Séquence 2 : séismes

Cette séquence commence par quelques études documentaires permettant de définir ce qu’est un séisme. À partir des dégâts constatés, on introduit une échelle (l’échelle MSK, qui mesure l’intensité, c’est-à-dire l’ampleur locale des dégâts) puis on étudie (par des documents et des expérimentations) la propagation en cercles concentriques des ondes sismiques. L’étude de la localisation des tremblements de terre permet de mettre en évidence les plaques tectoniques et, de là, remonter à la cause du phénomène. Des activités expérimentales permettent d’étudier comment le séisme est créé, et comment on peut le détecter. L’échelle de Richter est introduite, afin de mesurer l’énergie dégagée par le séisme (la magnitude). Enfin, après avoir évoqué les conduites à tenir en cas de tremblement de terre, la classe termine cette séquence en testant différents aspects des constructions parasismiques.

Sommaire détaillé :

 


Séance 2-1 : Qu’est-ce qu’un séisme ?

durée

1 heure

matériel

Pour chaque binôme :
- au choix, une photocopie de la fiche 17 ou de la fiche 18

objectifs

- Un séisme est un tremblement de terre : il se manifeste par des secousses qui peuvent provoquer des effondrements et des mouvements de terrain
- La durée d’un séisme varie de quelques secondes à quelques minutes
- Un séisme peut causer de nombreux dégâts et faire de nombreuses victimes
- Un séisme peut, parfois, causer des tsunamis

compétences

- Repérer dans un texte des informations explicites
- Inférer des informations nouvelles (implicites)
- Pratiquer une démarche d’investigation : questionner

dominante

Sciences

lexique

Séisme, tremblement de terre, tsunami

Question initiale

Le maître demande aux élèves ce qu’ils savent à propos des séismes (en commençant par l’utilisation du vocabulaire : séisme, tremblement de terre…).
à ce stade, on ne cherche pas à définir précisément ces termes, mais seulement à relever ce que savent les élèves.

Note pédagogique
- Bien souvent, les élèves font appel à un vocabulaire très précis (séisme, magnitude, noyau, plaques, tsunami…), qui leur est connu en raison de la forte médiatisation de certains événements (séisme survenu au Japon en mars 2011, par exemple), mais sans pour autant que les concepts associés soient maîtrisés. Pour certains, un séisme est un tremblement de toute la planète, pour d’autres, c’est un phénomène local, voire, plus rarement, associé à des phénomènes météorologiques (« il y a des ondes, ça peut provoquer des ouragans »).
- Le plus souvent, le mot « plaque » utilisé par les élèves désigne en fait un continent.
- Pour la plupart des élèves, un tremblement de terre est un phénomène très violent, au cours duquel la terre s’ouvre littéralement en deux (le risque pour la population est alors de tomber dans les crevasses). Ces représentations erronées seront corrigées au fur et à mesure de l’avancement de cette séquence.

Recherche (étude documentaire)

Les élèves sont répartis par binômes, la moitié d’entre eux reçoit une photocopie de la fiche 17, et l’autre moitié une photocopie de la fiche 18. Ces deux fiches comportent des articles de presse relatifs à des séismes survenus récemment, en France ou à l’étranger, bénins ou dramatiques selon leur ampleur et selon le degré de préparation des populations.

Note pédagogique :
L’enseignant peut fournir d’autres documents comme supports de cette séance (en particulier si la classe est dans une région sismique, un ancrage local serait souhaitable). Le site Internet suivant propose des coupures de presse relatives à des tremblements de terre survenus en France : http://sismalp.obs.ujf-grenoble.fr/coupures/coupures.html

Mise en commun

Après la lecture de ces textes, le maître anime une discussion collective permettant d’arriver à une définition opérationnelle d’un séisme : c’est un tremblement de terre qui se manifeste par des secousses pouvant provoquer des effondrements et des mouvements de terrain. Un séisme est un phénomène très bref (quelques secondes à quelques minutes), mais pouvant être très violent.
Un séisme peut aussi créer un tsunami : un ensemble de vagues de grande hauteur qui peut provoquer d’importants dégâts.
Les documents montrent que la France (y compris métropolitaine) est soumise au risque sismique. La mise en commun permet aussi de se rendre compte que le principal risque lié à un séisme (hors tsunami) est l’effondrement des bâtiments (et pas la terre qui s’ouvre en deux comme le pensent beaucoup d’enfants). On constate aussi qu’il y a des pays mieux préparés que d’autres, avec des constructions adaptées.

Note scientifique :
Le séisme survenu en mars 2011 au Japon illustre bien cet aspect : le séisme lui-même n’a causé que très peu de dégâts (c’est le tsunami qui a eu des conséquences catastrophiques). La plupart des bâtiments ont bien résisté aux secousses, comme le montre cette vidéo très spectaculaire, où l’on voit des immeubles qui tanguent… mais ne s’effondrent pas. Le visionnage de cette vidéo peut être un bon prolongement de cette séance.

Conclusion – traces écrites

La classe élabore une conclusion collective qui est notée dans les cahiers d’expériences. Voici un exemple de conclusion:
Lors d’un séisme (ou tremblement de terre), des secousses, très brèves mais pouvant être très violentes, peuvent provoquer l’effondrement des bâtiments. Un séisme peut également provoquer un tsunami.
L’enseignant demande aux élèves d’expliciter les questions qu’ils se posent au sujet des séismes, et les recueille sur une affiche (on y répondra au fur et à mesure des séances suivantes).

Classe de CM1/CM2 de Francis Bachelet et Corinne Dauchart (Rosheim)

Prolongement multimédia

La première animation multimédia créée pour ce projet s’intitule« Vivre avec le risque ». Il s’agit d’un film d’animation racontant l’histoire des catastrophes naturelles passées, et les moyens qu’ont trouvés les hommes pour s’en protéger.

 

Prolongement
Outre le prolongement évoqué dans la note scientifique plus haut (visionner une vidéo montrant des immeubles tanguer), cette séance peut être complétée par une exploration des mythes et légendes entourantles tremblements de terre : dragon en Chine, poisson-chat au Japon, tortue chez les Indiens d’Amérique…

 


Séance 2-2 : Comment mesurer l’intensité d’un séisme ?

durée

1 h 15

matériel

Pour chaque groupe :
- une photocopie des fiches 19 à 22

Pour la classe (facultatif) :
- 1 vidéoprojecteur ou 1 rétroprojecteur pour projeter la fiche 22

objectifs

- Un séisme se propage de façon concentrique
- L’endroit où il peut être ressenti le plus fortement est appelé « épicentre »
- Plus on s’éloigne de l’épicentre, plus les dégâts sont faibles
- Les dégâts causés par un séisme se mesurent sur l’échelle MSK. On parle d’intensité
- L’intensité d’un séisme varie de I (séisme imperceptible) à XII (dégâts catastrophiques)

compétences

- Inférer des informations nouvelles (implicites)
- Connaître les principaux caractères géographiques physiques, les repérer sur des cartes à différentes échelles

dominante

Sciences

lexique

Échelle MSK, intensité, épicentre, concentrique

Question initiale

Le maître demande à quelques élèves de rappeler les différents effets qui peuvent être ressentis lors d’un tremblement de terre (rappel de la séance précédente).

Recherche (étude documentaire)

Les élèves sont répartis en petits groupes et reçoivent une photocopie de la fiche 19, qui décrit les dégâts ressentis (correspondant aux 12 degrés de l’échelle MSK), ces dégâts étant placés dans le désordre. Le travail consiste à replacer ces effets dans l’ordre du plus bénin au plus grave (en découpant et collant les items sur la fiche 20).

