PHYSIQUE - CHIMIEalexandre.agache.free.fr/4%E8me/chimie/doc%20d'accompagnemt%20... · La physique et la chimie tiennent une place nécessaire dans l’éducation à l’environnement,

PHYSIQUE - CHIMIE

Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4e Physique - Chimie 13

Le document d’accompagnement ci-dessous a pour but d’aider les professeurs qui enseignent laphysique-chimie au collège et de les guider pour la mise en application des récents programmes.Il ne s’agit pas, bien entendu, d’un manuel. Le document ne prétend pas aborder la totalité des acti-vités évoquées par le programme. Le choix des activités illustrées par les diverses fiches a été guidépar le souci d’éclairer les professeurs lorsque le groupe de travail disciplinaire a estimé qu’il pouvaitêtre particulièrement opportun d’apporter une information : l’importance relative dans le documentd’accompagnement des différentes rubriques n’est pas en rapport direct avec le temps qu’ilconvient de leur consacrer.Rappelons que le programme propose dans la colonne «exemples d’activités» une liste non obliga-toire et non exhaustive d’exemples qui peuvent être exploités en expériences de cours, en travauxpratiques ou en travaux de documentation.Conformément à cette indication, le document ci-dessous illustre soit des activités mentionnées expli-citement par le programme, soit d’autres en complément. Le choix de telle ou telle activité n’est jamaisune obligation, la liberté pédagogique du professeur est à cet égard entière. Il convient seulement detraiter les champs de connaissance mentionnés dans la colonne du programme intitulée «contenus-notions» et de construire le socle minimal défini par la colonne «compétences».

Le document est constitué de trois parties : – CONSIDÉRATIONS GÉNÉRALES– PARTIE THÉMATIQUE– ANNEXE

La partie thématique est constituée de «fiches» repérées par les lettres.C : Complément scientifiqueD : Document pédagogiqueE : Fiche ExpérimentaleH : Fiche Historique

La typologie ci-dessus n’a rien d’absolu, elle a été seulement introduite par la commodité deslecteurs. Les fiches D décrivent des séquences d’activités et contiennent des suggestions pédago-giques ; certaines des informations écrites ou graphiques qu’elles contiennent peuvent être soumisesdirectement aux élèves. En revanche, les fiches C sont destinées à l’information des professeurs.Les fiches ont été classées ci-dessous dans l’ordre dans lequel les diverses activités sont mentionnéespar le programme du cycle central. Cet ordre ne correspond pas à celui de l’exposition des diversesmatières par le professeur, rappelons en effet que :Le programme de 5e est constitué par les rubriques A1 - L’eau dans notre environnement et C1 - Le courant électrique en circuit fermé.Le statut de la fiche D6 - Activités relatives à l’environnement, à la météorologie et au climat, placéeen annexe, est particulier. Elle décrit certaines activités pouvant être abordées en classe de 5e etpoursuivies jusqu’en 3e et d’autres conçues pour être abordées à partir de la classe de 4e.

La physique et la chimie tiennent une place nécessaire dansl’éducation à l’environnement, et ce dès le cycle central ducollège.Elles permettent, d’une part, d’analyser les questions d’envi-ronnement, au sens large, sur des bases rationnelles et objec-tives, ce qui est le propre de toute approche scientifique. Lesgrandeurs telles que masse, volume, concentration sont néces-saires à la compréhension des données sur la pollution. Desnotions liées aux états physiques de la matière et leurschangements selon les conditions de température sont indis-pensables à la compréhension de nombreux phénomènesnaturels et d’applications domestiques ou industrielles. Desactivités expérimentales menées conjointement à l’utilisationde modèles microscopiques de la matière permettentd’appréhender la notion de pureté, ou de comprendre lephénomène de dilution. La notion - difficile - de conservationde la matière est à la base d’une analyse rationnelle de ques-tions d’environnement, comme le tri intelligent des déchets etle recyclage des produits, par exemple.Elles permettent, d’autre part, d’amener les élèves à un comportement responsable du fait d’une compréhensionscientifique de la nature des enjeux : ne pas brûler n’importequoi, ne pas jeter n’importe quoi n’importe où, en particulierà l’évier ou dans l’atmosphère. Ce comportement ne doit passe limiter au respect d’interdits. Il doit aussi être positif entermes de décision et d’action : se renseigner sur lespropriétés de tel ou tel produit, en particulier sur sa nocivité,le manipuler avec les précautions requises, opérer un tri

sélectif des déchets, vérifier qu’une source électrique ne pré-sente pas une tension dangereuse, etc.Le professeur peut puiser dans le domaine de l’environnementde nombreux exemples pour illustrer son cours. Il est évidem-ment intéressant de faire le lien entre les activités de classe etl’environnement local ou plus éloigné de l’élève : la maison,les moyens de transport, les activités agricoles, artisanales ouindustrielles, le climat, etc. Des données locales sur la pollu-tion de l’eau ou de l’air et sur les procédés de purificationadaptés peuvent être analysées, au moins en termes deconcentrations et de possibilités d’actions sur celles-ci. L’étudedes combustions permet de faire le lien avec l’utilisationcorrecte des moyens de chauffage, mais aussi avec les incen-dies de forêt et les moyens de les maîtriser. L’étude des chan-gements d’état de l’eau permet d’aborder la formation des précipitations, question évidemment sensible dans les zonesinondables ou menacées par le risque d’avalanches. Le programme permet d’illustrer quelques questions de météoro-logie (voir le document consacré à ce thème). Des visites d’entreprises, comme les stations d’épuration, par exemple,peuvent également être organisées avec grand profit dès lecycle central du collège.Ces différents thèmes liés à l’environnement fournissent desoccasions privilégiées de travail interdisciplinaire.Ainsi, la référence permanente au cadre de vie quotidien est,d’une part, une bonne façon de faire émerger progressive-ment les concepts de sciences physiques et, d’autre part, unélément indispensable de la formation du citoyen.

Accompagnement des programmes du cycle central 5e/4ePhysique - Chimie14

CONSIDÉRATIONS GÉNÉRALES

II - Physique-chimie et français

L’enseignement de physique-chimie doit développer chezl’élève des compétences transdisciplinaires. Il constitue notam-ment un champ d’application des méthodes acquises en fran-çais : l’élève doit apprendre à s’exprimer et à structurer sonjugement. Les activités en physique-chimie peuvent et doiventcontribuer au développement de la maîtrise de l’expressionaussi bien orale qu’écrite.

Au collège, en classe de français, l’élève apprend à maîtriserprogressivement les formes de discours :– La narration abordée en 6e est approfondie en classes de5e et de 4e en y intégrant la description.– L’argumentation, repérée dans les programmes dès laclasse de 6e n’est véritablement étudiée qu’en classe de 3e.La connaissance de ces éléments est indispensable au profes-seur de physique pour que professeur et élèves utilisent lemême langage. Une collaboration entre les professeurs des

deux disciplines est souhaitable et certaines activités expéri-mentales seront d’excellentes activités-supports de narration etd’argumentation. Les exemples ci-dessous peuvent être utilisésau moment opportun ; la démarche est valable sur l’ensembledes classes du collège. Les phrases en italique correspondentà ce que le professeur peut attendre de l’élève. Deux notionstrès importantes doivent être exploitées par le professeur dephysique-chimie : le schéma narratif et l’utilisation des lienslogiques.

A - Comment utiliser le schéma narratif simple ?•

Cette structure permet de rendre compte de la successionlogique d’événements dans un récit. Elle comporte plusieursétapes nommées en classe de français état initial, agent (ouélément) déclencheur1, état final.

I - Physique-chimie et environnement


ÉTAT INITIALDescription du dispositif et des réactifs (quoi,

où, quand, comment ?)

– Un morceau de fusain est suspendu à unbouchon par une tige métallique.– Un flacon bouché est rempli de dioxygène.– De l’eau de chaux est versée au fond duflacon.

Remarques : – L’utilisation de cette méthode nécessite la schématisation destrois phases, ce qui a pour avantage d’obtenir des récits respectant la chronologie des événements.– En classe de français, les élèves sont habitués à rechercher«l’agent déclencheur». Cet élément est essentiel égalementpour la compréhension d’un phénomène physico-chimique.– Il est recommandé aux élèves d’écrire des phrases à structure simple mais correcte. En particulier, une phrase seraécrite pour chaque détail observé.

B. Comment utiliser les mots de liaisontraduisant des lieux logiques qui unissent des phrases dans une argumentation ?•

• À partir d’un résultat expérimental - l’eau dechaux ne se trouble qu’en présence de dioxyde decarbone - on pourra exprimer :

– la condition :L’eau de chaux se trouble si elle est en présence de dioxydede carbone.– la cause :L’eau de chaux se trouble car (parce que) elle est en présence de dioxyde de carbone.– la conséquence :Du dioxyde de carbone est en présence d’eau de chauxdonc (alors) l’eau de chaux va se troubler.

• Pour l’interprétation d’une manipulation : une première argumentation

À propos d’une autre combustion, l’élève pourra réutiliser letest du dioxyde de carbone.

«AGENT DÉCLENCHEUR»

Le morceau de fusain,porté à incandescence,est plongé dans le flacon de dioxygène.

SUITE DETRANSFORMATIONS

– L’incandescencedevient très vive puis s’arrête.– Un dépôt de buée seforme sur le flacon.

ÉTAT FINALDescription des produits de

la réation

– Le contenu gazeux duflacon trouble l’eau de chaux.– Le fusain ne peut plus y brûler.– Des cendres se sontformées sur le fusain dontle volume a diminué.

Dioxygène

Eau de chaux

Fusain

1. Ou encore : événement ou élément ou facteur, modificateur ou perturbateur.

OBSERVATION

Je constate que ...

le gaz produit parla combustion duméthane avec ledioxygène troublel’eau de chaux.

RELATION AVEC DES

CONNAISSANCESANTÉRIEURES

or je sais que ...

le gaz qui provoque le troublede l’eau de chauxest du dioxyde decarbone.

DÉDUCTION

donc j’en déduis que ...

la combustion duméthane produit dudioxyde de carbone.

➝

• Lors d’une démarche expérimentale

Deux exemples :


UN EXEMPLE EN PHYSIQUE

En courant continu y-a-t’il un sens de branchement àrespecter pour les dipôles ?

Le sens de branchement n’a aucune importance pour lefonctionnement d’un dipôle.

Expérimentation de branchements dans les deux sens avecune lampe, un moteur et une DEL.

Si on inverse le sens du branchement, alors (je constateque) :– l’éclairage de la lampe ne change pas ;– le sens de rotation du moteur change ;– la DEL n’éclaire que pour un seul sens de branchement.

Donc : en courant continu le fonctionnement de certainsdipôles dépend du sens de branchement.

UN EXEMPLE EN CHIMIE

La buée sur les vitres pourrait-elle provenir de l’utilisationdes becs Bunsen ?

La combustion du gaz dans la flamme du bec Bunsenproduit de la vapeur d’eau.

Test : cristaux de sulfate de cuivre anhydre ou verre froidau dessus de la flamme.

- Les cristaux de sulfate de cuivre bleuissent.- De la buée se dépose sur le verre froid.

Donc : la combustion du gaz produit de la vapeur d’eauqui se condense sur les vitres froides.

SITUATION PROBLÈME

FORMULATION D’HYPOTHÈSES

VÉRIFICATION EXPÉRIMENTALE DES HYPOTHÈSES

ANALYSE DES RÉSULTATS

RÉPONSEAU PROBLÈME


A. Compétences documentairesattendues au collège•

Le programme du cycle central précise que «la physique-chimie contribue à l’enseignement du français par la pratiqued’activités documentaires, par l’entraînement à la rédactionde compte-rendus et par l’entraînement à une argumentationutilisant un vocabulaire bien défini».En premier lieu, l’élève doit être capable d’utiliser son manuelde façon raisonnée (utilisation de la table des matières, del’index, par exemple). Cela nécessite un apprentissage,commun aux autres disciplines, de l’utilisation d’un diction-naire et d’une encyclopédie.Par ailleurs, l’élève doit «pouvoir lire un texte simple conte-nant des données et en extraire des informations pertinentes».On attend de l’élève qu’il réalise une recherche parmi unnombre très limité de documents mis à sa disposition au CDIet qu’il les exploite en utilisant un questionnaire.Une collaboration entre l’enseignant de physique-chimie etl’enseignant documentaliste s’impose de façon à être enmesure de mettre à la disposition des élèves, sur un sujetdonné, des documents en nombre suffisant mais passurabondant ; ces documents doivent être accessibles, attrac-tifs et de supports variés, disques optiques (cédéroms) y com-pris.Le rôle souhaité de la part de l’enseignant documentaliste estune assistance à l’élève de nature méthodologique, c’est-à-dire, ne nécessitant pas de connaissances spécifiques dans ledomaine de la physique-chimie. Cette assistance peut consti-tuer en une aide à l’élève pour :– utiliser un «usuel» (dictionnaire, encyclopédie) ;– utiliser une table des matières ou un index ;– se diriger parmi les options proposées par un disque optique ;– effectuer un choix pertinent parmi trois ou quatre ouvragesou documents ;– aborder les aspects formels (non disciplinaires) de la resti-tution demandée.

B. Activités de documentation proposéespar le programme•

Dans la colonne «exemples d’activités» sont proposés diffé-rents sujets d’études documentaires. En voici la liste :

A1 : Le «cycle de l’eau» sur la planète

L’eau en dehors de la Terre

Les marais salants

Traitement des eaux potables et épuration des eaux usées

Histoire du modèle moléculaire

A2 : Atmosphère, composition de l’air, respiration

Pollution atmosphérique

Dioxygène et diazote en dehors de la Terre

Origine biologique du dioxygène, fonction chlorophyllienne

Arômes, comparaison entre arôme naturel et arôme artificiel

Étude de documents sur l’environnement

Des informations relatives à ces divers sujets sont présentéesci-dessous dans les fiches qui constituent la partie thématiquedu présent document d’accompagnement. Comme pourtoutes les activités mentionnées dans la colonne de gauche duprogramme, cette liste n’est ni exhaustive, ni limitative.

C. Des pistes de travail pour les activités de documentation•

• Travail préparatoire réunissant le professeur de physique-chimie et l’enseignant documentaliste :– Quelle est la disponibilité du CDI, par rapport à l’emploi dutemps des élèves ?– Le travail des élèves sera-t-il effectué pendant ou en dehorsdes heures de physique ?– Quels seront les rôles respectifs du professeur, du documen-taliste ?– Quels sont les documents existants et à acquérir ?

• La présentation de l’activité aux élèves :

– Répartition des sujets (libre ou imposé), du travail (individuelou en équipe) – Finalité du travail effectué et restitution prévue : travail surcopie, exposé, exposition– Critères de qualité (durée, plan, simplicité, soin, etc.), à fairedéfinir de préférence par les élèves eux-mêmes– Modalités pratiques du travail au CDI– Éventuellement, travail complémentaire à la maison

• Le travail documentaire proprement dit :

– Cerner le sujet : quels en sont les mots-clés, que sait-on déjàsur la question ? (Les élèves peuvent éventuellement être aidéspar un petit questionnaire annexé à un texte introductif.)– Formuler les thèmes de recherche sous forme de questions– Rechercher les documents, sélectionner les plus pertinents– Trier les informations et les organiser– Réaliser le document destiné à la restitution

III - Physique-chimie et activités documentaires


D. Un exemple de travail sur document•

Ici, le document est fourni à l’élève : il ne s’agit donc pasd’une recherche documentaire, mais bien d’un travail surdocument. Ce travail se présente sous la forme d’un question-naire.Le travail sur document écrit, s’il est probablement moinsattrayant que celui sur vidéogramme, est cependant très utilepour préparer l’élève à la lecture attentive et critique de jour-naux, magazines, notices ou modes d’emploi, par exemple.Ce travail peut être demandé en introduction d’une leçon,pour créer une «accroche» ; il peut également être utilisé enapprofondissement.Le document doit toujours être judicieusement choisi par le

professeur : il doit évidemment être en rapport avec la partiedu programme traitée, apporter un éclairage intéressant surcelle-ci, et être rédigé dans un style simple et accessible auxélèves (cela ne veut pas dire que l’article doive être parfait :une analyse critique peut être très constructive).

Le document présenté ici a été choisi pour son intérêt dans lecadre de l’éducation à la sécurité.

Les questions proposées attendent des réponses qui serontapportées :

– soit par le texte (niveau 1) ;

– soit par une recherche (niveau 2). (Il conviendra deproposer aux élèves quelques références de documents enliaison avec le documentaliste.)

Document fourni aux élèves•

DES CHANTEURS ET DES SPECTATEURS INTOXIQUÉS : ATTENTION AUX CHAUFFAGES DÉFECTUEUX

Le concert de ce vendredi soir, dans la salle des fêtes de Becqueville, était destiné à financer le foyer. Mais, à la fin du spectacle, plus de quarante chanteurs et spectateurs ont ressenti des vertiges, des maux de tête, ou ont éprouvé une certainetorpeur, ou encore ont eu des vomissements. Vingt personnes ont dû être hospitalisées pendant quelques heures. On penseque le malaise est dû aux émanations du système de chauffage au gaz, constitué de grilles infrarouges alimentées par unebouteille de butane. Les enquêteurs examinent actuellement la conformité de ce matériel aux normes de sécurité.Bien souvent, le responsable de ce genre d’intoxications est le monoxyde de carbone. Ce gaz sournois, inodore et incolore,est produit par une combustion incomplète. Cela se produit lorsque l’appareil de chauffage est mal réglé, ou que les locauxsont mal ventilés, par exemple quand des gens imprudents bouchent des trappes de ventilation dans leurs cuisines. Qu’ils’agisse de chauffages au charbon, au fioul ou au gaz, l’accident est possible.Le monoxyde de carbone, lorsqu’il pénètre dans les poumons, se fixe sur l’hémoglobine du sang, ce qui fait que celui-ci nepeut plus transporter l’oxygène aux organes vitaux que sont le cœur et le cerveau. Ce gaz pervers est responsable de la mortde plusieurs centaines de victimes et de l’hospitalisation de plusieurs milliers de personnes chaque année.

(D’après un article de presse)

NOTA : Il convient évidemment de respecter la législation sur les droits d’auteurs pour la diffusion de tels documents.

Niveau 1 :– Quels ont été les symptômes de l’intoxication ? (réponse :des vertiges, une torpeur, des maux de tête, des vomisse-ments)– Quel était le combustible utilisé ? (le gaz butane)– Est-ce le seul combustible dont la combustion peut présenterun danger ? (sont cités: le charbon, le gaz, le bois, le fioul)– Comment s’appelle le gaz responsable de l’intoxication ? (lemonoxyde de carbone)– Pourquoi est-il qualifié de «sournois» ? (il est incolore etinodore)– Dans quelles conditions ce gaz risque-t-il d’être produit ?(appareils mal réglés, pièces peu ventilées, trappes d’aérationbouchées)

– Pourquoi ce gaz est-il dangereux pour l’organisme ? (parceque les organes vitaux ne sont plus alimentés en dioxygène)– Combien ce gaz fait-il de victimes chaque année ? (plusieursmilliers d’intoxiqués, plusieurs centaines de décès)

Niveau 2 :– La formule du monoxyde de carbone est CO. Est-ce logiqued’après son nom ?– Recherchez dans votre cuisine le nombre et l’emplacementdes grilles d’aération.– Quels commentaires faites-vous sur le nombre de victimeschaque année ?


Manipulation

Professeur ou élève

Objectifs

Mettre en évidence la présence de dioxyde de carbone dansune eau minérale.Faire une étude quantitative du phénomène.

Matériel

Manipulation professeur : - 1 récipient - 1 thermoplongeur220 V, environ 200 W - 1 thermomètre - 1 éprouvette - 1 tubeà dégagement muni d’un bouchon - éventuellement un agita-teur magnétique - 1 cristallisoir - 1 balance.

Manipulation élève : - 1 tube à essai à dégagementlatéral - 1 bouchon adapté - 1 tube souple adapté - eaude chaux.

PARTIE THÉMATIQUE

A1 - L’EAU DANS NOTRE ENVIRONNEMENT

(classe de 5e)

E1. Dégazage d’une eau minérale pétillante

Schéma de montage

Points qui mérite une attention particulière Il n’y a pas de problème particulier, les problèmes éventuelsproviennent de l’étanchéité du montage, de sa stabilité. Dansle cas du chauffage, il faut limiter la température du bain pourlimiter l’évaporation trop grande de l’eau gazeuse.

Durée La manipulation professeur peut prendre quinze minutes, une

fois le matériel installé. Celle des élèves est courte, une fois lesgroupes équipés.

RésultatsÀ froid, on arrive à extraire 220 cm3 de gaz, et on observeune perte de masse de presque 0,4 gramme. À chaud, pourdes températures de l’ordre de 60°C, on arrive à extraire100 cm3 supplémentaires. Au total, on arrive à 320 cm3 pourune bouteille de 20 cL. La perte de masse est de 0,7 grammece qui est à peu près en accord avec les résultats attendus (la masse de 1 litre de dioxyde de carbone dans des condi-tions ordinaires est de 2 grammes environ).

Schéma de montage


Manipulation

Groupe d’élèves

Objectifs

Suivre un protocole expérimental.Mettre en œuvre une technique de séparation de constituants.

Matériel

Par groupe d’élèves :– un bocal à confiture dont le couvercle est muni d’un systèmede pinces (à dessin, crocodile, etc.)

– un agitateur fin par équipe

– des bandes de papier filtre environ de 5 cm par 15 cm (suivant la taille du bocal !)

– 3 colorants alimentaires marque «Vahine», vendus engrande surface par blister de trois tubes : Jaune : E102(Tartrazine), Rouge : E122 (Azorubine), Vert : mélange de Jaune et de Bleu E131 (dit «Bleu patenté»)

– Préparer éventuellement avant la séance un 4ème tube decolorant marron en les mélangeant dans les proportions suivantes : 1 volume de Vert + 3 volumes de Rouge + 1 volumede Jaune.

– On peut comparer la migration des colorants Jaune - Vertou Marron - Jaune - Rouge ou d’autres combinaisons.

E2. Séparation de colorants alimentaires par chromatographie1

Points qui méritent une attention particulière

L’espace entre le niveau de l’eau et celui des colorants doitêtre suffisant pour éviter une migration trop importante vers lebas (évitez que l’eau ne touche les taches). Sortir la bande depapier filtre avant que l’eau n’atteigne le haut de la bande.

Durée

Observer la migration des colorants durant une dizaine deminutes

Points essentiels à voir :

Résultats

On observera des vitesses de migration différentes pourchaque colorant. La vitesse du rouge est la plus faible, celledu jaune est intermédiaire. Le marron fait apparaître 3 colo-rants distincts, le rouge, le jaune, le bleu ; ce dernier migre le plus rapidement.

1. A. Robert et l’équipe académique Orléans - Tours.

Matériel

Support : 2 plaques de bois 15 cm x 50 cm assemblées en Tet fixées par 6 vis.Ballon : 1 ballon de 100 mL ou équivalent, 1 résistancebobinée de 5,6 ohms (5 watts minimum), 1 bouchon n° 4, dufil électrique et 2 douilles châssis, 1 thermomètre, 1 tube deverre 4 mm coudée.Réfrigérant :– 1 morceau de 20 cm de tuyau plastique diamètre intérieur14 mm (corps du réfrigérant)– 2 rivets diamètre intérieur 4 mm, et du tuyau plastique 4 mmpour l’écoulement du réfrigérant (2 x 60 cm)– 2 bouchons n° 1 pour obstruer le corps du réfrigérant– 2 colliers de serrage type plomberie pour fixer solidementl’ensemble au support.

Montage

Support : Il n’y a pas de difficulté particulière ; il faut penserà ménager une «fenêtre» dans une plaque pour pouvoir «pla-quer» le col du ballon contre le support et ainsi le maintenirpar un collier.Ballon : ce montage utilise comme moyen de chauffage une

résistance électrique bobinée et vitrifiée de 5,6 ohms.Alimentée en 12 volts alternatifs, la valeur de l’intensité estégale à 2,1A ; une alimentation classique (12V, 5A) est doncsuffisante. On peut essayer des valeurs de R inférieures à 5,6ohms avec prudence. Durant le chauffage, veiller à maintenirla résistance dans le liquide.Dans ces conditions, un volume de 70 mL de vin a été portéà ébullition en 15 min.On peut légèrement réguler le chauffage avec les positions 6et 12 Volts de l’alimentation.Réfrigérant : on trouve les tubes en grandes surfaces.On peut utiliser le tube de 14 mm sans circulation en leremplissant d’eau avant l’expérience. On peut aussi intro-duire «en force» 2 rivets de 4 mm en perçant par chauffagele tube de 14 mm et y adapter 2 tuyaux de 4 mm pour lacirculation du réfrigérant. On a alors un appareillage àdistiller complet.

Le microfourIl existe une variété de matériel qui permet de chauffer depetites quantités de liquides (l’équivalent du volume d’un tubeà essai) et de réaliser un certain nombre d’expériences courantes (changement d’état de l’eau, évaporation, distilla-tion, etc.) de manière efficace grâce à une résistance chauffante.


Manipulation

Élèves ou professeur

Objectifs

Permettre de réaliser les expériences essentielles du programme en utilisant différents moyens de chauffage élec-trique.

Dispositifs

On peut utiliser différents outils suivant les contraintes impo-sées par la situation pédagogique, les moyens financiers oule temps disponibles.

1. Thermoplongeur (professeur) - Plaque chauffante -Chauffe-ballon

Ce matériel permet de chauffer des quantités de liquides rela-tivement importantes. Il est disponible dans toute maison dematériel pédagogique, leur emploi est classique.

2. Mini montage à distillation avec résistance électrique dechauffage

Le professeur réalisera un montage pratique et efficace destiné à être utilisé par les élèves. Il demande un peu detemps pour sa réalisation et peu de moyens financiers. Envoici le dispositif :

E3. Divers moyens de chauffage électrique comme substitution partielle au chauffage par le gaz


Ce type de manipulation ne vient pas se substituer aux relevésmanuels. L’élève doit d’abord être initié à des relevés manuelset aux tracés de graphiques sur papier. Il faut notamment queces activités préparatoires aient amené les élèves àcomprendre que, sur les graphiques obtenus, l’écoulement dutemps est représenté sur l’axe horizontal et une grandeurphysique sur l’axe vertical.Quand on utilise l’ordinateur, il est essentiel de faire comprendre que cet outil n’intervient que pour l’acquisition etle traitement, la mesure proprement dite restant faite par unorgane, dit capteur, externe à l’ordinateur. L’intérêt de l’emploi de l’ordinateur devient évident quand onest amené à répéter systématiquement des acquisitions dansdes conditions différentes ou pour différentes substances (Voirla fiche E5).Dans tous les cas, il faut prendre le temps nécessaire pour quel’élève ait bien compris que ce qui est représenté sur l’écranrésulte d’une série de mesures et non d’une simulation.Remarque : ces activités sont l’occasion de rencontrer les températures de fusion de la glace et d’ébullition de l’eau. Àla pression ambiante et au voisinage du niveau de la mer, cestempératures, exprimées en degrés Celsius, sont voisines de0°C et 100°C. Le 0 et le 100 étaient les points de référenced’une ancienne échelle, dite centésimale. L’actuelle échelleCelsius, très peu différente dans la pratique2, est définie àpartir de l’échelle thermodynamique (ou Kelvin) par unetranslation de 273,15 K.

Manipulation

Professeur

Objectifs

Étude du refroidissement (congélation de l’eau), de l’échauf-fement (fusion de la glace)Étude d’un changement d’étatTempérature de congélationNotion de corps pur

Matériel

Plusieurs organismes de vente de matériel pédagogique proposent du matériel d’acquisition. On trouvera en généralla composition suivante :– 1 micro–ordinateur équipé d’une carte d’acquisition et deson logiciel d’exploitation ;– 1 sonde thermométrique ;– 1 boîtier de liaison extérieur permettant le couplage (sonde–micro–ordinateur).

E4. Étude assistée par ordinateur de la congélation / fusion de l’eau1

Points méritant une attention particulière

– Disposer l’élément sensible de la sonde à environ 1 cm dufond du tube, au centre du liquide (éviter les contacts avec lesparois du tube).

– Préparer le mélange réfrigérant peu de temps avant le débutde l’expérience.– Faire attention à ne pas avoir un refroidissement ni tropbrutal («palier» trop court), ni trop lent («palier» trop long,congélation incomplète).

