Knex 78620 - Education Intro to Wheels and Axles and Inclined Planes Teachers Guide Manuel utilisateur

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Education
LE GUIDE DE
L’ENSEIGNANT
LES MACHINES SIMPLES
LES ROUES ET LES AXES ET LES PLANS INCLINÉS
78620
Wheels
& Axles
LES MACHINES
SIMPLES
LES ROUES ET LES AXES
ET LES PLANS INCLINÉS
Guide de l’enseignant
96265-V3-10/14
© 2014 K’NEX Limited Partnership Group
Protégé par le droit d’auteur international.
Tous droits réservés.
Développé, produit et distribué aux
États-Unis et au Canada
Par K’NEX Education
K’NEX Limited Partnership Group
P.O. Box 700
Hatfield, PA 19440-0700
1-888-ABC-KNEX
courriel : abcknex@knex.com
Visitez notre site internet :
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K’NEX Education est une marque déposée
de K’NEX Limited Partnership Group.
Cet ensemble est conforme aux
spécifications du règlement F963-03
(Standard Consumer Safety Specification
on Toy Safety) de l’ASTM.
Ouvré sous les brevets américains
5,061,219; 5,199,919; 5,350,331;
5,137,486.
Autres brevets américains et étrangers
en instance.
! ATTENTION :
RISQUE D’ÉTOUFFEMENT – Pièces de petite taille.
Ne convient pas aux enfants de moins de 3 ans.
Note de sécurité
La sécurité est une préoccupation primordiale
dans une classe de sciences et technologies.
Il est recommandé que vous établissiez des règles
de sécurité qui vous permettront d’utiliser les
accessoires K’NEX en toute sécurité. Dans le cas
de ce matériel, l’usage d’élastiques doit être bien
contrôlé.
Attention particulière :
Les étudiants ne doivent pas étirer ou enrouler les
élastiques à l’excès, car ils risquent de se blesser
ou de blesser un autre étudiant. Toute marque de
détérioration des élastiques doit être mentionnée à
l’enseignant. Les enseignants et les étudiants doivent
toujours s’assurer que les élastiques soient en bon
état et ce, avant chacune des expériences.
Il est important d’éloigner les mains et les cheveux des
pièces mobiles. Ne jamais mettre les doigts dans les
engrenages ou autres pièces mobiles.
Dans le présent document, le générique masculin est utilisé sans aucune discrimination et uniquement dans le but
d’alléger le texte.
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Introduction :
Wheels
AxlesSIMPLES
LES &
MACHINES
Informations générales
Ce Guide de l’enseignant a été développé pour vous aider pendant que vos étudiants explorent l’ensemble
Introduction aux machines simples : Les Roues et les axes et Les Plans Inclinés de K’NEX Education. Les
informations et les ressources contenues dans ce guide, jumelées au matériel K’NEX et au Journal de l’étudiant, vous
permettront d’accompagner vos étudiants dans leur compréhension de concepts scientifiques et de les guider dans
leurs recherches à travers des expériences concrètes et significatives.
Introduction aux machines simples : Les Roues et les axes et Les Plans inclinés
Cet ensemble de construction K’NEX fait partie d’une série de modèles conçus pour introduire les étudiants à certains
concepts scientifiques. Cet ensemble est axé sur la découverte des principes de base de deux machines simples : les
roues et les axes ainsi que les plans inclinés. Les étudiants ont la possibilité d’apprendre en utilisant un matériel
simple et une approche basée sur l’enquête scientifique. Le travail coopératif encourage les étudiants à s’entraider afin
de construire, de comprendre, de discuter et d’évaluer différents principes scientifiques en action.
Le Guide de l’enseignant
Conçu afin de procurer à l’enseignant une variété de ressources, le Guide de l’enseignant lui fournit un glossaire
de concepts-clé et leurs définitions. Il inclut également un aperçu général des concepts associés aux roues, aux axes
et aux plans inclinés. Les objectifs spécifiques de chacun des chapitres y sont identifiés. Ce guide offre aussi des plans
et des scénarios pour présenter chacune des machines simples et les activités qui lui sont associées. La plupart des
unités peuvent être complétées en 30 à 45 minutes. Vous trouverez également des activités supplémentaires pouvant
être réalisées afin d’approfondir un concept en particulier. Nous recommandons aux enseignants de consulter leur
programme afin d’identifier les activités qui leur permettront d’atteindre leurs objectifs.
Le Journal de l’étudiant
Il est recommandé que chaque étudiant dispose d’un journal afin de noter les informations relatives à chacune des
expériences. Les étudiants devraient être encouragés à noter leurs hypothèses avant de commencer une activité.
Ces hypothèses pourront être vérifiées selon les découvertes qu’ils feront lors de l’expérience. Ces informations
leur permettront de faire le lien entre les différents concepts étudiés. Ils comprendront plus facilement les modèles
construits, les expériences réalisées et pourront relier ces informations au fonctionnement de machines qu’ils utilisent
ou voient fonctionner quotidiennement. Le journal permettra aux étudiants d’apprendre à dessiner des diagrammes
et des plans. Il est aussi un moyen d’évaluation pour l’enseignant. Le Guide de l’enseignant comprend une feuille de
contrôle des journaux et ce, pour chacun des modèles et des activités qui lui sont associées.
TABLE DES MATIÈRES
Les Roues et les axes.............................................................................................................................. 3-22
Objectifs................................................................................................................................................................... 3
Mots-clés et définitions........................................................................................................................................ 3-4
Concepts-clés........................................................................................................................................................ 4-6
Le Puit................................................................................................................................................................ 7-13
Le Bateau à aubes............................................................................................................................................ 14-18
Le Volant de direction...................................................................................................................................... 19-22
Les Plans inclinés................................................................................................................................. 23-39
Objectifs................................................................................................................................................................. 23
Mots-clés et définitions.................................................................................................................................... 23-24
Concepts-clés.................................................................................................................................................... 24-25
Les Rampes d’accès.......................................................................................................................................... 26-30
Le Coin fendeur............................................................................................................................................... 31-34
La Perceuse à main.......................................................................................................................................... 35-39
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Les Roues et les axes
Wheels
LES ROUES&
ETAxles
LES AXES
Informations générales
Objectifs
Les étudiants devront :
1. étudier les caractéristiques d’un système de roue et d’axe pour en comprendre le
fonctionnement.
2. décrire les relations entre les composantes d’un système de roue et d’axe.
3. construire différents types de systèmes de roue et d’axe et en démontrer le fonctionnement.
4. identifier quelle composante (la roue ou l’axe) est à l’origine du mouvement dans le
système et comment cette composante affecte la façon dont fonctionne la machine simple.
5. identifier comment la roue et l’axe fonctionnent en relation avec la force, la distance, la
vitesse et la direction.
6. comprendre comment la taille de la roue et de l’axe affecte le travail accompli.
7. analyser les objets (ou outils) selon leur utilisation en tant que système de roue et d’axe.
Les mots-clés et leurs définitions pour l’enseignant
Ce qui suit est une ressource pour l’enseignant. Selon l’âge, les habiletés, les connaissances de base et le programme
de votre cours, vous pourrez choisir d’utiliser certaines des définitions suivantes. Ces mots-clés ne sont pas présentés
comme une liste devant être apprise par coeur par les étudiants. Ils peuvent cependant être utilisés afin de clarifier les
concepts que les étudiants rencontreront en cours de route.
Les machines simples :
Un outil simple qui facilite un travail donné. Les machines les plus simples ne présentent qu’une seule partie mobile.
Elles facilitent un travail en changeant la façon dont ce travail s’effectue. Elles ne changent pas la quantité de travail
requise pour accomplir une action.
La roue et l’axe :
Un disque rond (une roue) muni d’une tige (l’axe) fixée à travers son centre de telle façon que lorsque l’un tourne,
l’autre suit le mouvement. Certains systèmes ressemblent effectivement à une roue, mais d’autres peuvent prendre
l’apparence d’une poignée (canne à pêche, poignée de porte) ou d’un bouton (bouton de volume d’une radio). Tous
ces mécanismes fonctionnent comme un levier tournant autour d’un point fixe.
La force :
Tout type de poussée ou de traction appliquée à un objet.
Le travail :
Une tâche peut être accomplie lorsqu’on utilise une roue et un axe. En sciences, le travail réfère à l’usage d’une force
pour bouger une charge (un objet) sur une certaine distance. Le travail se définit ainsi :
T=FxD
T = travail
F = force (effort) appliquée à la tâche
D = distance sur laquelle la force est appliquée
Où
NOTE : Si l’objet ne bouge pas, le travail n’a pas été accompli.
L’effort :
La force qui est appliquée pour bouger l’une des composantes d’une machine simple (par exemple : la force appliquée
pour faire un travail). Si une roue fait tourner un axe, la force d’effort est la mesure de la force qui est appliquée à la
roue sur la distance parcourue par la roue. La machine transfère alors la force à l’axe qui peut déplacer la charge.
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GUIDE DE I’ENSEIGNANT
La résistance :
La force exercée par l’objet (la charge) sur lequel on tente d’accomplir un travail; résiste à l’effort appliqué.
La charge :
L’objet (ou le poids) déplacé ou la résistance qui est vaincue grâce à un système de roue et d’axe. Cette charge exerce
une force (résistance) contre la roue et l’axe.
La friction :
La force produite par deux surfaces qui frottent l’une contre l’autre lorsqu’un objet est en mouvement.
L’effet mécanique :
Un calcul mathématique qui indique combien de fois une machine simple multiplie la force résultant de l’effort.
Dans le cas de la roue et de l’axe, l’effet mécanique se calcule ainsi :
Rayon d’effort (ER)
Rayon de résistance (RR)
= Effet mécanique (EM)
RE = le rayon de la roue ou de l’axe fournissant l’effort
RR = le rayon de la roue ou de l’axe qui ne fournit pas l’effort
Où
L’effet mécanique est toujours exprimé comme un nombre sans unité. Exemple : EM = 2.
L’axe fournit
l’effort
La roue fournit
l’effort
RE
RE
RR
RR
Concepts-clés
Pour déplacer une charge en utilisant un mécanisme de roue et d’axe, la force de l’effort est appliquée soit pour
faire tourner la roue ou pour faire tourner l’axe.
Un mécanisme de roue et d’axe se comporte comme s’il était un levier rotatif dont le point d’appui serait l’axe.
Avec les leviers, plus l’effort est loin du point d’appui, moins l’effort nécessaire pour soulever la charge est grand.
C’est également vrai dans le cas de la roue et de l’axe. Plus la roue est large, moins l’effort nécessaire est grand.
