Expériences sur la mesure du temps : la clepsydre

Auteurs : thérèse lemoine(plus d'infos)
Résumé :
[Témoignage] - La classe met au point une clepsydre.
Publication : 1 Janvier 1999
Objectif :
Mesurer le temps avec des moyens simples. Fabriquer un objet permettant de prendre des mesures "plus exactes".
Niveau : Cycle 3
Durée :
5 séances.
Copyright :
Creative Commons France. Certains droits réservés.

 

Comment comparer des durées sans appareil de mesure « traditionnel » ?

Situation déclenchante : Florian effectue un parcours (EPS en salle), Sonny effectue ensuite le même. Nous ne disposons pas de chronomètre. Comment savoir lequel des deux enfants a couru le plus vite ?

Conditions matérielles : 

- un magnétophone et une cassette ou un CD
- un point d’eau
- un récipient, un récipient gradué
- un chronomètre
- une bouteille en plastique par groupe
- des aiguilles
- des allumettes
- de l'eau
- de la pâte à modeler.

Expériences menées par toute la classe ou par groupes. Certaines expériences se déroulent à l'extérieur.

Comment comparer des durées sans appareil de mesure « traditionnel » ?

Exemples de réponses
1."On peut compter pendant que chaque enfant effectue son parcours."
2."On fait démarrer chaque enfant au début d'une chanson (magnétophone)."
3."Il faut faire couler l'eau du robinet dans une cruche."

C’est cette dernière affirmation qui permet de lancer le travail sur la clepsydre. Si elle ne vient pas, on peut apporter du matériel que les enfants seront contraints d’utiliser. Le parcours ne permettant pas à deux enfants de l'effectuer en même temps, la réponse "ils peuvent partir en même temps" n'a pas été proposée.

Premières expériences :
- Compter

Chaque enfant compte en silence pendant la première course. On compare les résultats.
Les réponses sont très variées pour le même enfant (de 15 à 32 secondes). On en déduit que la méthode n'est pas satisfaisante.

- Repérer le temps de l’écoute d’une chanson

La course de Sonny a permis d'écouter la chanson plus loin que celle de Florian, donc Florian a couru plus vite que Sonny. Cette solution est valable mais nécessite du matériel audio.

Avec l'eau du robinet

Mickaël règle le débit du robinet afin d'avoir un débit moyen. Au moment où Franck commence à courir, la cruche est placée sous le robinet et retirée à la fin de la course. Ne pas refermer le robinet entre les deux courses afin de rester sur le même débit.
Le niveau de l'eau est repéré. L'expérience est renouvelée avec Nicolas.
Le niveau de l'eau étant plus haut pour Nicolas : Franck a été le plus rapide.

Relances de l’activité:
Le dernier dispositif envisagé est-il un "mesureur de temps " de bonne qualité (fiable) ? Comment le vérifier ? On a maintenant le droit d’utiliser un chronomètre.
Exemple de réponses :
"En faisant courir plusieurs enfants."
"En mesurant la quantité d'eau plus exactement (avec un récipient gradué comme le pluviomètre)."
"En chronométrant (avec un chronomètre comme en athlétisme)."

Les enfants disposent alors d’un récipient gradué et d’un chronomètre pour mesurer la durée des courses. Plusieurs enfants parcourent le circuit successivement. Pendant chaque course, l’eau qui s’écoule le temps de la course est recueillie, la quantité d'eau ainsi obtenue est mesurée. En parallèle, la course est chronométrée. Les résultats sont notés au fur et à mesure, puis organisés dans un tableau.

Prénom

quantité d'eau en ml

temps en secondes

Cyrille

480

22

Léa

540

26

Sébastien

380

17

Guillaume

400

18

Sophie

500

23

Puis on effectue range les nombres, dans chaque colonne.

Prénom

quantité d'eau en ml

Temps en secondes

Sébastien

380

17

Guillaume

400

18

Cyrille

480

22

Sophie

500

23

Léa

550

26

Constatation
On constate que le récipient de l'enfant qui a couru le plus vite contient moins d'eau que le suivant etc.

Analyse des résultats
Sébastien a l'idée de chercher si on a obtenu ou non un tableau de proportionnalité et effectue les calculs nécessaires. Il constate que les coefficients trouvés sont très proches :
22,35 - 22,22 - 21,8 - 21,73 - 21,15.
Donc, on obtient presque un tableau de proportionnalité : la quantité d'eau écoulée est « pratiquement » proportionnelle à la durée de la course.
Ce qui est valable avec l’écoulement du robinet dont le débit est constant ne le sera pas avec l’écoulement de l’eau d’une bouteille qui se vide.
Pourquoi n'a-t-on pas obtenu un tableau de proportionnalité rigoureux?
Lecture imprécise sur le récipient gradué.
Un enfant suggère : "on aurait dû peser l'eau pour avoir une réponse plus précise".
Imprécision pour le démarrage et l'arrêt du chronomètre.
Il n'est pas certain que le débit du robinet n'ait pas varié.
Le mot du maître :
Il est très difficile de faire admettre aux élèves le "pratiquement égaux". Certains auraient préféré l'« égalité parfaite ».

