Cahier d’activités 4 : Niveau intermédiaire

Destinées au groupe d’âge des 11 à 15 ans


Les différentes facettes de l’énergie

Ressources naturelles Canada

Les différentes facettes de l’énergie

Horizontalement (de gauche à droite)

1. Instrument servant à mesurer la température (11)

2. Prendre l’___________ au lieu de l'auto fait économiser de l’énergie (7)

3. Ces géants verts aident a absorber les gaz à effet de serre (6)

4. Ce combustible fossile est une roche noire qu'on brule pour produire de l’électricité. (7)

5. En mettant au _______ plutôt qu'à la poubelle, on économise l’énergie et on conserve les ressources naturelles. (9)

6. Effort pour utiliser moins d’énergie; le contraire du gaspillage. (12)

7. échelle de mesure de la température utilisée au Canada. (7)

8. Carburant produit à partir de plantes. (7)

Verticalement (de haut en bas)

1. Machine qui transforme l’énergie du vent en électricité. (8)

2. énergie qui fait fonctionner le téléviseur et une foule d’autres appareils. (11)

3. Désigne les sources d’énergies inépuisables. (13)

4. Type d'énergie que nous donne le soleil. (7)

5. Couleur associée aux gens qui cherchent à protéger l’environnement. (4)

6. Devise de la conservation d'énergie : ______, réutiliser, recycler. (7)

7. Utilisation par plusieurs automobilistes d’une seule voiture pour aller au même endroit. (11)

8. Économise l’énergie, fais‐les sécher a l’extérieur! (9)

Réponses des activités

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Déjoue le code

Santé Canada

Utilise le décodeur pour révéler la réponse mystère!

Déjoue le code

Réponses des activités

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Quatre-coins de la prévention des risques de santé

Santé Canada

Garde l'œil ouvert pour un environnement sécuritaire!

Félicitations! Garde l'œil ouvert et porte attention à ce qui peut être risqué pour ta santé dans ton environnement. Grâce à toi, ta maison et ta communauté deviendront des endroits sécuritaires pour que tes amis et toi puissiez vivre, jouer et apprendre!

Instructions pour plier ton Quatre-coins :

  1. Découpe le Quatre-coins.
  2. Place la feuille en mettant les illustrations vers le bas. Plie les quatre coins pour qu'ils se rencontrent au milieu de la feuille.
  3. Retourne la feuille - et encore une fois, plie les quatre coins pour qu'ils se rencontrent au centre de la feuille. Laisse-les comme ça.
  4. Plie en deux dans une direction, et ensuite dans l'autre direction.
  5.  Pour terminer - mets tes pouces et tes deux index dans les espaces que tu auras créés sous ton Quatre-coins et commence à jouer!

Joue seul ou avec tes amis.

  1. Choisis un des mots sur le dessus
  2. Épelle ce mot en ouvrant et fermant le Quatre‐coins à chaque lettre.
  3. Ensuite, choisis un des mots qui se trouve sur la partie du Quartre‐coins sur laquelle tu es tombé.
  4. Épelle ce mot en ouvrant et fermant le Quatre‐coins à chaque lettre
  5. Choisis un mot sous le rabat et lis le truc sur la santé environnementale
  6. Rejoue autant de fois que tu le désires!

Quatre-coins de la prévention des risques de santé

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Fabriquez votre propre quatre-coin

Santé Canada

Fabriquez votre propre quatre-coin

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Fabriquez votre propre thermomètre

Environnement Canada

Matériaux :

  • Bocal de vitre (le plus petit et le plus étroit possible)
  • Petite quantité d'huile végétale
  • Bouchon ou liège pour le bocal
  • Scellant, tel que de la vaseline, de la cire de chandelle ou de la pâte à modeler
  • Quelques gouttes de colorant alimentaire
  • Paille étroite et transparente d'au moins 15 cm de long
  • Compte-gouttes
  • Eau
  • Fiche d'environ 8 cm x 13 cm (13 pouces x 5 pouces)
  • Thermomètre de référence

Méthode :

  1. Remplissez le bocal d'eau et ajoutez quelques gouttes de colorant alimentaire pour que l'eau soit visible.
  2. Percez un trou dans le bouchon ou le liège, juste assez grand pour y glisser la paille.
  3. Placez le bouchon dans le bocal et insérez la paille dans le trou.
  4. Ajoutez plus d'eau, mais cette fois-ci par la paille, jusqu'à ce que le niveau atteigne environ le quart de la longueur de la paille.
  5. Scellez la paille dans le bouchon et le bouchon dans le bocal à l'aide de la vaseline, de la pâte à modeler ou de la cire de chandelle.
  6. Enfin, déposez uns goutte d'huile végétale dans la paille de sorte qu'elle repose sur l'eau. L'huile empêche l'eau de s'évaporer.
  7. Fixez la fiche à la paille. Laissez le thermomètre reposer pendant deux à trois heures.
  8. Maintenait, utilisez votre thermomètre de référence pour calibrer votre thermomètre maison. Pour ce faire, relevez le niveau de l'eau dans la paille et inscrivez une marque sur la carte. À côté de cette marque, inscrivez la température indiquée sur votre thermomètre de référence. Répétez ce processus au cours des quelques jours suivants.

