Démarche scientifique à partir d une situation problème Les eaux gazéifiées Cinquième Situation problème A l insu des élèves, deux bouteilles d eau gazéifiée identiques, fermées, ont été placées sous le bureau (un quart d heure au moins) dans deux récipients, l un contenant de l eau chaude, l autre de l eau glacée. On donne quelques consignes aux élèves : on ne doit pas intervenir oralement, chaque élève devant noter individuellement sur un papier les questions que la situation leur suggère. On présente les deux bouteilles, essuyées, aux élèves, sans les secouer. Après leur avoir demandé de bien observer, on les débouche devant eux sans commentaire (il est souhaitable de pouvoir présenter l expérience en utilisant une caméra didacam reliée au téléviseur (ou un caméscope) pour que l observation soit visible par tous) Questionnement des élèves Les bouteilles contiennent-elles le même liquide? Pourquoi y a-t-il du bruit quand on décapsule les bouteilles? Pourquoi des bulles remontent quand on ouvre les bouteilles? Pourquoi y a-t-il plus de bulles dans une bouteille que dans l autre? (question majoritaire) Les liquides contiennent-ils un gaz? Si oui, lequel? Est-ce que les deux liquides sont de l eau ou un mélange avec de l eau? Est-ce que les deux bouteilles ont été conservées à la même température? Est-ce que les deux bouteilles sont chaudes ou froides? Où vont les bulles après l ouverture de la bouteille? Les différentes questions posées sont présentées à l ensemble de la classe et écrites au tableau. On choisit d essayer de répondre aux questions qui ont été le plus fréquemment posées.
1/Première question : Pourquoi y a-t-il plus de gaz dans une bouteille quand on l ouvre? A/Hypothèses formulées par les élèves (travail collectif): La date d embouteillage est différente Une des bouteilles a été agitée Elles ne sont pas à la même température B/Elaboration de protocoles expérimentaux pour vérifier les hypothèses Pour la première hypothèse, un élève propose de regarder la date d embouteillage sur la bouteille (On a pris la précaution de prendre deux bouteilles identiques avec la même date d embouteillage. On peut donc vérifier très vite que les deux liquides sont bien les mêmes) Pour les deux autres hypothèses, on répartit le travail sur la classe : par groupes de deux ou trois, les élèves recherchent un protocole expérimental pour vérifier une des deux hypothèses. Ils indiquent leur proposition sur un papier qui est ensuite ramassé par le professeur. Collectivement, on examine les propositions et on valide celles qui semblent convenables. Les groupes ayant fait les propositions d expériences les réaliseront ensuite. Ceux qui avaient proposé des expériences rejetées par la classe choisissent de réaliser une des expériences proposée par un autre groupe. Expériences proposées Influence de la température On place de l eau gazéifiée dans deux tubes. Un des tubes est mis dans des glaçons, l autre est chauffé avec un bec électrique Influence de l agitation On place de l eau gazéifiée dans un bécher et on remue (avec une cuillère ou un agitateur) On place de l eau gazéifiée dans deux erlenmeyer. Un des deux est placé dans une bassine pleine d eau chaude, l autre dans une bassine renfermant de l eau et des glaçons On enferme un peu d eau gazéifiée dans deux tubes à essais. On secoue l un des deux
On mesure la température de l eau de chaque bouteille On place de l eau gazéifiée dans deux béchers. L un reste sur la table et on chauffe l autre avec un bec électrique On agite une des deux bouteilles On chauffe de l eau gazéifiée à l aide d un chauffe-ballon C/ Réalisation de l expérience Chaque groupe réalise son expérience, en fait un compte-rendu sur son cahier (phrases et schémas) et tire la conclusion. Remarques : il a fallu deux heures pour arriver à la fin de cette étape. Une des difficultés majeure est de prévoir le matériel qui va être demandé par les élèves ; il faut quelquefois modifier un peu leur proposition, pour des raisons économiques surtout : remplacer la bouteille d eau gazéifiée choisie la plupart du temps par un autre récipient (tube à essai, bécher, erlenmeyer). Les élèves jouent bien le jeu et s investissent bien dans les activités : presque tous ont eu au moins une question, fait une proposition d expérience cohérente. Il est à souligner qu ils ont