II- Les aimants en cp-ce1
1) Les programmes
Rappelons tout d'abord les programmes au cp-ce1 :
Les élèves commencent à comprendre l'alternance jour-nuit. On peut donc s'intéresser au mouvement apparent du Soleil et donc, introduire les points cardinaux et donc la boussole. Ces points cardinaux sont également intéressants pour comprendre la disposition des différentes cartes géographiques qu'ils peuvent étudier. Il est également indiqué que les élèves doivent maîtriser quelques objets techniques simples. Il est donc tout indiqué compte tenu de tout cela, d'étudier la boussole et, de façon à avoir une compréhension de son fonctionnement, il est indiqué de revenir à une étude des aimants, en étudiant plus particulièrement les pôles d'un aimant.
Il est également écrit que les élèves dépassent leurs représentations initiales en observant et en manipulant. La manipulation d'aimants est donc toute indiquée.
2) Classement des objets en trois catégories
On peut donner comme consigne de classer les objets présents sur les tables en trois catégories de par leurs actions mutuelles en rapport avec les aimants. On obtient alors le tableau ci-dessus.
3) Découverte et étude des pôles d'un aimant
Il est facile de montrer que certaines zones sont plus actives que d’autres. Si on prend un aimant droit classique, on observe qu’un objet lourd en métal (pinces par exemple) ne peut pas être soulevé par la partie centrale de l’aimant, mais uniquement par les bouts.
On peut également faire rouler une bille métallique sur une table vers un aimant droit posé. Si elle frappe l'aimant vers le milieu, elle rebondit; si elle frappe l'aimant vers un bout, elle reste collée.
De même, si on aimante une épingle en la frottant contre un aimant, et qu’on la plonge ensuite dans la limaille de fer, la limaille se "collera" aux deux extrémités.
La situation problème est alors de trouver une théorie qui permette de prévoir à l'avance ce qu'il va se passer quand on va rapprocher deux pôles, avant de faire l'expérience.
On peut faire l'hypothèse qu'il y a deux sortes différents de pôles : les + et les - par exemple. Si l’on prend uniquement deux aimants, on peut construire une théorie fausse où ce sont deux pôles identiques qui s’attirent et deux pôles différents qui se repoussent. Cela montre qu’une théorie fausse peut marcher un certain temps, et correspond à ce que dit POPPER sur la falsifiabilité des théories. Si l'on introduit un troisième aimant, la théorie s'effondre.
Une autre manière de faire, est de faire flotter les aimants sur des morceaux de polystyrène. Ils s'orientent; on a découvert la boussole qui indique le Nord. On appelle alors Pôle Nord le bout qui se dirige vers le Nord, et Pôle Sud le bout qui se dirige vers le Sud. En étiquetant ainsi les pôles de plusieurs aimants, on constate ensuite que deux pôles de mêmes noms se repoussent, et que deux pôles de noms contraires s'attirent (voir vidéo ci-dessus). On peut également faire une boussole avec une épingle (vidéo suivante).
4) Évaluation
On voit si les enfants ont vraiment compris, s'ils sont capables de réinvestir ce qu'ils ont vu pour trouver la solution à un nouveau problème; c'est pourquoi les exercices suivants sont proposés : trouver une explication aux phénomènes des trois vidéos suivantes (corrigé à la fin de ce chapitre).
On peut aussi demander quel est le pôle d'aimant que présente la Terre au pôle géographique nord. On peut aussi demander une explication de l'obtention de la chaîne de billes du chapitre : "Les aimants en maternelle".
5) Spectres d'aimants
On peut montrer les spectres de différents aimants en saupoudrant de poudre de fer une feuille de papier posée sur l'aimant. Les petites aiguilles de fer s'aimantent en présentant un pôle à chaque extrémité, puis s'orientent dans le sens du champ magnétique. Elles s'attirent alors, puisque en face du pôle nord d'une aiguille, se présente le pôle sud de la suivante, et forment des chaînes visualisant les lignes de champ du champ magnétique. C'est Faraday (1791-1867, physicien britannique) qui eut le premier l'idée d'introduire cette notion de champ magnétique. La photographie ci-contre à droite montre le spectre d'un aimant droit, la photographie ci-dessous à gauche, celui de deux aimants qui s'attirent, et la photographie ci-dessous à droite, celui de deux aimants qui se repoussent. On comprend alors pourquoi les aimants s'attirent : ils sont comme reliés par des élastiques. On peut imaginer que des particules sortent par le pôle nord d'un aimant et circulent autour de l'aimant pour ensuite rentrer par le pôle sud. On comprend alors pourquoi deux pôles de noms contraires s'attirent : les particules qui sortent par un pôle et rentrent par l'autre tirent comme des élastiques. Quand on présente deux pôles identiques, par exemple deux pôles nord, les particulent qui sortent se heurtent, partent sur les côtés en ayant un effet de répulsion. Ces particules existent réellement, ce sont les photons virtuels dont la présence est décrite par le champ magnétique. En physique théorique, on interprète en effet la force entre deux particules comme un échange de particules, comme le montre la vidéo de ce lien. La quantification des lignes de champ est à l'origine de la théorie des cordes en physique moderne. Suite : les aimants au cycle 3
Vidéo avec la locomotive
À l'avant de la voiture, il y a un morceau de fer doux (catégorie 2) qui est toujours attiré par un aimant. À l'arrière de la voiture, il y a un pôle d'aimant, et il y a deux pôles opposés d'aimants à l'avant et à l'arrière de la locomotive.
Vidéo avec les deux aimants jaunes
L'aimant de gauche repousse l'autre aimant et attire la bille, mais l'interaction entre les deux aimants est la plus forte, et à grande distance, c'est la répulsion qui l'emporte. Ceci étant, ces interactions diminuent avec la distance. Lorsque l'aimant de gauche touche la bille, il est tellement plus proche de la bille que de l'autre aimant, que c'est l'attraction avec la bille qui l'emporte. Dans un jeu avec des aimants et des billes, les billes jouent donc le rôle de ciment permettant à l'ensemble de tenir.
Les deux trombones
Lorsque les deux trombones s'attirent, ils présentent au niveau du contact deux pôles opposés (le trombone horizontal a été transformé en aimant par le voisinage du grand aimant). Lorsque l'on approche le grand aimant après l'avoir retourné, il aimante le trombone horizontal en sens inverse, tandis que le trombone vertical, plus loin, garde sa polarité. Les deux trombones présentent alors au contact deux pôles identiques et se repoussent.
