Soyez un aimant, juste pour un jour! Teach article

Traduit par Maurice Cosandey. Qu’est-ce qui se passe dans les aimants ? Cette activité ludique aide les élèves de niveau primaire à le découvrir, en se transformant eux-mêmes en aimants.

Les enfants ont toujours un plaisir évident à jouer avec des aimants. La manière avec laquelle le pouvoir invisible du magnétisme les attire ou les repousse a quelque chose de mystérieux. Il y a là une force inédite qui semble venue de nulle part. Les aimants ont aussi leur utilité pour retenir des papiers contre une paroi de fer, et c’est facile de les séparer ensuite, comme contre les portes d’armoire ou entre les wagons successifs d’un train jouet, pour ne pas mentionner les appareils électroniques.

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Permission de Geek3; source
d’image: Wikimedia Commons 

Qu’est-ce que les élèves peuvent apprendre en jouant avec des aimants ? Quelles idées peuvent-ils se former sur la nature des aimants, sur leur structure interne et la notion de pôle magnétique ?

Au premier abord les règles du comportement magnétique sont simples : les pôles opposés (nord ou sud) s’attirent, et des pôles identiques se repoussent. Mais il ne faudrait pas croire qu’on peut séparer les pôles nord et sud d’un aimant en les cassant en deux. En réalité, si on casse une barre d’aimant en deux, on crée deux nouveaux aimants, ayant chacun leur propres pôles nord et sud, et nous allons le montrer en faisant l’expérience.

Bien sûr, la présentation des barres d’aimants, où on imprime N pour nord et S pour sud à chaque extrémité, encourage la croyance  que les pôles sont localisés à chaque bout de la barre. Et les maîtres ont souvent de la peine à expliquer pourquoi ce n’est pas le cas. Il existe certes des simulations et des vidéos pour l’expliquer, et on peut les consulter dans les références en fin d’article. Mais de notre part, nous croyons que la meilleure manière d’expliquer ce phénomène est d’engager les élèves dans une activité qui décrit la structure interne des aimants.

Nous avons effectué cette activité avec des enfants âgés de 10 à 12 ans, mais on peut la faire avec des plus jeunes. L’activité et la discussion qui suit prend moins d’une heure.

Pour commencer, nous montrons l’aspect d’un matériau non aimanté, puis nous l’aimantons. Cela nous fait discuter de la structure interne de l’aimant. Et enfin nous brisons l’aimant en deux pour voir ce qui s’est passé.
 

Qu’y a-t-il dans un aimant ?

Cette activité aide les enfants à comprendre que les aimants ont une structure interne, plutôt que juste un pôle nord d’un côté et un pôle sud à l’autre.

Qu’est-ce que la science nous apprend sur l’intérieur d’un aimant ? Le magnétisme vient de la structure des atomes du matériau, qui fait que certains matériaux sont magnétiques comme le fer et l’acier, et d’autres pas. Chaque atome d’un matériau magnétique est un dipôle magnétique, comme un petit aimant, et il s’aligne dans la direction du champ magnétique, comme une boussole dans le champ magnétique terrestre.

Si un morceau de fer n’a pas été aimanté, les dipôles magnétiques des atomes s’alignent dans toutes les directions, et s’annulent en moyenne. L’ensemble n’est pas un aimant. Mais si on place le morceau de fer dans un fort champ magnétique, les dipôles s’alignent tous dans la même direction, et on obtient un aimant, avec des pôles nord et sud, qui peut attirer d’autres objets faits de matériau magnétique,  Ceci est dû à leur structure interne, dans laquelle les dipôles sont alignés, et nous allons l’illustrer dans notre acitvité.

Matériaux

  • Au moins 10 élèves
  • Un gilet bleu et rouge par élève

Les gilets sont des doubles panneaux, un rouge devant, et un bleu dans le dos. On peut les fabriquer en utilisant de grands carrés de tissu rouge et bleu (30 cm x 30 cm) et en les reliant par des sortes de bretelles sur les épaules. On peut aussi épingler des carrés de papier bleu et rouge sur les chemises des élèves.

Figure 1: Vestes rouges et bleues.
Permission de Katarina Krišková

Mode opératoire

Chaque enfant représente une partie d’aimant, comme un dipôle magnétique. Ce dipôle ne peut pas être coupé en deux, comme une personne qui ne peut pas être coupée en deux.

