Comment faire voler une feuille de papier le plus loin possible ?

Défi n°4
Cycle 2
Comment faire voler une feuille de papier le plus loin possible ?
En quoi consiste ce défi ? En la réalisation d’engins volants le plus loin possible à partir d’une feuille de papier A4
Références aux programmes :
Découvrir le monde de la matière et des objets : Les élèves réalisent des maquettes élémentaires.
Compétences travaillées, dans le cadre du socle commun, palier 1:
-
Compétence 3 :
-
Résoudre des problèmes très simples
-
Observer et décrire pour mener des investigations
- situer un objet par rapport à soi ou à un autre objet, donner sa position et décrire son déplacement ;
- reconnaître, nommer et décrire les figures planes et les solides usuels ;
-
utiliser la règle et l’équerre pour tracer avec soin et précision un carré, un rectangle, un triangle rectangle
-
être précis et soigneux dans les tracés, les mesures et les calculs
-
Compétence 7 :
-
Travailler en groupe, s’engager dans un projet
Objectifs :
Connaissances scientifiques :
- Prendre conscience de l’existence de l’air.
- comprendre que l’air résiste aux déplacements de l’avion : résistance à l’horizontale, portance à la verticale.
- repérer des éléments permettant le vol sur des objets de la vie courante.
Savoir-faire scientifique :
- S’initier à la démarche d’investigation :
- mettre en œuvre un protocole pour améliorer les performances d’un objet technique.
- schématiser le phénomène physique : avion, portance et de résistance à l’air.
- Acquérir un vocabulaire spécifique : aile, existence de l’air portance sur l’air, résistance sur l’air, mais aussi sur les
notions lourd/léger servant à la description de la forme d’un avion : large, fin, épaisse, profilé, etc.)
- effectuer des mesurages (ici longueur du vol) ;
- construire des maquettes (d’avion),
1
Séance 1 Vole, vole pas ?
Objectifs :
- observer des objets/images d’objets pour dire si un objet vole ou pas ;
- dégager des critères pour repérer les caractéristiques des objets volants : hypothèses à vérifier.
Matériel : images d’une série d’objets (voir planche de photos jointe)
: Frisbee, boomerang, fer à repasser, avion, sac plastique, samare, lunette de piscine, fusée, hélicoptère mouche, oiseau,
brique, ciseaux, feuille d’arbre, chaise, aiguille de conifère, plume, montgolfière, parachute, deltaplane, livre, feuille de
papier
Déroulement
Phase 1 questionnement
® Le maître présente le questionnement du jour. Il s’agit de repérer ce qui permet de voler (référence au défi).
® Les élèves proposent des critères.
Critères attendus : masse lourd/léger, forme (large, fin), matière (cf. masse peut-être allusion à la densité)- idée de
propulsion – lancement, moteur….
En profiter pour faire du lexique (à développer en décroché, voire de manière anticipée) !
Phase 2 Investigation : classement des objets
® 1er classement : Le maître propose de classer ces objets par rapport à l’objectif.
Pause méthodologique : éliminer les critères non pertinents (couleur, etc.)
® Les élèves classent et expliquent pourquoi à leur avis cet objet peut voler.
Pistes d’aides : leur proposer des structures de phrase : «Cet objet vole parce que… » ou «Ces objets volent parce
que… »
® Mise en commun des classements.
Phase 3 Structuration
® Classement vole/vole pas. => affiche n°1.
Lors de la mise en commun, les enfants proposent des critères.
A noter que les classements peuvent être plus fins : vole si (ex. si la mouche ou l’oiseau font des mouvements, si on
le lance pour le frisbee, etc.), vole mais (descend vite comme le parachute, verticalement, ) => clarification du terme
voler…
® Débat sur la validité des critères proposés : ceux à éliminer par le raisonnement et l’observation immédiate (utilisation des
objets pour le prouver), ceux à tester par la suite.
Hypothèses que les enfants pourraient proposer : un objet vole parce que c’est léger, pour voler il faut du
mouvement, pour voler il faut des ailes, etc.
Phase 4 dégagement des hypothèses :
Les critères deviennent des hypothèses à tester.
® Les faire formuler (par ex sous la forme « pour voler il faut … » ) => affiche n° 2 hypothèses
Cette affiche sera réinvestie tout au long de la démarche pour les valider, les modifier, les faire évoluer, comme le
témoin, fil rouge de notre démarche, qui deviendra le savoir produit en classe)
Séance 2 expérimentation Une feuille de papier peut-elle voler ?
