Titre de la situation d’apprentissage : Situation de départ Dès le premier jour de la prérentrée, Baké une élève de la classe de 3 ème et son camarade Cossi découvrent avec émerveillement les activités sur le chantier de construction d’un module de classe dans leur établissement. « Pourquoi les ouvriers préfèrent-ils se servir de la brouette pour transporter des sacs de ciment et du sable ? » lance Baké. Cossi renchérit aussitôt : « Moi, je me demande par quel processus le couvercle de la casserole servant à cuire les aliments pour les ouvriers se soulève de temps en temps. ». Introduction Activité 1 : Représentation initiale Matériel Situation de départ Stratégie TI : 20min TG : 20min TC : 20min Durée 60 min Consigne : 1) 2) 3) 4) relève dans le texte de la SD, les préoccupations des deux camarades. Dis ce que tu penses de chacune de ces préoccupations Discute de ta perception avec tes camarades. Retiens avec tes camarades les stratégies et démarches à mener pour comprendre ces faits. 1 Activité 2 : Circonscription des faits évoqués Matériel Stratégie TI : 10min TG : 10min TC : 15min Situation de départ Durée 35 min Consignes : 1) Relève les mots ou expressions clés qui permettent de décrire les préoccupations. 2) Traduis chacune des préoccupations dans un langage propre aux SPCT, les faits décrits. Activité 3 : proposition d’explication Matériel Support Stratégie TI : 20min TG : 20min TC : 20min Durée 60 min Support D’une manière générale, - - - Un solide est en équilibre lorsqu’il est au repos dans un environnement donné. On peut traduire physiquement cet équilibre selon les cas : La somme vectorielle des forces appliquées est nulle Le moment résultant des forces qui tendent à faire tourner le solide dans un sens est égal au moment résultant des forces qui tendent à le faire tourner dans l’autre sens Au cours du déplacement d’un solide, certaines forces travaillent réellement pendant que d’autres effectuent un travail nul. La valeur de ce travail dépend de l’intensité de la force et de la longueur du déplacement. De deux forces effectuant le même travail, la plus puissante est celle qui le fait plus vite Il existe diverses formes d’énergie dans la nature. Selon les besoins, on peut procéder à la transformation d’une forme d’énergie en une autre. C’est cela qui nous permet d’obtenir du courant domestique, de nous déplacer à moto ou en voiture par exemple Consigne : 1) Consulte les documents de SPCT mis à ta disposition et collecte des informations sur les thèmes ci-après : - Equilibre d’un solide - Travail d’une force - Transfert d’énergie 2) A partir de tes recherches, formule des questions qui te semblent pertinentes face aux données recueillies. 3) Propose des réponses aux questions formulées. 2 Activité 4:Mise à l’épreuve des propositions d’explication choisies. Sous-activité 4-1 : A quelles conditions un solide soumis à des forces est-il équilibre ? en Sous-activité 4-1-1 : A quelles conditions un solide susceptible d’effectuer un mouvement de translation est-il en équilibre ? Matériel Support Stratégie TI : 20min TG : 30min TC : 40min Durée 90 min Support 4) 5) 6) Figure 1 Figure 2 Figure 3 Données : masse du solide : 𝑚 = 300 𝑔; intensité de la pesanteur : 𝑔 = 10 𝑁/𝑘𝑔 ; angle d’inclinaison du plan :𝛼 = 30 °; échelle de construction :1𝑐𝑚 → 1𝑁 NB : Tu pourras appliquer toutes les forces au centre de gravité du solide Consigne : 1- Clarifie le concept d’équilibre d’un solide puis donne la condition d’équilibre d’un solide 2- Observe attentivement les schémas présentés dans le support. Pour chaque cas : a- Fais le bilan des forces appliquées au solide b- Ecris la condition d’équilibre pour ce solide c- Représente ces forces Activité4.1.2 : A quelles conditions un solide mobile autour d’un axe fixe est – il en équilibre ? Matériel Support ; barre montée sur potence et boîte de masses marquées Stratégie TI : 20min TG : 30min TC : 40min 3 Durée 90 min Support : 1 2 3 4 P1 P2 OA OB P1 . OA P2 . OB Figure 4 Figure5 Figure 6 Tableau des valeurs Expérience : figure 6 Accroche sur la barre les masses marquées tout en recherchant l’équilibre Mesure chaque fois les distances OA et OB, Déplace les masses pour obtenir de nouvelles positions d’équilibre Consigne tes résultats dans le tableau Consigne : 1- Clarifie les notions : axe de rotation fixe d’un solide, couple de forces. 