Voici, ci-dessous, la liste ordonnée, ainsi que l’intensité MSK correspondante :

IntensitéMSK

Dégâts

I

Les habitants ne sentent rien, le séisme n’est détecté que par les instruments les plus sensibles.

II

Seules quelques personnes éveillées ressentent de faibles vibrations.

III

Les vitres et la vaisselle tintent, les lustres se balancent.

IV

Toutes les personnes éveillées ressentent fortement les secousses.

V

Tous les dormeurs se réveillent, des objets tombent.

VI

Les meubles lourds se déplacent. De nombreuses personnes ont peur. Des tuiles tombent des toitures.

VII

Quelques lézardes apparaissent dans les édifices.

VIII

Les bâtiments subissent d’importants dégâts, les cheminées tombent.

IX

Les constructions les plus fragiles, en particulier les maisons, s’écroulent. Les canalisations souterraines sont cassées. Les routes subissent d’importants dégâts.

X

Les ponts et les digues s’écroulent. Les rails de chemin de fer sont tordus.

XI

Panique générale. Toutes les constructions, même les plus solides, sont détruites.

XII

Les villes sont rasées et les paysages modifiés (crevasses dans le sol, rivières déplacées…).

Mise en commun

La classe met en commun les différentes propositions, et obtient un consensus. L’enseignant précise que cette description des dégâts correspond, en version simplifiée, à une échelle internationale (dite MSK, pour « Medvedev, Sponheuer et Karnik », les trois personnes qui l’ont définie).

Notes scientifiques
- Malgré le travail réalisé lors de la précédente séance, nombreux sont les élèves qui persistent à croire que, lors d’un séisme, la terre s’ouvre en deux (fissures, crevasses…). On voit ici que cela n’est vrai que pour les séismes exceptionnellement intenses (XII sur l’échelle MSK).
- Ne pas confondre cette échelle relative (qui mesure les dégâts en un endroit précis) avec l’échelle de Richter, qui mesure la force « absolue » du séisme. Dans le premier cas, on parle d’intensité, dans le second, on parle de magnitude. L’échelle de Richter sera étudiée lors de la séance 2-7. Pour ne pas confondre ces deux échelles, on note l’intensité (MSK) en chiffres romains.
- Une autre échelle similaire à l’échelle MSK, plus ancienne, existe également : l’échelle de Mercalli. Par ailleurs, cette échelle MSK a été récemment mise à jour et précisée. La nouvelle version s’intitule EMS98 (échelle macrosismique européenne). Cette dénomination n’étant pas très répandue auprès du grand public, nous lui préférons, ici, sa version originale.

Recherche (étude documentaire)

L’enseignant explique alors que la classe va désormais utiliser cette échelle pour voir comment un même séisme est ressenti en différents endroits.
Les élèves, répartis en petits groupes, reçoivent une photocopie de la fiche 21 et de la fiche 22. Le premier document fournit, pour un même séisme, différents témoignages d’habitants de différentes villes, tandis que le second présente ces villes sur une carte. Le séisme étudié est celui survenu près de Laffrey (Isère) le 11 janvier 1999.
Les élèves doivent, dans un premier temps, déterminer l’intensité du séisme dans ces différentes villes (faire la correspondance entre les dégâts constatés et l’intensité sur l’échelle MSK), puis relier entre elles les villes dans lesquelles ce séisme a eu la même intensité (tracer les courbes isoséistes, qui formeront des cercles).

Mise en commun

Les rapporteurs des différents groupes constatent que ces courbes isoséistes (dégâts constatés) sont de forme approximativement circulaire. Le maître demande aux élèves ce que cela leur apprend sur la propagation du séisme.

Note scientifique
En réalité, la propagation n’est pas parfaitement concentrique car la nature du terrain (sol plus ou moins meuble, relief) va renforcer ou atténuer, localement, les effets du séisme. Les cercles sont donc déformés. Cette subtilité nous paraît néanmoins inutilement complexe à l’école primaire : nous faisons « comme si » un séisme se propageait de façon parfaitement circulaire.

La question se pose alors de trouver l’endroit où le séisme a été le plus intense, et de nommer cet endroit. Il se situe au centre des différents cercles. On peut le nommer « centre ». Le maître explique qu’en réalité, il se nomme l’épicentre.
Le terme « épicentre » est défini, provisoirement, de la façon suivante : c’est l’endroit où le séisme peut être ressenti le plus fortement (s’il y a quelqu’un pour le ressentir !). Cette définition sera modifiée plus tard (séance 2-5), lorsqu’on aura défini ce qu’est le foyer.
Une comparaison peut être faite avec ce qu’on observe en jetant un caillou dans une mare : les vagues forment des cercles concentriques et sont d’autant moins hautes qu’on s’éloigne du centre.
Voici un aperçu de ces données (l’étoile représente l’épicentre du séisme), ainsi que les intensités correspondantes.
Il peut être très utile, pour cettemise en commun, de projeter la fiche 22 au tableau afin de permettre à un ou plusieurs élèves de venir tracer les différents cercles et de placer l’épicentre.

Note pédagogique : utilisation du tableau numérique interactif
Une telle séance peut facilement se prêter à l’utilisation du tableau numérique interactif (TNI), notamment au moment de la mise en commun : la carte est affichée sur le TNI, un élève vient placer les valeurs des intensités et un autre tracer les cercles. Le TNI est également utilisé pour trouver l’épicentre.

Conclusion

La classe élabore une conclusion en forme de synthèse, comme par exemple :
Un séisme se propage de façon concentrique. L’endroit où il peut être ressenti le plus fortement est appelé épicentre. L’intensité d’un séisme peut varier de I à XII : cette intensité mesure l’ampleur des dégâts.
Cette conclusion est notée dans les cahiers d’expériences.

Variante

L’enseignant qui souhaite consacrer plus de temps à la production d’écrit pourra adapter le déroulement de cette séance de la façon suivante (prévoir une durée de 2 heures) :
1. Demander aux élèves d’imaginer une échelle de perception du séisme (en 4 ou 5 degrés) et de rédiger les textes correspondants. Exemple : le séisme est imperceptible / des secousses sont ressenties, mais il n’y a pas de dégâts, etc.
2. Lire la fiche 21 et affiner au besoin les définitions ci-dessus, et caractériser, sur cette échelle personnelle, la gravité du séisme en différents lieux.
3. Réaliser l’étude documentaire, puis introduire l’échelle MSK.

