CONCOURS C-GÉNIAL 2012 Les scientifiques du collège Modigliani.
LES SCIENCES DANS LA MAISON Cette année a ouvert au collège Modigliani un atelier scientifique destiné aux élèves volontaires de 3 ème : Les scientifiques du collège Modigliani. Dès septembre, nous sommes 14 élèves motivés à avoir rejoint l atelier (Mylène, Louise, Lucie, Garance, Athéna, Marine, Emmanuelle, Camille, Andrei, Jérémy, Louis, Emilien, Romain, Yann). Nos professeurs nous ont dit que nous allions travailler sur : Les sciences dans la maison. On a commencé par faire des sciences dans la cuisine, puis dans la salle de bains et enfin dans le salon.
PARTIE 1. DANS LA CUISINE La Cuisine Moléculaire En début d année, nous avons fait avec l atelier scientifique du collège de la cuisine moléculaire. Dans cette cuisine, nous avons fait différentes expériences et nous avons ainsi réalisé des perles ou des spaghettis de jus d orange, de grenadine, de miel, de menthe, de vinaigre balsamique et même de chocolats blanc et noir! Pour cela nous avons utilisé un produit particulier : de l Agar Agar Pour ce travail, nous nous sommes répartis en 4 ou 5 groupes. Au départ, nous avons suivi à la lettre les recettes données par nos enseignantes puis nous avons essayé d améliorer ces recettes en tâtonnant beaucoup! Chaque groupe modifiait une quantité pour un ingrédient puis nous comparions le résultat en critiquant le goût, la forme, l aspect visuel. Ensuite, nous avons créé nos propres recettes avec nos propres ingrédients. - Les recettes à l agar-agar ont toutes très bien fonctionné, mais certaines (billes de chocolat noir par exemple) étaient.très étranges au goût!!! Le jeudi 17 Novembre, lors de la soirée de la fête de la science, nous avons pu faire déguster quelques unes de nos préparations à nos parents, amis et invités. Ils ont découvert : - nos diabolos-menthe moléculaires : billes de menthe fondantes dans de la limonade - nos tomates mozzarella aux billes de vinaigre balsamique - nos mousses au chocolat et spaghettis d orange ou spaghetti de chocolat blanc Perles de Vinaigre balsamique Spaghettis chocolat blanc.
Bilan 1. Ce trimestre passé à découvrir la cuisine moléculaire nous a permis d apprendre mais d une autre manière. En effet, nous avons dû : - suivre la recette comme le protocole d une expérience. - être très minutieux. - mesurer précisément la quantité de différents produits et convertir certaines de ces mesures pour la bonne réalisation de nos recettes Par ailleurs, nous avons découvert de nouveaux instruments scientifiques comme les grosses seringues, de nouveaux ingrédients comme l agar-agar, de nouveaux procédés (gélification). Enfin, tout au long de ce travail, nous avons pu librement testé nos propres recettes et nous avons observé chaque transformation et gouté chaque réalisation. Cette expérience a été très enrichissante car la cuisine moléculaire était méconnue par la plupart d entre nous. Désormais nous savons comment donner une touche d originalité à nos repas et étonner nos invités! Voici quelques recettes Spaghettis au chocolat blanc Il faut 65g de chocolat blanc fondu, 2g d agar agar, 20cL d eau et 25g de sucre. On doit faire bouillir de l eau y mettre l agar agar et le chocolat fondu. Puis, insérer le mélange dans une seringue que l on fixe à un tuyau en silicone à son extrémité. Le tuyau, ainsi rempli est placé dans une bassine d eau glacée dans laquelle on laisse reposer le mélange quelques minutes. A l aide de la seringue on expulse le mélange dans un bol et votre spaghetti est prêt! Perles de vinaigre balsamique Il faudra se servir de 2g d agar agar, 150mL de vinaigre balsamique et de l huile de colza froide. Il faut mélanger dans un récipient le vinaigre et l agar agar, le porter à ébullition puis mixer l ensemble. Le mélange doit être prélevé dans une seringue et les perles doivent être déposées dans l huile froide. Il ne reste plus qu à récupérer les perles en les sortant de l huile!