Une dernière remarque :

Le diamètre de la paille et la quantité de liquide dans le bocal influeront sur la rapidité et la précision des réactions de votre thermomètre. Lorsque la paille est étroite, un plus petit volume d'eau est nécessaire pour faire augmenter de façon appréciable le niveau dans la paille.

 

Observations :

Ce thermomètre est fondé sur le principe voulant que l'eau, et en fait la plupart des liquides, prennent de l'expansion lorsqu'on les chauffe, et qu'ils se contractent lorsqu'on les refroidit. Demandez à vos élèves de prédire où sont les endroits les plus froids et les plus chauds de la pièce laissez-les vérifier leurs prédictions au cours des deux journées suivantes à l'aide de leur thermomètre. Rappelez-leur que ce thermomètre prend beaucoup de temps à réagir parce que toute l'eau dans le bocal doit se réchauffer ou se refroidir avant qu'on puisse relever la nouvelle température.

Demandez à vos élèves s'il y a des désavantages à utiliser ce thermomètre maison, et voyez s'ils peuvent en trouver au moins 3.

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Conservez les prises de grand-mère

Pêches et Océans Canada

Objectif :

Démontrer le rôle que jouent les écosystèmes pour fournir un habitat productif pour le poisson et démontrer l'importance non seulement de protéger nos zones côtières, mais aussi de gérer les populations de poissons pour garantir un approvisionnement constant.

Matériel :

  • un petit aquarium
  • deux sacs de craquelins en forme de poissons

Généralités :

Les écosystèmes de la côte atlantique sont parmi les plus diversifiés et productifs au monde. Ils fournissent l'habitat essentiel pour une diversité d'espèces de poissons. Les écosystèmes côtiers sont nécessaires pour la survie de ces poissons et ils doivent donc être protégés. Mais, les mesures de protection ne suffiront pas à garantir que nos petits‐enfants pourront aussi manger du poisson.

Le poisson est une ressource naturelle renouvelable. Contrairement au charbon et au pétrole, les ressources naturelles renouvelables, comme leur nom l'indique, se renouvellent constamment. Mais, si nous ne sommes pas prudents, que nous détruisons les habitats ou que nous capturons trop de poissons, ceux‐ci ne survivront pas. Pour nous garantir une réserve constante de poissons, nous devons gérer soigneusement le nombre de poissons que nous prenons.

Diverses méthodes servent à gérer les pêches, notamment l'établissement de règlements prescrivant comment et quand pêcher et limitant les prises. La protection des écosystèmes côtiers et l'observation des règlements de pêche équivalent à de saines mesures de conservation. La conservation, c'est se servir avec sagesse de la nature sans épuiser ses ressources pour que les générations à venir puissent aussi en profiter.

Méthode :

  1. Discutez de ce dont les poissons ont besoin pour survivre : un bon habitat dans nos écosystèmes côtiers où ils peuvent trouver nourriture, abri et espace.
  2. Dites aux participants qu'aux fins de la présente activité, ils sont issus d'une collectivité où la pêche a été le principal gagne‐pain depuis deux siècles. La pêche fait vivre l'ensemble de la collectivité. Les gens travaillent non seulement à bord des bateaux, mais dans la conserverie où le poisson est transformé. Les magasins locaux sont achalandés grâce aux clients qui travaillent dans l'industrie de la pêche. Les enseignants et les médecins sont dans la collectivité pour assurer des services aux employés du secteur de la pêche et aux membres de leurs familles. Qu'arriverait‐il à l'ensemble de la collectivité si le poisson venait à manquer ? Dites aux participants que chaque génération veut être en mesure de gagner sa vie de la pêche.
  3. Attribuez les rôles suivants aux participants :
    Première génération : grand‐mère, grand‐père.
    Deuxième génération : premier fils, deuxième fils, première fille, deuxième fille.
    Troisième génération : petit‐enfant no 1, petit‐enfant no 2, petit‐enfant no 3, petit‐enfant no 4, petit‐enfant no 5, petit‐enfant no 6, petit‐enfant no 7, petit‐enfant no 8.
  4. Videz dans un bol le contenu d'un sac de craquelins en forme de poissons.
  5. Permettez à chaque grand‐parent de prendre dans le bol une poignée de poissons. Laissez aux grands‐parents le loisir de déterminer s'ils en ont suffisamment.
  6. C'est maintenant au tour de la deuxième génération de pêcher comme les grands‐parents.
  7. La troisième génération peut maintenant pêcher comme les grands‐parents. (Il y a de fortes chances qu'il ne reste plus de poissons.)
  8. Demandez aux participants si l'on n'a pas oublié quelque chose au sujet des poissons. Les poissons se reproduisent. Répétez les étapes 4 à 7, mais ajoutez deux poignées de poissons du deuxième sac de craquelins pour chaque génération. Répétez après la troisième génération. Est‐ce que vous êtes encore à court de poissons ? (Il risque de ne plus rester de poissons.)

