Auteur : Christian Bertsch, University of Vienna

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1 9-11 ans Contenu scientifique : physique Concepts cible : densité des solides et des fluides Groupe d âge visé : 9-11 ans Durée de l activité : 2 heures Résumé : Les élèves apprennent que l air est une matière (même s ils ne le voient pas) qui présente des caractéristiques physique particulières. Ils découvrent que l air se dilate lorsque sa température augmente. Objectif : Les élèves comprennent que l air est une matière. Les élèves comprennent que l air se dilate sous l effet de la chaleur. Les élèves parviennent à expliquer pourquoi l air se dilate lorsqu il est chaud à l aide du modèle particulaire de la matière. Matériel (par groupe) : Expérience n 1 : une bassine d eau, une paille, un carnet, un ballon de baudruche, une petite bouteille en plastique Expérience n 2 : une bassine d eau, la partie supérieure d une bouteille en plastique vide (couper la bouteille en deux avec des ciseaux), le bouchon de la bouteille, deux ours gélifiés dans un bateau (bougie chauffe-plat) Expérience n 3 : une bouteille en plastique vide, une petite boule de papier Expérience n 4 : un ballon de baudruche, une bouteille en plastique, une paire de ciseaux Expérience n 5 : une bouteille en plastique, de l eau, un petit entonnoir, de la pâte à modeler Expérience n 6 : un ballon de baudruche, un sèche-cheveux, un mètre ruban Expérience n 7 : une bouteille en plastique, un ballon de baudruche, une bassine d eau chaude, une bassine d eau froide L air : plus qu il n y paraît Auteur : Christian Bertsch, University of Vienna The content of the present document only reflects the author s views and the European Union is not liable for any use that may be made of the information therein.

2 Les expériences n 1 à n 5 peuvent se faire lors d un même cours, car elles couvrent le même sujet : l air en tant que matière. Les expériences n 6 et n 7 peuvent se faire lors d un même cours, car elles couvrent le même sujet : l air se dilate lorsqu il se réchauffe. 1. Réflexion L enseignant répartit les élèves en groupes de quatre et distribue le matériel et les documents aux différents groupes. Toutes les activités commencent par une question et les enfants peuvent débattre de ces questions en s appuyant sur leurs connaissances. Ils formulent des prévisions et les mettent par écrit. 2. Recherche Après s être accordés sur une prévision, les élèves commencent à mener les différentes expériences à l aide du matériel fourni. Ils observent, mesurent et dessinent leurs observations. 3. Évaluation Expériences n 1 à n 5 : Les élèves parviennent à la conclusion que l air est une matière et qu en tant que tel il a besoin d espace. À la suite de ces expériences, ils consignent leurs conclusions. Il est important que les enfants écrivent individuellement avec leurs propres mots ce qu ils ont découvert. Leurs notes peuvent ensuite être comparées. Expériences n 6 et n 7 : Les élèves parviennent à la conclusion que l air se dilate lorsqu il se réchauffe et ils expliquent ce phénomène grâce au modèle. Après les deux expériences, ils consignent individuellement leurs conclusions.

3 Informations contextuelles L air n est pas «rien», même si nous ne le voyons pas. C est un mélange invisible, inodore et sans saveur de différents gaz, qui constitue une condition indispensable à la vie sur la Terre. Les deux principaux composants de l air sont l azote (N 2, 78 %) et l oxygène (O 2, 21 %). Le pour cent restant est constitué d argon, de dioxyde de carbone (CO 2, 0,03 %), de néon et d hélium. Bien que l air soit invisible, il a besoin d espace. Il est composé de nombreuses particules différentes (atomes et molécules), qui ne sont pas reliées entre elles, qui se déplacent rapidement (500 m/s à 20 C) et s entrechoquent souvent. Ces particules emplissent complètement l espace dont elles disposent. Dans un système clos, non seulement elles s entrechoquent, mais elles entrent aussi en collision avec, par exemple, la paroi d une bouteille ou un ballon de baudruche et elles exercent une pression sur ces objets. Si l air se réchauffe, les particules se déplacent plus rapidement et ont par conséquent besoin de plus d espace. Lorsque la température augmente de 1 C, un litre d air se dilate du volume d un dé à coudre. Notions que possèdent les élèves concernant l air : Les gaz sont comparés aux fluides et aux solides, mais souvent ils ne sont pas identifiés comme une matière par les enfants plus jeunes, car il est impossible de les toucher ou de les voir. Le mot «gaz» est souvent associé à des caractéristiques négatives, telles que «toxique», «malodorant» et «inflammable». L «air», quant à lui, est synonyme de fraîcheur et de santé. À l âge de cinq ans, les enfants connaissent déjà l existence de l air, mais principalement dans le contexte de phénomènes en mouvement (vent). Dans ces cas, ils sentent l air. L existence de l air dans des conditions statiques est acceptée à l âge de huit ans. Cependant, cet air n est pas «rien», il possède un poids spécifique et il est difficile à imaginer de manière intuitive. Certains enfants de douze ans pensent que l air ne pèse rien ou a un poids négatif, car les gaz sont considérés comme des éléments légers ayant tendance à s élever, plutôt qu à montrer leur poids. Particules d air à 20 C Particules d air à 90 C