Un système de roue et d’axe facilite l’accomplissement d’un travail de plusieurs façons :
Augmenter la force appliquée pour accomplir un travail.
Parce que la roue et l’axe agissent comme un levier rotatif, lorsque la roue tourne, son bord bougera sur une
plus grande distance que l’axe. L’axe, cependant, en tournant sur une plus courte distance, gagne en force ce
qu’il perd en distance parcourue. La force est donc augmentée à cause de la différence de taille entre la roue
et son axe.
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LES MACHINES SIMPLE
Wheels
LES ROUES&
ET Axles
LES AXES
Par exemple, faire tourner le mécanisme interne d’une poignée de porte, sans utiliser la poignée est
très difficile. Le bouton de porte rend la tâche plus facile en réduisant l’effort nécessaire pour faire
tourner le mécanisme. Le bouton de porte effectue une plus grande rotation que la tige, mais il
nécessite un plus petit effort. Au même moment, la tige tourne aussi, sur une plus petite distance,
mais exerce une plus grande force sur le mécanisme.
ROUE : La force de
l’effort est minime, mais
elle est appliquée sur
une plus grande distance.
AXE : L’axe tourne sur une
plus petite distance, mais
exerce une force plus grande.
ROUE
WHEEL
AXE
AXLE
Augmenter la distance sur laquelle le travail est accompli.
Lorsque l’axe tourne, la roue tourne sur une plus grande distance. Par exemple, dans une roue à aubes, pour
chaque tour complet, l’axe tourne sur une petite circonférence, alors que la roue tourne sur une circonférence
plus grande. Cependant, l’axe nécessite une plus grande force pour accomplir cette rotation. Il est donc plus
exigeant pour vous de faire tourner l’axe, mais vous devez accomplir l’effort sur une plus courte distance. Le bord
externe de la roue tourne plus facilement, mais bouge sur une plus longue distance et à une plus grande vitesse
que son axe.
Changer la direction de la force.
Si vous tournez la poignée d’un puit, votre main bouge selon un cercle vertical. Le seau que vous remontez du
puit se déplace cependant de bas en haut. Il est plus facile pour vous de tourner la poignée que de tirer le seau à
mains nues.
Certaines machines simples fonctionnant sur le principe de la roue et de l’axe ne changent pas la direction de la
force. Par exemple, en utilisant un tournevis, la tige (axe) déplace la vis dans la même direction que votre main
tourne la poignée (roue).
ROUE
WHEEL
AXE
AXLE :
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GUIDE DE I’ENSEIGNANT
NOTE : Quelques systèmes de roues et d’axes utilisés sur les véhicules sont différents des autres systèmes simples de
roues et d’axes. Les roues des véhicules ne sont pas fixées à leurs axes. Les roues ne font que faciliter le déplacement
en réduisant la friction. Les roues et les axes des véhicules n’offrent pas d’effet mécanique.
Comme nous l’avons mentionné ci-haut, les machines simples facilitent l’accomplissement d’un certain travail.
Pour ce faire, elles multiplient la force appliquée ou augmentent la distance sur laquelle cette force est appliquée.
La force et la distance ne peuvent augmenter simultanément. Lorsque l’une augmente, l’autre doit diminuer
puisque le travail produit est plus grand que le travail fourni.
EXEMPLES SUPPLÉMENTAIRES DE ROUES ET D’AXES
ROBINET :
La poignée du robinet est la roue. Lorsque la poignée est tournée, en utilisant un petit effort, elle tourne sur
une large circonférence. L’axe, à cause de sa circonférence plus petite, tourne sur une plus petite distance avec
une plus grande force. La valve dans le robinet s’ouvre alors pour laisser passer l’eau.
ROUE
AXE
TOURNEVIS :
La poignée du tournevis est la roue; la tige est l’axe. La poignée, d’une circonférence supérieure à celle de la tige,
tourne en même temps que la tige pour visser (ou dévisser) une vis. Lorsque l’effort est appliqué à la poignée
(roue) du tournevis, elle effectue une rotation sur une plus grande circonférence que la tige, mais la force est
multipliée parce que la tige permet d’insérer la vis plus facilement. Faire tourner une grande roue est plus facile
que de faire tourner un axe plus petit et le travail s’accomplit plus facilement. Ce concept peut être démontré en
tentant de dévisser la vis en tournant la tige plutôt que la poignée du tournevis. Il sera beaucoup plus difficile
d’accomplir ce travail qu’en s’aidant de la poignée.
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Wheels
LES ROUES&
ET Axles
LES AXES
Le puits :
Le puits
Un exemple d’une roue imprimant une rotation à un axe
Objectifs :
Les étudiants devront :
1. comprendre le concept scientifique de travail et comprendre comment une machine
simple peut faciliter l’accomplissement de ce travail.
2. démontrer les caractéristiques d’une roue et d’un axe.
3. rechercher de quelles manières une roue faisant pivoter un axe facilite un travail.
4. explorer en quoi la taille d’une roue affecte la quantité de travail nécessaire pour
accomplir un travail.
Matériel
Chaque groupe de 2 ou 3 étudiants aura besoin de :
Vous aurez besoin de :
- 1 ensemble K’NEX Education
Les roues et les axes et Les plans
inclinés accompagné du Livret
d’Instructions
Quelques photographies de
différents types de roues
et d’axes (ex. : poignée de
porte, tournevis…)
- 1 marqueur
- 1 verre de papier
- pièces de monnaie ou trombones
- un mètre
- 1 Journal de l’étudiant
pour chacun d’eux
- un dynamomètre de 200
grammes ou 5 Newton (facultatif)
Procédure
Introduction
Si les étudiants n’ont jamais vu le concept de travail, demandez à 3 ou 4 d’entre eux de pousser contre un mur
pendant 1 minute. Ensuite, demandez à d’autres étudiants de pousser un livre sur leur bureau. Demandez aux
étudiants qui, selon eux, a accomplit un travail.
Ensuite, expliquez aux étudiants les notions de base sur le
travail, la force, l’effort, la résistance et la charge (page 3 de
ce guide). Demandez-leur d’identifier d’où provient la force
de l’effort et ce qui représente la résistance ou la charge dans
les deux exemples démontrés (pousser le mur ou le livre).
Demandez-leur si le mur ou le livre ont bougé. Expliquez
que même si le groupe poussant contre le mur exerçait une
grande force de poussée, le mur n’a pas bougé et donc, d’un
point de vue scientifique, aucun travail n’a été accompli. Les
élèves poussant les livres ont cependant exercé leur effort sur
une plus longue distance– les livres ont été déplacés sur les
bureaux – et un travail a été accompli. Les étudiants peuvent
noter leurs observations dans leur journal.
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GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Commencez la leçon en définissant ce que sont la roue et l’axe (une définition est fournie à la page 3 de ce
Guide). Insistez sur le fait que la roue et l’axe constituent une machine simple. Fabriquez un exemple grâce à
une bobine et un crayon, pour démontrer les différentes parties. Dessinez un diagramme au tableau en indiquant
le nom des parties (voir l’illustration suivante).
ROUE
AXE
Demandez aux étudiants de nommer différentes utilisations quotidiennes de la roue et de l’axe. Ils décriront
probablement les roues d’une voiture. Cet exemple vous permettra d’introduire en quoi ce type de roue diffère
des autres machines simples fonctionnant grâce à une roue et un axe : les roues d’une voiture fonctionnent
indépendemment de leur axe et la fonction de la roue, dans ce cas, est de réduire la friction. Essayez de faire
nommer par vos étudiants d’autres exemples : robinet, poignée de porte ou tournevis.
Demandez à votre groupe de réfléchir en quoi nos vies seraient différentes si nous ne connaissions pas la roue et
l’axe. Encouragez-les à penser comment ces machines simples facilitent notre vie quotidienne. Demandez-leur
de suggérer des alternatives aux poignées de porte ou aux tournevis. Suggérez-leur de continuer cette réflexion
à la maison.
Proposez-leur de faire une recherche sur internet pour recueillir plus d’informations à propos des roues et des
axes. Suggérez d’inscrire les mots “machines simples” et “roue et axe” dans un moteur de recherche comme
Google.
Organisez la classe en groupes de 2 ou 3 étudiants (maximum) et distribuez des mètres rigides à chacun des
groupes.
Activité d’exploration
Nous aimerions remercier Susan Frazier et les directeurs du programme SMILE du Illinois Institute of Technology pour nous avoir permis
d’inclure l’activité suivante. © 1990. [Visitez http ://www.iit.edu/~smile/ph9005.html pour plus d’informations.]
Expliquez que chaque équipe devra d’abord explorer les caractéristiques d’une roue et d’un axe en simulant un
système grâce à leurs bras et au mètre.
Demandez à un membre de chaque équipe (A) de prendre le mètre dans le milieu et de le maintenir devant lui
grâce à une main. L’étudiant B doit ensuite placer une main de chaque côté de la main de l’étudiant A afin de
tenter de tourner le mètre. L’étudiant A doit tenter d’empêcher le mètre de tourner. L’étudiant B doit éloigner
ses mains l’une de l’autre jusqu’à ce que le mètre tourne facilement. (Voir le schéma à la page suivante.)
Demandez à la classe si la main de l’étudiant A représente l’axe et le mètre, la roue.
Demandez-leur d’inscrire leurs observations dans leur Journal et d’y joindre un schéma identifié.
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ET Axles
LES AXES
Le puits
Activité de construction
Distribuez un ensemble K’NEX Les Roues et les axes et Les Plans inclinés pour chaque équipe. Demandez
aux étudiants de sortir les pièces et de trouver le Livret d’Instructions. Si votre classe n’a jamais utilisé
d’ensemble K’NEX, attirez leur attention sur la page des trucs de construction. Il est primordial que les
étudiants comprennent bien les principes de construction avant de commencer.
Donnez quelques consignes de base afin de vous assurer que les étudiants ne perdent aucune pièce de leur
ensemble.
Rappelez-leur qu’ils disposeront de 5 minutes à la fin de la période pour ranger l’ensemble.
Expliquez-leur qu’ils construiront une machine simple composée d’un système de roue et d’axe. Ils devront par
la suite utiliser leur modèle pour étudier comment un tel système peut les aider à accomplir un travail donné.
Invitez les étudiants à construire le modèle du puits (pages 2 et 3 du Livret d’Instructions). Nous
recommandons qu’un étudiant construise les étapes 1 à 3 et l’autre les étapes 4 à 7. Les deux parties peuvent
ensuite être assemblées, comme démontré, pour former le puits.