Prolongements
En arts plastiques, on peut illustrer l’échelle MSK : ressenti des habitants, dégâts constatés, modifications des paysages…

 


Séance 2-3 : Comment une secousse se propage-t-elle ?

durée

1 heure

matériel

Pour chaque groupe :
- des pâtes alimentaires colorées (ou autres petits objets, légers, de taille et poids identiques, mais de couleurs différentes)
- un maillet
- une feuille A3

Pour la classe (facultatif) :
- un caméscope numérique

objectifs

- Un séisme se propage de façon concentrique
- Plus on s’éloigne de l’épicentre, plus les dégâts sont faibles

compétences

- Manipuler et expérimenter, formuler une hypothèse et la tester, argumenter
- Exprimer et exploiter les résultats d’une mesure ou d’une recherche en utilisant le vocabulaire scientifique à l’écrit et à l’oral

dominante

Sciences

Question initiale

La classe revient sur ce qui a été vu à la séance précédente, à savoir : les vibrations d’un séisme se propagent selon des cercles concentriques, et leur intensité diminue à mesure qu’on s’éloigne du centre. Le maître demande aux élèves d’imaginer une expérience permettant de le vérifier.
Certains élèves peuvent proposer, par exemple, de jeter un objet dans l’eau et d’observer la forme des vagues (cercles concentriques). Cette expérience peut être réalisée collectivement, mais l’enseignant doit bien veiller à ce que les élèves comprennent qu’il s’agit ici d’une analogie. Il les encourage à réaliser une expérience qui mette en jeu des vibrations de même nature que dans un séisme. « Il faudrait faire vibrer quelque chose de solide. »
Assez facilement, les élèves proposent alors de se servir de leur table, et de disposer des objets en cercle (« On bouge la table, ça fait tomber les objets, on regarde quels cercles tombent plus facilement. ») La question du choc est débattue : faut-il frapper la table par-dessus ou par-dessous, ou cogner deux tables ? La dernière proposition (cogner deux tables) peut facilement être écartée, car on n’aurait pas, dans ce cas, d’épicentre localisé. Pour être plus réaliste (un séisme vient du sous-sol), on décide alors de faire un choc sous la table, en son milieu.

Note pédagogique
- Si les tables sont équipées de cases en dessous, il faut veiller à taper entre le casier et la table(avec le maillet)… ou, au pire, par le dessus de la table.
- Le coup de maillet doit être porté le plus précisément possible au centre des cercles.
- On peut introduire cette expérience différemment, en montrant aux élèves le matériel disponible, et en leur demandant comment l’utiliser pour répondre à la question qu’on se pose.
- Astuce : pour colorer des pâtes, il suffit de les tremper quelques secondes dans du colorantalimentaire et de les sécher rapidement au four pour qu’elles ne se ramollissent pas.

Recherche (expérimentation)

Les élèves sont répartis en groupes et réalisent leur expérience.
Par exemple, ils placent des repères colorés (pâtes de couleur, morceaux de sucre, dominos…) sur les cercles concentriques (une couleur par cercle) tracés sur une feuille A3 posée sur une table. En donnant un coup sec sous la table à l’aide d’un maillet (sous le centre des cercles, qui représente l’épicentre), on crée une vibration qui va se propager dans la table. Les repères colorés se sont déplacés (ou renversés s’il s’agit de dominos), et leur déplacement s’est effectué dans toutes les directions de l’espace : dans le plan de la feuille mais aussi verticalement. Plus on s’éloigne du point d’impact, moins les repères colorés ont été déplacés.


Classe de CM1/CM2 de Sylvie Vernet (Lyon)

Note pédagogique
- Si on dispose d’un caméscope numérique, on peut filmer l’expérience en inclinant la prise de vue de façon à visualiser le déplacement vertical des éléments. Une vidéo de cette manip est disponible ici.
- Si l’on tape trop fort, toutes les pâtes sont éjectées et on ne voit plus rien. Pour bien doser l’effort, il est préférable d’utiliser un maillet.


Classe de CM2 de Stéphanie Barbosa (Verniolle)

Mise en commun et conclusion

Cette expérience montre qu’une secousse se propage bien selon des cercles concentriques. Plus on s’éloigne de l’épicentre, plus les vibrations s’atténuent, et plus les dégâts sont faibles.
Ce résultat est noté dans les cahiers d’expériences en guise de conclusion.
Cette activité permet d’introduire un nouveau questionnement : dans la réalité, qu’est-ce qui produit la secousse (qu’est-ce qui joue le rôle du coup de maillet) ?

 


Séance 2-4 : Où sont localisés les séismes ?

durée

1 heure

matériel

Au choix :
- une salle informatique reliée à Internet (1 ordinateur par binôme)
- ou, pour toute la classe : un ordinateur + un vidéoprojecteur
- ou, s’il n’y a pas d’équipement informatique, pour chaque binôme, la photocopie des fiches 7, 8 et 23, ainsi qu’un planisphère

objectifs

- La croûte terrestre est constituée de plaques en mouvement les unes par rapport aux autres
- On trouve la plupart des séismes aux frontières de ces plaques

compétences

- Connaître les principaux caractères géographiques physiques, les repérer sur des cartes de différentes échelles
- Lire et utiliser des cartes
- Lire un document numérique

dominante

Sciences

Notes pédagogiques préalables
- Cette séance s’appuie sur une animation multimédia, conçue par La main à la pâte et Universcience.
- Cette séance est très similaire à la séance 1-8 portant sur la localisation des volcans. Elle peut être menée en autonomie (un binôme par écran), ou de façon collective, à l’aide d’un vidéoprojecteur. – Si les élèves sont devant l’écran, ils auront besoin d’un cadrage fort (dans le cas contraire, ils« jouent » avec le multimédia, sans être réellement attentifs, et sans rien apprendre). – Si la séance est menée collectivement, il convient de bien l’animer, de s’arrêter souvent, de demander aux élèves d’anticiper (« à votre avis, que va-t-il se passer si… ») de façon à ce qu’ils ne soient pas passifs.
- Une variante est proposée plus bas (sous forme d’étude documentaire) dans le cas où l’utilisation du multimédia n’est pas possible. Les deux variantes ne sont pas exclusives.

Question initiale

La séance précédente a permis de s’interroger sur l’origine d’un séisme : qu’est-ce qui crée la secousse ? Les élèves réfléchissent individuellement et notent leurs hypothèses sur leurs cahiers d’expériences.

Note pédagogique
Les élèves de l’école primaire n’ont en général pas d’idée précise de la cause d’un séisme. Ils peuvent rattacher l’origine à une cause volcanique ou météorologique (par exemple, la chaleur fait craqueler le sol), ou encore à une origine humaine (guerres/bombes…).

Dans le cas, probable, où les élèves ne font pas de lien entre l’origine des séismes et les mouvements de plaques tectoniques, le maître les guide par une autre question : est-ce que les séismes ont lieu dans des endroits particuliers ?
Il introduit alors l’animation multimédia qui sera utilisée pour répondre à cette question, comme on le ferait pour une recherche documentaire.

Recherche (animation multimédia)

Les élèves sont répartis en petits groupes, idéalement en binômes, chaque groupe ayant un ordinateur à sa disposition, avec l’animation chargée à l’écran.
L’animation interactive se compose de plusieurs éléments permettant de visualiser :
- les couches internes de la Terre ;
- les plaques tectoniques (on peut, en particulier, suivre leur déplacement depuis la Pangée) ;
- la localisation des séismes sur Terre, que l’on peut comparer avec le tracé des plaques ;
- la localisation des volcans (cette partie peut être sautée, car elle a déjà été abordée lors de la séquence 1).


Animation « La planète Terre »

Mise en commun

Après avoir utilisé l’animation, les élèves mettent en commun ce qu’ils ont appris :
- La croûte terrestre est constituée de plaques en mouvement les unes par rapport aux autres (l’enseignant veille, au besoin à l’aide d’un planisphère, à ce que les élèves fassent bien la différence entre les plaques et les continents).
- On trouve la plupart des séismes aux frontières de ces plaques.

Note scientifique
Les séismes se trouvent, en fait, non pas exactement sur les frontières des plaques, mais dans une bande élargie (allant jusqu’au millier de km) autour de ces frontières. à l’école primaire, cette nuance ne nous paraît pas importante.