LES LEVURES Pendant quelques semaines, nous avons étudié l action des levures sur la nourriture, en particulier en pâtisserie. Lors de la première séance, nous avons observé et comparé 2 gâteaux : l un était beau et gonflé et l autre était tout raplapla «Pourquoi cette différence?» a demandé Mme Barrellon. Tout de suite, nous avons dit que Madame Szosta (professeur de mathématiques) qui a fait les gâteaux, avait mis de la levure dans le deuxième et pas dans le premier. Nous avons ensuite calculé le volume des deux gâteaux. Nous avons donc utilisé les formules de volume : - du parallélépipède rectangle ou pavé : V 1 = Lxlxh - du cylindre : V 2 = r 2 h Nous avons alors mesuré les longueurs, largeurs et hauteurs. Pour la hauteur, c était difficile de le faire avec une règle alors nous avons pris un pic à brochette en bois que l on a enfoncé dans chaque gâteau et avec un feutre nous avons mis une marque pour indiqué la hauteur! Lorsqu elle a fait les gâteaux, pour ne pas gâcher d ingrédients, notre professeur n a utilisé qu un tiers des ingrédients pour faire le gâteau raté! Nous avons donc calculé : - pour le gâteau raté : V 1 =3*(25 X8X2,8) = 3*560= 1680 cm 3 - pour le gâteau réussi : V 2 = x 12,5 2 x6 2945 cm 3 L augmentation est donc : R=V 2 /V 1 =2945/1680=1.75 soit une augmentation de 75% Nous avons pensé que la levure était responsable de la différence de volume, du gonflement du gâteau.
Cela a entraîné plusieurs questions : - qu est-ce qu une levure? - comment la levure fait gonfler un gâteau? Pour la première, nous étions tous à peu près d accord pour dire qu une levure est un micro-organisme (ce que nous étudions en SVT en ce moment). Nous les avons observé au microscope Cellules de levure Saccharomyces cerevisiae Microscope optique, état frais, x 400 Photo issue du site de Didier Pol Pour la seconde question «comment la levure fait gonfler un gâteau?», nous avons tous émis des hypothèses. Les voici, telles qu elles ont été données en classe : - Hypothèse 1 : Les molécules du gâteau se nourrissent de la levure et grossissent, - Hypothèse 2 : Les levures sont comme des engrais qui font grossir les ingrédients du gâteau, - Hypothèse 3 : Les molécules du gâteau s espacent parce qu il y a de l air, - Hypothèse 4 : Les levures relâchent de l air ce qui fait gonfler le gâteau, - Hypothèse 5 : En cuisant il y a de l air chaud qui rentre dans le gâteau, Lucie (une de nos camarade) a alors regardé le gâteau réussi de près et a observé des petits trous à la surface. Elle a donc émis comme hypothèse 6 : lorsque les molécules du gâteau et les levures entrent en contact, il y a réaction chimique qui émet un gaz, d où l aération. Nous avons retenu l hypothèse 6 et à nouveau plusieurs problèmes ont été posés : Quel est le gaz produit? De quoi ont besoin les levures pour produire du gaz? Quel est le rôle du four dans l aération du gâteau? Nous avons alors réfléchi à chaque problème et émis de nouvelles hypothèses pour y répondre. Puis dans les séances qui ont suivi, nous avons imaginé des expériences pour tester chaque hypothèse. Nos
professeurs nous ont fourni le matériel que l on souhaitait, nous avons réalisé les expériences et avons ainsi pu tirer des conclusions. La classe a été divisée en groupe, chacun avait en charge de répondre à un problème. Problème 1 : De quoi ont besoin les levures pour produire du gaz? Hypothèses émises par les élèves de l atelier : Les levures ont besoin d eau pour produire du gaz. Les levures ont besoin du sucre (amidon) pour produire du gaz. Nous avons réalisé les expériences suivantes : - 1 ère expérience : nous avons mis de l eau mélangée à 100mL d une solution de levures de boulanger dans un ballon au-dessus duquel nous avons placé un ballon de baudruche. - 2 nde expérience : nous avons mis dans un ballon 100mL d une solution de levure de boulanger avec 5 grammes de sucre en poudre. Nous avons mis des agitateurs magnétiques dans les deux ballons pour bien homogénéiser les milieux. Résultats : - 1 ère expérience : le ballon de baudruche est toujours resté dégonflé - 2 ème expérience : Quelques minutes après, le ballon était un peu gonflé, et deux heures après, il était très gonflé Nous avons conclu que, pour émettre du gaz, la levure a besoin de glucose.