Activité de découverte : comment la roue et l’axe peuvent-ils vous aider à
acccomplir un travail?
Distribuez à chaque équipe un verre de papier rempli de pièces de monnaie ou de trombones et demandez aux
étudiants de sentir le poids dans leur main. En suivant les étapes suivantes, aidez les étudiants à explorer le
fonctionnement d’un système de roue et d’axe.
Étapes
1. Placez deux bureaux suffisament près l’un de l’autre pour que vous puissiez placer un côté du puits sur le
rebord de l’un des bureaux, et l’autre côté sur l’autre bureau. Placez un livre de chaque côté du puits afin de
le maintenir en place fermement. Descendez le panier jusqu’au sol (page 3 du Livret d’Instructions).
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GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Demandez à la classe d’étudier le puits en localisant d’abord la roue et l’axe dans cette machine. (La tige
horizontale au sommet est l’axe. La poignée qui tourne est la roue.)
Les étudiants devraient inscrire dans leur Journal la différence de circonférence de la roue et de l’axe. Ils
devraient aussi inscrire quelle composante parcourt la plus longue distance en une rotation. (La roue).
Posez-leur les questions suivantes :
(a) Devez-vous tourner la roue pour
faire tourner l’axe? Si oui, la machine
vous aide à accomplir un travail en
multipliant la force appliquée.
Petit axe
(b) Peut-être tournez-vous plutôt l’axe
pour faire pivoter la roue? Si oui, votre
machine vous aide à parcourir une
plus grande distance plus rapidement.
La roue, plus grande, parcourt une plus grande distance grâce
à un petit effort, alors que l’axe, plus petit, tourne sur une plus
petite distance, mais produit une plus grande force.
Roue
(poignée)
Le petit axe tourne sur une courte distance en utilisant un
plus grand effort, alors que la roue (plus grande) tourne sur
une plus grande distance en nécessitant un plus petit effort.
Les étudiants devraient découvrir qu’ils actionnent la
roue pour faire tourner l’axe.
(c) Demandez aux étudiants de
décrire exactement comment
fonctionne le puits.
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Lorsque vous appliquez un effort en tournant la poignée,
la tige tourne pour enrouler la corde qui soulève le seau
(résistance ou charge). Cette machine simple facilite la
remontée du seau qui serait beaucoup plus difficile de faire
à la main.
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ET Axles
LES AXES
Le puits
2. (a) Commencez par placer la tige bleue face vers le haut et tournez la roue pour soulever le seau.
Faites attention de ne pas lâcher la tige pendant que vous tournez, sinon la corde se déroulera
rapidement et le seau tombera.
(b) Comptez le nombre de tours effectués pour soulever le seau du plancher jusqu’au bureau. Chaque
fois que la tige bleue fait face vers le haut, comptez un tour. Inscrivez ce nombre dans votre Journal.
(c) Quelle distance le seau parcourt-il à chaque tour de la poignée?
(d) Comment la roue et l’axe d’un vrai
puits sont-ils utilisés pour soulever
un seau bien plein?
Selon la hauteur du bureau, il faut entre 5 et 7 tours de
manivelle pour soulever le seau jusqu’en haut. Pour chaque
rotation complète de la roue, le seau parcourt une distance
équivalente à la circonférence de l’axe. Les étudiants devraient
réaliser qu’il est plus facile de tourner la manivelle d’un vrai
puits que de soulever le seau à main nue.
3. (a) Retirez les tiges jaunes de l’axe et attachez la corde à la tige rouge qui forme le nouvel axe. (Illustration du
petit axe à la page 3 du Livret d’Instructions.)
-
Petit axe
Axe large
(b) Replacez le seau sur le plancher.
(c) Comptez le nombre de tours nécessaires pour soulever le seau jusqu’au bureau. Inscrivez ce nombre.
(d) Que remarquez-vous pendant que vous tournez la roue pour soulever le seau?
(e) Comparez le nombre de tours nécessaires pour soulever le seau en fonction des différents axes.
(f) Quel axe était le plus facile à manipuler?
(g) Pourquoi?
Selon la hauteur du bureau, 20 à 22 rotations seront nécessaires pour soulever le seau.
Les étudiants devraient remarquer que ce nombre est beaucoup plus élevé en comparant
avec les résultats de l’axe plus large. Ils devraient aussi découvrir qu’un petit axe facilite le
travail parce qu’il nécessite un plus petit effort. Cependant, il faut effectuer beaucoup plus
de rotations pour soulever le seau.
Suggestion
Organisez l’activité de façon à ce que la moitié de la classe fabrique le modèle avec l’axe large et l’autre moitié, le
modèle avec l’axe petit. Demandez ensuite aux étudiants de se déplacer d’un modèle à l’autre pour les comparer.
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GUIDE DE I’ENSEIGNANT
4. (a) Changez la taille de la roue en utilisant des tiges plus longues et plus courtes. Répétez l’expérience.
(b) Comparez les autres tiges par rapport à la tige bleue.
(c) Ces changements permettent-ils de soulever le seau plus facilement ou non?
(d) Que pouvez-vous
conclure par rapport
à la taille de la roue
et à son effet sur le
travail à accomplir?
Les étudiants devraient remarquer qu’utiliser de plus longues tiges pour la
roue permet de faire tourner l’axe plus facilement. Les tiges plus courtes
auront l’effet contraire. Si votre classe a déjà exploré les concepts de leviers,
vous pouvez leur expliquer que la roue et l’axe fonctionnent comme un levier
en rotation. Faites le lien avec la longueur de bras de levier et son effet sur le
travail à accomplir.
Mise en application
Demandez aux étudiants d’écrire dans
leur Journal à propos des avantages et
des désavantages des deux types d’axes
étudiés ainsi qu’à propos de la taille des
roues et de leur effet sur le travail.
Encouragez-les à discuter de situations
pour lesquelles certaines tailles seraient
plus appropriées.
Demandez aux étudiants de décider quelle
combinaison de roue et d’axe est plus
efficace pour soulever le seau du puits.
Le petit axe est plus facile à faire tourner, mais il nécessite
plusieurs tours pour soulever un objet. L’axe plus large
nécessite moins de tours pour soulever le même objet, mais il
faut un effort plus grand pour le faire tourner. Plus la roue est
large, plus il est facile de faire tourner l’axe, mais vous devez
actionner la roue sur une plus grande distance.
Vous pouvez utiliser un petit axe lorsque vous désirez soulever
un objet lourd et que vous souhaitez que la roue s’actionne
facilement. Vous pouvez utiliser un axe plus large lorsque vous
souhaitez soulever un objet moins lourd, mais plus rapidement.
La roue la plus large et l’axe le plus petit.
Demandez aux étudiants de construire différentes tailles de roues et d’axes et de les essayer afin de valider leurs
hypothèses.
Pour aller plus loin
1.
(a) Utilisez un dynamomètre pour mesurer la force de l’effort fournie pour soulever le verre de papier pendant
les différentes étapes de l’activité. Attachez le verre au dynamomètre pour déterminer la force nécessaire
pour le soulever sans le mécanisme de roue et d’axe du puits.
(b) Insérez un connecteur gris à l’extrémité de la tige bleue qui forme la manivelle du puits. Accrochez
le dynamomètre au connecteur gris. Tirez le dynamomètre vers le haut pour soulever la poignée pour
chacune des étapes de cette activité.
(c) Inscrivez les résultats et comparez-les. Utilisez-les pour déterminer quel système de roue et d’axe nécessite
l’effort le plus grand et l’effort le plus petit. Expliquez vos réponses.
(d) Calculez le travail accompli par cette machine simple. Ce calcul peut s’effectuer selon cette formule :
Travail produit = Poids du seau x Distance parcourue
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LES AXES
2.
Le puits
Demandez aux étudiants de calculer l’effet mécanique des combinaisons de roue et d’axe construites.
Donnez-leur les consignes suivantes :
(a) Mesurez le diamètre de la roue ou de l’axe – selon de ce qui a produit l’effort. Ensuite, divisez le
diamètre en 2 pour déterminer le rayon de l’effort (RE).
(b) Mesurez le diamètre de la roue ou de l’axe – selon de ce qui n’a pas produit l’effort. Divisez le
diamètre en 2 pour déterminer la rayon de résistance (RR).
(c) Divisez RE par RR pour découvrir l’effet mécanique (EM)
RE ÷ RR = EM
Dans l’exemple du puits, où la roue actionne l’axe, l’effet mécanique est
égal au rayon de la roue divisé par le rayon de l’axe. Le résultat sera un effet
mécanique supérieur à 1, indiquant que cette machine simple fonctionne
mieux en multipliant la force.
Vérification du Journal
À chaque étape, demandez aux étudiants d’inscrire leurs observations individuellement dans leur Journal.
Les expérimentations, mesures et diagrammes suivants devraient se retrouver dans leur Journal.
4
4
4
4
4
Identification de la roue et de l’axe (avec diagramme).
Description du fonctionnement du puits.
Nombre de tours nécessaires pour soulever le seau en utilisant différentes tailles de roues et d’axes.
Effort force required to raise the bucket using various sizes of axles and wheels.
Un tableau, semblable au tableau ci-dessous, présentant un résumé de leurs observations.
Petit axe
Axe large
Petite roue
Grande roue
Plus de tours pour
soulever le seau
Moins de tours pour
soulever le seau
Parcourt une petite
distance
Parcourt une plus
grande distance
Moins d’effort pour
l’actionner
Plus d’effort pour
l’actionner
Plus difficile d’actionner
l’axe
Plus facile d’actionner
l’axe
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13
14
Le bateau à aubes :
Wheels
LES ROUES&
ET Axles
LES AXES
Le bateau à aubes
Un exemple d’un axe activant une roue
Objectifs
Les étudiants devront :
1. découvrir comment un axe actionnant une roue augmente la distance et la vitesse de
déplacement d’un objet.
2. étudier en quoi l’augmentation de la taille de la roue augmente la distance sur laquelle
l’objet se déplace à chaque rotation.
Matériel
Chaque groupe de 2 ou 3 étudiants aura besoin de :
- 1 ensemble K’NEX Education
Les Roues et les axes et Les
Plans inclinés
- Quelques élastiques solides
- Un accès à un évier ou une
bassine relativement large
- 2 petits blocs de bois ou de mousse
de polystyrène
- un Journal de l’étudiant pour
chaque élève
Procédure
Introduction
Révisez comment l’utilisation d’une roue pour faire tourner un axe, dans le modèle du puits, augmente la force
et facilite la remontée d’un objet.
