Ressources pédagogiques  Les participants du challenge

A column supporting the roof the Parthenon in Greece

Colonne soutenant un toit (Source : Photo de Luis_angle via Pixabay)

Les formes solides : Les cylindres

Équipe responsable du développement numérique
Format
Texte,  Images
Mathématiques,  Physique,  Sciences
Forces sur les structures
Stabilité
Structures

Résumé

Les élèves développent et mettent en pratique les habiletés « comparer ou différencier », « observer » et « prédire » en étudiant la solidité de cylindres fabriqués avec différents matériaux.

Survol

Les étudiants testent la solidité de cylindres fabriqués a partir de différents matériaux. 

Durée

45-60 minutes

Mise en contexte

Parmi les figures en trois dimensions, le cylindre occupe une place importante en architecture. On remarque souvent des cylindres soutenant des toits, des plafonds, des arches, etc. La raison en est que les cylindres comptent parmi les figures géométriques les plus solides, surtout lorsqu’une force est appliquée sur leur longueur. En observant des cylindres dans l’environnement (et pas uniquement dans des édifices) et en les comparant durant une enquête, les élèves comprendront où et comment les cylindres peuvent être utilisés lors de la conception et de la planification d’une structure solide et stable.

Cette enquête pourrait partir :

  • de l’observation de photos de cylindres utilisés dans différents contextes. Lancez la discussion à l’aide de questions comme :
    • « Quelles figures en trois dimensions voyez-vous dans ces photos? »
    • « Comment les cylindres sont-ils utilisés dans chacune des photos? »
    • « Selon vous, pourquoi un architecte choisirait-il d’utiliser un cylindre plutôt qu’une autre forme (p. ex., un triangle)? »
    • « Quels noms donne-t-on aux cylindres, selon leur fonction? » (p. ex., colonnes, poteaux, rampes, silos, réservoirs d’eau)
Colonnes soutenant le plafond dans une station de métro
Colonnes soutenant le plafond dans une station de métro (Source: alereno via Pixabay).

 

  • d’une promenade dans le quartier ou d’une sortie permettant de repérer où les cylindres sont utilisés dans les structures. Lancez la discussion à l’aide de questions comme :
    • « Où voyez-vous des cylindres? Comment savez-vous qu’une forme est un cylindre? »
    • « Selon vous, pourquoi une personne a-t-elle utilisé un cylindre ici plutôt qu’une autre forme? »
    • « À votre avis, quels matériaux ont servi à fabriquer chacun des cylindres que nous avons vus? »
    • « Pensez-vous que l’intérieur du cylindre est plein ou vide? Comment pourriez-vous le découvrir? »
Poteaux de clôture cylindriques
Poteaux de clôture cylindriques (Source: Steve Buissinne via Pixabay).
  • de la lecture d’un livre approprié. Lancez la discussion à l’aide de questions comme :
    • « Où avez-vous remarqué des cylindres utilisés dans des édifices dans ce livre? »
    • « Selon vous, pourquoi les cylindres servent-ils à supporter des charges lourdes? »

 

 

Détails

Matériel
  • Chronomètres
  • Ciseaux
  • Fixations (ruban-cache, ruban adhésif transparent, ruban Washi, etc.)
  • Loupes simples
  • Objets à utiliser comme poids (p. ex., des livres)
  • Papier (de différents types, comme du papier pour copies, du papier de bricolage, du papier cartonné, du papier journal, etc.)
  • Règles à mesurer
Matériaux suggérés pour le construction des colonnes
Matériaux suggérés pour le construction des colonnes (© 2019 Parlons sciences).
Préparation
  • Rassemblez une variété de types de papier et de fixations que les élèves peuvent utiliser pour créer des cylindres.
  • Créez des postes d’approvisionnement en matériaux, organisés selon le type de matériau. Vous pouvez également décider d’attribuer un assortiment de matériaux à chaque élève ou groupe de travail.
  • L’éducateur peut choisir d’utiliser une stratégie de prédiction, comme Prédire-Comparer-Partager ou Guide de prédiction (les deux se trouvent sur le site Web TomatosphèreMC).
Quoi Faire

Les élèves développent les habiletés « comparer ou différencier », « observer » et « prédire » en étudiant la solidité de cylindres fabriqués avec différents matériaux.

