Apprendre à se repérer, de la boussole au satellite.

2. La boussole
Auteurs : David Jasmin(plus d'infos)
Hélène Merle(plus d'infos)
Valérie Munier(plus d'infos)
Résumé :
Cette séquence débute par l'observation d'une boussole et la découverte de sa fonction, liée à la direction nord-sud de l'aiguille aimantée : une boussole sert à indiquer la direction du nord. L'observation des autres éléments de la boussole permet aux élèves de comprendre son fonctionnement (une boussole, c'est essentiellement une aiguille aimantée mobile sur un pivot) et d'en fabriquer un modèle simplifié (boussole flottante). Au cours de la dernière séance, optionnelle, les élèves peuvent approfondir leur connaissance des aimants par la découverte de leurs pôles, de leurs interactions et de l'orientation privilégiée de tous les aimants à la surface de la Terre.
Publication : 17 Octobre 2006

Cette séquence débute par l'observation d'une boussole et la découverte de sa fonction, liée à la direction nord-sud de l'aiguille aimantée : une boussole sert à indiquer la direction du nord. L'observation des autres éléments de la boussole permet aux élèves de comprendre son fonctionnement (une boussole, c'est essentiellement une aiguille aimantée mobile sur un pivot) et d'en fabriquer un modèle simplifié (boussole flottante). Au cours de la dernière séance, optionnelle, les élèves peuvent approfondir leur connaissance des aimants par la découverte de leurs pôles, de leurs interactions et de l'orientation privilégiée de tous les aimants à la surface de la Terre.

– séance 2 : découverte de la boussole
– séance 3 : observation de la boussole
– séance 4 : fabrication d'une boussole
– séance 4 bis : interaction entre aimants et orientation à la surface de la Terre (en option)
 


Séance 2 : découverte de la boussole

Résumé

Les élèves découvrent la boussole, l'orientation privilégiée de l'aiguille aimantée et sa nature.

Objectifs

Introduire la boussole, sa fonction, les éléments qui la composent.

Matériel

Par élève :
• Une illustration du Livre des merveilles montrant Marco
Polo utilisant une boussole (document à photocopier donné en annexe).
• texte inspiré du Livre des merveilles .

Par groupes de deux élèves :
• Une boussole.
• Objets de différents matériaux : clou, trombone, paire
de ciseaux, objets métalliques non ferromagnétiques (fil de cuivre ou de soudure, règle en aluminium, pièce de 20 centimes), polystyrène, plastique, papier, gomme.
• Un aimant.

Introduction de la boussole


Une boussole d'orientation

Demander aux élèves de récapituler la séance précédente, ce qui permet de rappeler les recherches effectuées sur Marco Polo. Distribuer ensuite l'illustration du Livre des merveilles montrant Marco Polo s'orientant avec les étoiles et une boussole (cf. annexe) et demander aux élèves de décrire cette illustration : que voit-on ? comment le bateau avance-t-il ? que fait Marco Polo sur son bateau ? comment se repérer en mer ? Les élèves reconnaissent sans difficulté la boussole ; orienter alors le débat vers l'utilisation de cet instrument par Marco Polo et introduire les phrases inspirées du Livre desmerveilles pour compléter les commentaires des élèves :

« Nicolo et Matteo Polo, respectivement père et oncle de Marco, ont découvert en Chine un étrange instrument, que les Chinois appelaient « montre-sud » et
qui leur servait à trouver leur chemin. Nicolo et Matteo en ramènent un exem- plaire à Venise. Marco Polo, alors âgé de dix-sept ans, trouve cet objet curieux
et décide de l'observer de plus près […] »
« Si trop de nuages l'empêchent de distinguer ces précieux repères, une bous- sole chinoise lui indique le sud et suffit à lui tracer la route. »

Émission d'hypothèses sur la fonction d'une boussole

Chaque élève note sur son cahier d'expériences à quoi sert une boussole : trouver le nord, s'orienter… Ne pas faire de commentaire et revenir plus tard sur ces réponses.

