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. Les
informations et les ressources contenues dans ce guide, jumelées au matériel K’NEX et au Journal de l’étudiant, vous
permettront d’accompagner vos étudiants dans leur compréhension de concepts scientifiques et de les guider dans
leurs recherches à travers des expériences concrètes et significatives.
Introduction aux machines simples : Les Roues et les axes et Les Plans inclinés
Cet ensemble de construction K’NEX fait partie d’une série de modèles conçus pour introduire les étudiants à certains
concepts scientifiques. Cet ensemble est axé sur la découverte des principes de base de deux machines simples : les
roues et les axes ainsi que les plans inclinés. Les étudiants ont la possibilité d’apprendre en utilisant un matériel
simple et une approche basée sur l’enquête scientifique. Le travail coopératif encourage les étudiants à s’entraider afin
de construire, de comprendre, de discuter et d’évaluer différents principes scientifiques en action.
Le Guide de l’enseignant
Conçu afin de procurer à l’enseignant une variété de ressources, le Guide de l’enseignant lui fournit un glossaire
de concepts-clé et leurs définitions. Il inclut également un aperçu général des concepts associés aux roues, aux axes
et aux plans inclinés. Les objectifs spécifiques de chacun des chapitres y sont identifiés. Ce guide offre aussi des plans
et des scénarios pour présenter chacune des machines simples et les activités qui lui sont associées. La plupart des
unités peuvent être complétées en 30 à 45 minutes. Vous trouverez également des activités supplémentaires pouvant
être réalisées afin d’approfondir un concept en particulier. Nous recommandons aux enseignants de consulter leur
programme afin d’identifier les activités qui leur permettront d’atteindre leurs objectifs.
Le Journal de l’étudiant
Il est recommandé que chaque étudiant dispose d’un journal afin de noter les informations relatives à chacune des
expériences. Les étudiants devraient être encouragés à noter leurs hypothèses avant de commencer une activité.
Ces hypothèses pourront être vérifiées selon les découvertes qu’ils feront lors de l’expérience. Ces informations
leur permettront de faire le lien entre les différents concepts étudiés. Ils comprendront plus facilement les modèles
construits, les expériences réalisées et pourront relier ces informations au fonctionnement de machines qu’ils utilisent
ou voient fonctionner quotidiennement. Le journal permettra aux étudiants d’apprendre à dessiner des diagrammes
et des plans. Il est aussi un moyen d’évaluation pour l’enseignant. Le Guide de l’enseignant comprend une feuille de
contrôle des journaux et ce, pour chacun des modèles et des activités qui lui sont associées.
TABLE DES MATIÈRES
Les Roues et les axes ............................................................................................................................. 3-22
Mots-clés et définitions ....................................................................................................................................... 3-4
Le Puit ............................................................................................................................................................... 7-13
Le Bateau à aubes ........................................................................................................................................... 14-18
Le Volant de direction ..................................................................................................................................... 19-22
Les Plans inclinés ................................................................................................................................ 23-39
Mots-clés et définitions ................................................................................................................................... 23-24
Les Rampes d’accès ......................................................................................................................................... 26-30
Le Coin fendeur............................................................................................................................................... 31-34
La Perceuse à main ......................................................................................................................................... 35-39
LES MACHINES SIMPLES
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Wheels & Axles
Les Roues et les axes
Informations générales
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Les mots-clés et leurs définitions pour l’enseignant
Ce qui suit est une ressource pour l’enseignant. Selon l’âge, les habiletés, les connaissances de base et le programme
de votre cours, vous pourrez choisir d’utiliser certaines des définitions suivantes. Ces mots-clés ne sont pas présentés
comme une liste devant être apprise par coeur par les étudiants. Ils peuvent cependant être utilisés afin de clarifier les
concepts que les étudiants rencontreront en cours de route.
Les machines simples :
Un outil simple qui facilite un travail donné. Les machines les plus simples ne présentent qu’une seule partie mobile.
Elles facilitent un travail en changeant la façon dont ce travail s’effectue. Elles ne changent pas la quantité de travail
requise pour accomplir une action.
La roue et l’axe :
Un disque rond (une roue) muni d’une tige (l’axe) fixée à travers son centre de telle façon que lorsque l’un tourne,
l’autre suit le mouvement. Certains systèmes ressemblent effectivement à une roue, mais d’autres peuvent prendre
l’apparence d’une poignée (canne à pêche, poignée de porte) ou d’un bouton (bouton de volume d’une radio). Tous
ces mécanismes fonctionnent comme un levier tournant autour d’un point fixe.
La force :
Tout type de poussée ou de traction appliquée à un objet.