Problème 2 : Quel est le gaz produit par les levures? Nous nous sommes ensuite demandé quel gaz était émis. Les 3 hypothèses émises ont été les suivantes : 1) Le gaz émis est du dioxyde de carbone 2) Le gaz émis est du dioxygène 3) Le gaz émis est du dihydrogène Les expériences réalisées ont été les suivantes pour tester les hypothèses : 1) Expérience pour tester la présence de dioxygène : Nous avons placé une solution de levures avec du sucre et nous avons recueilli le gaz libéré dan un tube à essai placé sur un tube à dégagement. Nous avons placé un agitateur magnétique dans la solution de levures. Voici une photo de notre montage Une fois le tube à essai rempli de gaz et donc vide d eau, nous l avons récupéré et nous avons fait le test d identification du dioxygène : le dioxygène ranime la flamme d'une allumette portée au rouge. Résultat : la flamme ne s est par rallumée. Le gaz libéré n est donc pas du dioxygène. 2) Expérience pour tester la présence de dioxyde de carbone : Pour identifier la présence de dioxyde de carbone, nous avons fait deux montages différents. Les deux utilisant l eau de chaux qui est le réactif spécifique du dioxyde de carbone
1 er montage : Nous avons fait le même montage que précédemment mais nous avons fait buller directement dans un verre à pied contenant de l eau de chaux Résultat : On observe un trouble blanchâtre de l eau de chaux. 2 ème montage : Nous avons placé une solution de levures avec du sucre et nous avons mis un ballon de baudruche dessus. Une fois le ballon rempli de gaz, nous avons pris ce dernier en faisant attention de bien conserver le gaz (photo a), puis nous avons placé ce ballon sur un ballon rempli d eau de chaux (photo b). Nous avons renversé mélangé, fait passer l eau de chaux dans le ballon. Résultat : L eau de chaux s est troublée Conclusion des deux montages : le gaz libéré par les levures est du dioxyde de carbone Problème 3: Quel est le rôle du four dans l aération du gâteau? Pour voir si le four et donc la chaleur avaient un effet sur le rôle des levures nous avons fait les expériences suivantes : *1 ere expérience : dans un erlenmeyer, nous avons mis une solution de levure du boulanger avec du sucre et un ballon de baudruche au dessus. * 2 ème expérience : dans un erlenmeyer, nous avons mis une solution de levure du boulanger avec du sucre et un ballon de baudruche au dessus. Nous avons placé l erlenmeyer sur un chauffe-ballon.
* 3 ème expérience : dans un erlenmeyer, nous avons mis une solution de levure du boulanger avec du sucre et un ballon de baudruche au dessus. Nous avons placé l erlenmeyer au réfrigérateur. Nous avons constaté au bout d 1 heure que : Seul le ballon de l erlenmeyer N 2 est gonflé. Conclusion : la chaleur permet donc d accélérer l activité des levures. Nous avons ensuite regardé la réaction chimique qui se déroulait telle qu on l imaginait : Glucose Dioxyde de carbone Ou encore C 6 H 12 O 6 CO 2 En regardant cette réaction, on s est vite aperçu qu il manquait quelque chose dans les produits de la réaction!!! Nos professeurs nous ont alors dit que nous travaillions depuis le début sur la fermentation alcoolique. C est donc de l alcool qui est libéré! L équation chimique de la fermentation devient alors : C 6 H 12 O 6 --> 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 + chaleur Problème 4 : Comment mettre en évidence cette production d alcool? Voici l expérience réalisée en classe : Nous avons placé un éthylotest sur le ballon contenant l eau, le glucose et la levure. Nous avons chauffé pour accélérer la réaction de fermentation alcoolique.