Discussion :

Discutez avec les participants à savoir qui a manqué de poissons ? Pourquoi ? Comment pourrait‐on conserver le poisson pour les générations futures ? Est‐ce que vous limiteriez le nombre de personnes qui peuvent pêcher ? Y a‐t‐il une manière de modifier la méthode de pêche ? (Essayez de pêcher en n'utilisant que le pouce et l'index.) Est‐ce que vous voudriez limiter la période de pêche et limiter le nombre de prises ? Discutez de ces questions avec les participants et trouvez une solution au problème de la surpêche.

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Intérêts100

Industrie Canada

Tu viens tout juste d'ouvrir un compte à la banque.

1. Voici les transactions que tu as effectuées ce mois‐ci :

  • Dépôt de 100 $.
  • Achat d'un bouquet de fleurs de 17 $ pour ta mère.
  • Tu es allé au cinéma la semaine dernière. N'ayant plus d'argent liquide sur toi, tu as utilisé ta carte de guichet. Le billet a coûté 7,50 $.
  • Tu as encaissé un chèque de 20 $ de tes grands‐parents.
  • Retrait de 20 $ à partir d'un guichet automatique de ta banque.
  • À trois reprises, tu as retiré 20 $ depuis un guichet automatique d'une autre banque que le tienne. Or, des frais de 1,50 $ ont été prélevés de ton compte à chaque utilisation.

Combien d'argent te reste-t-il dans ton compte bancaire?

SOLDE NET_______

2. Tu as dans ton compte bancaire 185 $. Dans la liste suivante, tu achètes tous les items qui satisfont UNIQUEMENT des besoins fondamentaux et tu évites de dépenser pour ceux qui répondent plutôt à des désirs. Combien d'argent reste-t-il dans ton compte bancaire après tes achats?

  • un muffin et un jus d'orange pour le petit déjeuner : 3 $
  • une tuque pour l'hiver : 20 $
  • les chaussures de sport de tes rêves : 80 $
  • un billet pour le spectacle de ton groupe préféré : 20 $
  • des lunettes : 90 $
  • un hamburger et des frites au casse‐croûte de ton quartier : 4 $
  • des livres d'école : 36,99 $
  • des souliers pour te chausser : 21,75 $
  • la casquette de ton équipe de soccer préférée : 28,99 $
  • un sac de croustilles : 1,99 $

IL ME RESTE _______

 

3. À ton anniversaire, tu as déposé 20 $ dans ton compte bancaire. Ton conseiller financier t'explique que l'argent déposé génère des intérêts annuels. Les intérêts sont calculés à partir d'un pourcentage appliqué à une somme placée ou empruntée.

Par exemple, un dépôt de 10 $, selon un taux d'intérêt annuel de 5 %, va générer des intérêts de 0,50 $ après un an. Quant à un dépôt de 40 $, selon un taux d'intérêt annuel de 10 %, va générer 4 $.

  • Calcule combien d'intérêts va générer ton dépôt de 20 $ en un an dans ton compte bancaire si le taux d'intérêt est de 5 %.
    5 % de 20 $ =
  • Tu as reçu 30 $ en argent de poche. Si tu ajoutes cet argent à tes économies en banque, combien d'argent auras‐tu en banque à la fin de l'année si le taux d'intérêt s'élève à 10 %?
    20 $ + 30 $ + 10 % de 50 $ =
  • Deux ans se sont écoulés depuis l'ouverture de ton compte bancaire. La première année, tu as déposé 100 $ et le taux d'intérêt s'élevait à 10 %. Quant à la deuxième année, tu as déposé 135 $ avec un taux d'intérêt de 5 %. Combien d'argent as‐tu maintenant?
    Première année
    100 $ + 10 % de 100 $ =
    Deuxième année
    Première année 135 $ + 5 % de l'addition précédente =

Réponses des activités

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Tracer des cercles

Agence spatiale canadienne

Matériel :

  • 3 feuilles de papier vierges
  • 2 marqueurs
  • ruban masque
  • simulateur 2 g

Comment fabriquer un simulateur 2g

  • Remplissez un sac auto‐scellant avec 2 ou 3kg de sable humide.
  • Scellez le sac en évacuant le plus d’air possible.
  • Répartissez le sable de manière uniforme dans le sac.

Méthode

Réalisez cette expérience en trois parties : 

  1. Tracez un cercle sur la première feuille de papier, dix fois les yeux ouverts, puis dix fois les yeux fermés.
  2. Refaites l'exercice sur la deuxième feuille, avec un simulateur 2 g fixé à votre avant‐bras à l’aide du ruban masque.
  3. Retirez le simulateur 2 g et refaites l'exercice immédiatement sur la troisième feuille de papier.

Conclusions :

Comparez les cercles pour chaque dessin.

  • Comparez votre aptitude à tracer les cercles dans chacun des dessins.
  • Comparez votre aptitude à tracer les cercles avant d'utiliser le simulateur 2 g et après avoir retiré celui‐ci.
  • Était‐ce pareil?
  • Pourquoi?

