ATELIERS SCIENTIFIQUES 2004/2005

MODULE AS 7: Mesure des durées

 

I.    RAPPEL DES CONTENUS :

         Ce thème concerne le Cycle 3 et est détaillé dans les fiches Connaissances 19,20 et 21 intitulées respectivement  « Mouvement apparent du Soleil » ;  « Rotation de la Terre sur elle-même » et « Système solaire et Univers ». La pluridisciplinarité est ici de mise. Le dossier présenté traitera l’aspect technologique de ce domaine, à savoir la  fabrication d’instruments de mesures de durées.  

DOMAINES

COMPETENCES

COMMENTAIRES - SUGGESTIONS D’ACTIVITES

 

 

 

Mesure des durées, unités

- Savoir que la durée de la rotation de la Terre sur elle-même et celle de la révolution autour su Soleil ont depuis longtemps servi d’unités à la mesure des durées.

- Connaître la correspondance entre la durée de la rotation de la Terre sur elle-même et les unités d’heure, minute et seconde.

- Choisir l’instrument qui convient pour mesurer une durée; utiliser l’unité adéquate pour la désigner.

- Principes de quelques méthodes de mesure des durées.

- Fabriquer et manipuler quelques dispositifs présentant un intérêt historique : gnomon, sablier, clepsydre, pendule...

- Si l’on a réalisé le relevé de l’ombre d’un gnomon (bâton vertical), il est utile de montrer, qu’au fil des saisons, les graduations ne coïncident pas. Cela permet de prendre conscience des limites du gnomon en tant qu’instrument de mesure de l’heure.  Le principe détaillé du cadran solaire n’est pas au programme.

- Le problème général de l’expression des mesures de durée est traité en mathématiques.

 

- Cette partie est traitée à partir d’activités expérimentales et de réalisations matérielles (construire un sablier marquant la minute, étalonner une clepsydre...)

- En liaison avec les mathématiques, on pourra sensibiliser les élèves au choix d’unités adaptées aux situations étudiées ainsi qu’à l’expression des résultats en accord avec la précision des mesures effectuées.

 

COMPETENCES MATHEMATIQUES : grandeurs et mesures

35. Lire l’heure sur une montre à aiguilles ou une horloge.

35. Estimer une durée (celle d’un exercice, d’un jeu, d’un morceau…)

35. Utiliser des instruments pour mesurer une durée (sablier, métronome, chronomètre).

35. Exprimer le résultat d’un mesurage

     - par un nombre entier, expression complexe, fraction, nombre décimal;

     - par un encadrement

35. Connaître les unités légales et les relations entre ces unités EX. 1j = 24 H; 1 h = 60 min; 1 min = 60 s.

35. Effectuer des calculs simples comme celui d’une durée à partir de la donnée initiale et de l’instant final.

 

II.                  CONNAISSANCES :

La mesure de certaines durées (année, jour et saisons) est basée sur des phénomènes astronomiques tandis que les autres unités sont arbitraires.

La rotation complète de la Terre autour de son axe détermine la durée d’un jour : 24 h par rapport au Soleil mais 23 h et 56 min par rapport aux étoiles.

La révolution de la Terre autour du Soleil détermine la notion d’année : 365 jours et 6 heures.

La position de la Terre (axe d’inclinaison et position par rapport au Soleil) détermine les saisons. Les équinoxes et les solstices marquent les changements de saisons.

Certains réajustements sont dus à la volonté humaine d’adapter les calendriers aux cycles des astres (lunaison pour le mois et année solaire pour l’année). On utilise actuellement le calendrier grégorien.

L’heure est égale à la 24e partie du jour. (Un jour = 24 heures). La minute est le 60e de l’heure et la seconde le 60e de la minute. Ces unités sont arbitraires.

Mesurer, c’est comparer une quantité à une autre appelée unité. Une durée consiste à quantifier l’intervalle entre 2 instants. Nos élèves ont des difficultés à différencier durée et instant. (La récréation débute à 10 h = instant et s’achève à 10 h15, sa durée est de 15 min). Penser à utiliser les moments de vie quotidienne pour bien insister sur la distinction entre durée et instant.

 Tout instrument de mesure doit être étalonné et donc comporter des graduations.

III.                EXPERIENCES POSSIBLES :

Les expériences décrites ci-dessous peuvent être réalisées à partir de la question suivante : Comment faisait-on pour mesurer le temps avant ? La recherche documentaire prend ici tout son sens.  L’homme, au cours de son évolution, a été confronté à la recherche d’instruments de mesures de plus en plus précis : la seule observation de la course du Soleil ne suffisait plus : comment faire des mesures de durées la nuit ? La chronologie des instruments de mesures des durées peut être résumée par l’apparition des outils suivants : gnomon, cadran solaire, clepsydres à eau puis à sable, horloges à huile, horloge à pendule, horloge électronique puis atomique.