Schéma du montage pour la congélation de l’eau


Durée

L’ensemble de la manipulation dure un peu moins de 10minutes, une fois le montage installé et les réglages effectués.

Résultats

On peut obtenir les résultats sous forme de tableaux ou degraphique à faire exploiter par les élèves. Voici un exemplede graphique :

On fera noter l’évolution de la courbe «température», la présence d’un palier de changement d’état et sa valeur 0°Celsius. Ces données peuvent être consignées sur une fiched’identité de l’eau.Notion de corps pur : on pourra noter, suivant la place de lamanipulation dans la progression pédagogique, que l’eau,corps pur, possède un palier de congélation (de même, unpalier de fusion), mais que le fait de posséder un palier dechangement d’état constant pour une «substance» n’est pasun critère suffisant pour affirmer que celle-ci est un corps pur(voir la fiche suivante). Il faudra cumuler un ensemble de critères (Cf. fiche d’identité)pour pouvoir l’affirmer.

Schéma du montage pour la fusion de la glace

Points qui méritent une attention particulière

– La manipulation peut être réalisée après celle de la congé-lation.– Le point délicat est de ne pas provoquer un réchauffementtrop brutal de la glace (à l’air libre ou/et avec les doigts).

Durée

L’ensemble de la manipulation dure un peu moins de 10minutes.

Résultats

On peut obtenir les résultats sous forme de tableaux ou degraphique à faire exploiter par les élèves. Voici un exemplede graphique :

On fera noter l’évolution de la courbe «température», la présence d’un palier de changement d’état et sa valeur 0°Celsius. Ces données peuvent être consignées sur une fiched’identité de l’eau.

1. G. Leriche, A. Robert et l’équipe académique d’Orléans - Tours.

2. À titre d’exemple, sous la pression, dite normale, de 101 325 pascals, lesplus récentes déterminations de la température d’ébullition de l’eau donnent99,974°C.


E5. Courbes de congélation–fusion de différentes substances


Dans la partie du programme A1, plusieurs activités sont destinées à l’étude des solutions et une nouvelle grandeur estprésentée : la concentration massique. Sa compréhensionrelève des mêmes difficultés que celles rencontrées pour lamasse volumique. Les quelques remarques ci-dessous ontpour but de préciser certains points utiles pour présenter cettenouvelle notion et l’utiliser dans l’interprétation des manipula-tions.

• La valeur de la concentration massique d’unesolution doit pouvoir être exprimée clairement de trois façonsdifférentes. Par exemple, une solution aqueuse de sel deconcentration massique 2g/L signifie :– La masse de sel dissous dans 1 L de cette solution est 2 g.– Le volume de cette solution qui contient 2 g de sel est 1 L.– Le rapport entre la masse de sel dissous (en g) dans cettesolution et le volume corespondant de solution (en L) est 2.Les solutions ci-dessous ont la même concentration massique.

Il sera donc possible de comprendre certaines applicationspratiques sans se perdre dans des calculs. a) Préparer un volume quelconque d’une solution de concen-tration massique donnée.Exemple : préparer 1 dL de solution à 3 g/L

b) Prévoir le volume de solution saline de concentration mas-sique donnée pour obtenir une masse donnée de sel.Exemple : quel volume de solution saline à 30 g/L doit-onfaire évaporer pour obtenir 100 g de sel ?

c) Déduire la masse de sel dissous dans un volume de solutionde sel de concentration massique donnée.Exemple : quelle est la masse de sel contenue dans 2 L desolution de concentration massique 20 g/L ?

• La variation de la concentration massiquea) Variation du volume de solvant d’une solution de concen-tration massique donnéeLa masse du soluté ne change pas, mais le volume de la solu-tion change.

b) Variation de la masse de soluté (on ne pourra qu’aug-menter la masse, l’augmentation de volume étant très faible.)

La masse de soluté augmente mais le volume de solvant reste lemême. La concentration massique augmente.

La concentration massiqueaugmente : la solution

devient plus concentrée.

Application : les maraissalants (voir fiche D2)

La concentration massiquediminue : la solution devient

plus diluée.

Application : dilution d’unesolution aqueuse en ajoutant

de l’eau pure

D1. Concentration massique d’une solution

Le volume diminue. Le volume augmente.

2g 3g 4g 5g

1L 1L 1L 1L

Vocabulaire : Sel, marais salant, salin, saline, salinité, saumure. Certains lieux doivent leur nom au sel : en France, Salies deBéarn, en Autriche, Salzburg, ...

Historique :Depuis la préhistoire, le sel de la mer est récolté par leshommes :– en jetant de l’eau de mer sur des feux de bois ;– en faisant bouillir de grandes marmites d’eau de mer ;– en versant de l’eau de mer dans des plats d’argile laissés àsécher au soleil (méthode utilisée notamment par les gaulois).Les premiers marais salants ont été inventés par les romainssur le pourtour de la Méditerranée. À partir du VIe siècle, leLanguedoc, la Provence, la Sardaigne deviennent des producteurs de sel. Des salins développés dans ces régions àpartir de cette époque, sont toujours en activité.Sur la côte atlantique, presqu’île de Guérande notamment, detrès nombreux marais salants occupaient au Moyen Age unesurface importante et dominaient même au XIVe siècle lemarché de l’exportation vers l’Europe du Nord et laScandinavie (commerce hanséatique). Actifs jusqu’au XVIIIe

siècle, leur production s’est réduite depuis dans des propor-tions considérables (faibles rendements, modernisationimpossible).

Description

Un marais salant est constitué de bassins artificiels d’évapo-ration dans lesquels l’eau de mer est admise et parcourt unlong trajet au cours duquel elle s’évapore sous l’action du ventet du soleil. Il permet la production de «sel de mer».

Remarque 1 : Dans ce que l’on appelle une saline, le sel esten revanche obtenu par évaporation à l’aide d’une source dechaleur artificielle.

Remarque 2 : Il existe quelques marais salants évaporant dessaumures d’origine terrestre et produisant du «sel solaire».

Les deux phases de production de sel cristallisé par évapo-ration naturelle :– la concentration de la saumure jusqu’à la saturation (260g/L de chlorure de sodium pour l’eau de mer) ;– la cristallisation du sel à partir de la saumure saturée.

Composition de l’eau de mer

Salinité de l’eau des mers, en moyenne 3,5 %, en masse, ou35 g/L de chlorure de sodium soit une densité de 1,026, dansles océans. La salinité varie de 3,36 % à 3,68 %, valeurdépendant des apports d’eaux douces (pluies, fleuves) ou del’effet de concentration dû à l’évaporation, plus marqué dansle cas des mers fermées (Mer Morte et Mer Baltique étant descas extrêmes).

Les composants les plus importants présents dans l’eau de mersont :– NaCl : 77 g– MgCl2 : 10 g– MgSO4 : 6 g dans 100 g de sels dissous– CaSO4 : 3,9 g– KCl : 2 g

Composition des saumures marines pendant laconcentration et la cristallisation

Pendant l’évaporation, les sels se déposent à des degrés desaturation différents : c’est la cristallisation. Pour l’eau de mer,le premier sel qui est déposé est le sulfate de calcium (CaSO4,2H2O) lorsque la densité de la saumure est 1,109. Lorsque ladensité de la saumure atteint 1,216, le chlorure de sodiumcommence à cristalliser mais presque tout le sulfate de calcium a précipité. La cristallisation est arrêtée lorsque lasaumure atteint la densité de 1,262 (problème de goût du selformé).

Description d’un marais salant moderne

La concentration a lieu sur des «partènements» ou surfacespréparatoires.La cristallisation a lieu sur des «tables salantes» ou surfacessaunantes ou cristallisoirs.Le marais salant ou salin possède aussi des bassins de réservepour stocker des saumures.

Les partènements 90 % de l’eau de mer doivent s’y évaporer donc occupent dessurfaces importantes (jusqu’à 10 000 ha). L’eau de mer doittraverser tous les partènements avant d’arriver aux tablessalantes.

Les tables salantesCelles-ci occupent des surfaces beaucoup plus réduites, deformes régulières, de sol parfaitement nivelé. Le sel se déposeau fond des tables salantes et est récolté en général une àdeux fois par an quand l’épaisseur de la couche est suffisante,de 5 à 20 cm.

Les bassins de réserveIls sont installés pour protéger les saumures des pluies.


D2. Les marais salants ou salins

Les facteurs de production

Facteurs naturels : climat, nature et topographie du terrain.L’évaporation de l’eau d’une saumure est due à l’action duvent et du soleil. La vitesse et l’intensité de cette évaporationdépendent de l’humidité de l’air et de la concentration en selde la saumure à évaporer (salins à production permanente ouà production saisonnière).

Récolte du sel

À n’importe quel moment de l’année dans les régions oùl’évaporation est plus importante que les pluies.Dans les régions à cycle annuel marqué, la date de début derécolte est fixée avec soin.Le sel récolté est déposé en tas ou camelles au bord de latable salante et s’y égoutte. Dans les salins importants, laquantité de sel récoltée par jour peut atteindre 30 000 tonnes.Les marais salants artisanaux de l’ouest de la France : larécolte y est faite à la main sous l’eau. L’exploitant s’appelleun paludier. Le sel est alors caractérisé par une teinte grisâtre(sel moins pur mais dont le goût est apprécié de certains) ; ilest plus riche en sels secondaires autres que NaCl.

Cristal de chlorure de sodium

● ions na +

❍ ions Cl –

arête du cube 0,558 nm

Plan schématisé et simplifié d’un salin

➀ Prise d’eau à la mer➁ Digues➂ Partènements➃ Bassin de réserve de saumure➄ Tables salantes➅ Camelles


Pourcentage en NaCl et «impuretés» des différents sels (composition en % sur sec)

Sels NaCl «Impuretés»(solubles à l’eau)

Sel gemme 93 à 99,8 de 0,45 à 1,75

Sel de mer 98 à 99,8 de 0,13 à 0,84

Sel ignigène plus de 99,9 de 0,02 à 0,30

Sel gemme : extrait des mines de selSel ignigène : obtenu par évaporation artificielle

(méthode thermique) dans les salines

Composition (ionique) de saumures provenant des océans(quantités en kg pour 100 kg)

Sodium 1,08 Chlorure 1,94

Magnésium 0,13 Sulfate 0,27

Calcium 0,04 Hydrogéno- 0,01carbonate

Potassium 0,04 Bromure 0,01


Lorsque l’on met en présence deux gaz quelconques, ils semélangent pour donner un gaz homogène, et ce quelle quesoit leur proportion relative. À l’inverse, deux solides cristal-lisés, dont les structures sont bien établies et rigides, ne peu-vent «fusionner» (sauf dans des cas exceptionnels). Entre cesdeux cas limites, les mélanges de deux liquides conduisent àdes situations intermédiaires.

Observations expérimentales

On ne prend en compte ici que des liquides ne pouvant impli-quer des réactions chimiques entre eux. De nombreux liquidespeuvent se mélanger entre eux en toute proportion pourconduire à un liquide homogène ; c’est le cas de l’eau et del’éthanol. Au contraire, on peut trouver des liquides absolu-ment non miscibles (on dit aussi immiscibles), comme parexemple l’eau et l’huile. Lorsque l’on mélange de l’huile à del’eau, l’huile moins dense surnage et forme une coucheexempte d’eau. Si l’on agite vigoureusement ce mélange hété-rogène, les deux liquides tendent à nouveau à se séparer. Ilne s’agit pas d’un problème de différence de densité ; eneffet, lors du mélange de deux liquides de même densité(comme la silicone et l’eau salée), on observe des gouttes desilicone flottant dans l’eau en situation d’«impesanteur».Intermédiaire entre ces deux situations extrêmes (miscibiliténulle ou totale), on peut observer une «démixtion» partielle,comme, par exemple, dans le cas du mélange eau/isobu-tanol. La miscibilité totale entre ces deux liquides n’est pos-sible que pour certaines proportions, celles-ci dépendant dela température. Pour le mélange eau/isobutanol, à 20° C, lamiscibilité est totale (mélange homogène) pour une propor-tion inférieure à 4 % en masse d’isobutanol, ou supérieure à89 %. Entre ces valeurs, le mélange est hétérogène (on ditqu’il y a «démixtion») et les liquides se déparent en deuxcouches. Pour une température supérieure à 130° C, lesliquides sont toujours totalement miscibles (quelle que soit leurproportion) (Cf. figure ci-dessous).

Diagramme d’équilibre eau / isobutanol

Au dessus de la courbe, le mélange est homogène.

Interprétation : lien entre structure et miscibilité

Il est possible, par une approche qualitative du phénomène,d’établir une corrélation entre la structure des molécules et lamiscibilité des liquides. À l’état liquide, les molécules sontrelativement désordonnées de telle façon qu’il est possible deremplacer certaines d’entre elles par d’autres de structure différente sans que l’édifice global soit profondément modifié.Ce remplacement se fait avec d’autant plus de facilité que lesdeux types de molécules ont des formes et des dimensionssimilaires ; ce qui est en fait déterminant, c’est que les forcesdéveloppées entre ces deux types de molécules soient denature et d’intensité comparables. Si ces conditions sont respectées, un mélange homogène entre ces deux types demolécules est susceptible de se faire. À l’inverse, une assem-blée de molécules ayant beaucoup plus d’affinité pour elles-mêmes que pour des molécules de structure différenten’«accepte» qu’une petite proportion de ces molécules, voireaucune. La miscibilité des liquides est alors nulle ou limitéepar les proportions de chaque liquide. À plus haute tempéra-ture, le désordre de l’agencement des molécules augmente dufait de l’agitation thermique ; il est alors possible à une molé-cule donnée de s’entourer d’un plus grand nombre de molé-cules de structure différente, augmentant ainsi les proportionspour lesquelles la miscibilité est totale.L’eau présente ainsi une certaine affinité pour les moléculespolaires (c’est-à-dire, possédant un moment électrique permanent) comme elle. Elle se mélange en toute proportionà l’éthanol, mais beaucoup plus difficilement au pentanol(CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 OH), ce que l’on peut expliquer parla différence de taille importante entre ces deux molécules.L’eau, polaire, et les hydrocarbures (comme le benzène etl’hexane) non polaires sont presque totalement immiscibles.

1. Les fiches «complément scientifique» C1, C2, C3 et C5 s’inspirent desouvrages suivants :

Chimie I, PCSI collection «Prépa», A. Casalot, Hachette, 1995.

La structure de la matière, J. Guinier, Liaisons Scientifiques, Hachette-CNRS,1981.

La science au présent, collection «Les actuels», Éditions EncyclopaediaUniversalis.

C1. Miscibilité de deux liquides1


La partie A1 : «L’eau et notre environnement»propose une étude documentaire sur le traitement des eauxpotables et l’épuration des eaux usées. L’eau doit être géréecomme une matière première pour sa quantité mais aussipour sa qualité. Tout citoyen doit respecter l’eau et connaîtreles moyens mis en œuvre pour la protéger. Une étude docu-mentaire pourra être utilement complétée par la visite d’unestation. Elle permettra aussi le développement d’activités avecles enseignants des Sciences de la Vie et de la Terre.

Eau brute et eau potable

En France, chaque habitant consomme quotidiennement 150litres d’eau douce. Mais, cette eau douce ne représentequ’une très faible proportion des réserves d’eau de la planète,même si on comprend dans ces réserves les glaces difficile-ment accessibles de l’Antarctique et du Grœnland.L’approvisionnement des réserves d’eau douce est assuré parles précipitations atmosphériques. L’eau, par ruissellement oupar infiltration, alimente les réserves de surface ou lesréserves souterraines. Les analyses de différents paramètres

de ces eaux permettent d’en déduire si elles sont potables(propres à la consommation humaine) ou si elles nécessitentun traitement pour le devenir. Le décret du 3 janvier 1989 duministère de la Santé définit les limites de qualité des eauxdestinées à la consommation humaine. Voir exemple(tableaux et schéma ci-après).

Eaux usées - qualité des eaux de rivière

Les eaux douces et notamment les eaux courantes de nos ruis-seaux et de nos rivières constituent des milieux naturels composés d’un milieu vivant (végétaux et animaux) : la biocénose, évoluant dans un milieu que l’on peut caractériserpar des paramètres physico-chimiques : le biotope. Cetensemble désigné sous le nom d’écosystème fonctionne touten respectant certains équilibres entre les deux milieux (vivantet non vivant). Lorsque cet écosystème aquatique est modifié,il y a pollution.À partir des paramètres physico-chimiques et hydrobiolo-giques, on peut attribuer à la rivière une classe de qualité quipermet d’évaluer son degré de pollution.

Paramètres organoleptiquesOdeur - Saveur - Couleur - Turbidité

Une eau trouble contient des matières(perceptibles par les organes des sens) en suspension (MES)

Paramètres physico-chimiques température 25°CpH entre 6,5 et 9duretéions chlorures 250 mg/Lions sulfates 250 mg/Lions sodium 150 mg/Lions magnésium 50 mg/L

Substances indésirables ions nitrates 50 mg/Lions nitrites 0,1 mg/Lfer 0,2 mg/Lcuivre 1 mg/L…

Substances toxiques Arsenic, Cadmium, Plomb, Mercure… Limite 0

Paramètres microbiologiques L’eau ne doit pas contenir d’organismes pathogènes.

STATION DE PRODUCTION D’EAU POTABLE : LE TRAITEMENT DES EAUX BRUTESDans le cas d’une eau d’origine souterraine (meilleure protection vis-à-vis des pollutions), le traitement peut être simplifié mais, dansle cas d’une eau de surface, il doit être complet.

D3. Protection et gestion de l’eau1

La dureté d’une eau est liée à la présencedes ions calcium et magnésium. Une eautrès dure s’oppose au moussage du savon.


La qualité des eaux de rivière dépend en partie des rejets deseaux usées domestiques et des eaux industrielles. L’eaucontient du dioxygène dissous à l’état moléculaire ; saprésence est vitale pour la faune (aérobie) et la flore. Desrejets d’eaux usées contenant des substances organiques vont,par exemple, accélérer l’activité bactérienne ; la consomma-tion de dioxygène augmentant, sa concentration diminuera.L’apport de substances nutritives (nitrates, phosphates)entraîne une prolifération des plantes aquatiques dans les lacset rivières lentes (eutrophisation). Des rejets de substancestoxiques modifieront aussi la composition physico-chimiquede l’eau et sa qualité. Lorsque la quantité de matières pol-luantes n’est pas trop importante, l’auto épuration, qui est

essentiellement une oxydation, agit (organismes vivants dansle milieu aquatique oxygéné) mais elle est limitée.Pour protéger les eaux il est donc indispensable de collecterséparément les eaux pluviales et les eaux usées. Ces dernièressont dirigées par un réseau d’égouts vers une station d’épu-ration pour y être traitées avant d’être rejetées dans le milieunaturel.

TamisageDégrillage

Floculation Décantation Filtration Désinfection

Élimination des corpsflottants et des particulesen suspension

Maille des tamis : 0,5 à2 mm

Élimination des matièresen suspension, desalgues et des particulescolloïdales

Une solution diluée desulfate d’alumine provo-que la coagulation desparticules et la forma-tion de flocons.

Élimination : floconsplus denses que l’eau.Élimination des bouesformées

L’eau coule doucementdans un long bassin dedécantation.

Élimination derniersflocons et particules

Filtre sur lit de sable fin(0,8 à 1,5 m d’épais-seur.

Filtre sur charbon actif

Élimination : germespathogènes

Chloration : injectiond’eau de Javel ou dechlore.

Ozonation : 1 à 4 mg/L

Traitement primaire

Élimination des matières en suspension(déchets, sable, etc.) ainsi que des huiles

– Dégrillage (gros déchets)– Tamisage (déchets plus fins)– Dessablage (terre, sable) – Déshuilage (huiles récupérées par flotta-tion)

– Décantation primaire

Traitement secondaire

Élimination des matières minérales ou orga-niques en solution dans l’eau

– Épuration biologique dans des bassinsbien oxygénés et riches en bactéries : trans-formation des matières organiques biodé-gradables par les cultures bactériennes.

– libres dans les boues activées– fixées dans les lits bactériens– décantation secondaire

– Traitement physico-chimique– floculation– centrifugation, filtration

Traitement des boues

Transformation en matières inorganiquesstables

– Stabilisation sous l’action de micro-orga-nismes– Déshydratation : diminution de volume

– Incinération

– Utilisation comme engrais agricole

LA STATION D’ÉPURATION DES EAUX USÉES

1.Cette fiche est basée sur des documents professionnels. Sa rédaction a, parailleurs, bénéficié des remarques du Groupe de Travail Disciplinaire deSciences de la Vie et de la Terre.


Qui s’occupe de l’eau ? La gestion de l’eau est organisée en Agences de bassins hydrographiques : les Agences de l’eau. Lecontrôle de la qualité des eaux par l’État est exercé par le préfet avec le concours de la Direction Départementale des AffairesSanitaires et Sociales pour les eaux distribuées.

SCHÉMA SIMPLIFIÉ D’UNE STATION D’ÉPURATION DES EAUX USÉES


La notion de molécules, constituants de la matière sous sesaspects les plus variés, est l’une des plus anciennes que lapensée rationnelle ait conçues pour expliquer le monde quinous entoure.

Elle apparaît chez les premiers philosophes grecs, au VIe

siècle avant notre ère, donc bien avant que la chimie existe entant que science. Néanmoins, ce n’est qu’à une époque rela-tivement récente, fin XIXe siècle - début du XXe siècle, que lathéorie moléculaire s’est imposée définitivement.Dès l’antiquité, certains philosophes grecs dont Démocriteenseignaient que toute matière est faite de très petites partiesdistinctes. On supposait que ces petites parties étaient iden-tiques et combinées de plusieurs façons différentes, demanière à faire apparaître à nos sens les différences merveilleuses et la variété du monde de la matière ; malheu-reusement, personne n’appuya ces idées par des argumentstrès convaincants. Ce fut ensuite, pendant des siècles, lathéorie - beaucoup plus concrète - des «quatre éléments»(Univers formé à partir de : eau, air, terre et feu) qui eut lapréférence. Ces éléments étaient supposés porteurs des propriétés physiques fondamentales. Le ou les systèmesconstitués à partir d’eux sont des systèmes prétendant expli-quer non seulement la structure de la matière et ses transfor-mations mais aussi, tout l’Univers. Platon, puis Aristote, ontajouté un cinquième élément : l’éther supposé être le consti-tuant du monde céleste (le mot signifiant «air pur»).

Bien que fortement réfuté dès la Renaissance, le système desquatre éléments persiste comme base des interprétations chimiques jusqu’au milieu du XVIIe siècle, époque à laquellela chimie commence à naître en tant que science à partentière. Auparavant, certains pratiquaient une discipline àdemi secrète, magique et mystérieuse, voire teintée decharlatanisme appelée alchimie et rassemblant une foule deprocédés empiriques parfois très anciens constitués detechniques de fabrication de diverses substances utiliséesdans le travail des peaux, des couleurs, des métaux et enpharmacopée. Parce que ces praticiens souhaitentcomprendre les transformations qu’ils obtiennent, ne serait-ce que pour améliorer leur efficacité, ils tentent de proposerdes explications de ces processus empiriques. N’ayant pas àleur disposition les concepts, théories et méthodes néces-saires, ils laissent libre cours à leur imagination et cèdentsouvent au goût du merveilleux, voire à la cupidité.

Les premières décennies du XVIIIe siècle voient apparaître lathéorie du phlogistique conçue par le savant allemand,Joachim Becher et son compatriote le médecin Georg ErnstStahl (1660-1734). Le phlogistique est, en quelque sorte, àla fois la matière et le «principe» du feu, lequel était consi-déré comme une substance en soi. Ainsi, on croyait qu’unmétal était un corps composé ; quand il brûlait (s’oxydait,dirions-nous aujourd’hui), on pensait qu’il abandonnait unepartie de lui-même - celle qui brûlait - qui était le «principecombustible» ou «phlogistique» en donnant ce que l’on nom-mait alors de la «chaux» (c’est-à-dire un oxyde). À l’inverse,pour obtenir du métal à partir d’une «chaux», on admettait

qu’il suffisait de lui ajouter un corps riche en phlogistique (ducarbone, par exemple). À cette époque, les savants obser-vent et expérimentent beaucoup, souvent avec talent. Les tra-vaux de Lavoisier (fin XVIIIe siècle) marquent une nouvelleavancée vers une science quantitative et rationnelle, prati-quant l’usage systématique de la balance et feront dispa-raître progressivement le concept du «phlogistique». C’estpeu après (première décennie du XIXe siècle) qu’apparaîtégalement la première hypothèse moderne concernant laconstitution atomique de la matière. Néanmoins, le modèleatomique aura de sérieuses difficultés à s’imposer et ce seraseulement à la fin du XIXe siècle que la réalité atomique et lathéorie moléculaire ne feront plus aucun doute dans lemonde des chimistes.

Tout au long du XIXe siècle, le modèle moléculaire parvient àrendre compte d’un nombre de faits expérimentaux de plusen plus grand. Par ailleurs, à partir du milieu du siècle, oncommence à évaluer l’ordre de grandeur des dimensions desmolécules (de quelques dixièmes de nanomètre à quelquesnanomètres).

Déjà, dès 1865, le physicien autrichien Loschmidt, en étudiantla diffusion des gaz et la valeur du libre parcours moyen, adonné une première évaluation du nombre des atomescontenus dans une quantité donnée de matière. On désignesous le nom de nombre de Loschmidt le nombre (2,685.1019)de molécules existant dans 1 cm3 de gaz pris à 0°C et sousla pression atmosphérique normale. Enfin, tout au long dusiècle, des résultats concordants obtenus par des méthodesdifférentes viennent peu à peu conforter la théorie molécu-laire.

Au XXe siècle, les multiples progrès scientifiques et techniquesinduisent le développement de nouveaux instruments et denouvelles méthodes d’investigation directes ou indirectes mon-trant l’existence des atomes et molécules, mesurant leursdimensions. Ainsi, dès 1911, Rutherford a imaginé unmodèle d’atome formé d’un noyau central et d’électrons satel-lites situés à de grandes distances. En étudiant la déviation departicules traversant la matière, il a alors pu déterminerl’ordre de grandeur de ces noyaux. Par la suite, l’emploi desrayons X a été et reste une méthode indirecte pour étudier lesatomes avant l’utilisation plus récente du microscope à effettunnel (Cf. ci-après la fiche C3. L’«Observation» de lamatière). Ainsi, il est actuellement possible de dire que tousles atomes, qui constituent les molécules, ont une dimensionde 0,1 à 0,3 nanomètre seulement.

Bibliographie

Collection «Libre Parcours», livre du professeur 5e, Hachette,1978.

L’Histoire des Sciences, Jean Rosmorduc, coproduction CNDP- Hachette Éducation.

Sciences et Vie, no 192 Hors-Série, septembre 1995.

H1. Brève histoire de la théorie moléculaire


Un atome, qu’est ce que c’est ?

1 - Un modèle ?

Caractère a priori

«(...) toute qualité change, les atomes, par contre, ne subis-sent aucun changement.» (Epicure)

«Les molécules sont conformes à un type constant avec uneprécision qui ne se trouve pas dans les propriétés sensiblesdes corps qu’elles constituent.» (Maxwell)

Caractère analogique«(...) je réclame donc le droit d’employer des images méca-niques, et de dresser le tableau à double entrée - imagesmécaniques d’un côté, faits physiques de l’autre - (...)»(Brillouin)

«Et construire des images destinées à la représentation d’unesérie de faits de telle manière qu’elles permettent de prédirele déroulement d’autres phénomènes semblables, c’est bien lepremier objectif de toute science exacte. (...)»

Caractère évolutif

«...restera alors l’espoir que les images pourront être modi-fiées et complétées de sorte qu’elles suffisent à la descriptiondes anciens et des nouveaux phénomènes.» (Boltzman)

Simplicité

«Je ne crois pas qu’aucune idée simple se soit montrée aussiféconde...

Unification (explication et prévision des phénomènes)…et ait permis, par son développement logique, de rattacherl’une à l’autre autant de propriétés distinctes (...)» (Brillouin)

2 - Une réalité ?

