La masse et le volume

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1 Stage R3 Arles Sciences La masse et le volume QUESTION : Le volume, la masse se conservent-ils lors de la solidification de l'eau? PROTOCOLE : Matériel : (Les références sont données uniquement à titre d'exemple, n'importe quel matériel équivalent pouvant faire l'affaire.) 1 bac plastique type aquarium 2,6 l ( Référence , Jeulin) 2 flacons transparents cylindriques identiques Ø 30 mm, 40 ml avec bouchon à vis ( Référence , Jeulin) 1 balance type Roberval ( Référence , Celda) 2 sachets ou tubes plastique légers et sable fin scotch de couleur 1 torchon, 1 maillet, de la glace et du gros sel de cuisine eau Durée : Variable selon les rapports entre le volume de réfrigérant et le volume des flacons. Compter 30 à 60 minutes. Préalable : Dans l'énoncé de la question, deux notions sont à traiter simultanément : le volume d'une part, la masse d'autre part, sur un corps : l'eau. Il faut tenir compte aussi des contraintes liées au local, une salle de classe (mélange réfrigérant plutôt que congélateur), et au matériel, une balance de type Roberval avec laquelle un équilibre est plus facile à obtenir qu'une pesée. Les contraintes liées à l'utilisation d'un liquide dans une salle de classe imposent l'utilisation d'un contenant, le flacon. Dès lors deux questions se posent : 1) le volume du flacon va-t-il être affecté par la réfrigération? 2) la masse du flacon va-t-elle être affectée par la réfrigération? Ces questions se posent aussi pour le scotch. C'est pourquoi nous utilisons 2 flacons identiques. Nous n'avons pas traité la question 1, la modification du volume de l'eau étant importante par rapport à l'éventuelle modification de celui du flacon. Mais rien n'empêche les curieux de se munir d'un pied à coulisse. Le fait de fermer les flacons évite le risque de modifier la masse soit par évaporation, soit accidentellement pendant la manipulation. 1

2 Préparation : A l'aide du scotch établir un repère horizontal sur chacun des deux flacons à environ 1/3 du haut. Préparer un mélange réfrigérant en quantité suffisante pour pouvoir immerger presque totalement les flacons verticalement. Mélange réfrigérant 1/5 de gros sel de mer4/5 de glace pilée- Piler la glace dans le torchon à l'aide du maillet- Mettre la glace dans le bac plastique- Ajouter le sel Démarche : Emplir d'eau un flacon jusqu'au repère(haut du scotch) et le fermer. Poser le flacon vide fermé sur un plateau et réaliser l'équilibre en versant du sable dans le sachet ou tube plastique. Garder et repérer ce sachet ou tube, par exemple : sachet ou tube N 1. Répéter cette manœuvre avec le flacon contenant l'eau. Mettre les deux flacons dans le mélange réfrigérant, respecter la verticalité du flacon contenant l'eau. 2

3 Lorsque l'eau s'est solidifiée, sortir et sécher les flacons. Repérer la hauteur de l'eau solidifiée par rapport au repère (pour un diamètre donnée la hauteur d'un cylindre est fonction du volume). A l'aide de la balance et du sachet ou tube de sable correspondant, constater l'équilibre ou le déséquilibre avec le flacon vide. A l'aide de la balance et du sachet ou tube de sable correspondant, constater l'équilibre ou le déséquilibre avec le flacon plein. Document d'accompagnement : Fiche de relevé des observations pour l'expérience : ": Le volume, la masse se conservent-ils lors de la solidification de l'eau? " VOLUME EAU LIQUIDE Au niveau du repère (scotch) EAU SOLIDE 3

4 Flacon sans eau Flacon avec eau MASSE A température ambiante Egale à celle du sachet ou tube témoin N 1 Egale à celle du sachet ou tube témoin N 2 Après solidification SEANCE Compétences notionnelles Compétence méthodologique Pré requis Question Mode de fonctionnement Durée Matériel par groupe et déroulement Conservation de la masse lors du changement d état.modification du volume Réaliser une expérience en suivant un protocole. Savoir réaliser un équilibre avec une balance type Roberval. Savoir que le volume augmente lors de la solidification. Savoir que l eau liquide et la glace sont deux états du même corps. Mélange réfrigérant Le volume, la masse se conservent-ils lors de la solidification de l'eau? Groupe de 4 Variable selon les rapports entre le volume de réfrigérant et le volume des flacons. Compter 30 à 60 minutes. Voir Protocole Réflexions sur la séquence classe. La formulation de la question est trop complexe pour des enfants de cycle 3. Elle fait apparaître deux variables en même temps, et il est plus facile de travailler sur la fusion que sur la solidification. Nous préconisons de séparer en deux séquences. La première séquence aura pour objectif de constater la modification de volume lors du changement d état. Nous détaillerons la séquence permettant d étudier la conservation de masse lors du 4

5 changement d état. Lorsque l on veut étudier la fusion, il faut prendre la précaution d utiliser un contenant qui puisse se fermer. Lors de la solidification, il y a condensation sur l extérieur des parois, donc augmentation de la masse. Penser aussi à bien essuyer le contenant si l on veut réaliser la tare. 5