Note scientifique : Les élèves pensent qu'une boussole permet de savoir où on est et de retrouver son chemin lorsqu'on est perdu, ce qui n'est pas le cas. Pour pouvoir se
situer, il faut combiner l'utilisation de la boussole et d'une carte : lors d'un parcours, en partant d'une position connue sur la carte, la boussole permet de maîtriser ses déplacements (en me déplaçant dans cette direction, je passerai à tel endroit indiqué sur la carte) et, inversement, de déterminer le chemin à suivre pour atteindre un point donné sur la carte (pour aller à tel endroit, je dois prendre telle direction). Si on est perdu, une boussole permet uniquement de ne pas tourner en rond, de suivre toujours une même direction, que l'on peut choisir en s'aidant de la carte.

Note pédagogique : En général, au cours moyen, la plupart des élèves savent qu'une boussole indique « le nord », même si cette notion n'est pas totalement comprise. Ils s'étonneront donc si les boussoles n'indiquent pas la même direction en classe. En revanche, des élèves plus jeunes (CE2 en particulier) ne s'étonneront pas des orientations différentes des aiguilles s'ils n'ont jamais manipulé de boussoles et n'ont aucune connaissance sur cet instrument. On peut donc envisager deux parcours pédagogiques :
– pour les élèves plus âgés ou ayant déjà des connaissances affirmées sur la boussole, la première manipulation se fera en classe, pour provoquer l'étonnement et le questionnement, puis la seconde dans la cour ;
– pour les autres, on commencera par mettre en évidence dans la cour l'orientation privilégiée de l'aiguille avant de manipuler en classe et de constater des orientations aléatoires.

Manipulation de boussoles en classe

Distribuer une boussole par binôme et laisser les enfants la manipuler librement : certains tournent sur eux-mêmes, montent sur une chaise, se déplacent dans la classe…
Après cette première exploration, ils partagent leurs observations. À titre d'exemple, voici des remarques ou des questions possibles :

1. Comment faut-il tenir la boussole : horizontalement, verticalement ou penchée ?
2. Elle a deux aiguilles, une blanche (ou noire) et une rouge.
3. L'aiguille tourne si on approche des ciseaux ou des trombones.
4. Si on approche deux boussoles l'une de l'autre, les aiguilles s'attirent comme deux aimants.
5. Notre boussole n'indique pas le nord, l'aiguille va vers l'est.
6. L'aiguille montre la porte pour certains, d'autres disent qu'elle est dirigée vers le bureau du maître.
7. Nos boussoles ne fonctionnent pas, elles n'indiquent pas la même direction !

Note pédagogique : Dans la plupart des classes, les tables ont des pieds en acier qui agissent sur les aiguilles aimantées des boussoles ; celles-ci n'indiquent donc effectivement pas toutes la même direction.
Cette dernière remarque peut avoir une autre origine : pour certains élèves, le nord est un point et non une direction ; ils s'étonnent donc que, pour certains groupes, l'aiguille montre la porte alors qu'elle est dirigée vers le bureau du maître pour d'autres.

La boussole semble indiquer quelque chose, mais quoi ? Pour répondre à cette question, en s'appuyant sur les remarques des élèves (par exemple : « Suivant l'endroit où on pose la boussole sur la table, l'aiguille n'a pas la même direction » ou « Il y a des objets qui font tourner l'aiguille »…), proposer d'aller manipuler dans la cour.
Expliquer alors que cela permettra d'échapper à l'influence des différents objets de la classe. L'objectif affiché est de savoir si toutes les boussoles indiquent ou non « la même chose », formulation volontairement vague car, à ce stade, la notion de direction n'est
souvent pas encore claire pour les élèves.

Manipulation de boussoles dans la cour

Dans la cour, les élèves sont invités à tenir leur boussole horizontalement. Ils vont constater que, quand ils tournent le cadran de la boussole, l'aiguille garde la même direction. On peut ensuite leur suggérer de pivoter sur eux-mêmes d'un demi-tour et de noter le comportement de l'aiguille.

Pour pouvoir comparer les indications des différentes boussoles, leur demander de matérialiser la direction de l'aiguille. Pour cela, les élèves peuvent tendre le bras dans la direction de l'aiguille, dessiner à la craie cette direction sur le sol ou encore tendre une ficelle dans la direction de l'aiguille. En prenant un peu de recul, ils constateront le parallélisme des bras tendus de leurs camarades, des traits de craie au sol ou des ficelles : les aiguilles des boussoles sont toutes parallèles entre elles, quelle que soit la position du boîtier ; elles déterminent donc une direction. Confirmer alors qu'il s'agit bien de la direction nord-sud, mais rien ne permet de dire a priori quelle extrémité désigne le nord. On pourra indiquer directement que c'est la partie colorée de l'aiguille, ou choisir de mettre en place une recherche documentaire, en lien éventuellement avec l'observation du mouvement apparent du Soleil au cours d'une journée. On doit aboutir à la conclusion suivante :
la boussole indique la direction nord-sud, le nord correspondant au côté coloré de l'aiguille.