Comparez vos résultats et discutez de ceux-ci avec les autres membres de votre équipe.

  • Est‐ce que les résultats sont semblables?
  • À quelle conclusion arrivez‐vous?

Discussion :

Comment vous pouvez relier cet exercice avec ce que les astronautes expérimentent. Pensez‐vous que les astronautes ressentiraient les mêmes effets si on leur demandait d'exécuter leurs tâches avant, pendant et après leur mission?

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Influence de la microgravité sur le sens de l’équilibre et de l’orientation

Agence spatiale canadienne

Objectif :

Démontrer l’importance des yeux dans l’équilibre corporel.

Matériel :

  • Morceau de bois (2 po X 4 po X 24 po)
  • Chronomètre
  • Bandeau

Déroulement :

  • Installez le morceau de bois à plat par terre. Le faire tenir aux extrémités par deux élèves afin d’assurer sa stabilité.
  • Faites tenir un volontaire sur le morceau de bois de manière à ce que le bout d’un deses pieds touche le talon de son autre pied et que ses bras soient toujours croiséssur la poitrine.
  • Chronométrez le temps qu’il peut tenir ainsi en équilibre en gardant les yeux ouverts.
  • Refaites l’expérience et chronométrez de nouveau le temps, mais, cette fois‐ci, l’élève a les yeux bandés.
  • Expliquez le fait que la perte d’équilibre est survenue plus rapidement la deuxième fois parce que l’élève n’avait plus de repères visuels.

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L’eau lumineuse

Agence spatiale canadienne

Les astronautes sont d'abord et avant tout des scientifiques; ils effectuent des expériences lors de missions spatiales, mais aussi au sol. Fais comme eux et réalises les deux expériences qui suivent!

Certains obstacles peuvent faire dévier la lumière, par exemple l’eau et le verre. L’expérience suivante peut permettre d’en faire la démonstration.

Fabrication d’un appareil à dévier la lumière

Matériel :

  • Des ciseaux
  • Une bouteille de plastique transparent
  • De l’eau
  • Un plat creux
  • Une lampe de poche 

Déroulement :

  1. À l’aide des ciseaux, percez un petit trou dans le tiers inférieur sur le côté de la bouteille. Placez un doigt sur le trou et remplissez la bouteille d’eau. Mettez la bouteille dans le plat et plongez la pièce dans l’obscurité.
  2. Laissez l’eau s’écouler dans le plat par le trou. Faites bouger le faisceau de la lampe de poche parallèlement au trou, au travers la bouteille. Si le faisceau est bien placé, le filet d’eau qui s’échappe de la bouteille deviendra lumineux. Même l’eau du plat devrait émettre de la lumière.

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Petite histoire d'eau

Agence spatiale canadienne

L’eau étant une denrée rare dans l’espace, les astronautes à bord de la Station spatiale internationale auront à la recycler. Il s’agit de l’eau générée par la respiration et la transpiration, celle utilisée pour la douche ou le rasage, et même l’urine. Ces eaux usées seront épurées et ensuite recyclées à des fins de consommation et autres.

Sur Terre, l’épuration de l’eau se fait par traitement biologique. Les micro‐organismes utilisés à cette fin détruisent les contaminants en présence dans l’eau. À bord de la Station spatiale internationale, on aura recours à des processus physiques et chimiques pour décontaminer l’eau de même qu’à la filtration et à la stérilisation thermique pour en assurer la potabilité.

Matériel :

  • Urine simulée
    • colorant alimentaire jaune
    • boisson gazeuse transparente
  • Agent biologique actif simulé
    • 8 raisins secs
  • Mélange simulé d’acide citrique et carbonique
  • o boisson gazeuse transparente
  • bâtonnet ou cuiller à mélanger
  • bécher ou bocal en verre, étiqueté « bocal échantillon »
  • 2 bouteilles transparentes de 500 ml avec bouchon
  • verre (transparent)
  • couteau
  • filtre à café
  • petit flacon de plastique ou sac de plastique refermable

Préparation :

  1. Mélangez les liquides suivants dans une bouteille de 500 ml pour simuler de l’urine : environ 100 ml d’une boisson gazeuse transparente ou jaunâtre (soda au gingembre ou 7‐Up par exemple) et 1 à 3 gouttes de colorant alimentaire jaune. Il peut s’avérer nécessaire de procéder à quelques essais quant à la quantité de colorant à ajouter pour obtenir l’aspect voulu. Laissez le liquide se dégazer (on peut accélérer le processus en le brassant).
  2. Coupez les raisins en menus morceaux et placez‐les dans le flacon ou le sac de plastique. Apposez‐y une étiquette « Agent de retraitement biologique actif ». Inscrivez sur l’étiquette un numéro imposant comme AF‐4366032‐B2 ainsi qu’une date récente. Placez le capuchon sur le flacon (une boîte de film peut servir de flacon). Il s’agit de «l’agent biologique actif ».
  3. Assurez‐vous de bien refermer la bouteille pour que le liquide reste gazeux. Apposez une étiquette « acide citrique et carbonique » sur la bouteille.

