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Cycle 3 :<br />
Le sablier à eau pour le temps de parole<br />
A/ Objectifs<br />
1. Mettre en œuvre une démarche scientifique [expérimentale et technologique]<br />
2. Initier à la recherche de solutions techniques<br />
3. Acquérir des connaissances et des compétences relatives aux techniques et<br />
procédures de fabrication.<br />
B/ Compétences visées<br />
- Matérialiser l’air et son caractère pesant<br />
- Utiliser des instruments de mesure (chronomètre, balance, double décimètre)<br />
- Recommencer une expérience en ne modifiant qu’un seul paramètre.<br />
- Mettre en relation des données et les interpréter<br />
- Mettre en relation des observations et des savoirs.<br />
- Rédiger un compte rendu intégrant des schémas.<br />
Etape n°1 : observation du sablier du maître<br />
Situation de départ<br />
Problème<br />
Hypothèses des enfants<br />
Tester les propositions<br />
On voudrait réaliser un sablier à eau.<br />
Parce c’est gratuit et que ça doit bien couler.<br />
Mais dans le sablier à eau du maître, l’eau ne coule pas.<br />
Comment le faire fonctionner <br />
1. Le trou d’écoulement n’est pas assez gros.<br />
2. Il faut plusieurs trous bien au milieu<br />
3. Il n’y a pas assez d’eau dans la bouteille du haut<br />
Expériences guidées par le maître, faites par un élève devant<br />
toute la classe.<br />
Matériel :<br />
- Plusieurs bouchons percés de<br />
diamètre différents ou de<br />
plusieurs trous.<br />
- De l’eau colorée.<br />
Les tests :<br />
Résultat attendu : L’eau doit s’écouler<br />
entièrement.<br />
Remarques :<br />
1. Pour l’hypothèse n°1 et 2, donner trois bouchons percés (un diamètre 4, un<br />
diamètre 9 et un de deux trous).<br />
2. Pour l’hypothèse n°3 « Il n’y a pas assez d’eau dans la bouteille du haut », on<br />
met un peu d’eau dans le bouchon dévissé de la bouteille et ça coule (donc<br />
hypothèse fausse)
Conclusion n°1 ::<br />
Quelque chose empêche l’eau de descendre ! Mais quoi <br />
Expérience :<br />
Le maître propose alors une expérience de l’entonnoir<br />
relié de façon étanche à une bouteille (avec de la pâte<br />
à modeler par ex).<br />
Quand on remplit l’entonnoir d’eau, celle-ci ne coule<br />
pas.<br />
Qu’est ce qu’il y a dans le bouteille qui peut s’opposer à<br />
l’eau située dans l’entonnoir <br />
Si c’est l’air, comment peut on le vérifier <br />
Le maître propose de glisser une paille pour faire sortir<br />
l’air …<br />
Et ça marche, l’eau descend dans la bouteille.<br />
>>> Schématiser l’expérience et légender.<br />
Conclusion n°2 :<br />
L’air contenu dans la bouteille empêche l’eau de prendre sa place si on ne lui permet pas<br />
de sortir. (l’entonnoir est fixé de façon étanche sur la bouteille avec de la pâte à<br />
modeler).<br />
Etape n°2 : vers une première solution :<br />
Situation de départ<br />
Problème<br />
Hypothèses des enfants<br />
Notre sablier à eau ne fonctionne pas.<br />
Mais dans l’expérience de l’entonnoir relié de façon étanche à<br />
une bouteille, l’eau descend si une paille laisse sortir l’air<br />
emprisonné dans la bouteille.<br />
Peut on adopter la solution de la paille avec le sablier à eau <br />
Quelle serait la longueur de la paille <br />
Une seule hypothèse semble bonne, 2 passages différents<br />
pour l’eau et l’air à l’aide d’une paille dans un des trous.<br />
Les tests : Faire des essais avec des pailles de plusieurs longueurs.<br />
Conclusion n°3 :<br />
Il faut une assez longue paille dans un des trous pour faciliter la remontée de l’air sans<br />
turbulence (sans subir la pression de la hauteur d’eau).
Etape n°3 : Fabrication :<br />
Situation de départ<br />
On sait maintenant construire un sablier qui<br />
fonctionne avec de l’eau.<br />
Il faut maintenant en fabriquer un par groupe.<br />
Problème<br />
Hypothèses des<br />
enfants<br />
Tester les<br />
propositions<br />
1. Comment les fabriquer en toute sécurité <br />
2. Comment peut on les utiliser <br />
1. Il faut tout préparer à l’avance.<br />
2. On met plus ou moins d’eau dans la bouteille<br />
du haut.<br />
Recherche guidée par le prof.<br />
Fabrication par groupes<br />
Etalonnage avec un chronomètre<br />
Matériel :<br />
- Deux bouteilles plastiques<br />
- Un bouchon adapté au diamètre<br />
- Une chignole ou une perceuse à main + des forets<br />
- Une paille<br />
- Un étau<br />
- Un entonnoir<br />
- Une montre chronomètre.<br />
Procédure de fabrication du d<br />
sablier<br />
Action 1<br />
Coller les bouchons avec de la<br />
colle « spéciale PVC »<br />
(colle utilisée en plomberie),<br />
(temps de séchage = quelques<br />
heures).<br />
Ajuster le bouchon de liège au diamètre<br />
de la bouteille avec une râpe.<br />
(Attention la plupart des bouteilles ont un<br />
goulot de diamètre 25 alors que les bouchons<br />
de liège standard ont un diamètre 24)<br />
Action 2<br />
Action 3<br />
Serrer le bouchon dans un étau.<br />
Choisir un foret de taille égale au diamètre de la paille<br />
Et un autre plus petit pour le 2 ème trou.
