bateaux, Richard Humble Livres sciences et technologie : Les sciences dès la maternelle, D. Chauvel & V. Michel, Retz La science, J. Hann, coll. Guide pratique jeunesse, Seuil Méli Mêl eau, coll. Voyage en Cyclopédie, Épigones Le grand livre des expériences, collectif, éd. Usborne Sites internet : CNDP : http://www.cndp.fr La main à la pâte : http://www.inrp.fr/lamap voir notamment les activités sur l eau et sur les mélanges et solutions Séquence d école : http://www.chez.com/ecolemarsac/ludion.htm Séquence sur la construction d un ludion Site sciences circonscription : http://pole-sciences-25-circ.scola.ac-paris.fr À visiter : CITÉ DES SCIENCES L Argonaute : histoire des sciences http://www.cite-sciences.fr MUSÉE DE LA MARINE Visite possible avec guide http://www.musee-marine.fr