Ou … l’art de trouver l’équilibre …

La découverte proposée dans ce document s’intéresse uniquement à la balance à fléau dont les bras sont égaux.

Découverte de la balance et de la mesure de deux masses.

Les enfants vont découvrir les fondamentaux nécessaires à la mesure d’une masse :

-         la notion d’équilibre d’une balance à fléau à bras égaux,

-         ce qu’est une unité de mesure  et son utilité pour la comparaison objective des deux masses

Les enfants apprennent à faire correspondre une étiquette « masse » ou « poids », le terme importe peu à ce niveau d’enseignement, à un objet, ici un fruit. Attribuer une étiquette permet d’opérer un tri « ce fruit appartient ou non à cette catégorie » puis un rangement « chaque fruit sera placé dans un panier selon son poids ».

        Les  jeux proposés permettent d’utiliser des unités. L’idée d’unité de mesure est fondamentale ; l’unité est l’étalon qui permet d’évaluer des masses par rapport à cette unité « ce fruit pèse une Grande Masse ou une Petite Masse de La maison des Sciences ».

        L’objet aura, dans le domaine de l’évaluation de sa masse, un rapport à cet étalon : sa masse sera équivalente à une ou deux Petite(s)  Masse(s), à une ou deux Grande(s) Masse(s) ou encore à une « Petite et une Grande Masse » réunies. La mesure de masses équivalentes à l’ajout de deux masses vérifie une propriété additive intuitive selon laquelle « la mesure du tout doit être égale à la somme des mesures des parties ». Les enfants pourront être invités à le vérifier dans le cadre d’une exploration libre du matériel.

Les connaissances de l’enseignant

Une balance, du latin « bis », deux  fois,  et « lanx », signifiant  « plateau » est un instrument de mesure   qui sert à évaluer des masses. Pour effectuer cette mesure, on utilise des masses marquées. Depuis la révolution française, le gramme est défini comme la masse d’un centimètre cube d’eau à la température de 4°.

La balance à fléau se compose d'une barre métallique rigide appelée « fléau ». Ce fléau repose sur une pièce métallique qui permet de suspendre la balance. Les deux extrémités du fléau servent à supporter : l'un, le corps à peser, l'autre les masses marquées destinées à faire équilibre au corps.

La balance est un instrument de mesure  basé sur les lois de la mécanique, elle fonctionne en réalisant l'équilibre entre deux forces. Lorsque la balance à fléau, dont les deux bras sont égaux, est en équilibre, les masses des plateaux sont identiques.

Distinction entre poids  et masse,

• Le poids est une force définie par une direction, (verticale), par un sens (vers le centre de la Terre) et par un point d'application (le centre de gravité G). Une force se mesure en Newton,

• la masse est la  quantité de matière d’un objet ; elle se mesure en grammes.

Le poids dépend du lieu où la mesure est effectuée. Un objet amené sur la Lune ne voit pas sa masse changée, mais son poids diminue du fait de la plus faible pesanteur.

Un peu d’histoire …

Dans l’Antiquité, les fonctionnaires vérifiaient la justesse de la pesée des négociants et des commerçants à l’aide d'étalons de mesure. Les premiers étalons, réalisés en cuivre  ou en bronze, ont été réalisés en Asie et en Égypte.

Au 17eme siècle, la balance Roberval, doit son nom à son inventeur Gilles Personne, mathématicien et physicien français, connu sous le nom de Roberval, car il était originaire de Roberval dans l'Oise. Cette balance va révolutionner le pesage. Pour la première fois Gilles Personne eut l’ingénieuse idée de placer les plateaux au-dessus du fléau, alors que depuis des millénaires, ils étaient placés en dessous du fléau.