L éthylotest est passé du jaune au vert : le test était positif : la levure produit donc aussi de l alcool. Bilan 2. * Grâce à ce travail, nous avons découvert les levures. Nous connaissions ces petits êtres sans les connaître! * Nous avons aimé être libres de réaliser les expériences que l on souhaitait. Nos professeurs nous ont conseillé mais surtout ils nous donnaient le matériel que l on désirait pour expérimenter! * Ce travail était vraiment riche en expériences très variées et surtout originales et «pratiques» : on n aurait jamais imaginer utiliser un pic à brochette comme règle ou un éthylotest en cours!!! * Et surtout nous avons mangé des gâteaux (avec et sans levures) et des gaufres (pâte qui a reposé ou pas). La pâtisserie, c est meilleur si les levures ont fait leur travail! PARTIE 2. DANS LA SALLE DE BAINS Du savon aux bulles dans la salle de bains Nous avons ensuite travaillé dans la salle de bains et plus précisément sur le savon. Madame Durand nous a demandé de chercher l origine du mot savon et de chercher les produits à utiliser pour sa composition. Nous avons ainsi découvert à notre étonnement que le savon est fait par mélange d huile alimentaire et de soude! Ensuite nous nous sommes mis d accord sur le protocole à suivre en fonction du matériel à disposition au Collège. Nous avons ainsi décidé d'utiliser un réfrigérant à air pour notre montage.
Mélange avant chauffage. Dans un ballon de 250 ml, nous avons introduit 10g de soude, 20 ml d huile d olive et 20 ml d éthanol. Nous avons adapté un réfrigérant à air et chauffer le mélange pendant 15 minutes. Au bout de 15 minutes, nous avons vu l aspect du contenu change. Nous avons réalisé différentes «gestes» pour «récupérer» notre savon : - Le relargage dans l eau salée, - La filtration - Après séchage, nous obtenons un savon (qui ne doit pas être utilisé même si il est beau!!!)
Qui dit savon, dit bulles. Pour finir, nous avons travaillé sur les bulles de savon en ayant en tête différentes questions : 1) Comment se forment les bulles de savon? 2) Peut-on changer la forme des bulles? Problème 1 : comment se forment les bulles? Nous savons que c est grâce au produit vaisselle, ou au savon, que nous pouvons obtenir des bulles car l eau seule ne permet pas d en obtenir ou presque (hormis de minuscules bulles comme dans un torrent de montagne ou lorsque les vagues éclatent dans la mer ou les océans). Dans le savon, il y a des molécules composées d une partie hydrophile (qui est attirée par l eau) et d une partie hydrophobe (qui fuit l eau). Ces molécules sont dites amphiphiles. Elles emprisonnent un mince film d eau qui forme la paroi de la bulle ainsi que l illustre le schéma ci-dessous. Coupe transversale de la paroi de la bulle de savon : Molécules amphiphiles Bulle de savon eau Cet emprisonnement dure peu de temps, à cause de l évaporation de l eau et de la pesanteur qui fait s écouler cette couche contenue entre les 2 parois de molécules amphiphiles. Les bulles sont ainsi très éphémères.
