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Informer et accompagner
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les professionnels de l’éducation CYCLES 2 3 4
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PHYSIQUE-CHIMIE
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Mettre en œuvre son enseignement
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L’énergie et ses conversions
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Quel volume de boisson au cola
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compense les dépenses d’énergie
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d’un cycliste faisant l’ascension
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du Mont Ventoux ?
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Le fichier source
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au format Word THÈME : L’ÉNERGIE ET SES CONVERSIONS
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disponible en
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téléchargement Attendus de fin de cycle : Identifier les sources, les transferts, les conversions et les formes d’énergie – Utiliser
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la conservation de l’énergie.
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Registre d’enseignement : enseignement commun
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Descriptif :
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Calcul du volume d’une boisson au cola compensant les dépenses d’énergie d’un cycliste qui réalise l’ascension
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du Mont Ventoux.
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Les élèves disposent d’un grand nombre de données relatives aux échanges énergétiques, ils doivent établir un
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bilan énergétique. C’est une tâche complexe qui demande d’analyser des données disponibles, d’identifier les dif-
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férents échanges énergétiques et, pour chacune des étapes, de calculer l’énergie perdue et l’énergie reçue. Cette
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activité permet d’effectuer une structuration des connaissances relatives aux bilans énergétiques, c’est pourquoi
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il est proposé à la fin de la séance un travail personnel aux élèves pour la séance suivante : mettre en forme la
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démarche de résolution proposée sous une forme qui est laissée à l’initiative de l’élève.
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Repère de progressivité : En fin d’apprentissage sur les bilans énergétiques : fin de classe de quatrième ou fin de
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classe de troisième. Cette séquence prend appui sur une tâche complexe, elle peut permettre une structuration
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des acquis sur les bilans énergétiques.
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Objectifs d’apprentissage :
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• Modéliser des transferts énergétiques.
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• Exploiter numériquement un bilan énergétique.
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• Identifier une source d’énergie et la forme d’énergie associée.
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• Exploiter des données.
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• Présenter la démarche suivie.
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Compétences travaillées
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Pratiquer des démarches scientifiques
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• Proposer une ou des hypothèses pour répondre à une question scientifique.
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• Développer des modèles simples pour expliquer des faits d’observation.
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Pratiquer des langages
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• Utiliser la langue française en cultivant précision, richesse de vocabulaire et syntaxe pour rendre compte des
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observations, expériences, hypothèses et conclusions.
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Mobiliser des outils numériques
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• Utiliser des outils de traitement de données (tableur).
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Retrouvez Éduscol sur
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016 1
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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L’énergie et ses conversions
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THÈME : L’ÉNERGIE ET SES CONVERSIONS
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Connaissances et compétences associées
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• Identifier les différentes formes d’énergie.
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• Relation Ec=1/2mv².
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• Identifier les sources, les transferts et les conversions d’énergie.
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• Établir un bilan énergétique pour un système simple.
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• Utiliser la relation liant puissance, énergie et durée.
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Mots clefs : Énergie, source d’énergie, forme d’énergie, bilan énergétique, énergie cinétique, puissance
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Situation proposée aux élèves
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Quel volume de boisson au cola compense les dépenses d’énergie d’un cycliste lors de son
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ascension du Mont Ventoux ?
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Depuis le village de Bedoin, un cycliste, Félicien, fait l’ascension du Mont Ventoux en 2 heures.
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Le record est détenu par Iban Mayo Diez : ascension en 55 min 51s lors du critérium du
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Dauphiné libéré en 2004. Félicien est bien entraîné : son métabolisme à l’effort est couvert par
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la respiration.
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À l’aide des documents fournis et de tes connaissances, calculer le volume de boisson au cola
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que devrait boire Félicien pour compenser ses dépenses d’énergie lors de l’ascension du Mont
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Ventoux. Comme pour toute étude en physique-chimie, on prendra soin d’analyser le résultat
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et de le commenter.