Conclusion

La classe peut conclure (provisoirement) qu’il existe peut-être un lien entre les mouvements des plaques et l’origine des secousses. La séance suivante permettra de vérifier, expérimentalement, si cette proposition est pertinente.

Variante

Si cette animation multimédia ne peut être utilisée en classe par manque d’équipement, une séance similaire peut être menée en utilisant des cartes (fiche 7, fiche 8, fiche 23), ainsi qu’un planisphère. L’étude de la fiche 23 montre que les séismes ne sont pas répartis n’importe où : la plupart des séismes majeurs sont localisés sur des « lignes ». En s’interrogeant sur la signification de ces lignes, on introduit la 2e carte (fiche 7, qui montre les plaques tectoniques)… et on constate que ces lignes correspondent aux frontières entre les plaques tectoniques.
On demande alors aux élèves de décalquer les contours de l’Amérique du Sud sur un planisphère, puis de placer ce calque sur un planisphère en essayant d’accoler l’Amérique du Sud à l’Afrique. Les élèves remarquent que les deux continents « s’emboîtent » puis formulent des hypothèses pour rendre compte de ce constat. Une explication possible est que ces plaques se déplacent et qu’à une certaine époque, les deux continents n’en formaient qu’un. Le même travail peut être fait avec l’Arabie et l’Afrique pour arriver à un constat et des hypothèses identiques.

L’enseignant introduit alors la fiche 8, qui explique la dérive des continents, et propose aux élèves de remettre dans l’ordre différentes étapes depuis la Pangée. Pour plus de facilité, on peut commencer par colorier les continents (afin de mieux les suivre).
Le corrigé est donné ci-dessous (quaternaire = aujourd’hui) :

La séance se termine par une discussion collective au cours de laquelle le maître explique le lien entre les mouvements des plaques et l’activité sismique.

 


Séance 2-5 : Quelle est l’origine de la secousse ?

durée

1 heure

matériel

Pour chaque groupe :
- 2 chevrons en bois sur lesquels on a fixé un crochet
- du papier de verre, des élastiques
- des tiges métalliques, des cubes à empiler ou un petit récipient rempli d’eau…
- velcro ou scotch double face

objectifs

- Un séisme est créé par une cassure ou un mouvement brutal de la roche
- Le lieu où s’est produit cette rupture ou ce déplacement est appelé le foyer
- Le foyer d’un séisme peut être plus ou moins profond (10 à 700 km)
- L’épicentre se situe à la verticale du foyer

compétences

- Manipuler et expérimenter, formuler une hypothèse et la tester, argumenter
- Exprimer et exploiter les résultats d’une mesure ou d’une recherche en utilisant le vocabulaire scientifique à l’écrit et à l’oral

dominante

Sciences

lexique

Foyer

Question initiale

La séance précédente a permis d’identifier une cause possible : les mouvements des plaques les unes par rapport aux autres.
L’enseignant demande aux élèves si ce mouvement se fait en continu ou par à-coups. Il les incite ensuite à imaginer une expérience qui permettrait de confirmer ou non leurs hypothèses. En cas de difficulté, il peut les guider par une question du type : « Peut-on imaginer une expérience dans laquelle on tire sur une plaque pour la déplacer avec, dans un cas, un déplacement progressif, et dans l’autre cas, un déplacement brutal, par à-coups ? »
Assez facilement, les élèves imaginent un dispositif qui gêne le déplacement d’une plaque (par exemple, du velcro ou du scotch double face sous la plaque) et empêche ainsi un déplacement progressif.

Recherche (expérimentation)

L’expérience conçue collectivement, ou par groupe, est assez simple :
- On pose deux chevrons de bois (ou tout autre objet assez lourd, sur lequel on peut fixer un crochet) sur la table.
- On fixe un ou plusieurs élastiques (en fonction de leur solidité) sur ces chevrons, de manière à pouvoir les tirer.
- Sous l’un des chevrons, on dispose du velcro ou du scotch double face, de façon à augmenter les frottements avec la table.
- Sur les chevrons, on place un récipient avec de l’eau, ou des objets empilés en équilibre, de manière à pouvoir détecter la secousse (les objets tombent, des vagues apparaissent dans le récipient…).
Lorsqu’on tire sur l’élastique, parallèlement à la table, les deux chevrons se comportent différemment :
- Dans un cas (faibles frottements), le chevron se déplace régulièrement, sans à-coups, et il n’y a pas de vibration (les objets posés dessus ne tombent pas).
- Dans l’autre cas (frottements intenses), l’élastique s’allonge dans un premier temps sans déplacer le chevron (phase d’accumulation d’énergie), puis le chevron se déplace soudainement (phase de rupture qui dégage l’énergie accumulée sous forme de vibrations). Les objets en équilibre tombent.

Note scientifique
On peut aussi faire la manip avec un seul chevron et faire varier le support. Sur un support lisse (table), il n’y a pas de secousse car le chevron glisse facilement, tandis que sur un support rugueux (béton, graviers…), le mouvement se fait par à-coups.


Classe de CM2 de Stéphanie Barbosa (Verniolle)

Mise en commun et conclusion

L’expérience précédente a montré qu’une vibration est créée quand il y a un mouvement brutal de l’objet par rapport au support. Quand le mouvement est progressif, il n’y a pas de secousse. L’enseignant veille à ce que les élèves fassent bien le lien entre ce modèle et la réalité. La conclusion peut être :
Les plaques tectoniques sont en mouvement les unes par rapport aux autres. Quand ce mouvement est régulier, sans à-coups, il ne crée pas de séisme. Mais quand ce mouvement est gêné pour une raison ou une autre, l’énergie accumulée se libère brutalement, par un mouvement soudain des deux plaques, ce qui crée un séisme.
On définit alors le lieu où s’est produit cette rupture ou ce déplacement : c’est le foyer. Le foyer d’un séisme peut être plus ou moins profond (10 à 700 km).
La classe revient alors sur la définition de l’épicentre établie à la séance 2-3, en expliquant que l’épicentre est le point, à la surface, qui se situe à la verticale du foyer.
Ces deux définitions sont notées dans le cahier d’expériences, ainsi que les schémas de l’expérience réalisée et la conclusion.

 


Séance 2-6 : Comment détecter un séisme ? Fabriquons un sismographe

durée

1 h 45, en 2 fois

matériel

Pour chaque élève :
- une photocopie de la fiche 24

Pour chaque groupe :
- matériel nécessaire à la fabrication du sismographe (voir exemples ci-dessous)

objectifs

Les vibrations du sol peuvent être mesurées à l’aide d’un sismographe

compétences

- Manipuler et expérimenter, formuler une hypothèse et la tester, argumenter
- Exprimer et exploiter les résultats d’une mesure ou d’une recherche en utilisant le vocabulaire scientifique à l’écrit et à l’oral
- Repérer dans un texte des informations explicites

dominante

Sciences, technologie

lexique

Sismographe, sismogramme

Cette séance se déroule en deux moments distincts, de façon à pouvoir rassembler le matériel demandé par les élèves :
- 1re partie : Conception du sismographe, liste du matériel nécessaire
- 2e partie : Fabrication et test du sismographe, puis étude documentaire
L’enseignant peut mener les deux parties l’une à la suite de l’autre, à condition d’avoir prévu beaucoup de matériel pour répondre aux demandes, très variées, des élèves.