Note scientifique : Nous rappelons qu'au sens strict la direction indiquée par une boussole est nord-sud, mais que le terme « direction » n'a pas la même signification selon que l'on utilise la boussole pour connaître une orientation ou pour se déplacer. À la question « quelle est la direction de cette route ? » (statique), la réponse peut être « nord-sud » (c'est l'orientation de la route) ; mais, dès que nous nous mettons en mouvement (dynamique), nous empruntons cette route dans un sens (orientation de notre déplacement). C'est parce que la boussole est un outil utilisé pour se déplacer que, à la question « dans quelle direction est cet arbre ? », on peut recevoir une réponse sur une des extrémités de cette direction seulement.

D'autre part, pour que les indications du cadran soient utilisables, il faut faire tourner le boîtier jusqu'à ce que le nord du cadran coïncide avec la partie colorée de l'aiguille. Alors seulement, on peut lire les indications sur le cadran et déterminer les autres directions. On pourra proposer quelques exercices simples aux élèves : se tourner vers l'ouest, tendre le bras vers l'est, se déplacer vers le sud… Il ne faut pas s'étendre sur ces activités, qui seront développées dans la séquence 3 « Les points cardinaux, l'orientation », mais il s'agit de répondre aux questions et remarques des élèves sur les graduations du cadran. Lors des déplacements (vers le sud par exemple), insister sur le parallélisme de ces déplacements.

Expérimentation avec des boussoles et des aimants en classe

La fonction de la boussole ayant été clairement établie, demander aux enfants pourquoi certaines boussoles indiquent pourtant des directions très différentes en classe, ce que l'on peut vérifier à nouveau (chacun pose sa boussole sur la table et tend le bras dans la direction de l'aiguille). On s'interroge sur ce qui peut être à l'origine de ce décalage :
les élèves mettent en cause les objets situés à proximité, les matériaux dont ils sont constitués ; le fait que l'aiguille est un aimant est toujours évoqué par plusieurs élèves.
Pour tester cette hypothèse, proposer de comparer l'action de certains objets (cf. liste du matériel) sur la boussole et sur un aimant. Les résultats sont rassemblés dans un tableau à quatre colonnes : liste d'objets, matériaux qui les constituent, interaction avec un aimant, interaction avec l'aiguille de la boussole.
Les élèves constatent que l'aiguille de la boussole comme l'aimant interagissent avec tous les objets « en fer » (ou en nickel) ou qui en contiennent, ainsi qu'avec des aimants.
En revanche, ni l'aiguille de la boussole ni l'aimant n'interagissent avec l'aluminium, le cuivre, le polystyrène, la gomme ou le papier. On en déduira donc que l'aiguille de la boussole, qui se comporte comme un aimant, est bien un aimant.

Conséquence : Pour qu'elle indique le nord, la boussole doit être tenue ou posée à l'écart de tout matériau ferromagnétique (fer ou nickel, mais on peut se contenter de parler de « fer » à l'école élémentaire). Les élèves découvrent alors facilement pourquoi il faut éloigner la boussole des tables pour l'utiliser (les pieds des tables et leurs supports en fer font dévier l'aiguille aimantée de la boussole).

Note pédagogique :
– Si les élèves n'ont jamais étudié les aimants, il faut prévoir une séance préalable : dès que certains élèves évoquent l'existence d'un aimant dans la boussole, proposer de consacrer une séance à les étudier, et principalement à identifier des matériaux qui interagissent avec eux.
– Même si les élèves sont familiarisés avec les aimants, il est parfois préférable de scinder la séance 2 en deux parties : fonction de la boussole d'une part, découverte de l'aiguille aimantée d'autre part.

