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.
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.
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