Objectifs :
- vérifier les premières hypothèses
- avoir accès aux représentations des élèves
Matériel : feuille de papier, ciseaux
Déroulement
Phase 1 questionnement
® Présentation du questionnement
L’enseignant justifie le passage à la feuille (la référence au défi peut suffire). Explication possible : pour tester les
hypothèses, comme nous n’avons pas de moteur, ni de deltaplane, on va essayer de faire voler une feuille de papier.
® Débat : comment faire ?
Réponse(s) attendue(s) : les avions, parachute, des objets de la séance 1 (utiliser l’affiche n°1 globalement ou pour
relancer l’activité si des groupes sont en panne d’inspiration…). Selon la réaction et les propositions des élèves,
utiliser le débat collectif comme moyen de nourrir l’imagination scientifique des groupes.
Phase 2 Expérimentation
2
® Fabrication des avions : travail par binôme : les enfants fabriquent leurs objets
® Essai dans la classe puis essai extérieur.
Un des moyens est de lancer le pliage avant la récréation et de demander aux élèves de tester durant la récréation.
® Mise en commun des expérimentations : On fait les tests ensuite collectivement pour voir ceux qui volent, ceux qui volent
le plus loin (cf. défi !).
Cette étape permettra de se mettre d’accord sur les conditions du défi (mode de lancement, etc.)
Phase 3 Structuration
® Retour en classe : mise en forme (schémas, phrases, etc.).
® Formuler le pourquoi : il descend doucement, il vole loin (mal, bien, etc.) parce que…
=> affiche n° 3 nos premiers essais. Conserver sur une affiche les dessins photos et formulations
Phase 4 Retour sur les hypothèses
Reprise collective des hypothèses, validation, élimination, affinement, explicitation plus précise.
Séance 3 (les avions) Quel avion vole le « mieux » ?
Objectifs :
- préciser le protocole de mesurage du vol des avions ;
- dégager des critères pour repérer les caractéristiques des objets volants : hypothèses à vérifier.
- Savoir construire un objet technique d’après un patron
Matériel : Notices de fabrication des avions (cf. malle OCCE)
Déroulement
Phase 1 questionnement
® Présentation du questionnement.
Justification des contraintes : juste une feuille de papier, etc. le défi devrait motiver les élèves en lui-même du fait du
caractère ludique et culturel de l’avion en papier.
Le maître propose donc d’essayer des modèles différents : 5 à 7 propositions différentes d’avion.
modèles proposés en annexe : voir notices de fabrication Les élèves peuvent proposer des modèles (lien avec la
maison à susciter…)
® Emission d’hypothèses : lesquels volent le mieux ?
Phase 2 Expérimentation
® Expérimentation par binôme : les enfants fabriquent un puis plusieurs avions
Attention certains sont difficiles. Nous vous conseillons de les préparer auparavant afin de pouvoir les montrer et
aider les élèves.
® Essai dans la classe puis essai extérieur.
® Mise en commun des expériences : On fait les tests ensuite collectivement pour voir ceux qui volent, ceux qui volent le
plus loin.
La question du mode de l’évaluation de l’efficacité d’un avion est à construire : laisser les élèves mesurer dans un
premier temps, la mise en commun et le débat rendra nécessaire la mesure de la longueur du vol… d’où mesure-ton ? Avec quel outil ? Comment (avec quelle procédure) ? Le moment idéal pour proposer une séance décrochée en
mathématiques autour de l’activité de mesurage pour réinvestir et/ou transférer des procédures mises au point
précédemment. Pour chaque avion testé, formuler le pourquoi : il descend doucement, il vole loin parce que…
Pourquoi ?
Expérience sensible : proposer aux élèves une expérience, une simulation de l’aile d’un avion, permettant de sentir la
résistance de l’air (utilisation d‘un éventail, courir avec des pochettes accrochées aux mains, relation d’expérience type
main par la fenêtre d’une voiture qui avance et le fait d’insister que ce n’est pas de vent !)
Phase 3 Structuration
De retour en classe :
® Les élèves schématisent leur avion (proposer des exemples) et l’action de l’air (le relier à l’expérience sensible) ;
® Demander aux élèves de dire pourquoi leur avion vole mieux : aile plus grande, etc.