Trace écrite

De retour en classe, les élèves dessinent plusieurs cadrans de boussole et leurs aiguilles toutes parallèles entre elles.
Ils notent également la fonction de la boussole sur leur cahier d'expériences :
Une boussole est un instrument qui indique la direction nord-sud : c'est en général le côté rouge de l'aiguille qui est orienté vers le nord. Cependant, il faut bien faire attention à utiliser la boussole loin d'objets en fer ou d'aimants, car l'aiguille est un aimant ; elle interagit donc avec ces objets.

Prolongements possibles

* En géographie : Travail sur la notion de méridien
– les lignes nord-sud tracées dans la cour (parallèlement aux aiguilles des boussoles) matérialisent le méridien local pour chaque position de la boussole ;
– à l'échelle de la Terre, les méridiens sont des lignes imaginaires reliant le pôle Nord au pôle Sud.
En observant des globes terrestres de grande taille, les élèves pourront constater que ces lignes semblent parallèles entre elles dans la cour et même sur l'ensemble de la surface de la France, car ces espaces sont très petits par rapport aux dimensions de la sphère terrestre.
* En histoire :
Étudier la gravure jointe en annexe: à quelle époque a-t-elle été réalisée ? à quoi peut-on le voir ? aux vêtements des personnages ? aux bateaux ?
Étudier les moyens de transport : comment voyageait-on à l'époque ?
* Historique de la boussole :
Qui a inventé la boussole ? Quand a-t-elle été inventée ?
* En français :
Il est possible de faire des recherches avec les élèves sur l'étymologie des termes « orienter » et « boussole ».
• Orienter : ce verbe doit son sens à la manière dont on avait l'habitude de diriger un édifice, la direction privilégiée étant souvent celle de l'est (l'Orient). En effet, le Soleil se levant vers l'est, cette direction a toujours eu une connotation religieuse, ce qui explique le choix de cette direction. On peut noter cependant qu'aujourd'hui on choisit de se repérer à l'aide de boussoles, et donc par rapport au nord plutôt qu'à l'est.
• Boussole : ce mot vient de l'italien boussola, « petite boîte ». La boussole est un instrument qui sert à s'orienter. Cette « petite boîte », qui contient une aiguille aimantée indiquant la direction du nord magnétique, a été inventée en Chine et introduite en Europe par l'intermédiaire des marchands et des savants arabes du Moyen Âge.


Séance 3 : observation de la boussole

Remarques préalables : Il n'est pas toujours facile de trouver des boussoles démontables. On trouve cependant, chez certains fabricants de matériel, des boussoles en kit que l'on pourra monter au préalable. Il est également envisageable de démonter une ou deux boussoles bon marché.
Certaines boussoles contiennent un liquide qui sert à stabiliser l'aiguille et à amortir ses mouvements.

Résumé

En observant une boussole, les élèves font la liste des éléments qui la composent et de leurs fonctions respectives. Ils réalisent un schéma légendé de cette boussole.

Objectifs

Découvrir les éléments de base qui constituent une boussole, dans le but d'en fabriquer une.

Matériel

• Si possible quelques boussoles bon marché démontées (on peut facilement ôter les opercules transparents avec un couteau à huîtres).
• Une boussole par groupe de deux élèves.

Introduction

Un extrait inspiré du Livre des merveilles sert de point de départ à cette séance ; ce texte peut être lu à toute la classe ou encore distribué à tous les élèves pour que l'un d'eux le lise à haute voix :

« Matteo et Nicolo ont découvert, lors de leur premier voyage en Chine, d'étranges objets qui indiquaient la direction du sud : les « montre-sud ». Pour essayer d'en comprendre le fonctionnement, ils en ramènent une à Marco pour qu'il l'étudie. Il commence par faire l'inventaire des éléments qui la constituent pour pouvoir la reproduire, voire l'améliorer. »

Expliquer que, les boussoles étant chères, il n'est pas possible que chaque élève en démonte une ; en revanche, l'observation des éléments importants et une réflexion sur leur rôle permettra, dans une prochaine séance, de fabriquer une boussole qui fonctionne.

Observation et schématisation de la boussole

Des boussoles non démontées sont distribuées aux élèves. Leur demander de les dessiner en essayant de deviner quels sont les éléments non visibles. Si possible, on peut faire circuler dans la classe une boussole démontée ou sans couvercle (cela facilite la découverte du pivot).

Les productions les plus significatives sont affichées. On peut obtenir trois types de dessins :
– le dessin le plus fréquent, en vue de dessus : l'élève dessine ce qu'il voit sur la table en étant assis sur sa chaise ;
– la vue en trois dimensions ;
– la vue de côté.
Un exemple de dessin d'élève est joint en annexe.