«Comment connaissons-nous le monde extérieur, sinon parnos sensations ?» (Ostwald)«Qui a jamais vu (...) une molécule (...) ou un atome ?»(Berthelot)«Jamais en chimie nous ne devons aller plus loin que l’expé-rience.» (Dumas)«Qu’entendons-nous maintenant lorsque nous parlons de laréalité des atomes ? (...) Cette réalité signifie simplement queles atomes sont des objets qui sont doués de la plupart despropriétés de ceux que nous avons ordinairement sous lesyeux» (Pauling)

Références

Histoire de l’atome.Les atomes, Bensaude-Vincent B. & Kounelis C.,1991.Une anthologie historique, Paris, Presses Pocket.

Didactique

Chomat A., Larcher C., Méheut M., modèle particulaire etactivités de modélisation, Aster, 7, 143-184, 1988.Méheut M., enseignement d’un modèle particulaire cinétiquede gaz au collège. Questionnement et simulation, Didaskalia,8, 7-32, 1996.

1.D’après une communication de Mme Martine MEHEUT le 13 mars 1997.

H2. Quelques citations destinées à illustrer l’idée de modèle et son évolution historique1


L’étude de la miscibilité peut être l’occasion d’observer l’éta-lement d’une goutte d’huile à la surface d’un cristallisoir et derelater l’expérience réalisée en 1774 par Benjamin Franklinqui, déversant sur les eaux calmes d’un étang une cuilleréed’huile d’olive (soit environ 2 cm3) constata que celle-ci s’éta-lait sur une surface d’environ 2 000 m2. On pourra alorsdonner plus loin l’interprétation de l’observation dans lecadre du modèle moléculaire (formation d’une couche mono-moléculaire). Quand les élèves auront acquis ultérieurementune compétence suffisante sur la manipulation des puissancesde dix, on pourra éventuellement leur faire déduire l’ordre degrandeur de l’épaisseur de la couche à partir des donnéesexpérimentales.La présente fiche propose de reproduire cette expérience à uneéchelle réduite, comme le fit Lord Rayleigh, plus d’un siècleaprès Franklin. L’essentiel dans cette activité est d’observer l’extension limitée de la tache. Si l’activité est poursuivie jusquedans sa partie quantitative, il faut bien insister sur le fait quel’on obtient une simple estimation de la puissance de dix quiaffecte l’expression de la longueur de la molécule.

1 - Principe

La molécule d’acide stéarique de formule C18H36O2 comporteune extrémité acide attirée par les molécules d’eau : c’est l’extrémité hydrophile ; l’autre extrémité, repoussée par lesmolécules d’eau, est dite hydrophobe.La manipulation consiste à former une couche monomolécu-laire d’acide stéarique sur l’eau. Dans cette couche monomo-léculaire, toutes les molécules sont dressées chacune avec satête acide et hydrophile enfoncée dans la surface de l’eau etsa queue hydrophobe dépassant au contact de l’air.

2 - Mode opératoire

On utilise une solution d’acide stéarique dans un solvantvolatil tel que l’éther de pétrole. La solution préparée contient100 mg d’acide stéarique par litre d’éther de pétrole.

• Une goutte de cette solution est déposée sur la surface d’uneeau préalablement talquée. La goutte s’étale rapidement touten repoussant le talc. Ensuite, le solvant (éther de pétrole)s’évaporant, l’acide stéarique reste, formant ainsi une mincepellicule flottant sur l’eau.

• En plaçant uneplaque de verreau-dessus de lacuve à eau et avecun stylo-feutre, onrelève les limites dela pellicule d’acidestéarique.

Expérience complémentaire : détermination du volume d’une goutte de solution• Dans une éprouvette graduée, on introduit n gouttes desolution et on lit le volume V1.

Volume d’une goutte v1 = V1/ nRésultats : n = … V1 = .… mL ou cm3

v1 = V1/ n = … mL ou cm3

3 - Manipulation et exploitation des résultats

a) Détermination de la masse m de la pellicule d’acide stéarique sur l’eau

b) Détermination de l’épaisseur h de la pellicule d’acidestéarique sur l’eauOn admet que le film d’acide stéarique obtenu est constituéd’une couche monomoléculaire (une seule épaisseur de molé-cules). On admet également que les molécules sont dresséesverticalement les unes contre les autres. L’épaisseur h du filmreprésente donc aussi la longueur des molécules.

• Après avoir relevé les contours du film d’acide stéarique, onmesure son diamètre moyen D ce qui permet de calculer lasurface S du film. D = ... cm

Masse d’acide stéarique (g) Volume de la solution d’acide stéarique (mL ou cm3)

0,1 1000solution de concentration

100 mg/L (0,1 g/L)

m v = …

m : masse d’acide stéarique contenue dans… gouttes de solu-tion. C’est aussi la masse de la pellicule d’acide stéariquelorsque l’éther de pétrole s’est évaporé.Calcul de m (en g) :

m = 0,1 v = …1000

E6. Estimation de l’ordre de grandeur des dimensions moléculaires

Longueur d’une molécule d’acide stéarique

S = π D2

= … cm2

4

On désigne par V le volume du film d’acide stéarique ; V = S x h

• D’autre part, on a pu déterminer expérimentalement qu’uncm3 d’acide stéarique a une masse de 0,95 g.

• Calcul de V puis de h :V = m / 0,95 = … h = V/S = m / 0,95 S = …

Remarques pour le professeur

Préparation de la solution d’acide stéarique dans l’éther depétroleProcéder en deux étapes :1. Dissoudre 1g d’acide stéarique dans 100 mL d’éther depétrole (conserver cette solution S0) .2. Juste avant la manipulation, préparer la solution S à utiliseren prélevant 1 mL de solution S0 et en complétant le volume à100 mL avec de l’éther de pétrole.

Précaution opératoire– Remplir le récipient d’eau jusqu’à débordement pour éli-miner les effets de bord qui risqueraient de s’opposer à larépulsion du talc se manifestant après le dépôt de la solutiond’acide stéarique. Le cristallisoir contenant l’eau doit êtreplacé dans un autre récipient plus grand qui recueilleral’excès d’eau lors du débordement.– Talquer uniformément la surface de l’eau au repos.– Déposer (pipette ou compte-gouttes) la (ou les) goutte(s) desolution d’acide stéarique au centre de la surface d’eau tal-quée. Le volume de solution (à 100 mg/L) à déposer sur l’eauest de 40 à 50 µL, ce qui nécessite 1 ou 2 gouttes selon leurgrosseur (v = v1 en utilisant 1 goutte ou v = 2v1 avec 2 gouttes).

RésultatLa longueur d’une molécule d’acide stéarique est de l’ordrede 2.10-9 m ou 2.10-7 cm soit 2 millionièmes de millimètre.Attention : pour conduire les calculs numériques, les élèves de5e ne disposent pas encore, en mathématiques, de l’outil despuissances de 10 (introduit seulement en classe de 4e).


Volume de la pellicule Masse de la pellicule d’acide stéarique (cm3) d’acide stéarique (g)

1 0,95

V = … m = …

La fiche ci-dessous décrit une progression pédagogique destinée à approfondir le modèle particulaire de la matièredéfini par le programme. Sous la forme ci-dessous, cette pro-gression demande de disposer d’un temps assez important etsollicite assez fortement la concentration intellectuelle des élèves.Le professeur pourra s’en inspirer librement.

A. Introduction•

À travers ces propositions d’activités, il s’agit pour l’élève des’approprier de manière active un modèle simplifié de lamatière. À cet effet, on propose à l’élève une démarcheprogressive : prendre connaissance d’un modèle, l’appliquer àdes situations expérimentales définies, le faire évoluer pourl’adapter à de nouvelles descriptions...

La démarche décrite ici suit quelques repères :• L’ensemble du modèle particulaire auquel on souhaite aboutir,dit ci-dessous «modèle final», n’est pas donné entièrement audépart aux élèves (il n’est pas non plus redécouvert par eux !). Cecidoit susciter chez eux une plus grande activité intellectuelle, et per-mettre une meilleure appropriation du modèle.• Les situations expérimentales à interpréter sont choisies ennombre limité pour que le modèle à utiliser ne devienne pas tropcomplexe.• Pour ce qui est de la méthode d’animation, on tâche desuivre les étapes suivantes pour chaque situation étudiée :1. Description du phénomène et formulation du problème. 2. Activités de modélisation proprement dite à partir d’unmodèle initial fourni par l’enseignant - Confrontation destravaux.3. Réponses au problème posé.4. Enrichissement du modèle de départ.• Il faut être attentif à l’effet de saturation intellectuelle quepeut provoquer ce type d’activités, qui demande un effortimportant pour certains élèves. De plus, on restera conscientqu’il s’agit d’améliorer les performances des élèves et non detrouver une méthode miracle pour que tous les élèves maîtri-sent tous les aspects du modèle particulaire.

1. Modèle particulaire utilisé

Le modèle dit ci-dessous «initial», fourni d’abord à l’élève, estun modèle simplifié qui présente les caractéristiques suffi-santes pour expliquer la compressibilité des gaz. Il va êtreprogressivement enrichi au cours des activités suivantes jusqu’à aboutir au modèle dit «final».

a) Définition du modèle initialOn peut se représenter un gaz comme un ensemble departicules invisibles à l’œil nu (et même au microscope), ayantles propriétés suivantes :P1 - Une particule ne se coupe pas.P2 - Une particule garde les mêmes dimensions.

P3 - Une particule garde la même masse.P4 - Une particule ne se déforme pas.

b) Définition du modèle finalParmi les corps étudiés, on considère la matière forméecomme un ensemble de particules, les molécules, invisibles àl’œil nu qui sont :– dispersées et désordonnées à l’état gazeux ;– disposées de manière compacte mais désordonnée à l’étatliquide ;– disposées de manière compacte à l’état solide, et ordonnéepour les solides cristallins.

c) RemarquesLe modèle initial ne dit rien sur la structure, la forme des particules pour l’instant. Cela n’est pas nécessaire pour inter-préter les phénomènes physiques choisis. Le professeur devrachoisir à quel moment introduire la notion de molécule dansla progression.Il n’est fait ici encore aucune allusion ni à l’ordre, ni à l’agi-tation particulaire.

2. Les situations expérimentales retenues et leurs rapports au modèle initial

L’enseignant peut construire sa progression parmi les situa-tions suivantes.

a) Dans le cadre de l’étude des gaz, on retient leur compressibilité.

Cela permet d’introduire le modèle initial, puis de faire travaillerles élèves sur la notion de dispersion, de vide qui en découle.Cela permet de commencer à traduire la conservation de lanature de la matière par la conservation du type de particules.

b) On fait interpréter le fait que l’air est un mélange de deuxgaz, dioxygène et diazote. Ceci permet de faire la distinctionentre mélanges et corps purs.

c) Une expérience de diffusion gazeuse (sujet qui n’est pasexigé par le programme) est nécessaire pour enrichir lemodèle sur le plan de l’agitation des particules.

d) On fait interpréter certaines des propriétés des solides (trèsfaible compressibilité, présence d’une forme propre, nonexpansibilité), que l’on oppose à celles des gaz (grandecompressibilité, absence de forme propre, expansibilité).

e) On fait interpréter, sur la base des mêmes propriétés, l’étatliquide (très faible compressibilité, absence de forme propre,non expansibilité).

f) On peut ajouter l’interprétation des changements d’état.

Remarque : Il semble que la compressibilité soit la situation laplus propice pour introduire le modèle initial.


1. Cette fiche d’activité est directement inspirée de diverses publications, dontcelles de l’équipe (A. Chomat ; Cl. Larcher ; M. Méheut), parues dans larevue ASTER n° 7 en 1988.

D4. Introduction d’un modèle particulaire1

b) Activité de modélisationOn peut proposer le document suivant à remplir :

On peut se représenter un gaz comme un ensemble de particules invisibles à l’œil nu, ayant les propriétés suivantes :P1 - Une particule ne se coupe pas.P2 - Une particule garde les mêmes dimensions.P3 - Une particule garde la même masse.P4 - Une particule ne se déforme pas.Représente tout le gaz dans les situations 1 et 2 pour rendre compte de ce qui a été constaté.

Remarque : le rapport des surfaces des cases traduit le rapport des volumes disponibles pour le gaz dans la seringue.Il s’agit donc pour les élèves de dessiner des représentations respectant les caractères du modèle et les observations faites.

Exemples de réponses fournies par les élèves


B. Déroulement•

1- La compressibilité d’un gaz

a) Description du phénomène. Position du problèmeLe professeur montre celle d’un corps pur. Signalons celle dudioxyde d’azote mise en évidence par le professeur (si lesconditions de sécurité le permettent) qui est intéressante àcause de la couleur du gaz. On schématise la position dupiston à 2 moments.

Situation 1 Situation 2

Les élèves doivent indiquer par écrit «ce qui a changé» et «cequi n’a pas changé» pour la seringue et pour le gaz.Après une mise en commun, il ressort que les invariants formulés sont :– l’état de «tassement» plus grand en (2) ;– la variation de volume ;– le changement de couleur ;– l’invariance de la nature du gaz ;– l’invariance de la quantité de gaz (ce caractère n’est pasforcément exprimé en terme d’invariance de la masse par lesélèves).Le problème posé pourra être le suivant : expliquons que legaz :– dans les 2 situations, est le même et en même quantité ;– dans la situation 2, a un volume plus petit, est «tassé», peutencore se tasser.

Après ce temps de production individuel, on soumet à la classe des exemples de réponses convenables et d’erreurs typiques. Il s’agitd’étudier si elles respectent les propriétés de départ et de voir si elles offrent une réponse convenable au problème posé.

Situation 1 Situation 2

De la même manière, des exemples choisis parmi les réponsesdes élèves permettent de discuter de leur validité, ceci en rap-port avec les propriétés du modèle et de formuler uneréponse.

c) Réponse au problème poséOn peut établir les relations suivantes entre la descriptionfaite et le modèle proposé.

d) Modèle enrichiUne nouvelle propriété du modèle apparaît donc à traverscette activité :P7 - Un gaz pur est représenté par un type de particules ;un mélange est représenté par plusieurs types de particules.

3. Diffusion gazeuse

Dans ce cas, il s’agit d’utiliser le modèle et aussi d’imaginerune condition pour que la diffusion puisse se faire.

a) Description du phénomène. Position du problème– L’enseignant réalise une expérience de diffusion de deuxgaz devant les élèves. En veillant aux conditions de sécurité,il peut utiliser comme gaz, l’air et le dioxyde d’azote, le phénomène étant immédiatement visible. Il est préférabled’appeler le dioxyde d’azote «gaz roux» à ce stade, et nonpas dioxyde d’azote, pour éviter des confusions dans l’espritdes élèves avec l’oxygène de l’air.– On constate que le gaz «roux» s’est déplacé dans le flacondu haut et que les gaz se sont mélangés.

b) Activités de modélisationOn demande aux élèves de représenter schématiquement tousles gaz dans chacun des cadres du document élève suivant.


Un seul gaz Un seul type de particules

Le gaz est plus tassé Les particules sont plus serrées

Le gaz peut encore se serrer Les particules ne se touchent pas dans la case 2

Il y a la même quantité de gaz Il y a le même nombre de particules

Plusieurs gaz Particules différentes

Gaz mélangés Particules différentes bien réparties

Proportions des gaz Proportions des nombres des différents types de particules

d) Modèle enrichiL’activité permet de faire prendre conscience aux élèves qued’autres propriétés non explicitées au départ apparaissentmaintenant.

P5 - Il y a un espace vide entre les particules.P6 - Le nombre de particules caractérise la quantité de matière.Elles seront validées dans les autres activités.

Remarques– La question du vide, de sa nature, provoque des interroga-tions («mais, qu’est ce qu’il y a dedans ? C’est de l’air ! maisnon, puisque c’est un gaz lui aussi !»)– On peut renforcer la maîtrise du modèle en proposant desexercices, par exemple, des représentations d’autres élèvesqui n’ont pas été prises en compte.

2. L’air est un mélange

a) Description du phénomène. Position du problème

Les élèves rappellent la composition de l’air avec l’aide du professeur. Il s’agira de représenter l’air en le considérant comme unmélange principalement formé de diazote et de dioxygène dans les proportions 80 % et 20 %.

b) Activité de modélisation

Sur un document, les élèves dessinent leur représentation.Voici quelques exemples de réponses proposées :

c) Réponse au problème poséOn peut ainsi commencer à établir les rapports :

❍ oxygène 20 % x : azote 80 %

Exemples de réponses des élèves

Exemple de document élève


1 - Représente tous les gaz des flacons. Précise ce qui est représenté dans chaque cadre.

2 - Quelle propriété doivent avoir les particules pour rendre compte de ce qui se passe ?





«Le gaz en haut doit être plus lourd et le bas, léger, donc elles se mélangent.»

«Les particules se déplacent et se mélangent.»

Des réponses choisies par le professeur sont soumises à la discussion comme dans les cas précédents et permettent d’établir la relation suivante.

c) Réponse au problème

Certains élèves perçoivent le déplacement «moyen» desparticules, c’est le professeur qui a affirmé le caractèredésordonné du mouvement des particules.

d) Modèle enrichi

Une nouvelle propriété apparaît :

P8 - Les particules sont animées d’un mouvement désor-donné les unes par rapport aux autres.

P9 - Les particules sont libres les unes par rapport auxautres.

Conclusion

Au cours de ces activités, des aspects importants du modèleparticulaire ont été abordés : distinction entre espace etmatière, existence du vide, mobilité des particules.


Les gaz peuvent se mélanger les particules peuvent se déplacer

PROPRIÉTÉS DU MODÈLE PHÉNOMÈNES ÉTUDIÉS

Modèle initial donné au départP1- Une particule ne se coupe pas.P2 - Une particule garde les mêmes dimensions. B-1 Les gaz sont compressiblesP3 - Une particule garde la même masse.P4 - Une particule ne se déforme pas.

P5 - Il y a de l’espace entre les particules.P6 - Le nombre de particules ne change pas ; B-2 L’air est un mélangeil caractérise la quantité de matière.

P7 - Un gaz pur est représenté par un type de particule ; B-3 Les gaz sont expansiblesun mélangeest représenté par plusieurs types de particules.

P8 - Les particules sont mobiles. Elles sont animées d’un mouvement désordonné.P9 - Les particules sont libres les unes par rapport aux autres.

4. Aspects de l’état solide On peut prolonger l’étude en s’intéressant au cas de solideset de liquides.En se limitant à décrire les variations de certaines propriétésde l’état gazeux à l’état solide, et en prenant comme modèlede référence le dernier modèle décrit, on peut étudier lesconditions de validité d’application du modèle particulaire àl’état solide.

a) Description et position du problèmeÀ partir d’un document, on peut faire retrouver aux élèves lesvariations de 3 propriétés de l’état gazeux à l’état solide : lacompressibilité, l’expansibilité, la forme propre.

Le problème est de donner une représentation satisfaisante del’état solide, tout en discutant des propriétés P1 à P8 établiespour le modèle particulaire du gaz. Il s’agit pour l’élève dedire quelles propriétés on peut garder pour l’état solide etcomment en modifier certaines pour rendre compte des varia-tions des propriétés physiques.

UN SOLIDE UN GAZ

est peu compressible est très compressible

n’est pas expansible est expansible

a une forme propre n’a pas de forme propre

Évolution des propriétés du modèle en fonction des activités proposéesLes flèches symbolisent le déroulement chronologique des séquences et l’enrichissement progressif du modèle initial.

b) Activité de modélisationExamine ci-dessous les propriétés définies pour les gaz. Indique celles que l’on peut conserver pour les solides et celles qu’il fautmodifier. Propose une modification. Représente un schéma de l’état solide.


MODÈLE ÉTABLI POUR LES GAZ MODÈLE À ÉTABLIR POUR LES SOLIDES

P1 - Une particule ne se coupe pas. P1-P2 - Une particule garde les mêmes dimensions. P2-P3 - Une particule garde la même masse. P3-P4 - Une particule ne se déforme pas. P4-

P5 - Il y a de l’espace entre les particules. P5-P6 - Le nombre de particules ne change pas ; il caractérise la quantité de matière. P6-

P7 - Un gaz pur est représenté par un type de particule ; un mélange est P7-représenté par plusieurs types de particules.

P8 - Les particules sont mobiles. Elles sont animées d’un mouvement désordonné. P8-

P9 - Les particules sont libres les unes par rapport aux autres. P9-

MODÈLE ÉTABLI POUR LES GAZ ET LES SOLIDES

P1 - Une particule ne se coupe pas.P2 - Une particule garde les mêmes dimensions.P3 - Une particule garde la même masse.P4 - Une particule ne se déforme pas.P5 gaz - Il y a un espace vide très grand entre les particules.P5 solide - Il y a un espace vide très faible entre les particules.P6 - Le nombre de particules ne change pas ; il caractérise la quantité de matière.P7 - Un gaz ou un solide pur est représenté par un type de particule ; un mélange est représenté par plusieurs types de particules.P8 gaz - Les particules sont très mobiles. Elles sont animées d’un mouvement désordonné.P8 solide - Les particules sont peu mobiles. Elles sont ordonnées dans certains solides.P9 gaz - Les particules sont libres les unes par rapport aux autres.P9 solide - Les particules sont liées les unes aux autres.

Exemples de réponses données par les élèves.

P1, 2, 3, 4, 6 : «sont à conserver» ;

P5, 7, 8, 9 : «sont à modifier».

P5 : «Il n’y a pas d’espace vide entre les particules pour unsolide». «Il n’y a pas d’espace entre les particules».

P7 : «Il faut remplacer le mot gaz et mettre le mot solide à laplace».

P8 : «Elles ne sont pas agitées car les solides n’auraient pasde forme». «S’il n’y a pas de distance entre elles, elles ne

peuvent pas bouger». «Si elles sont liées entre elles, elles nepeuvent être agitées».P9 : «Elles sont liées, car il n’y a pas de distance entre elles».«Elles sont liées entre elles car elles ne bougent pas».Une confrontation des réponses amène aux modificationssuivantes du modèle, après des apports de l’enseignant surl’organisation des particules dans les solides cristallins.

c) Réponse au problème posé - Modèle enrichi.Ces activités amènent au «modèle final» décrit ci-dessous.


D5. Représentation moléculaire des états de l’eauet de solutions acqueuses

Des molécules très mobiles maisaussi très éloignées les unes desautres :- occupant tout l’espace qui leurest offert ;- entrant en collision etrebondissant sur les parois desrécipients.

L’EAU À L’ÉTAT SOLIDE

L’EAU À L’ÉTAT LIQUIDE

Une surface libre horizontale

Des molécules très mobiles

Des molécules empilées régulièrement Un cristal de glace

LA VAPEUR D’EAU


L’EAU SALÉE

- Des molécules d’eau quittentla surface libre et forment unecouche de vapeur d’eau.- Avec l’agitation de l’air, lesmolécules d’eau seront entraî-nées et remplacées par denouvelles molécules provenantdu liquide : c’est l’évaporation.- Si l’eau est fortement brassée(cascade, vague, etc.), dudioxygène sera dissous dansl’eau.

CRISTAL DE SEL DE CUISINE (Chlorure de sodium)L’eau salée est obtenue par dissolution de sel dans l’eau :- L’eau est le solvant.- Le sel est le soluté.

ÉCHANGES ENTRE L’EAU ET L’ATMOSPHÈRE


À l’occasion de la présentation des états de l’eau, la questiondu caractère universel de la distinction entre les trois états :solide, liquide et gaz, ne manquera pas d’être posée. On necherchera pas à dissimuler l’existence de corps pour lesquelsle classement dans l’un des trois états classiques n’est pasimmédiat (substances «pâteuses» telles que la pâte à modeler,aérosols, etc .). La distinction fait souvent intervenir la duréede l’observation ; par exemple, la frontière entre «miel solide»et «miel liquide» n’est pas tranchée ; renversé, un pot de«miel solide» (non cristallisé) finit pas couler, ce n’est pas unauthentique solide. La nature des molécules qui la constituefait qu’une substance a une viscosité plus ou moins impor-tante.D’autres états de la matière, non assimilables à l’un des troisétats précédemment cités, ont été mis en évidence. Leurs propriétés intermédiaires entre celles des trois états : solide,liquide et gaz, font qu’ils constituent une catégorie nouvelled’état de la matière ; c’est le cas, par exemple, des cristauxliquides.

Il y a une centaine d’années qu’ont été observées certainespropriétés curieuses d’un corps organique, le benzoate decholestérol, lorsque l’on effectue la fusion d’un cristal. Lechauffage de ce solide conduit, comme prévu, à une discon-tinuité vers 145° C : on observe la transformation du cristalen un liquide, mais visqueux et d’aspect trouble. Si l’on pour-suit l’élévation de température, on observe une seconde discontinuité vers 178° C : le liquide précédent devient plusfluide et transparent. Lorsque l’on effectue l’opération inverse,c’est-à-dire, lors du refroidissement du liquide, on observeque les transformations inverses ont lieu aux mêmes tempéra-tures. Toute se passe donc comme si ce corps subissait deuxvéritables changements de phase.Il s’agissait du premier exemple de mise en évidence d’un étatde la matière intermédiaire entre l’état solide et l’état liquide.Bien que le phénomène soit assez peu fréquent, plusieurs centaines de corps organiques présentant ces caractéristiquesparticulières sont maintenant connus. Pour la plupart, ce sontsouvent plusieurs phases intermédiaires distinctes entre le

solide et le liquide qui sont observées. Ces phases intermé-diaires sont appelées des mésophases. Les substances présentant ces propriétés sont appelées «cristaux liquides».Elles ont en commun que leur molécule a la forme d’unbâtonnet plat et peu flexible, du moins dans la région centralede la molécule. Dans l’état solide, les molécules se disposentparallèlement les unes aux autres (Cf. figure 1) ; à cet agen-cement ordonné s’opposent les mouvements des moléculesdus à l’agitation thermique. Ainsi, à basse température la tendance à l’ordre l’emporte, conduisant à un arrangementrégulier ; lors du passage à un liquide «classique», cet ordredisparaît du fait de l’agitation thermique qui devient prédo-minante. Dans les cristaux liquides, on observe plusieurssortes de structures intermédiaires, pour lesquelles un certainordre persiste.

• Dans un premier type de mésophase, appelée smectique, lesmolécules restent ordonnées en couches, mais peuvent bougerparallèlement les unes aux autres, ce qui efface l’ordre entremolécules de deux couches distinctes (Cf. figure 2) ; de plus,au sein d’une couche, l’ordre initial n’est plus totalement res-pecté. Ces couches ont été mises en évidence (par des expé-riences de diffraction des rayons X) et leur épaisseur s’avèreêtre à peu près égale à la longueur d’une molécule.

• Dans un second type, le degré d’ordre est plus faible quepour le type smectique : on parle de mésophase nématique.Les couches parallèles y ont disparu et l’ordre se caractériseuniquement par l’alignement des molécules dans une mêmedirection (Cf. figure 3).

Alors que certaines substances ne transitent que par la phasesmectique lors du passage de l’état cristallin à l’état liquidenormal, d’autres ne transitent que par la phase nématique ;certaines autres passent par les deux phases, la phasesmectique précédant la nématique lorsque la températureaugmente. Les températures de transition entre les phasesintermédiaires varient en général dans un intervalle de 0° Cà 150° C, selon la nature des molécules impliquées.

C2. Des liquides ordonnés : les cristaux liquides

Figure 1 : phase cristalline Figure 2 : phase smectique Figure. 3 : phase nématique

(un «bâtonnet « schématise une molécule)

Liquide isotrope


Il est fondamental pour les chercheurs d’affiner sans cesse leurcompréhension de la structure de la matière ; à cette fin, sesont développés récemment des techniques et instruments demesure permettant une observation plus performante de lamatière et donc une approche plus fine des structures ato-miques et moléculaires. Il convient d’insister sur le fait quetoutes ces techniques, aussi précises soient-elles, ne condui-sent pas à une «photographie» de la matière donc à la structure réellement existante ; elles sont toutes basées sur unmodèle que l’expérimentateur s’est préalablement fixé et surlequel repose la technologie employée. L’instrument demesure récupère ainsi une information qui est analyséeensuite selon le modèle.