Le travail :
Une tâche peut être accomplie lorsqu’on utilise une roue et un axe. En sciences, le travail réfère à l’usage d’une force
pour bouger une charge (un objet) sur une certaine distance. Le travail se définit ainsi :
T = F x D
Où T = travail
F = force (effort) appliquée à la tâche
D = distance sur laquelle la force est appliquée
NOTE : Si l’objet ne bouge pas, le travail n’a pas été accompli.
L’effort :
La force qui est appliquée pour bouger l’une des composantes d’une machine simple (par exemple : la force appliquée
pour faire un travail). Si une roue fait tourner un axe, la force d’effort est la mesure de la force qui est appliquée à la
roue sur la distance parcourue par la roue. La machine transfère alors la force à l’axe qui peut déplacer la charge.
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. identifier quelle composante (la roue ou l’axe) est à l’origine du mouvement dans le
système et comment cette composante affecte la façon dont fonctionne la machine simple.
5. identifier comment la roue et l’axe fonctionnent en relation avec la force, la distance, la
vitesse et la direction.
6. comprendre comment la taille de la roue et de l’axe affecte le travail accompli.
7. analyser les objets (ou outils) selon leur utilisation en tant que système de roue et d’axe.
LES ROUES ET LES AXES
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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.
L’effet mécanique :
Un calcul mathématique qui indique combien de fois une machine simple multiplie la force résultant de l’effort.
Dans le cas de la roue et de l’axe, l’effet mécanique se calcule ainsi :
Rayon d’effort (ER)
Rayon de résistance (RR)
Où RE = le rayon de la roue ou de l’axe fournissant l’effort
RR = le rayon de la roue ou de l’axe qui ne fournit pas l’effort
L’effet mécanique est toujours exprimé comme un nombre sans unité. Exemple : EM = 2.
Concepts-clés
Pour déplacer une charge en utilisant un mécanisme de roue et d’axe, la force de l’effort est appliquée soit pour
faire tourner la roue ou pour faire tourner l’axe.
Un mécanisme de roue et d’axe se comporte comme s’il était un levier rotatif dont le point d’appui serait l’axe.
Avec les leviers, plus l’effort est loin du point d’appui, moins l’effort nécessaire pour soulever la charge est grand.
C’est également vrai dans le cas de la roue et de l’axe. Plus la roue est large, moins l’effort nécessaire est grand.
Un système de roue et d’axe facilite l’accomplissement d’un travail de plusieurs façons :
Augmenter la force appliquée pour accomplir un travail.
Parce que la roue et l’axe agissent comme un levier rotatif, lorsque la roue tourne, son bord bougera sur une
plus grande distance que l’axe. L’axe, cependant, en tournant sur une plus courte distance, gagne en force ce
qu’il perd en distance parcourue. La force est donc augmentée à cause de la différence de taille entre la roue
et son axe.
= Effet mécanique (EM)
RR
RE
RR
RE
La roue fournit
l’effort
L’axe fournit
l’effort
GUIDE DE I’ENSEIGNANT
LES MACHINES SIMPLE
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Wheels & Axles
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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.
AXLE
AXE
AXLE :
AXE
AXE : L’axe tourne sur une
plus petite distance, mais
exerce une force plus grande.
WHEEL
ROUE
WHEEL
ROUE
ROUE : La force de
l’effort est minime, mais
elle est appliquée sur
une plus grande distance.
Augmenter la distance sur laquelle le travail est accompli.
Lorsque l’axe tourne, la roue tourne sur une plus grande distance. Par exemple, dans une roue à aubes, pour
chaque tour complet, l’axe tourne sur une petite circonférence, alors que la roue tourne sur une circonférence
plus grande. Cependant, l’axe nécessite une plus grande force pour accomplir cette rotation. Il est donc plus
exigeant pour vous de faire tourner l’axe, mais vous devez accomplir l’effort sur une plus courte distance. Le bord
externe de la roue tourne plus facilement, mais bouge sur une plus longue distance et à une plus grande vitesse
que son axe.
Changer la direction de la force.
Si vous tournez la poignée d’un puit, votre main bouge selon un cercle vertical. Le seau que vous remontez du
puit se déplace cependant de bas en haut. Il est plus facile pour vous de tourner la poignée que de tirer le seau à
mains nues.
Certaines machines simples fonctionnant sur le principe de la roue et de l’axe ne changent pas la direction de la
force. Par exemple, en utilisant un tournevis, la tige (axe) déplace la vis dans la même direction que votre main
tourne la poignée (roue).
LES ROUES ET LES AXES
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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.
Pour ce faire, elles multiplient la force appliquée ou augmentent la distance sur laquelle cette force est appliquée.
La force et la distance ne peuvent augmenter simultanément. Lorsque l’une augmente, l’autre doit diminuer
puisque le travail produit est plus grand que le travail fourni.