Expliquez aux étudiants qu’ils observeront maintenant un usage différent de la roue et de l’axe. Ils construiront
un bateau à aubes et découvriront comment la roue et l’axe facilitent le déplacement du bateau sur l’eau.
Demandez aux étudiants d’observer la photographie du bateau à aubes à la page 4 de leur Livret d’Instructions.
Demandez à la classe de penser à quelques
endroits où les bateaux à aubes sont
toujours utilisés de nos jours. Demandez
si quelqu’un sait ou croit savoir comment
ces bateaux fonctionnent.
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Un moteur fait tourner un axe qui actionne une très
grande roue.
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15
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Activité de construction
Distribuez un ensemble Les Roues et les axes et Les Plans inclinés de K’NEX Education à chacune des équipes.
(NOTE : Assurez-vous que les étudiants comprennent qu’ils ne doivent pas trop étirer les élastiques au risque
de se blesser.)
Demandez à chaque équipe de consulter la page 4 du Livret d’Instructions pour construire le modèle du bateau
à aubes. Un étudiant pourrait construire les étapes 1 à 5 et l’autre les étapes 1 à 6. Les deux constructions
peuvent ensuite être assemblées pour former le modèle complet.
Activité d’exploration : Comment la roue et l’axe vous aident à accomplir un travail?
Demandez à chaque équipe d’identifier la roue (les rayons verts et blancs) et l’axe (la tige jaune) dans leur
modèle.
Expliquez qu’ils devront découvrir comment l’axe et la roue permettent au bateau d’avancer dans l’eau en se
posant les questions suivantes :
La grande roue tourne sur une grande distance grâce à un
(a) Actionnez-vous la roue pour faire
petit effort, alors que le petit axe tourne sur une plus petite
tourner l’axe? Si oui, la machine fait
distance, mais avec une plus grande force.
avancer le bateau en multipliant la
force appliquée.
(b) Actionnez-vous plutôt l’axe pour
faire fonctionner la roue? Si oui,
la machine permet au bateau de
parcourir une plus grande distance
à une plus grande vitesse.
Le petit axe tourne sur une petite distance en utilisant une grande
quantité d’effort : cet effort est transféré à la roue plus grande et
fait en sorte que la roue tourne sur une plus grande distance à
une plus grande vitesse.
Étapes
1.
2.
Tenir le bateau dans votre main. Remonter l’élastique autour de la tige jaune à l’arrière du bateau.
L’élastique sera la source d’énergie qui assurera la force pour actionner la roue et l’axe. Soyez prudent de ne
pas trop étirer l’élastique. Relâchez-le et observez la roue à aubes.
(a) Que remarquez-vous à propos de la vitesse et de la direction du mouvement de la roue?
(b) Comment pouvez-vous comparer cette vitesse et cette direction à la façon dont vous avez remonté
l’élastique?
(c) Quelle partie du bateau fournit
l’effort? Actionne-t-elle l’axe ou la
roue à aubes?
3.
Inscrivez les réponses au tableau.
Les étudiants devraient découvrir que l’élastique fait
tourner l’axe qui lui, actionne la roue.
Ils devraient s’apercevoir que la roue tourne lentement pendant
qu’ils remontent l’élastique autour de l’axe – il faut un grand
effort pour faire tourner l’axe – mais une fois qu’ils relâchent
l’élastique, la roue tourne facilement et rapidement.
(a) Utilisez les élastiques pour attacher un bloc de bois (ou de mousse de polystyrène) à chaque extrémité du
bateau pour lui permettre de flotter. Faites attention de ne pas trop étirer les élastiques. (On peut aussi
recouvrir la coque du bateau avec du papier d’aluminium.)
(b) Remontez le moteur du bateau et placez-le dans l’évier rempli d’eau. Observez la roue et l’axe fonctionner
pendant que le bateau se déplace.
(c) Remarquez le mouvement de la roue à aubes. Inscrivez vos observations dans votre Journal de l’étudiant.
16
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LES MACHINES SIMPLE
Wheels
LES ROUES&
ET Axles
LES AXES
4. Demandez à la classe de considérer
en quoi recouvrir les aubes de
la roue (les tiges vertes) sur leur
modèle peut affecter comment le
bateau se déplacera sur l’eau. Si
les étudiants ont de la difficulté
à comprendre, expliquez-leur
qu’ils obtiennent le même résultat
lorsqu’ils nagent avec des palmes.
Le bateau à aubes
Les étudiants devraient pouvoir prédire que cette amélioration
aidera le bateau à se déplacer plus loin, même si le moteur
exerce la même force. En recouvrant les aubes, la quantité d’eau
déplacée par la roue à aubes augmente, le bateau peut donc
couvrir une plus grande distance à chaque tour de l’axe.
Mise en application
Demandez aux étudiants d’inscrire dans leurs journaux les avantages et les désavantages d’utiliser un axe pour
faire tourner la roue du bateau à aubes. Demandez-leur de réfléchir à propos de l’effort requis pour faire tourner
l’axe sur une petite circonférence, cet axe entraînant une roue beaucoup plus grande à tourner aussi sur une plus
grande circonférence, mais à l’intérieur d’une même période de temps.
Demandez aux étudiants de réfléchir
à ceci : pourquoi les bateaux à aubes
sont-ils toujours utilisés en eaux
calmes (fleuves, rivières…)? Comment
peuvent-ils vérifier leurs hypothèses?
Un grand effort est nécessaire pour que l’axe actionne la roue à
aubes et cause le déplacement du bateau. Une force encore plus
grande serait nécessaire pour faire naviguer ces bateaux sur des
eaux plus tumultueuses.
Pour aller plus loin
1. En cherchant à la bibliothèque ou sur internet, trouvez des informations sur le Clermont, l’un des premiers
bateau propulsé par un moteur à vapeur, construit par Robert Fulton. Mis à l’eau pour la première fois en 1807, le
Clermont fut le premier bateau à vapeur commercial. La preuve fut faite que les bateaux à vapeur étaient beaucoup
plus rapides et fiables que les bateaux à voile parce qu’ils ne dépendaient pas des vents inconstants. Construisez le
Clermont en utilisant l’ensemble K’NEX et présentez-le à votre classe.
(Visitez le http ://www.medarus.org/NM/NMPersonnages/NM_10_02_Biog_Americans/nm_10_02_robert_fulton.htm
pour plus d’informations sur Robert Fulton.)
2. Demandez aux étudiants de calculer l’effet mécanique de la roue et de l’axe qu’ils ont construits. Suivez les étapes
suivantes :
Mesurez le diamètre de la roue ou de l’axe – celui ou celle qui fournit l’effort. Divisez ensuite le diamètre en
deux pour obtenir le rayon (RE).
Mesurez le diamètre de la roue ou de l’axe – celui ou celle qui ne fournit pas l’effort. Divisez le diamètre en deux
pour obtenir le rayon de résistance (RR).
Divisez RE par RR pour déterminer l’effet mécanique (EM).
RE ÷ RR = EM
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Dans l’exemple du bateau à aubes, où l’axe actionne la roue,
EM= rayon de l’axe ÷ rayon de la roue. Le calcul résulte en un
effet mécanique inférieur à 1, indiquant que le travail est plus
difficile que si vous tournez la roue, mais l’axe tourne sur une
plus petite circonférence que la roue. La machine simple aide à
accomplir le travail en multipliant la distance parcourue et la
vitesse à laquelle cette même distance est parcourue.
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GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Vérification du Journal
À chacune des étapes, demandez aux étudiants d’inscrire leurs observations dans leur Journal. Ils devraient y
avoir inscrit les informations suivantes :
4
4
18
identification du mécanisme de la roue et de l’axe.
identification de la composante qui actionne le mécanisme pour faire fonctionner le bateau
(la roue ou l’axe).
4
explication du fonctionnement de l’axe : comment aide-t-il le bateau à couvrir une plus grande distance
à une plus grande vitesse?
4
4
comparaison du fonctionnement de la roue à aubes, recouverte ou non.
explication de l’utilisation du bateau à aubes en eaux calmes, basée sur des déductions et des observations.
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LES MACHINES SIMPLE
Le volant de direction :
Wheels
LES ROUES&
ET Axles
LES AXES
Volant de direction
Un exemple d’une roue actionnant un axe
Objectifs
Les étudiants devront :
1. explorer comment une roue actionnant un axe peut augmenter la quantité de force
appliquée pour accomplir un travail.
2. étudier la relation entre le volant de direction, la colonne de direction et les roues
d’un véhicule.
Matériel
Chaque groupe de 2 ou 3 étudiants aura besoin de :
- 1 ensemble K’NEX Education Les Roues et
les axes et Les Plans inclinés ainsi que du
Livret d’Instructions
- Journal de l’étudiant
(un pour chacun d’eux)
Procédure
Introduction
Révisez comment le puits fonctionne grâce à une roue actionnant un axe pour augmenter la force et faciliter la
remontée d’un objet lourd.
Expliquez que les étudiants découvriront un
autre usage de la roue et de l’axe : l’utilisation
d’un volant de direction pour contrôler la
direction d’un véhicule à roues. Demandez
à la classe s’ils ont des idées à propos du
fonctionnement d’un tel mécanisme.
Demandez de quelle façon le volant de
direction diffère des autres types de roues et
axes étudiés jusqu’à présent.
La roue fait tourner un axe dans la colonne de direction
qui opère le système de direction du véhicule.
Il ressemble vraiment à une roue.
Demandez aux étudiants d’apporter en classe des photographies de véhicules ou de machines fonctionnant
grâce à un volant de direction. Affichez les photographies de ces utilisations du volant de direction dans la vie
quotidienne et demandez aux étudiants de réfléchir en quoi leur vie serait différente si le volant de direction
n’existait pas.
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GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Activité de construction
Distribuez un ensemble K’NEX Education Les Roues et les axes et Les Plans inclinés à chaque équipe.
Demandez aux étudiants de construire le modèle du volant de direction (pages 6, 7 et 8 du Livret
d’Instructions). Un étudiant pourrait construire les étapes 1 à 5 et l’autre les étapes 6 à 10. Les deux parties
peuvent ensuite être assemblées selon les étapes 11 à 14 pour compléter le modèle.
RAPPELEZ AUX ÉTUDIANTS QU’IL Y A TROIS PAGES D’INSTRUCTIONS.
Activité de découverte : Comment le mécanisme de roue et d’axe peut-il
faciliter un travail?
Accordez aux étudiants suffisament de temps pour explorer le mécanisme du modèle construit.
