Physique et numérique

Matière, mouvement, énergie, information

Attendus de fin de cycle

Décrire les états et la constitution de la matière à l’échelle macroscopique.
Observer et décrire différents types de mouvements.
Identifier différentes sources d’énergie.
Identifier un signal et une information.

Connaissances et compétences associées	Exemples de situations, d’activités et de ressources pour l’élève
Décrire les états et la constitution de la matière à l’échelle macroscopique
Mettre en œuvre des observations et des expériences pour caractériser un échantillon de matière. * Diversité de la matière : métaux, minéraux, verres, plastiques, matière organique sous différentes formes… * L’état physique d’un échantillon de matière dépend de conditions externes, notamment de sa température. * Quelques propriétés de la matière solide ou liquide (par exemple: densité, solubilité, élasticité…). * La matière à grande échelle : Terre, planètes, univers. * La masse est une grandeur physique qui caractérise un échantillon de matière. Identifier à partir de ressources documentaires les différents constituants d’un mélange. Mettre en œuvre un protocole de séparation de constituants d’un mélange. * Réaliser des mélanges peut provoquer des transformations de la matière (dissolution, réaction). * La matière qui nous entoure (à l’état solide, liquide ou gazeux), résultat d’un mélange de différents constituants.	Observer la diversité de la matière, à différentes échelles, dans la nature et dans la vie courante (matière inerte –naturelle ou fabriquée –, matière vivante). La distinction entre différents matériaux peut se faire à partir de leurs propriétés physiques (par exemple : densité, conductivité thermique ou électrique, magnétisme, solubilité dans l’eau, miscibilité avec l’eau…) ou de leurs caractéristiques (matériaux bruts, conditions de mise en forme, procédés…) L’utilisation de la loupe et du microscope permet : l’observation de structures géométriques de cristaux naturels et de cellules. Des activités de séparation de constituants peuvent être conduites : décantation, filtration, évaporation. Observation qualitative d’effets à distances (aimants, électricité statique). Richesse et diversité des usages possibles de la matière : se déplacer, se nourrir, construire, se vêtir, faire une œuvre d’art. Le domaine du tri et du recyclage des matériaux est un support d’activité à privilégier. Les mélanges gazeux pourront être abordés à partir du cas de l’air. L’eau et les solutions aqueuses courantes (eau minérale, eau du robinet, boissons, mélanges issus de dissolution d’espèces solides ou gazeuses dans l’eau…) représentent un champ d’expérimentation très riche. Détachants, dissolvants, produits domestiques permettent d’aborder d’autres mélanges et d’introduire la notion de mélange de constituants pouvant conduire à une réaction (transformation chimique). Informer l’élève du danger de mélanger des produits domestiques sans s’informer.
Observer et décrire différents types de mouvements
Décrire un mouvement et identifier les différences entre mouvements circulaire ou rectiligne. * Mouvement d’un objet (trajectoire et vitesse : unités et ordres de grandeur). * Exemples de mouvements simples : rectiligne, circulaire. Élaborer et mettre en œuvre un protocole pour appréhender la notion de mouvement et de mesure de la valeur de la vitesse d’un objet. * Mouvements dont la valeur de la vitesse (module) est constante ou variable (accélération, décélération) dans un mouvement rectiligne.	L’élève part d’une situation où il est acteur qui observe (en courant, faisant du vélo, passager d’un train ou d’un avion), à celles où il n’est qu’observateur (des observations faites dans la cour de récréation ou lors d’une expérimentation en classe, jusqu’à l’observation du ciel : mouvement des planètes et des satellites artificiels à partir de données fournies par des logiciels de simulation).
Identifier différentes sources et connaitre quelques conversions d’énergie
Identifier des sources et des formes d’énergie. * L’énergie existe sous différentes formes (énergie associée à un objet en mouvement, énergie thermique, électrique…). Prendre conscience que l’être humain a besoin d’énergie pour vivre, se chauffer, se déplacer, s’éclairer… Reconnaitre les situations où l’énergie est stockée, transformée, utilisée. * La fabrication et le fonctionnement d’un objet technique nécessitent de l’énergie. * Exemples de sources d’énergie utilisées par les êtres humains : charbon, pétrole, bois, uranium, aliments, vent, Soleil, eau et barrage, pile… * Notion d’énergie renouvelable. Identifier quelques éléments d’une chaine d’énergie domestique simple. * Quelques dispositifs visant à économiser la consommation d’énergie.	L’énergie associée à un objet en mouvement apparait comme une forme d’énergie facile à percevoir par l’élève, et comme pouvant se convertir en énergie thermique. Le professeur peut privilégier la mise en œuvre de dispositifs expérimentaux analysés sous leurs aspects énergétiques : éolienne, circuit électrique simple, dispositif de freinage, moulin à eau, objet technique… On prend appui sur des exemples simples (vélo qui freine, objets du quotidien, l’être humain lui-même) en introduisant les formes d’énergie mobilisées et les différentes consommations (par exemple : énergie thermique, énergie associée au mouvement d’un objet, énergie électrique, énergie associée à une réaction chimique, énergie lumineuse…). Exemples de consommation domestique (chauffage, lumière, ordinateur, transports).
Identifier un signal et une information
Identifier différentes formes de signaux (sonores, lumineux, radio…). * Nature d’un signal, nature d’une information, dans une application simple de la vie courante.	Introduire de façon simple la notion de signal et d’information en utilisant des situations de la vie courante : feux de circulation, voyant de charge d’un appareil, alarme sonore, téléphone… Élément minimum d’information (oui/non) et représentation par 0,1.

