ATELIERS SCIENTIFIQUES 2004/2005

MODULE AS 5: Aimants, Boussole et points cardinaux

 

I.    RAPPEL DES CONTENUS :

         Ce thème concerne le Cycle 3 et est détaillé dans la fiche Connaissance 18 intitulée « Points cardinaux et boussole ».

 

 

 

Les points cardinaux

et

la boussole

- Utiliser les points cardinaux pour repérer une direction à partir d’un lieu sur la Terre.

- Utiliser une boussole pour repérer une direction ou pour progresser dans une direction donnée.

- Lire une carte et l’orienter.

- Savoir que ces repères sont relatifs : tel lieu est à l’est (ou au nord) de tel autre mais à l’ouest (ou au sud) d’un troisième.

- Se repérer sur un globe terrestre : désigner l’équateur, les deux pôles, les deux hémisphères.

- Savoir qu’il existe un pôle nord et un pôle sud mais, en revanche, qu’il n’existe pas de “pôle est” et de “pôle ouest”.- Mettre en évidence qu’une boussole est une aiguille aimantée qui s’oriente approximativement dans la direction nord-sud pour peu qu’elle ne subisse pas d’interactions avec d’autres aimants ou avec des objets constitués de fer ou de substances ferromagnétiques.

- Le travail sera mené en liaison avec la géographie (utilisation d’une carte) et l’EPS (orientation).

- Quelques notions préalables sur le magnétisme représentent une bonne introduction (pôles d’un aimant).

 

- Une exception : les pôles nord et sud sont respectivement au nord (au sud) de tous les autres lieux.

 

 

 

- Pôle nord et pôle sud sont déterminés par des points de la surface terrestre par lesquels passe l’axe de rotation de la Terre et en direction desquels s’orientent approximativement les boussoles.

- Les activités réalisées peuvent donner l’occasion d’aborder les propriétés élémentaires des aimants et de percevoir la notion de champ magnétique (aimant et limaille de fer).

 

II.                  CONNAISSANCES :

La découverte de la magnétite (oxyde magnétique naturel du fer) a permis de comprendre tous les phénomènes magnétiques. Le magnétisme concerne l’étude des propriétés de la matière aimantée, des champs et des phénomènes magnétiques. Les premières découvertes sont liées à l’électricité statique : quand on frotte de l’ambre, on peut attirer des objets légers.

Les chinois ont inventé la boussole : une aiguille aimantée s’oriente dans une direction Nord/Sud, direction qui correspond au champ magnétique terrestre. Cette direction est valable sans perturbation : orage, présence d’autres aimants…

Un aimant possède 2 pôles, il attire les corps ferreux : fonte, acier, nickel et certains inox. L’attraction décroît avec la distance. 2 pôles identiques se repoussent (répulsion) et à l’inverse, 2 pôles contraires s’attirent (attraction). Un aimant peut exercer son attraction à travers les substances qu’ils n’attirent pas : cuivre, aluminium, carton, eau…Quant aux substances ferromagnétiques, elles agissent comme un écran.

On peut en utilisant une bobine de fil électrique dévier une boussole et fabriquer un électroaimant.

III.                EXPERIENCES POSSIBLES :

 

*      Aimanter des objets ferreux

Frotter une épingle pendant quelques minutes contre un aimant, toujours dans le même sens et sans mouvement de va-et-vient.

.

 

 

*      Chaîne magnétique

 

Dès qu’un aimant touche un morceau de fer, il le transforme aussitôt en aimant. Réaliser des chaînes d’objets identiques (épingles, trombones…).

 

*      Métaux ferreux ou non ferreux ?

 

Matériel divers : pièces de monnaie, échantillons métalliques divers : cuivre, laiton, zinc, acier…

Les aimants n’attirent que les métaux (et alliages) ferromagnétiques. On peut donc classer les métaux ou alliages contenant du fer grâce aux aimants.