4 L air : Expérience n 1 : Peut-on voir, entendre ou sentir l air? As-tu déjà entendu, senti ou même vu, de l air? Décris tes propres expériences : Essaye de rendre l air visible, audible ou sensible au toucher à l aide du matériel suivant : une bassine d eau, une paille, un carnet, un ballon de baudruche, une petite bouteille Fais une croix à côté du matériel grâce auquel tu as pu voir, sentir ou entendre l air. Ce matériel t a permis de voir, de sentir ou d entendre l air.

5 Que se passe-t-il quand tu plonges la petite bouteille dans l eau? Dessine ce que tu observes.

6 Expérience n 2 : les oursons plongeurs Matériel : une bassine d eau, la partie supérieure d une bouteille en plastique (couper la bouteille en deux avec des ciseaux), le bouchon de la bouteille, 2 oursons dans un bateau (bougie chauffe-plat) Question de recherche : Comment faire plonger le bateau des oursons au fond de la bassine sans le mouiller? Dessine tes idées. Peux-tu expliquer pourquoi les oursons ne sont pas mouillés? Écris ton explication. Si les oursons plongent sans se mouiller, ouvre le bouchon de la bouteille et observe ce qui se passe. Dessine ce que tu observes.

7 Expérience n 3 : la bouteille vide est-elle vraiment vide? Matériel : une bouteille vide, une petite boule de papier Place la boule de papier dans le col de la bouteille vide. Question de recherche : Comment faire entrer la boule de papier dans la bouteille sans toucher la bouteille ni la boule? Écris ton hypothèse avant d essayer. Essaye et observe Ce qui se passe : As-tu une explication à cela?

8 Expérience n 4 : est-ce difficile de gonfler un ballon? Matériel : un ballon de baudruche, une bouteille en plastique, une paire de ciseaux Place le ballon dans la bouteille vide. Peux-tu gonfler le ballon dans la bouteille? Discutes-en avec ton groupe avant d essayer. Oui, il est possible de gonfler le ballon dans la bouteille. Non, il n est pas possible de gonfler le ballon dans la bouteille. Essaye de gonfler le ballon. Écris ce que tu observes. Essaye d expliquer ton observation. Comment serait-il possible de gonfler le ballon dans la bouteille? Essaye de trouver une solution et dessine-la.

9 Expérience n 5 : décanter de l eau pas si facile que ça! Matériel : une bouteille en plastique, de l eau, un entonnoir, de la pâte à modeler Place l entonnoir dans la bouteille et verse l eau dedans. Que se passe-t-il? Entoure le goulot de la bouteille et l entonnoir de pâte à modeler. Verse de l eau dans l entonnoir. Qu observes-tu? Dessine tes observations. Comment l expliques-tu? Qu ai-je découvert aujourd hui?

10 Expérience n 6 : différence entre air chaud et air froid Matériel : ballon, sèche-cheveux, mètre ruban Gonfle un ballon est mesure sa circonférence avec le mètre. Écris le résultat dans le tableau. Chauffe le ballon avec le sèche-cheveux, mesure à nouveau sa circonférence et note le résultat. Attends quelques minutes et mesure à nouveau. Note les résultats. > Ballon avec de l air normal : cm de circonférence > Ballon avec de l air chaud : cm de circonférence > Ballon avec de l air refroidi : cm de circonférence Regarde le tableau. Y a-t-il une différence entre l air chaud et l air froid? Écris tes observations. Emporte le ballon chez toi et place-le dans le congélateur. Mesure sa circonférence au bout d une heure. > Ballon plein d air très froid : Mon hypothèse : cm de circonférence Ma mesure : cm de circonférence

11 Expérience n 7 : le Génie dans la bouteille Matériel : une bouteille en plastique, un ballon, une bassine d eau chaude, une bassine d eau froide Place le ballon sur la bouteille. D après toi, que va-t-il se passer lorsque tu placeras la bouteille dans l eau chaude, puis dans l eau froide? Écris tes prévisions : Maintenant, essaye et dessine tes observations. As-tu une explication concernant ton observation? Qu ai-je découvert aujourd hui?