Cette séquence permettra aux élèves de comprendre que nombre d’outils qu’ils utilisent au quotidien pour faciliter leurs travaux en faisant moins d’effort sont des machines simples construites suivant le principe de l’équilibre des forces ou de l’effet de rotation d’un solide autour d’un axe produit par des forces. Ils découvriront également que la conception de machines plus complexes ne date pas d’aujourd’hui et qu’elle a progressivement révolutionné l’artisanat pour conduire à l’industrie moderne.
Les forces et leurs applications : Les machines simples et le mouvement perpétuel⚓
Présentation de la séquence et documents à télécharger⚓
Compétence(s) ciblée(s)
Compétence 1 : Explorer les phénomènes naturels et les objets techniques à l’aide d’outils et de démarches caractéristiques des sciences expérimentales.
Composante 1b – Niveau visé : application
Observer, mesurer, décrire et expliciter le fonctionnement de phénomènes naturels et d’objets techniques à l’aide d’un vocabulaire scientifique et technique et par l’usage d’instruments d’observation et de mesure, de l’infiniment grand à l’infiniment petit.
Composante 1c – Niveau visé : application
Mettre en œuvre une démarche expérimentale par la formulation d’hypothèses, la définition et la mise en œuvre de stratégies d’exploration simples, le choix d’instruments d’observation et de mesure adaptés, la réalisation d’expériences, la formalisation des résultats obtenus et leur confrontation aux hypothèses émises.
Compétence 2 : Appréhender les phénomènes naturels et le comportement des objets techniques par le biais des représentations, de la modélisation et du langage mathématique.
Composante 2a – Niveau visé : acquisition.
Lire, interpréter, exploiter et produire des dessins d’observation, plans, schémas fonctionnels, diagrammes, courbes et tableaux de données se référant à des phénomènes naturels ou des objets techniques.
Composante 2c – Niveau visé : application.
Utiliser un modèle formalisé issu des sciences expérimentales et effectuer des calculs simples pour expliciter et/ou prévoir un phénomène naturel ou le fonctionnement/comportement d'un objet technique.
Compétence 3 : Se situer et agir en citoyen ou citoyenne responsable, dans un souci d’enrichissement, de préservation et de protection de la vie sociale, de la santé et de l’environnement.
Composante 3a – Niveau visé : acquisition
Exercer un regard curieux et adopter une attitude exploratoire face au monde qui l’entoure et responsable face à son propre corps, en faisant preuve d’une distance critique et d’une capacité d’analyse et d’interprétation des informations qui lui sont soumises.
Composante 3d – Niveau visé : application
Apprendre à l’école et en dehors de l’école, puis tout au long de sa vie, par le biais de la documentation accessible in situ et en ligne, de ses expériences individuelles et des interactions avec les membres de sa communauté, notamment en vue de découvrir les métiers et activités professionnelles qui lui correspondent parmi celles qui l’entourent.
Savoirs, savoir-faire, savoir-être/attitudes à acquérir
Présenter les œuvres et inventions de Léonard de Vinci à l’aide de recherches réalisées sur le web.
Identifier des dispositifs de la vie courante qui facilitent certains travaux en aidant à exercer moins d’effort afin de définir la notion de machine simple.
Comprendre le fonctionnement de différents types de machines simples (poulie, treuil, leviers, plan incliné, grue) et les relier aux machines de Léonard de Vinci.
Construire une grue artisanale en utilisant une poulie simple, un treuil artisanalement fabriqué et le matériel approprié.
Savoir ce que l’on nomme « mouvement perpétuel » et qu’il est impossible de le réaliser.
Sur la base de l’analyse d’une « machine à mouvement perpétuel » trouvée sur le web, expliquer quelles idées ont présidé à sa conception et pourquoi elle ne peut en réalité pas fonctionner.
Développer sa curiosité dans l’observation des phénomènes naturels et artificiels où s’exercent des forces afin de les questionner et de chercher à mieux les comprendre.
Remettre en question des informations qui s’opposent aux connaissances scientifiques.
Prérequis
NB. À noter que les prérequis de la séquence 1 font partie intégrante de ceux de cette séquence 2.
Savoir :
Expliquer qu’une force peut provoquer la rotation d’un objet par rapport à un axe et que cet effet de rotation traduit le moment de la force ;
Citer plusieurs exemples de la vie courante où une force produit un moment, entraînant éventuellement la rotation d’un objet par rapport à un axe ;
Que le moment d’une force par rapport à un axe est orienté et que sa valeur dépend de l’intensité de la force et de la distance de cette force à l’axe de rotation ;
Qu’un objet peut être en équilibre sous l’action de deux moments contraires produits par deux forces opposées.
Stratégie d’enseignement-apprentissage
Approche socio-constructiviste reposant sur une réflexion en commun relative aux propriétés observées des objets apportés de la maison.