1ère activité. Avant la magnétisation

Chaque élève s’équipe d’un gilet, en s’assurant que la face rouge est vers l’avant et la bleue vers l’arrière.

Au début de l’activité, les élèves s’alignent sur deux ou trois rangées parallèles, mais sans chercher à s’aligner sur leurs voisins. Voir figure 2. A l’oeil, aucune couleur domine dans une direction donnée.

Dans cette situation, la classe représente un matériau non aimanté, comme un morceau de fer loin d’un aimant. Les dipôles magnétiques sont disposés au hazard, et le matériau n’est pas un aimant.

Figure 2. Un matériau avant aimantation. Les élèves regardent dans différentes directions.
Permission de Katarina Krišková

2ème activité. Magnétiser le matériau

Figure 3 : Comment
modéliser la structure
interne d’un aimant. Après la
“aimantation”, les élèves sont
orientés comme les dipoles
dans un aimant
.
Permission de Katarina
Krišková

Quand nous appliquons un champ magnétique, les dipôles magnétiques sont forcés de s’orienter dans la même direction. Même s’ils restent dans leur rangée (qui représente la forme du barreau aimanté), les élèves sont contraints par une force extérieure, la voix du maître, de se tourner dans la même direction.

Maintenant, si les élèves regardent en avant, ils ne voient que le bleu de leurs vestes, et le rouge en regardant vers l’arrière. Voir la figure 3. Dites aux élèves de ne tourner que leur tête, et pas leur corps, sinon l’effet disparaît.

L’ensemble des élèves représente un matériau aimanté, ou une barre d’aimant, avec deux pôles, un bleu et un rouge, et ces couleurs peuvent être vues depuis chaque extrémité  de la rangée. La structure interne est ainsi mieux visualisée que dans un aimant, où elle est invisible.

3ème activité. Casser un aimant en deux

A la fin, nous allons briser l’aimant en deux. Il suffit pour cela de couper chaque rangée au milieu. Par exemple, s’il y a deux rangées de huit élèves, on peut faire avancer d’un pas les quatre premiers de chaque rangée, en les maintenant en contact entre eux. On obtient deux demi-groupes séparés d’élèves.

Les élèves peuvent alors voir ce qui arrive en brisant un aimant. La structure interne est la même, mais la taille de l’aimant change. On ne sépare pas les pôles. On a juste obtenu deux aimants plus petits.

La manière de briser l’aimant n’est pas importante. On peut casser un aimant en longueur ou en largeur. Les élèves peuvent le vérifier eux-mêmes, en séparant deux rangées parallèles par exemple, plutôt qu’en les coupant par le milieu.

Enregistrer l’activité

Il vaut la peine de photographier le groupe pendant l’activité, puis de conserver les meilleures images des enfants dans différentes situations. Cela peut servir dans une autre leçon, au moment de discuter de l’aimantation.

Remerciements

Cette activité a été initiée par Science on Stage Slovaquiew1, et développée pendant un camp d’été de l’Université Sans Frontières, fait pour les enfants de 10 à 12 ans à l’Université Pavol Josef Safarik de Košice, Slovaquie, en juillet 2015. Cette activité a été reprise dans le centre scientifique Steel Park de Košice.

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Web References

  • w1 – Science on Stage est un réseau de maîtres de sciences, de technologie et de mathématiques, lancé en 1999 par EIRO Forum, qui est l’éditeur de la revue Science in School. Science on Stage met en contact  les maîtres de sciences de toute l’Europe, dans le but d’échanger leurs idées sur l’enseignement avec des collègues de 25 pays.

Resources

Institution

Science on Stage

Author(s)

Katarína Krišková prépare une thèse de doctorat sur la théorie de l’éducation en physique à l’Université de Košice, en Slovaquie. Sa these se concentre sur le rôle de l’expérimentation dans le développement des compétences scientifiques au niveau secondaire. Elle enseigne aussi la physique dans un lycée de Košice.


Review

L’activité décrite dans cet article est un excellent moyen d’illustrer le magnétisme et d’encourager les élèves à jouer aux aimants. Pour les élèves plus âgés, l’activité peut mener à une discussion sur les applications du magnétisme dans la vie, comme par exemple le champ magnétique terrestre, ou les usages médicaux.


Erland Andersen, Denmark




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