La force et le mouvement
Dans la plupart de ce que nous faisons, nous nous servons des principes de force et de mouvement. Que ce soit pour sortir du lit, marcher, lancer une balle, déboucher une bouteille, on doit exercer une force pour obtenir le mouvement souhaité. Si cette force n'est pas assez forte ou mal appliquée, on n'obtiendra pas les effets désirés. Dans cette unité, les élèves examinent, mesurent et discutent de la manière dont des forces d'origines diverses servent à produire et à contrôler le mouvement.
L'objectif principal de cette unité est d'encourager les élèves à chercher des répétitions et des motifs répétitifs et réguliers dans le mouvement et dans les forces qui influencent le mouvement. Analyser ce qu'on tient pour acquis est difficile, mais très utile. Il faut, pour cela, regarder les choses sous un angle différent et se pencher sur ce qu'on a pu jusqu'ici laisser de côté.
Cette unité peut être intégrée avec le programme de danse de la 7e année. L'étude du mouvement et des forces peut facilement faire partie de l'étude des forces exercées sur et par le corps et des mouvements résultant de l'application de la force. Les divers mouvements du corps peuvent être reliés et comparés aux forces et mouvements que nous étudions tout au long de cette unité (gravité, force centrifuge, poussée, etc.). Par la danse, les élèves ressentent et perçoivent l'effet de forces sur leurs corps et leurs mouvements.
La rédaction scientifique, comme on le voit à la page 2 du document Sciences Programme d'études pour l'intermédiaire, doit être intégrée dans chaque leçon. Le fait d'écrire son journal, de lire des journaux et de faire des rapports sur des activités de sciences ne constituent que trois stratégies pour mieux comprendre les concepts scientifiques et apprendre à mieux communiquer par l'écriture.
Le défi-sciences décrit à la page 3 du document Sciences Programme d'études pour l'intermédiaire, a pour but d'étoffer la créativité et le raisonnement critique des élèves dans le cadre des concepts scientifiques étudiés. Ce défi vise à permettre à chaque élève d'étudier un domaine de manière plus approfondie qu'il n'est possible de le faire en classe ou en groupe. Le défi-sciences est une stratégie essentielle pour introduire la pédagogie différenciée(dimension adaptation) en classe et inciter à l'apprentissage autonome.
À titre d'exemple de défi-sciences, on peut planifier et construire un avion en papier capable de voler longtemps, ou construire une machine à la Rube Goldberg, conçue à partir d'une machine simple et capable d'accomplir une tâche.
1re année
2e année
3e et 5e année
9e année
Les forces, les mouvements, le marteau, le tourne-vis, l'ouvre-boîte, la pendule, la masse, la forme ou densité du poids, la balance, la trajectoire, le transfert énergétique, une montgolfière, la propulsion, le ballon de baudruche, le dynamomètre, le moulin à vent, emmagasiner l'énergie, le mouvement de rotation, un appareil volant, un hélicoptère, la direction de rotation, la vitesse de rotation, la friction, la résistance, le calibrage, la gravitation, le lubrifiant, l'action et la réaction.
| A5
B2
C4
D3
E6
F2
G3
| empirique
l'interaction
la coopération
les effets de la science et de la technologie
savoir mesurer la distance
la mise en question
continuer d'étudier
|
1.Reconnaître la relation entre la force et le mouvement
| 1.1 | Identifier et démontrer des types de mouvement que l'on rencontre dans la vie de tous les jours |
| 1.2 | Décrire et analyser le mouvement |
| 1.3 | Identifier parmi les facteurs qui influencent le mouvement ceux qui sont des forces ou se rapportent à des forces |
| 1.4 | Trouver certaines façons de mesurer la force |
| 1.5 | Créer certaines façons de mesurer le mouvement |
2. Connaître les forces qui influencent divers types de mouvement
| 2.1 | Concevoir des expériences pour démontrer la relation entre la force et le mouvement |
| 2.2 | Découvrir comment les ingénieurs testent les modèles de voiture et de camion pour déterminer leur résistance au vent |
| 2.3 | Explorer la modification de la friction entre deux surfaces solides |
| 2.4 | Découvrir comment les sportifs réduisent leur résistance au vent |
3. Comprendre les façons dont on se sert des forces pour contrôler le mouvement
| 3.1 | Construire des avions en papier qui illustrent l'importance des forces dans le vol |
| 3.2 | Comparer les principes du décollage, du vol et de l'atterrissage des oiseaux et des avions |