Approche phénoménologique (construction d’une « intuition » des phénomènes observés).
Respect de l’autonomie des élèves et de leur goût pour les activités à réaliser afin de développer chez eux le sens de la créativité.
Modalités
Activités de recherche et partage d’informations
Mise au point et réalisation de manipulations
Travail en classe entière et en petits groupes
Exploitation de documents appropriés
Devoirs à la maison
Découpage en séances
[FACULTATIF : ### à compléter ou à supprimer ### ] minutes par séance
Séance (Titre et durée) | Thème, place dans la séquence et très brève description |
séance 5 Les machines simples autour de nous et leur importance (1 h) | Guidés par l’enseignant, les élèves comprennent qu’ils utilisent habituellement plusieurs dispositifs qui facilitent leurs travaux en les aidant à exercer moins d’effort : les « machines simples ». |
séance 6 La grue, deux machines simples combinées (1 h) | Sous la supervision de l’enseignant, les élèves étudient le fonctionnement des machines simples et travaillent à la construction de nouveaux dispositifs par la combinaison de ceux qu’ils utilisaient déjà. |
séance 7 À la découverte des machines de Léonard de Vinci et du mouvement perpétuel (2 h) | En faisant des recherches sur internet, les élèves découvrent les machines de Léonard de Vinci et établissent leur relation avec les machines simples étudiées dans la séance précédente. Ils cherchent à savoir ce qu’on entend par « mouvement perpétuel » et réfléchissent à la conception d’un dispositif pouvant permettre d’obtenir un tel mouvement. |
séance 8 Evaluations (2 h) | Cette séance est intégralement réservée aux évaluations (sommative du point de vue des contenus et formative du point de vue des compétences) de la séquence qu’elle conclut. |
Support et matériel
Je n'ai pas trouvé la fiche « exercices et expérience »
Fiches (documents élèves) :
Fiche exercices et expérience - Machines simples et Construction grue
Fiche documentaire : Léonard de Vinci, œuvres et inventions
Fiche documentaire : Mouvement perpétuel
Manuel de sciences physiques (livre de classe), si existant pour ce nouveau programme
Modalités d’évaluation :
Evaluation initiale (diagnostique) :
Sous la supervision de l’enseignant, les élèves s’organisent en petits groupes pour discuter autour de questions relatives aux prérequis sur les forces et le poids, leurs effets, leurs caractéristiques et leurs représentations, suivies de questions posées à l’enseignant. Les questions posées peuvent toutefois l’être sous forme de QCM, de schémas à produire et d’explications précises à donner.
Evaluation continue (formative) :
L’enseignant organise régulièrement des activités d’évaluation formative, soit à la fin d’une séance, soit au début de la suivante. Il propose à chaque élève différents types d’exercices : « vrai ou faux », « questions à trous », « QCM », « listes de termes à classer », production de schémas, d’explications à donner, etc. dont des exemples sont proposés dans les pages qui suivent. Il s’autorise toutefois une certaine latitude et flexibilité de manière à organiser ces activités en fonction de sa perception de la progression des élèves et en n’oubliant pas d’axer ses évaluations sur le développement de compétences et pas seulement sur l’acquisition de connaissances désincarnées.
Evaluation finale (bilan) et critères/indicateurs de réussite :
Première partie
Effectuer les 3 exercices suivants.
Exercice 1 :
Choisir la (ou les) bonne(s) réponse(s), en argumentant si nécessaire. On pourra faire preuve d’inventivité dans les réponses, pour autant qu’elles soient pertinentes.
Esther est au laboratoire de physique. Elle a un morceau de métal compact entre ses mains.
Elle aimerait connaitre son poids. Alors elle utilise :
a) une balance ; b) un dynamomètre ; c) un multimètre ; d) un ampèremètre.
Elle voudrait soulever cet objet à l’aide de poulie en exerçant sur l’extrémité libre d’une corde une force légèrement supérieure à la moitié du poids. Elle choisit :
a) une poulie mobile ; b) un système de 8 poulies ; c) une poulie fixe.
Elle veut faire monter l’objet en le glissant sur un plan. Pour exercer une force assez faible, elle se dit que le plan doit être :
a) vertical ; b) de grande inclinaison ; c) de faible inclinaison.
NB pour l’enseignant : Si l’élève donne les réponses b et a à la question 1 de l’exercice 1, en expliquant comment il trouve le poids à partir de la mesure fournie par la balance, il est suggéré de lui attribuer un point supplémentaire. En revanche, s’il ne donne que la réponse a (et pas la b), et ceci sans explication, il est suggéré de considérer sa réponse comme fausse. Pour tous les cas intermédiaires à ces deux options extrêmes, l’appréciation de la réponse est laissée à la compétence de l’enseignant.
