Comment mesurer le temps

Auteurs

Claude Lebas(plus d'infos)

Résumé

[Séquence] - Construction de sabliers ou de clepsydres. Au cycle 3, le débat scientifique prend toute sa place et l'objectivité passe par la mesure chiffrée.

Publication

1 Janvier 2002

Objectif

- Utiliser des objets techniques simples, des techniques de fabrication élémentaires - S'initier à quelques savoir-faire techniques - Etude et montage d'objets de mesure - Familiarisation avec la mesure de temps - Appréhender le principe de l'écoulement - Initiation à la démarche scientifique - Construire un protocole d'expérimentation pour résoudre un questionnement

Niveau

Cycle 3

Matériel

Bâton ; cadran solaire; clepsydre; horloges à encens; horloges mécaniques; chronomètre; montres; sablier...
Matériel pour construire des sabliers et des clepsydres : des bouteilles en plastique, du sable ( différentes tailles de grains), sable tamisé, du gravier, des tamis, des entonnoirs, récipients ( seaux et bassines), de l'adhésif, des vrilles ou perceuses pour trouer les bouchons...

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Séquence de 7 séances élaborées au cours d'une animation pédagogique visant à mettre en pratique la démarche expérimentale.

Séance 1:	la mesure du temps	Deux situations de départ possibles : Situation problème: Est-il possible de fabriquer un objet qui mesure une durée de x minutes. Comparaison d'objets ayant servi à mesurer le temps au cours des âges, étude des principes de fonctionnements identiques ou différents.
Séance 2:	Outils de mesure	Deux propositions : conception libre d'un outil de mesure du temps, ou séance plus orientée vers l'étude de sabliers " Quelle durée mesurent - ils ?
Séance 3:	expérimentation	Comprendre la notion de variable
Séance 4:	compte rendu de l'expérience	Verbaliser, argumenter, expliquer, justifier une expérience; appréhender le principe de l'écoulement
Séances 5, 6 et 7	prolongements et institutionnalisation	Nouvelles expérimentations et remédiations, synthèse des connaissances à valeur de "vérité générale"

Séance 1: deux situations de départ possibles

Séance de lancement et représentations initiales. Comment mesure-t-on le temps?

objectif principal

Introduction de la problématique de la mesure du temps

objectifs spécifiques

Aborder le thème de la durée.

Deux approches ont été proposées, elles peuvent être alternatives ou complémentaires.

Première approche
- présentation de la problématique "Est - il possible de fabriquer un instrument qui serve à mesurer une durée de 3 minutes ?"
- réflexion sur les objets connus des enfants servant à mesurer le temps
- classification de ces objets avec recherche de leurs points communs et de leur but :

objets	composants	quelle mesure ?
le chronomètre	cadran - chiffres- digital	Il part de zéro, il mesure un intervalle de temps, une durée.
la montre l'horloge la pendule etc...	cadran - chiffres - certains ont des aiguilles	Ils donnent l'heure "établie", ils permettent de mesurer des écarts.
le sablier	verre - sable	Il mesure un temps limité.

Deuxième approche
- historique sur les objets ayant servi à mesurer le temps au cours des âges :

bâton

cadran solaire

clepsydre

horloges à encens

horloges mécaniques

chronomètre

montres

sablier...

- travail de recherche documentaire
-suivi d'un travail d'observation du fonctionnement de ces objets lorsque cela est possible.

Séance 2-a : Conception libre d'un outil de mesure du temps

objectif principal

Recueil des représentations et émission d'hypothèses

objectifs spécifiques

Etablir des hypothèses
Elaborer un protocole d'expérimentation

dispositif

Travail de groupe
On écarte toute production nécessitant un mécanisme. Est retenu le principe de l'écoulement d'un fluide (sable, eau...) entre deux récipients.

Déroulement :

Emission d'hypothèses :

(le principe d'écoulement étant retenu, les élèves proposent déjà d'agir sur des variables...)
du sable fin pour aller plus vite
un plus gros trou
faire varier la quantité de sable

Protocole d'expérimentation :

réflexion en groupes de 4 élèves sur leur objet
sa forme générale avec la réalisation d'un schéma
son fonctionnement
le matériel nécessaire
le moyen de vérifier que l'objet réalisé donne vraiment la mesure pour 3 minutes

Résultats :

A partir du principe d'écoulement d'un récipient s'écoulant dans un autre :

2 groupes se sont décidé pour des sabliers

(soit eau, soit sable)

2 groupes se sont décidé pour une sorte de clepsydre

(soit eau, soit sable)

séance 2b :Orientée vers l'étude de sabliers conventionnels " Quelle durée mesurent - ils ? "

Déroulement :

observation des sabliers :

" Comment les comparer ? "

Quatre critères de comparaison ont été proposés :

couleur

taille

sable à l'intérieur

temps d'écoulement

Après discussion, seul le dernier critère a été retenu.

Mise en place du chronométrage :

des groupes de 4 élèves

faire 2 mesures pour chaque sablier (idée introduite par l'enseignante)

présentation des résultats sous forme de tableau

Résultats :

	sablier 1	sablier 2	sablier 3	sablier 4	sablier 5	sablier 6	sablier 7
groupe 1	0' 29 et 0' 29		0' 32 et 0' 36	3' 04 et 3' 04			0' 44 et 0' 44
groupe 2	0' 54 et 0' 54				2' 59 et 3' 03		0' 48 et 0' 48
groupe 3	0' 28	2' 56	0' 38			3' 10	0' 45
groupe 4	0' 29 et 0' 30		0' 31 et 0' 38				0' 45 et 0' 45
groupe 5	0' 31 et 0' 30	2' 59 et 3'	0' 36 et 0' 34	3' 20
groupe 6		2' 57 et 2' 55			2' 50
groupe 7	0' 29 et 0' 28		0' 36 et 0' 31	3' 04 et 3' 02		3' et 3' 04	0' 45 et 0' 42
moyenne	0' 29	2' 57	0' 35	3' 07	2' 57	3' 05	0' 45

Débat scientifique :

On ne peut pas prévoir à l'avance la durée d'écoulement d'un sablier. La quantité de sable perçue visuellement ne donne pas d'indication par rapport à la manière dont le sable s'écoule : de sable - de temps ! , - de sable de temps !