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Données et documents utiles à la résolution du problème
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Date de naissance : 25/04/1991
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Cheveux : noir
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LE CYCLISTE FÉLICIEN Yeux : brun
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ET SON VÉLO Taille : 1,80m
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Masse : 80 kg
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Masse du vélo : 10 kg
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Massif situé en Provence
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Départ : Bedoin
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Altitude : 1912 m
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ASCENSION
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Dénivelé : 1622 m
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DU MONT VENTOUX
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Distance Bedoin – Mont Ventoux : 22,70
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km
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Pente moyenne : 7,15 %
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Données géographiques issues du site cols-cyclisme.com
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Les besoins en énergie du corps humain
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Énergie à apporter pour le métabolisme de base du corps humain
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« C’est l’énergie dont l’organisme a besoin pour remplir ses fonctions vitales (travail du
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cœur, poumons, reins, foie, etc.). Cette énergie représente la plus grande proportion de notre
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dépense énergétique quotidienne. Ainsi, 70% de l’énergie dépensée dans une journée sont
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liées au métabolisme de base ».
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Source
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016 2
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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L’énergie et ses conversions
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Expression du métabolisme de base en fonction de la taille, de la masse et de l’âge
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de l’individu
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MÉTABOLISME DE BASE (EN KILOJOULES POUR 24 H)
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Femme [(9,74 x M) + (172,9 x T) - (4,737 x A) + 667,051] x 4,18
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Homme [(13,707 x M) + (492,3 x T) - (6,673 x A) + 77,607] x 4,18
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M = Masse de l’individu en kilogrammes (kg)
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T = Taille de l’individu en mètres (m)
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A = Àge de l’individu en années (ans)
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Énergie à apporter pour le fonctionnement des muscles : rendement des muscles
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Sur 100 kJ d’énergie reçue par les muscles, seuls 30 kJ seront convertis en énergie
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mécanique, le reste est transformé en énergie thermique.
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Apport énergétique des aliments
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Pour une énergie chimique présente dans des aliments de 100 kJ, seuls 45 kJ seront
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réellement disponibles pour le corps grâce aux mécanismes de la respiration, pour couvrir
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l’ensemble de ses besoins métaboliques.
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Étiquette d’une bouteille de boisson au cola
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L’énergie de position en fonction de l’altitude
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En considérant que son énergie de position est nulle en bas de la montagne, l’énergie de
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position du cycliste avec son vélo est donnée par l’expression :
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Ep = m x g x h
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m : masse du cycliste et de son équipement en kg
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h : dénivelé en m
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g = 9,8 N/kg
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016 3
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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L’énergie et ses conversions
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Énergie dépensée pour lutter contre la résistance de l’air et les frottements du roulement
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sur la route.
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Accompagnement des élèves
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La situation proposée est une tâche complexe avec de nombreuses prises d’initiative. Aussi
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est-elle plutôt conçue comme une situation d’apprentissage. Le premier point délicat est la
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modélisation des différents échanges d’énergie. L’appropriation de la problématique par les
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élèves passe par la construction d’un questionnement avant d’aborder la partie purement
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calculatoire. Il est proposé ici un exemple de démarche, d’autres sont possibles.
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La résolution peut commencer par un travail individuel puis en groupe pour renforcer
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l’appropriation. Elle peut se poursuivre par une mise en commun pour arriver à des
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questionnements du type :
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• « de quelle énergie dispose-t-on ? quelle est la source d’énergie ? sous quelle forme cette
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énergie se trouve-t-elle ? »
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• « que devient cette énergie ? » ou « quelle est l’énergie nécessaire pour l’ascension ? »
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Il n’y a pas d’ordre dans le questionnement. Les élèves peuvent partir de l’analyse des apports
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énergétiques de la boisson ou des besoins du cycliste.
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La réponse à la question relative à la boisson est plus simple, il est possible de parvenir
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rapidement à une réponse du type : l’énergie dans la boisson au cola est stockée dans les
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aliments sous forme chimique. Sur l’étiquette on peut extraire comme information : 180 kJ
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pour 100 mL.
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La question relative aux besoins du cycliste est plus complexe. Cela peut nécessiter un
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nouveau temps de mise en commun, les réponses possibles étant nombreuses : corps humain,
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métabolisme, muscles, monter jusqu’au col, lutter contre la résistance de l’air… Il est donc
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nécessaire d’arriver à une question mieux formulée, par exemple :
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« Quels sont les besoins énergétiques du corps pour réaliser l’effort ?