| 3.3 | Identifier des situations dans les sports où les forces servent à créer et à changer le mouvement |
4. Développer chez les élèves des habiletés leur permettant de répondre à leurs propres besoins d'apprentissage (AUT)
| 4.1 | Faire le lien entre ce qu'on sait et ce qu'on est en train d'apprendre |
| 4.2 | Préparer des projets, courts et auto-dirigés, qui décrivent le «quoi», le «comment» et le «quand» |
| 4.3 | Trouver des associations entre les connaissances et élargir ces relations par des recherches supplémentaires |
| 4.4 | Collaborer avec les enseignants et autres personnes-ressources pour analyser et contrôler le processus d'apprentissage |
| 4.5 | Former de petits groupes de recherche ou de travail basés sur des intérêts communs et déterminer le type d'activités à mener, ainsi que le format de la présentation des résultats |
5. Renforcer les connaissances et la compréhension des élèves sur la façon de calculer, mesurer, estimer et interpréter les données mathématiques. Leur montrer comment appliquer ces habiletés et ces techniques et aussi pourquoi ces démarches s'appliquent à l'étude des forces et du mouvement (NUM)
| 5.1 | Reconnaître quand une réponse calculée est raisonnable |
| 5.2 | Comprendre la nature du problème quantitatif et essayer de trouver une solution convenable |
| 5.3 | Comprendre que des pensées et des raisonnements divergents précèdent souvent des pensées convergentes et les solutions à des problèmes de la vie réelle |
| 5.4 | Comprendre ce que veut dire précision et déterminer le degré de précision le plus approprié à une mesure donnée |
| 1. | Comme point de départ pour examiner les relations entre la force
et le mouvement, analyser le fonctionnement d'outils manuels ordinaires tels
que le marteau, le tourne-vis et l'ouvre-boîte. Où applique-t-on
la force? Où le mouvement critique (voulu) prend-il place?
Facteurs: B7, B10, C10, C11, C12, C16, C17, D3, E11, G6. Objectifs: 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 2.1, 4.3, 5.2, 5.3. Méthodes d'enseignement: enquête, expériences, centres d'apprentissage, démonstrations, discussion, apprentissage coopératif Méthodes d'évaluation: postes de travail/postes d'épreuves, auto-évaluation/co-évaluation, présentations, évaluation de la performance |
| 2. | Découper des bandes de papier de 20 cm sur 4 cm et en donner 4 ou
5 à chaque élève. Leur demander de prendre une bande
et de la placer sous leur lèvre inférieure de façon
à ce que la bande pende jusqu'à leur poitrine. Leur demander
de prédire ce qui va arriver à la bande s'ils soufflent doucement
sur le haut de la bande, en défléchissant le souffle d'air
avec leur lèvre supérieure. Leur demander d'essayer de voir
ce qui se passe. C'est parfois plus facile d'observer les effets si on travaille
à deux et si on s'observe mutuellement.
Qu'arrive-t-il au mouvement quand ils soufflent plus fort? Que se passe-t-il quand ils font une coupure dans le sens de la longueur à partir du bout libre jusqu'au milieu de la bande? Que se passe-t-il lorsqu'ils plient la bande dans le sens de la longueur pour obtenir un rabat de 3 cm de long qui dépasse du bout libre? Que se passe-t-il s'ils tiennent le bout sur la lèvre supérieure et si le souffle d'air est dirigé sous la bande?
On trouvera d'autres renseignements sur les forces se rapportant au décollage et au vol dans le livre Super Flyers (Francis, 1988). Ce livre, dont les droits d'auteur sont réservés, contient toutes sortes d'activités excellentes. On suggère d'acheter assez d'exemplaires pour que chaque élève ou groupe puisse y avoir facilement accès. Selon l'organisation de la classe, un exemplaire pour 3 à 10 élèves devrait suffire. Facteurs: A5, B2, B5, B7, B10, B20, B24, C10, C12, C15, C16, D3, F7, G6. Objectifs: 1.1, 1.2, 1.3, 1.5, 2.1, 3.1, 3.2, 4.2, 4.3, 5.3. Méthodes d'enseignement: enquête, excursions, démonstrations, trousse d'activités, apprentissage coopératif, projet de recherche, centres d'apprentissage Méthodes d'évaluation: postes de travail/postes d'épreuves, auto-évaluation/co-évaluation, présentations, évaluation de la performance |
| 3. | Construire un moulin à vent. Trouver un système pour emmagasiner
l'énergie produite lorsque le moulin transforme la force du vent en
mouvement de rotation. Comment les facteurs suivants déterminent-ils
la vitesse de rotation: la forme, la superficie et l'angle des ailes?
Commentpeut-on mesurer la vitesse de rotation? Élaborer un dispositif
pour calculer le nombre de rotations par minute.
