Grade Levels: Cycle 3, Cycle 4

Nombre de séances : 6

Dans ce parcours pédagogique sur les machines simples, les élèves apprennent les principes de fonctionnement des leviers, des roues, des plans inclinés et des poulies en s’appuyant sur des exemples concrets.

Students will:

  1. Comprendre le principe de fonctionnement de différentes machines simples.
  2. Distinguer les différents types de leviers.
  3. Comprendre l’intérêt des machines simples dans des cas concrets.

Materials:

  • Accès à Internet
  • Vidéo projecteur et ordinateur ou Tablettes IOS ou TBI/TNI
  • Photocopies des quiz imprimés BrainPOP sur les films du parcours
  • Planches de médium de 3m, de 2m et d’1m50
  • Dynamomètres (optionnel, selon âge des élèves)
  • Sac rempli de livres
  • Imprimer la la fiche activité BrainPOP pour la séance 3bis
  • Carton ondulé, cylindres cartonnés (boites de camembert, emballage gâteau apéritif, rouleau de papier hygiénique), attaches parisiennes (séances 5)
  • Photocopies des schémas de leviers (séance 3)
  • Poulies et corde (optionnel)

Vocabulary:

Force, travail, poulie, plan incliné, axe, levier, pivot, charge, force d’effort, force de résistance

Preparation:


Avoir visionné les films et avoir réalisé soi-même les petites expériences.

Lesson Procedure:

  1. Séance 1 : plan incliné (1H30)

    Situation déclenchante : (20 min)

    Nous allons apprendre comment fonctionnent des machines simples. Pour cela nous devons d’abord comprendre les notions de force et de travail, en physique.

    Qu’est-ce qu’une force en physique ? Qu’appelle-t-on le travail ?

    D'abord, de manière individuelle, les élèves remplissent les colonnes S et V de leur Tableau SVA.
    On pourra distribuer le Quiz imprimé de Force et Quiz imprimé de Travail pour aider les élèves à s’interroger.

    Hypothèses : (20 min)

    Mise en commun : recueil des représentations au tableau. Les élèves émettent des hypothèses sur les questionnements soulevés.

    Investigation : (15 min - classe entière)

    Leur montrer le film BrainPOP Force et le film BrainPOP Travail.

    Analyse et validation : (20 min)

    On reprend les questions posées et on y répond ; on vérifie ce qui a été dit dans la phase d’hypothèses. L’enseignant note au tableau les réponses. A présent, répondre au quiz préalablement distribué.

    Structuration : (15 min - individuel)

    Les élèves remplissent la dernière colonne de leur Tableau SVA (ce qu'ils ont appris).

    Séance 2 : plan incliné (1h20)

    Situation déclenchante : (5min - classe entière)

    On place un sac ou un carton rempli de livres en bas d’une fenêtre. On place une rampe de 2 mètres qui va du sol jusqu’à la fenêtre. Faudra-t-il plus de force pour soulever le sac à la verticale jusqu’à la fenêtre ou pour le glisser en haut de la rampe jusqu’à la fenêtre ?

    Hypothèses : (10 min - en groupe)

    Discussion.

    Et avec une rampe de 1m50 ? de 3m ? Est-ce plus facile ?

    Investigation : (20 min - groupe)

    Expérimentation avec une planche de 3m puis de 2m puis de 1m50.

    On pourra utiliser un dynamomètre pour être précis et mesurer les forces (collège) ou bien se contenter du ressenti des élèves (école).

    Analyse et validation : (30 min - classe entière)

    On échange sur les expériences menées. Quelles sont les observations et conclusions de chaque groupe ? ⇒ Force différente et pourtant travail identique ⇒ Relation entre force exercée, inclinaison et longueur du plan incliné

    Leur montrer le film BrainPOP Force et le film BrainPOP Plan incliné puis on répond au quiz interactif.