La durée d'écoulement d'un même sablier est toujours " à peu près " la même.

Il est intéressant de faire discuter les élèves au sujet de ces variations, ce qui peut introduire les notions de moyenne et d'écarts types (exemple du sablier 1 du groupe 2 qui s'écarte trop de la mesure moyenne).

Suivi par une phase d'émission d'hypothèses.

Séance 3: Expériences

Deux approches ont été proposées, soit à partir des hypothèses, on isole des variables et chaque groupe choisit de tester une hypothèse ; soit chaque groupe est laissé libre de choisir son expérimentation "tout azimut", ce qui est permet à chaque groupe de construire à sa façon la notion de variable.

Première approche : conception libre

Dispositif :

Prévoir plus de matériel que le minimum demandé (pouvoir recommencer après erreur)

Mettre à la disposition de chaque groupe un petit lot de matériel (identique à celui des autres) dans lequel il fera son tri (la centralisation du matériel dans un point unique entraîne trop de déplacements perturbateurs).

Pour des principes de sécurité, ne pas laisser les enfants manipuler des outils peu familiers qui deviendraient dangereux (ciseaux à bois, perceuse... )

Conception :

Chaque groupe essaie de réaliser l'objet prévu lors du protocole d'expérimentation.

Résultats :

un groupe n'a pas réussi à réaliser son projet à cause du gravier contenu dans le sable qui à un moment arrêtait l'écoulement.

un groupe a fabriqué un sablier de conception classique et a réussi à calculer approximativement la quantité de sable nécessaire pour 3 minutes.

un groupe a conçu avec succès une sorte de clepsydre mesurant à peu près 3 mn.

le dernier groupe a travaillé sur la conception d'un "sablier à eau" et s'est trouvé confronté à un problème physique (voir photo ci-dessous): tout commence bien puis à un moment l'eau ne s'écoule plus dans le récipient du bas !!

A gauche l'eau ne s'écoule plus ! Mystère...

A droite sablier avec du sable bleu, un entonnoir :

Au "top", on verse le sable dans l'entonnoir et on chronomètre.

Deuxième approche : choix d'une variable

Cette répartition des variables est faisable à condition de travailler sur des sabliers de conception classique.

Résultats :

6 sabliers différents:
3 dont les bouteilles sont deux à deux identiques

2 dont les bouteilles sont de même contenance et de formes légèrement différentes

1 dont les bouteilles sont de forme et de contenance différentes

Séance 4: Compte-rendu de l'expérience

Déroulement

confrontation des réalisations

débat scientifique

difficultés rencontrées

remédiations envisagées

écriture d'un compte - rendu (travail de groupe)

Première approche

face au problème de l'eau ne s'écoulant pas, les enfants ont proposé de faire deux trous symétriques de part et d'autre du bouchon, afin de permettre l' entrée et l' évacuation de l'air contenu dans la bouteille. ( document1)
face au problème du gravier contenu dans le sable, certains enfants ont proposé de le passer au tamis (document 2), d'autres de le moudre (document 3).

Deuxième approche

comme lors de la séance 2b, on ne peut pas deviner la durée d' écoulement d'un sablier, aucun n'ayant la même forme. Les prévisions sur la durée d'écoulement de chaque sablier sont différentes pour chaque élève et en général, largement surévaluées.
Pour le dernier sablier (forme et contenance différente entre "le haut et le bas"), contrairement aux 5 autres, les temps d'écoulement "recto / verso" sont nettement différents : ce qui introduit l'importance d'un sablier symétrique (bouteille de même forme et de même contenance).

Document 1 :

Entrée et évacuation de l'air

Doxument 2 :

Utilisation d'un tamis

Document 3 :

Moudre le sable

Séances 5,6 et 7: Expérimentations, remédiations et synthèse des connaissances à valeur de "vérité générale"

Prévoir plusieurs séances en aller-retour (expérimentation, remédiation ) en fonction du degré de perfectionnement de l'outil voulu. L'objectif général de ces séances est de comprendre que la sciences ne progresse pas selon un cheminement linéaire mais qu'hypothèses et expérimentations s'engendrent mutuellement.

Un exemple de stratégie élaborée par les élèves :

pour calculer la quantité d'eau ou de sable nécessaire à un écoulement de 3 minutes : remplir une bouteille d'eau (sable), fermer à l'aide du bouchon percé, puis laisser l'eau s'écouler au - dessus d'un seau pendant 3 minutes. A la fin du temps imparti, récupérer l'eau tombée dans le récipient.

Dispositif

Travail de groupe

Extrait d'un compte-rendu d'expérience:

Le mot du maître:

En prolongement, le même travail peut être effectué en remplaçant ce qui s'écoule, ou en exigeant d'adapter la durée d'écoulement.

On peut également envisager un travail de graduation des sabliers réalisés, ou organiser la construction de sabliers de 5', 6', 10'... et mettre en place des tableaux de correspondance entre la quantité de sable et la durée.