2- Sur la porte de ta salle de classe, exerce chacune des forces représentées sur le support (fig5). Décris chaque fois l’effet de la force exercée dans la mise en rotation de la porte puis conclus 3- Le terme utilisé en physique pour caractériser cet effet est le moment d’une force. Déduis alors une définition du moment par rapport à un axe fixe d’une force et précise : Quand il est nul De quels paramètres il dépend 4) A partir des paramètres dont dépend le moment d’une force par rapport à un axe de rotation, donne son expression puis précise son unité. 5) Etablis l’expression du moment par rapport à l’axe d’un couple de forces 6) Réalise l’expérience décrite dans le support puis complète le tableau. 7) Note ton constat La relation trouvée traduit le théorème des moments. Donne alors un énoncé du théorème des moments 4 Sous activité 4.1.3 : Quelles sont les applications du théorème des moments ? Matériel Stratégie Durée TI : 20min Tout document traitant du treuil et des TG : 30min leviers TC : 30min 80 min Support Figure 7 Figure 8 Consigne : 1- Observe le treuil (fig7). a- Décris – le puis fais son schéma simplifié, b- Propose une explication à son fonctionnement, c- Ecris sa condition d’équilibre 2) Observe figure 8 puis a- Fais son schéma simplifié en y indiquant les forces b- Dis en te justifiant, de quel type de levier il s’agit c- Ecris sa condition d’équilibre 3) Cite en justifiant brièvement, les autres types de leviers. Pour chaque cas Donne quelques exemples fais le schéma simplifié en y indiquant les forces appliquées puis écris la condition d’équilibre 5 Sous-activité 4-2 : Qu’est-ce que le travail et la puissance d’une force ? Matériel support Stratégie TI : 20min TG : 20min TC : 20min Durée 60 min Support 1- Information : Quand un ouvrier pousse une caisse sur un sol horizontal, on conçoit aisément qu’il doit constamment exercer une force tout au long du déplacement horizontal de la caisse. Dès qu’il cesse d’exercer la force, la caisse s’arrête. Le poids de la caisse ou la réaction du sol qui ont une direction perpendiculaire ne peuvent intervenir dans ce déplacement. De même, la fatigue ressentie par l’ouvrier dépend de l’intensité de la force exercée et de la longueur du déplacement. En langage courant, on dira que l’ouvrier travaille mais en physique, on parle du travail de la force exercée par l’ouvrier. L’expression du travail d’une force constante 𝐹⃗ dont le point d’application se déplace parallèlement à sa ligne d’action sur une distance ℓest donnée par la relation : W(𝐹⃗ )=Fxℓ Travail du poids d’un corps Le travail du poids d’un corps ne dépend pas du chemin suivi par le corps ; Il dépend uniquement de la différence de hauteur h subie par son centre de gravité. W (𝑃⃗⃗)=P×h Le travail d’une force provoquant la rotation d’un solide d’un angle α par rapport à un axe fixe est par définition le produit de son moment par rapport à l’axe par l’angle α exprimé ⃗⃗⃗⃗⃗/ Δ×α en radian : W(𝐹⃗ )=M(𝐹) Lorsque le solide fait n tours sous l’effet de la force, l’angle balayé devient α= 2 п n. On obtient alors W(𝐹⃗ ) = M(𝐹⃗ )/ Δ x 2 π n 2- Nature du travail d’une force Le support illustré ci-contre présente un ouvrier soulevant une charge à l’aide d’une poulie simple. Par rapport au déplacement et aux sens des forces, on dira que le poids de la charge effectue un travail résistant alors que la force exercée par l’ouvrier sur la corde effectue un travail moteur 6 F F F O (d) (c) (e) Consigne : 1) En exploitant l’information du support, clarifie le concept de travail. 2) En exploitant le support 2 dis quand le travail est moteur, résistant ou nul. 3) Donne l’expression du travail dans chacun des cas (c),( d)et (e) puis l’expression du travail d’un couple de forces appliqué à un solide mobile autour d’un axe fixe 4) Donne l’expression du travail du poids d’un corps. 5) Définis la puissance d’une force. 6) Donne l’expression de la puissance d’une force tout en précisant les unités. 7) Dis comment on exprime la puissance d’une force constante appliquée à un solide en mouvement de translation rectiligne uniforme connaissant sa vitesse. 8) Donne l’expression du rendement d’une machine simple. Sous activité 4.3 : Comment produit – on de l’énergie, quelles sont ses différentes formes et comment s’effectue son transfert ? Sous activité 4.3.1 : Qu’appelle – t – on énergie et quelles sont ses différentes formes ? Matériel support Stratégie TI : 10min TG : 20min TC : 30min Durée 60 min Support Un système possède de l’énergie, lorsqu’il est susceptible de produire du travail. 