® 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 : www.knexeducation.
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.
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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.
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.
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.
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.
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.
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.
Wheels LES ROUES& 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.
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).
Wheels LES ROUES& 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.
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.
Wheels LES ROUES& ET Axles 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).
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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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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 22 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.
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.
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.
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.
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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.
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.
(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.
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.
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.
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.
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.
GUIDE DE I’ENSEIGNANT Vérification du Journal 4 4 4 4 4 34 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.
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.
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.
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.
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.
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.