Demandez-leur d’identifier la roue (la roue jaune) et l’axe (la tige bleue) dans leur modèle. Ils devraient dessiner
un schéma de leur modèle dans leur Journal.
Demandez-leur d’examiner de quelles façons la roue et l’axe facilitent la direction d’un véhicule. Pour ce faire, ils
devraient répondre aux questions suivantes :
(a) Faites-vous tourner la roue pour
faire tourner l’axe? Si oui, la machine
fonctionne en multipliant la force
appliquée.
La grande roue tourne sur une grande distance grâce à un
petit effort, alors que le petit axe tourne sur une plus petite
distance, mais avec une plus grande force.
(b) Actionnez-vous l’axe pour faire
tourner la roue? Si oui, cette
machine vous aide en couvrant une
plus grande distance à une plus
grande vitesse.
Le petit axe tourne sur une petite distance en utilisant une
grande quantité d’effort : cet effort est transféré à la roue
plus grande et fait en sorte que la roue tourne sur une plus
grande distance à une plus grande vitesse
Demandez-leur de vérifier si la roue de
direction fait tourner directement les
roues du véhicule qu’ils ont construit.
Les étudiants devraient découvrir que la roue de
direction tourne pour actionner l’axe.
La roue de direction ne fait pas directement tourner les roues
du véhicule. Elle actionne la colonne de direction (l’axe). Cet
axe est muni d’un connecteur orange qui pivote lorsque la roue
est tournée. Ce connecteur orange est lui même connecté au
mécanisme de direction par une tige blanche. Lorsque le volant
de direction est tourné, le mécanisme de direction bouge de
gauche à droite.
Étapes
1.
20
Une petite quantité de force est appliquée sur une longue
distance pour tourner la roue de direction; cet effort se transmet
à l’axe qui tourne aussi, sur une plus petite circonférence,
mais en créant plus de force et en rendant la manipulation du
mécanisme de direction plus facile.
(a) Enlevez le volant de direction jaune de la tige bleue. Faites tourner la tige bleue pour faire pivoter les roues
pendant que vous avancez le véhicule.
Les étudiants devraient découvrir qu’il est plus difficile de
(b) Est-il plus facile ou difficile de faire
tourner les roues du véhicule en utilisant seulement l’axe. La
tourner les roues du véhicule ainsi?
tige bleue est d’un diamètre plus petit que celui du volant de
direction, elle est donc plus difficile à faire tourner. Si vous
(c) Comment la conduite d’un
deviez diriger une voiture en tournant l’axe il serait difficile
véhicule pourrait-elle être affectée
de faire tourner la voiture et de lui faire prendre une ligne
si votre véhicule était une vraie
droite ensuite, surtout si vous rouliez très vite. La voiture
voiture?
pourrait finir par tourner en rond.
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LES MACHINES SIMPLE
Wheels
LES ROUES&
ET Axles
LES AXES
2.
Volant de direction
(a) Replacez la roue de direction jaune sur la tige bleue. Poussez le véhicule en le dirigeant grâce
au volant.
(b) Que remarquez-vous à propos de
la direction?
(c) Est-il plus ou moins facile de
diriger le véhicule? Pourquoi?
Mise en application
Les étudiants devraient remarquer qu’il est plus
facile de diriger le véhicule en tournant la roue qu’en
tournant l’axe. La roue est plus grande et donc plus facile
à manipuler que l’axe. La roue tourne sur une plus grande
distance que l’axe, mais elle tourne avec moins de force.
Demandez aux étudiants d’inscrire dans
leur Journal pourquoi ils pensent que
les véhicules sont munis d’une roue de
direction plutôt que d’une poignée grâce
à laquelle on ferait tourner l’axe?
Les étudiants doivent considérer le fait que lorsque l’on conduit
une voiture, on manipule de la machinerie lourde à très grande
vitesse. Le contrôle sera meilleur si l’on peut se servir de ses
deux mains.
Encouragez les étudiants à penser à
d’autres véhicules munis de volant de
direction (autobus, camion, voiture de
course…). Demandez-leur si selon eux
les plus gros véhicules ont un plus gros
volant. Comment peuvent-ils trouver la
réponse à leur question? Lorsque vous
avez trouvé la réponse, pouvez-vous
trouver une explication?
Voici une opportunité pour les étudiants de rechercher
beaucoup d’informations avant de commencer la construction
ou le schéma de modèle et d’en tirer des conclusions. Les
étudiants devraient identifier que les autobus et les camions
lourds ont effectivement de plus grands volants que les
voitures. Ceci s’explique parce que le mécanisme de direction
est beaucoup plus lourd et demande un plus grand effort pour
le manipuler. Les voitures de course ont de plus petits volants
pour que le pilote ait un meilleur contrôle sur la voiture et
puisse faire des virages précis à très grande vitesse. Ces petites
roues demandent cependant un plus grand effort pour les
tourner.
Demandez aux étudiants de dessiner ou
de construire grâce aux pièces K’NEX, un
autobus muni d’un volant de grandeur
appropriée.
Pour aller plus loin
“Le modèle K’NEX que vous venez de construire démontre le mécanisme de direction de base d’un véhicule. À la
bibliothèque ou sur internet, recherchez des informations vous permettant d’approfondir votre compréhension du
système de direction des automobiles. Vous pourriez, par exemple, essayer de retracer l’évolution des mécanismes
de direction. Vous pourriez aussi comparer cette évolution selon les différents fabricants de voiture.”
Visitez les sites suivants (en anglais) : http ://www.howstuffworks.com/steering.htm et
http ://www.vintagecars.about.com/library/weekly/aa092698.htm.
Défi de construction
“Vos amis et vous voulez obtenir une nouvelle badge scoute récompensant la survie en milieu sauvage. Pour
obtenir cette badge, vous devez prétendre être coincés sur une île déserte. Vous devez construire un véhicule
qui vous permettra de vous déplacer du centre de l’île jusqu’à la plage et ensuite sur l’eau pour retourner sur le
continent. Vous devrez être en mesure de bien diriger votre véhicule qui doit donc comprendre plusieurs roues et
axes. Vous aurez également besoin de puiser et d’emmagasiner l’eau nécessaire à votre voyage.
En utilisant les pièces K’NEX, construisez ce véhicule amphibie. Expliquez de quelle façon il fonctionne et
comment les roues et les axes sont utilisés pour accomplir les différentes tâches.”
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GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Vérification du Journal
À chacune des étapes, demandez aux étudiants d’inscrire leurs observations dans leur Journal. Ils devraient y
avoir inscrit les informations suivantes :
4
4
4
4
4
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identification du mécanisme de roue et d’axe.
déterminer si c’est la roue ou l’axe qui actionne le mécanisme.
expliquer en quoi le fait de tourner une roue facilite le travail en multipliant la force appliquée.
expliquer pourquoi une roue, et non une poignée, est plus adéquate à la conduite d’un véhicule.
comparaison de différentes tailles de volants et les raisons de leur utilisation.
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LES MACHINES SIMPLE
Les plans inclinés
Wheels
LES ROUES&
ET Axles
LES AXES
Informations générales
Objectifs
Les étudiants devront :
1. étudier les caractéristiques principales des plans inclinés pour en comprendre le fonctionnement.
2. reconnaître que les vis et les coins sont des types de plans inclinés.
3. étudier comment l’utilisation d’un plan incliné peut affecter un travail en fonction de la force,
de la distance, de la vitesse et de la direction.
4. démontrer comment la force nécessaire pour déplacer une charge sur un plan incliné dépend
de la pente d’inclinaison.
5. construire différents types de plans inclinés et démontrer comment ils fonctionnent.
6. analyser des objets ou outils selon leur application en tant que plans inclinés.
Mots-clés et définitions pour l’enseignant :
Ce qui suit est une ressource pour l’enseignant. Selon l’âge, les habiletés, les connaissances de base et le programme
de votre cours, vous pourrez choisir d’utiliser certaines des définitions suivantes. Ces mots-clés ne sont pas présentés
comme une liste devant être apprise par coeur par les étudiants. Ils peuvent cependant être utilisés afin de clarifier les
concepts que les étudiants rencontreront en cours de route.
Les machines simples :
Un outil simple qui facilite un travail donné. Les machines les plus simples ne présentent qu’une seule partie mobile.
Elles facilitent un travail en changeant la façon dont ce travail s’effectue. Elles ne changent pas la quantité de travail
requise pour accomplir une action.
Le plan incliné :
Une surface plane dont l’une des extrémités est plus élevée que l’autre. Le plan incliné est utilisé pour soulever une
charge sur une distance verticale.
La vis :
Une tige, appelé le corps, munie d’un plan incliné en forme de spirale. Le plan incliné forme des rayures ou des
saillies autour de la tige de la vis. Elle est utilisée pour soulever un objet ou pour joindre deux objets ensemble.
Le coin :
Un appareil fait de deux plans inclinés placés dos à dos. Il est utilisé pour déplacer un objet en relation à un autre
objet.
La force :
Tout type de poussée ou de traction appliquée à un objet.
Le travail :
Une tâche peut être accomplie lorsqu’on utilise un plan incliné. En sciences, le travail réfère à l’usage d’une force
pour bouger une charge (un objet) sur une certaine distance. Le travail se définit ainsi :
T=FxD
Où W = travail
F = force (effort) appliquée à la tâche
D = distance sur laquelle la force est appliquée
NOTE : Si l’objet ne bouge pas, le travail n’a pas été accompli.
L’effort :
La force qui est appliquée pour bouger l’une des composantes d’une machine simple (par exemple : la force appliquée
pour faire un travail). La force appliquée à une machine simple se nomme l’effort.
La résistance :
La force exercée par l’objet (la charge) sur lequel on tente d’accomplir un travail; résiste à l’effort appliqué.
La charge :
L’objet (ou le poids) déplacé ou la résistance qui est vaincue grâce à un plan incliné. Cette charge exerce une force
(résistance) contre le plan incliné et l’effort.
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GUIDE DE I’ENSEIGNANT
La pente :
Mesure de l’inclinaison.
La friction :
La force produite par deux surfaces qui frottent l’une contre l’autre lorsqu’un objet est en mouvement.
L’effet mécanique :
Un calcul mathématique qui indique combien de fois une machine simple multiplie la force résultant de l’effort. Dans le
cas du plan incliné, l’effet mécanique se calcule ainsi :
Longueur de la pente (LP)
Hauteur de la pente (HP)
= Effet mécanique (EM)
(Note : Pour mesurer la longueur de la pente sur une vis, il faut mesurer la longueur du filet – la saillie autour de la vis.)
L’effet mécanique est toujours exprimé comme un nombre sans unité. Exemple : EM = 2.