Pour fabriquer des bulles et essayer d améliorer leur résistance afin qu elles durent plus longtemps, nous avons créé des préparations en essayant de trois manières différentes : - La première contenait simplement du liquide vaisselle et de l eau. - Dans la seconde, nous avons repris les mêmes ingrédients avec le même dosage et ajouté du sucre en plus. - La troisième est composée des mêmes ingrédients que la deuxième auxquels nous avons encore ajouté de la glycérine. Nous avons pu constater que les bulles produites par les différentes préparations étaient de plus en plus résistantes. Celles de la première préparation étaient les moins durables et les moins résistantes. On avait du mal à étirer le film pour faire des bulles, elles éclataient en général avant même d avoir été formées complètement. La deuxième préparation marchait mieux : on arrivait à former de grosses bulles, qui éclataient en général lorsqu elles étaient encore en vol. La 3 e était encore meilleure puisque nous sommes arrivés à faire de grosses bulles et qu elles étaient plus résistantes. bulles: Nous avons cherché une explication à nos impressions quant aux différences de résistance des - Tout d abord en ajoutant du sucre à l eau, on rend le liquide entre les parois de molécules amphiphiles plus dense. On peut penser qu il va s évaporer moins vite. - L ajout de la glycérine au produit semble permettre à la bulle d être plus résistante. La glycérine rend le liquide plus visqueux, il s écoule donc moins rapidement entre les parois de molécules amphiphiles. Cela peut ralentir l écoulement dû à la pesanteur. Problème 2 : Peut-on changer la forme des bulles? Nous nous sommes aussi questionnés sur la forme des bulles : pourquoi sont-elles sphériques? Les bulles sont sphériques grâce à une loi de mathématique très complexe à démontrer : la sphère est le solide qui peut contenir le plus de volume pour le moins de surface. Or la surface de contact entre l eau et l air veut toujours être minimale. Ceci explique que les bulles soient sphériques même en utilisant un support triangulaire. Le volume de chaque bulle peut-être calculé en utilisant la relation mathématique suivante : Surface d une sphère de rayon R : S= 4 Π R² Volume d une sphère : V= 4/3 Π R³
Bilan 3. En plus d avoir cherché un protocole et de s être mis d accord, nous nous sommes questionnés sur un certain nombre de phénomènes physiques, dont certains sont difficiles à expliquer pour nous. PARTIE 3. DANS LE SALON (A LA TELEVISION) Nous nous sommes enfin mis dans la peau d experts scientifiques pour résoudre une énigme policière se déroulant dans un collège fictif «le collège Modigliano» en nous servant de tests physicochimiques, de notre logique L histoire Le Principal du Collège Modigliano, Jean-christophe VILMONT, vient d'être retrouvé sans vie dans son bureau en ce Mardi 13 Mars. Les suspects sont nombreux... Qui a commis l'irréparable et pour quelle(s) raison(s)?
Les suspects. Initialement, 15 personnes du vrai Collège MODIGLIANI, qui on joué un rôle et que nous avons interrogé par équipe 3 avant de mettre en commun nos informations pour en éliminer certains (alibis vérifiés). Nos méthodes. On va utiliser différents éléments : - Interrogatoires des suspects. - Prise d empreintes auprès des suspects, - Déterminer l heure de la mort en partant des informations de l autopsie et en utilisation un logiciel (Régressi). - Décoder pour pouvoir ouvrir un CDROM retrouvé sur les lieux du crime, - Déterminer un groupe sanguin - Faire une chromatographie d encres pour pouvoir identifier l auteur d une lettre de menace trouvée sur les lieux du crime, - Comparaison de cheveux et poils d animaux retrouvés sur la veste de la victime. Enquête en cours
CONCLUSION On a passé de très bons moments avec l atelier en manipulant notamment. On a appris en s amusant et en faisant à la fois des mathématiques, de la SVT et de la SPC. Mais surtout, on a pu expérimenter à notre guise pour vérifier nos hypothèses. On a suivi une démarche expérimentale de A à Z en totale autonomie. On a eu aussi des contacts (pour l enquête policière) avec d autres professeurs qui ont tous été d accord pour jouer un rôle ; ce qui donne une bonne ambiance au collège. Enfin, on a aussi rencontré Mme Sainte (préfecture de police) qui nous a raconté des histoires incroyables de trafics de timbres et de fausse monnaie tout en enlevant certaines idées fausses (les empreintes sont rarement exploitables!). En Mai, nous allons à l institut Pierre et Marie Curie pour y revoir Monsieur Verdaguer (il est passé au Collège pour la fête de la science) et visiter son laboratoire. Les sciences, c est vraiment génial!