Exercice 2 :
Pour expliquer à une camarade la différence entre les trois catégories de leviers suivant la position du point d’appui, de la force motrice et de la force résistante, Anne choisit un casse-noix, un coupe-ongle et une pince à épiler.
a) Ses trois choix sont-ils corrects ?
b) Pour chacun des leviers choisis, identifier le levier inter-appui, le levier inter-résistant et le levier inter-moteur. Justifiez votre réponse à chaque fois.
Exercice 3 :
En devoir à la maison, vous avez tenté de fabriquer un objet qui se meut le plus longtemps possible. Avez-vous pu obtenir un mouvement perpétuel à partir de cet objet ?
Expliquer en quelques phrases les raisons théoriques de cette observation expérimentale.
Deuxième partie
Construction d’une grue simple (travail de groupe)
En second lieu, chaque élève fera partie d’un groupe qui aura à travailler sur la construction d’une grue artisanale, en fabriquant un treuil à associer à une poulie simple suivant une fiche préparée et présentée par l’enseignant.
Evaluation des savoir-faire relatifs à la construction de la grue simple.
Les critères pour l’évaluation de la réalisation de chaque groupe sont les suivants :
Niveau de conception / compréhension et explication :
Niveau 1 : Très insuffisant
Niveau 2 : Insuffisant
Niveau 3 : Partiellement maîtrisé
Niveau 4 : Maîtrisé
Niveau 5 : Dépassé
Niveau de conception | Niveau de développement |
|---|---|
Niveau 1 : Le groupe de l’élève n’arrive pas à fabriquer un treuil | |
Niveau 2 : Le groupe de l’élève a réussi à fabriquer un treuil qui fonctionne. | |
Niveau 3 : Le groupe de l’élève a pu associer la poulie et le treuil pour construire la grue qui ne fonctionne pas correctement | |
Niveau 4 : Le groupe de l’élève est arrivé à faire fonctionner la grue correctement. | |
Niveau de compréhension et d’explication | Niveau de développement |
Niveau 1 : Le groupe de l’élève est arrivé à expliquer le fonctionnement d’un treuil. | |
Niveau 2 : Le groupe de l’élève est arrivé à expliquer pourquoi certains treuils ne fonctionnent pas. | |
Niveau 3 : Le groupe de l’élève a compris comment fonctionne une poulie simple. | |
Niveau 4 : Le groupe de l’élève est arrivé à expliquer le fonctionnement de la grue. | |
Niveau 5 : Le groupe de l’élève est arrivé à analyser et expliquer pourquoi certaines grues ne fonctionnent pas correctement. |
Troisième partie
Évaluation formative des compétences (grille en annexe).
Prolongements éventuels
Observations et recherches supplémentaires à faire à la maison.
Exercices à faire à la maison et à présenter au cours suivant.
Analyse des fiches documentaires et visualisation de vidéos.
Différenciation et adaptation aux élèves à besoins éducatifs particuliers
L’enseignant propose des tâches plus simples aux élèves en difficulté afin de relever leur niveau pour leur permettre de mieux appréhender les notions et les phénomènes qui paraissent difficiles à comprendre. Ces tâches, qui peuvent être des exercices, des activités d’observation ou de manipulations, des constructions de schémas… sont données en fonction de la nature des difficultés des élèves.
NB. Ces activités peuvent également être réalisées pour les élèves sans besoins particuliers, qui peuvent en profiter également.
Mise au point pour l’enseignant
Contenus
À travers cette séquence, il s’agit de faire découvrir aux élèves qu’il existe autour d’eux des objets conçus, fabriqués et construits par l’homme où il exploite les principes d’équilibre dans des systèmes complexes comme la conception de certaines machines, la fabrication des machines simples, la construction d’édifices, des ponts, etc.
En classe de 8e année fondamentale, pour étudier les œuvres et inventions de Léonard de Vinci et le mouvement perpétuel, il est important de donner des activités de recherches sur internet aux élèves, d’organiser des expositions d’images et de photos, puis de réaliser des activités de débats sur les informations obtenues à partir des recherches.
NB : Il serait préférable de fournir aux élèves des activités de recherches dirigées en leur proposant des liens internet pour éviter qu’ils ne s’y perdent.
On abordera avec les élèves toutes ces notions de façon purement phénoménologique par la réalisation de différentes manipulations et de simples constructions de schémas pour expliquer le fonctionnement de certains objets en rotation, mais en évitant tout calcul.
À ce niveau on évitera les formules, les calculs et les constructions géométriques complexes.
On évitera également de manipuler en l’absence de l’enseignant tout ce qui pourrait paraître dangereux pour les élèves dans les activités à réaliser.
Méthodes
On évitera l’emploi d’un langage trop technique à ce niveau, privilégiant un langage simple et qualitatif afin de faciliter la compréhension intuitive des phénomènes par les élèves.
Il est conseillé de donner aux élèves des activités à faire à la maison en prélude aux notions qui seront étudiées à chaque séance ultérieure.
