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1 SUJET DE CONCOURS Sujet Exploitation d une documentation scientifique sur le thème de l énergie 2 e partie de la composante majeure (8 points) Les questions prennent appui sur six documents A, B, C, D, E, F (voir pages suivantes). Consignes au candidat Étape 1 : Analyse critique des documents proposés en faisant appel à vos propres connaissances Question 1 : Faites l inventaire des notions scientifiques évoquées par chacun des documents, en repérant celles qui peuvent faire l objet d une étude approfondie au cycle 3. Question 2 : Quels sont les facteurs testés par les expériences décrites dans le document E. Quelles conclusions peut-on tirer de ces expériences? Question 3 : Faites une analyse critique des informations présentées dans le document F. Étape 2 : Exploitation des documents pour présenter, en un texte de deux pages maximum, des éléments d une démarche d investigation telle qu elle est prévue dans les programmes du cycle 3 de l école primaire Question 4 : À partir de l analyse que vous avez réalisée dans la première partie, vous indiquerez, en référence aux programmes de l école, un problème qui pourrait être traité au cycle 3. Vous formulerez de manière précise les connaissances à acquérir, des questions productives possibles et vous donnerez quelques exemples de situations conformes à la démarche d investigation. Question 5 : Précisez les liens possibles avec d autres disciplines enseignées à l école. Sciences expérimentales et Technologie (Composante majeure) Histoire-Géographie (Composante mineure) 1

2 Document A D après Mon bibliotexte cycle 3, Bordas, Document B D après Sciences et technologie CM, Magnard, Sciences expérimentales et Technologie (Composante majeure) Histoire-Géographie (Composante mineure) 2

3 Document C D après Sciences et technologie, Album documentaire CM1, Hatier, Document D D après CM, Bordas, Sciences expérimentales et Technologie (Composante majeure) Histoire-Géographie (Composante mineure) 3

4 Document E D après Cahier d activités Physique et Technologie CM1, Bordas, Sciences expérimentales et Technologie (Composante majeure) Histoire-Géographie (Composante mineure) 4

5 Document F D après Mon quotidien n 2 Spécial Sciences, Sciences expérimentales et Technologie (Composante majeure) Histoire-Géographie (Composante mineure) 5

6 PISTES POUR UN CORRIGÉ DU SUJET Étape 1 : Analyse critique des documents Question1 : Faites l inventaire des notions scientifiques évoquées par chacun des documents, en repérant celles qui peuvent faire l objet d une étude approfondie au cycle 3. Les documents présentés dans ce dossier documentaire invitent à une réflexion sur divers procédés permettant de capter et d exploiter au mieux l énergie solaire : énergie «propre» et «renouvelable». Inventaire des notions scientifiques évoquées dans chacun des documents (les notions soulignées sont celles qui peuvent faire l objet d une étude approfondie au cycle 3). Document A - Croissance de la population et donc de la consommation énergétique mondiale - Lien entre le développement d un pays et le fait de pouvoir disposer de ressources énergétiques - Distinction entre «énergies renouvelables» et «non renouvelables». - Dégradation de l environnement lors de l utilisation d énergies non renouvelables (charbon, pétrole, gaz). - Nécessité d économiser l énergie pour préserver l environnement. On voit que ce premier document montre l intérêt de l énergie solaire pour l environnement. Document B - Le Soleil : source d énergie renouvelable (le document utilise le terme «inépuisable» qui n est pas celui que l on utilise habituellement sur le plan scientifique). - Il existe différents procédés pour «capter» l énergie du Soleil : - utiliser «l effet de serre» ; - utiliser des photopiles. Le document évoque «la chaleur venant du Soleil» qui reste emprisonnée dans les vérandas et les serres (effet de serre). Il serait plus rigoureux de parler d un transfert d énergie du Soleil à la Terre par rayonnement. Ce rayonnement est en partie absorbé par les matériaux qu il rencontre, puis réémis sous des longueurs d ondes pour lesquelles le verre n est plus «transparent» : l énergie se trouve alors «piégée», et permet d augmenter la température de l air ou de l eau qui s y trouve. Document C - Réflexion de la lumière lorsqu elle frappe un miroir. - «Production» de courant électrique par un ensemble turbine-alternateur mis en mouvement par un jet de vapeur d eau. - Faible rendement énergétique d un tel dispositif. Document D - Description du fonctionnement d un capteur solaire à circulation d eau. - Schématisation d une maquette de chauffe-eau solaire. Document E - Mise en évidence expérimentale de l influence de quelques paramètres dans le rendement d un dispositif de chauffage solaire : présence d une vitre pour exploiter «l effet de serre», couleur de l objet à chauffer, isolation, inclinaison des rayons solaires. (Ces éléments sont détaillés dans la réponse à la question 2..) Document F - Les différentes formes d énergie (les «formes» évoquées ne correspondent pas à la dénomination scientifique (cf l analyse critique de ce document détaillée dans la réponse à la question 3). - Différence de densité entre «l air chaud» et «l air froid». - Diverses utilisations du vent. - Électricité statique accumulée dans les nuages d orage. - Fusion thermonucléaire au sein du Soleil et «dégagement» d énergie sous «forme» de chaleur et de lumière. - Notion d atomes. - Transfert d énergie par chaleur et par rayonnement. - Utilisations domestiques de l énergie pour se déplacer, se chauffer, se distraire. - Apports énergétiques des aliments. Sciences expérimentales et Technologie (Composante majeure) Histoire-Géographie (Composante mineure) 6