Les élèves :

  • utilisent les matériaux fournis pour créer des cylindres en papier en utilisantune seule feuille papier de même taille (p. ex., 8½” x 11”) par cylindre.
    • L’éducateur demande aux élèves de créer des cylindres en différents types de papier ainsi que des cylindres de différents diamètres.
  • conçoivent un test équitable qui permet de comparer la solidité des cylindres fabriqués en différents types de papier.
    • L’éducateur et les élèves réfléchissent aux façons de rendre le test équitable (s’en tenir à une variable — le type de papier utilisé — et garder tous les autres aspects identiques ou constants : par exemple, les cylindres de papier ont tous le même diamètre et la même longueur, ils sont fabriqués en feuilles de papier de la même taille, le même poids sert à tester tous les cylindres, etc.)
  • prédisent quel type de papier sera le plus solide, puis expliquent leur raisonnement et en discutent.
  • comparent et différencient la solidité des différents cylindres fabriqués. Pour tester les cylindres, on peut poser des objets lourds, comme des livres, sur la surface plate d’un cylindre à la verticale (voir l’image) jusqu’à ce que la structure cède.
    • L’éducateur pose des questions d’approfondissement pour guider l’exploration des élèves.
  • consignent les résultats de leurs tests dans un organisateur de leur choix à l’aide de mots, d’images ou de photographies.
  • utilisent leurs observations pour classer le papier en fonction du poids (p. ex., nombre de livres) qu’il a supporté ou du temps durant lequel il a supporté le poids.
Essais de cylindres de papier
Essais de cylindres de papier (© 2019 Parlons sciences).

 

Évaluation

Observez et consignez, à l’aide de commentaires annotés, de photos ou de vidéos la capacité des élèves à :

  • Observer – Les élèves observent les caractéristiques du papier à l’œil nu et à l’aide d’une loupe, puis notent les différences d’apparence et de texture des différents types de papier.
  • PrédireLes élèves prédisent la solidité des cylindres de papier en fonction de leurs observations, leurs connaissances et leurs expériences, puis ils consignent leurs prédictions.
  • Comparer et différencierLes élèves trouvent des similarités et des différences dans la capacité des cylindres fabriqués en différents types de papier à supporter la force vers le bas exercée par une masse (un livre).
Co-construction des connaissances

Les élèves :

parler, faire, représenter

Les éducateurs :

interagissent en répondant et en questionnant

Les élèves utilisent les matériaux fournis pour créer des cylindres en papier, en utilisant une seule feuille de papier par cylindre.
  • « Une des caractéristiques que vous avez mentionnée à propos des papiers est leur rigidité. Qu’avez-vous remarqué au sujet du papier le plus rigide lorsque vous l’avez observé avec la loupe? Qu’avez-vous remarqué au sujet du papier le moins rigide lorsque vous l’avez observé avec la loupe? Quelle différence cela peut-il apporter à la solidité de vos cylindres? »
  • « Comment pouvez-vous fabriquer un cylindre de diamètre plus grand ou plus petit? » (L’éducateur devra peut-être montrer aux élèves ce qu’est le diamètre, soit la longueur de la ligne qui divise également l’ouverture du cylindre en papier.)
  • « Lorsque vous élargissez ou amincissez le cylindre, que remarquez-vous au sujet du nombre de couches de papier qui composent le cylindre? Quel effet cela peut-il avoir sur la solidité du cylindre? »
Les élèves collaborent pour concevoir un test équitable servant à comparer la solidité des cylindres en différents types de papier.
  • « Que signifie “équitable” pour nous? »
  • Comment pouvez-vous tester la solidité des cylindres de manière équitable? »
  • « Si les cylindres avaient des diamètres différents, le test serait-il équitable? Pourquoi? »
  • « Si les cylindres avaient des longueurs différentes, le test serait-il équitable? Pourquoi? »
  • « Si les livres utilisés pour le test étaient de différentes tailles, le test serait-il équitable? Pourquoi? »
  • « Que signifie “le plus solide” pour nous? »
  • « Comment allez-vous tester vos cylindres pour déterminer lequel est le plus solide? »
  • « Comment allez-vous consigner votre information? »
Les élèves prédisent quel type de papier sera le plus solide, puis expliquent leur raisonnement et en discutent.
  • « En quoi votre prédiction était-elle différente de celle de votre partenaire? »
  • « Qu’avez-vous déjà vu ou fait qui vous a permis d’effectuer votre prédiction? »
  • « Je me rappelle lorsque nous avons utilisé des cylindres en papier journal pour fabriquer les pattes de nos animaux en papier mâché. »
Les élèves comparent et différencient la solidité des différents cylindres fabriqués.
  • « En quoi les cylindres en papier étaient-ils similaires? En quoi étaient-ils différents? »
  • « Comment vos observations se comparent-elles à vos prédictions? »
  • « Certains résultats vous ont-ils surpris? Pourquoi? »
Les élèves consignent les résultats de leurs tests dans un organisateur de leur choix à l’aide de mots, d’images ou de photographies.
  • « Quel serait un bon moyen d’organiser vos observations? »
  • « Quelles informations est-il important de consigner? (p. ex., le temps durant lequel chaque cylindre a supporté un poids) Selon vous, pourquoi? »