Conclusion : Le classement obtenu par chronométrage est le même que celui obtenu en comparant les quantités d'eau. Notre expérience permet donc de comparer des durées.

Et sans robinet ?

Cette expérience se déroule en salle avec un point d’eau. Comment réaliser une expérience similaire sans robinet tout en gardant la contrainte d’utiliser le matériel proposé?

Exemple de réponses
En faisant écouler l'eau d'une bouteille percée.

Un travail de recherche est effectué par groupe pour déterminer le matériel nécessaire.
Certains élèves avaient consulté des livres de bricolage, ce qui a influencé certains groupes.
La mise en commun des idées avant la réalisation finale est nécessaire.
Matériel : une bouteille en plastique par groupe, de l'eau, de la pâte à modeler.

La pâte à modeler est enlevée au moment où l'enfant commence sa course, on la replace au moment où il franchit la ligne d'arrivée. On trace un repère sur la paroi de la bouteille. Pour chaque enfant, la bouteille est remplie. On compare ensuite les niveaux repérés. Le niveau le plus haut correspond à l'enfant qui a couru le plus vite.

Constatations :
- Toutes les bouteilles ne sont pas étalonnées de la même façon : cela dépend de la taille du trou.

Conclusion : Plus le trou est gros, plus l'eau coule vite. Pour uniformiser : à l'aide d’une aiguille chauffée, on perce un trou en bas de la bouteille. On bouche le trou avec de la pâte à modeler avant de remplir la bouteille d'eau.

- Les traits de graduations sont plus serrés en bas de la bouteille.

Conclusion : Quand le niveau baisse dans la bouteille, l'eau coule moins vite.

- Au bout de quelques courses, la bouteille est encombrée de repères. On ne peut pas noter les résultats sur papier. Mais  comment éviter de tracer des repères pour chaque enfant ?

Un enfant suggère « d'étalonner » la bouteille en chronométrant.

Conclusion générale :
On peut mesurer le temps en repérant un écoulement d'eau. Si le débit de l'eau est régulier, la quantité d'eau est proportionnelle au temps écoulé. Quand on utilise l’écoulement de l’eau d’une bouteille percée, l'eau coule moins vite quand le niveau baisse dans le réservoir. Plus le trou d'écoulement est gros, plus l'eau s'écoule rapidement.

Le mot du maître
Travail intéressant avec un matériel simple. Les idées individuelles se sont toutes révélées logiques quoique souvent mal formulées. L'imprécision des mesures gêne les enfants au moment de l'interprétation des résultats. Les notions de débit variable sont connues intuitivement. Pour la conception des expériences, le travail de groupe augmente la richesse des idées et permet une mise en oeuvre plus rapide car mieux formulée.

Prolongements possibles
Etude documentaire sur la mesure du temps à travers les âges (clepsydre, cadran solaire, sabliers, horloges à poids, montres à ressorts, montres électroniques).

Liens vers d’autres activités pour le  cycle 3 : (maj :02/2007)

Séquence : Comment mesurer le temps (C3)
Construction de sabliers ou de clepsydres. Au cycle III, le débat scientifique prend toute sa place et l'objectivité passe par la mesure chiffrée.

Séquence : Mesures de durées et tests d'hypothèses (C3)
La première partie de cette séquence consiste à faire prendre conscience aux élèves qu'une mesure est entachée d'incertitude, la seconde consiste, après avoir construit un pendule simple, de faire émettre des hypothèses sur les paramètres susceptibles d'influer sur sa période et de les tester une à une en ne faisant varier que la valeur du paramètre à tester, tous les autres étant maintenus constants.

Séquence : La mesure du temps au C3. (sur site Lamap Aube)
Les enfants abordent la réalisation des différents instruments de mesure du temps par tâtonnement expérimental : confrontés à des problèmes technologiques, ils font de fréquents allers-retours entre leurs interrogations, les éléments de réponses d’ordre historique, technique, et leur production.
Télécharger le document PDF.

Fiche technique :
pour fabriquer une Clepsydre.

Questions aux consultants
Mesures de durée : Matérialiser une minute
Dans le cadre de la semaine de la science, je vais travailler avec ma classe de ce2-cm1, sur la mesure du temps et plus précisément sur la minute: comment matérialiser une minute?

La clepsydre... et après? Deux sites à visiter (02/2007)
- http://perso.wanadoo.fr/tpe-lamesuredutemps/laclepsydre/
- http://www.lagardesse.fr/temps