Démonstration en classe

Il convient de se rappeler qu’il s’agit d’une simulation. Si la classe sait quels sont les ingrédients exacts de l’expérience, celle‐ci n’aura pas l’effet escompté.

  1. Avant la présentation, placez la bouteille de plastique et les bouteilles contenant « l’agent biologique actif » et l’acide citrique et carbonique sur le pupitre ou à un endroit bien visible. Posez à côté d’elles le bocal vide de 500 ml (bocal échantillon) et le bâtonnet ou la cuiller à mélanger. Le contenant avec l’urine simulée devrait être dissimulé dans un sac ou placé dans un autre local.
  2. Juste avant la démonstration, le présentateur emporte le bocal échantillon et l’urine dissimulée dans un autre local, verse le mélange de la bouteille dans le bocal et cache de nouveau le contenant d’« urine » vide.
  3. Introduisez la notion de nécessité de conserver des substances telles que des aliments et de l’eau lorsqu’on vit en orbite. Faites remarquer que, pour des missions de courte durée, toute l’eau nécessaire à la mission peut être emportée à bord. L’eau peut être transportée de la Terre jusqu’en orbite et tous les déchets, y compris les déchets humains, liquides et solides, peuvent être ramenés au besoin. Dans le cas des missions de longue durée, il n’est pas possible d’emmener toute l’eau destinée à un usage ponctuel. L’eau devra être recyclée y compris l’urine. À ce stade‐ci, prenez le bocal d’« urine » en indiquant aux élèves que vous allez leur montrer comment cela se fera. Prenez soin de ne pas divulguer ce que contient le bocal. Laissez‐les faire appel à leur imagination.
  4. Indiquez que le processus d’« épuration » de l’eau contenue dans le bocal jusqu’à ce que celle‐ci soit potable nécessite deux étapes distinctes. La première est la dilution de ce fluide dans l’« acide citrique et carbonique », cette première étape permettra à la deuxième d’être plus efficace. Ajoutez le fluide contenu dans la bouteille d’acide citrique et carbonique au mélange. Si quelqu’un est suffisamment observateur pour se rendre compte que le fluide ajouté ressemble à du 7‐Up ou à du Sprite, indiquez‐lui que le 7‐Up et le Sprite sont constitués d’acide citrique et carbonique et que ces boissons pourraient être utilisées ici.
  5. Dites ensuite qu’un agent biologique actif, qui transforme en substances inoffensives toutes les impuretés dans la « solution », sauf la couleur, effectue l’épuration. Il élimine également les odeurs et le « mauvais goût ». Ouvrez le contenant d’agent biologique actif et ajoutez celui‐ci au fluide. La combinaison de l’agent et du fluide à épurer entraînera la formation de bulles. Vous pouvez déclarer alors que « les choses semblent fonctionner ». Indiquez que, en épuration normale de l’eau, ce processus prend un certain temps, mais que vous pouvez l’accélérer en raison de la faible quantité de solution et de la grande quantité de réactif en présence. Déclarez aussi que le brassage aide au processus. Mélangez le contenu avec la cuiller.
  6. Indiquez que le processus prendra environ 30 minutes et demandez aux élèves de vous rappeler de brasser la solution toutes les cinq minutes pour que les réactions appropriées se produisent.
  7. Au cours des quelque 30 minutes qui suivent, brassez le fluide et l’agent biologique actif, en indiquant que l’expérience semble évoluer normalement.
  8. Au bout de 30 minutes environ, brassez le fluide une dernière fois pour vous assurer qu’il est dégazé. Déclarez que vous allez maintenant séparer le fluide et l’agent biologique actif par filtrage. Placez le filtre en papier dans le verre et versez‐y lentement la solution.
  9. Une fois le filtrage terminé, déclarez que le liquide devrait être suffisamment épuré pour qu’on puisse le boire et buvez‐en rapidement une petite quantité.
  10. Indiquez qu’au cours de missions spatiales de longue durée, rien ne peut être perdu et que même les agents biologiques actifs doivent être recyclés. Demandez aux élèves ce qu’ils feraient à cet égard. Proposez quelques réponses. Ajoutez « manger l’agent biologique » comme une réponse possible à la fin et mangez rapidement une partie de l’agent.
  11. Buvez le reste de la boisson épurée et poursuivez la leçon ou la discussion.

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Influence de la microgravité sur la structure osseuse

Agence spatiale canadienne

Objectif :

Démontrer l’élongation de la taille d’un individu se trouvant en apesanteur.

Matériel :

  • 3 grosses éponges flexibles (pour représenter le tissu spongieux)
  • 4 gros livres (pour représenter des vertèbres)
  • 1 grand élastique
  • 1 photo de la colonne vertébrale

Déroulement :

  • Superposez livres et éponges en alternant un livre et une éponge à chaque fois.
  • Appliquez une pression verticale sur l’ensemble créé afin de le comprimer.
  • Enroulez la bande élastique autour de l’ensemble pour le tenir dans cette position. La bande élastique illustre la force de gravité qui écrase les disques de la colonne quand l’astronaute est sur Terre.
  • Faites mesurer la hauteur de l’ensemble.
  • Retirez la bande élastique en gardant l’assemblage en position verticale.
  • Faites mesurer à nouveau l’ensemble. Expliquez aux jeunes que la différence de hauteur observée correspond à l’enlèvement de la bande élastique soit, dans la réalité, à la disparition de la gravité terrestre une fois l’astronaute dans l’espace.