Concepts-clés
Un plan incliné est utilisé pour soulever une charge sur une distance verticale. Plutôt que de soulever l’objet
directement, ce qui nécessite un effort équivalent au poids de la charge, on augmente la distance sur laquelle le
travail s’accomplit. Dans le schéma suivant, la distance inclinée est 4 fois plus longue que la distance verticale.
Pour déplacer l’objet le long de cette pente, seulement 1/4 de l’effort sera nécessaire. Cet effort cependant, doit être
maintenu sur une plus grande distance (4 mètres comparé à 1 mètre).
1 mètre
3’
4
mètres
12’
Plus la pente du plan incliné est longue, moins la force nécessaire pour soulever la charge est grande.
Le travail accompli pour déplacer la charge le long du plan incliné est équivalent au travail accomplit pour soulever
la charge verticalement (sans compter la friction).
24
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LES MACHINES SIMPLE
Wheels
& INCLINES
Axles
LES PLANS
Les objets sont déplacés le long de la pente du plan incliné; habituellement, le plan incliné ne
bouge pas.
Les plans inclinés peuvent aussi être utilisés pour contrôler le pourcentage de descente d’un objet à
partir d’une certaine hauteur.
Les vis augmentent la distance sur laquelle l’effort est accompli, mais réduit la quantité d’effort
requise. La distance autour du filet d’une vis est plus longue que la longueur de la vis elle-même.
Ce qui veut dire que le déplacement autour du filet de la vis est plus
long, mais plus facile que le déplacement en ligne droite. Par exemple,
il faut moins d’effort pour monter un escalier en colimaçon que pour
monter une échelle, mais il faut monter plus de marches et couvrir
une plus grande distance pour parvenir au même endroit.
Les coins changent la direction de la force appliquée et augmentent la force sur des objets que l’on veut séparer;
lorsque l’on pousse un coin, l’objet contre lequel on le pousse se déplace latéralement, donc les deux forces se
trouvent à angle droit.
Si le coin est long et mince, il sépare deux objets sur une petite distance, mais grâce à un minimum d’effort.
Si le coin est court et large, les deux objets seront séparés sur une plus grande distance, mais il faudra appliquer
un effort plus grand.
La lame d’un couteau est un coin. Lorsque la lame (le coin) est poussé contre un morceau de fromage (par
exemple), elle sépare une tranche du morceau de fromage.
Les coins et les vis sont deux types de plans inclinés qui se déplacent pour accomplir leurs fonctions.
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Les rampes d’accès :
Wheels
& INCLINES
Axles
LES PLANS
Les rampes
Des exemples de plans inclinés
Objectifs
Les étudiants devront :
1. étudier les caractéristiques d’un plan incliné.
2. comprendre comment l’utilisation d’un plan incliné affecte l’accomplissement d’un
travail en fonction de la force, de la distance, de la vitesse et de la direction.
3. comparer les plans inclinés d’angles différents pour déterminer l’effort nécessaire pour
soulever un objet.
Matériel
Chaque groupe de 2 ou 3 étudiants aura besoin de :
- 1 ensemble K’NEX Education
Les Roues et les axes et Les
Plans inclinés ainsi que le
Livret d’Instructions
- 1 règle (ou ruban à mesurer)
- 3 rouleaux de pièces de monnaie,
des poids (grammes) ou autres objets
assez lourds (Si vous distribuez
des rouleaux de pièces de monnaie,
assurez-vous qu’ils soient bien
solides.)
- 1 morceau d’élastique
très résistant d’environ
10 à 15 cm.
- 1 Journal de l’étudiant
pour chaque étudiant
- 1 dynamomètre de 400g
ou 10N
Procédure
Introduction
Révisez avec les étudiants les façons dont les machines simples peuvent faciliter un travail, non en changeant la
quantité de travail à accomplir, mais en changeant la manière dont il est effectué.
Demandez aux étudiants de penser à une activité qu’ils font tous les jours, plus précisément en se déplaçant
eux-mêmes ou en déplaçant un objet d’un niveau à un autre. Qu’utilisent-ils pour s’aider? (Escaliers, marches,
échelles, rampes.)
Expliquez-leur qu’ils étudieront une machine simple, le plan incliné, qui leur permet de monter ou descendre
un objet grâce à un effort minimal, même s’ils doivent le déplacer sur une plus grande distance que si cet objet
était déplacé verticalement.
Fournissez à la classe une définition et un schéma du plan incliné. (Voir la section Concepts-clés)
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GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Demandez aux étudiants de penser
à des endroits où ils ont remarqué
l’utilisation de rampes (plans inclinés)
pour déplacer une personne ou un objet
à un niveau plus élevé.
Les rampes pour fauteuils roulants; les rampes de
chargement; les rampes entre les différents niveaux dans
un centre d’achats ou un centre sportif.
L’école devrait vous fournir l’exemple de rampes d’accès pour les chaises roulantes et d’un quai de chargement.
Si possible, emmenez la classe étudier ces exemples. Demandez-leur de remarquer l’inclinaison des pentes,
de suggérer des raisons pour lesquelles le plan incliné est nécessaire à cet endroit et de comprendre que
l’utilisation de la rampe ou des escaliers les mène exactement au même endroit. Les rampes rendent seulement
le déplacement plus facile.
Encouragez vos étudiants à faire une brève recherche sur internet ou à la bibliothèque à propos du
fonctionnement des plans inclinés. Visitez par exemple le site internet du Musée des Sciences et Technologies du
Canada : http ://www.sciencetech.technomuses.ca/francais/schoolzone/basesurmachines2.cfm#inclined
Activité de construction
Distribuez un ensemble K’NEX Education Les Roues et les axes et Les Plans inclinés à chaque équipe.
Demandez-leur de consulter les pages 9, 10 et 11 du Livret d’Instructions et de construire les modèles de
rampe d’accès et de rampe longue. Chaque étudiant peut construire l’un des deux modèles.
Conseil pour la construction de la rampe longue (étape 7) : Glissez la première section de la rampe sur les
connecteurs jaunes et faites glisser la plaque blanche à l’extrémité de la première section. Finalement, glissez
la deuxième section de la rampe sur les connecteurs jaunes jusqu’à ce qu’elle touche la plaque blanche.
Glissez-la par-dessus la plaque blanche pour refermer l’espace et compléter la longueur de la rampe.
NOTE : Assurez-vous que les deux modèles sont construits de façon à ce que le fond de plastique noir touche
au bureau. Les deux rampes sont conçues pour déplacer un objet sur la même distance verticale et pour en
être sûr, il faut que les structures soient correctement positionnées.
Activité de découverte : Comment les plans inclinés facilitent-ils un travail?
Expliquez aux étudiants qu’ils étudieront les rampes K’NEX en y poussant différents objets. Rappelez-leur que
le but du plan incliné est de faciliter un travail en réduisant l’effort nécessaire pour déplacer un objet.
Étapes
1.
(a) Mesurez les hauteurs des rampes et les longueurs de leurs pentes. Que remarquez-vous?
(b) Dessinez deux schémas dans
votre Journal pour représenter les
rampes et notez vos mesures sur
les schémas appropriés.
2.
Les étudiants devraient remarquer que la hauteur des rampes
est la même, mais que la longueur de la pente est différente.
(a) Distribuez à chaque équipe 3 rouleaux de pièces de monnaie (ou autres objets d’un poids semblable) et
10 à 15 cm d’élastique résistant. (NOTE : Avant de distribuez les élastiques, rappelez à la classe qu’il est
dangereux de trop étirer les élastiques.)
(b) Attachez l’élastique au poids en gardant une bonne longueur pour le tenir. Un membre de l’équipe doit tenir
cette extrémité et soulever la charge verticalement pour arriver au même niveau que la hauteur des rampes.
Remarquez l’effort nécessaire pour soulever ce poids.
28
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LES MACHINES SIMPLE
(c) L’autre membre de l’équipe
peut mesurer et inscrire la
longueur de l’élastique étiré.
(d) Que pensez-vous que l’élastique
démontre?
3.
Wheels
& INCLINES
Axles
LES PLANS
Les rampes
Les étudiants devraient répondre qu’il est difficile de
soulever ce poids à la verticale. L’élastique démontre
l’effort nécessaire pour soulever le poids sur une distance
verticale. Puisque l’élastique est étiré, cela veut dire
qu’un grand effort est nécessaire pour soulever la charge.
(a) Tirez le poids sur la pente de la rampe d’accès (la plus courte). Maintenez l’élastique exactement au même
endroit que pour l’étape précédente.
(b) Mesurez et inscrivez la longueur de l’élastique lorsque la charge est presque arrivée en haut de la rampe.
(c) Comparez cette façon de faire
avec l’étape précédente.
(d) Que pensez-vous que cela
démontre?
4.
Les étudiants devraient remarquer qu’il est plus facile de tirer
le poids pour monter la pente que de le soulever à la verticale.
C’est pourquoi l’élastique est moins étiré pendant cette étape. Les
étudiants devraient remarquer une différence dans la longueur
de l’élastique lorsqu’ils utilisent la rampe. Ils devraient pouvoir
affirmer qu’il faut moins de force pour soulever la charge en
utilisant la rampe, ce qui explique pourquoi l’élastique est
moins étiré.
(a) Tirez le même poids en utilisant la rampe longue. Mesurez et inscrivez la longueur de l’élastique lorsque la
charge est presque arrivée en haut.
(b) Quelle comparaison pouvezvous établir avec l’utilisation de
la rampe d’accès?
(c) Qu’est-ce que cela démontre
selon vous?
Les étudiants devraient remarquer que l’élastique est encore moins
étiré qu’à l’étape précédente. Il faut donc encore moins d’effort
pour tirer la charge sur une longue rampe. Cependant, la distance à
parcourir est plus longue.
Mise en application
Demandez aux étudiants d’inscrire dans leur Journal d’autres situations où l’on peut utiliser le plan incliné
et pourquoi.
Demandez-leur de partager leurs idées avec la classe. Encouragez-les à discuter de différents facteurs pouvant
être impliqués pour déterminer le degré d’inclinaison de la pente. Demandez-leur de réfléchir à des situations où
il serait préférable d’utiliser une rampe courte (montagnes russes, glissade) ou une rampe longue (rampe d’accès
pour fauteuil roulant, sentier en forêt).
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29
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Mise en application (suite)
Demandez aux étudiants de
compléter la phrase suivante
décrivant l’effort nécessaire pour
déplacer un objet grâce au plan
incliné :
Plus la pente est du plan incliné est forte…
plus l’effort nécessaire pour déplacer un objet sur la pente est
grand.