    Structuration : (15 min - individuel)

    Copie sur le cahier de sciences du compte-rendu d’expérience et de la leçon sur les plans inclinés mettant en évidence l’intérêt du plan incliné (même travail mais moins de force) et comment la force évolue avec l’inclinaison.

    Séance 3 : leviers

    Situation déclenchante : (5min - classe entière)

    Sur un polycopié, schématiser différentes situations de leviers avec une planche ou le pivot peut être centré ou décalé d’un côté ou de l’autre. On varie également les positions de Thomas et Moby. Le distribuer aux élèves.

    Questionnement : Thomas et Moby sont sur une balançoire. Moby est trois fois plus lourd que Thomas. Vous devez entourer les situations ou Thomas « soulève » Moby.

    Hypothèses : (20min - groupe)

    Les élèves échangent en groupe pour trouver la ou les solutions au problème posé.

    Investigation : (5 min - classe entière)

    Leur montrer le film BrainPOP Leviers.

    Analyse et validation : (30 min - groupe)

    Les groupes peuvent modifier leurs réponses.

    Puis, mise en commun en classe entière avant de répondre en classe entière au quiz interactif.

    Structuration : (15 min - individuel)

    Les élèves copient la leçon expliquant les notions d’effort, de pivot et de charge ; l’intérêt de l’utilisation d’un levier, et les trois types de levier.

    Séance 3 bis : (45 min - groupe)

    Sur la fiche activité BrainPOP de leviers et objets usuels, les élèves doivent placer le pivot(P), la charge (C) et l’effort (E) et indiquer de quel type de levier il s’agit. On pourra apporter un maximum de ces objets en classe pour que les élèves puissent les manipuler en remplissant leur fiche.

    Correction



    Séance 3 : roues et axes

    Situation déclenchante : (5min - classe entière)

    Pourquoi les camions et les bus ont-ils des volants plus grands que les voitures ?

    Hypothèses : (10min - classe entière)

    Les élèves émettent des hypothèses qu’ils confrontent.

    Investigation : (10min - classe entière)

    Leur montrer le film BrainPOP Roue et axe.

    Analyse et validation : (30min - classe entière)

    Qu’arrive-t-il à Moby dans le film ?

    Au début il n’arrive pas à faire tourner l’axe, pourquoi ? Comment réussit-il finalement ?

    Quel lien faites-vous avec notre question du début sur la taille du volant ?

    Pourquoi Thomas dit que les roues sont des leviers rotatifs ? ⇒ Plus un véhicule est lourd, plus ses roues sont difficiles à tourner. Un grand volant nécessite une force moins grande mais les bras font un mouvement plus ample. Comme pour le bras du levier, plus le diamètre de la roue est grand moins il faut de force pour faire le même travail. Pour que les élèves comprennent bien cette notion de levier rotatif n pourra leur demander de fermer la porte de la classe avec un seul doigt. Si on appuie près de la charnière il faut pousser de toutes ses forces, par contre si l’on appuie à l’extrémité de la porte une petite impulsion suffit.

    En classe entière répondre au quiz interactif.

    Structuration : (20min - classe entière)

    Copie de la leçon et schématisation de la poignée et du système volant/axe – treuil – roues avant d’une voiture.



    Séance 5 : engrenages (1H45)

    Situation déclenchante : (5min - classe entière)

    Montrer le début du film : BrainPOP Engrenages. Arrêt sur image : il ne faut pas que les élèves voient les roues dentées tourner pour l’instant.

    Qu’est-ce qu’un engrenage et à quoi cela sert-il ?

    Hypothèses : (15min - individuel)

    Distribuer aux élèves des images d’engrenages à 2 ou 3 roues dentées.

    Indiquer le sens de rotation d’une roue dentée et demander aux élèves d’indiquer par une flèche le sens de rotation des autres. Demander aux élèves quelle roue tourne le plus vite, la roue la plus facile à faire tourner…

    Expérimentation : (35min - groupes)

    Utiliser des cylindres de différentes circonférences (emballages cylindriques de trois tailles : boite de camembert, boite de gâteau apéritif et rouleau de papier toilette par exemple), enrouler autour du carton ondulé etc… Vous trouverez un tutoriel ici : http://www.musees-des-techniques.org/engrenages-et-manivelles/tp_engrenages.htm

    Observez la vitesse des engrenages, le sens de rotation, la force avec laquelle chaque roue dentée tourne.

