Fabriquer une balance avec des gobelets
« La balance du marchand »
- ÂgeDès 6 ans
- Durée35 min
- AdulteAdulte dans la pièce
- OùSur une table
Pour fabriquer une balance, une règle et deux gobelets peuvent devenir les outils d'un petit marchand. Dès 6 ans, avec un adulte dans la pièce, tu compares des pièces identiques et tu découvres pourquoi leur place compte autant que leur nombre. Prévois 20 minutes de préparation et 15 minutes d'expérience sur une table dégagée.
La question
Comment peux-tu équilibrer les deux gobelets avec tes pièces ?
Ton hypothèse
Que va-t-il se passer, à ton avis ? Formule ton hypothèse avant de commencer.
Le matériel
- 1, de 30 cm Règle rigide
- 4 morceaux de 20 cm Ficelle
- 2 Gobelets transparents en plastique identiques
- 1 rouleau Ruban adhésif
- 1 Crayon à papier non taillé
- 10 Pièces de monnaie identiques
L’expérience
- 1Étape de l’adulte
L'adulte compte les 10 pièces et vérifie les gobelets. Il réalise deux petits trous opposés près du bas de chaque gobelet, sans laisser de bord coupant.
- 2
Pose un gobelet debout à chaque extrémité de la règle, avec son fond sur la règle. Place leurs centres à la même distance du repère de 15 cm.
Les deux gobelets restent entièrement au-dessus de la table.
- 3
Passe un morceau de ficelle dans chaque trou, puis autour de la règle, et noue-le pour maintenir le gobelet contre la règle. Fixe les bouts libres avec du ruban adhésif, sans laisser de ficelle traîner.
- 4Étape de l’adulte
L'adulte fixe le crayon à plat au centre de la table avec du ruban adhésif à ses deux extrémités. Il pose la règle en travers du crayon, au repère de 15 cm, puis vérifie les nœuds et les fixations.
- 5
Maintiens doucement la règle horizontale, puis retire les mains pour observer son premier mouvement avec les gobelets vides. Si un côté descend systématiquement, replace les gobelets à distances égales et vérifie que le milieu de la règle est bien au-dessus du crayon.
L'espace sous les gobelets est petit : observe surtout le début du mouvement, avant qu'un côté touche la table.
- 6
Maintiens la règle horizontale et dépose 2 pièces au centre de chaque gobelet. Retire doucement les mains et observe le premier mouvement, puis remets la règle à l'horizontale.
- 7
En maintenant la règle horizontale, ajoute 4 pièces dans un seul gobelet : il contient maintenant 6 pièces, contre 2 dans l'autre. Retire les mains, observe le côté qui commence à descendre, puis inverse les contenus et recommence.
- 8
Répartis ensuite les 8 pièces utilisées en deux groupes de 4. Remets la règle horizontale, retire doucement les mains et compare ce départ avec celui des essais précédents.
Observe
Avec 6 pièces d'un côté et 2 de l'autre, le gobelet contenant 6 pièces doit commencer à descendre. Quand tu inverses les contenus, le sens du mouvement doit s'inverser aussi. Avec 4 pièces de chaque côté, les contenus compensent leurs effets si leurs distances à l'appui sont égales. La règle peut pourtant pencher à cause d'un petit décalage ou du contact avec le crayon : ce montage ne garantit pas une horizontale durable. Dès qu'un gobelet ou une extrémité de la règle touche la table, ce contact empêche de poursuivre la comparaison.
À noter dans ton carnet
- Le nombre de pièces dans chaque gobelet à chaque essai.
- Le côté qui commence à descendre après le retrait des mains.
- Le changement observé après l'inversion des contenus.
- La présence éventuelle d'un contact avec la table dès le départ.
Comprendre
À la même distance du crayon, autant de pièces de chaque côté compensent leurs effets.
Chaque gobelet fait pencher la règle de son côté. À la même distance de l'appui, deux groupes de pièces identiques et aussi nombreux compensent leurs effets.
La Terre attire les gobelets et les pièces vers le bas. Cette force s'appelle le poids. La règle repose sur le crayon : ce point d'appui lui permet de basculer d'un côté ou de l'autre.
Chaque gobelet produit un effet de rotation, c'est-à-dire une tendance à faire tourner la règle autour de l'appui. Cet effet dépend du poids du gobelet et de son contenu, mais aussi de leur distance horizontale à l'appui. C'est pourquoi tu installes les deux gobelets à la même distance du milieu.
La masse indique la quantité de matière d'un objet. Des pièces identiques ont des masses très proches. Avec les mêmes gobelets et des distances égales, comparer les effets des deux côtés permet donc de comparer les masses des contenus. Six pièces ont une masse plus grande que deux pièces : leur côté tend à descendre.
Tu retrouves ce principe sur une balançoire à bascule. Une personne plus légère peut compenser l'effet d'une personne plus lourde en s'installant plus loin de l'appui. Ta balance utilise la même idée, mais tu gardes ici des distances égales pour comparer les pièces.