Les phrases complétées devraient
être inscrites dans leur Journal.
Pour aller plus loin
1.
(a) Déterminez la véritable quantité d’effort nécessaire pour soulever la charge en utilisant un dynamomètre.
Attachez le dynamomètre au poids et refaites les expériences de l’étape 2.
(b) Dans cette activité, le poids et la surface inclinée sont lisses. Pensez à l’effet que la friction peut avoir sur
l’utilisation du plan incliné.
(c) Un objet rugueux déplacé sur une surface inclinée rugueuse nécessite-t-il plus ou moins de force pour être
déplacé jusqu’en haut?
(d) Est la même chose pour un objet rugueux déplacé sur une surface inclinée lisse?
(e) En installant des roues sur l’objet, faciliterait-on le travail, oui ou non? Et pourquoi?
(f) Faites quelques expériences pour déterminer comment la friction peut affecter le mouvement sur un plan
incliné. Par exemple, recouvrez les rampes d’une serviette-éponge ou un tissu similaire. Essayez de tirer un
véhicule à roue le long de la pente. Discutez de vos observations.
2.
Demandez aux étudiants de calculer et de comparer l’effet mécanique de chacune des rampes. Ils doivent
utiliser cette formule :
Longueur de la pente (LP)
Hauteur de la pente (HP)
= Effet mécanique (EM)
Vérification du Journal
4
4
4
4
30
Mesures des longueurs et hauteurs des rampes et schémas des modèles.
Mesures de l’élastique (3).
Explications des avantages d’une inclinaison graduelle dans les plans inclinés.
Liste d’exemples des plans inclinés et description de leur façon de faciliter un travail.
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LES MACHINES SIMPLE
Le coin fendeur :
Wheels
& INCLINES
Axles
LES PLANS
Coin
Un exemple de coin
Objectifs
Les étudiants devront :
1. explorer de quelle façon un coin, un type spécifique de plan incliné, peut être utilisé
pour séparer des objets.
2. étudier comment le coin facilite un travail en réduisant l’effort nécessaire et en
changeant la direction du mouvement de l’effort.
Matériel
Chaque groupe de 2 ou 3 étudiants aura besoin de :
- 1 ensemble K’NEX Education
Les Roues et les axes et Les
Plans inclinés ainsi que du
Livret d’Instructions
- 1 règle
- 4 livres assez lourds
- 1 Journal de l’étudiant
pour chacun d’eux
Procédure
Introduction
Révisez avec les étudiants comment un plan incliné facilite le déplacement des objets d’une hauteur à une autre.
Expliquez qu’ils étudieront maintenant comment un plan incliné peut séparer des objets.
Demandez-leur de réfléchir à propos de la façon dont
un couteau tranche à travers un objet. Démontrez vos
propos en tranchant un morceau de fromage ou un bloc
d’argile. Demandez aux étudiants d’observer et de décrire
ce qui se produit.
Lorsque le couteau tranche le fromage ou
l’argile, les deux morceaux se séparent et
s’éloignent de la lame.
Expliquez que la lame du couteau est un exemple d’un type de plan incliné spécifique, le coin.
Fournissez aux étudiants une définition et un schéma d’un coin (voir les sections Concepts-clés et Définitions).
Demandez aux étudiants d’effectuer une brève recherche pour approfondir leur connaissance du coin.
(Visitez par exemple le site du Musée des Sciences et Technologies du Canada : http ://www.sciencetech.
technomuses.ca/francais/schoolzone/basesurmachines2.cfm#wedge
Activité de construction
Distribuez un ensemble K’NEX Education Les Roues et les axes et Les Plans inclinés à chaque équipe.
Invitez les étudiants à construire le modèle du coin fendeur (voir pages 12 et 13 du Livret d’Instructions).
Nous recommandons que l’un des étudiants construisent les étapes 1 à 6 (la bûche) et l’autre les étapes 7 à 11
(le coin).
Accordez-leur quelques minutes afin qu’ils puissent étudier le fonctionnement du modèle.
NOTE : Dans le diagramme des étapes 1 à 6, il semble qu’il y ait deux ensembles de tiges rouges, en haut
et en bas. Il n’en est rien, ces ensembles sont parallèles l’un à l’autre. C’est seulement lorsque le coin est
inséré que les tiges du haut sont séparées.
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31
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Activité de découverte : Comment le coin fendeur peut-il faciliter un travail?
Révisez avec les étudiants le fait que le coin fendeur est un plan incliné qui bouge. Le but de son utilisation est
de faciliter un travail en réduisant l’effort nécessaire pour l’accomplir. Les étudiants détermineront comment le
coin fendeur fonctionne en utilisant leur modèle.
Étapes
1. Observez le coin fendeur. Selon vous,
pourquoi est-il considéré comme un
plan incliné?
2.
Le coin fendeur est constitué de deux plans inclinés placés dos
à dos.
(a) Placez le coin fendeur entre les deux côtés de la bûche de façon à ce qu’ils soient environ à la moitié du
premier ensemble de tiges bleues.
(b) Mesurez et inscrivez la distance entre les deux arêtes supérieures de la bûche.
(c) Poussez le coin plus loin et mesurez de nouveau. Que remarquez-vous?
3. Dessinez un schéma du coin fendeur et
inscrivez les directions des forces : dans
quelles directions le coin et les arêtes
supérieures de la bûche ont-ils bougé?
4.
Les étudiants devraient remarquer qu’en poussant vers le bas,
les côtés de la bûche se déplacent sur le côté. Dans leur schéma,
il doit être clair que le coin fait en sorte que les connecteurs
verts se séparent, mais d’une distance plus grande que celle de
la pointe du coin. Plus ils poussent le coin, plus les arêtes se
séparent. Les côtés de la bûche se déplacent à angle droit par
rapport au mouvement du coin.
(a) Prenez les quatre livres. Empilez-les les uns sur les autres. En utilisant vos doigts, essayez d’en soulever
deux. Remarquez comment vous ressentez l’effort.
(b) Utilisez le coin fendeur pour soulever les deux mêmes livres.
(c) Lorsque vous introduisez le coin, dans quelle direction les livres se déplacent-ils?
(d) Comparez votre essai avec vos doigts à celui avec le coin.
(e) Recommencez l’expérience, mais
cette fois-ci avec tous les livres.
(f) Que remarquez-vous?
Direction du
mouvement
32
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Les étudiants devraient remarquer qu’il est plus difficile de
soulever les livres en utilisant seulement leurs doigts, surtout
lorsqu’ils essaient de soulever les quatre livres. Lorsque le coin
est inséré, les livres se déplacent verticalement.
Direction de l’effort
appliqué
LES MACHINES SIMPLE
Wheels
& INCLINES
Axles
LES PLANS
Coin
Mise en application
Ask Demandez aux étudiants d’inscrire
dans leur Journal comment le
coin fendeur fonctionne comme
un plan incliné, mais aussi quelles
sont les différences observées avec
les autres plans inclinés étudiés
jusqu’à maintenant.
Les étudiants devraient avoir remarqué que les coins facilitent
le soulèvement d’objets, ce qui les rapproche des autres types
de plans inclinés. Ils sont différents parce que les coins changent la
direction de l’effort. Ce n’est pas l’objet qui se déplace le long d’une
pente, mais la pente qui se déplace sous un objet pour le soulever.
Contrairement à la plupart des autres plans inclinés, le coin bouge
lorsqu’il est utilisé.
Demandez-leur de réfléchir à d’autres machines fonctionnant comme un coin fendeur. Demandez-leur de les
dessiner ou de construire un modèle grâce aux pièces K’NEX. Ils devront ensuite expliquer comment fonctionne
cette machine.
Exemples : une fourchette, une hache, un ciseau…
Pour aller plus loin
1. En utilisant des coins fendeurs,
Abraham Lincoln s’est mérité le
surnom de “fendeur de traverse”
(en anglais “Railsplitter”). En
effectuant une brève recherche
sur internet ou à la bibliothèque,
trouvez pourquoi on l’a nommé
ainsi. Visitez le site :
Lorsque Lincoln était enfant, il aidait son père à défricher sa terre
boisée en Indiana. Il utilisait une hache, un type de coin, pour
couper les arbres. Plus tard, il fut embauché pour couper le bois
de chauffage, les bûches nécessaires à la construction des maisons
et les traverses pour les clôtures. Pour couper une bûche, il fallait
utiliser un coin fendeur. Il se fit attribuer ce surnom de “fendeur de
traverse” en 1860 lors d’une campagne électorale. Ce surnom lui
servit à rappeler aux électeurs ses origines modestes.
(http ://www.medarus.org/NM/NMPersonnages/NM_10_01_Biog_Presidents/nm_10_01_16_lincoln.htm
pour avoir plus d’informations sur les premières années de la vie de ce président des États-Unis.
2. Demandez aux étudiants de calculer l’effet mécanique du coin fendeur de K’NEX. La formule suivante peut
être utilisée :
Longueur de la pente x 2
Épaisseur de l’extrémité visée
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= effet mécanique
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GUIDE DE I’ENSEIGNANT
Vérification du Journal
4
4
4
4
4
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Schéma et définition d’un coin.
Mesures des distances.
Schéma de la direction du travail accompli, ainsi que l’identification de la distance et de la direction.
Explication du fonctionnement du coin en tant que plan incliné et différences avec les autres plans
inclinés étudiés jusqu’à maintenant.
Liste de coins utilisés quotidiennement et schémas.
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LES MACHINES SIMPLE
La perceuse à main :
Wheels
& INCLINES
Axles
LES PLANS
Perceuse à main
Un exemple de vis
Objectifs
Les étudiants devront :
1. observer les caractéristiques des vis et étudier leur fonctionnement.
2. reconnaître que les vis sont des types de plans inclinés.
3. étudier comment une vis facilite un travail en réduisant la quantité d’effort nécessaire pour
l’accomplir, mais implique un déplacement sur une plus grande distance que si la machine
simple n’était pas utilisée.
4. démontrer comment une mèche de perceuse fonctionne en tant que vis.
5. décrire comment une mèche de perceuse fonctionne.
