Volcan sous-marin Auteur : Christian Bertsch, University of Vienna ans. Contenu scientifique : physique

Transcription

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 : 3 heures Matériel (par groupe) : Expérience n 1 : trois récipients en plastique (de même taille, par exemple des œufs Kinder) dotés d un bouchon (entièrement remplis de sable, farine, plumes), une bassine d eau Expérience n 2 : un verre, de l huile de cuisine, du sirop, de l eau, un grain de raisin, un boulon, une cuillère, un bouchon en liège Expérience n 3 : un bécher rempli d eau froide, une petite bouteille, de l eau chaude, un petit entonnoir, de l encre. Résumé : Les élèves se familiarisent avec la notion de densité et comparent différents solides et fluides. Ils découvrent que lorsque la température d un fluide augmente, sa densité diminue. Objectif : Les élèves comprennent que les solides et les fluides peuvent avoir des densités différentes. Les élèves comprennent que la densité (et non la taille) détermine si les objets flottent ou coulent. Les élèves comprennent que la densité de l eau chaude est inférieure à celle de l eau froide. Volcan 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 Plan des cours : 1. Réflexion Expérience n 1 : L enseignant répartit les élèves en groupes de quatre et distribue le matériel aux différents groupes. Les enfants discutent en groupes de ce qui, selon eux, fait flotter ou couler les objets et ils mettent leurs idées par écrit. Ils prédisent ensuite si des objets de même taille mais remplis de matériaux différents vont flotter ou couler. Expérience n 2 : L enseignant répartit les élèves en groupes de quatre et distribue différents fluides (huile, sirop, eau). L enseignant pose la question de savoir si des fluides peuvent avoir des densités différentes et en discute avec les enfants. Ces derniers font des prévisions sur ce qui se passe quand on verse les trois fluides dans un verre. Expérience n 3 : L enseignant répartit les élèves en groupes de quatre. Au sein des groupes, les enfants comparent leurs expériences avec l eau froide et l eau chaude (par exemple, plonger dans un lac où l eau et plus chaude en surface qu en profondeur). Après avoir réalisé la première expérience (eau chaude dans eau froide) ils discutent de ce qui se produira s ils versent de l eau froide dans de l eau chaude, puis mettent en application les connaissances qu ils viennent d acquérir. 2. Recherche Expérience n 1 : Expérience sur la flottaison et l immersion d objets de même taille mais remplis de matériaux différents. Expérience n 3 : Les élèves réalisent deux expériences similaires. Ils versent d abord de l eau chaude colorée dans un bécher contenant de l eau froide. Dans un second temps, il versent de l eau froide colorée dans un bécher d eau chaude et comparent leurs observations. Expérience n 2 : Les élèves versent différents fluides (de couleurs différentes) dans un verre et observent ce qui se passe. Ils placent ensuite différents objets dans les trois fluides et observent s ils coulent ou s ils flottent. 3. Évaluation Expérience n 1 : Les élèves découvrent que des objets de même taille peuvent avoir des poids différents. La notion de densité est discutée avec les enfants (voir informations contextuelles). Les élèves prennent conscience que ce n est pas le poids d un objet mais sa densité qui détermine la flottaison ou l immersion : les objets dont la densité est supérieure à celle de l eau coulent et les objets dont la densité est inférieure flottent. Expérience n 2 : Les élèves concluent que les trois fluides sont de densité différente. Ils placent les fluides et les objets utilisés sur une échelle, de la densité la plus faible à la plus haute. Expérience n 3 : En comparant les deux expériences, les enfants déduisent que la densité de l eau chaude doit être inférieure à celle de l eau froide. L enseignant peut expliquer ce phénomène à l aide du modèle particulaire (voir informations contextuelles). À la fin de la série d expériences, les élèves écrivent individuellement ce qu ils ont découvert lors des trois derniers cours.

3 Informations contextuelles : Densité : La densité d un matériau est définie comme étant sa masse par volume. Sur le plan mathématique, la densité est définie comme la masse divisée par le volume. Pour que les élèves comprennent la notion de densité, il peut être utile de faire appel à des objets de même taille mais de masse différente (par exemple des œufs Kinder remplis de matériaux différents). En général, il est possible de modifier la densité en changeant soit la pression soit la température. Une hausse de pression augmente la densité d un matériau. Une hausse de température diminue généralement la densité, mais il existe des exceptions. Ainsi, par exemple, la densité de l eau augmente entre son point de fusion à 0 C et 4 C (anomalie de densité de l eau). Entre 4 C et 100 C la densité diminue. Par conséquent, l eau chaude est plus légère que l eau froide (densité la plus élevée à 3,98 C = 1,00 g/cm3). Ce phénomène peut s expliquer à l aide du modèle particulaire : lorsque la température augmente, les particules d eau utilisent plus d énergie et se déplacent davantage. Par conséquent, la même quantité de particules (la même masse) a besoin de plus d espace. Cette expansion diminue la densité. Densité de différents matériaux à 20 C Matériau Densité (g/cm3) Bois d épicéa 0,43 Bois de chêne 0,65 Eau 0,998 Aluminium 2,67 Or 19,30 Particules d eau à 20 C Particules d eau à 80 C

4 Expérience n 1 : la densité Matériel : trois récipients en plastique dotés de bouchons (entièrement remplis de sable, farine, plumes), une bassine d eau Qu est-ce qui détermine si les objets flottent ou coulent? Qu en penses-tu? Lequel des trois récipients va flotter, lequel va couler? Avant d essayer, fais une prévision. Matériel Ma prévision Mon observation Récipient plein de sable Coule Flotte Coule Flotte Récipient plein de farine Coule Flotte Coule Flotte Récipient plein de plumes Coule Flotte Coule Flotte Certains récipients flottent et d autres coulent, même s ils sont tous de la même taille. Pourquoi? As-tu une idée?

5 Expérience n 2 : la densité des fluides Matériel : un bécher, de l huile de cuisine, du sirop, de l eau, un trombone, un grain de raisin, un boulon, une cuillère, un bouchon en liège 1. Verse 2 cm d huile dans le bécher. 2. Verse 4 cm d eau dans le bécher. 3. Verse 2 cm de sirop dans le bécher. 4. Place les objets dans les trois fluides. Dessine ce que tu observes et annote le dessin. Où se trouvent les objets et les fluides? Classe les matériaux et les fluides utilisés selon leur densité. Densité faible Densité haute

6 Expérience n 3 : le volcan Matériel : bécher d eau froide, petite bouteille, eau chaude, petit entonnoir, encre As-tu déjà plongé dans un lac? Où se trouve l eau plus froide? À la surface ou au fond du lac? Mélange l encre à l eau chaude et verse le mélange dans la petite bouteille grâce à l entonnoir. Place la bouteille dans le fond du bécher plein d eau froide. Observe ce qui se passe et dessine-le. Peux-tu expliquer ce que tu as observé? L eau chaude a une densité que l eau froide!!

7 Que crois-tu qu il se passera si tu mélanges l encre à l eau froide et que tu places la petite bouteille pleine d eau froide dans le bécher d eau chaude? Dessine tes observations : Ce que j ai découvert grâce aux trois expériences sur la densité :