Paper airplanes and gravity lesson

Record mondial de la plus grande leçon pratique de science
Découvrir la gravité et l’atmosphère au moyen d’avions de papier
La présente leçon a été conçue spécifiquement à l’intention des personnes souhaitant
participer, le 18 octobre 2013, à l’établissement du record mondial Guinness de la plus grande
leçon pratique de science.
Afin de pouvoir satisfaire aux exigences d’un tel record, veuillez consulter la section « Comment
planifier votre événement » du site Web www.science.gc.ca/nouveaurecord.
Dans le cadre de la leçon, les étudiants découvriront les effets de la gravité et de l’atmosphère
en comparant à cet égard la Terre, la Lune et Mars. Comme la suite d’expériences a été
spécifiquement choisie pour l’établissement d’un record Guinness, il se peut que la leçon soit
moins directement reliée au programme que les activités de classe habituelles.
Ces expériences sont une belle occasion de présenter et d’approfondir des sujets tels que :
 Les propriétés de l’air
 La gravité
 Le système solaire
 Le vol
 L’étude de l’atmosphère
Elles pourront aussi servir à illustrer la démarche scientifique ou simplement à avoir du plaisir
en s’inspirant de la science.
L’équipe de Science.gc.ca aimerait remercier Marie-Josée Potvin et l’Agence spatiale
canadienne d’avoir préparé les activités qui serviront à l’établissement de ce record mondial.
La leçon doit durer au moins 30 minutes, et chaque élève doit participer à toutes les
expériences pour que sa contribution soit enregistrée en vue du record Guinness.
Matériel
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5 feuilles de papier standard 8,5 x 11 po (22 x 28 cm), pour chaque élève (le papier peut
être coloré, à condition que ses dimensions et son poids demeurent les mêmes)
Ruban adhésif (scotch)
Ruban à mesurer
Blocs-notes ou feuilles de rapport de laboratoire, avec stylos
Ruban masque, pour le traçage d’une ligne sur le plancher
Marqueurs, autocollants ou crayons de couleur, pour la décoration des avions (si on le
souhaite)
Notes
 On peut préparer les lieux et fabriquer les avions avant le début de la leçon.
 La leçon doit se dérouler à l’intérieur.
 Après la leçon, chaque participant doit remettre à l’instructeur un rapport de laboratoire
indiquant ses résultats.
Préparation (environ 5 minutes)
1) Réunir le matériel.
2) Au moyen du ruban cache, tracer une ligne de départ sur le plancher. Si on le désire, on
peut aussi marquer les intervalles de un mètre, afin de faciliter la comparaison des
distances parcourues par les divers avions.
3) On peut aussi présenter la vidéo d’introduction de Chris Hadfield (disponible sur
Science.gc.ca)
Introduction proposée :
La gravité est une force présente dans tout l’univers. C’est à cause de la gravité que les objets
ont un poids et sont attirés vers le sol. Il y a aussi de la gravité dans l’espace : en orbite à
400 kilomètres d’altitude, les astronautes de la Station spatiale internationale subissent encore
90 % de la gravité présente à la surface de la Terre. Les astronautes ont une sensation
d’apesanteur parce qu’ils « tombent » à la même vitesse que la station, qui se déplace trop vite
sur son orbite pour réellement tomber.
Ici sur Terre, la gravité aide également à retenir l’atmosphère, à éviter qu’elle ne s’échappe vers
l’espace. Sans ce mélange de gaz qui entoure notre planète, nous ne pourrions pas survivre.
L’atmosphère terrestre nous protège du rayonnement solaire, nous permet de respirer et nous
tient au chaud en retenant la chaleur reçue du soleil.
La gravité est donc présente partout, mais sa force n’est pas constante. Durant la leçon, nous
utiliserons trois avions de papier construits de manière à simuler la gravité et l’atmosphère de la
Terre, de la Lune et de Mars. Nous verrons comment les différences de gravité et d’atmosphère
modifient leur façon de voler.