Compenser les effets ne garantit pas que la règle restera parfaitement horizontale. Les gobelets sont placés au-dessus de la règle, et le contact avec le crayon n'est pas un mécanisme de précision. Un petit décalage peut suffire à amorcer une bascule. L'inversion des contenus aide à distinguer l'effet des pièces d'un défaut du montage ; si le même côté descend toujours, l'essai n'est pas concluant.
La Terre attire les gobelets et les pièces vers le bas : cette force est leur poids. Le crayon sert de point d’appui. De chaque côté, le poids tend à faire tourner la règle autour de cet appui. Cet effet de rotation dépend du poids et de la distance horizontale à l’appui. Pour comparer les contenus, tu gardes donc les deux gobelets à des distances égales.
La masse indique la quantité de matière. Comme tes pièces sont identiques, leurs masses sont très proches. Avec des gobelets identiques placés à distances égales, 6 pièces produisent un effet de rotation plus grand que 2 pièces. Leur côté tend donc à descendre. Avec 4 pièces de chaque côté, les effets des contenus se compensent, même si leur masse totale est plus grande qu’avec 2 pièces de chaque côté.
Des effets qui se compensent ne garantissent pas une règle durablement horizontale. Un petit décalage ou le contact avec le crayon peut amorcer une bascule. En inversant les contenus, tu vérifies si le mouvement suit le groupe de 6 pièces. Si le même côté descend toujours, tu ne peux pas conclure que les pièces expliquent le mouvement. Observe le départ : dès que le montage touche la table, ce contact empêche de poursuivre la comparaison.
- Poids
- Force avec laquelle la Terre attire un objet.
- Masse
- Grandeur qui indique la quantité de matière d'un objet.
- Point d'appui
- Endroit où la règle repose sur le crayon.
- Effet de rotation
- Tendance d'une force à faire tourner un objet autour d'un appui.
- Équilibre
- Situation dans laquelle les effets qui font basculer d'un côté et de l'autre se compensent.
Nouveau défi : Prévoir le côté qui descend
Avec les 8 pièces déjà utilisées, prépare une répartition de 5 pièces contre 3. Prédis le côté qui commencera à descendre, puis fais l'essai depuis l'horizontale. Inverse ensuite les contenus pour vérifier ta prévision, sans déplacer les gobelets.
Autres idées à tester
- Compare les répartitions 2 contre 2 et 4 contre 4. Dans les deux cas, les contenus compensent leurs effets, mais cela ne rend pas nécessairement la règle plus stable.
Ranger et jeter
L'adulte compte et range les 10 pièces. Démonte ensuite les attaches, range les quatre ficelles, la règle, le crayon et les gobelets, puis retire les morceaux de ruban adhésif de la table.
Jette le ruban adhésif usagé avec les déchets ménagers. Conserve le reste du matériel pour le réutiliser. Aucun élément de cette expérience ne va dans l'évier.
Pour les enseignants et les animateurs
- Classes
- CP-CE2 ; prolongement en CM1-6e.
- Notion
- Comparer des masses ; découvrir que l'effet de rotation dépend du poids et de la distance horizontale au point d'appui.
- Compétences
- Formuler une prévision et la confronter à une observation.
- Comparer des masses dans des conditions identiques.
- Consigner des résultats dans un tableau simple.
- Repérer une limite du dispositif expérimental.
- En classe
- Pour 25 élèves, constituez cinq groupes de cinq et prévoyez un lot complet de matériel par groupe. Réalisez vous-même les perçages et vérifiez chaque montage avant les manipulations. Comptez 20 minutes de préparation et 15 minutes d'expérience, en répartissant les rôles : maintien de la règle, placement des pièces, observation, prise de notes et comptage. Lors de la mise en commun, comparez les essais avec contenus inversés et distinguez les résultats interprétables des montages qui penchent toujours du même côté.
- À la fin, l’élève sait…
- L'élève doit expliquer qu'à distances égales de l'appui, des contenus de même masse compensent leurs effets. Il doit aussi savoir dire qu'un contact avec la table ou un défaut de centrage empêche de conclure correctement.
Questions fréquentes
Pourquoi la règle penche-t-elle alors que les deux gobelets contiennent autant de pièces ?
Ce dispositif est une balance de découverte, pas un instrument de précision. Vérifiez le centrage de la règle, la position des gobelets et les attaches. Même avec des contenus identiques, une petite différence entre les deux côtés peut amorcer la bascule. Si le même côté descend systématiquement après inversion des contenus, ne présentez pas cet essai comme une comparaison réussie.
Pourquoi les gobelets sont-ils posés sur la règle plutôt que suspendus en dessous ?
Le crayon reste fixé directement à plat sur la table. Les gobelets sont donc maintenus debout sur la règle pour garder leur fond juste au-dessus du plateau de la table. Les ficelles servent à les attacher, et non à les laisser pendre sous la règle. Cette disposition permet une petite bascule, mais ne garantit pas une position horizontale stable.
Peut-on connaître la masse d'un objet en grammes avec cette activité ?
Cette activité sert à comparer des masses, pas à obtenir une mesure en grammes. Les pièces identiques constituent ici des éléments de comparaison. Leur masse n'est pas indiquée par le montage. Pour cette séance, conservez uniquement les pièces prévues et comparez leurs répartitions.
