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Pour l’ensemble du groupe
Pour chaque équipe de quatre élèves
La flottabilité La flottabilité caractérise la capacité d'un objet à flotter sur un fluide (au primaire, le fluide le plus utilisé pour l'étude de la flottabilité est l'eau). Elle dépend de la force que ce fluide exerce sur l'objet qui y est immergé. En fait, puisque la pression exercée sur un objet immergé augmente avec la profondeur, la partie inférieure de l'objet immergé subit une pression plus grande que la partie supérieure de l'objet immergé. Il en résulte donc une force verticale, dirigée vers le haut. La direction de cette force est inverse à la direction de la force exercée par la gravité sur le même objet. On nomme la force verticale dirigée vers le haut la « poussée d'Archimède » en l'honneur du mathématicien qui a vécu environ 300 ans avant Jésus-Christ. Ce mathématicien, à qui le roi aurait demandé de l'aide afin de savoir si des cadeaux reçus étaient d'une bonne valeur, aurait eu l'idée de calculer la masse volumique des couronnes et bijoux du roi et de la comparer avec la masse volumique de l'or massif, afin de savoir s’ils étaient faits d'or massif. On dit qu'il aurait eu cette idée alors qu'il était dans sa baignoire, et qu'il serait sorti nu dans la rue en criant « Eurêka! », qui signifie : « J'ai trouvé! ». Il venait en fait d'établir le lien entre la force exercée sur un objet immergé dans un fluide et la masse volumique de cet objet : la force de la poussée d’Archimède est égale au poids du volume d’eau déplacé par l’objet immergé. Il venait de trouver le moyen de vérifier que les couronnes et les bijoux du roi étaient bel et bien en or massif. Voyons plus précisément comment le concept de masse volumique peut être relié au concept de flottabilité. La masse volumique La flottabilité d'un objet dépend de sa masse volumique. La masse volumique d'un objet est le rapport de sa masse — que l'on peut exprimer en kilogrammes (kg) — avec son volume, exprimé, par exemple, en mètres cubes (m3). Ainsi, la masse volumique de l'eau est de 1000 kg/m3, puisque 1000 kilogramme d'eau équivaut à un volume de 1 m3 d'eau. Si la masse volumique de l'objet est plus grande que celle de l'eau, l'objet coule. Par contre, si la masse volumique de l'objet est plus petite que celle de l'eau, l'objet flotte. Différents facteurs peuvent influencer la flottabilité d'un bateau. Ainsi, selon leurs conceptions, les élèves croient que la masse, la grosseur, le matériel, la structure ou la forme peuvent influencer la flottabilité. Voici un tableau adapté de Chidsey et Henriques (1996) résumant les principales idées des enfants concernant la flottabilité.
Activité de préparation : Comment les bateaux flottent-ils? Intention : Amener les enfants à verbaliser leurs conceptions initiales concernant la flottabilité. Durée : 1 période de 50 minutes L'activité débute en présentant un court extrait du film Titanic ou différentes photographies ou dessins de bateaux. Demandez par la suite aux enfants : Comment les bateaux flottent-ils? Recueillez alors les conceptions des enfants et écrivez les idées principales au tableau. Amenez les enfants à préciser leurs propos, à bien écouter les idées des autres, mais également à réfléchir sur les mécanismes qui pourraient expliquer qu'un bateau flotte. Ensuite, vous pouvez demandez aux élèves : Comment le Titanic a-t-il coulé?. Il s'agit alors d'écouter les avis de chacun et de partager avec les enfants votre enthousiasme face à la question. Vous pouvez finalement demander aux enfants de faire un dessin qui résume bien leur propre réponse à la question « Comment les bateaux flottent-ils? » et de l'accompagner d'une phrase-résumé. Ces dessins serviront, à la fin des activités, à comparer la compréhension du concept de flottabilité avant les activités et après les activités.Activité 1 : Flotte ou coule? Intention : Préciser les facteurs de flottabilité. Durée : 2 périodes de 50 minutes En équipe de 4, les élèves devront examiner plusieurs objets (ce peut être des fruits et légumes) et anticiper ce qui se passerait si chacun d'eux était déposé à la surface de l'eau : coulerait-il ou flotterait-il? Ils devront indiquer leurs hypothèses et les justifier dans un tableau qu'ils auront eux-mêmes construit. Les élèves seront par