Question initiale

Après avoir fait rappeler ce qui a été vu précédemment (un séisme est créé par un mouvement brutal des plaques tectoniques, cette vibration se propage et peut provoquer des dégâts), le maître demande aux élèves comment on peut détecter un séisme, ou, plus simplement, comment on peut savoir qu’un séisme a lieu. Il peut les questionner sur les sens mis en jeu (on sent avec son corps, on voit des objets qui bougent ou qui tombent, on entend ces objets qui bougent ou vibrent).
Les élèves réfléchissent ensuite, en petits groupes, à un dispositif expérimental permettant de détecter un séisme. Il s’agit donc de concevoir et fabriquer un sismographe. Les élèves doivent fournir un schéma illustrant le fonctionnement de leur sismographe, ainsi que la liste du matériel nécessaire pour le réaliser.


Classe de CM2 d’Anne-Marie Lebrun (Bourg-la-Reine)

Notes pédagogiques
- Pour le moment, l’enseignant ne précise pas s’il s’agit simplement de détecter qu’un séisme a eu lieu, ou s’il s’agit également d’en mesurer la « force », ou encore s’il s’agit d’en garder une trace (par exemple, écrite). Ces différents aspects seront discutés lorsque l’on comparera les propositions des différents groupes.
- Afin de ne pas brider la créativité des élèves en orientant leurs réalisations, il est important de ne pas leur montrer le matériel disponible (si celui-ci a déjà été rassemblé) mais, au contraire, de leur expliquer qu’ils ont le droit d’imaginer n’importe quel dispositif, à condition qu’on puisse se procurer le matériel facilement (disponibilité et coût). Si certaines propositions sont trop fantaisistes ou irréalisables, elles seront corrigées a posteriori.

Mise en commun

Les différentes propositions sont affichées et comparées. Les élèves peuvent proposer des dispositifs très variés. Leur point commun est qu’il doit toujours y avoir quelque chose de mobile (suspendu, en équilibre…) susceptible de se déplacer lors d’une vibration. Les dispositifs les plus simples permettent de détecter qu’un séisme a eu lieu, mais n’en garde pas de trace pérenne. Certains dispositifs, à peine plus complexes, permettent d’en garder une trace, voire de mesurer la force et la direction de l’oscillation (cf. exemples de réalisations plus bas).
On discute du matériel nécessaire. Si celui-ci n’est pas disponible et ne peut être rassemblé pour la prochaine fois, on modifie le sismographe de façon à s’adapter au matériel disponible.

Fabrication

Chaque groupe d’élèves reçoit le matériel nécessaire à la réalisation de son sismographe, et le fabrique, puis le teste.
Les propositions étant très variables d’une classe à l’autre, et d’un groupe à l’autre, nous donnons ici quelques exemples de réalisations avec des dominantes (équilibre, aimants, eau…), sachant que, pour chaque dominante, il existe de très nombreuses variations.

Autour de l'équilibre

 

Classe de CM1/CM2 de Francis Bachelet et Corinne Dauchart (Rosheim)

Des objets sont placés en équilibre, et tombent lorsque la table est secouée.

Autour de l’eau

 

Classe de CM2 d’Anne-Marie Lebrun(Bourg-la-Reine)

Un seau est rempli d’eau. Des trous sont percés juste au-dessus de la surface de l’eau, tout autour du seau. La secousse crée une vague, ce qui fait tomber de l’eau dans les trous. L’eau est recueillie dans des récipients (un récipient pour chaque trou). On peut même en déduire la direction de l’oscillation (en observant, après coup, quels sont les récipients inondés).

Autour des aimants

 

Classe de CM2 d’Anne-Marie Lebrun(Bourg-la-Reine)

Deux aimants sont suspendus à deux ficelles, à une distance telle qu’ils viennent se coller l’un à l’autre dès que la table est soumise à une secousse.

Autour d’une trace écrite

 

Classe de CM2 d’Anne-Marie Lebrun(Bourg-la-Reine)

Un feutre est suspendu à une potence et marque une feuille de papier. En cas de secousse, on visualise une trace en forme de zigzag. Ce dispositif peut être très facilement amélioré (en lestant le feutre pour qu’il soit toujours en contact avec la feuille, en utilisant un rouleau de papier qui tourne, plutôt qu’une feuille…).

Note pédagogique
On peut imaginer bien d’autres dispositifs, comme par exemple :
- un objet suspendu à un ressort (ce ressort va se mettre à osciller) ;
- des clochettes suspendues à une ficelle (qui vont tinter) ;
- on peut aussi mesurer la force de la secousse uniquement avec des billes et des planches trouées (avec des trous plus ou moins larges) : si la secousse est faible, seules les billes reposant sur un trou de très faible diamètre vont tomber, si la secousse est forte, toutes les billes tomberont ;
- une tige métallique mobile qui, soumise à une secousse, va entrer en contact avec un circuit électrique, et fermer le circuit (une ampoule s’allume, un buzzer sonne…).

Étude documentaire

Le maître distribue la fiche 24 décrivant le premier sismographe, inventé en Chine en 132 après J. -C. (dynastie Han).
Après une lecture individuelle de cette fiche, l’enseignant anime une discussion collective destinée à s’assurer que les élèves ont bien compris le principe de fonctionnement de ce sismographe. La classe peut alors chercher les similitudes et les différences entre ce dispositif et ceux réalisés au cours de cette séance.
Le seau d’eau percé est assez semblable au sismographe chinois, mais l’inconvénient de l’eau est double :
- Elle ne fait pas de bruit, contrairement aux billes métalliques (il faut donc regarder le sismographe en permanence pour voir s’il a enregistré quelque chose).
- Elle s’évapore si l’on attend longtemps, rendant le sismographe inefficace.
La fin de cette fiche documentaire montre à quoi ressemble un sismogramme moderne (enregistrement réalisé par un sismographe). Cette partie peut déjà faire l’objet d’une discussion, mais sera étudiée à nouveau lors de la prochaine séance.

Traces écrites

Chaque élève décrit son sismographe dans son cahier d’expériences.

Prolongement

La classe peut visiter un musée du type « art et métiers » afin d’observer différents types de sismographes.

 


Séance 2-7 : Magnitude et intensité, comparaison des échelles de Richter et MSK

durée

1 h 15

matériel

Pour chaque élève :
- la fiche 24, déjà utilisée lors de la précédente séance
- une photocopie de la fiche 25

Pour la classe :
- salle informatique

objectifs

- L’ampleur de la vibration créée au foyer se mesure sur l’échelle de Richter. On parle de magnitude
- L’échelle de Richter est une échelle ouverte, mais on n’a jamais vu de séisme de magnitude 10 ou supérieure

compétences

- Exprimer et exploiter les résultats d’une mesure ou d’une recherche en utilisant le vocabulaire scientifique à l’écrit et à l’oral
- Lire un document numérique

dominante

Sciences

lexique

Magnitude, échelle de Richter

Note pédagogique
Cette séance sert à la fois à introduire l’échelle de Richter et à faire un bilan d’étape. à cette fin, l’animation multimédia « les séismes » est très utile, car elle aide à comprendre la différence entre magnitude et intensité.

Question initiale

La fiche documentaire utilisée lors de la précédente séance montre un sismogramme (enregistrement d’un sismographe) particulier, celui du séisme survenu en Haïti le 12 janvier 2010.
Le maître demande aux élèves à quoi correspondent les différentes amplitudes des oscillations enregistrées.
Elles correspondent à l’amplitude des secousses elles-mêmes, c’est-à-dire à l’énergie libérée pendant le séisme : un séisme de faible énergie provoque de faibles secousses (et des traces de faible amplitude sur le sismogramme), tandis qu’un séisme de forte énergie provoque des secousses importantes, qui se manifestent par de fortes oscillations sur le sismogramme.
L’enseignant explique que l’énergie libérée par un séisme s’appelle la magnitude… et que celle-ci se mesure sur une autre échelle que celle vue précédemment : l’échelle de Richter.