La diffraction des rayons X

Les rayons X ont une nature identique à celle de la lumièrevisible, à la différence que leur longueur d’onde est à peuprès 1000 fois plus faible, soit de l’ordre de quelquesdixièmes de nanomètres. Quand on irradie un cristal par unfaisceau de rayons X, chacun de ses atomes constitutifs secomporte comme s’il était lui-même une source de rayons X,d’intensité plus faible, se propageant dans toutes les direc-tions (il «diffuse» ces rayons). Ces ondes interférant entreelles, la diffusion est renforcée dans certaines directions (ondit que le cristal produit des rayons diffractés) qui dépendentdu réseau d’atomes dans le cristal ; de plus, l’intensité desrayons diffractés dépend de la structure des atomes dans unmotif élémentaire du cristal, c’est-à-dire leur position spatiale.La méthode de diffraction des rayons X ne donne donc pasune image de la structure mais permet de la reconstituer. Il estnécessaire d’effectuer de longs calculs à l’ordinateur pourconvertir les directions et intensités des rayons diffractés en despositions dans le cristal des atomes. L’établissement d’unestructure nécessite aujourd’hui des temps de calcul pouvantaller de quelques heures (structures simples) à plusieurs mois (6mois environ pour une protéine contenant 5 000 atomes) ; lesstructures les plus simples nécessitaient plusieurs jours il y aquelques dizaines d’années. Cette technique n’est applicableque grâce à l’ordre et la régularité de la structure d’un cristal ;elle ne peut donc être utilisée pour un gaz ou un liquide.

Les microscopies à champ proche

Les années quatre-vingt ont vu le développement de techniques très fines permettant d’obtenir une «image» de lacomposition atomique de la surface d’un solide. Ces micro-scopies nécessitent, entre autres, d’approcher l’instrument demesure à des distances très courtes du solide à étudier(quelques dixièmes de nanomètres), ce qui leur a donné lenom générique de microscope à «champ proche».

• Le microscope à effet tunnel (introduit en 1982 parG. Binning et H. Rohrer, récompensés par le prix Nobel)permet d’observer la surface de solides avec un agrandisse-

ment proche de la centaine de millions, c’est-à-dire à uneéchelle proche de la taille des atomes. Son principe de fonctionnement est le suivant : lorsque l’on approche deuxsolides conducteurs à une distance très courte, sans qu’ils setouchent, des électrons sont en mesure, sous l’action d’une dif-férence de potentiel, de se déplacer d’un solide à l’autre (phénomène d’origine quantique et appelé effet tunnel)produisant ainsi un courant (le courant tunnel). Celui-ci variefortement avec la distance séparant les deux solides. Dans unmicroscope à effet tunnel, les deux solides impliqués sont,d’une part, le solide à analyser et, d’autre part, une fine pointemétallique, déplacée parallèlement à la surface de l’échan-tillon. En maintenant constant le courant tunnel lors du dépla-cement de la pointe, celle-ci doit rester à une distanceconstante de la surface, reproduisant ainsi son relief qui estreproduit sous forme d’une image (figure 1). Tout se passedonc comme si on «voyait» les atomes. On peut distinguer desvariations de la hauteur du relief de l’ordre du picomètre. Laréalisation d’une telle image nécessite de maîtriser des diffi-cultés techniques comme l’approche, sans contact, de la pointeet de la surface étudiée à très faible distance, et l’obtention depointes assez fines pour obtenir la résolution atomique. La limite de cette microscopie réside en ce qu’elle ne peut s’ap-pliquer qu’à l’analyse de solides conducteurs ou semi-conduc-teurs. Pour les solides isolants, on a recours au microscope àforce atomique.

Figure 1 : Image tridimensionnelle de microscopie à effet tunnel surla surface d’un solide (composé d’intercalation graphique - Cr Cl3).La hauteur du relif correspond à une amplitude de 0,1nm.(L’actualité chimique, mars-avril 1992)

• Le microscope à force atomique utilise la proximitéentre la pointe et le solide pour détecter les forces s’exerçantentre les atomes de la pointe et ceux du solide et leurs varia-tions lorsque l’on balaie la surface de ce solide par la pointe-sonde. Là encore, on obtient une image du profil de la surfaceà l’échelle nanométrique (Cf. figures 2 et 3). Le principe est lesuivant : la pointe (souvent en diamant, tungstène ou Si 02) estplacée à l’extrémité d’un levier très flexible et de faible masseet exerce sur les atomes de la surface du solide étudié uneforce constante. La surface est déplacée sous la pointe et, la

C3. L’ «observation» de la matière


force d’interaction pointe/surface variant de place en place,on constate un déplacement du levier qui est enregistré opti-quement.

Les microscopies à champ proche (il y en a d’autres que les

deux décrites ci-dessus) ont ainsi conduit à une nouvelleapproche des propriétés électroniques et structurales dessurfaces de nombreux solides ; elles sont également appli-quées à l’étude des systèmes biologiques.

10 mm

Figure 2 : image obtenue par microscopie à force atomique (MFA),de la surface du tétracène ( ) solide. (L’actualité chimique, mars-avril 1992)

Figure 3 : image, obtenue par MFA , de l’arrangement atomique àla surface d’un cristal de bromure d’argent Ag Br. (L’actualité chimique, mars-avril 1992)


Le système solaire et les planètes qui nousentourent

Ce texte propose un complément documentaire pouvant êtreutile dans les rubriques de la partie A - «À la découverte denotre environnement, la matière» intitulées :A1 - Où trouve-t-on de l’eau ? Recherche documentaire le«cycle de l’eau sur la planète et l’eau en dehors de la Terre»(classe de 5e).A2 - De quoi est composé l’air que nous respirons ? Le dioxy-gène et le diazote en dehors de la Terre, origine biologiquedu dioxygène (classe de 4e).

Les quatre planètes les plus proches du Soleil : Mercure,Vénus, la Terre et Mars ont une surface solide, en tout oupartie, constituée essentiellement de silicates. Au cours de laformation des planètes, les éléments lourds (tels que le fer etle nickel) ont formé leur centre (noyau). Cependant, la surfacede Mars est principalement rouge, cette couleur étant essen-tiellement due à des oxydes de fer entrant dans la composi-tion des roches. Trois d’entre elles possèdent une atmosphère,seule la planète Mercure, trop proche du Soleil et trop peumassive, n’en possède pas.

Eau, dioxyde de carbonne et dioxygène dansle système solaire

Les atmosphère comparées actuelles des planètes Vénus,Terre et MarsLe dioxyde de carbone, l’eau et le diazote, constituants denotre atmosphère, existent également sur d’autres planètesmais en des proportions différentes et sous des étatsphysiques qui dépendent des conditions de température et depression qui y règnent. Le dioxygène, lui, n’existe en quantitéabondante que sur la Terre ; il est le résultat et une forme de«signature» de la vie. Les atmosphères actuelles des deux pla-nètes les plus proches de la Terre, Vénus et Mars, présententdes différences importantes par rapport à celle de la Terre.Sur Vénus, l’atmosphère contient essentiellement du dioxydede carbone, la température au sol est voisine de 450°C et lapression est environ 90 fois plus forte que sur Terre. Sur Mars,l’atmosphère contient également essentiellement du dioxydede carbone et un peu de vapeur d’eau mais la températuremoyenne est de l’ordre de – 50°C alors qu’elle est enmoyenne de l’ordre de 14°C sur notre planète. De plus,l’atmosphère est raréfiée (pression environ 150 fois plusfaible que sur Terre). Des phénomènes atmosphériques exis-tent sur Mars qui produisent des vents et des tempêtes desable tandis que les calottes glaciaires formées de glace

carbonique et de glace d’eau disparaissent et se reforment aurythme des saisons martiennes.

Composition actuelle des atmosphères (pourcentages en volume)

Quelques hypothèses sur les différences d’évolution desatmosphères et sur la présence ou non d’eau liquidePour expliquer les différences, on évoque principalement laplus ou moins grande distance au Soleil et la différence demasse. Lors de leur formation, les trois planètes étaient entou-rées principalement d’hydrogène et d’hélium. La masse desplanètes était insuffisante et leur température trop élevée pourretenir ces composés légers qui se sont échappés, contraire-ment à ce qui s’est produit sur les planètes géantes telles queJupiter, par exemple. Celles-ci ont, au contraire, retenu leuratmosphère primaire en raison, d’une part, de leur masseimportante et, d’autre part, de leur basse température due àleur éloignement au Soleil.Divers scénarios permettent d’expliquer les atmosphèresactuelles. Les planètes en évoluant ont été le siège de phéno-mènes volcaniques et de bombardements météoritiquesproduisant un dégazage. Une atmosphère s’est ainsi forméeavec du dioxyde de carbone, du diazote, de la vapeur d’eauet divers autres composés mais en moindre quantité.L’important bombardement météoritique et cométaire auraitégalement contribué à l’enrichissement en eau.Un modèle d’évolution de la planète Vénus, la plus proche duSoleil, permet de penser que de l’eau liquide aurait pu existermais sous forme d’océans chauds avec une vapeur d’eausuffisamment abondante au-dessus pour favoriser un effet deserre1. La température de surface augmentant, l’eau s’estentièrement vaporisée. L’eau n’existe plus dans l’atmosphèrede Vénus que sous forme de gouttelettes formant avec l’acidesulfurique des nuages épais qui contribuent à cacher lasurface de la planète. C’est actuellement le dioxyde decarbone qui produit l’effet de serre et la forte température àla surface de Vénus.Sur notre planète, les conditions initiales de températureétaient telles que l’eau s’est condensée sous forme d’océans.Des pluies abondantes ont dissous le dioxyde de carbone qui

1. Voir fiche C6.

A2 - L’AIR QUI NOUS ENTOURE ; LE DIOXYGÈNE

(classe de 4e)C4. L’eau et le dioxygène en dehors de la Terre

gaz

dioxyde de carbone (CO2)

diazote (N2)

dioxygène (O2)

Vénus

96

3,5

0,003

Terre

0,03

78

21

Mars

95

2,7

0,15

au fond des océans, capté par les organismes vivants, a ététransformé en calcaires. L’effet de serre a donc été limité, latempérature de surface restant presque constante. Dans lesocéans, la vie est apparue. Des algues bleues ont utilisé ledioxyde de carbone pour croître et ont rejeté le dioxygène. Lafonction chlorophyllienne a transformé notre atmosphère enfabriquant le dioxygène qui actuellement permet les vies évo-luées. Dans la haute atmosphère, la couche d’ozone protec-trice (O3) s’est formée, empêchant la pénétration des rayonsultraviolets qui sont nocifs pour les organismes vivants. Lescarbonates sont en partie éliminés et le dioxyde de carboneest rejeté dans l’atmosphère par les volcans. Si la vie n’existaitpas sur Terre, son atmosphère aurait une compositionvraisemblablement voisine de celle des deux autres planètesavec une plus grande proportion de dioxyde de carbone.La planète Mars est plus éloignée du Soleil. Actuellement,l’eau liquide ne peut exister en raison des valeurs basses dela température et de la pression. On trouve l’eau seulementsous forme de glace ou de vapeur mais des traces d’écoule-ment sont visibles ainsi que des formations qui évoquent deslits de rivières. On suppose que la fusion des glaces se serait produite il y a trois milliards d’années provoquant de fortesinondations. Cette variation du climat pourrait être due à desphénomènes volcaniques ou à des variations orbitales commecelles qui sur Terre provoquent l’alternance des périodes glaciaires et chaudes. Le dioxyde de carbone a, comme surTerre, formé des carbonates mais l’activité volcanique a cessésemble-t-il depuis plus d’un milliard d’années.Si l’eau a pu exister sous forme liquide, une vie primitive a puexister également. L’analyse des constituants d’une météorited’origine martienne a, par ses inclusions, laissé imaginer qu’ilétait question de restes de vie... rien n’est encore prouvé maisla recherche continue.

À la recherche de la vie

La découverte récente dans les profondeurs océaniques ter-restres où l’obscurité règne, près de sources chaudes liées auvolcanisme, de formes de vie dans un environnement qui apriori semble hostile, nous fait réfléchir sur notre recherched’autres lieux où la vie pourrait exister en dehors de la Terre.

Dans le système solaire externe, les composés sont préféren-tiellement des carbures d’hydrogène (pour des raisons detempérature) ; l’azote existe encore à l’état de diazote. Tousles satellites des planètes géantes sont formés d’un mélangede glaces contenant de l’eau et des silicates en proportionsvariées. Seulement deux de ces satellites possèdent une atmo-sphère importante : Titan, satellite de Saturne, et Triton, satel-lite de Neptune. La sonde Cassini-Huygens qui doit êtrelancée en octobre 1997 doit explorer Titan. Ce satellite nousintéresse car les conditions physiques et chimiques de sonatmosphère pourraient correspondre à celles qui ont prévalusur la Terre au moment de l’apparition de la vie.Les composés primitifs qui pourraient être à l’origine de la viesur Terre auraient pu venir de l’espace, des composés orga-niques nombreux ayant été trouvés dans les comètes ou à l’intérieur des météorites et même dans le milieu interstellaire.Les missions spatiales nous ont fait découvrir depuis 20 ansdes mondes à la fois très variés et fortement analogues. Laplanète Mars est la seule planète que l’homme pourraexplorer dans un avenir proche (en dehors de la Lune). Marsnous intrigue par l’éventualité de la découverte de vie fossile.Des sondes automatiques doivent explorer la planète Mars, laplanète Saturne (mission Cassini) et les petits objets tels queles astéroïdes (dont certains sont faits de fer) et les comètes,en analysant sur place leur composition ou en rapportant deséchantillons sur Terre (missions Stardust et Rosetta, parexemple). La sonde Galileo explore le système de Jupiter, lespremiers résultats sont en cours d’étude.

BibliographieKenneth Lang et Charles Whitney, Vagabonds de l’espace,Springer-Verlag.Bottinelli, Brahic, Gouguenheim, Ripert, Sert, La Terre etl’Univers, collection Synapses, Hachette.Th. Encrenaz, Le système solaire, Dominos, Flammarion.Ph. de la Cotardière, Astronomie, Larousse.Astronomie, Encyclopédie Universalis.Pour les élèves : Marcellin, Astronomie, CIL.


– La combustion du morceau de charbon de bois ou d’unfusain est amorcée avec la flamme d’une allumette ou d’unbriquet.– Lorsque le charbon de bois présente une zone d’incandes-cence, l’introduire dans le flacon de dioxygène : la combus-tion devient très vive.– Lorsque la combustion est terminée, mettre en évidence ledioxyde de carbone formé. On pourra, par exemple, préleverun peu du contenu gazeux du flacon à l’aide d’une seringue

à l’extrêmité de laquelle on aura fixé un tuyau souple. Le gazrecueilli sera envoyé au contact de l’eau de chaux que l’onaura versé dans un tube à essais. On observera la formationlente d’un précipité (carbonate de calcium).– On pourra aussi effectuer le test du dioxygène (bûchette àincandescence) et du dioxyde de carbone (eau de chaux)dans un flacon témoin contenant les réactifs. Dans le flaconfinal, on effectuera aussi le test du dioxygène.– De même, le professeur, soufflant avec une pipette dansl’eau de chaux, fera constater qu’il se forme un précipité iden-tique ; on en conclut que la fonction respiratoire est égalementsource de dioxyde de carbone.

Points essentiels

– La combustion du charbon de bois dans le dioxygène estplus vive que dans l’air.– Dans l’air, comme dans le dioxygène, la combustion s’ac-compagne d’un dégagement de dioxyde de carbone mis enévidence avec de l’eau de chaux.

Manipulation

Élèves

Objectifs généraux

Respecter le protocole.Manipuler proprement.Faire un compte-rendu rédigé.

Objectifs spécifiques

Réaliser une combustion.Identifier le produit de la réaction.

Matériel

– un flacon avec du sable ou de l’eau au fond muni d’un bou-chon sur lequel on pourra fixer l’extrêmité d’un fil de fer– du charbon de bois ou du fusain– du dioxygène (bouteille ; voir aussi fiche préparation)– de l’eau de chaux


E7. Combustion du carbone dans le dioxygène

LUNETTES OBLIGATOIRES

Déroulement de la manipulation

Manipulation1

Élèves


Respecter le protocoleManipuler proprementFaire un compte-rendu rédigé


Réaliser la combustion du fer

Matériel

– un flacon avec du sable au fond muni d’un bouchon surlequel on pourra fixer l’extrémité d’un fil de fer– du fil de fer fin– du dioxygène (bouteille ; voir aussi fiche préparation)– une pile plate 4,5 V ou des allumettes– de la laine d’acier– une balance Roberval (ou mieux une balance à affichagenumérique à 0,1g)


Pesée avant combustion Pesée après combustion

LUNETTES OBLIGATOIRES

E8. Combustion du fer dans le dioxygène

Déroulement de la manipulation

La combustion de la laine d’acier est amorcée avec la flammed’une allumette ou en formant avec le tampon un court-circuitentre les bornes de la pile.Dès les premières étincelles dans la laine d’acier, introduire letampon suspendu au bouchon dans le flacon de dioxygène :la combustion continue et devient très vive.

Points essentiels– La combustion du fer dans le dioxygène est plus vive quedans l’air.– Dans l’air, comme dans le dioxygène, la combustion s’ac-compagne de la formation d’oxydes de fer dont la masse estsupérieure à la masse du fer initial (environ + 0,5 g pour 3 gde paille de fer). Il ne faut pas chercher à accorder une valeurquantitative précise à cette manipulation compte tenu du faitqu’il peut y avoir perte, sous forme de globules, d’une partiede l’oxyde formé.

1. Voir fiche E3.

pour


Les réactifs les produits de la réaction.

CH4 + 2 O2 CO2 + 2H2 O

réagissent et donnent

1 molécule de méthane

1 molécule deméthane disparue

1 molécule dedioxyde

de carbone

2 molécules dedioxygèneréagit

avec

ou 2 molécules dedioxygène disparues

2 molécules d’eau

il se forme et

Exercices de compréhension

1) Combustion complète de 3 molécules de méthane

nombre de molécules

méthane

dioxygène

dioxyde de carbone

vapeur d’eau

avant la réaction

3

6

qui réagissent

3

6

après la réaction

0

0

3

6

Exemple du bilan de la combustion du méthane dans le dioxygène

D7. Lecture raisonnée d’une équation-bilan en chimie

2) Combustion d’un mélange de 4 molécules de méthane et de 4 molécules de dioxygène

nombre de molécules

méthane

dioxygène

dioxyde de carbone

vapeur d’eau

avant la réaction

4

4

qui réagissent

2

4

après la réaction

2

0

2

4

Manipulation

Élèves


Respecter le protocoleManipuler proprementFaire un compte-rendu rédigé


Illustrer la conservation de la masse lors d’une réaction chimiqueIdentifier le dioxyde de carbone

Matériel

Par groupe : – 1 morceau de craie carrée (environ 5 g)– 100 cm3 d’acide chlorhydrique à 2 mol.L-1 (ne pasdépasser cette concentration)– (éventuellement eau de chaux)– 1 bouteille plastique avec bouchon à vis 1L (ou mieux, bocalétanche pour stérilisation)– 1 ballon de baudruche– 1 balance à affichage numérique– (éventuellement) bouchon avec tube à dégagement + tube àessais pour recueillir un peu de dioxyde de carboneRemarque : Incliner la bouteille dans laquelle on a déjà intro-duit l’acide chlorhydrique pour déposer en haut du goulot lemorceau de craie. Boucher très fermement. Noter l’heure et lamasse indiquée sur la balance (refaire les mesures au bout de5 puis de 10 minutes).


LUNETTES-GANTS-BLOUSES OBLIGATOIRES

E9. Réaction du calcaire avec l’acide chlorhydrique

Durée

Au moins 1/2 h.Toute la craie disparaît au bout de 12 minutes environ.

Points essentiels

Remarques : Avec un bouchon à vis, une légère fuite se produit (~ 0,1 g/5 min), avec le ballon de baudruche (~0,4 g/5 min !).Si au bout de 5 minutes on ouvre le bouchon, on entend desgaz s’échapper et on peut constater une perte de masse d’environ 1 g.En cas d’utilisation d’un bocal, attention lors de l’ouverture(yeux, peau).

Mise en évidence du dioxyde de carbone formé au cours de la réaction.


Manipulation

Professeur

Objectifs

Préparer du dioxygène en l’absence de bouteille de dioxy-gène au laboratoire

Matériel

– eau oxygénée 20 volumes (environ 20 cm3)– solution de permanganate de potassium 0,1 mol.L-1

(environ 50 cm3)– acide sulfurique concentré (environ 1 mL)Remarque : Par définition 1 litre d’eau oxygéné (fraîche) à 20volumes est susceptible de libérer 20 litres de dioxygène lorsde la réaction de dismutation.

E10. Préparation du dioxygène

Par action du permanganate de potassium acidifié sur l’eau oxygénée

Durée

La réaction est très vive : verser l’eau oxygénée goutte àgoutte.

Points essentiels

Le port des gants, des lunettes de protection et de la blouse estvivement conseillé.Ne pas oublier de purger l’appareil avant de récupérer ledioxygène.


AIR POLLUÉ par du dioxyde de soufre

Il y a pollution de l’air lorsque :– les proportions de certains gaz contenus dans «l’air pur» (même en très faiblequantité) varient ; c’est le cas du dioxyde de carbone dont un excès provoque unaccroissement de l’effet de serre (Cf. fiche C6).– des molécules de substances polluantes (dioxyde de soufre, oxydes d’azote, etc.),même sous formes de traces, sont présentes.

L’AIR « PUR » : un mélange gazeux

D8. Représentation moléculaire de l’air, «pur» ou pollué

L’air est essentiellement constitué de molécules :– de diazote N2 (presque 80 %)– de dioxygène 02 (environ 20 %)– de vapeur d’eau, de dioxyde de carbone (0,3 %)– d’argon, de krypton, de néon, etc. (gaz rares)


En tant que première illustration des réactions chimiques, leprogramme se réfère à des molécules dont la structure estparticulièrement simple. Ceci n’empêche pas de montrerquelques documents représentant des molécules plus complexes (cyclohexane, glucose, saccharose, cholestérol,ATP, molécules «cryptands», etc.). Sans qu’il soit demandé iciaucune mémorisation, on pourra ainsi souligner la variété etla complexité des structures moléculaires présentes dans lanature ou synthétisées par l’homme.

Représentation topologique des molécules

L’enchaînement des atomes au sein d’une molécule est géné-ralement représenté à l’aide d’une formule dite «semi-déve-loppée» ou «développée» (si on y fait figurer toutes les liai-sons). Lorsque l’édifice moléculaire devient plus complexe(comportant un nombre important d’atomes), il est pratiquede recourir à un mode de représentation simplifié : la repré-sentation topologique. Dans cette représentation, qui n’a pasà être enseignée au collège, les liaisons carbone-carbone sontreprésentées par des segments, dont les extrémités représen-tent les atomes de carbone. Les atomes d’hydrogène ne sontpas mentionnés (chaque carbone en porte un nombre tel quesa tétravalence est respectée) sauf s’ils sont liés à des hété-roatomes (atomes autres que C), eux aussi représentés. Parexemple, le propane CH3 - CH2 - CH3 sera représenté ennotation topologique par : ; l’éthanol (CH3 - CH2 - OH) par : OH.Ce mode de représentation est très fréquent pour des molé-cules cycliques. Ainsi, le cyclohexane de formule C6 H12 estreprésenté en perspective : ou bien «à plat» : La représentation topologique permet donc d’alléger la repré-sentation en formule plane des molécules.

Pour leur représentation spatiale

il existe plusieurs types de modèles moléculaires, dont deux enparticulier : le modèle «compact» et le modèle «éclaté». Parexemple, la figure 1 donne la représentation de la moléculed’éthane (CH3 - CH3) en modèle compact (1a) et éclaté (1b).Dans les deux modèles, les atomes sont assimilés à dessphères. Dans le modèle compact, les dimensions relatives desatomes et des liaisons sont globalement respectées. Il permetde définir le «rayon» des atomes (dit rayon de Van derWaals), égal à la moitié de la plus courte distance à laquellepeuvent s’approcher les noyaux des deux atomes identiques,appartenant à des molécules différentes. Dans le modèleéclaté, plus lisible puisque l’on y écarte les atomes les uns parrapport aux autres, les distances sont par contre très suréva-luées par rapport aux dimensions des atomes. Ce modèle estdonc beaucoup plus éloigné de la structure réelle que lemodèle compact. La figure 2 donne la représentation ducyclohexane en modèle éclaté.

Ces représentations spatiales peuvent être montrées auxélèves par l’intermédiaire de logiciels de représentation molé-culaire ou en projetant un transparent ; il est préférable queles élèves en gardent une trace sur un imprimé qu’on leurremettra en plus de la visualisation à l’écran.Les molécules évoquées précédemment ont une structure rela-tivement simple. La plupart des molécules, d’origine naturelleou synthétique, ont des structures en général plus complexes.En voici quelques exemples, que les élèves n’auront pas àmémoriser :

Le glucose (C6 H12 06) (figure 3)Il s’agit d’une molécule appartenant à la catégorie des sucres,très présents dans les milieux vivants. Le glucose est le pluscommun et le plus répandu dans le monde naturel. Synthétisépar les plantes à partir d’eau et de dioxyde de carbone, il estinversement dégradé en ces mêmes molécules par les ani-maux, ce qui produit de l’énergie.

C5. Représentation des moléculesDes molécules simples aux molécules complexes

Figure 1 : modèles moléculaires de l’éthane

(1a) : modèle compact, représentation agrandie

(1b) : modèle éclaté

Figure 2 : représentation du cyclohexane en modèle éclaté

Figure 3 : la molécule de glucose


Le saccharose (C12 H22 011) (figure 4)Cette molécule est constituée de deux unités : une unité glucose et une unité fructose, liées l’une à l’autre ; elle est lamolécule constitutive du sucre de table. Présente dans de nom-breux végétaux, on la trouve surtout dans la canne à sucre etla betterave sucrière.

Le cholestérol (C27 H46 0) (figure 5)Cette molécule, synthétisée par l’organisme à partir degraisses, joue un rôle essentiel dans le métabolisme du corps.Son accumulation dans les artères peut cependant provoquerune gêne à l’écoulement du sang et engendrer des troublescardiaques.

L’adénosine triphosphate, ou ATP (C10 H14 013 N5 P3) (figure 6)Cette molécule est constituée de trois unités : une molécule desucre (le ribose), une base (l’adénine) et l’enchaînement detrois groupes phosphate. C’est une des molécules les plusimportantes du monde vivant car elle constitue une sourced’énergie disponible pour la réalisation de réactions biochi-miques : contraction des cellules musculaires, métabolisme dela nourriture, synthèse des protéines, etc.

7c 7b

Figure 5 : la molécule de cholestérol

Figure 6 : la molécule d’ATP

7a

Figure 7 : une molécule de cryptand ( C18 H36 O6 N2 )

Figure 4 : la molécule de la saccharose

Un exemple de molécule «cage» : les cryptandts(Figure 7) Cette classe de molécules possède une structure tridimension-nelle dans laquelle on peut distinguer une sorte de cavité dontla taille et la géométrie dépendent de la structure moléculaire.Une autre molécule, en particulier un cation, peut venir se lierà quelques atomes du cryptand, et ce tout en étant à l’inté-

rieur de la cavité. Il devient alors inaccessible au milieu exté-rieur comme s’il était dans une cage (d’où le nom decryptate). De nombreuses applications en synthèse résultentde ces propriétés. On représente en figure 7 la structure ducryptant emprisonnant un cation K (figure 7a) puis, en modèlecompact, le cryptand seul (7b) et avec le cation (7c) au centre.

Manipulation Élèves


Respecter le protocoleManipuler proprementFaire un compte-rendu rédigéDistinguer réactifs et produits


Réaliser la synthèse d’un arômeApprentissage de nouvelles techniques : relargage, utilisa-tion d’une ampoule à décanter

Matériel

– un bain-marie (chauffage électrique de préférence)– un thermomètre– un tube à essais ou un petit erlenmeyer avec bouchonsurmonté d’un tube réfrigérant (20 à 40 cm de hauteur)– une petite ampoule à décanter et son support– deux bechers

Produits (par groupe)– 5 mL d’acide acétique (90 %)– 5 mL d’alcool isoamylique (ou 3 méthylbutan-1-ol)– quelques gouttes d’acide sulfurique (4 à 5) (90 %)– solution d’hydrogénocarbonate de sodium (bicarbonate)– eau froide avec chlorure de sodiumPour distribuer les réactifs, le professeur pourra utiliser desburettes de 50 cm3 préalablement remplies, l’une d’acideacétique, l’autre d’alcool ; il rajoutera ensuite l’acide sulfu-rique au mélange.