 

Liens Interdisciplinaires

Littératie

  • Démontre une compréhension de l’information et des idées en les racontant (p. ex. ils communiquent des idées sur les cylindres de leur environnement).
  • Utiliser des habiletés de traitement de l’information et un vocabulaire approprié pour participer aux discussions et pour parvenir à des conclusions (p. ex. déterminer la forme la plus solide)

Pensée mathématique

  • Communiquer – Utiliser le vocabulaire des mesures lorsqu’ils discutent des tailles des cylindres (p. ex., court, long, large, étroit);
  • Mesurer - Utiliser des poids standards pour tester les formes et les structures; ils calculent le temps durant lequel le cylindre a supporté le poids
Une pile de 27 livres supportée par trois cylindres en papier
Une pile de 27 livres supportée par trois cylindres en papier (© 2019 Parlons sciences).
Enrichissement

Si vos élèves souhaitent en apprendre plus, voici quelques pistes pour stimuler leur curiosité :

  • Encouragez les élèves à refaire l’enquête en utilisant une variable différente (longueur du cylindre, diamètre du cylindre, etc.). Lancez la discussion à l’aide de questions comme :
    • « Quel effet ce changement de variable a-t-il eu sur la solidité du cylindre? »
    • « Pourquoi est-il important de ne modifier qu’une seule variable à la fois dans une enquête? »
    • « Quelles autres variables pourriez-vous modifier? »
  • Mettez les élèves au défi de concevoir des assemblages de plusieurs cylindres (p. ex., trois, quatre ou cinq cylindres) qui pourront supporter le poids du plus grand nombre de livres possible.
    • « Quel assemblage de cylindres a le mieux fonctionné pour supporter les livres? »
    • « Quel assemblage de cylindres a supporté le plus de livres? »
    • « Comment pourriez-vous améliorer l’assemblage afin qu’il supporte encore plus de poids? »
    • « Où avez-vous remarqué plusieurs cylindres utilisés de cette façon pour offrir du support? »
  • Montrez à vos élèves des photos de silos sur des fermes. Lancez la discussion à l’aide de questions comme :
    • « Comment se nomme cette structure cylindrique? »
    • « À quoi servent les silos? Comment pouvez-vous le découvrir? »
    • « Selon vous, pourquoi les silos ont-ils une forme cylindrique? »
Une grange et un silo à grains sur une ferme
Une grange et un silo à grains sur une ferme (Source: Robert Jones via Pixabay).
  • Les troncs d’arbres ont souvent une forme cylindrique. Lancez la discussion à l’aide de questions comme:
    • « Selon vous, pourquoi les troncs d’arbres ont-ils souvent une forme cylindrique? »
    • « L’intérieur des troncs d’arbres est-il plein ou vide? » Comment pouvez-vous le découvrir? »
    • « Comment pouvez-vous mesurer le diamètre d’un tronc d’arbre? »
    • « Quelles autres structures sont construites avec des troncs d’arbres? »
Coupes transversales de troncs d’arbres
Coupes transversales de troncs d’arbres (Source: hermaion via Pexels).
Ressources complémentaires
Couverture de La Géométrie ou le Monde des Formes
Couverture de La Géométrie ou le Monde des Formes (Source : LesLibraires).

La Géométrie ou le Monde des Formes 

par Benoît Rittaud

En visite à la fête foraine, Paul, Marine, Antoine et Alexandra s'attardent sur le stand « Le Monde des Formes ». Ils y reçoivent des lunettes - un peu - magiques qui leur permettent de découvrir le fabuleux monde des formes…

ISBN: 9782746504356

Bâtiments: Autour du monde (Images) - 13 images de bâtiments situés dans le monde entier, avec leur localisation (le Taj Mahal à Agra en Inde, etc.).