Note pédagogique
- On trouve de nombreux sismogrammes sur le site http://www.edusismo.org
- L’analyse de ce sismogramme permet de constater qu’un séisme donne lieu à plusieurs secousses. Certaines sont très rapides (traits serrés, à gauche) et d’autres plus lentes : ce constat sera utile lors de la séance 2-10.

Recherche documentaire

Chaque élève reçoit une photocopie de la fiche 25, qui présente l’échelle de Richter et compare l’énergie libérée des séismes de différentes magnitudes à d’autres phénomènes (explosion d’une bombe atomique par exemple).

Mise en commun

Après quelques minutes de lecture, l’enseignant questionne, collectivement, les élèves :
- à quoi correspond la magnitude d’un séisme ?
- Est-ce qu’un séisme peut avoir plusieurs magnitudes ? (les documents de la séance 2-1 nous aident à répondre qu’un séisme n’a qu’une seule magnitude)
Il veille à ce que chacun comprenne qu’il y a une énorme différence entre un séisme de magnitude N et un autre de magnitude N+1. Un écart de 1 magnitude signifie un facteur 32 dans l’énergie mise en jeu ; un écart de 2 magnitudes signifie un facteur 1 000 !
Par exemple, le maître peut s’intéresser à la magnitude 6, très parlante pour les enfants (l’énergie libérée est la même que lors de l’explosion de la bombe d’Hiroshima). Il demande à quoi correspond la magnitude 7. La réponse est : 32 bombes atomiques. Il demande ensuite à quoi correspond la magnitude 8 (réponse : 32 x 32 = 1 024 bombes atomiques), puis la magnitude 9…
Il s’assure que les élèves font bien la différence entre la magnitude (échelle de Richter), qui est absolue et mesure l’énergie « brute » du séisme, et l’intensité (échelle MSK), qui mesure l’ampleur des dégâts et dépend du lieu d’observation.
Pour ne pas les confondre, on note ces deux quantités de façons différentes :
- la magnitude (Richter) est notée en chiffres arabes ;
- l’intensité (MSK) est notée en chiffres romains.

Animation multimédia : bilan d’étape

La fin de cette séance s’appuie sur une animation multimédia, conçue par La main à la pâte et Universcience.
Les élèves sont répartis par petits groupes, idéalement par binômes, chaque groupe ayant un ordinateur à sa disposition, avec l’animation chargée à l’écran.
L’animation interactive se déroule en plusieurs phases :
- Dans un premier temps, l’élève peut faire varier 3 paramètres (profondeur du foyer, magnitude sur l’échelle de Richter et zone géographique).
- Ensuite, il peut déclencher un séisme et visualiser les dégâts occasionnés.
- Enfin, il reçoit des informations sur la conduite à tenir en cas de séisme.

Animation « Les séismes »

Note pédagogique
On peut faire comprendre aux élèves qu’un séisme n’est jamais « seul », mais suivi de plusieurs répliques, certaines arrivant quelques minutes après le séisme principal, d’autres plusieurs jours plus tard. Pour cela, on peut visionner une animation relative au séisme survenu au Japon en mars 2011. Ce séisme a eu, en quelques semaines, plusieurs centaines de répliques. Le site http://www.japanquakemap.com/ permet de voir défiler les répliques (conseil : accélérer le déroulement du temps). Après avoir utilisé l’animation, la classe revient sur ce qui a été vu depuis le début de la séance : cequ’est un séisme, comment il se crée et se propage, comment on le mesure…

Conclusion

La classe élabore une conclusion collective, qui est notée dans les cahiers d'expériences. Par exemple:
Un séisme peut être décrit par deux grandeurs. Sa magnitude, sur l'échelle de Richter, mesure l'énergie libérée par le séisme. Son intensité, sur l'échelle MSK, mesure les dégâts subis localement. Il y a des milliers de séismes chaque jour. Mais les séismes de magnitude supérieure à 8 sont rares. Au-delà de 9, ils sont exceptionnels.

 


Séance 2-8 : Peut-on prévoir les séismes ?

durée

1 heure

matériel

Pour chaque groupe :
- documents à préparer à l’avance par le maître (voir plus bas)
- une photocopie de la fiche 26

objectifs

On ne sait pas prévoir les séismes, mais on connaît les zones à risques

compétences

- Exprimer et exploiter les résultats d’une mesure ou d’une recherche en utilisant le vocabulaire scientifique à l’écrit et à l’oral
- Connaître les différentes caractéristiques géographiques physiques, les repérer sur des cartes à différentes échelles

dominante

Géographie

Question initiale

Le maître demande à la classe, collectivement, s’il est possible de prévoir quand et où aura lieu un séisme.
Le maître explique que la réponse à la question « quand » est négative : on ne peut pas prévoir l’arrivée d’un séisme.
En revanche, la classe a déjà vu, lors de la séance 2-4, que les séismes n’étaient pas localisés n’importe où. On peut donc se baser sur l’activité sismique passée d’une région pour apprécier le risque sismique à venir.

Recherche documentaire

Le maître se procure, via le site www.sisfrance.net, la liste des séismes enregistrés dans son département. Il récupère en fait deux listes. Tout d’abord la liste des séismes ressentis par quelques personnes (intensité supérieure à 3), et ensuite celle des séismes ayant occasionné des dégâts même mineurs (intensité supérieure à 6).

 

Pour cela, à partir de la page d’accueil du site www.sisfrance.net, cliquer sur un département. à droite s’affiche alors un formulaire. On peut filtrer les résultats, en ignorant par exemple tous les séismes trop faibles pour avoir eu un effet notable (conseil : mettre une intensité minimale de 3.0), et enfin valider. Faire la même chose, ensuite, avec une autre valeur seuil de l’intensité (par exemple, 6. 0). Cf. capture d’écran ci-dessus.
On obtient un tableau montrant différents séismes, avec leurs dates correspondantes. Par exemple :
- pour le département de l’Ariège, on obtient plus d’une centaine de séismes avec une intensité supérieure à 3, mais seulement 5 ayant une intensité supérieure à 6 ;
- Paris a connu une douzaine de séismes d’intensité supérieure à 3, mais aucun d’intensité supérieure à 4.

Notes scientifiques
Il y a une petite erreur sur le site www.sisfrance.net : les intensités sont notées en chiffres arabes, alors que la règle veut qu’on les écrive en chiffres romains pour ne pas les confondre avec des magnitudes. Le document donne les zones épicentrales… mais on peut parfois ressentir un séisme dont l’épicentre se situe dans un autre département. Les listes ne sont donc pas exhaustives.

Le risque sismique en France

L’enseignant distribue une carte de l’aléa sismique à chaque élève (fiche 26), ou l’imprime au format A3 ou supérieur afin de l’afficher dans la classe. Ce document évalue le risque actuel et futur, tandis que la recherche documentaire précédente permettait de relever les catastrophes passées.

Note pédagogique
On trouve sur le site Internet du projet un tableau Excel, créé par le ministère du Développement durable, donnant le zonage sismique des 36 721 communes de France, c’est-à-dire la caractérisation du risque : très faible, faible, modéré, moyen, fort.