Attention : utilisation obligatoire de lunettes, gants etblouse : les trois réactifs sont nocifs, voire inflammables (les deux premiers).


ESTÉRIFICATION DÉCANTATION

E11. Synthèse d’un arôme de bananeLacétate d’isoamyle (éthanoate de 3-methyl butyle)

Points essentiels

– Rôle du réfrigérant.– Constater la différence d’odeur entre les réactifs et l’esterproduit. Attention : Ne jamais placer le nez directement audessus mais déplacer légèrement le dégagement en agitantavec la main.

– Mélange homogène au départ, hétérogène à l’arrivée.Possibilité de séparation par décantation.L’utilisation correcte de l’ampoule à décanter nécessite dutemps.– Éventuellement : relargage«Neutralisation» par l’ion hydrogénocarbonate dans le butd’isoler le produit cherché des réactifs non utilisés.

Manipulation

Objectifs

Introduire les deux types de sources de lumière (primaire etsecondaire).Faire comprendre le fait que «pour voir une source de lumière,il faut déjà en recevoir de la lumière» : cette notion qui paraîtévidente est souvent mal assimilée par les élèves pour quiregarder veut souvent dire lancer des flèches avec ses yeux.

Matériel pour chaque groupe

– boîte en carton parallélépipédique, d’environ 30 cm dehaut, peinte en noir à l’intérieur ou couverte de papier noirmat ou mieux «velours»– un trou de 2 à 3 mm de diamètre environ est percé dans lecarton (en essayant que le bord soit net) aux deux tiers de lahauteur et au centre de la face– lampe et son support, pile plate, fils

Activités

1- Les élèves branchent le circuit et allument la lampe ; elle estplacée dans la boîte, dans le coin à côté de la face percée(schéma ci-dessous). Ils placent un cache devant l’orifice etferment la boîte.

Nota : les proportions ne sont pas respectées sur le croquis

Question posée : «Le cache étant enlevé, et votre œil étantenviron à 20 cm et à peu près en face du trou que verrez-vous dans la boîte ? Expliquez votre réponse.»Plusieurs élèves proposent : «On verra de la lumière».Réalisation de l’expérience : le trou semble noir (en réalité, ilest vrai que le carton noir peut diffuser un tout petit peu, etque par suite un peu de lumière peut sortir par le trou, maiscelui-ci paraît noir par contraste avec la boîte autour dont laparoi extérieure est éclairée. Le professeur : «Expliquez pourquoi on ne voit pas l’intérieur

de la boîte». (Réponse attendue : «un objet noir ne renvoiepas de lumière.»)

2 - Question professeur : Est-il possible de vérifier que lalumière brille encore sans ouvrir la boîte ? Démarcheattendue : Placer l’œil contre le trou ou sur l’axe lampe-trouet essayer de justifier cette démarche par un schéma.

3 - Question professeur : imaginez un ajout ou une modifi-cation du montage intérieur à la boîte permettant de recevoirla lumière, l’œil restant à 20 cm du trou. Réponse possible :«on déplace la lampe ; on met un objet blanc (diffusant) àl’intérieur de la boîte.»

4 - Faire le bilan. L’œil doit recevoir de la lumière pour voirquelque chose.

5 - Une boule blanche est placée dans la boîte. «Pourquoipeut-on la voir ?». Les élèves disent en général qu’elle renvoiela lumière. Les mots : diffusion, source diffusante, sourcesecondaire peuvent être introduits.Une boule noire remplace la boule blanche ; dans ce cas, lesélèves disent parfois : «la peinture noire attire la lumière etl’absorbe».Si on met à la fois la boule blanche et la boule noire, lablanche est toujours visible ; donc elle seule constitue unesource de lumière et ce n’est que la lumière qui arrive sur laboule noire qui est absorbée. Faire le schéma du trajet que suit la lumière pour arriverjusqu’à l’œil.La lumière va de la lampe jusqu’à la boule blanche puis de laboule blanche jusqu’à l’œil. L’expression : «la lumière se propage» est donnée mais elle n’a pas toujours de sens pourles élèves.

Bilan

Existence de deux types de sources lumineuses : objets lumineuxqui «fabriquent» eux-mêmes la lumière qu’ils envoient (lampe),objets diffusants qui renvoient la lumière qu’ils reçoivent. Pour voir, l’œil doit recevoir de la lumière qui vient de lasource.


1. Ce travail s’inspire à la fois de la thèse de Wanda Kaminsky et de l’articlede Mireille Barral et Nicole Jourdain publié dans le numéro de mars del’APISP et d’avril 1997 de l’UDP.

Trou

Cach

e

B : LA LUMIÈRE

(classe de 4e)

E12. Conditions de visibilité d’un objet1

Dialogue entre un élève et son père, artiste peintre :

«–Sais-tu ce que m’a dit mon professeur ? Il paraît qu’enmélangeant trois lumières colorées on obtient du blanc.– Lesquelles ?– Verte, rouge et bleue.– Mais non ! Je sais bien qu’en effectuant ce mélange de peintures, j’obtiens du noir.»

Qui a raison ?(Prérequis : objet coloré, rôle des filtres)

Expérience 1

1) ManipulationLes expériences nécessitent de travailler dans une salle obscure (à défaut, dans une boîte en carton).Vous disposez :– d’une lanterne (12 V) qui, grâce aux miroirs latéraux,permet d’obtenir trois faisceaux colorés rouge, vert et bleu oude trois lampes de poche ;– d’un écran, blanc d’un côté, noir de l’autre.Superposer deux à deux les faisceaux colorés et observer.Recommencer avec trois faisceaux.

2) Questions et réponses attendues de l’élève(convenablement guidé)

Pourquoi un écran blanc éclairé avec un faisceau vert paraît-il vert ?

Pourquoi un écran blanc éclairé avec un faisceau rougeparaît-il rouge ?

«Un écran blanc n’absorbe rien et diffuse tout ce qu’il reçoit.»

Pourquoi un écran noir éclairé avec un faisceau vert paraît-ilnoir ?

«Un écran noir absorbe tout ce qu’il reçoit, ne diffuse rien.»

Vous avez obtenu de nouvelles couleurs à partir du rouge, duvert et du bleu. Pourquoi appelle-t-on cette technique «synthèse additive»?

«On produit de nouvelles lumières en additionnant deslumières.»

Expérience 2

1) ManipulationsVous disposez de filtres cyan, magenta et jaune. De quellecouleur voyez-vous la lumière diffusée par une feuille depapier blanc si vous regardez à travers un filtre, puis deux etenfin trois ? Observer. Interprèter.

2) QuestionsUn faisceau de lumière blanche traverse des filtres. Donner lacouleur qui passe :a) si on utilise un filtre magenta seul ;b) en superposant un filtre jaune et un filtre magenta ;c) en superposant un filtre vert et un filtre rouge ; d) un filtre vert et un filtre jaune.

Même question si la lumière est cyan et les filtres :a) jaune seul ; b) vert et bleu ; c) rouge seul.


E13. Synthèse additive ou synthèse soustractive ?

Objectif

Reprendre la notion de propagation et la notion de lumièrequi arrive dans l’œil.Le trajet de la lumière est représenté par un rayon qui va dela source jusqu’à l’œil ou l’obstacle.La lumière ne peut se voir que si elle arrive dans l’œil.

Remarque :«Matérialiser un rayon», c’est nécessairement renvoyer unepartie de la lumière vers l’œil donc l’empêcher de continuerson chemin en ligne droite : il ne faut utiliser les systèmes telsque «peignes», que dans une étape ultérieure car tous cessystèmes, en réalité, utilisent des projections de bords de fentesur un plan et le «rayon» ne se propage pas dans ce plan.

Matériel

– Professeur : laser ou «flèche laser» ou projecteur de diapo-sitives réglé pour obtenir un faisceau fin.– Élève : source (lampe), feuille de papier support, fente, petitécran.

1. Faisceau et tache de lumière sur le mur

Le laser est branché, une mince tache de lumière apparaît surle mur opposé (attention aux yeux).Rien n’est visible entre les deux. Y a-t-il de la lumière entre lesdeux ? Comment peut-on le savoir ?Les élèves proposent en général de la fumée, de la poussière,plus rarement un objet diffusant de plus grande taille et pratiquement jamais une vision directe qui dans le cas d’unlaser serait d’ailleurs à proscrire.

2. Travail sur schémas

a) Éléments de l’expérience précédemment faite : boîte,lampe, boule blanche, trou et œil.Tracez le trajet de la lumière qui peut arriver dans l’œil.Mettre une flèche sur le sens de propagation.Les trajets sont en général corrects mais les sens des flèches nele sont pas toujours. Spontanément, les élèves retrouvent sou-vent l’explication antique dite du «rayon visuel» : on obtientdes schémas sur lesquels l’œil semble «lancer des rayons.»

b) Dessin avec Soleil, petit objet, œil.L’œil voit l’objet. Représenter le trajet de la lumière et son sens.Des erreurs plus fréquentes sur le sens apparaissent : par

exemple, le Soleil éclaire l’œil qui renvoie la lumière versl’objet. Discussion avec le groupe, la solution est donnée maispas nécessairement assimilée.

3. Expérience

Sur une feuille A4, on note les trois positions (1), (2) et (3) suc-cessives de la source, la position de la fente et de l’écran.1ère étape : l’écran recevra-t-il de la lumière si la lampe estplacée en (1) ? Si oui, dessinez le trajet de la lumière à partirde la source jusqu’à l’écran. Vérifiez que le schéma est correcten faisant l’expérience.Après avoir fait l’expérience, faites le schéma pour la position(2) de la lampe, vérifiez en faisant l’expérience.Sur le schéma, précisez à chaque fois où est la source delumière. Indiquez le sens de propagation.

Bilan

Définition On appelle «point source» tout point susceptible d’envoyer dela lumière dans toutes les directions. Un objet source est unensemble de points source.Dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage en ligne droite à partir de la source ; on représenteson chemin par des droites appelées rayons. Le sens de propa-gation de la lumière est indiqué par une flèche sur le rayon.Un point objet est visible si un rayon venu de ce point peutarriver dans l’œil sans qu’il ait été arrêté par un obstacle (objetopaque). On peut suivre son trajet de la source jusqu’à l’œil etle représenter sur un schéma.Ce modèle sera utilisé pour représenter les visées à travers des«trous» ou des fentes et pour représenter le trajet de la lumièrejusqu’à un écran.

Application possibleLa chambre noire, à condition de prendre des précautionsquant à l’interprétation du résultat. La reproduction reconnais-sable d’un objet qui est observable sur un écran n’est pas uneimage au sens de l’optique ; en effet, à chaque point de l’objetne correspond pas un point unique méritant le nom d’imageau sens scientifique précis de ce terme.Ceci peut être montré en ne se limitant pas à des trous rondsmais en utilisant aussi des trous en forme de triangle ou étoilequi permettent de mieux appréhender la «reproduction»comme ensemble de «taches» de lumière dont les dimensionsdépendent de celle du trou ainsi que de sa forme.


E14. Propagation rectiligne de la lumière

Objectif

Faire assimiler les notions d’ombre et de pénombre par desvisées directes précédant les constructions de rayons ou lesvérifiant.

Matériel

Professeur (expérience 2.b) : une lampe avec un diffuseur (ouun projecteur de diapositives et un papier translucide).

Élèves (expériences 1 et 2.a) : carton fin (ou papier), deuxlampes 6V (3.5 V) sans globe diffuseur et leur alimentationpar groupe.

Nota : les expériences peuvent se faire sans rideau noir àcondition de se protéger de la lumière extérieure avec unsimple livre «debout».

1. Ombres

Chaque élève peut se fabriquer sa maquette soit en carton soiten papier.Dimensions : écran de largeur 21 cm et de hauteur 5 cm etrepli de 5 cm ; languette de largeur 2 cm, de hauteur 5 cmcomportant un repli formant pied.La partie horizontale du dispositif est une feuille de papier ouéquivalent sur laquelle on fixera par du ruban adhésif lesdeux éléments (écran + languette) à environ 5 cm de distancel’un de l’autre. On effectuera alors aisément des tracés sur lafeuille horizontale.Placer une lampe «élèves» (c’est-à-dire sans diffuseur, autre-ment dit source ponctuelle) à environ 10 cm en avant de lalanguette.

Une ombre apparaît sur l’écran. La feuille de papier permet,après avoir repéré la position de la lampe, de la languette-objet et de l’écran, de faire le schéma des rayons extrêmes.On suppose que la source est déplacée de 4 cm, latéralement,par rapport à la position précédente (en gardant la mêmedistance à l’écran). Faire le schéma délimitant les régionsd’ombre. Vérifier les tracés par l’expérience.

2. Pénombres

a) Avec deux sources ponctuelles (expérience élève)Il suffit de placer les deux lampes dans les positions précé-dentes ; les deux ombres apparaissent sur l’écran.Elles sont «moins sombres» sauf dans une région centrale.Expliquer les observations. Pour guider le raisonnement, oncache l’une des lampes puis l’autre.Dans la région sombre ou ombre, aucune des deux lampesn’éclaire l’écran. Dans la région de «pénombre» seule l’unedes lampes éclaire l’écran.

b) Avec une source largeExpérience professeur : à l’aide du globe diffusant, on éclaire unesphère ; on observe sur un écran en carton blanc (placé à 2 m) dela sphère les deux zones ombre et pénombre. Lors de la prépara-tion de l’expérience, le professeur doit prévoir des trous placés auxbons endroits : l’un dans la zone d’ombre, le deuxième dans lazone de pénombre et le troisième dans la zone de lumière.

Sur une feuille la source, la balle et l’écran sont représentés.

Que voit-on par les trous ? Justifier la réponse par un schéma.Vérifier votre prédiction sur le montage.


Source Balle Écran

Feuille de papier

E15. Ombre et pénombre

La fiche ci-dessous se propose de guider l’enseignant pourl’activité «réaliser un modèle du système solaire» qui estmentionnée dans la rubrique B2 du programme : propaga-tion rectiligne de la lumière.

Objectifs

Permettre à l’élève de mieux se situer dans l’espace en prenant conscience des échelles de distance.Créer un modèle du système solaire où tout est représenté enutilisant la même échelle et surtout ne pas transformer cettemodélisation en un exercice de simple calcul. Le travail com-prend deux parties : l’une sur les distances et l’autre sur lemouvement des planètes autour du Soleil.Pour commencer, il serait bon d’observer une planète au moins ;de préférence avant de faire la maquette, ou au moins après.Vénus, Jupiter, Saturne et Mars sont visibles même des grandesvilles. Pour trouver leur position, on peut utiliser les revues scientifiques pour jeunes, la plupart donne le ciel du mois. LeMinitel ou internet permettent également cette recherche.

1. Les distances

Matériel

Mètre, fil (500 m), perles, boules et balles, par exemple enpolystyrène (de 0,5 mm à 14 cm).

Méthode

Choisir l’échelleElle dépend de l’espace dont on dispose. Par exemple, si l’onsouhaite représenter la Terre par une perle (ou une grosse têted’épingle) de 1,3 mm de diamètre, l’échelle utilisée sera de10 000 km/mm. Calculer les dimensions. Chaque groupe de la classe calculepour «sa planète» le diamètre et la distance au Soleil sur lamaquette. Des étiquettes sont préparées pour chaque astre,les grosses planètes peuvent être décorées.

Mesurer les distancesIl serait intéressant à cette étape de discuter pour trouver lameilleure façon de mesurer des distances qui peuvent allerjusqu’à 450 m si on souhaite placer Neptune avec cette échelle.Une possibilité est que chaque groupe coupe le fil à une lon-gueur allant de la planète qui le précède à celle qu’il représente.L’exercice peut se faire dans un grand couloir (en limitant lenombre de planètes), dans une cour, un stade ou dans la rue.On peut également utiliser un plan du collège ou du quartier etson échelle. Chaque groupe tient sa planète et son étiquette.

Parcourir le systèmeLes élèves se relayent afin que chacun ait une fois parcouru

tout le système. Ce qui est impératif est de faire prendreconscience aux élèves de ce que les planètes sont toutespetites par rapport à la distance qui les sépare. Il est intéres-sant de faire mesurer par visée sur une règle graduée le dia-mètre apparent du Soleil de la maquette par un élève placéau niveau de la Terre.

Observer les vraies planètesIl faut alors pouvoir observer une planète à l’œil nu et éven-tuellement compléter par l’utilisation d’une petite lunette ou dejumelles.

2. Révolutions autour du Soleil

Matériel

– logiciel visualisant les planètes à un moment donné– carte du ciel avec son horizon– série de diapositives prises à des moments différents montrant le déplacement d’une planète par rapport aux étoiles

Méthode

Observation, si cela est possible, de Vénus dont le déplace-ment par rapport aux étoiles est visible au bout de quelquesjours ou projection d’une série de diapositives montrant, parexemple, le mouvement de Mars ou de Vénus par rapportaux étoiles.Un petit logiciel de simulation permet de voir tourner les planètes et de constater que l’année martienne fait pratique-ment deux années terrestres. Il peut être également intéressantà une date donnée de se poser la question de la visibilité dela planète et à quel moment de la nuit.Une carte du ciel très simplifiée permet en positionnant leSoleil aux différentes époques de l’année de visualiser la hau-teur du Soleil dans le ciel suivant la saison, la longueur desjours. Un changement de latitude est également possible enchangeant l’horizon. Une petite sphère céleste ou un planéta-rium portable (parapluie), même rudimentaire, peut aider àse situer et à mieux comprendre saisons, lever et coucher desastres. Il est également possible de placer les planètes parmiles étoiles suivant le moment de l’observation.

Compléments

Une constellation délimite une région du ciel. Les étoiles qui lacomposent peuvent être à des distances très différentes de laTerre. Les constellations du zodiaque sont celles qui sontproches du plan de l’écliptique c’est-à-dire du plan de l’orbitede la Terre (qui est aussi le plan de l’orbite apparente du Soleilsur la «sphère céleste»). La place du Soleil au cours del’année par rapport aux constellations du zodiaque donne ladate. L’atmosphère de jour nous empêche de voir les étoiles


E16. Réaliser une maquette modélisant le système solaire1

(Attention : les dates données par les horoscopes correspon-dent aux positions du Soleil il y a environ 2 000 ans !). Direqu’une planète est dans une constellation, c’est simplement lasituer sur la sphère céleste. Si la direction d’une constellationfait un angle trop petit avec la direction du Soleil , elle ne serapas visible.Les périodes de révolution des planètes sont de plus en plusgrandes au fur et à mesure que l’on s’éloigne du Soleil (lois deKepler a3/T2 =1 si a est le demi-grand axe de l’orbite en unitéastronomique et T sa période de révolution en années terrestres).La distance Terre - Soleil est de une unité astronomique.Attention aux représentations en perspective : elles exagèrenttoujours l’ellipticité. Les orbites peuvent toujours être considé-

rées comme quasi circulaires en première approximation(sauf celle de Pluton et, dans une moindre mesure, celle deMercure).

Bibliographie

Documents HS1 du CLEA, 26 rue Bérangère, 92210 Saint-Cloud.Serveur du CNDP : www.cndp.fr


1. Ce travail s’inspire des fiches pédagogiques du CLEA (Comité de LiaisonEnseignants Astronomes).

Activité

Créer une maquette permettant de matérialiser la course duSoleil et l’utiliser.Il est fructueux de faire précéder cette activité de : – observation directe par les élèves des lieux de lever et cou-cher du Soleil ; – relevé de l’ombre d’un bâton au cours d’une journée.

Objectifs

Distinguer l’heure solaire et l’heure légale (donnée par unemontre).Apprendre à utiliser le Soleil pour se repérer, au moins som-mairement.

Matériel

Professeur : demi sphère transparente (un saladier, parexemple)Élèves : boussoles


Maquette

E17. La course apparente du Soleil pendant une journée

Déroulement

La demi-sphère transparente est posée sur un support encarton. On trace le bord sur le support, il correspond aucercle horizon. Au centre du cercle, on colle un tout petitdisque de papier blanc ; celui-ci constitue la cible.Sur le support, tracer un diamètre du cercle : il figure le méri-dien du lieu donc donne la direction nord-sud. Les directionsnord, sud, est, ouest sont indiquées. Une boussole permetd’orienter le tout.L’ensemble est placé horizontalement en un endroit qui seraensoleillé toute la journée.Une gommette (ou un carton) percée d’un trou de 1 mm enson centre est déplacée à la surface de la demi-sphère et fixée(ou marquée) lorsque la tache lumineuse «soleil» est sur lacible au centre de la sphère. L’heure est notée. Un pointagetoutes les heures est refait au cours de la journée. À la fin dela journée, tous les points sont joints. On matérialise ainsi letrajet apparent du Soleil.

On retrouve sur le relevé les positions du lever, celles du cou-cher et celles de la culmination ainsi que les heures où cesévénements se produisent. On remarque que l’heure de la montre n’est pas l’heuresolaire.

On refait ce même relevé à des différentes époques del’année ; on note que le Soleil culmine toujours au Sud (dansl’hémisphère Nord) mais que ce n’est qu’aux équinoxes qu’ilse lève exactement à l’Est et se couche exactement à l’Ouest.

Bibliographie Documents du CLEA : secrétaire : G. Walusinski, 26Berangère, 92210 Saint-Cloud.HS 1 astronomie à l’école élémentaire ; HS 4 l’astronomie en 4e.Diapositives : D3 les astres se lèvent aussi (20) ; D4 une expé-rience pour illustrer les saisons (avec une sphère recouverte depeinture thermocolorée montrant le rôle de l’inclinaison del’axe de la Terre).

Carton percé (marque au feutre faite dans le trou)

Objectifs

Observer les phases de la Lune et les analyser de façon élé-mentaire.Il est indispensable que les élèves observent et représentent pardes dessins leurs observations.Pendant le cours, un bilan est fait avec la classe et les maquettessont utilisées pour interpréter les observations.

Matériel

Professeur : diapositives ou cassette vidéo, logiciel.Élèves : carton format A4, balle de quelques centimètres dontune face est peinte en noir, balle blanche de plus de 6 cm (boulede polystyrène).

1. Observations

a. Dans la cour du collège

On peut observer la Lune de jour : quand les conditions s’y prê-tent, le dernier quartier est visible dans la matinée, le premierquartier dans l’après-midi.On appelle terminateur l’arc de cercle qui délimite la partieéclairée de la Lune ; la corde qui tend cet arc n’est pas néces-sairement verticale.Mesure de la hauteur de la Lune sur l’horizon. Repère des pointscardinaux.On peut observer que, sur une boule blanche tenue à la main ettendue dans la direction de la Lune, la partie éclairée a la mêmeforme que la partie éclairée de la Lune.

b. Observations individuelles. Représentations

Elle devra être conduite durant un mois (ou deux, si le ciel n’apas été dégagé durant un nombre suffisant de jours).

1) Les phasesPour faciliter la correction, il est bon de donner une feuille stan-dard avec les trente jours préparés.

Le dessin devra respecter l’orientation du terminateur parrapport à la direction horizontale.L’heure est indiquée : 8 h 30 pour le matin et 20 h 30 pour le soir.Seules les parties visibles sont représentées.La direction par rapport aux points cardinaux est précisée.La suite de cette fiche présente des activités moins directementliées au programme. Elle peut être utilisée si le temps (dans lesdeux sens de ce mot) le permet. Ce travail, pour l’essentiel, peutêtre fait «à la maison».

2) Mouvement diurneDessinez le paysage et représenter la Lune toutes les heures, oumieux, toutes les demi-heures. Respecter l’inclinaison.Placer les points cardinaux.Noter l’heure précise sur chaque dessin et le jour de l’observa-tion.

3) Mouvement apparent de la Lune sur la sphère céleste parrapport aux étoiles(Nécessite une durée d’observation d’au moins une dizaine dejours et n’est pas très aisée à conceptualiser.)Pendant quelques jours successifs, représenter la Lune sur lemême dessin avec l’horizon ; il est recommandé de faire lesobservations à peu près à la même heure pour retrouver lamême dispostion de la sphère céleste.Respecter l’orientation du terminateur.Noter la date et l’heure.Placer les points cardinaux.Repérer une «mer» plus sombre et voir si celle-ci semble tournerpar rapport à la surface lunaire.

2. Bilan des observations

Utilisation de documents complémentaires à l’observation :vidéo cassette, diapositives, logiciel.1ère partie : bilan d’observations.2ème partie : photographies de la Lune au cours d’une lunaison.La Lune, comme tous les astres, se déplace d’est en ouest aucours d’une journée.Dans son mouvement apparent sur la sphère céleste observédepuis la Terre, la Lune se déplace d’ouest en est.Elle nous présente toujours la même face.

On peut faire effectuer une simulation par un élève qui tourneautour des autres en tenant une «boule Lune» : la Lune tournesur elle-même en même temps qu’elle tourne autour de la Terre.À quelle heure se lève approximativement la Pleine Lune ? Àquelle heure se couche-t-elle ?La Pleine Lune se lève lorsque le Soleil se couche et se couchelorsqu’il se lève.À quelle heure la Pleine Lune culmine-t-elle ? Dans quelledirection ?


E18. Phases de la lune1

date : heure :

date : heure :

date : heure :

date : heure :

La Lune, dans son mouvement apparent journalier, culmine au Sud. Si on néglige la latitude, le Soleil se lève à 6 h et se couche à18 h. Pour la Pleine Lune, c’est l’inverse.La même question est posée pour la Nouvelle Lune puis pour les premiers et derniers quartiers.

Le tableau se remplit progressivement.

3. Interprétation. Utilisation d’une maquette

La difficulté pour beaucoup d’élèves, lors des schémas représentant le mouvement de la Lune autour de la Terre, est de se situer surTerre pour regarder la Lune.Une maquette individuelle est indispensable. Il n’est pas nécessaire de réaliser une maquette très élaborée dans la mesure où elle estdestinée à être vue de loin par toute la classe. La maquette la plus simple est constituée par un carton sur lequel on peut fixer une balledont une moitié est peinte en noir.


PLPQNLDQ

lever18 h

6 h

culminations coucher6 h

18 h

Les élèves tournent la maquette et dessinent les phases lorsquela Lune tourne autour de la Terre (choisir 8 positions), en pla-çant la direction de visée passant par le point terre.Les «cornes» intersection du terminateur et du limbe sont surun diamètre.

Rôle de l’angle Soleil-Terre-Lune

L’angle Soleil-Terre-Lune peut être mesuré à partir d’une photographie de phase.La distance Terre-Lune est petite devant la distance au Soleil :comparaison des «phases» sur deux boules éclairées par leSoleil et deux boules éclairées par un projecteur.

Observations complémentaires et recherchedocumentaire

Si on possède un petit instrument, les phases de Vénus sontfacilement observables.

Observe-t-on des phases sur d’autres planètes ? Rechercherdans un livre sur les planètes des photographies qui montrentdes phénomènes d’ombre et de phase. Cette recherchepermet d’introduire le thème modélisation du système solaireet échelles de distances.

Bibliographie

Cassette video : Phases et éclipses : de la Lune aux étoiles,Collection Bâtisciences, CNDP et CRDP et CNED.Techniques et documents pour la classe, La Lune, sœur de laTerre ?Documents du CLEA : HS 2 la Lune au collège ; HS 4 l’astro-nomie en 4e ; Diapositives : phases de la Lune (20 avec com-mentaires).