Repères de progressivité

L’observation macroscopique de la matière sous une grande variété de formes et d’états, leur caractérisation et leurs usages relèvent des classes de CM1 et CM2. Des exemples de mélanges solides (alliages, minéraux…), liquides (eau naturelle, boissons…) ou gazeux (air) seront présentés en CM1-CM2. Des expériences simples sur les propriétés de la matière seront réalisées avec des réponses principalement « binaires » (soluble ou pas, conducteur ou pas…), la classe de sixième permet d’approfondir : saturation d’une solution en sel, matériaux plus conducteurs que d’autres. On insistera en particulier sur la notion de mélange de constituants pouvant conduire à une transformation chimique. La classe de sixième sera l’occasion de mettre en œuvre des expériences de séparation ou de caractérisation engageant un matériel plus spécifique d’un travail en laboratoire. La structure atomique ou moléculaire sera traitée en cycle 4.

L’observation et la caractérisation de mouvements variés permettent d’introduire la vitesse et ses unités, d’aborder le rôle de la position de l’observateur (CM1-CM2) ; l’étude des mouvements à valeur de vitesse variable sera poursuivie en 6ème. En fin de cycle, l’énergie (ici associée à un objet en mouvement) peut qualitativement être reliée à la masse et à la vitesse de l’objet ; un échange d’énergie est constaté lors d’une augmentation ou diminution de la valeur de la vitesse, le concept de force et d’inertie sont réservés au cycle 4.

Les besoins en énergie de l’être humain, la nécessité d’une source d’énergie pour le fonctionnement d’un objet technique et les différentes sources d’énergie sont abordés en CM1-CM2. Des premières transformations d’énergie peuvent aussi être présentées en CM1-CM2 ; les objets techniques en charge de convertir les formes d’énergie sont identifiés et qualifiés d’un point de vue fonctionnel.

En CM1 et CM2 l’observation de communications entre élèves, puis de systèmes techniques simples permettra de progressivement distinguer la notion de signal, comme grandeur physique, transportant une certaine quantité d’information, dont on définira (cycle 4 et ensuite) la nature et la mesure.

La notion de signal analogique est réservée au cycle 4. On se limitera aux signaux logiques transmettant une information qui ne peut avoir que deux valeurs, niveau haut ou niveau bas. En classe de sixième, l’algorithme en lecture introduit la notion de test d’une information (vrai ou faux) et l’exécution d’actions différentes selon le résultat du test.

Matériaux et objets techniques

Attendus de fin de cycle

- Identifier les principales évolutions du besoin et des objets.

- Décrire le fonctionnement d’objets techniques, leurs fonctions et leurs constitutions.

- Identifier les principales familles de matériaux.

- Concevoir et produire tout ou partie d’un objet technique en équipe pour traduire une solution technologique répondant à un besoin.

- Repérer et comprendre la communication et la gestion de l'information.