Le maître anime une discussion collective ayant pour but de constater qu’en France toutes les régions connaissent des séismes. Dans la plupart des cas, ce sont des séismes très peu intenses, ne causant pas d’importants dégâts. Certaines régions, cependant, connaissent parfois des séismes plus intenses, et sont considérées comme plus risquées. En particulier les régions de la chaîne des Pyrénées et du massif alpin, ainsi que la Guadeloupe et la Martinique.

Trace écrite et conclusion

Ce constat est noté dans le cahier d’expériences, accompagné des données sur la sismicité de la zone géographique de l’école.

 


Séance 2-9 : Que faire en cas de séisme ?

durée

1 heure

matériel

Pour chaque élève :
- une photocopie de la fiche 27

objectifs

En cas de séisme, on peut se protéger par des gestes simples

compétences

- Formuler une hypothèse
- Mobiliser ses connaissances dans des contextes scientifiques différents
- Exprimer, exploiter les résultats d’une recherche en utilisant un vocabulaire scientifique à l’écrit et à l’oral

dominante

Sciences

Question initiale

Le maître rappelle ce qui a été vu lors de la séance précédente (il n’est pas possible de prévoir l’arrivée d’un séisme). Il pose alors la question : « Si l’on vit dans une région à risque, est-il possible malgré tout de se protéger ? »
Les élèves travaillent par binômes et écrivent leurs idées sur leurs cahiers d’expériences.


Classe de CM1/CM2 de Francis Bachelet et Corinne Dauchart (Rosheim)

Mise en commun

La discussion collective permet de dégager deux pistes principales :
- Les constructions (où construire, comment construire…).
- Les comportements (avant, pendant, après).


Si la première piste (construire aux normes parasismiques) n’est pas évoquée, on peut revenir sur ce qui avait été vu lors de la séance 2-1 : le principal danger (hors tsunami), lors d’un séisme, est l’effondrement des bâtiments. Les idées relatives à cette première piste sont notées à part : elles feront l’objet des deux prochaines séances.
La suite de la séance est axée sur les comportements. Les propositions des élèves sont très variées, et parfois contradictoires. Exemples :
- se mettre sous une table
- prendre sa voiture et partir loin
- se réfugier sous terre (parking, cave…)
- se placer dans l’angle d’une pièce
- s’éloigner des vitres
- quitter les bâtiments
- appeler les secours
- se réfugier sous les arbres, etc.


Certaines de ces conduites sont adaptées, d’autres non. Avant d’aller plus loin, les élèves doivent confronter leurs points de vue, en tentant d’obtenir un consensus. L’enseignant veille à ce que chacun explicite au maximum ses idées : Ce geste est-il à adopter en prévention (avant le séisme), pendant la secousse, ou après ? Pourquoi cela te semble-t-il adapté ?
Un point, en particulier, peut donner lieu à un vif désaccord : faut-il appeler les secours ? Pour certains élèves, la proposition va de soi, mais pas pour d’autres, qui mettent en avant le fait que le « cela pose problème si tout le monde appelle en même temps ».
Le point sera tranché par l’étude de la fiche 27, que l’enseignant distribue aux élèves. Cette fiche montre les gestes à adopter en cas de séisme survenant à l’école. Après quelques minutes nécessaires à la lecture du document, la classe discute collectivement de son contenu. Est-ce que nous avions oublié certains gestes ? Est-ce que nous avons fait des erreurs ? lesquelles ? Le maître demande alors ce qu’il faudrait faire si l’on était surpris par un séisme en dehors de l’école. Par exemple à la maison, à l’extérieur, ou en voiture.

Conclusion

Les gestes élémentaires de protection en cas de séisme sont notés dans le cahier d’expériences :
Dès la première secousse :
-
Si on est à l’intérieur : s’abriter sous un meuble solide (table…) ou dans l’encadrement d’une porte.
- Si on est à l’extérieur : s’éloigner des bâtiments.
- Si on est en voiture : s’arrêter, mais rester dans le véhicule.
Après la première secousse :
- Si on était dans un bâtiment :
> couper si possible eau, gaz et électricité (pour les adultes) ;
> sortir du bâtiment.
- Dans tous les cas :
> ne pas téléphoner ;
> écouter la radio ;
> rejoindre de grands espaces libres collectifs (jardin public, stade…).

Prolongements
- Réaliser une affiche similaire à celle distribuée, mais montrant les gestes à adopter à la maison (cette activité est un réinvestissement des notions vues dans cette séance ; on peut la considérer comme une évaluation formative).
- Faire un exercice des gestes à adopter en simulant un séisme dans la classe, en chronométrant par exemplela sortie du bâtiment après la première secousse.

 


Séance 2-10 : Comment construire des bâtiments résistants ? (1)

durée

1 heure

matériel

Pour chaque groupe :
- une plaque de polystyrène épaisse (au moins 4 cm)
- des « tiges » de différentes longueurs, d’un même matériau, au choix : – carton épais (par exemple un grand calendrier découpé en lanières)– tiges en bois (du type « pic à brochette »)– cagette à légume– en métal (réglets ou tiges filetées)– etc… (voir Note scientifique : en haut de la page suivante)
- pâte à modeler

objectifs

- On peut construire des bâtiments qui résistent bien aux séismes
- La hauteur d’un bâtiment n’est pas un paramètre déterminant

compétences

- Manipuler, expérimenter, formuler une hypothèse et la tester, argumenter
- Exprimer, exploiter les résultats d’une mesure ou d’une recherche en utilisant un vocabulaire scientifique à l’écrit et à l’oral

dominante

Sciences

Question initiale

Lors de la séance précédente, la classe a évoqué la possibilité de se protéger des séismes en construisant des bâtiments qui résistent aux secousses.
L’enseignant demande maintenant aux élèves de réfléchir, individuellement, aux propriétés que devrait avoir un bâtiment pour résister.

Mise en commun

Les élèves font des propositions diverses :
- Utiliser des matériaux très solides (durs)… ou au contraire plutôt souples.
- Construire des bâtiments de faible hauteur.
- Placer des bâtiments sur des amortisseurs…
Nous proposons de commencer cette investigation par le paramètre « hauteur ». Car presque tous les enfants (et beaucoup d’adultes) pensent, à tort, qu’il est préférable de construire des bâtiments de faible hauteur.
La classe réfléchit collectivement à une expérience qui permettrait de savoir si la hauteur d’un bâtiment joue un rôle dans sa résistance aux secousses sismiques.
Les élèves peuvent proposer des manips simples, à partir d’empilements (type kapla, dominos…). Le défaut de ces propositions est que de tels bâtiments ne sont pas solides : plutôt que divers éléments empilés (qui peuvent glisser facilement), il faudrait un élément unique.
On peut par exemple prendre des tiges de différentes hauteurs, plantées verticalement sur un support qu’on fait bouger horizontalement. On regarde alors quelles sont les tiges qui oscillent le plus.

Note scientifique
- Le matériau utilisé pour les tiges ne doit pas être trop rigide (sinon, il n’y a pas d’oscillation), ni trop souple (sinon, les oscillations sont trop fortes et les tiges se déforment).
- Pour que l’expérience marche correctement, il faut que les tiges soient solidement fixées au support !
- Des grandes plinthes en bois (60 cm pour la plus petite, 1 m 60 pour la plus grande) vissées solidement à un gros chevron sont idéales. Mais ce matériel étant assez coûteux, nous proposons d’autres alternatives qui fonctionnent bien (pics à brochette, lanières en carton épais… de 10, 20,30 cm de hauteur plantées dans un morceau de polystyrène…).
- Pour donner un peu de masse à chaque tige, et aussi pour mieux visualiser les oscillations, on peut les lester en hauteur par un morceau de pâte à modeler.