Il est peu probable que des élèves dessinent une boussole vue de côté (ou de profil), sauf s'ils l'ont observée démontée. Engager alors une discussion sur les avantages et des inconvénients des différentes représentations : la vue de profil permet de mettre en évidence le rôle du pivot ; la vue de dessus montre mieux la position de l'aiguille par rapport au cadran gradué et la nécessité d'aligner cette aiguille avec la direction nord-sud du cadran. Le dessin en 3 D, s'il conjugue les avantages des deux autres représentations, est plus difficile à produire et à exploiter par les élèves. On retiendra la vue de côté, qui rend compte de manière plus précise et plus claire du montage de la boussole et de son fonctionnement. Les dessins en vue du dessus seront réservés pour être éventuellement réutilisés lors de la séquence 3 sur l'orientation. Lister les parties essentielles de la boussole et introduire, si nécessaire, le vocabulaire précis : boîtier, cadran gradué, opercule transparent, pivot, aiguille aimantée.

Étude des différentes parties de la boussole

Les élèves sont invités à élaborer un tableau dans lequel ils doivent faire apparaître les différents éléments de la boussole, les matériaux correspondants et la fonction de
chacun d'eux.
Un exemple de fiche type à remplir est fourni en annexe, avec un exemple de réponse d'élève.

Synthèse

Afficher au tableau et discuter les résultats des différents groupes.

Note scientifique : Si la fonction de l'aiguille ne pose pas de problème aux élèves, sa matière ne peut pas être déterminée à ce stade de l'étude : seule une séance
de travail sur le phénomène d'aimantation leur permettrait de dire qu'elle est en acier. Les élèves pensent souvent que l'aimant est en fait une matière particulière, comme le fer, le cuivre…
Or un aimant est un objet en matériau ferromagnétique (acier généralement) qui a été aimanté (c'est-à-dire transformé en aimant) par proximité avec un autre aimant ou
à l'aide d'un courant électrique. Un aimant, tout comme un courant électrique, a en effet la propriété de créer un champ magnétique capable d'aimanter (c'est-à-dire de transformer en aimant) les substances ferromagnétiques. Parmi elles, l'acier (alliage de fer et de carbone contenant moins de 5 % de carbone) conserve cette aimantation lorsque le champ magnétique disparaît (on parle d'aimantation rémanente). Une aiguille aimantée est tout simplement un aimant qui a la forme d'une aiguille, c'est-à-dire une aiguille en acier qui a été aimantée. Certains élèves pensent que la boussole comporte une aiguille et un aimant, alors qu'on est en fait en présence d'un seul et même
élément : l'aiguille aimantée.

• La matière du boîtier (lorsqu'il n'est pas en plastique) est intéressante à étudier :
certains élèves diront sans doute qu'il est en fer, alors qu'il n'en est rien, car le fer agirait sur l'aimantation de l'aiguille. Le maître demandera comment tester ce matériau : les élèves proposeront rapidement d'approcher un aimant et constateront qu'il n'y a pas d'attraction entre l'aimant et le boîtier.

• Les élèves peuvent observer une bulle dans le boîtier de certaines boussoles et, s'ils démontent une boussole contenant du liquide, ils verront que ce dernier est gras. Certains enfants pensent qu'il agit sur l'aimantation de l'aiguille, mais on constate que celle-ci reste aimantée lorsqu'on la retire du liquide. La discussion permet de comprendre le rôle du liquide : il amortit le mouvement de l'aiguille et lui permet de se stabiliser plus rapidement.

Trace écrite

Pour clore la séance, les enfants schématisent une boussole et légendent leur schéma en tenant compte de l'ensemble des observations et des remarques faites au cours de la séance (en termes de contenus, mais également de schématisation). Ces schémas permettent une évaluation formative des élèves.
Ces derniers complèteront également sur leur cahier d'expérience le tableau des éléments constitutifs de la boussole et de leurs fonctions respectives :
– l'aiguille aimantée sert à indiquer la direction nord-sud ;
– le cadran gradué (ou la rose des vents) indique les points cardinaux ;
– le pivot permet la rotation de l'aiguille ;
– l'opercule transparent retient l'aiguille et permet, grâce à sa transparence, de voir l'aiguille et les graduations ;
– le boîtier maintient l'ensemble.