    Notez les observations.

    Analyse et validation : (20min - classe entière)

    Mise en commun des expériences menées et des observations.

    Les engrenages permettent : ⇒ D’augmenter la vitesse ⇒ Ou d’augmenter la force ⇒ De changer de sens

    Structuration : (30min - classe entière)

    Regarder Montrer la totalité du film : BrainPOP Engrenages et répondre au quiz interactif en classe entière.

    Copie de la leçon

    NB : on pourra évoquer le sens figuré du mot « engrenage » en faisant le lien avec son sens propre.



    Séance 6 : poulie (1h30)

    Situation déclenchante : (5min - classe entière)

    Montrer Moby qui n’arrive pas à soulever la grosse pierre à 1’20 du film POULIE.

    Questionnement : Comment Moby pourrait-il faire pour soulever cette pierre ?

    Hypothèses : (15 min - en groupe)

    Les élèves schématisent la situation et proposent des solutions

    Mise en commun des solutions proposées

    On pourra les aider si besoin en diffusant le passage explicatif sur le store : 0’35 à 0’46

    Investigation : (5 min – classe entière)

    Visionnage de la vidéo jusqu’à 1’46

    Analyse et validation : (5 min - classe entière)

    Vérification de la solution trouvée par Moby.

    Dans le cas d’une poulie simple, pour chaque m de corde tirée par Moby, la corde monte d’un m. La force d’effort et la force de résistance sont les mêmes.

    Nouveau questionnement (5 min – classe entière) : Et si la charge est trop lourde avec une poulie simple, comment Moby peut-il faire ?



    Hypothèses : (15 min - en groupe)

    Les élèves schématisent la situation et proposent des solutions.

    Mise en commun des solutions proposées

    Investigation : (5 min – classe entière)

    Visionnage la totalité du film : BrainPOP Poulie

    Analyse et validation : (20 min – classe entière)

    Comparaison des solutions des élèves avec celle trouvée par Thomas et Moby

    Répondre au quiz interactif : on demandera aux élèves de schématiser les situations des questions 3 (poulie simple) et 9 (poulie triple).

    Structuration : (15 min – individuel)

    Les élèves copient la trace écrite expliquant le principe d’une poulie simple et l’intérêt supérieur d’une poulie double (ou avec un plus grand rapport). Ils légendent les images de la vidéo avec les forces d’effort et de résistance en notant le rapport mécanique.

    NB : On trouvera facilement des poulies en magasin de bricolage à peu de frais pour que les élèves puissent manipuler

    Séance 7 : défi technologique (classe entière)

    Pour conclure cette séquence d’apprentissage, un défi « grandeur nature » pourra être proposé aux élèves.

    Il pourra s’agir par exemple de relever le défi suivant :

    Comment transporter le carton de livres situé de l’autre côté de la cour de récréation et le faire passer par la fenêtre de la classe pour le récupérer ?

    Contraintes : le carton ne dois pas traîner par terre pour ne pas l’abimer ; un élève seul doit pouvoir réussir le défi (on veillera bien sûr à ce que le carton soit trop lourd pour être porté par un élève).

    Pistes : mettre le carton sur un support roulant ; utiliser un levier pour l’y mettre ; le hisser jusqu’à la fenêtre avec un plan incliné puis une poulie.

Extension Activities:



K’Nex, Celda ou Lego proposent des kits « machines simples » pour l’école permettant aux enfants de concevoir leurs propres petites machines. La Cité de sciences propose des jeux en ligne sur les machines simples : http://www.cite-sciences.fr/ressources-en-ligne/juniors/machines-simples/experiences-ludiques/index.html