Recherche (expérimentation)

Les élèves sont répartis par groupe et réalisent l’expérience conçue précédemment (chaque groupe peut avoir un matériel différent : des tiges en bois, en métal, en carton…).


Classe de CM1/CM2 de Sylvie Vernet (Lyon)

On peut demander aux élèves de chercher d’abord à faire osciller les plus grandes tiges, puis les plus courtes. Petit à petit, ils se rendent compte que la vitesse de l’oscillation (on ne parle pas de fréquence à l’école primaire) est importante : si l’on fait osciller la planche le plus lentement possible, on observe que c’est la tige la plus haute qui oscille le plus fortement. Si au contraire on provoque des oscillations très rapides, c’est la plus petite qui va osciller le plus. En tâtonnant, on trouve la fréquence qui permet de faire osciller les tiges intermédiaires.

Note pédagogique
Une vidéo de cette expérience est disponible ici.

Mise en commun et conclusion

Collectivement, on constate que la vitesse de la vibration joue un rôle important. Les secousses rapides font osciller les tiges les plus petites, et les secousses lentes les tiges les plus hautes. La classe fait le lien avec la réalité et en conclut qu’un bâtiment de faible hauteur n’est pas forcément plus sûr qu’un bâtiment élevé. Tout dépend de la vitesse de la vibration du séisme.
Le maître informe les élèves qu’en général, un séisme comporte plusieurs vibrations : certaines lentes, d’autres plus rapides. Cette conclusion est notée dans les cahiers d’expériences.

Note scientifique
En réalité, les bâtiments élevés sont souvent plus résistants que les maisons individuelles, car ils sont conçus pour résister à des vents violents. Leur construction faisant l’objet de plus d’études et de surveillance, les raisons sont davantage économiques que physiques.

 


Séance 2-11 : Comment construire des bâtiments résistants ? (2)

durée

1 h 15

matériel

Pour chaque élève :
- une photocopie de la fiche 28
- une photocopie de la fiche 29

Pour chaque groupe :
- des supports (planches, cartons…)
- au choix : – des cubes, des élastiques– du sable, une bassine, des grosses boîtes ou chevrons en bois, des tiges métalliques– des bouteilles en verre ou canettes de soda (ou n’importe quel autre objet cylindrique qui roule bien), des cubes

objectifs

- On peut construire des bâtiments qui résistent bien aux séismes
- Le chaînage des bâtiments est efficace
- Sur un sol meuble, il faut construire de profondes fondations pour que le bâtiment résiste

compétences

- Manipuler, expérimenter, formuler une hypothèse et la tester, argumenter
- Exprimer, exploiter les résultats d’une mesure ou d’une recherche en utilisant un vocabulaire scientifique à l’écrit et à l’oral

dominante

Sciences

Question initiale

L’enseignant distribue à chaque élève la fiche 28 montrant deux immeubles ayant subi d’importants dégâts suite à un tremblement de terre. Il anime une discussion collective destinée à évoquer ce qui a pu se passer pour chacun des deux bâtiments. Le premier s’est enfoncé dans le sol (problème de fondations), tandis que le second s’est brisé (problème de cohésion du bâtiment).
Le maître demande alors aux élèves comment on pourrait concevoir des bâtiments qui résistent mieux aux séismes, au regard des deux problèmes évoqués plus haut. Plusieurs pistes se dessinent, dont les principales sont :
- Construire des fondations profondes si le bâtiment est posé sur un sol meuble.
- Lier entre eux les différents éléments du bâtiment, de façon à éviter que les murs se déplacent les uns par rapport aux autres (ce qui entraîne l’effondrement du bâtiment). Les élèves proposent par exemple d’entourer les bâtiments par des câbles très solides.
- Poser le bâtiment sur un système amortisseur (ressorts, roues…).
Collectivement, la classe cherche comment tester ces propositions à l’aide d’expériences.

Recherche (expérimentation)

Les élèves sont répartis en plusieurs groupes. Chaque groupe teste une seule proposition.

Manip « fondation »
Le groupe travaillant sur les fondations prend deux objets identiques (même taille, même masse), chacun représentant un bâtiment, posés sur une bassine remplie de sable (sol meuble). Ces objets peuvent par exemple être deux cales en bois, ou deux pots de confiture (remplis avec de l’eau ou du sable pour les lester).
Sous l’un des deux objets, on fixe (colle à prise rapide, clous, vis…) des tiges qui représentent des fondations. Un des « bâtiments » repose donc sur un sol meuble, tandis que l’autre repose sur un sol dur (les fondations touchent le fond de la bassine).
Lorsqu’on secoue la bassine, le bâtiment n’ayant pas de fondations s’enfonce dans le sable.


Classe de CM2 de Stéphanie Barbosa (Verniolle)

Manip « chaînage »
Ce groupe peut réaliser une expérience très simple, avec des kaplas, dominos, cubes en bois (voire des éléments plus grands comme des boîtes de mouchoirs)… et quelques élastiques.
On construit deux bâtiments en empilant ces éléments. L’un des bâtiments est entouré d’élastiques (le chaînage, ou contreventement).
Lorsqu’on exerce une secousse sur le support, le bâtiment non chaîné s’effondre très facilement.
On peut tester différents types de chaînage (horizontal, vertical, transverse…).


Classe de CM2 de Stéphanie Barbosa (Verniolle)

Manip « amortisseurs »
Les élèves proposent différents types de dispositifs permettant d’isoler le bâtiment des secousses sismiques : des amortisseurs, des roues… Ces propositions pourront être testées si le matériel nécessaire est disponible. Une expérience facile à réaliser consiste à placer des immeubles sur un support lui-même posé sur des cylindres (des bouteilles par exemple). Lorsqu’une secousse est appliquée, le support se déplace dans son ensemble, et les bâtiments vibrent moins que s’ils étaient posés directement sur le sol.


Classe de CM1 d’Hélène Gaillard (Paris)

Note pédagogique
Des vidéos de ces expériences sont disponibles sur le site Internet du projet.

Mise en commun et conclusion

Après avoir organisé la mise en commun des résultats des différentes expériences, le maître distribue aux élèves la fiche 29, qui décrit quelques règles élémentaires de construction parasismique.

Note scientifique
Ce document n’a pas pour vocation d’être exhaustif, mais uniquement d’identifier les paramètres qui sont les plus importants et qui, de plus, peuvent être testés expérimentalement à l’école primaire.

Puis il revient sur la première séance, au cours de laquelle les élèves avaient remarqué qu’un séisme de même magnitude pouvait avoir des effets complètement différents suivant le contexte (constructions parasismiques, préparation de la population, etc. ).
La classe rédige une synthèse collective qui est notée dans les cahiers d’expériences.

Prolongements
Réaliser une maquette de bâtiment parasismique reprenant tous les paramètres étudiésSe renseigner sur les types de constructions autour de l’école, ainsi que l’école elle-même, si l’on vit dans une région sismique.
Étudier les solutions adoptées dans divers pays pour se prémunir du risque sismique, pour découvrir notamment d’autres principes de construction parasismique (matériaux, forme des bâtiments…).

Prolongement multimédia

La dernière animation multimédia créée pour ce projet est un quiz, dont certaines questions traitent du risque sismique.

 

 

 

 

Partenaires du projet

Fondation La main à la pâte ESA CASDEN Universcience Prévention 2000 AFPCN Editions Le Pommier