Prolongement: Comment la vitesse du vent affecte-t-elle la quantité d'énergie produite par le moulin? Inventer un dispositif pour mesurer le rapport entre ces deux facteurs. Est-ce que ce rapport est linéaire? Facteurs: A5, A8, B1, B2, B5, B6, B7, B8, B10, B12, B13, B15, B21, B23, C3, C5, C9, C11, C12, C13, C14, C16, D1, D2, D3, D4, E2, E3, E13, F2, F3, F4, G1, G2, G3, G5, G6, G8. Objectifs: 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 2.1, 4.5, 5.3, 5.4. Méthodes d'enseignement: enquête, apprentissage coopératif, centres d'apprentissage, discussion Méthodes d'évaluation: présentations, tests de performance, fiches anecdotiques, grilles d'observation, échelles d'appréciation |
| 4. | Les caractéristiques du pendule sont sa masse, sa forme, sa
densité, la longueur et l'épaisseur de sa tige. Quels sont
les facteurs qui mettent le pendule en mouvement? Qu'est-ce qui maintient
son balancement? Qu'est-ce qui détermine sa trajectoire? Est-ce que
la tige en mouvement décrit une courbe ou une ligne droite? Que se
passerait-il si l'on utilisait des trombones à la place du pendule?
Quelles sont les principales fonctions d'un pendule (loisirs, vie pratique,
etc.)?
Facteurs: A8, B2, B5, B7, B8, B9, B10, B11, B13, C3, C5, C6, C9, C10, C11, C12, C13, C15, C16, C20, E3, E7, E8, E11. Objectifs: 1.1, 1.2, 1.3, 1.5, 2.1. Méthodes d'enseignement: enquête, apprentissage coopératif, expériences, excursions, démonstrations, centres d'apprentissage, trousse d'activités Méthodes d'évaluation: fiches anecdotiques, grilles d'observation, échelles d'observation, évaluation de groupe, présentations |
| 5. | Fabriquer un appareil de transfert énergétique dans lequel
des boules suspendues s'entrechoquent. Si cela est possible, apporter un
appareil de transfert qu'on trouve dans le commerce. Ils sont pour la plupart
constitués de plusieurs boules d'acier, suspendues à un fil
de ferqui est attaché à un support horizontal. Lorsqu'on heurte
une des boules, celle-ci en frappe une deuxième qui en frappe une
troisième, etc. Demander aux élèves de construire leurs
propres appareils de transfert énergétique et de les montrer
aux autres classes de l'école.
Facteurs: A8, B2, B5, B7, B8, B9, B10, B11, B13, C3, C5, C6, C9, C10, C11, C12, C13, C15, C16, C20, E3, E7, E8, E11. Objectifs: 1.1, 1.2, 1.3, 1.5, 2.1. Méthodes d'enseignement: enquête, expériences, démonstrations, centres d'apprentissage, trousse d'activités Méthodes d'évaluation: fiches anecdotiques, grilles d'observation, échelles d'observation, présentations |
| 6. | Pourquoi certains objets changent-ils de forme sous l'effet d'une force? Quels sont les avantages et les inconvénients de cette propriété? Froisser un sac en papier, puis souffler dedans. Que se passe-t-il? Comment gonfle-t-on une montgolfière? Pourquoi les pneus des bicyclettes se dégonflent-ils? Pourquoi est-il plus facile de faire de la bicyclette avec des pneus bien gonflés qu'avec des pneus à plat? |
| 7. | Confectionner un bateau ou un avion avec du papier ciré, du bois, des feuilles de papier d'aluminium ou d'autres matériaux. Le propulser avec un élastique. |
| 8. | Construire des fusées avec des ballons de baudruche. Vous aurez besoin de pailles, de ruban gommé, de fil de nylon ou de fil de fer et de ballons de baudruche. Gonfler les ballons de baudruche (ceux qui sont longs et étroits) et bien resserrer le goulot avec un fil de fer ou un lien. Coller une paille le long du ballon avec du ruban gommé. Insérer le fil de fer ou le fil de nylon dans la paille. Attacher les deux bouts du fil à quelque chose de solide. Lorsque le ballon est dans l'air, enlever le fil de fer qui empêche l'air de s'échapper et observer les résultats. Répéter l'expérience en utilisant deux, trois ballons de baudruche, etc. Quelles sont les variables qui ont un effet sur la distance et la vitesse de vol du ballon? Comment pourrait-on améliorer notre fusée? |
| 9. | Démonter un pistolet à eau. Analyser comment la force est transférée de la gâchette à l'eau. Fabriquer un pistolet en se servant de matériaux que l'on peut se procurer facilement. |
| 10. | Comment peut-on se servir d'un élastique pour mesurer des forces? Y a-t-il d'autres manières de mesurer des forces? Que pourrait-on utiliser afin de mesurer des forces? Construire l'appareil qui semble le plus efficace et le plus pratique. |