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• pour le métabolisme de base ?
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• pour les muscles qui vont produire l’effort ? »
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La formule du métabolisme de base est donnée dans l’énoncé. Elle permet de calculer
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l’énergie nécessaire au métabolisme sur 24 heures, soit 660 kJ pour 2 heures.
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016 4
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CYCLE 4 I PHYSIQUE-CHIMIE I Mettre en œuvre son enseignement
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L’énergie et ses conversions
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Le calcul de l’énergie reçue par les muscles ne peut se faire directement, il faut d’abord
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s’intéresser à l’énergie que vont devoir fournir les muscles pour réaliser l’ascension du col.
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• Énergie pour le changement d’altitude : énergie potentielle de position (1460 kJ).
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• Énergie pour lutter contre la résistance de l’air : calcul de la vitesse moyenne et exploitation
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du graphique (11,3 km/h, 190 kJ).
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Une fois l’énergie que doivent fournir les muscles est déterminée (1650 kJ), le calcul de
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l’énergie nécessaire aux muscles peut être fait en utilisant des règles de proportionnalité. De
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ce point de vue il est utile de consulter les ressources d’accompagnement du programme de
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mathématiques cycle 4 qui précisent les stratégies développées pour aborder cette notion :
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« Dans un contexte numérique, l’enseignant peut :
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• s’appuyer sur les acquis du cycle 3, principalement sur la résolution des problèmes impliquant
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la proportionnalité en effectuant un retour à l’unité ;
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• travailler les autres méthodes de détermination d’une quatrième proportionnelle, en déga-
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geant les avantages et les inconvénients de chacune d’entre elles :
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--les propriétés d’additivité et d’homogénéité d’un tableau de proportionnalité ;
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--le coefficient de proportionnalité ;
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--le « produit en croix » ;
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--la « règle de trois ».
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[…]
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L’enseignant peut relier travail sur les pourcentages et sur la proportionnalité :
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• appliquer ou calculer un pourcentage ;
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• traduire une évolution en pourcentages.
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On développe chez l’élève un sens critique quant au choix de la méthode la plus appropriée,
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selon les données fournies. »
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Extrait de la ressource d’accompagnement du programme de mathématiques du cycle 4
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« Résoudre des problèmes de proportionnalité »
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Le problème peut alors être résolu, le calcul du volume de boisson au cola peut alors être
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terminé et il n’engage pas mise en œuvre de compétences différentes de celles déjà engagées.
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Analyse des résultats obtenus
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Il est possible de s’interroger sur la pertinence du choix d’une boisson au cola pour une
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ascension du Mont Ventoux. En termes de bilan énergétique, il est aussi possible de se
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demander ce qu’est devenue l’énergie fournie par la boisson au cola. Une collaboration avec
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l’enseignant de sciences de la vie et de la Terre permettra d’aller un plus loin : quels sont les
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mécanismes qui assurent l’apport énergétique de l’organisme ?
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Pour aller plus loin et structurer les acquis
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Cette séance a pour objectif de former les élèves à établir un bilan énergétique. La situation
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est assez complexe et demande des prises d’initiative importantes pour parvenir au résultat.
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Il semble donc que l’on ne peut pas s’arrêter à la simple atteinte du résultat numérique.
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Pour s’assurer de la bonne compréhension et maitrise de ce qui a été travaillé au cours de
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l’activité, il est possible de proposer un travail personnel à la maison. Cela peut consister, pour
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la séance suivante, à mettre en forme la solution proposée sous une forme laissée au choix de
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l’élève (un écrit rédactionnel numérique ou non, sous forme de schémas, une présentation de
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type diaporama, un enregistrement audio…), l’objectif étant de s’assurer que la démarche
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a bien été comprise. C’est un moyen de structurer les connaissances.
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eduscol.education.fr/ressources-2016 - Ministère de l’Éducation nationale, de l’Enseignement supérieur et de la Recherche - Mars 2016 5
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