la suite invités à vérifier leurs hypothèses en déposant les objets, l'un à la suite de l'autre, à la surface de l'eau d'un aquarium ou d'un grand bol. Ils compléteront leur tableau en ajoutant les résultats de l'expérimentation dans une colonne supplémentaire. Ils devront finalement présenter aux autres équipes les résultats de leur expérimentation en tentant d'expliquer pourquoi certains objets n'ont pas répondu à leurs attentes. Pendant les présentations, vous pouvez écrire au tableau les termes importants utilisés par les élèves (ex : poids, masse, forme, lourd, etc.) et résumer dans un tableau les résultats de l'expérimentation. Activité 2 : Le poids, le volume et la masse volumique Intention : Préciser l'influence du poids et de la taille dans la compréhension du concept de flottabilité. Durée : 1 période de 50 minutes Puisque certains enfants pensent que les objets lourds coulent et que les objets légers ou petits flottent, il peut être utile, si cela n'a pas déjà été fait lors de l'activité 1, de peser les objets avant de comparer leur flottabilité. Ainsi, des objets de poids et de taille différente peuvent être proposés afin de vérifier que certains objets, même lourds, flottent (ex : un bateau, un gros morceau de bois) et certains objets, même légers, coulent (ex : un petit caillou). On pourrait également comparer, par exemple, la flottabilité de la tomate et du kiwi (la tomate flotte et le kiwi coule bien que la tomate soit généralement plus lourde que le kiwi). Les enfants pourraient également être appelés à réduire la taille des fruits et légumes utilisés en les coupant et en comparant leur flottabilité avec le fruit ou légume entier. Pour cette activité, un tableau peut également être utilisé. Celui-ci pourrait être bonifié par rapport à celui de l'activité 1 qui avait été construit par les élèves. Par exemple, pour chaque objet, on pourrait y inscrire son poids et qualifier sa taille (petite, moyenne, grande). Les enfants pourraient tenter d'expliquer pourquoi un objet flotte ou coule dans une autre colonne du tableau. Si vos élèves semblent capables d'expliquer que le poids seul ou la taille seule ne peut expliquer le fait qu'un objet flotte ou coule, vous pouvez les initier au concept de masse volumique. Pour ce faire, vous pouvez immerger, un à la fois, les objets des élèves dans un cylindre gradué rempli d'eau et noter la différence du volume d'eau avant et après l'immersion. Vous pourrez ainsi calculer le volume de l'objet. Pour connaître sa masse volumique, il suffit de diviser la masse de l'objet (que vous aurez obtenue à l'aide d'une balance) par le volume du même objet. Il ne s'agit pas ici de donner un cours théorique sur le calcul de la masse volumique, mais bien d'illustrer le fait que des objets peuvent avoir, pour un même volume, un poids différent. Vous pourrez réinvestir cette notion dans les activités subséquentes ce qui vous permettra d'aller plus loin dans l'explication ou l'illustration du concept de masse volumique. Activité 3 : Finalement, qu'est-ce qui fait qu'un objet flotte ou coule? Intention : Initier les élèves au concept de masse volumique. Durée : 3 périodes de 50 minutes Afin d'initier les élèves au concept de masse volumique, vous invitez les élèves à relever le défi de faire flotter un objet qui coule. Vous remettez donc à chaque équipe une boule de pâte à modeler, d'argile ou autre, et invitez les élèves à trouver un moyen de la faire flotter. En équipe, les élèves auront donc à trouver un moyen de faire flotter cette boule de pâte à modeler. Ils devront en arriver à comprendre que lorsque l'on augmente la taille de la boule de pâte à modeler afin de créer un espace d'air qui sera contenu sous la surface de l'eau (comme la coque d'un bateau), on arrive à la faire flotter. Vous pourrez, à ce moment, circuler dans les équipes et discuter avec les élèves autour du concept de masse volumique introduit à l'activité précédente. Vous pourrez ainsi aborder avec eux l'idée que le volume total de l'objet modifié qui est situé sous la surface de l'eau est plus grand que le volume de la pâte à modeler en boule et qu'ainsi, la masse volumique de l'objet modifié est plus petite que la masse volumique initiale de l'objet et même plus petite que la masse volumique de l'eau, ce qui fait que l'objet flotte. Vous pouvez