Diverses organisations possibles :
- chaque groupe écrit une phrase puis mise en commun, débat ;
- débat collectif directement
® Le débat argumenté amène à
Ø la sélection de 1 ou 2 avions (ceux qui vole le mieux) à tester pour la séance 4.
Ø dégager les futurs paramètres à faire varier lors de la séance 4. => affiche n°3
Réponses attendues : largeur et forme des ailes, forme de l’avion vu de dessus (effilée, « pointue », etc.),
rigidité, propulsion au départ => affiche n°3
3
Séance décrochée en mathématiques : Mesurer une longueur
Deux options :
- en profiter pour en faire une situation de départ sur le mesurage. (cf. vos livres de maths ou ERMEL par ex.)
- réinvestir les activités de mesurage.
Plusieurs possibilités de système de mesure mais le plus juste/simple serait de définir un point central, utiliser une ficelle ou
un décamètre, repérer la longueur.
Séance 4 : Comment faire voler l’avion le plus loin possible ?
Objectif :
- tester un modèle sélectionné dans la séance 3.
- mettre en œuvre un protocole scientifique d’amélioration d’un dispositif : ne faire varier qu’un paramètre, mesurer les
effets, ajuster l’objet.
Matériel
- feuilles A4
- tableau préconstruit à donner comme aide à l’organisation de la démarche et à l’explicitation des résultats
Déroulement
Phase 1 questionnement/méthodologie
® Présentation du questionnement.
Phase 2 Investigation : expérimentation
Faire cette phase à l’extérieur (ou dans une grande salle type gymnase pour éviter les effets du vent) ou en
permettant des va-et-vient permanent entre essais et ajustements.
® Fabrication du modèle.
® Protocole d’amélioration des qualités de vol :
Ø Laisser tester les élèves
Ø Pause méthodologique : des élèves proposent des modifications (largeur des ailes, mise en place de stabilisateurs, cf.
particularité de certains modèles). Se servir des observations dégagées en séance n°3 (affiche n°3)
Ø Reprise des tests mais scientifiquement : les élèves alternent modifications d’un paramètre et test avec mesure,
relevé de leur expérience.
Selon la classe (habitude de travail, connaissance de la DSI, réactivité) :
- repérer (ou proposer à) des groupes de ne faire varier qu’un paramètre à la fois ;
- demander une trace de chaque essai : ce que nous avons changé (cf. paramètres à faire varier, qualité du vol
(l’avion vole-t-il bien ?), longueur du vol (l’avion vole-t-il loin ?) ;
® Mise en commun des tests et explicitation des résultats (cf. tableau ci-dessus, version agrandie et passant en revue tous les
paramètres).
Phase 3 structuration
® Les élèves schématisent l’avion (proposer des exemples : profil pour la portance, vue d’en haut pour la résistance, voire
donner les schémas déjà faits (en s’appuyant éventuellement sur des photos de différents angles) et expliquent le résultat
du test :
on peut proposer ici des structures de phrases : Quand on met une aile plus large, l’avion… parce qu’il s’appuie plus
sur l’air, etc.)
® Les élèves essaient d’expliquer le résultat (ex : pourquoi si on élargit l’aile, l’avion vole mieux ?)
(faire des flèches représentant la pression exercée par l’air (flèches plus ou moins grandes, etc.)
Exemples de schémas :
Pour illustrer la portance de
l’ai
Pour illustrer la résistance de l’air
4
Séance 5 finalisation de la démarche
Objectif : structurer le savoir construit.
Matériel
- schémas des objets
- affiches n° 2 et 3
Déroulement
Réinvestissement pour les objets de la séance 2
Comment les modèles des séances 1 et 2 volaient-ils ? Bien ou mal ? Pourquoi ?
Schématiser les objets (peut être anticipé par le maître avec les objets déjà schématisé), représenter les forces exercées par
l’air (horizontale, verticale).
Finalisation de la démarche
Validation des hypothèses et formulation :
- du savoir construit
- des questions restantes : quid d’un hélicoptère ou de la montgolfière (prolongements) ?
Prolongements possibles :
Défi Bonus : faire tomber une feuille de papier le plus lentement possible….
Séance 1 : ça tombe et ça tourne !
Matériel : affiches de la séance 1 du défi, samares (en quantité suffisante !), feuilles de papier, tissus, ficelle, poche plastique,
petites boîtes en plastique (type pellicule photo), ciseau, ficelle, patrons d’hélicoptères en papier
Objectifs :
-
dégager des critères pour repérer les caractéristiques des objets qui tombent en tournant: hypothèses à vérifier.