Ils notent ensuite une phrase résumant le fonctionnement de la boussole, par exemple :

La boussole est constituée d'une aiguille aimantée qui peut tourner librement sur un pivot. Ce pivot est fixé à un boîtier sur lequel est dessiné un cadran gradué.

Prolongements possibles

En mathématiques :
Le cadran de la boussole, gradué en degrés, fournit l'occasion de travailler sur la notion de fraction : un tour entier fait 360°, combien va faire un demi-tour ? Laisser les élèves répondre et proposer éventuellement de chercher ou de vérifier cela sur le cadran de la boussole. On pourra ensuite diviser le cadran en quarts (90°, 180°, 270°, 360°). Pour expliquer le fait que 360° et 0° se superposent, il est commode de faire l'analogie avec le fonctionnement d'une horloge : arrivé à 23h59, on passe alors à minuit (24h ou 0h) et on recommence la nouvelle journée en reprenant le compte des heures à zéro.

Échanges

Les dessins de boussoles réalisés par des élèves pourront être publiés et partagés sur le site Internet du projet. Cela pourra donner l'occasion de voir d'autres représentations que celles auxquelles les élèves avaient pensé et éventuellement d'autres boussoles que celles utilisées dans la classe.


Séance 4 : fabrication d'une boussole.

Résumé

À l'aide du matériel fourni et des observations de la séance précédente, les élèves doivent fabriquer une boussole flottante. Cette boussole
sera schématisée, légendée et éventuellement décrite par une fiche technique.

Objectifs

Fabriquer une boussole simple

Matériel

• De petites plaquettes de polystyrène ou de liège.
• Des aiguilles à coudre.
• De grandes bassines d'eau.
• Du fil fin.
• Des aimants.

Rappeler brièvement de quels principaux éléments est constituée la boussole que l'on a observée précédemment, notamment le pivot et l'aiguille aimantée. Pour introduire la fabrication d'une boussole, on poursuit la route de Marco Polo en lisant un épisode inspiré du Livre des merveilles :

« La boussole de Nicolo et Matteo est en morceaux, alors qu'ils se préparent pour un second voyage en Chine, cette fois accompagnés de Marco Polo. Disposer d'une boussole est de la première nécessité, car une part importante du voyage se déroulera par voie des mers. Marco pense avoir compris le fonctionnement de la boussole. En fabriquer une lui semble tout à fait à sa portée […] »

Demander aux élèves d'essayer de trouver comment Marco Polo a pu fabriquer simplement une boussole. Il faut, dans un premier temps, lister le matériel dont on aura besoin : l'étude précédente doit permettre de dégager rapidement l'essentiel, à savoir la nécessité de disposer d'une aiguille aimantée qui puisse pivoter librement. Une discussion s'engage alors entre les enfants qui cherchent le plus souvent un moyen pour reproduire le système du pivot de l'aiguille aimantée. Le maître précise que les aiguilles dont on dispose en classe sont des aiguilles à coudre qu'il montre aux élèves et il souligne la difficulté technique à réaliser un pivot. Il engage les élèves à trouver un autre moyen pour rendre l'aiguille mobile : « Comment peut-on faire en sorte que l'aiguille tourne librement sans avoir recours à un pivot ? »
Si aucune idée réaliste ne surgit après une dizaine de minutes, aider les élèves en leur présentant le matériel apporté pour fabriquer la boussole flottante ou en faisant référence à la boussole chinoise en forme de poisson représentée ci-dessous.

Cette boussole, décrite dans un livre chinois de 1044, est constituée par une feuille de fer aimantée en forme de poisson (le fer était porté au rouge dans un feu de bois, puis rapidement trempé dans l'eau).
Voici comment, dans un traité militaire (Wou King Tsong Yao), Tseng Kong-Liang décrit le « poisson-montre-sud » :
« Au moment de s'en servir, on place une tasse d'eau dans un endroit sans vent et, à l'équilibre, on lâche le poisson à la surface de l'eau en sorte qu'il flotte : sa tête indique constamment le sud. » (cité dans Tsing Hua, Journal of Chinese Studies, juin 1956, p. 89).