1. Ce travail s’inspire des fiches pédagogiques du CLEA.

La température moyenne de la surface de la Terre est lerésultat d’un équilibre énergétique.La Terre reçoit de l’énergie du Soleil sous forme de rayonne-ment électromagnétique ; 98 % de cette énergie se situe dansla bande spectrale de longueurs d’onde 0,20 µm - 4 µm,bande qui comprend le domaine visible (0,4 µm - 0,75 µm) ;ce spectre correspond à une température de surface du Soleilvoisine de 6 000 K. La majeure partie de ce flux énergétiqueatteint la surface de la Terre, l’atmosphère pouvant être consi-dérée comme transparente pour ce rayonnement. Une partie(30 à 35 %) est réfléchie ou diffusée par l’atmosphère et la surface de la Terre : elle repart vers l’espace ; le reste, soit 65à 70 %, est absorbé.Or, la température moyenne de la Terre, voisine de 15°C, està peu près stable alors qu’elle reçoit constamment ce fluxénergétique. Un équilibre est donc atteint ; la surface de laTerre doit en conséquence perdre en permanence l’énergiequ’elle absorbe ; cela se fait par émission, dans l’espace, derayonnement électromagnétique, dit rayonnement thermique.En effet, tout corps émet un rayonnement de ce type et la puis-sance émise ainsi par unité de surface dépend essentiellementde la température du corps et croît rapidement avec celle-ci.Aux températures ordinaires, voisines de 15 °C, ce rayonne-ment est invisible car son spectre se situe dans l’infrarougelointain, dans la bande spectrale 4 µm - 80 µm, avec unmaximum vers 10 µm. On peut aisément mettre en évidencece rayonnement à l’aide d’une thermopile ; il suffit d’appro-cher la main devant son ouverture : la température superfi-cielle de la main étant en général supérieure à celle del’environnement, la puissance reçue par la thermopile estaccrue. En écrivant que la puissance moyenne émise par la Terre estégale à la puissance moyenne absorbée, on obtient une éva-luation de la température d’équilibre voisine de – 20°C, cequi est nettement inférieur à la valeur observée. Quelle est laraison de ce désaccord ?L’atmosphère contient des molécules de certains gaz commele dioxyde de carbone, l’ozone, le méthane, la vapeur d’eauqui «laissent passer» le visible mais qui ont tendance àabsorber des radiations électromagnétiques de longueurd’onde situées dans l’infrarouge, par exemple de 13 µm à 20 µm pour le dioxyde de carbone qui joue un rôle prépon-dérant. Il en résulte que le rayonnement émis par la surfacede la Terre est en partie absorbé par ces gaz et l’énergie cor-respondante se retrouve dans l’atmosphère ; celle-ci rayonneà son tour cette énergie absorbée mais une partie notablerevient vers la surface de la Terre. Cela a pour effet globalde ralentir le taux de déperdition d’énergie de la Terre par

rayonnement et conduit à une température d’équilibre plusélevée que celle évaluée en l’absence de ce processus.Ce phénomène d’augmentation de la température d’équilibrepar retour partiel de la puissance émise par la surface de laTerre est appelé «effet de serre». La raison en est que ce typede confinement est analogue à celui qui se produit dans uneserre vitrée, ou sous une cloche en verre de jardin ; le verre esttransparent à la lumière visible et laisse le rayonnement solaireatteindre le sol et le chauffer ; par contre, il est absorbant dansl’infrarouge, absorbe donc une partie du rayonnement émispar le sol, s’échauffe et renvoie de l’énergie au sol ; il s’ensuitune élévation moyenne de température dans la serre, ou sousla cloche, qui peut être importante.Le rôle du dioxyde de carbone dans l’effet de serre atmo-sphérique est primordial et conduit à poser la question del’évolution de température consécutive à une augmentation deson taux dans l’atmosphère. Les évaluations sont complexes ;elles conduisent actuellement à prédire une augmentation de3 degrés pour un doublement de ce taux.L’effet de serre joue également un rôle dans l’interprétationdes températures des atmosphères des autres planètes (voir lafiche C4).

Quelques indications numériques

● Puissance reçue du Soleil par unité de surface à très hautealtitude, hors de l’atmosphère : 1 350 W/m2.

● Soit R le rayon de la Terre ; la puissance reçue du Soleil cor-respond à la surface apparente qui est celle d’un disque derayon R, soit πR2 ; sa surface étant de 4πR2, la puissancemoyenne reçue est donc de 337 W/m2 ; en prenant un cœf-ficient d’absorption de 0,70, cela conduit à une puissancemoyenne absorbée de 236 W/m2.

● La puissance émise par l’unité de surface d’un corps à latempérature absolue T, en l’assimilant à un «corps noir», est donnée par la loi de Stefan : σΤ4 avec σ = 5,671 x 10-8

W/m2K4. En l’absence d’effet de serre cela conduit à unetempérature d’équilibre de 254 K, soit 19 °C.

● La répartition spectrale du rayonnement d’émissionthermique possède un maximum pour une longueur d’ondeλm inversement proportionnelle à la température absolue T ;numériquement : λmT = 2,898 x 10-3 m.K (loi de Wien). PourT = 5 800 K (surface du Soleil), λm = 0,5 µm qui est dans ledomaine visible ; pour T = 290 K (soit 17 °C), λm = 10 µm.


C6. L’effet de serre

Au collège, les sciences physiques doivent être ancrées sur lequotidien. Les manipulations proposées ont pour objectif defaire le lien entre des objets technologiques (lampe à incan-descence, lampe de poche, circuit d’éclairage de la bicyclette)et des connaissances d’ordre plus théorique (conducteurs etisolants, continuité du circuit électrique, associations en sérieet en dérivation).

Manipulation d’électricité n o 1 (élèves)

ObjectifAnalyser la disposition du circuit électrique à l’intérieur del’ampoule

Matériel– une petite ampoule à filament (adaptée à la pile)– une pile cylindrique– un seul fil de connexion

Questions posées – Comment faut-il assembler les trois composants pour quel’ampoule soit allumée (faire les dessins correspondants) ?– Imaginer la disposition du filament à l’intérieur de l’ampoule(faire le dessin).

Variantes– Même travail avec une pile plate– Même travail avec deux ampoulesNota : les élèves doivent travailler par deux pour assurer lescontacts

Manipulation d’électricité no 2 (élèves)

ObjectifDécouvrir la continuité du circuit électrique de la lampe depoche

MatérielUne lampe de poche utilisant une pile plate

Nota :Chaque binôme dispose à sa table d’une lampe de poche.Sur un document présenté par le professeur, une lettre ou unnuméro est attribué à chaque pièce (Exemple : A et B pour leslames de la pile, C pour le bouton de l’interrupteur, etc.)

Questions posées– Indiquer pour chaque pièce si elle est conductrice ouisolante– Donner dans l’ordre les pièces traversées par le courantélectrique lorsque la lampe de poche est allumée (Exemple deréponse : A, G, F, C, etc. )

Manipulation d’électricité no 3 (élèves)

ObjectifsRéinvestir les connaissances sur les circuits en série et en déri-vation.Préfigurer le circuit de la bicyclette.

MatérielUne pile cylindrique, deux ampoules, deux fils de connexion,une règle en métal ou équivalent


C : LE COURANT ÉLECTRIQUE

(C1 en classe de 5e, C2 en classe de 4e)

E19. Circuit électrique : quelques manipulations

4,5 V

Questions poséesAssembler les éléments pour que les deux lampes aient unéclat normal, faire le dessin correspondant.

Suggestion pour d’autres manipulations enprise sur des objets technologiques

Étudier une guirlande de Noël.Étudier la constitution d’une douille de lampe.Étudier la constitution d’une lampe torche (intérêt pourmontrer l’association de piles).Étudier une lampe phare/code d’automobile.

Faire élaborer le circuit électrique d’un jeu de «questionsréponses» : la lampe doit s’allumer si le candidat établit le contact entre une question posée et la bonne réponse parmiune liste proposée.Étudier les parties isolantes et conductrices d’un pylône EDF.Utiliser un test «isolant/conducteur» pour montrer que le cir-cuit, entre les deux bornes d’un moteur, est conducteur, mêmesi le moteur ne tourne pas (il suffit de choisir convenablementles tensions nominales respectives de la pile, de la lampe etdu moteur ; le détecteur de courant peut également être unampèremètre).

Puis observer un moteur démonté.


Comme en bien des domaines de la physique, la connais-sance de l’évolution des idées en électricité, outre son intérêtpropre, permet de mieux appréhender certaines représenta-tions intuitives que peuvent se faire les élèves. Bien souvent, eneffet, on les retrouve comme doctrine admise, à telle ou telleépoque de l’histoire.Au VIe siècle avant J.- C., le grec Thalès de Milet attire l’atten-tion sur la propriété de l’ambre jaune (ηλεκτρον ) qui, unefois frotté, attire les corps légers.Il faut cependant attendre le XVIe siècle pour que l’anglaisWilliam Gilbert, médecin de la reine Elisabeth I, fasse claire-ment la distinction entre électrisation et aimantation. Il distingue les corps «électriques» et les corps «non élec-triques» par leur aptitude à être ou non électrisés par frotte-ment.S’inspirant de la boule de soufre frottée à la main par l’alle-mand Otto von Guericke, l’anglais Francis Hawksbeeconstruit en 1706 une machine électrostatique avec laquelle ilmontre que le frottement est bien la cause du phénomèned’électrisation. Le XVIIIe siècle verra un développement consi-dérable des machines électrostatiques, donnant lieu à desexpériences spectaculaires fort appréciées des sociétéssavantes et du grand public.En 1729, l’anglais Stephen Gray réalise les premières expé-riences de «transport» de l’électricité au moyen d’une ficellede chanvre reliée à une machine à frottement. Il montre éga-lement que certains corps conducteurs reliés au sol laissents’enfuir la «vertu électrique», tandis que d’autres ne possè-dent pas cette propriété. Il découvre également l’électrisationpar influence (1733).À la même date, pour expliquer les phénomènes d’attractionet de répulsion des corps électrisés, le français Dufay avancel’idée qu’il existe deux sortes d’électricité, qu’il baptise vitréeet résineuse. Les corps peuvent «contracter» l’une ou l’autrede ces électricités ; c’est la théorie dite des deux fluides élec-triques. Dufay n’émet aucune hypothèse sur la nature de cesfluides (à cette époque, les idées sur la structure de la matièresont très confuses). Peu après, en Angleterre, Desaguliers,disciple de Gray, introduit le mot de conducteur.À partir de 1746, l’américain Benjamin Franklin, imprimeur-journaliste, déjà très engagé dans la vie publique, s’intéresseaux expériences électriques menées sur le vieux continent. Dès1747, il reproduit et affine les expériences d’attraction et derépulsion et avance en 1750 une théorie capable de les inter-préter. Dans cette théorie, dite du fluide unique, apparaît,d’une part l’idée fondamentale que le fluide électrique ne naîtpas de rien : «il se trouve [initialement] dans la matière» ;d’autre part, au cours du frottement, c’est le transfert de cefluide d’un corps à l’autre qui provoque d’un côté excès, del’autre déficit, rendant ainsi les deux corps chargés de façonopposée. Benjamin Franklin introduit ainsi le concept decharge électrique. Pratiquement jusqu’à la fin du XIXe siècle,la théorie des deux fluides et celle du fluide unique vontcœxister, sans qu’il soit possible de trancher. Benjamin Franklin

s’intéresse également, dès 1746, au pouvoir des pointes : lesobjets pointus peuvent produire des décharges (c’est-à-direémettre ou recevoir le fluide électrique) plus aisément que lesobjets arrondis. À la suite de ces travaux, il propose en 1749une expérience destinée à vérifier, au moyen d’une longue tigeeffilée, que les nuages d’orages sont effectivement électrisés ;une variante de l’expérience consiste à relier la tige de fer à laterre. Ainsi, on réalise une protection contre la foudre : leparatonnerre est né.En 1752, l’américain Kinnersley met en évidence un effetthermique lors de la décharge d’une «bouteille de Leyde»,sorte de gros condensateur réalisé avec une bouteille deverre, récemment inventée (1745). Les machines électrosta-tiques devenant de plus en plus puissantes (elles produisentdes étincelles jusqu’à 60 cm), on parvient à faire fondre desfils de fer de plusieurs mètres de long.En 1785, le français Charles-Augustin Coulomb construit unebalance électrique, grâce à laquelle il établit que la force derépulsion entre deux corps chargés est inversement propor-tionnelle au carré de la distance séparant ces deux corps.Vers la fin du siècle, le mot «tension» est introduit pour dési-gner la grandeur mesurée à l’électroscope lorsque l’on met encontact avec lui un objet chargé ; le mot «intensité» est éga-lement employé comme synonyme de tension. Certains,comme l’abbé Haüy, interprètent cette tension comme unemesure de la force répulsive qu’exercent entre elles les «molé-cules» de fluide électrique de même signe. L’anglaisCavendish soutient un point de vue analogue, introduisantmême la notion de potentiel. Malheureusement, ses travauxne seront publiés que bien après sa mort, par Maxwell, dansla seconde moitié du XIXe siècle.En 1800, l’italien Alessandro Volta construit la première pileélectrique, constituée d’une alternance de rondelles decuivre et de zinc, séparées par du carton humide. La tensionde la pile en circuit ouvert, qui se traduit par des accumula-tions de charges + Q et – Q à ses bornes, mises en évidencepar un électroscope-condensateur, est appelée «actionmotrice».La même année, grâce à la pile de Volta, les anglais Carlisleet Nicholson réalisent la première électrolyse, celle de l’eau ;ces travaux sont poursuivis par leur compatriote Davy, quiobtient ainsi le sodium et le potassium. Il réalisera, parailleurs, le premier arc électrique au moyen d’une associa-tion de piles de forte tension.

En 1819, le danois Oersted met en évidence l’influence d’uncourant électrique sur une aiguille aimantée. Ainsi, à cettedate, les effets thermique, chimique, lumineux et magnétiquedu courant électrique sont connus.

Le français André-Marie Ampère est le premier à distin-guer les phénomènes électrostatiques des phénomènesélectrodynamiques, c’est-à-dire des «phénomènes decourant» (Ampère crée l’expression même de «courant élec-trique»). En effet, seul un courant peut provoquer la décom-


H3. Évolution historique du concept de courant électrique

position chimique des substances ou l’action sur une aiguilleaimantée. Ampère reprend la théorie des deux fluides etl’adapte au courant électrique : lorsque l’on relie un circuit àune pile, deux courants inverses s’établissent, l’un partant dela lame négative vers la lame positive, l’autre partant de lalame positive vers la lame négative de la pile. Ampèreconvient que l’expression «sens du courant» désignera lesens de ce courant positif ; il ne propose aucune explicationde la nature de ces fluides, ni de ce qui leur advient lorsqu’ilsse rencontrent. En septembre 1820, Ampère invente l’élec-troaimant. Dans le même temps, l’allemand Schweiggerplace une aiguille aimantée à l’intérieur d’une bobine plateparcourue par un courant ; il nomme l’appareil ainsi réalisé«multiplicateur» : c’est l’ancêtre du galvanomètre actuel.Mais c’est Ampère qui définit l’intensité, comme étant lagrandeur évaluée par le galvanomètre, et donc à différen-cier de la tension évaluée par l’électroscope.Entre 1825 et 1827, l’allemand Ohm montre, contrairement àl’idée admise jusqu’alors, que chaque point d’un circuit fermépossède une «force électroscopique» - mesurée en reliant lepoint considéré à un plateau placé devant un électroscope -décroissant régulièrement tout au long du circuit. Il établitensuite la formule, qui portera son nom, reliant cette décrois-sance de la force électroscopique (nous dirions «du potentielélectrique») aux effets magnétiques du courant (donc à l’inten-sité), par l’intermédiaire du «pouvoir conducteur» du conduc-teur, de sa section et de sa longueur. Il apporte ainsi l’idée précise de résistance qui manquait à beaucoup de physiciens.L’anglais Faraday analyse en 1831 le phénomène d’inductionélectromagnétique, aussi important du point de vue théoriqueque riche en applications. On lui doit aussi, entre autres, leslois quantitatives de l’électrolyse et la mise en évidence del’électroluminescence.

La suite du XIXe siècle est extrêmement riche en découvertestechniques (générateurs continus et alternatifs, moteurs,transformateurs, transport de l’énergie électrique, lampes àincandescence, etc.) et théoriques (notion de champs élec-trique et magnétique, équations de Maxwell, nature électro-magnétique de la lumière, force de Lorentz, etc.).Cependant, Maxwell lui-même souligne, dans les années1870, que l’on ignore tout de la nature du courant électrique(Est-il une substance matérielle, quel est son sens, quelle estsa vitesse, y a-t-il finalement un ou deux courants ?). Le néerlandais Lorentz développe entre 1892 et 1895 unedescription microscopique de la matière, où figurent descorpuscules chargés auxquels il donne le nom générique

d’électrons (terme introduit en 1891 par l’irlandais Stoney).En 1902, l’allemand Paul Drude propose, pour interpréter laconduction dans les métaux, le modèle dit aujourd’huiclassique (électrons ponctuels mobiles dans un réseau decations fixes). La théorie quantique de la conduction,élaborée à partir de la fin des années 1920, parviendra àdonner une description satisfaisante des propriétésélectriques des solides (influence des défauts de périodicitédu cristal, et de la température, phénomènes de supracon-ductivité et de magnétorésistance, effet Josephson, etc. ) ;cette théorie continue à progresser (tentatives d’interprétationde la supraconductivité à haute température).

Considérations pédagogiquesDes enquêtes ont été menées auprès d’élèves n’ayant pasencore reçu d’enseignement de physique. On constate toutd’abord qu’un certain nombre d’entre eux, à qui l’ondemande d’alimenter une ampoule par une pile, réalisentd’abord le branchement avec un seul fil entre la pile et l’ampoule. Ensuite, une fois le montage correct réalisé avecdeux fils, on leur demande ce qui circule dans les fils. À côtéde ceux qui ne formulent aucune idée, on constate quecertains proposent une double circulation à la façond’Ampère, un courant partant de la borne +, un autre de laborne –, les deux se rejoignant à l’ampoule («il y a deuxcourants opposés», «il y a un choc entre les courants etcomme un éclair de lumière», etc. ) ! La théorie «de l’usure»,qui consiste à penser que le courant est affaibli aprèstraversée de l’ampoule, est également répandue.

Pour approfondirÉlectricité (histoire), Encyclopaedia Universalis.«Benjamin Franklin», Les cahiers de Science et Vie, hors-série n° 28, août 1995.«La mesure de la force électrique», Les cahiers de Science etVie, hors-série n° 26, avril 1995.G. Borvon, «de Dufay à Ampère», BUP n° 760, janvier 1994.B. Pourprix et R. Locqueneux, «G.S. Ohm et les lois du circuitgalvanique», BUP, n° 713, avril 1989.C. Blondel, Histoire de l’électricité, coll. Explora, Cité desSciences et de l’Industrie, 1994.R. Taton, Histoire générale des sciences, Ed. PUF, 1964-69,réédition au format de poche en cours (1995-1996).J.-J. Dupin, S. Joshua, L’électrocinétique du Collège àl’Université, BUP n° 683, avril 1986.


Les élèves se font parfois une représentation intuitive de cer-tains concepts : celui de courant électrique par exemple. Cesreprésentations sont le plus souvent incomplètes ou fausses, etle professeur trouve profit à les connaître pour les corrigerplus efficacement.

Représentations des élèves

Il apparaît que de nombreux enfants, lors de leur premièreexpérimentation, essaient d’alimenter une lampe, au moyend’une pile, avec un seul fil. La notion de circuit fermé n’estdonc pas du tout intuitive, d’autant que les cordons d’alimen-tation des appareils branchés sur le secteur paraissent souventn’avoir qu’un fil.

Lorsque, par tâtonnement, il réalisent un circuit correct avecdeux fils, on leur demande comment circule le«courant» dans les fils. Certains n’ont aucune idée, d’autresproposent un sens de circulation d’une borne vers l’autre,d’autres encore proposent un double sens de circulation à lafaçon d’Ampère : un courant part de la borne + , l’autre dela borne – , et tous deux se rejoignent à la pile.

Un article de J.-J. Dupin et S. Joshua, paru dans le BUP n° 683 d’avril 1986, fait le point sur l’évolution de ces repré-sentations au fil de l’enseignement. Il ressort que :• L’idée selon laquelle un circuit fermé est nécessaire pour quele courant circule s’acquiert assez facilement (cette idée s’ap-puie bien sur une analogie avec le liquide).• L’idée selon laquelle une ampoule «consomme une part ducourant électrique» a la vie dure (50 % en fin de seconde).Pour ces élèves, l’analyse d’un circuit est séquentielle (paropposition à globale) : le courant s’affaiblit en aval du dipôlesans répercussion en amont. Une telle analyse peut traduireune confusion entre la notion de courant électrique telle quel’entend le professeur (circulation d’électrons) et une imagementale intuitive (circulation «d’énergie électrique»). Elle peutaussi traduire le fait que l’idée de conservation du débit, et lanotion même de débit, ne sont pas évidentes.• À la fin de classe de seconde, 50 % des élèves affirmentqu’une pile délivre la même intensité quel que soit le circuit.Cette erreur se retrouve encore souvent à un niveau plus élevédans les résolutions d’exercices, même si le cours est su.• À tous les niveaux scolaires, le raisonnement en courant estabsolument majoritaire, sauf pour des situations élémentaires(adaptation de l’ampoule à la pile). La notion de tension,même lorsque sa définition et ses propriétés sont connues,n’est pratiquement jamais utilisée spontanément c’est-à-direlorsque des questions de l’énoncé ne s’y rapportent pas expli-citement - pour résoudre un problème.

Analogies hydraulique et mécanique du courant électrique

Le débat sur la pertinence de tels modèles est ancien, et fondé,

car chacun de ces modèles a ses limites ; ceci est d’ailleurs lepropre d’un modèle. Force est, de toute façon, de constaterque les élèves ont besoin de se représenter les choses (en l’oc-currence le courant électrique) de façon concrète.Les modèles bien connus sont celui de la circulation d’unliquide dans un tuyau et celui de la chaîne de vélo. Dupin etJoshua, déjà cités, proposent une autre analogie qu’il estpeut-être utile de développer. Cette analogie est celle d’untrain ayant les caractéristiques suivantes :– Des wagons forment une chaîne continue sur une voie fer-roviaire fermée.– Des «ouvriers» imposent une force de poussée constanteaux wagons.– Un obstacle le long de la voie impose un frottement.

Il existe une analogie formelle entre ce modèle et celui du circuit électrique :

*Nombre de wagons comptés en un point par unité de temps

Propositions de progressions utilisant les analogies

1. Proposition A

Phase 1Faire émerger les explications préalables des élèves sur lanature du courant

Après quelques manipulations sur l’allumage d’une ampoule,on demande aux élèves, sans prendre position, mais en lesaidant à formuler leurs points de vue :


Wagons

Déplacements des wagons

«Ouvriers» pousseurs

Ralentisseur

Débit des wagons*

«Ouvriers» comptant le débit des wagons

Grains d’électricité

Courant électrique

Pile électrique

Composant résistant (filament de l’ampoule)

Intensité du courant électrique

Ampèremètre

Ralentisseur

Ouvriers poussant les wagons

Ouvrier comptantles wagons

D9. Représentations des élèves à propos du courant électriqueSuggestions pédagogiques

– d’expliquer comment le courant circule pour que l’ampoules’allume ; – d’expliquer pourquoi l’éclat de 2 ampoules en série estmoins fort.La pratique montre qu’il est utile de visualiser les explicationsdes élèves par des schémas pour qu’elles soient accessibles àtous, en vue de permettre une confrontation (il est évidemmentsouhaitable que les élèves soient capables d’imaginer et des’exprimer ; si tel n’est pas spontanément le cas, on peut êtreamené à leur présenter les schémas pour engager la discussion).

Courants antagonistes :

Usure du courant :

Phase 2Utilisation de l’ampèremètreL’appareil est présenté comme capable de mesurer le débit ducourant à l’endroit où il est placé. On fait remarquer qu’ildonne une indication de sens du courant grâce au signe de lavaleur affichée.On peut demander aux élèves comment l’appareil peut permettre de tester la théorie des courants antagonistes ou lathéorie de l’usure. On peut aussi leur demander d’étudier uncircuit avec les ampèremètres inclus et de prévoir les résultatsen fonction des différentes théories. Les élèves, s’ils ont prispartie, sont fortement impliqués et sont avides de connaître laréponse : l’expérience prend alors un autre statut.

On constate bien sûr que les deux ampèremètres indiquent lamême valeur et le même signe : la théorie des courants anta-gonistes et la théorie de l’usure sont fausses.

L’étude du circuit avec 2 ampoules en série renforcera lesconclusions. Cependant, il est clair qu’une ou deux expé-riences ne suffiront pas à déloger des représentations bienancrées. Beaucoup ont du mal à accepter les conclusions del’expérience.

Phase 3Utilisation du modèle de train

On commence par demander aux élèves de trouver l’ana-logue électrique de chaque élément du circuit de train (voirtableau ci-dessus).Puis on leur demande de rédiger les phrases équivalentes àcelles-ci, par exemple :– Les wagons se mettent en mouvement, cela donne un convoien mouvement.– Pour avoir mouvement du convoi, il faut des wagons sur unevoie fermée et des pousseurs dans la gare.– Un ouvrier mesure le débit des wagons.– Quelle que soit la position de cet «ouvrier», il mesurera lemême débit.– S’il y a plusieurs obstacles, le wagon va moins vite.

L’analogie est ensuite faite entre la tension aux bornes de lapile et l’activité des pousseurs. Pour cela on pourra, parexemple, utiliser deux piles en série.

2. Proposition BLa progression proposée maintenant est sensiblement iden-tique à la progression A pour les phases 1 et 2. Il importe desouligner que la démarche proposée pour ces deux premièresphases n’est pas la seule possible. Certains professeurs latrouvant trop longue, trop laborieuse, ou trop périlleuse serontprobablement plus directifs.

Dans la phase 3, il est proposé ici de s’appuyer sur deuxmodèles : le modèle du liquide (incompressible) et celui de lachaîne de bicyclette.

Une fois ces deux modèles introduits par le professeur, on lesconfronte aux faits expérimentaux. Dans les cas simples, etsuivant le niveau des élèves, il pourra être intéressant de leurdemander de prévoir - en s’appuyant sur les modèles - lerésultat de l’expérience avant de la réaliser.

Expérience 1Montage :


Variante :Placer l’interrupteur «après» la lampe.

Observation :Dès que l’on ferme l’interrupteur, la lampe s’allume ; dèsqu’on l’ouvre, elle s’éteint.

Interprétation par une analogie :Toute la chaîne (fluide ou mécanique) se met en mouvement(ou s’arrête) en même temps.

Expérience 2

Montage :

Observation :L’intensité est la même en tout point d’un circuit en série.

Interprétation par une analogie :Le débit du liquide (ou des maillons) est le même partout - ycompris dans le générateur - dans un montage en série.

Expérience 3

Montage :

Observation :L’éclat des ampoules est inchangé si on les intervertit.

Interprétation par une analogie :Même argument que pour l’expérience 2.

Expérience 4

Montage :

Observation :L’intensité est plus faible avec 2 lampes. Le débit de la piledépend du circuit.

Interprétation par une analogie :Une lampe ralentit la chaîne. La vitesse de la chaîne dépenddes récepteurs.

Expérience 5

Montage :

Observation :L’intensité est plus forte avec une pile 4,5 V qu’avec une pile1,5 V.

Interprétation par une analogie :La vitesse de la chaîne dépend aussi du générateur.

Expérience 6

Montage :

Observation :Avec des ampoules identiques, I1 = I2 = I/2. Avec desampoules différentes (on change L2), I’1 = I1 et I’ = I’1 + I’2.

Interprétation par une analogie. :Dans un montage en dérivation, le fluide «se partage». Cepartage ne se fait pas toujours à parts égales.

Pour de nombreuses expériences, l’analogie mécanique esttrès parlante (en particulier, on se représente bien les maillonsse poussant les uns les autres, alors que l’incompressibilité duliquide et la rigidité du tuyau sont moins évidentes). Parcontre, l’analogie hydraulique est bien adaptée à la loi d’additivité des intensités.



Le texte ci-dessous n’est en aucun cas une rubrique supplé-mentaire de programme ou un cours de météorologie. Il propose au choix du professeur une liste (à l’évidence surabondante) d’activités associées au programme et quiseront traitées en fonction des possibilités.Les activités proposées demeurant facultatives, elles serontchoisies par le professeur, en fonction de sa progression quis’appuiera sur le programme officiel.

De très nombreux contenus relatifs aux rubriques A1 (l’eau),A2 (le dioxygène) et B (la lumière) du programme, ainsi quepresque toutes les compétences transversales mentionnéesdans les annexes du programme peuvent être, au choix del’enseignant, abordés, approfondis ou revus par le biais d’activités illustrant ce thème de la météorologie.Des expérimentations récentes dans le cadre des parcoursdiversifiés en classe de 5e, les compétences acquises lors desenseignements de physique et chimie en classes de 6e et de5e, il y a quelques années, les apports des enseignements dessciences dans les écoles, toutes ces contributions indiquentque des activités portant sur la météorologie sont à la portéedes élèves de cet âge et sont tout à fait susceptibles de lesmotiver.Le thème a également été proposé en raison des nombreusespossibilités d’activités transversales qu’il permet, notammentcelles liées à l’environnement, ainsi que la richesse de ses corrélations avec d’autres disciplines. Il favorise égalementdivers apprentissages tels que la maîtrise du discours (emploid’un vocabulaire précis, rédaction de phrases logiques),l’utilisation de quelques outils de base (lecture d’un tableau, lecture et interprétation de graphes).La plupart des activités proposées peuvent être exploitées en

classe de 5e. Certaines, plus spécifiquement associées auxdeux premières rubriques de A2 (l’air qui nous entoure) ; (ledioxygène) et de B (la lumière), pourront être abordées etseront reprises en classe de 4e dans le cadre du programme,voire en classe de 3e (orage, foudre).