On encouragera les élèves à s’entraider lorsqu’ils travaillent en équipe.
Lors de cette première séquence du thème (mais également tout au long de l’année), on pensera à valoriser les efforts et les idées des élèves, même lorsqu’elles ne sont pas tout à fait correctes, pour les encourager et les stimuler à participer au cours et leur donner confiance en leurs capacités à apprendre les sciences.
Séance 5. Les machines simples autour de nous et leur importance⚓
Supports et matériel
Fiche : Les machines simples.
Affiches avec des images de machines simples et de leurs applications
3 vidéos sur : Roues et Poulies – Leviers – Plan incliné
Manuel de sciences physiques (livre de classe), si existant pour ce nouveau programme
Déroulement de la séance
Etape | Durée | Ce que fait l’enseignant | Ce que fait l’élève |
|---|---|---|---|
Temps 1 Evaluation et correction | 10 min | Après avoir distribué les copies relatives à l’évaluation de la séquence précédente, l’enseignant écoute les remarques des élèves et fait la correction au tableau avec leur participation. La correction a permis de faire un rappel sur le dernier cours. | Les élèves prennent connaissance de l’appréciation de leurs copies, présentent leurs remarques et participent à la correction. |
Temps 2 Les machines simples dans notre quotidien Exposition d’images de machines simples Réalisation des activités de la fiche sur les machines simples | 25 min | L’enseignant demande à la classe de lui citer tous les instruments ou moyens qu’ils utilisent pour se déplacer ou soulever, transporter, découper ou déplacer des objets. Il rappelle aux élèves le cas de l’enfant qui ne pouvait pas soulever le bloc et leur demande quel outil il aurait pu utiliser pour déplacer ou soulever le bloc. L’enseignant écoute et inscrit leurs réponses au tableau puis, avec l’aide des élèves, accroche des images des machines simples, distribue la fiche sur les machines simples et demande à la classe, par groupe de 3 ou 4, d’effectuer l’exercice 1 de la fiche. En supervisant leur travail, l’enseignant discute avec les élèves et inscrit au tableau les réponses aux questions de l’exercice. Ensuite, il invite la classe à passer observer les images affichées pendant 5 minutes afin d’effectuer l’exercice 2 de la fiche. L’enseignant indique que tous ces instruments utilisés pour faciliter un travail sont des machines simples. Puis il demande à la classe de citer les différentes machines simples présentées dans les affiches et la fiche, et d’essayer de formuler une définition des machines simples. À partir des propositions de définitions, l’enseignant écrit au tableau la définition suivante : « Une machine simple est un dispositif comportant peu de pièces, qui permet de réduire la force nécessaire à l’accomplissement d’un travail ». Il reprend l’expérience de l’enfant et, à partir des images observées, il repose la même question pour vérifier les réponses données précédemment. Il conclut avec la classe que l’enfant pouvait utiliser un « pied de biche » pour déplacer le bloc sur le sol, « un palan » pour le soulever afin de le déposer dans « une brouette » pour le transporter. | Les élèves essaient de répondre en citant tout ce qui leur passe par la tête. Les élèves discutent entre eux et avec l’enseignant pour répondre aux questions de l’exercice 1 de la fiche. Ils prennent connaissance du fait que tous ces instruments qu’ils ont l’habitude d’utiliser sont des machines simples, essaient d’en donner une définition et prennent note de la définition écrite au tableau. |
Temps 3 Lecture de 3 vidéos sur les machines simples | 20 min | L’enseignant invite les élèves d’abord à lire soigneusement les questions du deuxième exercice de la fiche, et ensuite à regarder attentivement les vidéos sur les machines simples pour pouvoir répondre en même temps à ces questions. | Les élèves lisent avec attention les questions, prennent connaissance des vidéos en essayant en même temps de répondre aux questions de l’exercice 2. |
Temps 4 Conclusion de la séance, consolidation des acquis et activités à faire à la maison | 5 min | Après avoir demandé à certains élèves de donner les réponses trouvées, l’enseignant résume le cours sur les machines simples. En guise de devoirs à la maison, il distribue la fiche sur la construction d’une grue, demande à chacun de réfléchir sur cette activité de construction et identifie ceux qui doivent apporter le matériel adéquat. | Les élèves présentent les réponses qu’ils ont trouvées, puis participent au résumé de la séance. Ils prennent connaissance de l’activité de construction de la grue. |
Production attendue
Il est attendu que l’élève :
identifie les différents types de machines simples et leurs applications ;
comprenne l’importance des machines simples ;
arrive à utiliser convenablement une machine simple ;
définisse une machine simple.
Trace écrite pour l’élève
Une machine simple est un dispositif comportant peu de pièces qui permet de réduire la force nécessaire à l’accomplissement d’un travail.
Parmi les machines simples, on peut citer formellement : la roue, le plan incliné, les leviers ; on peut également ajouter le treuil comme un quatrième type de machine simple.