1. Différents formes d’énergie Il existe plusieurs formes d’énergie dont les plus connues sont : L’énergie potentielle de pesanteur que possède un corps du fait de sa position; L’énergie cinétique que possède tout corps en mouvement ; L’énergie mécanique qui est la somme de l’énergie cinétique et de l’énergie potentielle du corps ; L’énergie thermique que possède tout corps produisant de la chaleur ; L’énergie électrique que produit toute source de courant électrique ; L’énergie solaire qui est transmise par le soleil ; L’énergie chimique produit lors des réactions chimiques ; 7 2. Quantité de chaleur La quantité de chaleur Q absorbée ou cédée par un corps pour passer d’une température ө1 à une température ө2 est proportionnelle à la masse m du corps et à la différence de température. Q = m c (ө2-ө1) 𝑄 = 𝑚𝑐(𝜃2 − 𝜃1 ) ou 𝑄 = 𝑚𝑐. ∆𝜃 avec . ∆𝜃 = 𝜃2 − 𝜃1 c est appelé chaleur massique du corps et s’exprime en joules par kilogramme degré Celsius (J/kg°.C) ; m en kilogramme (kg) ; ө2 etө1en degrés Celsius (°C) et Q en joule (J). m.c est la capacité thermique du corps, elle s’exprime en joule par degré Celsius (J/ °C) ∆𝜃 = 𝜃2 − 𝜃1 est la variation de température. Consigne : 1) Dis quand un corps possède de l’énergie. 2)Cite les types (formes) d’énergies que tu connais 3) Donne l’expression de la quantité de chaleur fournie par un corps qui s’échauffe ou se refroidit. Sous activité 4 3 2 : Comment s’effectue le transfert d’énergie ? Matériel support Stratégie TI : 15min TG : 20min TC : 25min Support 8 Durée 50 min ENERGIE MECANIQUE Effet Joule Moteur électrique Piles, Accumulateur Effet thermoélectrique Générateur électrique tournant ENERGIE ELECTRIQUE Frottement Moteur thermique ENERGIE THERMIQUE Electrolyseur ENERGIE CHIMIQUE Combustion Réaction endothermique Consigne : 1-Définis chaine énergétique 2-A partir du diagramme du support, donne des exemples de transformation (transfert) d’énergie 3-Donne l’expression du rendement d’une chaîne énergétique Activité 5 : Objectivation des savoirs construits Matériel Savoirs construits Stratégie TI : 20min TG : 30min TC : 40min Consigne : 1– Dis ce que tu as retenu au niveau de chaque activité 2- Dis comment tu as construis ces savoirs 3-Dégage les réussites et les difficultés rencontrées 4-Propose des possibilités d’amélioration 9 Durée 90 min Activité n° 6 : Réinvestissement SITUATIONS DE VIE COURANTE ( Choisir selon les réalités ) Matériel Savoirs construits Stratégie TI : 20min TG : 30min TC : 40min Situation n° 1 La mère d’ Assiba fabrique de la glace, grâce à leur congélateur, qu’elle vend aux habitants du quartier qui arrivent nombreux pour en acheter en moyenne toutes les cinq minutes. Mais la facture d’électricité devenant exorbitante, le père d’Assiba proposa d’acheter une glacière pour isoler la glace déjà formée de celle en cours de formation afin de limiter la consommation en énergie électrique. Tâche En t'appuyant sur les savoirs construits au cours de cette situation d'apprentissage, explique avec tes camarades, le problème de transfert d’énergie posé par cette situation de vie courante .et le bien fondé de la proposition du père de Assiba Consignes 1- Exprime ta perception des situations-problèmes que pose cette situation de vie courante 2- Relève des données permettant de circonscrire ces situations-problèmes de « facture exorbitante » et « limitation de perte en énergie ». 3- Enonce une explication à propos de « facture exorbitante » et de la mesure « de limitation des pertes en énergie ». 4- Propose une démonstration ou une expérimentation permettant de mettre à l’épreuve l’explication choisie Situation n° 2 Deux enfants, Bio (40 kg) et Cossi (30 kg) s’amusent avec une planche longue de 280 cm et posée sur un tronc d’arbre cylindrique comme l’indique la figure ci-dessous. Bio brave Cossi en lui disant qu’il ne peut pas le soulever, mais Cossi le surprend et il s’interroge en s’écriant : suis-je devenu subitement léger ? Prendre g = 10 N/kg 10 Tu ne peux pas, hein ! C’est ce qu’on verra. Et alors ! Qu’en dis tu ? ? Fig. n° 1 Bio Fig. n° 2 Cossi Source : Georges BRINGUIER et Martine SZELAG (1994) sciences physiques BEP Activités Tome 1 Tâche En t'appuyant sur les savoirs construits au cours de cette situation d'apprentissage, organise toi avec tes camarades pour élaborer une explication convaincante à Bio. Consignes 1- Exprime ta perception de la situation-problème qui découle de ce jeu d’enfants décrit par la situation de vie courante ci-dessus évoquée. 2- Relève des données permettant de circonscrire la situation-problème. 1- Enonce une explication à propos de la figure n°2. 11