EXEMPLES SUPPLÉMENTAIRES DE ROUES ET D’AXES
ROBINET :
La poignée du robinet est la roue. Lorsque la poignée est tournée, en utilisant un petit effort, elle tourne sur
une large circonférence. L’axe, à cause de sa circonférence plus petite, tourne sur une plus petite distance avec
une plus grande force. La valve dans le robinet s’ouvre alors pour laisser passer l’eau.
TOURNEVIS :
La poignée du tournevis est la roue; la tige est l’axe. La poignée, d’une circonférence supérieure à celle de la tige,
tourne en même temps que la tige pour visser (ou dévisser) une vis. Lorsque l’effort est appliqué à la poignée
(roue) du tournevis, elle effectue une rotation sur une plus grande circonférence que la tige, mais la force est
multipliée parce que la tige permet d’insérer la vis plus facilement. Faire tourner une grande roue est plus facile
que de faire tourner un axe plus petit et le travail s’accomplit plus facilement. Ce concept peut être démontré en
tentant de dévisser la vis en tournant la tige plutôt que la poignée du tournevis. Il sera beaucoup plus difficile
d’accomplir ce travail qu’en s’aidant de la poignée.
ROUE
AXE
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Le puits :
Un exemple d’une roue imprimant une rotation à un axe
Le puits
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Procédure
Introduction
Si les étudiants n’ont jamais vu le concept de travail, demandez à 3 ou 4 d’entre eux de pousser contre un mur
pendant 1 minute. Ensuite, demandez à d’autres étudiants de pousser un livre sur leur bureau. Demandez aux
étudiants qui, selon eux, a accomplit un travail.
Ensuite, expliquez aux étudiants les notions de base sur le
travail, la force, l’effort, la résistance et la charge (page 3 de
ce guide). Demandez-leur d’identifier d’où provient la force
de l’effort et ce qui représente la résistance ou la charge dans
les deux exemples démontrés (pousser le mur ou le livre).
Demandez-leur si le mur ou le livre ont bougé. Expliquez
que même si le groupe poussant contre le mur exerçait une
grande force de poussée, le mur n’a pas bougé et donc, d’un
point de vue scientifique, aucun travail n’a été accompli. Les
élèves poussant les livres ont cependant exercé leur effort sur
une plus longue distance– les livres ont été déplacés sur les
bureaux – et un travail a été accompli. Les étudiants peuvent
noter leurs observations dans leur journal.
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. explorer en quoi la taille d’une roue affecte la quantité de travail nécessaire pour
accomplir un travail.
Matériel
Chaque groupe de 2 ou 3 étudiants aura besoin de :
- 1 ensemble K’NEX Education
Les roues et les axes et Les plans
inclinés accompagné du Livret
d’Instructions
- 1 marqueur
- 1 verre de papier
- pièces de monnaie ou trombones
- un mètre
- 1 Journal de l’étudiant
pour chacun d’eux
- un dynamomètre de 200
grammes ou 5 Newton (facultatif)
Vous aurez besoin de :
Quelques photographies de
différents types de roues
et d’axes (ex. : poignée de
porte, tournevis…)
LES ROUES ET LES AXES
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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).
Demandez aux étudiants de nommer différentes utilisations quotidiennes de la roue et de l’axe. Ils décriront
probablement les roues d’une voiture. Cet exemple vous permettra d’introduire en quoi ce type de roue diffère
des autres machines simples fonctionnant grâce à une roue et un axe : les roues d’une voiture fonctionnent
indépendemment de leur axe et la fonction de la roue, dans ce cas, est de réduire la friction. Essayez de faire
nommer par vos étudiants d’autres exemples : robinet, poignée de porte ou tournevis.
Demandez à votre groupe de réfléchir en quoi nos vies seraient différentes si nous ne connaissions pas la roue et
l’axe. Encouragez-les à penser comment ces machines simples facilitent notre vie quotidienne. Demandez-leur
de suggérer des alternatives aux poignées de porte ou aux tournevis. Suggérez-leur de continuer cette réflexion
à la maison.
Proposez-leur de faire une recherche sur internet pour recueillir plus d’informations à propos des roues et des
axes. Suggérez d’inscrire les mots “machines simples” et “roue et axe” dans un moteur de recherche comme
Google.
Organisez la classe en groupes de 2 ou 3 étudiants (maximum) et distribuez des mètres rigides à chacun des
groupes.
Activité d’exploration
Nous aimerions remercier Susan Frazier et les directeurs du programme SMILE du Illinois Institute of Technology pour nous avoir permis
Libble takes abuse of its services very seriously. We're committed to dealing with such abuse according to the laws in your country of residence. When you submit a report, we'll investigate it and take the appropriate action. We'll get back to you only if we require additional details or have more information to share.
Product:
Forumrules
To achieve meaningful questions, we apply the following rules:
First, read the manual;
Check if your question has been asked previously;
Try to ask your question as clearly as possible;
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