pensé très souvent à une expérience témoin. D/Bilan collectif des expériences réalisées Chaque groupe présente rapidement son expérience et les résultats trouvés. On note sur le cahier le bilan. Quand on secoue l eau gazéifiée, il y a un plus grand dégagement gazeux Plus la température de l eau gazéifiée est importante, plus le dégagement gazeux est important Le dégagement gazeux est plus important dans la bouteille où la température est la plus élevée Les hypothèses formulées sont donc exactes. Pour répondre à la question posée on utilise l expérience où on a mesuré la température de l eau (ou bien dans le cas où cette expérience n a pas été proposée on fait toucher chacune des bouteilles) Réponse à la question posée : Il y a plus de bulles dans une des deux bouteilles que l on a ouvertes car le liquide qu elle contenait avait une température plus élevée
Trace écrite On ouvre deux bouteilles d eau gazéifiée. Dans une des deux bouteilles, on observe un dégagement de bulles important ; Pourquoi y a-t-il plus de bulles dans une des deux bouteilles? Hypothèses formulées retenues : La température des deux bouteilles est différente Une des bouteilles a été agitée La date d embouteillage est différente Hypothèse vérifiée : Chaque élève fait le compte rendu de l expérience qu il a réalisé en notant sa conclusion Bilan de toutes les expériences Quand on secoue l eau gazéifiée, il y a un plus grand dégagement gazeux Plus la température de l eau gazéifiée est importante, plus le dégagement gazeux est important Le dégagement gazeux est plus important dans la bouteille où la température est la plus élevée Réponse à la question posée : Il y a plus de bulles dans une des deux bouteilles que l on a ouvertes car le liquide qu elle contenait avait une température plus élevée 2/ Deuxième question A l issue des premières expériences réalisées, on peut donc dire que l eau gazéifiée est un mélange homogène renfermant un gaz. Quel est ce gaz? Formulation d hypothèses Réalisée cette fois collectivement et oralement. C est de l air C est de la vapeur d eau C est du dioxygène C est du dioxyde de carbone L hypothèse vapeur d eau est éliminée très vite par les élèves (température trop basse).
Le professeur demande de vérifier s il s agit de dioxyde de carbone (ils ont déjà rencontré et identifié le gaz en SVT). On recherche collectivement le test à réaliser (test à l eau de chaux) Recherche d un protocole expérimental (individuelle sur feuille) Expériences proposées 1/ On place de l eau gazéifiée dans un tube à essai bouché avec un tube à dégagement dont l extrémité arrive dans un récipient renfermant de l eau de chaux. On agite le tube 2/ On place de l eau gazéifiée dans un tube à essai. On verse dedans un peu d eau de chaux 3/ On place de l eau gazéifiée dans un ballon fermé par un bouchon avec tube à dégagement dont l extrémité arrive dans un récipient rempli d eau de chaux. On chauffe avec un chauffe ballon sans faire bouillir 4/ L eau gazéifiée est placée dans un bécher, l eau de chaux dans un tube à essai muni d un bouchon avec tube à dégagement. On remue l eau gazéifiée avec un agitateur et les bulles remontent par le tube à dégagement vers le tube à essai!! 5/ Un des tubes renferme de l eau gazéifiée et l autre de l eau de chaux. On agite celui renfermant l eau gazéifiée 6/On chauffe de l eau gazéifiée sous une cloche. A côté on place de l eau de chaux dans un récipient
Les différentes expériences sont proposées à toute la classe. On décide d en choisir une qui sera réalisée par tous les élèves, le critère de choix principal étant la simplicité de réalisation. A chaque fois les élèves critiquent la solution proposée. C est la première proposition qui est choisie Réalisation de l expérience Réalisation par groupe de deux avec compte-rendu d expérience sur le cahier. C/ Interprétation des résultats L eau gazéifiée renferme du dioxyde de carbone La suite du cours (sur les propriétés du dioxyde de carbone) est traitée de façon plus classique. Certaines questions que les élèves s étaient posées n ont pas eu de réponse à ce stade. On a abordé oralement le problème du bruit à l ouverture des bouteilles, les élèves ayant suggéré d eux même la pression plus élevée du gaz qui s était accumulé dans la bouteille d eau la plus chaude. Production collective lors des stages collèges 2001-2002