La poulie est une application de la roue. Elle est définie comme une pièce circulaire mobile autour d’un axe et comportant une rainure ou gorge dans laquelle se déplace une corde.
Le levier est une pièce rigide qui pivote sur un point fixe appelé point d’appui ou pivot.
Le plan incliné est une surface plane et rigide ayant une certaine inclinaison par rapport à l’horizontal.
Le plan incliné permet de soulever ou d’abaisser différentes charges en les faisant glisser le long du plan au lieu de les soulever ou de les abaisser directement.
Plus la pente du plan est faible, moins la force à exercer est grande.
Le treuil est un appareil de levage composé d'un cylindre que l'on fait tourner sur son axe (le tambour) et autour duquel s'enroule une corde ou un câble.
Évaluation et régulation
Exercice 1
Classer dans le tableau les applications ci-dessous suivant les types de machines simples proposés, en inscrivant chaque numéro dans la case correspondant.
Le pied de biche ;
Le casse-noix ;
La brouette ;
La poulie ; L’agrafeuse ;
Le coin ;
La pince coupante ;
La rampe ;
Le décapsuleur ;
La crosse de hockey ;
Les escaliers ;
La pince à épiler ;
La vis ;
Les systèmes d’engrenages ;
Le tournevis à tête plate ;
Le couteau de cuisine ;
Le palan ;
La balançoire (bascule).
Roue | Plan incliné | Levier |
|---|---|---|
NB : Cette évaluation sera effectuée au début de la séance n° 5.
Si le niveau de l’élève par rapport aux éléments évalués est « Insuffisant », soit moins de 3 sur 5, il est conseillé à l’enseignant d’investiguer et d’échanger avec lui pour comprendre d’où viennent ses difficultés (cognitives, attentionnelles, familiales, etc.) en vue d’y remédier plus efficacement.
Éléments de remédiation
Si, à travers les évaluations, un élève a souvent des hésitations dans ses réponses ou donne fréquemment des réponses incorrectes, il est probable qu’il ait besoin de remédiation.
L’enseignant propose à l’élève des notions de base à revoir et des exercices plus faciles, en découpant les apprentissages en étapes plus simples et en donnant des exercices de difficulté intermédiaire.
Si, à travers les évaluations, un élève a souvent des hésitations dans ses réponses ou donne fréquemment des réponses incorrectes, il est probable qu’il ait besoin de remédiation.
L’enseignant propose à l’élève des notions de base à revoir et des exercices plus faciles, en découpant les apprentissages en étapes plus simples et en donnant des exercices de difficulté intermédiaire.
Dans le cas des classes pléthoriques, l’enseignant peut réhabiliter l’enseignement mutuel en demandant à un élève qui a compris d’aider un élève qui n’a pas compris (tout en promettant comme récompense à l’élève-aide le même surplus de note de l’élève en difficulté s’il s’améliore lors du prochain test).
Séance 6. La grue, deux machines simples combinées⚓
Supports et matériel
Supports :
Fiche : Construction d’une grue ;
Manuel de sciences physiques (livre de classe), si existant pour ce nouveau programme.
Matériel :
Poulies et porte poulie, ciseaux, agrafeuse, coupe d’ongle, décapsuleur, camion de pompier (jouet), support de bobine cylindrique, tige de fer ce construction (3/8e), corde, clou, marteau, scie, planche, playwood, etc.