Expériences (environ 15 minutes)
1. Gravité et atmosphère de la Terre
Renseignements de base :
 Sur la Terre, nous sommes entourés par l’atmosphère. Les diverses conditions
météorologiques que nous observons sont causées par la rotation de la planète, qui
entraîne une circulation de l’air dans l’atmosphère. Si la vie peut exister sur Terre, c’est
parce que notre atmosphère a des propriétés particulières : l’air est riche en azote
(77 %), mais aussi en oxygène (21 %), gaz dont nous avons besoin pour respirer.
 La gravité de la Terre retient son atmosphère et influe sur la pression atmosphérique
que nous ressentons chaque jour.
 C’est également l’atmosphère qui permet aux avions de générer la « portance » dont ils
ont besoin pour voler. Pour la première expérience, nous allons tirer parti de cette
propriété pour faire voler un avion à grandes ailes. C’est l’air de notre atmosphère qui
soutient l’avion et lui permet ainsi de planer jusqu’à ce que la gravité finisse par le
ramener au sol.
Lancement de l’avion terrestre :
 Chaque élève construit son avion « terrestre » en utilisant 2 feuilles de papier. Il faut
utiliser ce modèle pour que l’expérience fonctionne, car la masse et les proportions de
l’avion ont été calculées à cette fin. (Note : les images ci-dessous montrent comment
construire l’avion avec une seule feuille de papier. Pour le construire avec deux feuilles,
il suffit de placer les deux feuilles l’une sur l’autre, puis de procéder de la même façon.)
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Les élèves peuvent décorer leur avion ou utiliser une autre façon de le reconnaître, mais
ils ne doivent pas y coller des décorations, car cela ajouterait à sa masse.
Une fois prêts, les élèves lancent leur avion terrestre à partir de la ligne de départ.
On note la distance parcourue par chaque avion.
2. Gravité et atmosphère de la Lune
Renseignements de base :
 Comme la Lune est beaucoup plus petite que la Terre, sa gravité équivaut à seulement
1/6 de la gravité terrestre. La masse d’un objet demeure la même qu’il soit sur la Lune
ou sur la Terre, mais son poids est différent parce que la force de gravité est différente.
Pour simuler cette différence, les élèves doivent construire un avion « lunaire »
beaucoup plus léger que leur avion terrestre, en utilisant une seule feuille de papier.
 La gravité plus faible de la Lune a également un effet sur son atmosphère : cette gravité
est si faible que la Lune ne peut pas retenir son atmosphère. De plus, contrairement à la
Terre, la Lune est dépourvue de champ magnétique qui puisse empêcher le vent solaire
d’arracher son atmosphère.
 Sans atmosphère, aucun avion ne peut planer. Pour simuler cela, l’élève doit construire
un avion lunaire sans ailes. L’absence d’ailes fait aussi que l’avion est plus léger, ce qui
aide à simuler la faible gravité de la Lune.
Lancement de l’avion lunaire :
 Avant l’expérience, les élèves doivent expliquer, par écrit et/ou en discutant entre eux,
ce qu’ils s’attendent à observer lorsqu’un avion vole dans un milieu sans atmosphère où
il y a peu de gravité.
 Chaque élève construit son avion lunaire en utilisant une seule feuille de papier et en
suivant les mêmes étapes que pour l’avion terrestre.
 Ensuite, au moyen de ciseaux, l’élève coupe entièrement les ailes de son avion.
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Les élèves peuvent décorer leur avion ou utiliser une autre façon de le reconnaître, mais
ils ne doivent pas y coller des décorations, car cela ajouterait à sa masse.
Une fois prêts, les élèves lancent leur avion lunaire à partir de la ligne de départ.
On note la distance parcourue par chaque avion.
3. Gravité et atmosphère de Mars
Renseignements de base :
 Mars a 100 fois moins d’atmosphère que la Terre. L’avion « martien » devra donc avoir
de petites ailes, pour simuler cette atmosphère ténue.
 Même s’il y a une atmosphère sur Mars, il nous serait impossible d’y respirer, car cette
atmosphère renferme 95 % de gaz carbonique.
 La taille de Mars équivaut à la moitié de celle de la Terre, et sa gravité est égale à
environ 38 % de la gravité terrestre. En coupant presque complètement les ailes de
l’avion martien, on fait aussi en sorte qu’il soit plus léger que l’avion terrestre, et on
simule ainsi un vol en gravité réduite.