également introduire l'idée que la masse volumique de l'air est beaucoup plus petite que celle de l'eau et amener les élèves à réfléchir sur leurs expériences quotidiennes telles que la production de bulles sous l'eau (les bulles remontent à la surface de l'eau) ou la pluie qui tombe du ciel. À ce moment, il pourrait être intéressant, si vous sentez que les élèves sont prêts, de faire un retour en grand groupe et d'illustrer le concept de masse volumique au tableau. Des images de bateaux qui flottent sur la surface de l'eau ou de bateaux qui coulent pourraient être utilisées. Évaluation : Pendant cette activité, vous pouvez évaluer la compétence transversale d'ordre personnel et social « coopérer ». Pour consigner vos commentaires sur le travail des élèves, vous pouvez utiliser notre grille. Vous pourrez par la suite comparer les réalisations des différentes équipes et faire ressortir les points communs qui expliquent les caractéristiques de la flottabilité des objets ainsi modifiés. Vous pourrez réexpliquer qu'un objet peut flotter lorsqu'on change sa forme de telle sorte que l'on ajoute à son volume total un volume d'air sous l'eau, ce qui diminue la masse volumique totale de l'objet. À ce titre, l'exemple du Titanic peut aider à la bonne compréhension du concept de flottabilité. Exemple du Titanic Le Titanic pèse 46 000 tonnes (Wikipédia : Titanic, 2008), ce qui fait 46 000 000 de kilogrammes (ou 920 000 000 kiwis) et pourtant, il flottait. Le volume d'eau qu'il déplaçait (c'est-à-dire le volume de la portion submergée du paquebot), était de 44 660 m3. Ce volume d'eau de mer (dont la masse volumique est d'environ 1030 kg/m3) pèse 46 000 tonnes. Le volume d'eau déplacé et le Titanic auraient le même poids et donc, le Titanic flotte. Lorsqu'il a frappé un iceberg et que de l'eau s'est infiltrée dans le paquebot, de l'air a été remplacée par de l'eau dans la coque du bateau ce qui a augmenté la masse volumique du bateau et l'a fait couler. Vous pouvez par la suite consulter avec les élèves divers documentaires ou vidéos qui illustrent bien le fait que les bateaux sont construits de manière à occuper beaucoup d'espace (dans la coque il y a plusieurs espaces vides). Ici, une recherche documentaire sur ce qui fait flotter différents objets pourrait être proposée aux élèves. Les élèves devraient trouver dans des documentaires en littérature jeunesse, sur des sites Internet et auprès de spécialistes les facteurs qui expliquent que différents types d'engins flottent (bateaux à voile ou à moteur, planche à voile, sous-marin, moto marine, skis nautiques, etc.). Chaque équipe pourrait ensuite rédiger une note explicative sur les caractéristiques qui font que cet engin flotte. Activité d'intégration : Construction d'un bateau Intention : Utiliser le concept de masse volumique afin de construire un bateau. Durée : 2 périodes de 50 minutes Afin de réinvestir leurs apprentissages, les élèves sont finalement invités à construire un petit bateau avec du matériel qui sera mis à leur disposition ou qu'ils pourront apporter de la maison. Divers matériaux pourront être présentés, leur masse volumique et leur flottabilité pourront être analysées. Les élèves choisiront alors les matériaux les plus intéressants pour la construction de leur bateau. Ils devront également lui donner une forme appropriée. Vous pouvez également les inviter à planifier leur démarche en estimant la flottabilité de leur bateau. Ils disposeront de 2 périodes pour le construire et la fin de la dernière période pourra servir à présenter le bateau à la classe ou à d'autres groupes d'élèves. Vous pourrez alors insister pour que les élèves expliquent comment ils ont procédé pour estimer la flottabilité des matériaux utilisés et déterminer la forme du bateau. Chidsey, J. et Henriques, L. (1996). Can parents effectively assess their children's ideas about science? Paper present at the annual meeting of the National Association for Research in Science Teaching. Giordan, A. (1999). Une didactique pour les sciences expérimentales. Paris : Éditions Belin. 240 p. « Titanic : caractéristiques ». 2008, 15 octobre. In Wikipédia. En ligne. http ://fr.wikipedia.org/wiki/Naufrage_du_Titanic. Consulté le 15 octobre 2008. | |||||||||||||
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La flottabilité d'un bateau  |
