RÉSUMÉ
Les élèves essayeront de concevoir le poisson capable de se déplacer le mieux dans l'eau en mouvement en faisant des expériences avec des modèles soumis à un jet d'air. Pour relever ce défi, ils étudieront de quelle façon le profil d'un poisson et la taille et l'emplacement de ses nageoires sont reliés à la résistance et à la stabilité.
OBJECTIFS
Les élèves pourront :
1. déterminer l'efficacité relative de diverses formes de poissons quant à leur déplacement dans l'eau;
2. déterminer l'agencement le plus stable des nageoires, de même que leurs fonctions.
APERÇU
Liens avec le programme-cadre : (7SSM), (8SMM), (8SSV)
Lieu : laboratoire
Durée : au moins 120 minutes
Termes clés : aérodynamique, friction, nageoires (caudale, dorsale, pectorale, pelvienne, ventrale), résistance, turbulence
RENSEIGNEMENTS À L'INTENTION DES ENSEIGNANTS
La friction désigne la résistance à un mouvement relatif entre des surfaces de contact. La turbulence résulte de l'agitation désordonnée de particules dans un fluide. Même si une surface semble très lisse à l'oeil nu, elle comprend de nombreuses irrégularités microscopiques (des bosses et des crêtes) qui restreignent l'écoulement de l'eau et augmentent la turbulence. La résistance décrit l'effet combiné de la friction et de la turbulence sur un objet. Plus la résistance est élevée, plus l'objet aura de la difficulté à se mouvoir dans le fluide.
Les nageoires constituent l'appareil propulseur des vertébrés aquatiques. Les nageoires d'un poisson se répartissent habituellement comme suit : une ou plusieurs nageoires dorsales et ventrales qui assurent l'équilibre; une nageoire caudale, ou la queue, le principal organe de propulsion; une paire de nageoires pectorales attachées à la ceinture scapulaire (épaule) et des nageoires pelviennes attachées à la ceinture pelvienne (ces deux dernières sortes de nageoires servent à orienter les mouvements des poissons).
De nombreux poissons se sont adaptés à des situations qui favorisent leur immobilité; leur profil leur permet de se soutenir facilement sans remuer ou de se nourrir sur le fond du lac. La présente leçon ne porte que sur l'efficacité du profil dans des eaux en mouvement et vise, par conséquent, à déterminer le meilleur profil pour les poissons qui vivent dans des eaux en mouvement ou qui ont besoin de gagner de la vitesse pour se nourrir ou se mouvoir.
Pour les fins de la présente leçon, le profil le plus efficace sera considéré comme celui qu'un courant d'air déplace le moins, le long d'une règle. À partir de cette observation, les élèves devraient pouvoir conclure que le poisson pouvant se mouvoir le mieux dans des eaux en mouvement est celui dont le profil est le plus aérodynamique, c'est-à-dire celui offrant le moins de résistance.
Essayez l'exercice quelques fois en avance, avec une boule de Plasticine ayant la même masse que celle donnée aux élèves, afin de déterminer l'emplacement idéal du tuyau de l'aspirateur ou du sèche-cheveux par rapport à la forme en Plasticine. (L'emplacement sera fonction de la force du courant d'air que produit l'aspirateur.) Servez-vous de cette distance uniformisée pour tous les tests que devront faire les élèves. Donnez aux élèves la possibilité de faire de nombreux essais étant donné qu'ils devront vérifier l'efficacité d'une gamme de formes et d'emplacements de nageoires.
MATÉRIEL
Plasticine (morceaux d'environ 100 g); ficelle; règles; blocs de bois (2"x4" ou 2"x6"); aspirateurs ou sèche-cheveux; carton (par exemple, d'une boîte à chaussures); ciseaux; supports universels; crampons
MARCHE À SUIVRE
1. Demandez aux élèves d'examiner les rapports entre le profil d'une espèce de poisson et son adaptation en répondant aux questions suivantes :
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Comment le profil d'un poisson peut-il l'aider à survivre dans des eaux peu profondes et avec de la végétation?
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Comment le profil d'un poisson peut-il l'aider à survivre en tant que poisson se nourrissant sur le fond?
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Comment le profil d'un poisson peut-il l'aider à survivre dans un grand lac profond où il peutêtre à la fois le prédateur de petits poissons et la proie de poissons plus gros que lui?
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Comment le profil d'un poisson peut-il l'aider à se déplacer facilement dans un cours d'eau dont le courant est très fort?
2. Demandez à chaque élève ou à chaque groupe d'élèves de faire trois formes en Plasticine offrant le moins de résistance possible.
3. Demandez aux élèves de faire des essais sur le déplacement de ces formes dans le courant d'air que produit un aspirateur ou un sèche-cheveux, de la façon suivante :
4. Demandez aux élèves de découper en carton des nageoires de formes et de dimensions différentes et d'en insérer jusqu'à cinq dans la forme en Plasticine qui a offert le moins de résistance pendant les tests.
5. Demandez aux élèves de refaire le test avec le suceur de l'aspirateur en utilisant des nageoires de différentes formes et divers emplacements, puis d'en consigner les résultats.
6. Quand tous les élèves ou tous les groupes ont trouvé la combinaison qu'ils jugent la plus stable, organisez un concours en soumettant tous les poissons de la classe au test de l'aspirateur afin de trouver le modèle le plus efficace.
ÉVALUATION
Demandez aux élèves d'étudier les fiches d'information «Les poissons de l'Ontario» et de construire un modèle, en Plasticine, d'un des poissons qui y est représenté (par exemple, le crapet-soleil, la perchaude, le grand brochet ou le meunier noir), et d'y ajouter les nageoires appropriées. Après avoir répété le test sur ce poisson, posez-leur les questions suivantes :
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Les résultats que vous venez d'obtenir se comparent-ils avec ceux que vous avez obtenus avec les formes précédentes?
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Vos résultats se comparent-ils avec ceux de vos camarades de classe qui utilisent la même forme?
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Est-ce que ce poisson est conçu pour des eaux dont la vitesse est rapide ou lente?
ÉLÉMENTS COMPLÉMENTAIRES
1. On peut organiser une excursion à un cours d'eau de la localité après l'expérience en salle de classe afin de mesurer l'efficacité du poisson en Plasticine dans une eau dont la vitesse est lente. Demandez aux élèves de suspendre leurs poissons à un mètre placé au-dessus de l'eau et d'observer le comportement des différents modèles.
2. Demandez aux élèves d'étudier des leurres et d'observer comment les différentes formes et caractéristiques influent sur leur mouvement dans l'eau. Différentes sortes de leurres, comme les cuillers, pourraient faire l'objet de comparaisons. Demandez aux élèves d'étudier les ressemblances qui existent entre les mouvements des leurres et ceux des poissons. De nombreux leurres sont conçus pour ressembler à des poissons blessés; ils se déplacent donc de façon irrégulière ou instable. Les élèves peuvent construire des leurres à partir de vieilles cuillers ou de bouts de bois.