Lancement de l’avion martien :
 Demander d’abord aux élèves d’expliquer, par écrit et/ou en discutant entre eux, ce
qu’ils s’attendent à observer lorsque leur avion martien s’envolera, en tenant compte ce
qui est arrivé dans le cas de l’avion terrestre et de l’avion lunaire.
 Chaque élève se construit un avion martien en utilisant 2 feuilles de papier et en suivant
les mêmes étapes que pour l’avion terrestre.
 Ensuite, il coupe en partie les ailes de son avion, de manière à lui laisser de toutes
petites ailes (chaque aile doit mesurer environ 1 à 1,5 cm à son point le plus large).
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Les élèves peuvent décorer leur avion ou utiliser une autre façon de le reconnaître, mais
ils ne doivent pas y coller des décorations, car cela ajouterait à sa masse.
Une fois prêts, les élèves lancent leur avion martien à partir de la ligne de départ.
On note la distance parcourue par chaque avion.
Discussion (environ 10 minutes)
Comparer les résultats des trois expériences et discuter des différences.
Exemples de questions
 Quel type d’avion a volé le plus loin? Pourquoi?
 Y a-t-il des tendances dans le trajet des avions? Par exemple, est-ce qu’un type d’avion
a volé plus vite ou est demeuré plus longtemps dans les airs?
 Quel a été l’effet d’éliminer les ailes de l’avion? L’avion a-t-il volé mieux ou moins bien
lorsque nous avons ainsi simulé l’absence d’atmosphère? Est-ce que cela nous aide à
comprendre pourquoi les avions ont besoin d’ailes pour voler dans l’atmosphère
terrestre?
 Quel a été l’effet du poids sur le vol des avions? Si un avion a les ailes courtes, est-ce
qu’il suffit qu’il soit plus léger pour être aussi efficace qu’un avion à ailes longues?
 Sur Terre, où il y a beaucoup d’air, qu’est-ce qui est le plus important, la masse d’un
avion ou la longueur de ses ailes?
Pour approfondir le sujet
Masse et gravité
Demander aux élèves de jouer avec les fractions : si on passe de Mars à la Lune, combien de
fois plus léger se sent-on?
Élèves du secondaire : calculer la gravité de la Terre, de la Lune et de Mars à partir de la
masse de chacun de ces corps, calculer les rapports permettant de comparer la gravité et la
masse des trois corps, puis vérifier la précision des rapports approximatifs de 1/6 et de 1/3.
Air et atmosphère
Demander aux élèves pourquoi on a laissé de courtes ailes sur l’avion martien et qu’on a
entièrement enlevé celles de l’avion lunaire.
Souligner l’importance des ailes pour le vol dans l’atmosphère terrestre. Expliquer que la
navette spatiale avait des ailes pour pouvoir atterrir et que les fusées retombent au sol parce
qu’elles n’ont pas d’ailes. Par exemple, pour revenir sur Terre après son séjour dans la Station
spatiale internationale, l’astronaute Chris Hadfield a fait le voyage dans l’engin spatial Soyouz.
Élèves du secondaire : rappeler aux élèves que l’atmosphère martienne équivaut à 1/100 de
l’atmosphère terrestre. Demander aux élèves de calculer la superficie d’ailes que doivent avoir
l’avion terrestre et l’avion martien, et vérifier si leur rapport se rapproche de 1/100.
Maths
Compiler les distances parcourues par les avions de toutes les équipes. Demander aux élèves
de calculer la distance moyenne parcourue par chaque type d’avion, et déterminer s’il y a une
différence claire entre les divers types d’avions.
Élèves du secondaire : noter la distance parcourue par chaque avion et pointer ces distances
sur un graphique. Présenter les notions de moyenne, d’écart-type et de courbe de Gauss.
Évaluer s’il y a une différence significative entre les distances moyennes parcourues par les
divers types d’avions, ou si les écarts-types se chevauchent.
Ressources
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Toute l’information est disponible dans le site www.science.gc.ca/nouveaurecord.
Toute question peut être adressée à [email protected].
On peut trouver de plus amples renseignements sur de nombreux sujets abordés dans
la leçon en consultant le site Web de l’Agence spatiale canadienne : www.asc-csa.gc.ca.