Connaissances et compétences associées	Exemples de situations, d’activités et de ressources pour l’élève
Identifier les principales évolutions du besoin et des objets.
Repérer les évolutions d’un objet dans différents contextes (historique, économique, culturel). * l’évolution technologique (innovation, invention, principe technique). * L’évolution des besoins.	A partir d’un objet donné, les élèves situent ses principales évolutions dans le temps en termes de principe de fonctionnement, de forme, de matériaux, d’énergie, d’impact environnemental, de coût, d’esthétique.
Décrire le fonctionnement d’objets techniques, leurs fonctions et leurs constitutions
* Besoin, fonction d'usage et d'estime. * Fonction technique, solutions techniques. * Représentation du fonctionnement d’un objet technique. * Comparaison de solutions techniques : constitutions, fonctions, organes.	Les élèves décrivent un objet dans son contexte. Ils sont amenés à identifier des fonctions assurées par un objet technique puis à décrire graphiquement à l'aide de croquis à main levée ou de schémas, le fonctionnement observé des éléments constituant une fonction technique. Les pièces, les constituants, les sous-ensembles sont inventoriés par les élèves. Les différentes parties sont isolées par observation en fonctionnement. Leur rôle respectif est mis en évidence.
Identifier les principales familles de matériaux
* Familles de matériaux (distinction des matériaux selon les relations entre formes, fonctions et procédés). * Caractéristiques et propriétés (aptitude au façonnage, valorisation). * Impact environnemental.	Du point de vue technologique, la notion de matériau est à mettre en relation avec la forme de l’objet, son usage et ses fonctions et les procédés de mise en forme. Il justifie le choix d’une famille de matériaux pour réaliser une pièce de l’objet en fonction des contraintes identifiées. À partir de la diversité des familles de matériaux, de leurs caractéristiques physico-chimiques, et de leurs impacts sur l’environnement, les élèves exercent un esprit critique dans des choix lors de l’analyse et de la production d’objets techniques.
Concevoir et produire tout ou partie d’un objet technique en équipe pour traduire une solution technologique répondant à un besoin.
* Notion de contrainte. * Recherche d’idées (schémas, croquis …). * Modélisation du réel (maquette, modèles géométrique et numérique), représentation en conception assistée par ordinateur.	En groupe, les élèves sont amenés à résoudre un problème technique, imaginer et réaliser des solutions techniques en effectuant des choix de matériaux et des moyens de réalisation.
* Processus, planning, protocoles, procédés de réalisation (outils, machines). * Choix de matériaux. * Maquette, prototype. * Vérification et contrôles (dimensions, fonctionnement).
Les élèves traduisent leur solution par une réalisation matérielle (maquette ou prototype). Ils utilisent des moyens de prototypage, de réalisation, de modélisation. Cette solution peut être modélisée virtuellement à travers des applications programmables permettant de visualiser un comportement. Ils collectent l’information, la mettent en commun, réalisent une production unique.
Repérer et comprendre la communication et la gestion de l'information
* Environnement numérique de travail. * Le stockage des données, notions d’algorithmes, les objets programmables. * Usage des moyens numériques dans un réseau. * Usage de logiciels usuels.	Les élèves apprennent à connaitre l’organisation d’un environnement numérique. Ils décrivent un système technique par ses composants et leurs relations. Les élèves découvrent l’algorithme en utilisant des logiciels d’applications visuelles et ludiques. Ils exploitent les moyens informatiques en pratiquant le travail collaboratif. Les élèves maitrisent le fonctionnement de logiciels usuels et s’approprient leur fonctionnement.

Repères de progressivité

Tout au long du cycle, l’appropriation des objets techniques abordés est toujours mise en relation avec les besoins de l’être humain dans son environnement.

En CM1 et CM2, les matériaux utilisés sont comparés selon leurs caractéristiques dont leurs propriétés de recyclage en fin de vie. L’objet technique est à aborder en termes de description, de fonctions, de constitution afin de répondre aux questions : A quoi cela sert ? De quoi s’est constitué ? Comment cela fonctionne ? Dans ces classes, l’investigation, l’expérimentation, l’observation du fonctionnement, la recherche de résolution de problème sont à pratiquer afin de solliciter l’analyse, la recherche, et la créativité des élèves pour répondre à un problème posé. Leur solution doit aboutir la plupart du temps à une réalisation concrète favorisant la manipulation sur des matériels et l’activité pratique. L’usage des outils numériques est recommandé pour favoriser la communication et la représentation des objets techniques.

En classe de sixième, des modifications de matériaux peuvent être imaginées par les élèves afin de prendre en compte leurs impacts environnementaux. La recherche de solutions en réponse à un problème posé dans un contexte de la vie courante, est favorisée par une activité menée par équipes d’élèves. Elle permet d’identifier et de proposer plusieurs possibilités de solutions sans préjuger l’une d’entre elles. Pour ce cycle, la représentation partielle ou complète d’un objet ou d’une solution n’est pas assujettie à une norme ou un code. Cette représentation sollicite les outils numériques courants en exprimant des solutions technologiques élémentaires et en cultivant une perception esthétique liée au design. Les élèves sont progressivement mis en activité au sein d’une structure informatique en réseau sollicitant le stockage des données partagées.

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La planète Terre. Les êtres vivants dans leur environnement

Attendus de fin de cycle
Situer la Terre dans le système solaire et caractériser les conditions de la vie
Connaissances et compétence associées	Exemples de situations, d’activités et de ressources pour l’élève
Situer la Terre dans le système solaire et caractériser les conditions de la vie terrestre
Situer la Terre dans le système solaire. * Le Soleil, les planètes. * Position de la Terre dans le système solaire. * Histoire de la Terre et développement de la vie. Décrire les mouvements de la Terre (rotation sur elle-même et alternance jour-nuit, autour du Soleil et cycle des saisons). * Les mouvements de la Terre sur elle-même et autour du Soleil. * Représentations géométriques de l’espace et des astres (cercle, sphère).	Travailler à partir de l’observation et de démarches scientifiques variées (modélisation, expérimentation …). Faire - quand c’est possible - quelques observations astronomiques directes (les constellations, éclipses, observation de Vénus et Jupiter…). Découvrir l’évolution des connaissances sur la Terre et les objets célestes depuis l’Antiquité (notamment sur la forme de la Terre et sa position dans l’univers) jusqu’à nos jours (cf. l’exploration spatiale du système solaire).