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Construction d'un dispositif robotisé à commande directe

Agence spatiale canadienne

Explorez votre voisinage à partir du ciel grâce à la robotique!

Matériel :

  • 1 appareil photo jetable
  • 1 minuterie de cuisine
  • 1 feuille de mousse isolante rigide d'une épaisseur de 2,5 cm (environ 30 cm sur 30 cm)
  • Bandes élastiques (un grand nombre)
  • 2 crochets à émerillons ou bas de ligne de pêche
  • 1 grande feuille de carton ou de carton bristol
  • Plusieurs gros trombones
  • Ruban
  • Crayon
  • 1 goujon de bois (d'une longueur variant de 70 cm à 100 cm)
  • 1 grand cerf‐volant et beaucoup de ficelle
  • Des tonnes de patience
  • Une journée venteuse

Outils :

  • Un ensemble de petits tournevis
  • Une scie à chantourner
  • Une perceuse
  • Une paire de pinces à bec effilé
  • Une règle

Instructions :

1. Retirez la minuterie de son boîtier et ouvrez l'emballage de l'appareil photo.

2. Placez l'appareil photo et le mécanisme de la minuterie sur la feuille de mousse isolante tel qu'illustré.

3. Tracez les contours de la minuterie et de l'appareil photo.

4. Marquez le pourtour rectangulaire de l'enveloppe de la charge utile.

Construction d'un dispositif robotisé à commande directe 1

5. Découpez l'enveloppe de la charge utile à l'aide de la scie à chantourner. La mousse isolante est si facile à couper que vous n'aurez qu'à utiliser la lame. L'utilisation du manche de la scie est totalement optionnelle.

Construction d'un dispositif robotisé à commande directe 2

6. En vous servant de la perceuse, percez un trou à chaque extrémité du dessin de l'appareil photo et au centre de celui de la minuterie. Dans ce cas‐ci aussi, l'utilisation de la perceuse est totalement optionnelle. La mousse isolante est si facile à percer que vous pouvez vous servir uniquement d'une mèche.

Construction d'un dispositif robotisé à commande directe 3

7. Au moyen de la lame de la scie, découpez la forme de l'appareil photo et de la minuterie. Il est préférable de ménager des ouvertures de façon à ce que l'appareil photo et la minuterie s'y insèrent aussi parfaitement que possible. 

Que faire si les ouvertures sont trop grandes? Pas de problème ‐ il suffit de placer  des petits coins de mousse le long des arêtes pour réduire la taille des ouvertures.

Construction d'un dispositif robotisé à commande directe 4

8. Insérez l'appareil photo et la minuterie dans l'enveloppe de la charge utile. Découpez l'excédent ou placez des petites pièces (cales) pour combler les brèches au besoin.

Construction d'un dispositif robotisé à commande directe 5

Il n'est pas nécessaire que l'ajustement de l'appareil photo soit parfait. Les bandes élastiques serviront à maintenir en place l'appareil. En revanche, la minuterie doit être insérée de manière aussi serrée que possible.

Construction d'un dispositif robotisé à commande directe 6

9. En vous servant d'un gros trombone et d'une paire de pinces à bec effilé, fabriquez et ajustez le levier du déclencheur.

Construction d'un dispositif robotisé à commande directe 7

10. Retirez l'appareil photo de l'enveloppe de la charge utile. Percez un trou qui part du haut de l'enveloppe et qui se rend jusqu'à l'endroit où le bouton déclencheur devrait se trouver. Le trou doit être suffisamment large pour pouvoir y insérer un crayon.

11. Sciez le crayon de manière à ce qu'il dépasse d'environ 1 cm la longueur nécessaire pour atteindre le bouton déclencheur, puis insérez‐le (la gomme à effacer vers le haut) dans l'ouverture pratiquée.

12. Installez l'appareil photo.

Construction d'un dispositif robotisé à commande directe 8

13. Faites une petite entaille sur le bout contenant la gomme à effacer (en vous servant de la scie à chantourner) pour y mettre une bande élastique.

14. Placez une bande élastique autour de la charge utile tel qu'illustré, ce qui permettra de faire en sorte que le crayon appuie fermement sur le bouton déclencheur de l'appareil.

15. Installez la base du déclencheur et découpez‐la de manière à ce qu'elle puisse glisser librement et complètement de sous le crayon lorsque la minuterie l'en retire.

Conseil : Les élèves participant à ce projet ont découvert que la pointe arrondie en graphite d'un crayon offre un très faible coefficient de friction sur une surface en plastique (comme une carte de crédit).

Construction d'un dispositif robotisé à commande directe 9

16. Fixez le stabilisateur vertical et trouvez le centre d'équilibre.

17. Installez un petit piton à vis au point d'équilibre et fixez la ficelle de suspension à l'aide d'un crochet à émerillon ou d'un bas de ligne de pêche.