Faire ressentir la résistance de l’air sur un objet
Savoir construire un objet technique à partir d’une fiche
Déroulement
a) représentations, questionnement
-
Revenir sur le tableau des représentations initiales de la séance 1. « parmi les objets représentés, lesquels tombent
lentement sans « voler » ?- retenir le parachute et le samare.
-
« parmi les objets représentés, lesquels se déplacent en tournant ? »- réponses attendues : l’hélicoptère et le samare.
Pourquoi tournent-ils ? –recueillir les hypothèses des enfants par dessin ou par phrase dictée à l’adulte, les afficher
b) réalisation
Nous allons fabriquer les objets pour mieux comprendre pourquoi ils tombent doucement ou en tournant.
Travail par binômes, la moitié réalise des parachutes (cf fiche OVNI OCCE), l’autre moitié des hélicoptères en papier selon
le patron (on peut aussi ne faire réaliser qu’un objet-hélicoptère- au choix de l’enseignant).
c) au vol !
Les objets réalisés seront testés au fur et à mesure de leurs réalisations.
5
Recueillir les propositions des élèves pour améliorer les performances des objets et pour pouvoir mesurer lequel tombe le
plus lentement. Les consigner sur une affiche.
Ne retenir ensuite que la solution hélicoptère, pour rester dans le défi (le parachute est performant avec un sachet plastique,
moins avec une feuille de papier)
Voici un schéma permettant de représenter les forces en jeu : en rouge le poids, en bleu la résistance de l’air
Séance 2 : comprendre et mesurer…
Matériel : idem séance 1 avec différentes dimensions du patron de l’hélicoptère, chronomètre ou montre avec aiguille des
secondes, trombones.
Objectifs
-
Identifier le rôle de l’air dans le déplacement de l’objet
-
Savoir modifier un paramètre sur la forme d’un objet
-
Proposer et mettre en place une démarche de mesurage qui puisse répondre au défi.
Déroulement
a) Rappel de la séance précédente et des questionnements suscités (à partir de l’affiche). Qu’est-ce qui fait tourner
l’hélicoptère, comment le faire tourner davantage ? Comment le faire descendre plus lentement ?
Réponses attendues :
-
Taille de l’objet
-
Longueur des pales
-
Longueur de la queue
-
Lest au bout de la queue (fixer des trombones)
b) Réalisation :
Chaque binôme dispose de plusieurs patrons de découpe d’hélicoptères de taille et de formes différentes (jouer sur la
dimension des tirages et sur la longueur relative des pales). Ils découpent et effectuent les essais avec comme mission de
chercher comment vérifier qu’une forme descend plus lentement qu’une autre.
Synthèse en commun (affiche):
6
Réponses attendues :
-
Compter le nombre de rotations des pales
-
Mesurer le temps mis pour toucher le sol (nécessité de lâcher d’une même hauteur pour comparer)
-
Lâcher deux hélicos en même temps de la même hauteur et voir celui qui touche en dernier le sol
c) Mesure et synthèse
Chaque binôme choisit une des trois mesures possibles retenues pour mesurer ou comparer le temps de chute de
l’hélicoptère. Il consigne les résultats obtenus sur les modèles testés.
Un tableau de synthèse permettra de recueillir les mesures proposées par chaque binôme sur chaque modèle.
Annexe 3 Ressources pour l’enseignant
Ressources internet :
Sites pour faire des avions en papier :
http://www.geeek.org/12-plans-pour-fabriquer-des-avions-en-papier-201.html
http://www.hugolescargot.com/fiche-scientifique/fabriquer-avion-en-papier.htm#fiche (un seul modèle, étapes bien décrites,
avion très performant ! ! !)
http://iufm74.edres74.ac-grenoble.fr/travaux/tphysique/air3c.htm
http://www.lamap.fr/bdd_image/air_JM_Rolando%283%29.pdf
http://www2.actoulouse.fr/lotec/Sciences/Ressources/RessourcesFormation/DocStagesC2/L%27air%20et%20le%20vent%20du%20C1%20a
u%20C3.pdf
http://www.perigord.tm.fr/~ecole-scienc/pages/activite/matiere/AIR_C2N1_pdf/AIR_C2N1.pdf
http://gdem74.edres74.ac-grenoble.fr/spip.php?article21
Beaucoup de tutoriels filmés sur youtube et dailymotion…
7