Le fonctionnement du levier «Donnez-moi un point d'appui : je soulèverai le monde»

Auteurs : Equipe La main à la pâte(plus d'infos)
Résumé :
[Séquence] - L’objectif est de comprendre que la mise en rotation d’un solide par une force de grandeur donnée se fait plus ou moins efficacement selon la distance entre l’axe de rotation et l’endroit où s’applique cette force. L’étude est menée en partant du levier et mène à expérimenter que l’on peut soulever un objet donné en utilisant une force aussi petite qu’on veut, pourvu qu’on utilise un levier assez grand.
Objectif :
Leviers et balances ; équilibres Afin de prévoir ou d’interpréter qualitativement quelques situations d’équilibre, être capable d’utiliser les deux propriétés suivantes : - une même force a plus d’effet sur la rotation si elle est appliquée à une plus grande distance de l’axe - une grande force a plus d’effet qu’une petite force si elle est appliquée à la même distance de l’axe Les mouvements corporels (fonctionnement des articulations et des muscles) : - être capable d'établir des relations par comparaison avec l'observation de pattes d'animaux - être capable d'exploiter des documents radiograhiques ou multimédia. - être capable de concevoir et construire un modèle matériel simple rendant compte de façon approchée du rôle des muscles antagonistes dans le mouvement d'une articulation.
Durée :
 9 séances
Copyright :
Creative Commons France. Certains droits réservés.

 

Cette séquence est extraite du document "Enseigner les sciences à l'école" et a été réalisée par le MJENR/DESCO et l'Académie des sciences/La main à la pâte .



Introduction

Cette séquence propose des activités pédagogiques dont l'objectif est de comprendre que la mise en rotation d'un solide par une force de grandeur donnée se fait plus ou moins efficacement selon la distance entre l'axe de rotation et l'endroit où s'applique cette force.
L'étude est menée en partant d'un objet particulier : le levier. Celui-ci est constitué d'une barre rigide mobile autour d'un axe de rotation appelé « pivot » (et aussi, anciennement, « point d'appui »). Un levier modifie la force à exercer. Au-delà de l'objet, l'objectif est de comprendre que le même principe est à l'oeuvre dans d'autres dispositifs techniques. Nous avons choisi le pont-levis qui n'est pas un levier au sens strict mais dont le fonctionnement relève du même principe. Une séance est également consacrée à la reconnaissance du principe des leviers dans les organismes vivants.
À travers ces exemples, nous souhaitons illustrer l'intérêt et la complémentarité d'approches relevant de disciplines différentes : recherche d'un principe général s'appliquant dans différents contextes (dispositifs techniques, monde du vivant) ; constructions ; recherche d'une solution technique ; étude de mécanismes.
Ainsi, pour soulever un objet donné, peut-on, à la limite, utiliser une force aussi petite qu'on veut, pourvu qu'on utilise un levier assez grand. «Donnez-moi un point d'appui : je soulèverai le monde» disait Archimède trois siècles avant notre ère. Mais en contrepartie, on constate aussi que l'on soulèvera l'objet moins haut.
Ce dernier aspect, tout à fait général, a une grande importance théorique car il est en rapport avec le principe de conservation de l'énergie.

 

 Plan de la séquence

Etapes

Durée

Matériel

Description

1. Comment soulever le bureau de l'enseignant ?

2. Comment les hommes des temps anciens soulevaient-ils des charges ?

 

45'

-1 boîte de matériel de construction

Ou baguettes de bois et ficelle

-une bûche (ou un moellon ou une grosse pierre) et un manche de pioche (ou autre gros bâton).

    Collectivement puis par petits groupes, les enfants cherchent le moyen de parvenir à soulever le bureau de l'enseignant. Les idées sont classées dans un tableau à deux colonnes : machines motorisées/ utilisant la force humaine.

    Collectivement, le maître évoque quelques constructions réalisées depuis l'aube de l'humanité avant que n'existent les machines motorisées puis, par petits groupes, les élèves construisent des machines à base de leviers à partir d'images présentant des dispositifs des temps anciens. Collectivement, est introduite l'idée de levier.

3. et 4. Comment réduire l'effort à l'aide d'un levier ?

 

45'

Pour les élèves :

-2 boîtes identiques sans couvercles
-10 masses identiques (écrous)
-une règle plate
-une règle à section carrée dont le contact joue le rôle de pivot d'environ 30 cm

Pour le maître :

-des règles ou des baguettes plus grandes à proposer aux groupes ayant terminé leur première exploration

    Collectivement, le maître propose aux enfants de travailler sur des leviers qui ressemblent à leurs maquettes, mais plus simples, plus pratiques et plus robustes. Ils doivent réussir à soulever une boîte contenant 10 écrous en utilisant le matériel fourni. Par petits groupes, les élèves font leurs expériences. La synthèse collective aboutira à dégager les quelques règles régissant le principe des leviers.

5. Comment fabriquer une maquette de pont-levis ?

 

45'

-matériel modulaire

    Collectivement, l'enseignant propose le projet de fabrication d'un pont-levis, comme dans un château fort. La fabrication a lieu en petits groupes. La synthèse expliquera les difficultés rencontrées et la manière dont elles ont été résolues.

6. Où fixer l'attache du fil sur la passerelle ?

 

45'

-règles diverses
-baguette de bois
-élastiques
-masses diverses
-ficelles
-tronbonnes

Etc..

    A partir du matériel proposé, les enfants doivent imaginer puis réaliser une expérience destinée à montrer qu'il est plus facile de soulever la passerelle en fixant les fils loin de l'axe de rotation.    
    L'expérience est réalisée en petits groupes. La synthèse permettra d'apporter une réponse à la question initiale : la passerelle est plus facile à soulever si le fil est attaché loin de l'axe.

7. Qu'est-ce qui est pareil, qu'est-ce qui n'est pas pareil ?.

 

45'

-la règle supportant une boîte d'écrous et reposant sur un pivot
-la passerelle du pont-levis alourdie par une boîte d'écrous
-la schématisation de ces deux dispositifs

    Collectivement, le maître après avoir schématisé les deux dispositifs, demande aux enfants de comparer les deux dessins en disant ce qui est pareil et ce qui ne l'est pas.
    Par petits groupes, les enfants remplissent le tableau. La synthèse montrera l'abstraction d'un principe commun et la formulation définitive de règles simples mais générales.

8. Y a-t-il des leviers dans les organismes vivants

45'

-annexe 1 du pdf
-annexe 2 du pdf

    Il s'agit d'utiliser des documents vidéo, multimédia et photographiques afin de démontrer que le mécanisme du levier intervient également dans le monde du vivant où il convient de mettre en évidence sa présence.

9.évaluations

  

-annexe 3 du pdf

  

 

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Voir aussi:

Construire et équilibrer un mobile, utiliser un mobile numérique, et étudier des objets qui contiennent des leviers.

"Leviers et balances, équilibres" : ces trois mots sont quasi indissociables dans les programmes de l’école primaire. Mais quels objectifs, quelles activités induisent-ils ?
Au cycle 2, il est question de compréhension des usages d’un levier, d’une manivelle, lors de l'étude d'objets. Tous ces objets présentent une rotation autour d’un axe.

La construction de mobiles amène les enfants à résoudre des problèmes qui leur permettront, au cycle 3, de comprendre que la rotation d’un objet est liée à la valeur de la force qui lui est appliquée et de la distance de celle-ci à l’axe de rotation.

Ce dossier, publié dans la revue LA CLASSE, propose des activités qui permettent d'aborder puis d'ancrer ces connaissances, activités à répartir tout au long de la scolarité élémentaire.

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