 

*      Matériaux et force d’attraction

 

Matériel : aimants puissants, trombones, épingles, carton fin, verres, bois fin, boîte métallique, papier, polystyrène, plaque d’acier …

Les matériaux qui ne sont pas attirés par un aimant, laissent passer les forces magnétiques. Trois variables néanmoins sont à prendre en compte : épaisseur du matériau, distance aimant/objet et force magnétique de l’aimant. Les matériaux ferromagnétiques agissent comme un écran car ils déforment le champ magnétique de l’aimant.

 

*      Calcul de la force d’attraction d’un aimant

 

Matériel : Boîte de masses marquées, petite boîte métallique, ficelle, règle à tableau, balance à plateaux

            a) Peser la masse à vide de la boîte. Attacher un aimant à l’aide d’une ficelle. Soulever la boîte à l’aide de l’aimant. En cas de réussite, lester la boîte avec les masses marquées. Noter les masses soulevées selon les types d’aimants utilisés.

                b) On peut également repérer la force d’attraction en jouant sur la distance : étalonner la ficelle à l’aide d’un feutre et noter la distance maximale d’attraction des différents aimants. (Boîte vide bien sûr).

 

*      Mise en évidence du champ magnétique terrestre à l’aide d’un aimant :

 

Matériel : aimants droits (ou barreaux), ficelle, ruban adhésif, papier à cigarette, épingles, aquarium

a) Attacher l’aimant au bout de la ficelle et observer : il s’orientera dans la direction du champ magnétique terrestre (Nord/Sud).

b) Déposer délicatement sur la surface de l’eau de l’aquarium une feuille de papier à cigarette. Poser   sur cette feuille une épingle magnétisée (soit à l’aide d’un aimant, soit après l’avoir frottée contre de la laine). Par capillarité, la feuille va s’humidifier puis couler. L’épingle, grâce à la tension superficielle de l’eau, va flotter et s’orienter.

 

*      Attraction et répulsion

Matériel : aimants divers (ronds, barreaux, en U…)

Mettre en évidence les polarités des aimants (attraction = pôles différents, répulsion = pôles identiques). Mise en évidence par les aimants flottants

(voir photo). On peut également utiliser cette caractéristique pour animer des jouets : circuit de billes, des voitures qui s’attirent ou se repoussent… Voire utiliser des I.L.S. (Interrupteur à Lame souple) pour des circuits électriques (L’I.L.S. se ferme en présence d’un champ magnétique).

 

 
 


        

 

 

 

 

*      Visualiser le champ magnétique

Matériel : aimants, limaille de fer (ou paille de fer), plaque de verre

 

Le champ magnétique de l’aimant est facilement repérable : la limaille s’oriente en lignes organisées : ces lignes se concentrent au niveau des pôles et vont pour la plupart d’un pôle à l’autre.

 

 

*      Utiliser la boussole :

Elle permet de visualiser les directions Nord/Sud (repérées par les méridiens) et par conséquent Est/Ouest (les parallèles).

Utiliser la boussole :

La photo de gauche met en relief la direction du Nord magnétique. Le Nord magnétique et le Nord géographique ne coïncident pas parfaitement : on appelle cela la déclinaison magnétique (elle diminue de 0°8’ chaque année et était de 2°14’ au 1/1/2002).

La photo de droite montre comment repérer la direction de l’Est (90°) mise en valeur par la flèche bleue

 
 


                                                                                                     

 

*      Electricité et magnétisme :

La présence de matériaux ferromagnétiques et/ou d’aimants modifient la direction d’une boussole.

          

*      Electroaimant :

Matériel : un gros clou de charpentier, du fil téléphonique, trombones, un interrupteur, des épingles, une pile plate.

 

Quelques références :

Ouvrages utiles :

Méga Expériences Nathan

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

L’électricité           Steve Parker         Passion des Sciences         Gallimard

L’électricité et le magnétisme            Maria Gordon       Je découvre les Sciences   Gamma Ecole active

 

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