Construction d'un dispositif robotisé à commande directe 10

Votre appareil photo robotisé est maintenant prêt à prendre son envol. Choisissez une journée dégagée et venteuse et envoyez votre robot en exploration.

Renseignements supplémentaires pour l’activité « Construction d'un dispositif robotisé à commande directe »

Note aux enseignants

Ce projet est extrêmement facile à réaliser. Il nécessite du matériel peu coûteux et facile à se procurer.

Cette activité peut servir de point central pour une grande partie de la mécanique (cinématique et dynamique) en physique au secondaire à la fois au niveau débutant et au niveau avancé.

Pour les enseignants qui souhaitent intégrer cette activité dans un projet de mécanique pour le semestre, des sujets pertinents sont suggérés à chaque étape de la construction du projet.

Il est fortement recommandé que les élèves tiennent un journal de bord de construction. Dans leur journal, ils devraient noter en détail leurs observations, les résultats des expériences et de toutes les conclusions qu'ils ont pu tirer de la construction de chacune des composantes de leur robot, ainsi que toutes les données reliées à leur projet.

Ce projet de construction d'un appareil contrôlé robotiquement avec détecteur à distance, attaché à une plateforme mobile (et parfois instable) a beaucoup de points en commun avec la conception d'appareils similaires pour des applications spatiales. Cela donnera à votre classe tout un éventail de possibilités d'expérimentation et de modification des plans. L'objectif premier de cette activité est de construire et de faire fonctionner un appareil photo robotisé et, lors du processus de construction de l'appareil, d'explorer les caractéristiques physiques de sa conception.

La plateforme de l'appareil photo robotisé est suspendue à un cerf‐volant fait à la main (ou acheté en magasin). L'appareil est capable de prendre des photos aériennes à un moment qui a été programmé dans son « nanocerveau » avant le décollage.

L'altitude et la direction de l'image aérienne dépendent de la longueur du fil du cerf‐volant et de l'orientation de l'appareil.

Le coeur de notre robot est un appareil jetable très petit et léger. (En fait, notre appareil photo est un appareil recyclé, car on y remet une pellicule à l'usine avant de le revendre au client suivant).

Il existe plusieurs types d'appareils de ce genre sur le marché. Tous conviendront parfaitement bien pour ce projet.

Évitez les appareils jetables légèrement plus chers avec un flash incorporé. La distance entre l'appareil photo et le sol est trop grande pour que le flash puisse être efficace en cas de faible luminosité. Le flash ne sert qu'à alourdir l'appareil photo

Dans toute application reliée au vol, qu'il s'agisse de cerfs‐volants, de ballons ou de navettes spatiales, la masse est votre plus grand ennemi! L'un des avantages des petits appareils jetables est leur faible masse véritablement remarquable.

Notre appareil pesait seulement 67 grammes.

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Pour que la masse totale de notre appareil robotisé demeure aussi petite que possible, et pour simplifier la construction, la structure de notre projet est composée d'une couche de mousse isolante de 2,5 cm.

La mousse isolante est rose (quoique d'autres couleurs soient aussi disponibles) et a une surface polie très dure. La mousse intérieure a une structure cellulaire assez petite, ce qui rend ce matériau très solide et très léger.

La mousse isolante dure est disponible en grandes feuilles à un coût modique.

N'utilisez pas de polystyrène blanc. Sa structure cellulaire interne est trop grosse pour donner de la résistance au matériau. Il se casse trop facilement.

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Il est important de connaître la capacité de levée de votre cerf‐volant avant de commencer.

Pour ce faire, utilisez un ensemble de poids standards. L'expérience a montré que les cerfs‐volants supportaient mieux les charges utiles lorsqu'elles étaient attachées au fil du cerf‐volant à environ 2 ou 3 mètres du point d'attache de ce dernier.

Si votre cerf‐volant peut lever une masse de 250 grammes, il peut supporter l'appareil jetable.

Les modèles de cerfs‐volants sont très variés. Certains cerfs‐volants ont une levée importante, d'autres offrent de meilleures caractéristiques de vol et une plus grande stabilité.

Étudiez les capacités de levée de votre cerf‐volant en fonction de la vitesse du vent.

Étudiez d'autres modèles de cerfs‐volants.

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Bien sûr, un robot ne serait pas un robot s'il ne possédait pas un certain degré d'intelligence. Notre robot n'est pas très intelligent, il «sait» seulement qu'après un certain temps, il doit déclencher l'obturateur de l'appareil.

Le cerveau de notre robot (nous l'appellerons «nanocerveau» puisqu'il n'est pas très intelligent) est une petite minuterie mécanique extraite d'une minuterie de cuisine bon marché. Il peut être programmé pour une durée de 60 minutes.

Un robot « plus intelligent » pourrait être équipé d'une minuterie électronique ou même contenir un micro‐ordinateur doté de capteurs de bord permettant au robot de prendre des photos d'objets particuliers ou sous certaines conditions.