Matériel
Chaque équipe de 2 ou 3 étudiants
aura besoin de :
- une variété de vis et/ou de mèches
de perceuse
- une boîte de conserve de
10 cm de diamètre
- crayon et marqueur
- de 3 à 5 balles de ping-pong
ou balle de polystyrène
- 1 feuille de papier
- des ciseaux
- 1 ensemble K’NEX Education Les
Roues et les axes et Les Plans inclinés
Vous aurez
besoin de :
Quelques exemples
de vis, de mèches de
perceuses…
- une règle
- un Journal de l’étudiant
pour chacun d’eux
Procédure
Introduction
Demandez aux étudiants s’ils ont déjà utilisé un escalier en colimaçon ou une glissade en spirale. Discutez
avec eux de ce qui se produit lorsqu’on utilise ces mécanismes. Demandez-leur de penser à la façon dont ils se
déplacent grâce à ces structures. Selon eux, est-ce plus long d’arriver dans l’eau en utilisant la glissade ou le
plongeoir? Ils devraient être en mesure de se rendre compte que la spirale est beaucoup plus longue que le saut
direct à partir du plongeoir. Utiliser une spirale assure une descente plus douce que le plongeon, mais la distance
verticale parcourue est la même si le plongeoir et la glissade sont à la même hauteur.
Expliquez que l’escalier en colimaçon et la glissade en spirale fonctionnent de la même façon qu’un type de plan
incliné, la vis.
Activité de découverte : Comment une vis fonctionne-t-elle en tant que
plan incliné?
Fournissez à chaque groupe une vis assez large. Aidez-les à identifier les parties principales : le corps et le filet.
Demandez-leur de suggérer des raisons pour lesquelles la vis se retrouve dans la catégorie des plans inclinés.
Indiquez que la vis est un plan incliné spiralé autour d’un cylindre. Le corps de la vis est le cylindre du centre.
Le filet est la bande spiralée qui se forme lorsque le plan incliné est fixé autour du corps. Dessinez un schéma au
tableau et identifiez les parties principales.
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GUIDE DE I’ENSEIGNANT
le
filet
Threads
le
corps
Body
Expliquez aux étudiants qu’ils peuvent facilement démontrer que la vis est un plan incliné.
Demandez aux étudiants de prendre une feuille de papier. Pliez le bas de la feuille de façon à ce qu’il s’enligne
avec le côté gauche. Coupez le long de la diagonale pour faire un triangle droit.
Demandez aux étudiants de prendre un marqueur et de dessiner une ligne le long du côté représentant la pente.
Ils devraient reconnaître qu’ils viennent de représenter un plan incliné. Demandez-leur de remarquer la différence
entre la longueur de l’inclinaison et les deux autres côtés.
Dites aux étudiants de placer le triangle de papier sur le bureau, la marque orientée face vers le bas de façon à
ce que les côtés non-marqués soient en haut et à gauche. Placez un crayon sur le papier en haut et enroulez le
papier autour du crayon.
Demandez-leur d’observer la marque du plan incliné. Ils doivent se rendre compte qu’elle forme une spirale,
comme le filet d’une vis.
Encouragez les étudiants à faire quelques recherches sur les vis et ses fonctions.
36
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LES MACHINES SIMPLE
Wheels
& INCLINES
Axles
LES PLANS
Perceuse à main
Activité de construction
Distribuez un ensemble K’NEX Education Les Roues et les axes et Les Plans inclinés à
chaque équipe.
Invitez les équipes à construire le modèle de la perceuse à main (voir pages 14 et 15 du Livret d’Instructions).
Nous recommandons que l’un des étudiants construise les étapes 1 à 3 et l’autre, les étapes 4 à 6. Les deux
parties doivent ensuite être assemblées pour compléter le modèle.
Accordez-leur quelques minutes pour étudier leur modèle et déterminer comment il fonctionne.
NOTE : Assurez-vous que l’espaceur gris et la pince grise au sommet de la tige centrale passent à travers le
trou de la roue blanche inférieure. Cet arrangement permet que la poignée blanche et rouge fasse tourner la
mèche de perceuse jaune.
Activité de découverte : Comment une perceuse à main fonctionne-t-elle en
tant que vis?
Demandez à la classe quelle machine
simple la mèche de la perceuse
représente.
Les étudiants devraient reconnaître que c’est une vis, donc un
plan incliné spiralé.
Révisez avec eux le fait que l’utilisation d’une vis facilite un travail en réduisant la quantité d’effort nécessaire
pour l’accomplir, mais qu’il faut cependant parcourir une plus longue distance pour ce faire.
Expliquez que le modèle leur permettra d’étudier comment une vis peut faciliter un travail.
Étapes
1. Prenez votre perceuse dans une main et parcourez le filet (les tiges jaunes flexibles) avec un de vos doigts.
Décrivez la trajectoire de votre doigt.
2.
(a) Prenez l’un des filets du modèle, placez-le bien droit et mesurez-le.
(b) Inscrivez cette mesure dans votre Journal. N’oubliez pas de remettre le filet en place.
3.
(a) Mesurez et inscrivez la longueur
du corps de la perceuse.
(b) Que remarquez-vous en
comparant les deux mesures?
(c) Selon ce que vous savez des plans
inclinés, pourquoi pensez-vous que
la vis est conçue de cette façon?
Les étudiants devraient remarquer que le filet est une pente
ascendante, comme un plan incliné. La seule différence est que
ce plan incliné tourne autour du corps de la vis. Le filet est
plus long que le corps de la vis. Comme dans le cas des autres
plans inclinés, la vis oblige un déplacement plus long, mais la
force nécessaire est ainsi diminuée.
4. La distance entre les filets d’une vis se nomme le pas de filetage. Une vis comportant un petit pas de filetage
est plus facile à faire tourner qu’une vis qui en comporte un plus large. Lorsque le pas de filetage est plus large,
l’inclinaison est plus forte, donc on peut comparer l’effort à essayer de monter une pente qui est plus inclinée
qu’une autre. Mesurez et inscrivez la dimension du pas de filetage de votre mèche de perceuse en mesurant la
distance qui sépare les filets.
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GUIDE DE I’ENSEIGNANT
5.
(a) Placez les balles de ping-pong dans votre boîte de conserve et inclinez un peu la boîte. Utilisez votre perceuse
pour perforer le côté ouvert de votre boîte. Remarquez comment les balles réagissent.
(b) Pourquoi cela se produit-il?
(c) Que croyez-vous qu’il se passe
lorsqu’on perfore un morceau de
bois avec une vraie perceuse?
(d) Inscrivez vos hypothèses dans
votre Journal.
Les étudiants devraient remarquer que les balles sont poussées
vers le haut et sont expulsées de la boîte, parce qu’elles se
déplacent le long des filets de la mèche. La même chose se
produit si l’on creuse un trou dans un morceau de bois. Le
bout de la mèche agit comme un coin pour percer le trou.
Lorsque les filets s’enfoncent dans le bois, ils poussent les
éclats de bois vers le haut, puis vers l’extérieur, pour laisser
un trou.
Mise en application
Demandez aux étudiants d’examiner différents types de vis et de remarquer en quoi leurs pas de filetage
sont différents.
Demandez-leur d’inscrire dans
leur Journal comment les pas de
filetage fonctionnent pour que la vis
accomplisse un travail. Ils devraient
penser à la facilité de faire tourner la
vis et à la distance sur laquelle la vis
doit tourner.
Les étudiants devraient suggérer que puisque les vis ayant
un plus petit pas de filetage sont plus faciles à tourner, elles
devraient être utilisées pour percer des matériaux très durs.
Les vis possédant un grand pas de filetage couvrent une plus
grande distance et peuvent être utilisées lorsque vous devez
faire des trous plus profonds dans un matériau.
Encouragez les étudiants à construire une mèche de perceuse comportant un pas de filetage différent pour leur
perceuse. Demandez-leur quel genre de matériel leur nouvelle perceuse pourrait perforer, et pourquoi.
Pour aller plus loin
1. Il y a plus de 2 000 ans, les gens utilisaient une machine simple pour transporter l’eau des rivières pour arroser
leurs champs, pour boire ou pour se laver. Cette machine était même utilisée pour écoper l’eau qui s’infiltrait
dans les navires. C’est le scientifique et mathématicien Grec Archimède qui inventa cette machine simple
nommée la vis d’Archimède.
38
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LES MACHINES SIMPLE
Wheels
& INCLINES
Axles
LES PLANS
Perceuse à main
En cherchant sur internet ou à la bibliothèque, renseignez-vous à propos de cette vis d’Archimède.
Comment est-elle conçue et comment fonctionne-t-elle? Comment était-elle utilisée il y a 2 000
ans? Et maintenant?
Source : American Museum of Natural History.
La vis d’Archimède consiste en une vis insérée dans un cylindre, ouvert aux deux extrémités et muni d’une
poignée à l’une des extrémités de la vis. L’eau est lourde, donc difficile à soulever et à transporter en grande
quantité. L’extrémité qui ne possède pas de poignée est immergée dans l’eau (dans une rivière par exemple).
On actionne ensuite la poignée et l’eau pénètre dans le cylindre en suivant le filet de la vis, vers le haut pour
ressortir à l’autre extrémité. Dans le passé, la vis d’Archimède était toujours utilisée lorsque quelqu’un voulait
transférer de l’eau d’une rivière ou d’un lac vers un endroit plus élevé. De nos jours, cette machine est utilisée
pour l’irrigation, le transfert des céréales ou l’excavation.
2. Demandez aux étudiants de calculer l’effet mécanique d’une vis ou d’une mèche de perceuse. Ils doivent utiliser
la formule suivante :
Longueur de l’inclinaison (longueur de la spirale)
Hauteur de l’inclinaison (longueur du corps)
= effet mécanique
Défi de construction
Imaginez que vous êtes propriétaire d’une usine de balles. Vous avez besoin d’une machine que vous pourrez
utiliser pour transférer les balles de la ligne d’assemblage vers l’emballage. Les balles doivent être prises dans une
machine et emmenées vers des boîtes situées plus haut dans une autre machine. Vous aurez aussi besoin d’une
autre machine pour transporter les boîtes vers les camions de livraison.
En utilisant les pièces K’NEX, concevez et construisez les machines nécessaires pour satisfaire les besoins de votre
production. Assurez-vous d’inclure au moins deux des trois types de plans inclinés (plan incliné, coin et vis).
Expliquez de quelle façon vos machines fonctionnent et comment les plans inclinés font en sorte que les tâches
soient bien accomplies.
Vérification du Journal
4
4
4
4
Schéma des parties de la vis, avec le nom des parties et leurs définitions.
Comparaison entre une mèche de perceuse et un plan incliné.
Comparaison entre la façon dont les balles sont expulsées de la boîte et l’apparence des éclats de bois
lorsqu’on perce un trou avec une perceuse.
Liste de mèches de perceuse munies de différents pas de filetage et l’utilisation qu’on peut en faire.
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