A. La météorologie et son langage : collecte d’informations.

• La météorologie dans la vie quotidienne : observation personnelle directe ; à quelles occasions entendez vous ou uti-lisez vous les bulletins météorologiques ? Quelles sont lesinformations qui vous paraissent compréhensibles, voireimportantes ? Quelles informations vous apportent ces bulle-tins «météo» ? Quelle utilisation en faites-vous ?

• Relever un bulletin météorologique (avec un guide de saisie,à la radio ou à la télévision, dans un journal ou au téléphone).Rechercher une liste des termes utilisés pour préciser la situa-tion météorologique, citer les plus fréquents. Recenser ceux quipeuvent, selon vous, concerner la physique ou la chimie.

B. Diverses activités que le professeurtraitera au moment opportun.

Pour la clarté du document ci-dessous, les relevés de la température, de l’humidité, de la pression, etc ., sont évoquésdans des rubriques différentes. Rien n’empêche, bienentendu, de mesurer simultanément l’ensemble de ces gran-deurs et de travailler sur des relevés de mesures effectuées auxdiverses heures d’une même journée ou, à la même heure,aux divers jours d’une semaine.

ANNEXE

D6. Activités relatives à l’environnement, à la météorologie et au climat

THÈMECorrélation avec

d’autres disciplines

TEMPÉRATURE

S.V.T.Géographie

Mathématiques

LIEN DE CE THÈMEavec la partie du

programme

A1

QuestionnementCONTENU

– Pourquoi dans les bulletins demétéorologie, parle-t-on de tem-pérature «sous abri» ?– Dans un abri météo, le thermo-mètre est souvent suspendu, pour-quoi ? Que mesure-t-il ?

• Importance de la températurede l’air en météorologie• Température sous abri• Thermographe• Exploitation des résultats demesures de températures :graphique, moyenne

ACTIVITÉS

• Examen de bulletins météorologiques• Mesures de température de l’air ambiant : – avec différents thermomètres en un mêmelieu, – en différents endroits de la classe,– à différentes hauteurs par rapport au sol(0 cm - 50 cm - 1 m - 1,5 m),– en un même lieu, avec le réservoir duthermomètre, soit dans un récipient peint ennoir, soit dans un récipient peint en blanc (lesdeux récipients étant exposés à la lumière)• Relevés réguliers de température (si pos-sible dans un abri météorologique)

Niveau recommandépour aborder

ce thème

5e


Aspect méthodologiqueL’étude de l’évaporation de l’eau permettra de mettre au pointdes protocoles au cours desquels ne varie qu’un seul des fac-teurs (toutes choses égales, par ailleurs) : grande surface oupetite surface libre pour des quantités d’eau égales prises à lamême température (quantités d’eau égales dans des récipientsidentiques mais à des températures différentes maintenuesconstantes).La précision de la mesure de la «hauteur d’eau» (de l’ordre dequelques millimètres) nécessite des aires de capture impor-tantes. Les volumes d’eau ainsi récupérés sont suffisants pourêtre mesurés dans des éprouvettes graduées étroites.

L’étude de la fusion de la glace et de l’ébullition de l’eau doiventaussi faire comprendre qu’un apport d’énergie est nécessaire.Dans le cas des phénomènes météorologiques, le soleil, la terreou la mer pourront apporter cette énergie.

Une expérience très simple telle que la détermination de ladurée de la fusion d’un gros glaçon (obtenu en congelant l’eaudans une bouteille d’eau minérale en matière plastique) sur-prend toujours les élèves. Elle permet de faire comprendre, sansutiliser le vocabulaire scientifique (capacité thermique massiqueet chaleur latente), que les changements de température del’eau, et plus encore ses changements d’état physique, deman-dent de grandes quantités d’énergie.Pour des masses d’eau importantes, l’élève constatera les varia-tions lentes de la température (grande capacité thermique mas-sique et «chaleur latente» importante de changement d’état).Par exemple, il faut environ 7 fois plus d’énergie pour fairepasser une masse donnée d’eau à 100° C de l’état liquide àl’état gazeux que pour porter cette masse de 20°C à 100°C.Ces propriétés physiques de l’eau expliquent le terme«d’inertie» utilisé pour rendre compte des faibles amplitudesthermiques des climats tempérés.



HYGROMÉTRIECycle de l’eauPrécipitations

S.V.T.Géographie


programme

A1


– Sous quelles formes l’eau est-elleprésente dans l’atmosphère ?– Les nuages, le brouillard.– Quels sont les différents types deprécipitations ? La pluie, la neige.– Autres aspects de l’eau : le givre,le verglas, la buée, la rosée, etc.– Qu’appelle-t-on «cycle del’eau» ?

• Mise en évidence de l’eau parle test au sulfate de cuivre• L’humidité de l’air, l’hygromètre• Les changements d’étatphysique de l’eau : solidification /fusion, évaporation, ébullition,condensation• Les différents nuages• Exploitation de résultats demesures d’hygrométrie et de pluviométrie

ACTIVITÉS

• Condensation de la vapeur d’eau aucontact d’un corps froid• Évaporation (eau à diverses températures,différentes surfaces libres)• Étude de l’ébullition de l’eau, tableau demesures et exploitation graphique. Quel-ques mesures directes doivent permettre lacompréhension du principe des mesures. Sile professeur dispose d’un ordinateur munid’un système d’acquisition de données, denouvelles séries de mesures pourront êtrerapidement réalisées dans des conditionsdifférentes.• Étude de la fusion de la glace, tableau demesures et exploitation graphique• Expérience reproduisant la formation derosée, de givre, de verglas• Relevés réguliers d’hygrométrie et de hau-teur de précipitations• Construction d’un pluviomètre simple


ce thème

5e

Ce thème permet de découvrir les trois états physiques de l’eau, ses changements d’état physique et la vapeur d’eau, souventconfondue avec la buée.

Aspect méthodologique Utiliser différents thermomètres.Recenser différents facteurs qui peuvent influer l’indicationd’un thermomètre.Vérifier expérimentalement le rôle de chacun des facteurs. Les nombreuses expériences au cours desquelles un seul para-mètre varie donnent un sens à l’expression «toutes choseségales par ailleurs». On accède ainsi progressivement àl’idée capitale de reproductibilité des mesures.Faire établir un protocole d’utilisation correcte d’un thermo-mètre pour la mesure de la température de l’air ou d’un autremilieu.

Examiner un graphique donnant la température de l’air enfonction de l’altitude.

Mesure sous abri en météorologieLe thermomètre météorologique doit être placé à l’abri desrayonnements solaires directs ou indirects, des intempéries etdu vent. De telles conditions sont réalisées dans «l’abrimétéo». La construction d’un tel abri peut être envisagée (sereporter au document placé en annexe à la fin de cette fiche).

La girouette indique d’où vient le vent. On observe, à partirdes cartes météorologiques relatives à l’hémisphère Nord,que les vents tournent dans le sens de rotation des aiguillesd’une montre autour des anticyclones, et en sens inverseautour des dépressions. L’intuition semblerait indiquer que les

déplacements d’air se dirigent en ligne droite des anticyclonesvers les dépressions. L’effet observé est lié à la rotation diurnede la Terre autour de l’axe passant par les deux pôles : il esthors de question de présenter une explication de ce phéno-mène à un élève de collège.


Pour ce qui est de la variation de la pression avec l’altitude,on peut se référer à des observations personnelles(baromètre, altimètre) ou relater des expériences historiques(ascension du Puy-de-Dôme par Blaise Pascal). Cetteexpérience a permis de comprendre que la pression estengendrée par le poids de la colonne d’air surmontant le lieuoù on la mesure. À la surface d’un astre dépourvud’atmosphère, la pression est pratiquement nulle (exemple dela Lune).Le concept de pression ne sera pas explicité en terme de force

pressante rapportée à l’unité de surface. Avec un baromètremétallique démonté, on montre que «l’enfoncement délicat»des boîtes anéroïdes produit une augmentation de l’indicationde la valeur de la pression. À partir de l’hypothèse de l’aircomme cause principale de la pression atmosphérique, onexpliquera les différentes expériences en enfermant le baro-mètre dans des enceintes à l’intérieur desquelles on fera varierla pression.Pour la prévision météorologique, une variation très rapide depression est souvent synonyme d’un changement de temps.



PRESSION ATMOSPHÉRIQUE

GéographieMathématiques


programme

A1 A2


– L’indication d’un baromètre est-elle la même au sol et en altitude ?– Y a-t-il une pression sur un astredépourvu d’atmosphère ?– Un baromètre permet-il deprédire le temps ?– Dans le bulletin météorologique,on parle souvent d’anticyclone, dedépression. Pourquoi ?

• La mesure avec le baromètre,unités• Variations de la pression de l’air

ACTIVITÉS

• Examen d’un baromètre métallique (boîtesanéroïdes)• Étude de cartes donnant la pression enfonction de l’altitude• Manifestations de la pression atmosphé-rique (ventouse-pipette)• Variations de la pression de l’air (cloche àvide, seringue, sac plastique comprimé)• Relevés réguliers de pression atmosphé-rique• Examen de cartes d’isobares ; identi-fication des zones anticycloniques et desdépressions


ce thème

4e



VENT

GéographieMathématiques


programme


– Quels renseignements concer-nant le vent sont donnés par lesbulletins météo (et notamment enmétéo marine) ?

• Orientation : points cardinaux• Direction du vent : la girouette,la manche à air• L’anémomètre : l’échelle deBeaufort, «force» du vent

ACTIVITÉS

• Orientation avec une boussole, interactionentre aimants• Lecture de la direction donnée par lagirouette• Lecture de la vitesse du vent donnée parl’anémomètre• Observation du sens des vents sur descartes isobariques


ce thème

5e



QUALITÉ DE L’AIR ENVIRONNEMENT

S.V.T.


programme

A1 A2


– Qu’est-ce que l’eau pure ?– L’eau de pluie est-elle pure ?– Que signifie l’expression «pluiesacides» ?– Qu’entend-on par «air pur» ?– Qu’est-ce que la qualité de l’air ?– Quelles sont les conséquences dela pollution atmosphérique ?– Quels comportements doit-onadopter pour maintenir la qualitéde l’air ?

ACTIVITÉS

• Recherche documentaire : documents surla pollution atmosphérique et sur certainessituations météorologiques favorables à lapollution de l’air• Dissolution du dioxyde de carbone, dudioxyde de soufre, du chlorure d’hydrogènedans l’eau et évolution du pH• Réactions de quelques matériaux avec lessolutions acides : calcaire, fer, etc.• Comparaison de la température à l’inté-rieur d’une serre et de la température exté-rieure


ce thème

5e4e

On comparera, dans diverses situations, l’énergie reçue parrayonnement en un temps donné par une surface donnée.L’éclairement correspond (grosso modo) à la contribution dela lumière visible à cette grandeur.

Les élèves doivent abandonner l’idée fausse (mais répandue)selon laquelle les saisons sont provoquées par des variationsde la distance Terre - Soleil au cours de l’année.




ORAGE, FOUDRE


programme

C1


– Pourquoi l’orage est-il accom-pagné d’éclairs ?

• Électrisation• Interactions électrostatiques• Décharges électriques• Danger, protection : le paraton-nerre

ACTIVITÉS

• Électrisation par frottement• Interactions de matériaux chargés électri-quement (pendule)• Décharges électriques à travers l’air(simulation des différents types d’éclairs)


ce thème

3e



SAISONS

GéographieS.V.T.


programme

B1 B2


– Pourquoi y a-t-il des jours et desnuits ?– Pourquoi la durée du jour varie-t-elle au cours de l’année ?– Pourquoi y a-t-il des saisons ?– Pourquoi les saisons des deuxhémisphères sont-elles décalées desix mois ?– Comment orienter efficacementdes capteurs solaires ?

• Éclairement du sol• Alternance du jour et de la nuit• Saisons

ACTIVITÉS

• Exploitation du calendrier de la poste• Illustration du jour et de la nuit à l’aided’une maquette ; simulation logicielle• Éclairage d’une surface avec une lampe ;comparaison de l’échauffement de la pla-que pour des inclinaisons différentes du fais-ceau incident• Illustration des saisons sur une maquette ;simulation logicielle : influence de la lati-tude, rôle de l’inclinaison de l’axe polairesur l’écliptique


ce thème

4e



CLIMATS

GéographieS.V.T.


programme

B1 B2


– Quels sont les facteurs détermi-nant le caractère tempéré d’unclimat ?

ACTIVITÉS

• Comparaison de données climatologiques• Échanges de relevés de température avecun collège situé dans une zone climatiquedifférente


ce thème

4e

En abordant ce thème, le professeur dispose d’une occasionpriviligiée pour montrer que la physique et la chimie permet-tent une analyse rationnelle des problèmes d’environnement.La mobilité de l’air atmosphérique, les propriétés solvantes del’eau favorisent le déplacement et la diffusion de substancespolluantes (par leur présence ou par leur concentration exces-sive).

Si l’eau de pluie dissout un peu de dioxygène et un peu dediazote atmosphériques, elle dissout aussi le dioxyde desoufre (rejets volcaniques mais aussi résidus de la combustiondes charbons et de fiouls mal désulfurés), certains oxydesd’azote (produits par des combustibles, incomplètes et para-sites, de moteurs à combustion interne). Les eaux de pluie sont

alors plus ou moins chargées d’acides sulfurique et nitriquemais elles contiennent aussi des poussières (industrielles ouautres), et ont un rôle purificateur pour l’atmosphère.Le professeur pourra faire observer que le concept d’ «airpur» est différent du concept d’ «eau pure». Convenablementpurifiée, l’eau tend vers le corps pur alors que, même nonpollué, l’air est un mélange gazeux. La composition de l’airpeut être modifié par l’intervention humaine (pollutions, rejetsde combustions, etc.) mais aussi par des phénomènes naturels(volcanisme, etc.).L’objectif final est de comprendre que le meilleur traitementcontre la pollution est tout simplement la limitation de saproduction.

La climatologie a pour mission d’archiver les observationsmétéorologiques afin de les exploiter pour une meilleure

prévision dans le futur. Elle permet aussi l’étude précise desdifférents climats sur la Terre.


Bibliographie indicative

a) Vidéo «voyage dans une perturbation» du CNED, REF C9802V

Cette vidéo est adaptée à la formation des professeurs ; elledure 14 minutes et elle fournit des explications claires sur leconcept de perturbation météorologique dans nos régionstempérées, sur les définitions des fronts chauds et froids et lesocclusions, sur la propagation du centre tourbillonnaireautour de la dépression, sur le sens de circulation des vents etleur changement de direction en un point du globe, surl’accompagnement nuageux et les précipitations. Un novicecomplet sera amené à visionner ce document plusieurs fois etmême à faire de l’arrêt sur image pour comprendre car laprésentation est assez rapide. Cette démarche professoraleune fois faite, le travail pédagogique d’adaptation à l’usagepar les élèves peut commencer.

Un usage pédagogique intéressant peut être réalisé parpetites séquences de l’ordre de la minute avec chaque fois unobjectif ou une question particulière et relativement fermée dugenre suivant :

– Comment sont collectées les images vidéo sur l’AtlantiqueNord, y compris la nuit, quand cette partie du globe n’est paséclairée par le Soleil ?

– Qu’appelle-t-on «animation vidéo» et en quoi permet-elleune prévision du temps sur plusieurs heures ?

– Quelle est la relation entre la carte barométrique d’une perturbation et le sens dans lequel souffle le vent dans l’hémi-sphère Nord ?

– Si l’on se trouve dans une perturbation et selon le position-nement géographique, se trouve-t-on dans une masse d’airfroid ou dans une masse d’air chaud ? Comment se succèdentles masses d’air en un lieu donné ?

– Que signifie l’expression «inclinaison d’un front chaud» eten quoi est-ce lié à une distribution nuageuse ? Même ques-tion pour un front froid.

– Que signifie l’expression «occlusion» ? Comment est-ellereliée à la rencontre des masses d’air froid et comment sepositionne la masse d’air chaud ?

Pour les climats tropicaux de certaines régions françaises, ilfaudrait envisager une autre vidéo adaptée à l’étude desalizés par exemple, beaucoup plus simples à comprendre.

b) Logiciel «Climats du monde» de Météo-France, version1.9 ou suivantes

Ce logiciel contient les données des relevés de températuresmoyennées sur 20 ou 30 ans dans 4 000 sites répartis surtout le globe (y compris sur les territoires des nouvelles aca-démies).

Les grandeurs collectées à chaque endroit (et chaque collègede métropole ou d’ailleurs pourra trouver un site météorolo-gique proche de quelques kilomètres) sont :– les moyennes des températures minimales chaque mois del’année ;– les moyennes des températures maximales chaque moisde l’année ;– les températures extrêmes pour chaque mois ;– la pluviométrie moyenne pour chaque mois ;– la pluviométrie globale ;– le nombre de jours de gel par mois ;– le nombre de jours de précipitation par mois.

Ces grandeurs peuvent être organisées pour chaque lieusous forme de graphiques d’évolution mensuelle pour lestempératures notées ci-dessus et sous forme d’histogrammespour les précipitations. On pourra renforcer ici les savoir-faire concernant l’usage des représentations graphiques eten même temps travailler sur des représentations comparéesde deux sites, se poser des questions sur les raisons des dif-férences de deux lieux très proches ou éloignés et apparte-nant vraiment à des climats différents (le professeurd’histoire et géographie trouvera également de grands inté-rêts à l’usage de ce logiciel).

L’approche est attrayante dans trois directions :– recherche du site à étudier en «cliquant» sur des cartes duglobe de plus en plus ciblées (Europe, puis France, puisPoitou-Charentes puis Poitiers ou bien toute autre stationproche, etc.) ;– recherche du site par listes alphabétiques, par paysd’abord, par villes ensuite ;– création d’une animation adaptée à la ville ou aux deuxvilles choisies par le professeur. En un premier temps, cecipeut servir d’entrée dans le logiciel pour les élèves, le



Mesures et observa-tions météorolo-

giques à partir desatellites


programme

A1 A2C1 C2


– Comment les vues illustrant lesbulletins de la météorologie sont-elles obtenues ?

• Les ballons-sondes• Les satellites artificiels

ACTIVITÉS

• Exploitation d’images satellitales


ce thème

4eet3e


professeur ayant (et c’est facile) préalablement choisi lesséquences que verront les élèves.

c) «L’eau, l’air, le temps qu’il fait», collection Tavernier,Bordas

Ce livre destiné aux maîtres de l’enseignement primaire duCM2 est une mine de situations expérimentales testées sur desconcepts tels que température, chaleur, pression ; il peut servirpour des élèves du cycle central. La «situation-problème» estreine et le maître est considéré comme le médiateur qui cana-lise les propositions et délimite un peu les errements.

d) «Découvrons la météo avec nos élèves», CRDP deLimoges

Ce petit livre noir et blanc donne au professeur l’essentiel pourcomprendre les contenus à enseigner. Il montre l’aspect inter-disciplinaire de cette science qu’est la météorologie et fournitde façon adaptée aux besoins du cycle central du collège unedescription de la réalisation et de la gestion d’une petite sta-tion météo. Des météorologistes professionnels apportent surdivers points d’intéressants compléments.

e) «Météo avec Martial et Cumulus», CRDP de Limoges et Météo-France Haute-Vienne

Ce petit livre en couleur permet de répondre simplement à laplupart des questions posées par les élèves. On relève p. 21une belle synthèse sur la description des principaux nuages etpages 12, 13, 48 une très intéressante méthode, peu connuedes enseignants, sur la mesure du degré d’humidité de l’air enfonction de la température ambiante. En fin de cours sur lamétéorologie, les élèves doivent être capables de comprendrel’ensemble de ce petit livre et, en cours de route, ils peuvent ychercher des réponses à leurs interrogations. Le niveausemble bien adapté au cycle central.

f) «La météo de A à Z», de Météo-France, éditions Stock

Ce livre richement illustré propose en particulier l’étude desformations nuageuses et celle des perturbations. Nous avonstrouvé des schémas clairs qui permettent de comprendre lesprévisions du temps lors du passage d’une perturbation atlan-tique. Les schémas annotés des pages 109 et 111 sont parti-culièrement utiles. Les élèves sont capables de lire cet ouvrageavec profit s’ils sont un peu aidés ou si le cours est assezavancé.

g) Valise pédagogique, Météo-France, Directioninterrégionale Nord

Il s’agit d’un classeur qui présente un tableau complet au plande la météorologie des phénomènes eux-mêmes et des acti-vités de classe possibles. Un ensemble de transparents pourrétroprojecteur accompagne la valise.De beaux documents synoptiques peuvent constituer la basedes connaissances à mémoriser ou servir de document de tra-vail pour de nombreuses séances. Une quarantaine de dispo-sitives complète le tout (instruments utilisés, nuages, cartesclimatologiques et schémas). Cet ouvrage laisse au professeurde sciences physiques le travail sur les phénomènes physiquesmais le libère et le guide dans le domaine de la strictemétéorologie.La vidéo du CNED citée en a) et le logiciel en b) font partie dela valise mais il est possible de se les procurer indépendam-ment.

h) Diapositives sur les saisons du CLEA 0

i) Disquette «astronomie» n°1, IREM d’Orléans


Les mesures effectuées dans les stations météo doivent êtreeffectuées dans des conditions identiques pour que lesrésultats entre des lieux différents puissent être comparés. Lastation doit être située de préférence sur un terrain plat (2 m

sur 2 m minimum), dans un espace bien aéré assez éloignédes bâtiments et des arbres. Le terrain sera de préférenceclôturé (grillage plastifié sur une hauteur de 1,20 m) pour quele matériel ne subisse que des influences météorologiques.

Un double toitempêchera le

rayonnement solairede frapper

directement levolume où l’air est

étudié.Les faces latérales et

la porte serontéquipées de

persiennes à doublepente : l’air doit

circuler librement,mais l’intérieur de

l’abri doit êtreprotégé contre les

intempéries et lesoleil.

La porte ouvrira versle nord car le soleilne doit pas frapper

directement lesinstruments de

mesure.Le sol doit être

engazonné (pourlimiter les

phénomènes deréverbération).

La girouette fixée sur unmât (il faudrait 10 m dehauteur !).Certaines girouettespossèdent un dispositifpermettant de mesurer lavitesse du vent(anémomètre).

Le thermomètreLe thermomètre à minima etmaximaL’hygromètreLe barographe (baromètreenregistreur)

Le pluviomètre à lecturedirecte ou le pluviomètre

Remarques :Beaucoup d’appareilspourront être réalisés parles élèves : pluviomètres,hygromètres à cheveu,girouettes, et certainsmontages électroniquespermettent d’excellentesmesures de vitesse du vent,de pressions, detempératures.Les relevés quotidiensdevront être effectuéstoujours aux mêmes heures.

Les instruments de mesures

annexe D6. La station météorologique au collège

L’abri météorologiqueSon volume ne doit pas être trop faible (un cube de 50 cmd’arête convient très bien).Le bois est le matériau idéal pour le réaliser.Il sera peint en blanc (pour réduire l’échauffement parabsorption du rayonnement solaire).Il sera placé à 1,50 m du sol (effet de réverbération du solmoins important).


Les programmes de l’école élémentaire sont définis par l’ar-rêté du 22 février 1995. Ils comportent une partie «Découvrirle monde» au cycle I, une partie «Découverte du monde» aucycle II, et une partie «Sciences et technologie» au cycle III. Dans un entretien accordé au BO du 21 mars 1996, le direc-teur des écoles estimait que «globalement, l’enseignement dessciences à l’école élémentaire n’est guère satisfaisant : levolume horaire effectif consacré à cette matière est trop faible,et, par exemple, les sciences dites “de la matière” sont abor-dées de manière trop théorique, trop abstraite.» Face à ce constat, la direction des écoles a mis en place,depuis 1995, une opération destinée à donner un nouvel élanà l’enseignement des sciences à l’école. Ainsi, en 1996-1997,344 classes, dans cinq départements, participent à l’opéra-tion «La main à la pâte», où, dans le cadre d’un dispositifdépartemental associant les enseignants, les IEN, les IUFM etdes institutions scientifiques locales, les élèves pratiquent régu-lièrement des activités scientifiques, font des expériences,notent leurs observations sur leurs cahiers.Cette opération conduira à la mise à la disposition des insti-tuteurs de documents d’accompagnement des programmesde sciences : fiches d’expériences, listes de matériel, exemplesde séquences.

C’est dans ce cadre que seront également mises à dispositiondes enseignants les «fiches connaissances», dont on trouvera ci-joint quelques exemples. Outils de travail pour les ensei-gnants, elles visent à exprimer, en des termes accessibles àdes élèves du cycle III, les connaissances sous-jacentes auxprogrammes de 1995 de l’école élémentaire. C’est en réfé-rence à ces programmes que ces fiches prennent leur sens. La version que l’on trouvera ci-dessous est une versionprovisoire, destinée à être enrichie par les remarques des344 enseignants participant à l’opération.Le Groupe Technique Disciplinaire (GTD) de physique-chimiea estimé que ces fiches pouvaient être riches d’enseignements,non seulement pour les maîtres à qui elles sont destinées, maiségalement pour les enseignants de sciences physiques descollèges.Dès le début de ses travaux d’élaboration des programmes ducycle central, le GTD a pris en compte l’évolution de l’ensei-gnement «Sciences et technologies» de l’école élémentaire. Encours de rédaction, les «fiches connaissances» ont étésoumises au GTD. Les professeurs constateront donc sanssurprise la grande cohérence qui existe entre ces fiches et lesprogrammes du cycle central parus au BO du 14 février1997.

À propos des «fiches connaissances» de l’école élémentaire


1. Programme

Cycle II : Utilisation d’appareils alimentés par des piles.Cycle III : Montages électriques : réalisation de circuits élec-triques simples alimentés uniquement à l’aide de piles ; rôlede la pile ; ses deux pôles ; principes élémentaires de sécuritédes personnes et des biens dans l’utilisation de l’électricité.Mécanismes : objets électromécaniques.

2. Connaissances

Un générateur électrique comporte deux pôles (ou bornes).Un générateur peut faire circuler un courant électrique dansune boucle fermée formée du générateur et d’objets conduc-teurs reliant un pôle du générateur à l’autre pôle (circuit élec-trique).Le courant électrique permet des transferts d’énergie d’unendroit à un autre.Le passage d’un courant électrique dans le corps humain présente des dangers qui peuvent être mortels.Une bobine de fil conducteur parcourue par un courant élec-trique se comporte comme un aimant 1

3. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant

«Courant» est employé dans de nombreux sens : adjectif (unesituation courante), verbe (en courant, je suis tombé), nom(courant d’eau, d’air, etc.). «Pôle» désigne aussi les pôles dela Terre et les pôles d’un aimant. «Conducteur» désigne leconducteur d’une voiture. «Ferme la lumière» signifie engénéral : «Éteins la lumière», alors que, en termes de physique, le courant circule lorsque le circuit électrique estfermé. Pour éteindre la lumière il faut, en termes de physique,ouvrir le circuit.

4. Difficultés provenant des idées préalablesdes élèves

L’utilisation de l’électricité est associée à la notion de danger.On s’appuie, en classe, sur cette idée salutaire pour rendrerationnels les comportements relatifs à la sécurité.Dans les installations domestiques, deux fils conducteurs sonten général présents dans un même cordon. Les élèves ontainsi l’impression que le courant est amené de la «prise» àl’appareil électrique par un seul fil, et est absorbé par l’ap-pareil, sans idée de retour, ou de circulation du courant.Lorsque les manipulations faites en classe ont permisd’aborder la notion de circuit électrique, cette notion restesouvent associée à l’idée selon laquelle chaque pôle de la pileenvoie «quelque chose» dans l’ampoule, et que la rencontrede ces «quelque chose» produit de la lumière, ou encore àl’idée selon laquelle le courant «s’use» en circulant dans le cir-cuit (au lieu de considérer qu’un même courant circule, d’unpôle du générateur à l’autre, dans un circuit en série).