Nos minuteries (deux d'entre elles sont montrées sur la photo) coûtent exactement deux dollars chacune (plus taxes) au rayon des articles de cuisine d'un centre d'escomptes.

Vous devrez retirer le boîtier fantaisie de la minuterie. Retirez simplement le cadran et les petites vis à l'arrière. Vous n'aurez plus qu'à extraire la minuterie.

Un ensemble de petits tournevis pour le bricolage est nécessaire, car les vis qui tiennent la minuterie dans le boîtier sont assez petites.

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Une fois sortie de son boîtier, la minuterie est prête à être utilisée.

Le nanocerveau (minuterie) doit être programmé pour déclencher l'obturateur de l'appareil au moment approprié. Pour cela, il faut construire un déclencheur comme illustré à gauche.

Les détails sur l'installation du déclencheur sont expliqués plus tard, mais le concept de base est illustré ici.

Une vieille carte de crédit en plastique fait une très bonne base de déclencheur. Elle a l'avantage d'être légère, solide et, surtout, son coefficient de friction est faible (sa surface est très glissante).

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Il est utile d'étudier les sujets suivants en rapport avec cette conception :

  1. Les sources de friction.
  2. Les coefficients de frottement statique et de frottement cinétique.
  3. Les méthodes pour réduire la friction.

Le centre de la minuterie ressemble au schéma présenté ici. Un bras de levier peut facilement être attaché avec le fil de fer d'un trombone tendu. Une paire de pinces à bec effilé sera utile.

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Monter le mécanisme de déclenchement de l'obturateur demande une préparation minutieuse.

Examinez attentivement le schéma. Notez l'alignement des différentes composantes.

Ce projet requiert énormément d'élastiques. Prévoyez une quantité suffisante.

L'idée principale est d'utiliser la base du déclencheur pour éviter que le tenon du déclencheur ne presse sur le bouton de l'obturateur de l'appareil. Le schéma de gauche illustre le principe.

Au fur et à mesure que la minuterie déroule (dans le sens des aiguilles d'une montre), le bras en fer retire progressivement la base du déclencheur du dessous du tenon du déclencheur, qui pressera ensuite sur le bouton de l'obturateur de l'appareil.

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Pour programmer la durée de la minuterie, il suffit de tourner le centre de la minuterie. Utilisez le cadran original et n'en retirez la minuterie que lorsqu'elle aura été programmée.

Testez votre modèle minutieusement pour vous assurer qu'il fonctionne comme vous le souhaitez. Faites les ajustements nécessaires.

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Pour comprendre le mode de fonctionnement de la minuterie et comment elle déclenche l'obturateur, analysez les concepts suivants :

  • Couple de rotation;
  • Mesure du couple de rotation;
  • Augmentation de la force appliquée sur la base du déclencheur;
  • Rouages;
  • Bascules.

La charge utile en vol est suspendue à un cerf‐volant.

La charge utile doit être conçue de manière à être à la fois stable aérodynamiquement et extrêmement légère (voir ci‐dessous).

Afin de minimiser toute interférence avec les caractéristiques de vol du cerf‐volant, la charge utile devrait être suspendue à au moins deux mètres du cerf‐volant. Il peut être utile et instructif de tester votre cerf‐volant avec une charge simulée avant de faire voler votre robot.

Des crochets à émerillons (ou bas de ligne de pêche) sont nécessaires pour éviter que des nœuds se forment entre les fils du cerf‐volant et de la charge utile ou que les fils s'emmêlent.

Très important

Rappelez‐vous : ne faites jamais voler votre cerf‐volant à des endroits où vous pourriez toucher des câbles aériens ou lorsqu'il y a des risques d'éclair.

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Stabilité aérodynamique

Le montage de l'appareil est suspendu à un long goujon en bois (ou de plastique) d'environ un mètre de long (pas représenté à l'échelle sur le schéma).

Un grand carton ou un bristol (appelé stabilisateur vertical) est attaché au bout opposé du goujon pour servir de girouette et tourner l'appareil photo dans la direction du vent, comme illustré.

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Pour apprécier complètement le projet, il faut étudier les concepts suivants :

  • Le moment d'inertie pour une tige solide et uniforme;
  • Le centre de pression (relié à l'écoulement de l'air) au‐dessus et autour d'un avion ou d'une ailette;
  • Le centre de masse;
  • La relation entre le centre de masse et le centre de pression en regard de la stabilité aérodynamique

L'appareil photo peut être «orienté» pour prendre des photos dans différentes directions en fonction de la direction du vent.

Soyez prudent lorsque vous changez le «centre de pression» de l'appareil photo robotisé quand il est aligné pour prendre des photos à angle droit dans la direction du vent. Assurez‐vous que l'ailette est suffisamment grande!

Le centre de pression aérodynamique (sur le côté de la charge utile) doit toujours être derrière le centre d'équilibre.

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Si vous faites voler votre cerf‐volant par vents extrêmement turbulents, vous pouvez renforcer la stabilité en ajoutant un stabilisateur horizontal, mais cela entraînera une charge supplémentaire. Notre charge utile n'avait pas besoin de cela.

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