7 Question 2 : Quels sont les facteurs testés par les expériences décrites dans le document E. Les expériences décrites dans le document E permettent de tester l influence de 4 facteurs sur la température de l air piégé à l intérieur d une boîte : - la présence ou non d une vitre (expérience A) ; - l inclinaison des rayons du Soleil sur la vitre (expérience B) ; - la couleur de l intérieur de la boîte qui reçoit les rayons solaires (expérience C) ; - la présence d un isolant thermique autour de la boîte (expérience D). L influence de ces facteurs peut être testée car, dans chacune des expériences décrites, un seul facteur varie à la fois, les autres restant stables : il y a séparation des variables. Quelles conclusions peut-on tirer de ces expériences? L expérience A montre que la présence d une vitre permet de porter l air à l intérieur de la boîte à une température supérieure à celle obtenue sans vitre : la vitre augmente donc le rendement du transfert d énergie (effet de serre). L expérience B montre que l inclinaison des rayons a une influence sur le rendement du transfert d énergie. L angle des rayons sur la vitre n étant pas indiqué, on ne peut rien conclure sur l angle «optimum». L expérience C montre que la présence d un corps noir permet de porter l air à l intérieur de la boîte à une température supérieure à celle obtenue avec un corps blanc : un corps noir a un meilleur rendement énergétique qu un corps blanc (rayonnement d un corps noir). L expérience D montre que la présence de laine de verre permet de porter l air à l intérieur de la boîte à une température supérieure à celle obtenue sans laine de verre : mise en évidence des propriétés isolantes de la laine de verre. On peut regretter l absence d information sur la température initiale de l air au début des expériences, seule la température après 15 minutes est indiquée. Cette information permettrait d amorcer une comparaison sur l influence respective des 4 facteurs évoqués (à condition d être plus précis sur le repérage de l angle optimum d inclinaison des rayons solaires). Question 3 : Faites une analyse critique des informations présentées dans le document F. Le document F utilise un vocabulaire courant qui ne correspond pas aux catégories retenues par les scientifiques. Les «formes» d énergie évoquées ici recouvrent sur le plan scientifique des notions multiples : - des formes d énergie dans certains cas (énergie nucléaire dans le Soleil, énergie chimique dans les aliments, énergie cinétique du vent) ; - mais aussi des modes de transfert de l énergie (transfert par échange de chaleur, transfert par rayonnement, transfert par travail des forces électriques). Ces notions sont bien distinctes sur le plan scientifique même si l emploi de ce vocabulaire spécifique est hors du champ accessible à l école primaire (cf. fiche connaissances n 16). Le document F, destiné à un public de niveau collège, fait le choix du vocabulaire courant pour ces notions, mais semble faire d autres choix à d autres endroits, quand sont proposés les termes «fusion nucléaire», «atomes lourds». On peut donc constater un manque de cohérence dans le choix du niveau de formulation des notions. L exemple retenu pour évoquer les phénomènes électriques (l électricité statique accumulée dans les nuages d orage) ne représente pas les usages courants de l électricité. On pourrait penser que ces nuages sont «des réservoirs» d électricité, ce qui risquerait de créer un obstacle à la compréhension du courant électrique comme «mode de transfert» de l énergie et non comme une forme stockable. On peut regretter que n apparaissent pas sur ce document des repères permettant d identifier les sources d énergie, notion fondamentale dans ce domaine. Sciences expérimentales et Technologie (Composante majeure) Histoire-Géographie (Composante mineure) 7