Déroulement de la séance
Etape | Durée | Ce que fait l’enseignant | Ce que fait l’élève |
|---|---|---|---|
Temps 1 Evaluation et correction | 15 min | En continuité avec la séance précédente, l’enseignant demande aux élèves de se mettre en groupe de deux ou trois pour effectuer l’exercice d’évaluation prévu, qu’il distribue par groupes. Il supervise le travail de groupe et, après 10 minutes, il demande de partager les réponses trouvées et corrige l’exercice au tableau. | Les élèves, par groupes, effectuent l’exercice et partagent les réponses trouvées entre eux en participant à la correction avec l’enseignant. |
Temps 2 Fonctionnement des machines simples | 25 min | L’enseignant, en plénière, appelle les élèves par groupes de deux pour étudier le fonctionnement des machines simples avec la classe. Il demande à deux élèves de faire fonctionner la poulie avec l’agrafeuse comme charge à soulever, puis de comparer les forces et les distances en jeu. Il réalise aussi l’expérience d’une poulie mobile, puis d’un système d’une poulie fixe et d’une poulie mobile. Avec deux autres élèves, il étudie devant la classe les trois types de leviers en utilisant des ciseaux, un décapsuleur et une agrafeuse pour montrer comment ces instruments fonctionnent et les différentes positions du point d’appui, de la force motrice et de la force résistante. Cela lui permet de préciser que les ciseaux constituent un levier inter-appui, le décapsuleur un levier interrésistant, et l’agrafeuse un levier inter-moteur. Ensuite, il demande à deux autres élèves d’empiler des livres sur le bureau et d’utiliser une planche pour former un plan incliné. Les élèves font monter le camion de pompier sur la pente en la tirant à partir de la ficelle, tout en variant l’angle d’inclinaison afin d’étudier le fonctionnement du plan incliné, de comparer les forces en jeu et l’influence de la raideur de la pente c’est-à-dire de l’angle d’inclinaison. Enfin, l’enseignant dessine un treuil au tableau et explique son fonctionnement en comparant le rayon de la manivelle et celui du tambour, de même que des distances et des forces mises en jeu. Il pose quelques questions à la classe, répond à celles des élèves et conclut sur le fonctionnement des machines simples. | Des groupes d’élèves, deux par deux, devant la classe, accompagnent l’enseignant pour étudier le fonctionnement des machines simples en réalisant diverses manipulations. |
Temps 3 Projet de construction d’une grue | 15 min | L’enseignant invite les élèves à prendre la fiche sur la construction de la grue pour étudier la conception et la réalisation de cet outil. Avec la classe, il a débattu de l’exécution du projet à réaliser par groupe de 4 ou 5 et à remettre dans 8 jours. Il présente éventuellement quelques matériels qui pourrait être utilisés en laissant aux élèves la possibilité d’utiliser du matériel qu’ils trouveront eux-mêmes (il se propose bien sûr de les assister dans cette recherche). Ensuite il explique comment fabriquer le treuil et monter la grue et répond aux inquiétudes des élèves. | Les élèves, à l’aide de la fiche sur la construction de la grue, discutent avec l’enseignant sur la réalisation du projet. |
Temps 4 Conclusion de la séance, consolidation des acquis et activités à faire à la maison | 5 min | En fin de séance, l’enseignant présente les activités de recherche à faire à la maison. Il construit 6 groupes pour la distribution du travail de recherche suivant :
Il demande à chaque groupe de choisir un rapporteur qui présentera son travail à la classe et indique que la note obtenue sera partagée par l’ensemble des élèves du groupe. | Les élèves prennent connaissance de l’activité de recherches à faire à la maison. |
Production attendue
Il est attendu que l’élève :
explique le fonctionnement des machines simples ;
différencie les trois types de leviers ;
comprenne l’influence de l’angle d’inclinaison d’un plan incliné lorsqu’on y fait monter un objet ;
arrive à définir et à concevoir une grue simple.
Trace écrite pour l’élève
Une poulie fixe est celle qui est attachée à un support ; elle ne se déplace pas.
La poulie fixe permet de modifier l’orientation de la force pour faciliter l’action mais ne diminue pas la force à appliquer. Alors la force F à appliquer pour soulever une charge est égale au poids P de la charge. Soit : F = P.
Une poulie mobile est celle qui se déplace en gré du mouvement de l’objet.
La poulie mobile permet de réduire de moitié la force à appliquer. Ainsi, la force à appliquer est pratiquement égale à la moitié du poids de la charge à soulever. Soit
En général, les leviers sont regroupés en 3 grandes catégories :
Le levier inter-appui où le point d’appui est situé entre la force motrice et la charge.
Le levier inter-résistant où la charge est située entre la force motrice et point d’appui.
Le levier inter-moteur où la force motrice est située entre la charge et le point d’appui.
Une grue simple est la combinaison d’un treuil et d’une poulie assemblés pour faciliter la montée et le déplacement de lourdes charges.
Évaluation et régulation
Exercice
Avec quelle(s) machine(s) simple(s) peut-on accomplir ces actions ?
Relier ou attacher ensemble plusieurs feuilles de papier.
Construire un système d’engrenages.
Enlever un clou fixé dans un morceau de bois.
Soulever des moteurs dans les garages de réparation d’automobile.
Fabriquer d’un toboggan permettant aux enfants de jouer en glissant.
Soulever de lourdes poutres sur les chantiers de construction de gratte-ciels.
Transporter du sable d’un point à l’autre sur un chantier de construction.
NB : Cette évaluation sera effectuée au début de la séance n° 5.
Si le niveau de l’élève par rapport aux éléments évalués est « Insuffisant », soit moins de 3 sur 5, il est conseillé à l’enseignant d’investiguer et d’échanger avec l’élève pour comprendre d’où viennent ses difficultés (cognitives, attentionnelles, familiales, etc.) en vue d’y remédier plus efficacement.
Éléments de remédiation
Si, à travers les évaluations, un élève a souvent des hésitations dans ses réponses ou donne fréquemment des réponses incorrectes, il est probable qu’il ait besoin de remédiation.
L’enseignant propose à l’élève des notions de base à revoir et des exercices plus faciles, en découpant les apprentissages en étapes plus simples et en donnant des exercices de difficulté intermédiaire.