·         Le gnomon : bâton vertical de 1 mètre de hauteur, craie, règle à tableau, espace dégagé.

Ce dispositif permet de connaître l’heure solaire vraie et de percevoir  le mouvement apparent du Soleil.

 

Soleil et rotation de la Terre (Observations à la journée): Penser à tenir compte des corrections :

a)       + 1 heure (horaire d’hiver) et + 2 (horaire d’été)

b)       Décalage de longitude par rapport au méridien de Greenwich.

c)       Compensation des variations régulières de la trajectoire apparente du Soleil ( voir site IGN par exemple)

Quand on étudie la variation de l’ombre d’un gnomon, il ne faut pas s’attendre à obtenir l’ombre le plus courte à 13 ou 14 h. Par contre, il est juste de dire que l’ombre la plus courte matérialise le « midi solaire ».

 

Soleil et saisons (Observations à l’année) : variation annuelle de la trajectoire apparente du Soleil

Compléter ces observations à l’aide d’un calendrier de la Poste (horaires des levers et couchers). Il est fondamental de mesurer la longueur de l’ombre et d’étudier ces variations (craies de couleurs). Utiliser éventuellement un niveau à bulle pour mettre en relief la variation de hauteur du Soleil selon les saisons.

·         Cadrans solaires :

Inventé par les Babyloniens, il y a 4000 ans, il en existe plusieurs types. Le plus simple à construire est le cadran solaire équatorial, se référer aux indications bibliographiques (Fleurus Sciences et Méga Expériences). Je joins à ce dossier un document réalisé par Mr Jean-Pierre Andrieu MRS Dieppe.

  Le principe est similaire au gnomon mais l’ombre du style est graduée. Celda dispose également d’un matériel assez simple intitulé « Observatoire du mouvement apparent du Soleil »

·         Horloges à huile et à chandelle :

Matériel : huile de table, mèche en coton, feutre indélébile, tube à essais, seringue, support statif, creuset en terre réfractaire, bouchon topette, durite souple, Blue Tack

 

 

Matériel : bougie, chronomètre, feutre indélébile, perles.

Le principe est simple : la combustion d’une bougie permet de mesurer les durées : les perles tombent régulièrement. On étalonne à l’aide d’un chronomètre et on trace des graduations. Limites d’utilisation : la combustion doit être régulière (courants d’air, pluie…), matériel non réutilisable après combustion.

 

 

 

 

 

·         Sabliers :

 Le sablier a peu à peu remplacé les clepsydres et cadran solaire pour les exigences de la navigation. Autre avantage : la mesure est réversible et donc quasiment perpétuelle.

 

Matériel : 2 bouteilles vides,  feutre  ,une mèche de ø3mm, du ruban adhésif, du sable fin ou du sel.

Percer les 2 bouchons et les fixer ensemble avec du ruban adhésif. Verser du sable fin. Visser les bouteilles sur les bouchons et étalonner.

Variantes : La durée dépend de 3 facteurs : quantité de sable, diamètre du trou et nature du matériau (sel, semoule…)

 Compléments :      - Associer mesures de masses et durées (Peser la quantité de sable)

- Demander la fabrication d’un sablier indiquant une durée précise

 

·         Clepsydres :

Ces horloges à eau  fonctionnaient selon un principe simple : un récipient gradué contenant de l’eau la laisse s’échapper par un trou. Inconvénients : diamètre du trou, obturation, gel…perturbent ces mesures.

 

Quelques pistes : la gravitation modifie l’écoulement (pression). Percer des trous à des hauteurs différentes et les boucher avec de la pâte à modeler. Remplir la bouteille d’eau et déboucher les trous : l’eau gicle fortement par le trou le plus bas et le débit décroît selon la hauteur du trou. C’est pour cela que les clepsydres avaient une forme cônique.

 

                     

 

Compléments : Varier les liquides : relation densité/débit. Jouer sur les paramètres : quantité d’eau, taille de la prise d’air, du diamètre du trou des bouchons, type de graduation selon la forme de la bouteille (linéaires ou non)…

Quelques références :

Ouvrages utiles :

Méga Expériences Nathan

Le temps et l’espace N°13 Passion des Sciences Gallimard

La grande encyclopédie Fleurus Sciences Cité des Sciences et de l’industrie Ed Fleurus

Histoire de la mesures du temps F.Michel et C.Poupard Vidéo Celda/Pierron

Problèmes de Science et de Technologie pour le préscolaire et le primaire  Marcel Thouin Editions Multimondes

http://.inrp.fr/lamap/activites/mesures_duree

http://gdes74.ac-grenoble.fr

http://members.aol.com/lagardesse/clepsydre.htm

 

 

Christophe  LENOUVEL (christophe.lenouvel@ac-rouen.fr) Maître Ressource en Sciences                  Ecole Maupassant                   76380 CANTELEU