8 Étape 2 : Exploitation des documents pour présenter des éléments d une démarche d investigation au cycle 3 Question 4 : À partir de l analyse que vous avez réalisée dans la première partie, vous indiquerez, en référence aux programmes de l école, un problème qui pourrait être traité au cycle 3. Vous formulerez de manière précise les connaissances à acquérir, des questions productives possibles et vous donnerez quelques exemples de situations conformes à la démarche d investigation. Identification du problème posé par le dossier documentaire et connaissances à acquérir Le dossier documentaire aborde le problème de l utilisation de l énergie solaire : il propose des documents qui illustrent son caractère renouvelable (et donc son intérêt pour l environnement et les économies d énergie), et d autres qui invitent à des recherches sur les facteurs qui permettent d utiliser au mieux le Soleil pour se chauffer. Le problème scientifique posé est de savoir comment utiliser au mieux le Soleil pour se chauffer. Ce dossier incite à travailler les compétences suivantes (cf. document d application Sciences et technologie cycle 3, p. 23) : - Mettre en évidence expérimentalement le rôle de l isolation dans les économies d énergie. - Savoir que l on peut se chauffer grâce au Soleil et mettre en évidence expérimentalement l influence de quelques paramètres : couleur de l objet à chauffer, isolation, orientation, présence d une vitre. Propositions pour poser le problème avec des élèves de cycle 3 On suppose qu un travail préalable sur la notion de sources d énergie a été réalisé. Le document A est alors un bon support pour démarrer une nouvelle séquence : il pose trois questions et donne des éléments de réponse pour chacune d elles. Une première tâche à proposer aux élèves est alors de retrouver dans le texte ces informations, et de les associer à la question correspondante. On peut, si nécessaire, compléter le travail par l exploitation d un document complémentaire qui permettrait de revoir les notions de sources d énergie renouvelable ou non. La dernière phrase du document A oriente vers la recherche de solutions pour économiser l énergie et utiliser des énergies renouvelables : eau, soleil, vent, bois. Le maître conduira les élèves à s interroger sur les conditions d efficacité de l énergie solaire, pour le chauffage des logements. Questions productives - D où vient l énergie que nous utilisons? - Comment économiser l énergie dans une maison? - Comment utiliser au mieux le Soleil pour chauffer? Propositions pour la mise en place d une démarche d investigation conduisant à l acquisition de savoirs Les élèves formulent des hypothèses sur les différents dispositifs solaires envisageables et sur les paramètres qui peuvent avoir une influence sur leur efficacité. Une première recherche documentaire mettra en évidence trois principes possibles : concentrer le rayonnement solaire à l aide de miroirs (document C), piéger le rayonnement solaire par effet de serre (première partie du document D) et produire de l électricité grâce à des photopiles (document complémentaire à trouver). La classe s engage sur un projet de fabrication d une maquette de chauffe-eau solaire. Les élèves font des propositions pour concevoir une maquette. Le maître organise une mise en communs des idées et oriente le débat pour déboucher sur une maquette inspirée du document D. Avant la construction définitive, un travail expérimental sera conduit avec un dispositif plus simple, afin de choisir au mieux les paramètres sur lesquels on peut jouer : couleur des tuyaux, isolation, orientation. Les élèves conçoivent des protocoles expérimentaux, du type de ceux qui sont proposés dans le document E. Ils réalisent leurs expériences, exploitent leurs résultats et tirent les premières conclusions. La confrontation avec les informations présentées dans le document E permet de s assurer de la validité des résultats des élèves en insistant sur la nécessité de séparer les variables lors d une expérience. Sciences expérimentales et Technologie (Composante majeure) Histoire-Géographie (Composante mineure) 8

9 Propositions pour la structuration des connaissances Une mise en réseau des découvertes favorise l acquisition et la structuration des connaissances. Cet organigramme servira à relier ces nouvelles connaissances aux notions construites à partir du travail mené en amont ou en aval. Concentrer le rayonnement solaire Loupes Miroirs Fours solaires à concentration Comment chauffer avec le soleil? Piéger le rayonnement solaire à l aide d une vitre (Effet de serre) Chauffer de l eau Chauffer de l air ou les murs Les meilleurs résultats sont obtenus avec : - des capteurs peints en noir - des dispositifs bien isolés (polystyrène, laine de verre) - des capteurs orientés perpendiculairement aux rayons du Soleil. Produire de l électricité avec des photopiles En évaluation Les élèves doivent pouvoir présenter des arguments en faveur de l utilisation de l énergie solaire pour le chauffage domestique et être capables de préciser les conditions de l utilisation la plus efficace. Question 5 : Précisez les liens possibles avec d autres disciplines enseignées à l école. Les investigations proposées engagent les élèves dans de nombreuses activités de lecture documentaire (fiche technique, texte argumentatif, tableau de chiffres) et de productions de textes spécifiques : comptes-rendus d expériences intégrant des schémas et des graphiques. Les mesures, l exploitation des données, leur mise en forme contribuent au développement de compétences en mathématiques. L éducation civique est abordée au travers d une réflexion sur les choix énergétiques. On peut aussi envisager un travail historique sur l évolution des méthodes de chauffage. Sciences expérimentales et Technologie (Composante majeure) Histoire-Géographie (Composante mineure) 9

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