Percer avec une chignole (petite perceuse à main)<br />
Action 4<br />
Action 5<br />
Retirer les copeaux et poussières.<br />
Etape n°4 : étalonnage :<br />
Situation de départ<br />
On connaît la bonne longueur de paille.<br />
La vitesse d’écoulement ne peut être modifiée.<br />
Problème Comment le régler à 30 secondes <br />
Hypothèses des enfants On faire varier la quantité d’eau.<br />
Procédure d’étalonnage :<br />
1. Mettre l’eau dans une bouteille avec un entonnoir<br />
2. Fixer le bouchon sur la bouteille<br />
3. Venir fixer la 2 ème bouteille au dessus.<br />
4. Retourner le sablier.<br />
5. Etalonner avec une montre chronomètre<br />
Conclusion n°4 :<br />
Un sablier est prévu pour un usage bien défini. Il faut donc le fabriquer en fonction du<br />
besoin de départ.<br />
Vocabulaire acquis :<br />
Besoin, Durée, temps, débit, diamètre ∅, mm (millimètre), seconde (‘’), perceuse, foret,<br />
pression, dépression, procédure de fabrication,
Etape n°5 : Qu’est qu’une clepsydre <br />
L’écoulement de l’eau d’une rivière semble parfaitement continu et uniforme,<br />
c’est pourquoi les hommes l’ont associé à l’idée qu’ils se font de l’estimation du temps.<br />
C’est ainsi qu’est née l’idée de la clepsydre.<br />
Le principe est simple : un récipient (par ex un vase dans la clepsydre à variation<br />
du 2ème millénaire avant JC) percé laisse s’écouler l’eau de façon continue et<br />
uniforme. Après mesure du temps que met le vase pour se vider, on peut graduer ce<br />
dernier pour indiquer le niveau d’eau correspondant à une heure.<br />
Mais ce type de clepsydre est précis au quart d’heure près.<br />
Mais il y a, dans cette technique, un grand<br />
nombre d’imprécisions qui la rendent trop<br />
approximative :<br />
La mesure du temps de<br />
référence (par cadran solaire) est<br />
trop imprécise pour étalonner<br />
correctement une clepsydre.<br />
L’obstruction, même partielle,<br />
de l’orifice peut provoquer des<br />
erreurs très importantes.<br />
La viscosité de l’eau qui varie<br />
en fonction de la température n’est<br />
pas non plus négligeable.<br />
Toutes ces erreurs n’ont pu être<br />
corrigées que bien plus tard, lorsque la<br />
mécanique des fluides et les lois de la<br />
thermodynamique sont maîtrisées.<br />
Ainsi la clepsydre a connu bon nombre<br />
d’évolutions et de perfectionnements<br />
au cours des siècles.<br />
- Il y a eu la clepsydre « à<br />
écoulement constant », dont le<br />
principe est de maintenir plein le<br />
réceptacle (engendrant un débit<br />
constant de ce dernier) par le<br />
biais d’un récipient en amont<br />
ayant un plus grand débit ;<br />
- Sa forme tronconique permet de compenser la diminution du débit due à la baisse de<br />
pression lorsque le niveau du liquide descend.<br />
La clepsydre est l’ancêtre du chronomètre.
Quelques clepsydres qui ont marqué leur époque :<br />
Date<br />
−1500 avant J-C<br />
−1100 avant J-C<br />
−350 avant J-C<br />
−100 avant J-C<br />
807<br />
Moyen Age<br />
XVIème Siècle<br />
Lieu et indications<br />
La plus ancienne clepsydre connue est actuellement conservée au musée<br />
du Caire. Elle a été construite sous le règne d’Aménophis III. Le bol est en<br />
albâtre et a une capacité de 28 litres.<br />
C’est un instrument formé de plusieurs réservoirs d’eau situés les uns en<br />
dessous des autres. Au cours de l’hiver, on chauffait l’eau pour éviter la<br />
congélation. (Chine)<br />
Leur usage s’établit dans les tribunaux grecs où elles servent à mesurer le<br />
temps des plaidoiries.<br />
A leur tour, les Romains les utilisent dans les maisons de justice.<br />
Ils la dotent de flotteurs reliés aux aiguilles d’un cadran.<br />
Dans la vie privée, certains grands Romains l’utilisent pour donner<br />
audience.<br />
Les Arabes ont développé des clepsydres très évoluées : ainsi la clepsydre<br />
à automates offerte par l’ambassade du Calife Haroun el Rachid à<br />
Charlemagne. Néanmoins, leur complexité sert plutôt aux aspects<br />
décoratifs qu’à la précision.<br />
Elles sont utilisées pour indiquer le moment de sonner les cloches pour<br />
appeler les moines à la prière.<br />
Le Danois Brahé construit une clepsydre à mercure car il n’est pas<br />
satisfait de la fiabilité des autres. Néanmoins le résultat n’est pas très<br />
concluant.<br />
Le point faible des clepsydres est leur source d’énergie (l’eau). Elles ne sont pas<br />
des instruments fiables.<br />
« Ceux d’eau, écrivait le chronologiste Juste-Joseph Scaliger, comparant les<br />
clepsydres à eau et à sable sont moins durables et plus sûres car le sable s’amoncelle<br />
quelquefois ou il s’humecte, si bien qu’il ne coule pas toujours ; l’eau coule<br />
perpétuellement où il y a le moindre trou mais elle se consume ; et il en faut plus<br />
mettre. »