Dans le cas des classes pléthoriques, l’enseignant peut réhabiliter l’enseignement mutuel en demandant à un élève qui a compris d’aider un élève qui n’a pas compris (tout en promettant comme récompense à l’élève-aide le même surplus de note de l’élève en difficulté s’il s’améliore lors du prochain test).
Séance 7. À la découverte des machines de Léonard de Vinci et du mouvement perpétuel⚓
Supports et matériel
Supports
Fiche : Léonard de Vinci et ses machines
Fiche : Le mouvement perpétuel, est-ce possible ?
Affiches avec des photos de machines de Léonard de Vinci et celles à mouvement perpétuel
Manuel de sciences physiques (livre de classe), si existant pour ce nouveau programme
Matériel
Tout matériel susceptible d’illustrer la notion de mouvement perpétuel (toupie, pendule, etc.) ainsi que le matériel nécessaire à la construction de la grue, de manière à fournir quelques pièces utiles aux groupes qui n’auraient pas encore suffisamment avancé.
Déroulement de la séance
Etape | Durée | Ce que fait l’enseignant | Ce que fait l’élève |
|---|---|---|---|
Temps 1 Evaluation et correction | 20 min | L’enseignant distribue à la classe les exercices d’évaluation prévus pour les séances 6 et 7. Il leur donne 10 minutes, il leur demande d’échanger leurs copies afin de réaliser une correction par les pairs pendant qu’il crée un échange entre les élèves en corrigeant les exercices en question au tableau. Il conclut en ordonnant de retourner les copies corrigées à ceux qu’ils appartiennent pour appréciation et réclamation. | Les élèves effectuent les exercices de l’évaluation, échangent les copies entre pairs et participent aux échanges donnant lieu aux corrections. Ils retournent ensuite les copies à leurs camarades |
Temps 2 Présentation des activités de recherches Débats autour des réalisations de Léonard de Vinci | 60 min | L’enseignant accroche devant la classe deux photos différentes de Léonard de Vinci et demande aux couples des élèves choisis dans la dernière séance de se préparer pour leur présentation. Il les invite tour à tour chaque couple d’élèves à faire leur présentation et anime un débat dans la classe après chaque présentation. Suite à l’applaudissement de la classe à la fin de chaque présentation et après l’ensemble des présentations, l’enseignant distribue une fiche dans la classe résumant succinctement la vie de Léonard de Vinci, ses sept œuvres les plus marquantes et ses dix inventions qui ont révolutionné l’histoire des techniques. Il guide la classe à travers la fiche pour continuer à comprendre le génie qui s’exprimait en Léonard de Vinci. | Les élèves par groupe de deux présentent leurs activités relatives à la vie, aux œuvres et aux inventions de Léonard de Vinci sous l’applaudissement de la classe. Les élèves reçoivent la fiche et prennent connaissance de ce génie qui s’exprimait en Léonard de Vinci. |
Temps 3 Expositions, observations et réflexions sur le mouvement perpétuel et les machines à mouvement perpétuel Présentation et débat autour du sujet | 30 min | Aidé par des élèves, l’enseignant accroche dans la classe des images et photos de machines dites à mouvement perpétuel. Il invite la classe à les observer pendant 10 minutes en leur demandant de réfléchir aux questions : « Qu’entend-on par « mouvement perpétuel » ? » ; « Est-il vraiment possible de fabriquer des machines pouvant rester en mouvement perpétuellement sans jamais s’arrêter ? » et « Existe-t-il des objets en mouvement perpétuel dans la nature ? » Ensuite, il invite les élèves choisis par groupe de deux à venir présenter leur sujet et anime une discussion après chaque présentation. A la fin des présentations et discussions, et sous l’applaudissement de la classe, il distribue une fiche sur le mouvement perpétuel pour conclure sur les raisons qui rendent impossible l’obtention d’une machine pouvant se mouvoir perpétuellement. | Les élèves observent les photos et réfléchissent aux questions posées par l’enseignant. Les élèves, par groupe de deux, présentent leur sujet et participent au débat sur le mouvement perpétuel pour comprendre que c’est un phénomène impossible à produire. |
Temps 4 Résumé de la séance et fin de la séquence | 10 min | Après avoir résumé la séance, l’enseignant demande aux élèves, comme devoir à la maison, de fabriquer eux-mêmes un objet qui se meut le plus longtemps possible avec l’intention de créer un mouvement perpétuel. Il rappelle à la classe que cette séance met fin à la séquence sur les équilibres du solide. Il conseille à chacun de réviser les notions étudiées pendant les séances de la séquence, aux groupes de terminer la construction de leurs grues pour être présentées à l’évaluation dans la prochaine séance. | Les élèves écoutent le résumé fait par l’enseignant, prennent note de la fabrication d’un objet en mouvement qui serait « perpétuel », des grues à terminer, des révisions à faire et de l’évaluation à préparer. |
Production attendue
Il est attendu que l’élève :
résume la vie de Léonard de Vinci ;
connaisse les sept œuvres marquantes et les 10 principales inventions de Léonard de Vinci ;
comprenne et définisse ce que l’on entend par "mouvement perpétuel" ;
explique les raisons qui rendent impossible la réalisation de machines à mouvement perpétuel.
