Comment mesurer le temps

Séance de lancement et représentations initiales. Comment mesure-t-on le temps?

Objectif principal : Introduction de la problématique de la mesure du temps

Objectifs spécifiques : Aborder le thème de la durée.

Deux approches ont été proposées, elles peuvent être alternatives ou complémentaires.

Première approche
- présentation de la problématique "Est - il possible de fabriquer un instrument qui serve à mesurer une durée de 3 minutes ?"
- réflexion sur les objets connus des enfants servant à mesurer le temps
- classification de ces objets avec recherche de leurs points communs et de leur but :

Deuxième approche

- Historique sur les objets ayant servi à mesurer le temps au cours des âges :

1. bâton
2. cadran solaire
3. clepsydre
4. horloges à encens
5. horloges mécaniques
6. chronomètre
7. montres
8. sablier...

- Travail de recherche documentaire

- Suivi d'un travail d'observation du fonctionnement de ces objets lorsque cela est possible.

Objectif principal : Recueil des représentations et émission d'hypothèses

Objectifs spécifiques : Etablir des hypothèses, élaborer un protocole d'expérimentation

Dispositif :

Travail de groupe
On écarte toute production nécessitant un mécanisme. Est retenu le principe de l'écoulement d'un fluide (sable, eau...) entre deux récipients.

Déroulement :

Emission d'hypothèses :

• (le principe d'écoulement étant retenu, les élèves proposent déjà d'agir sur des variables...)
• du sable fin pour aller plus vite
• un plus gros trou
• faire varier la quantité de sable

Protocole d'expérimentation :

• réflexion en groupes de 4 élèves sur leur objet
• sa forme générale avec la réalisation d'un schéma
• son fonctionnement
• le matériel nécessaire
• le moyen de vérifier que l'objet réalisé donne vraiment la mesure pour 3 minutes

Résultats :

A partir du principe d'écoulement d'un récipient s'écoulant dans un autre :

Déroulement :

Observation des sabliers : " Comment les comparer ? "

Quatre critères de comparaison ont été proposés :

• couleur
• taille
• sable à l'intérieur
• temps d'écoulement

Après discussion, seul le dernier critère a été retenu.

Mise en place du chronométrage :

• des groupes de 4 élèves
• faire 2 mesures pour chaque sablier (idée introduite par l'enseignante)
• présentation des résultats sous forme de tableau

Résultats :

Débat scientifique :

• On ne peut pas prévoir à l'avance la durée d'écoulement d'un sablier. La quantité de sable perçue visuellement ne donne pas d'indication par rapport à la manière dont le sable s'écoule : de sable - de temps ! , - de sable de temps !
• La durée d'écoulement d'un même sablier est toujours " à peu près " la même.
• Il est intéressant de faire discuter les élèves au sujet de ces variations, ce qui peut introduire les notions de moyenne et d'écarts types (exemple du sablier 1 du groupe 2 qui s'écarte trop de la mesure moyenne).
• Suivi par une phase d'émission d'hypothèses.

Deux approches ont été proposées, soit à partir des hypothèses, on isole des variables et chaque groupe choisit de tester une hypothèse ; soit chaque groupe est laissé libre de choisir son expérimentation "tout azimut", ce qui est permet à chaque groupe de construire à sa façon la notion de variable.

Première approche : conception libre

Dispositif :

Prévoir plus de matériel que le minimum demandé (pouvoir recommencer après erreur)

Mettre à la disposition de chaque groupe un petit lot de matériel (identique à celui des autres) dans lequel il fera son tri (la centralisation du matériel dans un point unique entraîne trop de déplacements perturbateurs).

Pour des principes de sécurité, ne pas laisser les enfants manipuler des outils peu familiers qui deviendraient dangereux (ciseaux à bois, perceuse...)

Conception : Chaque groupe essaie de réaliser l'objet prévu lors du protocole d'expérimentation.

Résultats :

• un groupe n'a pas réussi à réaliser son projet à cause du gravier contenu dans le sable qui à un moment arrêtait l'écoulement.
• un groupe a fabriqué un sablier de conception classique et a réussi à calculer approximativement la quantité de sable nécessaire pour 3 minutes.
• un groupe a conçu avec succès une sorte de clepsydre mesurant à peu près 3 mn.
• le dernier groupe a travaillé sur la conception d'un "sablier à eau" et s'est trouvé confronté à un problème physique (voir photo ci-dessous): tout commence bien puis à un moment l'eau ne s'écoule plus dans le récipient du bas !!

Deuxième approche : choix d'une variable

Cette répartition des variables est faisable à condition de travailler sur des sabliers de conception classique.

Résultats :

6 sabliers différents:
3 dont les bouteilles sont deux à deux identiques

2 dont les bouteilles sont de même contenance et de formes légèrement différentes

1 dont les bouteilles sont de forme et de contenance différentes

Déroulement

• confrontation des réalisations
• débat scientifique
• difficultés rencontrées
• remédiations envisagées
• écriture d'un compte - rendu (travail de groupe)

Prévoir plusieurs séances en aller-retour (expérimentation, remédiation ) en fonction du degré de perfectionnement de l'outil voulu. L'objectif général de ces séances est de comprendre que la sciences ne progresse pas selon un cheminement linéaire mais qu'hypothèses et expérimentations s'engendrent mutuellement.

Un exemple de stratégie élaborée par les élèves :

pour calculer la quantité d'eau ou de sable nécessaire à un écoulement de 3 minutes : remplir une bouteille d'eau (sable), fermer à l'aide du bouchon percé, puis laisser l'eau s'écouler au - dessus d'un seau pendant 3 minutes. A la fin du temps imparti, récupérer l'eau tombée dans le récipient.

Dispositif

Travail de groupe

Extrait d'un compte-rendu d'expérience:

Le mot du maître :

En prolongement, le même travail peut être effectué en remplaçant ce qui s'écoule, ou en exigeant d'adapter la durée d'écoulement.

On peut également envisager un travail de graduation des sabliers réalisés, ou organiser la construction de sabliers de 5', 6', 10'... et mettre en place des tableaux de correspondance entre la quantité de sable et la durée.