| 11. | Fabriquer un dynamomètre. Vous aurez besoin d'un tube de carton de 16 cm de longueur, d'un manche à balai de 20 cm de longueur et d'un élastique (il faut que le diamètre du manche à balai soit plus petit que celui du tube de carton). Insérer le manche à balai dans le tube de carton, attacher le milieu de l'élastique au manche à balai et les deux bouts de l'élastique au tube de carton. Le manche à balai doit glisser librement dans le tube de carton. En sortant du tube, le manche à balai oblige l'élastique à s'étirer. Plus il y aura de résistance sur l'élastique, plus il s'étirera. Étalonner le dynamomètre aux masses standards en tenant le tube de carton et en attachant le bout du manche à balai à la résistance. |
| 12. | Pourquoi mettons-nous des chaussures à semelles de caoutchouc au gymnase? Que se passerait-il si l'on jouait au basket-ball avec des chaussures à semelles de cuir ou avec des chaussons de laine ou d'acrylique? Trouver un moyen de mesurer l'adhérence des différents types de chaussures. Doit-on tenir compte de la nature du sol? Si l'on devait jouer au basket-ball avec des semelles de cuir, que faudrait-il au sol pour une meilleure adhérence? |
| 13. | On peut se servir des activités 5 à 27 du livre Methods of Motion — An Introduction to Mechanics (1st tome), (Gartrell, 1989) et des activités 1 à 4, ainsi que des activités 25 à 30 du livre Evidence of Energy — An introduction to Mechanics (2nd tome), (Gartrell, 1990) pour illustrer les relations entre la force, la vitesse, la masse, l'accélération, la gravité et la friction. Ces manuels regroupent des textes renfermant toutes sortes d'informations de base sur chacune des activités et des concepts. Ils sont rédigés par un enseignant qui n'est pas un scientifique de formation. Les manuels contiennent le matériel nécessaire aux activités ainsi qu'un glossaire. Ils sont réalisés et publiés par l'association américaine National Science Teachers' Association. Cette dernière autorise la reproduction de passages à des fins éducatives. Chaque manuel coütait 16,50 $ US en 1991. Un seul devrait suffire par classe. |
| 14. | Rechercher les stratégies qu'utilisent les cyclistes pour réduire la résistance du vent quand ils et elles font une course de vélo. Analyser leurs vélos, leurs vêtements et leurs mouvements au point de vue de la réduction de la résistance du vent. |
| 15. | Prendre une feuille de 12,5 cm de long sur 7,5 cm de large. Plier en
2 dans le sens de la longueur. Couper la pliure ainsi obtenue sur 10 cm,
ce qui donne 2 bras de 10 cm sur
3,75 cm rattachés à une base de 7,5 cm sur 2,5 cm (voir le
schéma ci-dessous).
Lorsque la feuille est à plat sur la table, colorier le bras no 1 en rouge et le bras no 2 en bleu. Rabattre le bras no 1 vers vous. Rabattre le bras no 2 dans la direction opposée. Le bras rouge vous fait donc face.  Faire tomber la feuille encore une fois. Quel est le sens de la rotation de la feuille? Est-ce que la feuille a une rotation semblable à chaque essai? Est-ce que votre feuille tourne dans la même direction que celle des autres? Maintenant, rabattre le bras no 2 vers vous et le bras no 1 dans la direction opposée. Le bras bleu vous fait maintenant face. Laisser tomber la feuille et observer la direction de rotation. Discuter de vos observations avec les autres groupes et trouver une explication valable pour expliquer la rotation de n'importe quelle feuille coupée et pliée de cette façon.
Demander à la classe de dresser une liste de variables que l'on peut tester afin de vérifier leurs effets sur le trajet de la feuille lorsqu'elle tombe. Diviser les variables pour qu'elles soient testées par les groupes d'élèves. Les groupes peuvent partager leurs découvertes. |
| 16. | Construire un avion en utilisant deux boucles de papier et une paille.
Couper un morceau de papier de 3 cm de large sur
30 cm de long et un autre morceau de papier de 3 cm de large sur 20 cm de
long. Utiliser un stylo pour faire une ligne à 2 cm du bout de chaque
morceau de papier. Attacher les deux morceaux de papier comme dans le dessin
ci-dessous.
  |
| 17. | Analyser les forces et les mouvements associés à notre corps
quand on marche. Comment est-ce que les jambes se plient pour produire la
force nécessaire pour commencer le mouvement? Dans quelle direction
est-ce que s'exerce la force de la jambe contre le sol? En quoi est-ce que
les mouvements sont différents lorsqu'on marche dans de la neige molle,
sur de la glace ou sur du sable fin et sec? En quoi est-ce que le mouvement
change quand nous marchons lentement, quand nous marchons vite?
Analyser le mouvement d'une personne qui court. Est-ce que le mouvement est semblable au mouvement d'une personne qui marche ou qui saute? |