Trace écrite pour l’élève
Le mot « perpétuel » signifie « qui dure indéfiniment, qui a lieu sans interruption, qui se renouvelle constamment ».
Le mouvement perpétuel désigne l'idée d'un mouvement qui serait capable de durer indéfiniment sans apport extérieur d'énergie ou de matière.
En réalité aucune machine ne peut être animée par un mouvement perpétuel, en raison des frottements qui produisent inévitablement des pertes d’énergie.
Ces pertes sont prises à l’énergie du mouvement de l’objet, car c’est le mouvement qui crée les frottements. En conséquence, l’objet ralentit et finit par s’arrêter.
La seule manière de construire un objet qui ne s’arrêtera pas est de l’alimenter constamment en énergie, comme dans le cas d’une montre à aiguilles, par exemple.
Dans la nature, certains mouvements sont considérés comme perpétuels, comme par exemple celui des planètes. En effet, ces mouvements génèrent très peu de frottements.
Toutefois, ces mouvements provoquent les déformations des astres, qui produisent tout de même des frottements imperceptibles, qui finiront par arrêter ces rotations après des milliards d’années.
Ainsi, même le mouvement des planètes autour des étoiles ne peut pas être qualifié de perpétuel.
Évaluation et régulation
NB : L’évaluation de la séquence sera effectuée au cours de la prochaine séance en deux temps :
Une première partie qui sera une évaluation écrite sur les notions étudiées ;
Une deuxième partie relative à l’évaluation de la grue construite où chaque groupe aura à présenter son projet.
Si le niveau de l’élève par rapport aux éléments évalués est « Insuffisant », soit moins de 3 sur 5, il est conseillé à l’enseignant d’investiguer et d’échanger avec l’élève pour comprendre d’où viennent ses difficultés (cognitives, attentionnelles, familiales, etc.) en vue d’y remédier plus efficacement.
Éléments de remédiation
Si, à travers les évaluations, un élève a souvent des hésitations dans ses réponses ou donne fréquemment des réponses incorrectes, il est probable qu’il ait besoin de remédiation.
L’enseignant propose à l’élève des notions de base à revoir et des exercices plus faciles, en découpant les apprentissages en étapes plus simples et en donnant des exercices de difficulté intermédiaire.
Dans le cas des classes pléthoriques, l’enseignant peut réhabiliter l’enseignement mutuel en demandant à un élève qui a compris d’aider un élève qui n’a pas compris (tout en promettant comme récompense à l’élève-aide le même surplus de note de l’élève en difficulté s’il s’améliore lors du prochain test).
Séance 8. Evaluation⚓
Déroulement de la séance
Etape | Durée | Ce que fait l’enseignant | Ce que fait l’élève |
|---|---|---|---|
Temps 1 Préparation et consignes relatives à l’évaluation finale | 5 min | L’enseignant annonce l’évaluation finale (décrite dans la partie introductive de la présente séquence – Evaluation 2e partie), répond aux questions des élèves et présente les consignes. | Les élèves posent des questions, écoutent les explications et les consignes. |
Temps 2 Evaluation (formative ou sommative) des contenus de la séquence | 45 min | L’enseignant distribue les textes d’évaluation. Il collecte les copies à la fin du temps règlementaire pour correction. Il affiche les exercices corrigés au tableau de la classe et invite les élèves à en prendre connaissance. | Les élèves passent l’évaluation puis remettent leurs copies à l’enseignant. |
Temps 3 Evaluation formative des savoir-faire relatifs à la construction de la grue | 60 min | L’enseignant présente à la classe la grille d’évaluation des savoir-faire relatifs à la construction de la grue. Il invite ensuite chaque groupe à présenter ses réalisations pendant 5 minutes, à manipuler la grue et à expliquer son fonctionnement. Il remplit en même temps une grille d’évaluation pour chaque groupe, puis, avec la classe, applaudit après chaque présentation et pose une ou deux questions de précision. | Les élèves cherchent à comprendre la grille d’évaluation. Chaque groupe présente son projet et répond éventuellement aux questions qui lui ont été posées. |
Temps 4 Evaluation formative des compétences (auto-évaluation de la part des élèves) | 15 min | L’enseignant distribue une grille d’auto-évaluation à chaque élève et leur donne les explications nécessaires pour bien remplir la grille. Le temps écoulé, l’enseignant ramasse les grilles complétées en promettant un feedback aux élèves. | Les élèves s’autoévaluent à partir de la grille. |