Fabrication d'une boussole flottante

Distribuer à chaque groupe de trois ou quatre élèves le matériel décrit dans l'encadré : polystyrène ou liège, aiguille, bac à eau. Demander ensuite aux enfants de fabriquer leur propre boussole.
Certains élèves essaient de mettre l'aiguille dans l'eau, mais celle-ci coule, d'où la nécessité d'utiliser du polystyrène ou du liège. Une fois les aiguilles à flot, on peut comparer leurs directions et constater qu'elles sont différentes. Comment faire pour qu'elles indiquent le nord ? On se rappelle que l'aiguille doit être aimantée. Indiquer alors aux élèves comment faire : il faut frotter l'aiguille, toujours dans le même sens, avec une extrémité de l'aimant. Cette dernière étape devra parfois être guidée par l'enseignant (cf. annexe).
Une fois l'aiguille aimantée, les élèves observent qu'elle prend une direction privilégiée et que cette direction est la même dans tous les groupes. Ils parlent naturellement du nord… Mais comment le vérifier ? Ils proposent facilement une boussole témoin qui permet de valider le fonctionnement des boussoles flottantes et de trouver quelle est l'extrémité de l'aiguille qui indique le nord. Cette fabrication d'une boussole simplifiée permet non seulement de valider les hypothèses relatives au fonctionnement de la boussole émises lors des précédentes séances, mais également de démystifier cet instrument : il n'est pas « magique », comme beaucoup d'enfants le pensent au départ.

Note pédagogique : Il est intéressant de faire l'expérience en deux temps. Les élèves utilisent tout d'abord des aiguilles non aimantées et leur comparaison montre qu'elles ont des directions aléatoires. Ensuite ils aimantent les aiguilles qui vont alors toutes s'orienter dans la même direction.

Mise en commun

Les enfants peuvent se demander comment a pu faire Marco Polo s'il ne possédait pas de boussole témoin. Cela permet de lancer une discussion sur les différents moyens permettant de se repérer sans boussole : la position du Soleil aux différents moments de la journée, la position de l'Étoile polaire, qui reste fixe dans le ciel au-dessus de l'horizon nord…

Note pédagogique : Beaucoup d'enfants de cet âge (8-11 ans) ne savent pas que le Soleil se lève vers l'est, se couche vers l'ouest et culmine au sud à midi solaire. Attention également à la confusion entre Étoile polaire et Étoile du Berger, cette dernière étant en fait une planète, Vénus. Ces échanges n'ont pas pour but d'expliquer comment s'orienter grâce au Soleil ou aux étoiles, mais simplement de souligner que Marco Polo disposait de ces connaissances. Ils permettent également au maître de faire le point sur les connaissances des élèves à ce sujet et de lancer ensuite, si nécessaire, des observations précises, en particulier celle du mouvement apparent du Soleil au cours de la journée. Des séances pour étudier ce mouvement sont décrites sur le site de La main à la pâte (http://www.fondation-lamap.org, rubrique « Nos ressources», puis « Activités pour la classe », puis « Ciel, Terre, Univers »

La plupart des enfants pensent que c'est la pointe de l'aiguille qui a été frottée qui indique le nord, alors qu'en fait cela dépend du pôle de l'aimant avec lequel on l'a frottée. Grâce à la boussole témoin (ou éventuellement grâce à l'Étoile polaire), on peut savoir quelle extrémité de l'aiguille indique le nord.

Schématisation des boussoles réalisées

Demander aux enfants de schématiser leur réalisation sur leur cahier d'expériences. Plusieurs problèmes de représentation se posent à nouveau. Certains préfèrent dessiner avec une vue d'en haut, d'autres de profil, et certains se risquent à le faire en trois dimensions.

Exemples de représentations de la boussole flottante par des enfants.

Trace écrite

Les élèves mettent au point une fiche technique permettant de fabriquer une boussole flottante et la copient sur leur cahier d'expérience (voir exemple en annexe).

En français :
Travail sur des verbes techniques : démonter, monter, fabriquer…
Demander aux élèves de réaliser une fiche technique incluant le mode de fabrication d'une boussole, en employant exclusivement des verbes à l'infinitif, à la manière d'une recette de cuisine (texte prescriptif).
Ce texte pourra être communiqué à une autre classe.

En sciences :
Une séance complémentaire sur les aimants peut être utile pour étudier les interactions aimant-aimant (cf. séance 4 bis)