Stage de sciences - IUFM 2006

Voici la préparation d'Olivier sur les fusées à eau pour les stagiaires que nous étions.

Sciences expérimentales et technologie

Séquence "fusées à eau"

7-  Monde construit par l'homme

- objets mécaniques, transmission de mouvements:  un processus de réalisation d'objet technique permet à l'élève d'élaborer une démarche d'observation et de recherche. Cette réalisation peut être, pour l'élève, l'occasion de s'approprier quelques notions scientifiques de base.

Séance 1 : définition du principe d'action / réaction

Matériel : ballon de baudruche, bouteille de soda, bicarbonate de sodium, vinaigre blanc, bouchon.

Déroulement:

1-      Je gonfle un ballon et je le lâche.

2-      Que se passe-t-il?

3-      Schématisation du phénomène et définition du principe:

Trace écrite

" Si on lâche un ballon de baudruche gonflé (non obturé), l'air à l'intérieur du ballon, comprimé par les parois, sort en accélérant par le goulot. En étant éjecté, le gaz va propulser le ballon par le principe de réaction. Ce ballon de baudruche part dans tous les sens quand on le lâche à cause de l'instabilité d'orientation du goulot."  + schéma

On peut éventuellement prévoir une ficelle, une paille et du scotch double face et les amener à réfléchir sur un moyen de guider le ballon, de lui donner une trajectoire rectiligne…

Connaissez-vous des véhicules qui se déplacent grâce à ce principe? Fusées, avions, …

Trace écrite (suite)

"Certains véhicules avancent  grâce à l'éjection, vers l'arrière, d'air, de gaz ou d'eau: ils se déplacent par réaction. La fusée utilise le principe de réaction en accélérant et éjectant derrière elle une certaine masse de matière, à l'aide d'un (ou de plusieurs)moteur-fusée(s). "

Pour info : Troisième loi de Newton ou principe d'action réciproque

"Tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d'intensité égale, mais de sens opposé, exercée par le corps B. "

A et B étant deux corps en interaction, la force exercée par A sur B et la force exercée par B sur A qui décrivent l'interaction sont directement opposées : ces forces ont la même droite d'action, des sens opposés et la même norme. Ces deux forces sont toujours directement opposées, que A et B soient immobiles ou en mouvement.

4-     Proposition de travail: je vous propose de découvrir un moteur à réaction, à vous d'observer et de comprendre ce qui se passe: mélange, pression, éjection, décollage. Que peut-on mesurer? Que ne peut-on pas mesurer?

-         la pression or rapport entre pression et performance du moteur

-         grâce à quoi le moteur décolle-t-il? Gaz? Vinaigre? …

Séance 2 : mise au point d'un moteur à eau.

"être capable de recommencer une expérience en ne modifiant qu'un seul facteur"

1-     Rappel (action/réaction, moteur, analyse, …)

2-     Proposition de travail par rapport au moteur à eau: démonstration. Que peut-on modifier pour rendre ce moteur plus puissant?

-         quantité d'eau (0 cl., 50 cl., …)

-         pression (limitée par la résistance du bouchon, 4 bars maxi)

-         peut-on modifier ces deux paramètres en même temps? Pourquoi?

3-     Hypothèses / validation par une estimation de la hauteur atteinte par la bouteille / observation de la trajectoire de la bouteille.

4-     Choix d'une pression (on peut la fixer pour simplifier la situation et parce que les bouchons ne résistent pas à de fortes pressions;  et d'une quantité d'eau embarquée) et Trace écrite qui justifie le choix par comparaison des différentes expériences.

Séance 3 : que faut-il ajouter à ce moteur pour le transformer en fusée ?

"réalisation matérielle, recherche de solutions techniques"

1-     Rappel par rapport à la trajectoire de la bouteille seule lors des essais de moteur.

2-     Présentation d'un cahier des charges (celui de Bernard Boudin qui peut être adapté).

3-     Lister les différentes parties d'une fusée (ailerons, coiffe ou ogive, moteur).

4-     Proposition de document/plan (doc. 1). Chaque groupe doit être en mesure de passer la commande du matériel nécessaire pour construire la fusée.

Séance 4 : Construction de la fusée et hypothèses de vol par rapport aux choix effectués (doc.2)

"réalisation matérielle, recherche de solutions techniques"

Séance 5 : lancement et analyse des vols (doc. 2), conclusions, nouvelles hypothèses.

"réalisation matérielle, recherche de solutions techniques"

Séances suivantes : Plusieurs séances de mise au point peuvent être nécessaires, les élèves n'ont le doit de modifier qu'un seul facteur à la fois, l'observation des résultats des autres groupes doit pouvoir aider certains groupes à avancer plus vite.

Quoi qu'il arrive, c'est le lancement de la fusée qui permet de valider les hypothèses de départ et les ajustements.

Il est vraiment intéressant de conserver la trace des premiers plans afin de comparer avec les évolutions.

On peut, pour finaliser le travail, valider une fusée, la plus performante, et en proposer le plan à toute la classe.

Remarques:

1-     En fonction de la vitesse de travail des élèves, de leur capacité à trouver des solutions, on peut amorcer un nouveau travail de recherche par rapport à la récupération de la fusée.

2-     Transdisciplinarité:

-         en général, les élèves sont assez intéressés par ce travail, on peut prolonger l'activité par des comptes rendus écrits successifs pour le journal scolaire;

-         la mise au point du moteur peut être l'occasion de réinvestir des notions mathématiques telles que la mesure de capacité;

-         la conception et la fabrication de la fusée fait appel à des compétences en mesure de longueur, de masse (effet sur le vol de la fusée), en tracé (ailerons, …);…

-         on peut aussi trouver des prolongements en littérature, en amenant les élèves à constater que le rêve de voler à toujours existé, que la connaissance de l'univers est étroitement liée à l'histoire de la conquête de l'espace mais qu'elle a commencé bien avant, … (Christian Grenier, "Icare et les conquérants du ciel", coll. Contes et légendes, NATHAN. Suite de courts récits à propos de personnages, depuis l'antiquité jusqu'à aujourd'hui qui ont marqué à leur manière l'histoire de la conquête du ciel et de l'espace.)

-         il est aussi possible de dynamiser l'activité par l'organisation de défis, …

-         et bien d'autres choses encore…

Ce stage s'est déroulé sous la houlette de M. Patrice ROBISSON, secondé par Mrs Pierre FLEURY, Bernard BOUDIN, Jean-Pierre CARRIER, François LUSIGNAN, Jean-Louis ALAYRAC, Olivier GAGNAC