5. Quelques écueils à éviter lors des manipulations

Il faut attirer l’attention des élèves sur le fait que l’on ne doitpas refaire à la maison, avec les prises de courant, les expé-riences faites en classe avec des piles.Il est indispensable que les expériences soient réalisées avecdes montages comportant des contacts électriques fiables ; ilconvient, en particulier, de disposer de supports pour leslampes.Au niveau de l’école élémentaire, les notions d’isolant et deconducteur sont des notions uniquement pratiques, liées audispositif utilisé : si l’on utilise un appareil témoin peu sensible(ampoule), l’eau du robinet est classée comme isolante, lesmétaux sont classés comme conducteurs, alors qu’avec untémoin plus sensible, l’eau du robinet est classée commeconductrice.La réalisation de montages en série ou en dérivation ne s’ac-compagne d’aucune définition théorique.Les pôles (bornes) d’une pile sont notés + et –. Les pôles d’unaimant ne doivent pas être notés + et –, mais sont notés N(pour Nord) et S (pour Sud).

6. Autres notions liées

Voir fiche «Énergie».

7. Pour en savoir plus

Tension de sécurité : en milieu humide, il est dangereux desoumettre le corps humain à une tension de 24V. La tensiondu secteur (220V) présente donc toujours des risques mortels.Les piles débitent du courant continu, qui, dans la partie ducircuit extérieure à la pile, circule du pôle + vers le pôle –. Lescentrales électriques qui alimentent les prises de courant, lesalternateurs de bicyclette, débitent du courant alternatif. Cettedistinction n’est à aborder à l’école élémentaire que par sesconséquences concrètes. (Comment placer les piles dans unappareil compte tenu du fait que les deux pôles sont électri-quement différents ? Quel est le sens de rotation d’un moteuralimenté par des piles ?).Les éclairs de l’orage sont des courants électriques.

8. Liens avec les situations concrètes observées dans l’environnement des élèves ;expériences réalisées par les élèves

Partie intégrante de la démarche pédagogique propre à l’enseignement des sciences à l’école élémentaire, ces deuxaspects ne sont pas traités dans les présentes «fiches connais-sances», qui ne sont pas des fiches d’expériences.

1. En ce qui concerne le champ créé, l’analogie aimant-bobine n’estvalable qu’à l’extérieur de la bobine ; c’est le cas pour toutes les situationsétudiées à l’école élémentaire.

Fiche «connaissances» physique-chimie Électricité


1. Programme

Cycle 3 : Exemples simples de sources et de productiond’énergie ; consommation et économie d’énergie.

2. Connaissances

L’utilisation d’une source d’énergie est nécessaire pourchauffer, éclairer, mettre en mouvement.


L’emploi, dans le langage courant, du mot «énergie», ou del’adjectif «énergique» se rapporte souvent au comportementhumain et évoque plutôt une idée de grande puissance et derapidité de l’action : «énergie du désespoir», «réaction éner-gique», etc. Ceci fait que les élèves comprennent difficilementque les transferts d’énergie peuvent se manifester par deseffets faibles : entretien du mouvement d’une montre par unepile, par exemple.


L’élaboration du concept d’énergie nécessite l’analyse d’unecertaine diversité de situations et de phénomènes, sur lesquelsles idées préalables des élèves sont souvent inexactes.C’est le cas en particulier pour le courant électrique dont lesélèves pensent qu’il peut être produit sans rien consommer :caractère mystérieux et magique des centrales nucléaires, eause «transformant» en courant électrique dans les centraleshydrauliques, prises de courant «donnant du courant» dèsqu’elles sont installées dans une pièce, sans même être reliéesau réseau EDF, etc.De même, la lumière est plutôt conçue par les élèves de façonstatique, comme un état de l’espace s’opposant à l’obscurité.L’absence de l’idée d’une émission en continu et d’une propagation constitue un obstacle pour la mise en relation dela lumière avec la notion d’énergie.

5. Quelques écueils à éviter lorsdes observations et des manipulations

Lors de l’étude expérimentale ou documentaire de diversessituations d’utilisation d’une source d’énergie, il serait illusoirede vouloir faire raisonner les élèves de l’école élémentaire entermes de transferts d’énergie, et encore plus en termes detransformation d’une forme d’énergie en une autre forme. Eneffet, ce niveau de raisonnement n’a de pertinence que dans

le cadre du principe physique fondamental de conservationde l’énergie, qui impliquerait un traitement quantitatif et unecompréhension de la diversité des formes et modes de trans-fert de l’énergie avec le vocabulaire pléthorique associé(énergie cinétique, mécanisme, potentielle, chimique,nucléaire, thermique, rayonnante, etc.). L’emploi de ce voca-bulaire et l’étude des notions sous-jacentes sont de toute évi-dence hors du champ accessible à l’école élémentaire. Leschaines de transformation que l’on est amené à aborder (desmuscles du cycliste à la lumière des «feux» de la bicyclette, dufioul de la centrale électrique à l’éclairage de l’appartement,etc.) sont donc abordées de façon purement causale et quali-tative, sans introduction d’un vocabulaire formalisé relatif àl’énergie.


Voir fiche «Lumière» et «Électricité».


Quand une source d’énergie est utilisée pour produire un effetquelconque, son «capital» d’énergie diminue. L’obtentiond’un effet, même minime, nécessite la consommation d’unecertaine quantité d’énergie. («On n’a rien sans rien ...»).

Au cours de ses transformations, l’énergie se conserve. Les«pertes» d’énergie correspondent donc aussi à des transfor-mations, et pas à des disparitions d’énergie (ces considéra-tions ne sont pas abordées à l’école élémentaire).

Indications techniques et économiques : il existe un nombrelimité de sources d’énergie naturelles. En France, on utilisetrois principaux types de centrales pour produire le courantélectrique : les centrales hydrauliques utilisant l’eau desrivières, les centrales thermiques à flamme utilisant lecharbon, le fioul ou le gaz naturel, les centrales thermiquesnucléaires utilisant l’uranium. Quelles que soit la méthodechoisie, la production d’énergie présente des inconvénientspour l’environnement, inconvénients qu’il faut analyser pourprendre des décisions rationnelles.



Fiche «connaissances» physique-chimie Énergie


1. Programme

Cycle II : L’eau dans la vie quotidienne : la glace, l’eauliquide, la vapeur d’eau ; l’existence de l’air.

Cycle III : L’eau : ébullition et évaporation ; congélation étatliquide, état gazeux, état solide.

2. Connaissances

L’eau existe sous trois états : solide (la glace), liquide, gazeux(la vapeur d’eau).

L’eau à l’état liquide suffisamment refroidie change d’état etse transforme en glace : c’est la congélation. La glace suffi-samment chauffée change d’état et se transforme en eau àl’état liquide : elle fond, c’est la fusion.

L’eau à l’état liquide suffisamment chauffée change d’état, ellebout et se transforme en vapeur d’eau : c’est l’ébullition1. La vapeur d’eau suffisamment refroidie change d’état et setransforme en eau à l’état liquide : c’est la condensation.

L’eau à l’état liquide peut se transformer en vapeur d’eau lentement même sans bouillir : c’est l’évaporation.

Chaque substance existe sous trois états : solide, liquide,gazeux2.

Un solide a une forme propre, un liquide n’a pas de formepropre. La surface libre d’un liquide au repos est horizontale3. La Terre est entourée d’une couche d’air, qui constitue l’atmo-sphère.


Dans le vocabulaire courant :

– Solide s’oppose souvent à «fragile» ou à «mou», et non àliquide et gazeux.– Gaz désigne surtout le gaz combustible utilisé commemoyen de chauffage domestique.– L’expression «eau gazeuse» ne désigne pas l’eau à l’étatgazeux.– Le mot «fondre» est souvent employé pour «se dissoudre» :«le sucre fond dans l’eau» (au lieu de : «se dissout»).– Le mot «vapeur» désigne d’autres gaz que la vapeur d’eau(vapeur d’alcool, d’éther, etc.).


Les élèves considèrent que la glace, l’eau et la vapeur sonttrois substances différentes. Cette représentation est renforcéepar le fait que, sous chacun de ses trois états, l’eau porte unnom usuel différent. Ils ont du mal à admettre l’existence desgaz. Pour eux, l’air immobile n’existe pas réellement ; seuls levent, les courants d’air ont une réalité.

5. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations

Lorsque l’on chauffe de l’eau dans un récipient, on observed’abord de petites bulles d’air (initialement dissout dans l’eau)qui s’échappent de l’eau. C’est en poursuivant le chauffageque l’on voit apparaître de grosses bulles de vapeur d’eau quis’échappent de l’eau lors de l’ébullition.Lorsque l’eau bout, on voit en général un brouillard au-dessusdu récipient ; ce brouillard est constitué par de fines goutte-lettes d’eau résultant de la condensation de la vapeur d’eaudans l’air froid au-dessus du récipient. Les élèves appellentsouvent ce brouillard «fumée», alors qu’une fumée comportede fines particules solides, ce qui n’est pas le cas ici. Ils appel-lent aussi ce brouillard «vapeur», alors que la vapeur d’eauest un gaz invisible ; ils appellent également ce brouillard«buée» alors que le mot buée désigne plutôt les fines goutte-lettes d’eau qui se déposent sur un objet froid.


Température.Voir aussi fiche «Mélanges et solutions».


Lors d’un changement d’état, il y a conservation de la naturede la substance et de la quantité de matière (la masse seconserve).La fusion de la glace et l’ébullition de l’eau pure ont lieu àtempérature constante. L’eau liquide et la vapeur d’eau peu-vent exister en même temps.Lors d’un changement d’état, le volume change en général.Lors de la congélation de l’eau liquide, dans les conditionsusuelles, le volume augmente (cette propriété fait de l’eau uncas exceptionnel par rapport à celui des autres corps).

8. Liens avec les situations concrètes observées dans l’environnement des élèves ; expériences réalisées par les élèves


1. Limite de cette affirmation : dans certains cas, l’eau ne peut pas bouillir dansun récipient hermétiquement fermé. Cette situation exceptionnelle n’est pas étu-diée à l’école élémentaire.

2. Cette affirmation présente des exceptions (exemple : substances qui, chauf-fées, subissent une modification chimique avant de changer d’état). De plus, cer-tains cas (cristaux liquides, substances dites «pâteuses», etc.) sont d’interprétationdélicate. Ces situations ne sont pas étudiées à l’école élémentaire.

3. Cela n’est pas vrai si la surface de séparation liquide/gaz est influencée parla proximité d’une paroi solide (ménisques, phénomènes capillaires). Cela n’estpas vrai non plus en impesanteur.

Fiche «connaissances» physique-chimieÉtats de la matière et changement d’état


1. Programme

Cycle 3 : Lumière et ombre

2. Connaissances

La lumière issue d’une source lumineuse se déplace en suivantun chemin rectiligne1

L’ombre d’un objet opaque par rapport à une source ponctuelle est la zone de l’espace qui ne reçoit pas la lumièrede cette source, car cette lumière est arrêtée par l’objet. Laforme de l’ombre d’un objet par rapport à une sourceponctuelle dépend de la forme de l’objet et de la position dela source par rapport à l’objet.Pour qu’un objet soit vu, il faut que la lumière issue de cetobjet entre dans l’oeil.


Certains élèves associent systématiquement lumière à électri-cité (éclairage électrique).Le mot «ombre» désigne, en général, l’ombre portée sur lesol, sur un mur, sur un écran, sur un objet. C’est cette ombreportée que l’on étudie dans les manipulations. Le mot ombreest employé dans de nombreuses expressions figurées : fairede l’ombre, homme de l’ombre, zones d’ombre, tirer plus viteque son ombre, etc.


Les élèves n’ont pas l’idée de la propagation de la lumière :la clarté ou l’obscurité sont plutôt considérées comme un«état» du lieu, fonction de la présence ou non d’une lampe(ou du Soleil).Les élèves ne conçoivent pas qu’un objet quelconque peutenvoyer de la lumière vers nos yeux ; cela ne leur apparaîtque s’il s’agit d’une source lumineuse reconnue ; lampe,Soleil. La présence de lumière n’est reconnue par les élèvesque «sur une source intense, ou «sur» une zone très éclairée(zone directement éclairée par le Soleil, par exemple).Le phénomène de la vision des objets est souvent conçu sui-vant le modèle erroné du «rayon visuel» partant de l’oeil pouraller capter l’image de l’objet. Beaucoup d’élèves pensentqu’ils peuvent voir la lumière «de côté», (c’est-à-dire quipasse devant leurs yeux) sans que cette lumière entre dansleurs yeux.


L’ombre d’un objet par rapport à une source déterminée nereçoit pas de lumière provenant de cette source, mais ellereçoit en général la lumière émise ou diffusée (envoyée) parles autres objets environnants. De même, un objet éclairé parplusieurs sources de lumière a autant d’ombres qui’l y a desources. L’affirmation «l’ombre est la zone qui ne reçoit pas

de lumière» est donc, en général, incorrecte car imprécise.L’utilisation d’une source de lumière étendue (lampe avecgrand réflecteur, Soleil) engendre des ombres aux coutoursdifficiles à interprèter (ombre, pénombre, etc.). Il est doncutile, pour faire les schémas des expériences, d’utiliser dansune première étape des sources lumineuses pouvant être assi-milées à un point et de tracer avec la règle un trait reliant cepoint aux «bords» de l’objet éclairé pour interpréter la formede l’ombre portée.


Voir fiche «Énergie» : la production de lumière nécessite l’uti-lisation d’une source d’énergie ; la lumière transporte del’énergie et, en particulier, le rayonnement solaire transfère del’énergie, dont le Soleil est la source ; cette énergie est essen-tielle pour la vie sur Terre.


L’ombre telle qu’elle est définie au paragraphe 2 désignetoute la zone de l’espace qui ne reçoit pas de lumière de lasource considérée ; c’est en ce sens que l’on dit, par exemple :«je marche sur le trottoir à l’ombre de l’immeuble», ou que,lors d’une éclipse : «la Lune passe dans l’ombre de la Terre».Cette zone comporte une zone «d’ombre propre» (partie del’objet non éclairée), et, s’il y a dans cette zone une ou plu-sieurs surfaces (sol, écran, mur, etc.), des ombres portées surle sol, l’écran, le mur. La maîtrise de ce vocabulaire (ombre,ombre propre, ombre portée) est difficile à l’école élémen-taire.Un objet éclairé (ou des poussières) diffuse (renvoie) un peude lumière dans toutes les directions, ce qui permet qu’on levoie, puisqu’un objet n’est vu que s’il renvoie de la lumièrevers l’œil. Ainsi, un objet opaque «arrête» la propagation enligne droite de la lumière, et diffuse une partie de la lumière.Un miroir qui reçoit de la lumière revoie celle-ci dans unedirection bien précise, qui dépend de la direction de lalumière qui arrive sur le miroir. (Il diffuse aussi une partie dela lumière, ce qui permet qu’on le voie.)La lumière se déplace à une vitesse grande et met environ 8minutes pour venir du Soleil.


Partie intégrante de la démarche pédagogique propre à l’enseignement des sciences à lécole élémentaire, ces deuxaspects ne sont pas traité dans les présentes «fiches connais-sances», qui ne sont pas des fiches d’expériences.

1. La lumière ne se propage en ligne droite que dans un milieu qui a partout lesmêmes propriétés. Il n’y a donc pas propagation rectiligne si la lumière rencontre uncorps opaque, ni lors du passage d’un milieu à un autre (eau/air, ...) ou dans unesituation telle que le phénomène de mirage, dû aux variations de température de l’air.Ces derniers cas ne sont pas traités systématiquement à l’école élémentaire, et leurexplication ne peut être abordée à ce niveau.

Fiche «connaissances» physique-chimieLumière


1. Programme

Cycle II : L’eau dans la vie quotidienne.Cycle III : Exemples de mélanges et solutions réalisables enclasse. Qualité de l’eau.

2. Connaissances

Certains gaz, certains liquides, certains solides, peuvent se dis-soudre dans l’eau en quantité appréciable (dissolution).Lors d’un mélange ou d’une dissolution, la quantité de matière,et donc la masse, se conservent.


Les susbtantifs «solution» et «dissolution» correspondent auverbe «se dissoudre» ; «solution» correspond aussi au verbe«résoudre» (solution d’un problème).Le langage courant confond systématiquement «dissoudre» et«fondre» : on dit couramment que le sel et le sucre fondentdans l’eau, alors qu’ils se dissolvent. (La fusion est le change-ment d’état solide/liquide.)Pour ce qui concerne la distinction «mélange - solution», sereporter au paragraphe 7.


La conservation de la matière lors d’une dissolution n’est pasperçue par les élèves, qui pensent que le sel et le sucre«disparaissent» lorsqu’on les dissout dans l’eau.Les élèves confondent en général eau limpide, pure, transpa-rente, potable, propre. Une eau parfaitement limpide peutcontenir des substances dissoutes, alors que les élèves la consi-dérent comme «pure». Ainsi, l’eau minérale et l’eau du robinetcontiennent des substances dissoutes (substances citées surl’étiquette de la bouteille, pour l’eau minérale, calcaire, entre autres, pour l’eau du robinet). Une eau limpidepeut ne pas être potable (si elle contient des substances dis-soutes toxiques ou en quantité excessive, ou encore des micro-organismes dangereux).


Il est préférable de se limiter, à l’école élémentaire, à des situa-tions simples : mélanges hétérogènes dont on peut séparer lesconstituants par décantation ou filtration ; solutions de sucre oude sel de cuisine dans l’eau, etc. (Conservation de la massetotale, obtention à nouveau de la substance dissoute par ébul-lition ou évaporation lorsque cela est possible.)Une eau trouble contient des matières solides en suspension.Par décantation ou filtration, on peut obtenir une eau limpide ; les élèves pensent que ce liquide est de l’eau pure

alors qu’il contient en général encore des substances dissoutes.L’eau «distillée» vendue en droguerie est, elle, proche de l’eau«pure» des chimistes. Pour des raisons de sécurité, il covientd’attirer l’attention des élèves sur le fait qu’il existe des liquideslimpides incolores qui ne sont pas de l’eau, et qui peuvent êtredangereux, tels que l’alcool à 90° ou l’eau oxygénée.


Voir fiche «États de la matière».Conservation de la masse.


La masse d’une substance qui peut être dissoute dans unvolume d’eau est limitée : à une température donnée, lorsquela solution est saturée, si l’on cherche à dissoudre encore plusde substance, elle ne se dissout plus.La vie courante offre de nombreux exemples de mélanges :solide/gaz (fumée : mélange d’un gaz et de particulessolides), mélanges gazeux (tel que l’air), liquide/gaz (mousse,aérosol, brouillard), émulsions (telle que l’émulsionhuile/vinaigre), etc.L’interprétation des différents phénomènes en termes de particules (atomes, molécules, ions) ne sera abordée qu’au col-lège.Distinction mélange/solution : ces deux mots sont employésdans libellé du programme. La distinction entre eux n’est pasune distinction scientifique fondamentale, mais une simpledistinction d’usage. Lorsque l’on parle d’un ensemble hétéro-gène (eau boueuse, fumée), on emploie toujours le termemélange ; dans le cas d’un ensemble homogène solide, liquideou gazeux, on parle aussi de mélange (mélange eau/alcool,mélange gazeux tel que l’air). Mais, dans ce deuxième casseulement, et pour les ensembles liquides ou solides seule-ment, on peut employer le terme solution lorsque l’un descomposants joue un rôle clairement différent des autres. Ainsi,pour l’eau salée, l’eau est appelée «solvant», le sel «soluté», etl’on parle de solution de sel dans l’eau ; il en est de même pourle sucre et l’eau. Il est clair que les termes «homogène, hétéro-gène, solvant, soluté», et la distinction d’usage que lesouvrages scientifiques font entre mélange et solution n’ont àfaire l’objet d’aucune étude systématique à l’école élémentaire.Le maître pourra, lorsqu’il lui semble que cela n’alourdit pasl’expression, employer lui-même les expressions convenables,mais sans en faire l’objet d’un apprentissage.


Partie intégrante de la démarche pédagogique propre à des sciences à l’école élémentaire, ces deux aspects ne sontpas traités dans les présentes «fiches connaissances», qui nesont pas des fiches d’expériences.

Fiche «connaissances» physique-chimieMélanges et solutions


1. Programme

Cycle 3 : Le ciel et la Terre : le mouvement apparent du Soleil ;la rotation de la Terre sur elle-même.

2. Connaissances

Chaque jour, les habitants de la Terre constatent que le Soleilapparaît (se lève) vers l’est, monte dans le ciel, culmine (est auplus haut au-dessus de l’horizon) en passant au-dessus du sud(dans l’hémisphère Nord), redescend et disparait (se couche)vers l’ouest.1

La Terre est une boule éclairée en permanence par le Soleil : ily a donc à chaque moment une moitié éclairée, où il fait jouret une moitié dans l’ombre, où il fait nuit.Le mouvement du Soleil que l’on observe dans le ciels’explique par le fait que la Terre tourne sur elle-même, parrapport au Soleil, en un jour, autour de l’axe des pôles (rotation)2 L’alternance du jour et de la nuit en un lieu de laTerre correspond au passage de ce lieu successivement dans lazone de l’espace éclairée par le Soleil et dans la zoned’ombre.


Le fait de dire que le Soleil «se lève» et «se couche» corres-pond à une conception anthropomorphique du Soleil.Il existe une ambiguité de sens entre les mots «jour» et«journée». Dans le contexte astronomique, un jour correspondà la durée séparant, en un lieu donné, deux culminations suc-cessives du Soleil. Cette durée varie un peu au cours del’année, sa valeur moyenne est de 24 heures. La journée cor-respond, quant à elle, au temps pendant lequel le Soleil resteau-dessus de l’horizon, c’est-à-dire, pratiquement, au tempspendant lequel il «fait jour».


Les plus jeunes élèves se représentent le Soleil comme un êtrevivant, qui agit (se déplace, éclaire) volontairement.Ils ont également tendance à se représenter le monde suivantle modèle géocentrique, selon lequel la Terre est immobile, leSoleil, et éventuellement les étoiles, tournant autour d’elle en unjour. Certains élèves qui ont eu l’occasion de remettre en causecette dernière idée expliquent alors le jour et la nuit par le faitque la Terre «tourne autour du Soleil en un jour» (au lieu de«tourne sur elle-même»).Beaucoup d’élèves croient que le phénomène des saisons estdû au fait que la distance Terre-Soleil varie au cours de l’année(explication incompatible avec l’inversion des saisons entrel’hémisphère Nord et l’hémisphère Sud), alors que l’explication réside dans le fait que l’axe de rotation de la Terre

est «penché», «incliné» (non orthogonal) par rapport au plande sa trajectoire autour du Soleil.


Lors de la réalisation ou de l’utilisation d’une maquette dusystème Soleil-Terre, il convient d’insister sur le fait que lesproportions ne sont pas respectées et que la maquette nereprésente pas une réduction de la réalité à l’échelle.L’étude du mouvement apparent du Soleil nécessite unecertaine maîtrise des points cardinaux et de leur repérage àl’aide de la boussole, ainsi que des caractéristiques essentiellesde la formation d’une ombre. Cette étude est étroitement liéeau repérage dans le temps grâce au cadran solaire.


Voir fiche «Lumière».


La trajectoire apparente du Soleil dans le ciel se modifie aucours de l’année, ce qui explique le phénomène des saisons.Quand il reste longtemps levé et culmine haut dans le ciel, leSoleil chauffe davantage le sol : c’est la saison chaude. Àl’inverse, quand les journées sont courtes et que le Soleil resteassez bas, c’est la saison froide. Ces variations du mouvementapparent du Soleil au cours de l’année s’expliquent par larévolution de la Terre autour du Soleil, au cours de laquellel’axe des pôles conserve, par rapport aux étoiles, une mêmedirection, qui n’est pas orthogonale au plan de la trajectoire(appelé plan de l’écliptique).Histoire des sciences : le mouvement observé du Soleil dans leciel est qualifié d’apparent, ce qui ne signifie pas qu’il s’agitd’une illusion. L’étude de ces notions fera très utilement appelà l’histoire des sciences : passage d’une conception où la Terreétait le centre du Monde au modèle copernicien (qui possèdeune plus grande portée explicative), place de Galilée dansl’évolution vers une conception rationnelle de la connaissancescientifique où le mouvement du Soleil est qualifié d’apparent.

8. Liens avec les situations concrètes observéesdans l’environnement des élèves ; expériences réalisées par les élèves

Partie intégrante de la démarche pédagogique propre àl’enseignement des sciences à l’école élémentaire, ces deuxaspects ne sont pas traités dans les présentes «fiches connais-sances», qui ne sont pas des fiches d’expériences.

1. Cette affirmation n’est pas vraie dans les régions polaires.

2. Par rapport aux étoiles, et non plus par rapport au Soleil, la Terre fait untour sur elle-même en un peu moins d’un jour (environ 23 heures et 56minutes). Ce point n’est pas à aborder à l’école élémentaire.

Fiche «connaissances» sciences de l’universMouvement apparent du Soleil


1. Programme

Cycle III : Approche des principales fonctions des micro-ordi-nateurs : mémorisation, traitement de l’information, commu-nication.

2. Connaissances

L’ordinateur peut garder de l’information en mémoire(exemples : texte, nombre, image, son).L’ordinateur peut recevoir l’information qui lui est communi-quée ; il peut communiquer de l’information.L’ordinateur peut modifier l’information et produire des résul-tats ; il le fait en exécutant un programme.Un programme est une suite d’instructions, écrite parl’homme, enregristrée, et exécutée automatiquement.


La plupart des termes utilisés en informatique on étéempruntés à l’usage courant, mais prennent dans le domainede l’informatique un sens précis lié à ce domaine. Ainsi, lamémoire de l’ordinateur a des fonctions communes avec lamémoire de l’être humain, mais aussi de nombreuses spécifi-cités. (La mémoire de l’être humain ne s’efface pas quand ildort, alors que la mémoire vive de l’ordinateur s’effacelorsqu’elle n’est plus sous tension.)Le programme d’un concert, le programme d’un homme poli-tique sont à distinguer du programme de l’ordinateur.Le terme information couvre, dans l’usage courant, unensemble très vaste (on regarde «les informations» à la télé-vision). En informatique, le mot information a un sens plus restrictif ; l’information est ce qui peut être codé sous uneforme permettant de distinguer un état parmi plusieurs (parexemple, le code binaire 0 ou 1, qui permet de distinguer unétat parmi deux états, ou l’alphabet, qui permet de distinguerun état parmi vingt-six).


Les élèves ont souvent une représentation anthropomorphiquede l’ordinateur, en lui prêtant une volonté. Cette représenta-

tion est accentuée par certains logiciels, qui font «parler» l’ordinateur à la première personne.Les élèves ont souvent une conception magique : l’ordinateurl’a «dit», donc c’est vrai, sans se demander comment lesrésultats ont été obtenus.


Avec l’ordinateur, plus encore que dans d’autres situations, lesélèves procèdent par essais et erreurs, dans une démarched’exploration spontanée, et souvent fructueuse. Cela conduitparfois les médias à affirmer que «les enfants, mieux que lesadultes, connaissent l’informatique». En fait, la pratiquespontanée, souvent riche, ne dispense pas de l’acquisition dequelques notions, qui, elles, ne se dégagent pas spontané-ment de la pratique, et que le maître introduit en s’appuyantsur la pratique.



Les notions d’informatique citées par le programme de l’écoleélémentaire sont limitées à celles énoncées au paragraphe 2.Il sera utile, cependant, d’utiliser un vocabulaire techniquedésignant clairement les éléments ou fonctions utilisées : péri-phériques d’entrée, de sortie, lecteur de disquette, lecteur decédérom, disque dur, clavier, souris, écran, imprimante,mémoire vive, unité centrale, réseau, logiciel, ouvrir, enregis-trer, fermer un fichier.


Partie intégrante de la démarche pégagogique propre à l’enseignement des sciences à l’école élémentaire, ces deuxaspects ne sont pas traités dans les présentes «fiches connais-sances», qui ne sont pas des fiches d’expériences.

Fiche «connaissances» informatique