PHYSIQUE-CHIMIE - Cndp

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MINISTÈRE DE LA JEUNESSE, DE L’ÉDUCATION NATIONALE ET DE LA RECHERCHE

DIRECTION DE L’ENSEIGNEMENT SCOLAIRE

ENSEIGNER AU COLLÈGE

PHYSIQUE-CHIMIE

Programmes et Accompagnement

Réédition novembre 2003 (Édition précédente mars 2003) CENTRE NATIONAL DE DOCUMENTATION PÉDAGOGIQUE

« Droits réservés » : « Le Code de la propriété intellectuelle n’autorisant aux termes de l’article L. 122-5 2° et 3° d’une part que “les copies ou reproductions strictement réservées à l’usage du copiste et non destinées à une utilisation collective” et, d’autre part, que “les analyses et courtes citations justifiées par le caractère critique, polémique, pédagogique, scientifique ou d’information de l’œuvre à laquelle elles sont incorporées”, toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle faite sans le consentement du CNDP est illicite (article L. 122-4). Cette représentation ou reproduction par quelque procédé que ce soit constituerait une contrefaçon sanctionnée par les articles L. 335-2 et suivants du Code de la propriété intellectuelle ».

© 2003 – CNDP, 29, rue d’Ulm, F 75005 Paris ISBN 2-240-01408-3

SOMMAIRE Attention. Les programmes de cette édition sont désormais obsolètes en 5ème. Veuillez consulter la nouvelle édition 2006 dans la collection Textes de références.

Pages Organisation de la formation au collège

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• Organisation des enseignements du cycle central du collège . . . . . . . . . . • Programme du cycle central . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • Accompagnement des programmes du cycle central 5e-4e . . . . . . . . . . . .

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Cycle central : classes de 5e et 4e

Classe de 3e

17 37

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

• Organisation des enseignements des classes de 3e de collège . . . . . . . . . 129 • Physique-Chimie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 – Programme à Option LV2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 – Programme à Option technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 – Accompagnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

Organisation de la formation au collège Décret n° 96.465 du 29 mai 1996 – (BO n° 25 du 20 juin 1996)

Article 1er – Le collège accueille tous les élèves ayant suivi leur scolarité élémentaire. Il leur assure, dans le cadre de la scolarité obligatoire, la formation qui sert de base à l’enseignement secondaire et les prépare ainsi aux voies de formation ultérieures. Article 2 – Le collège dispense à tous les élèves, sans distinction, une formation générale qui doit leur permettre d’acquérir les savoirs et savoir-faire fondamentaux constitutifs d’une culture commune. Il contribue également, par l’implication de toute la communauté éducative, à développer la personnalité de chaque élève, à favoriser sa socialisation et sa compréhension du monde contemporain. S’appuyant sur une éducation à la responsabilité, cette formation doit permettre à tous les élèves d’acquérir les repères nécessaires à l’exercice de leur citoyenneté et aux choix d’orientation préalables à leur insertion culturelle, sociale et professionnelle future. Article 3 – L’enseignement est organisé en quatre niveaux d’une durée d’un an chacun, répartis en trois cycles pédagogiques : – le cycle d’adaptation a pour objectif d’affermir les acquis fondamentaux de l’école élémentaire et d’initier les élèves aux disciplines et méthodes propres à l’enseignement secondaire. Il est constitué par le niveau de sixième ; – le cycle central permet aux élèves d’approfondir et d’élargir leurs savoirs et savoir-faire ; des parcours pédagogiques diversifiés peuvent y être organisés ; il correspond aux niveaux de cinquième et de quatrième ; – le cycle d’orientation complète les acquisitions des élèves et les met en mesure d’accéder aux formations générales, technologiques ou professionnelles qui font suite au collège. Il correspond au niveau de troisième. Des enseignements optionnels sont proposés aux élèves au cours des deux derniers cycles. Les conditions de passage des élèves d’un cycle à l’autre sont définies par le décret du 14 juin 1990 susvisé. Article 4 – Dans le cadre des objectifs généraux de la scolarité au collège définis par les articles 2 et 3, le ministre chargé de l’éducation nationale fixe les horaires et les programmes d’enseignement.

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Les modalités de mise en œuvre des programmes d’enseignement et des orientations nationales et académiques sont définies par les établissements, dans le cadre de leur projet, conformément aux dispositions de l’article 2-1 du décret du 30 août 1985 susvisé. Article 5 – Le collège offre des réponses appropriées à la diversité des élèves, à leurs besoins et leurs intérêts. Ces réponses, qui ne sauraient se traduire par une organisation scolaire en filières, peuvent prendre la forme d’actions diversifiées relevant de l’autonomie des établissements. Elles peuvent également prendre d’autres formes, dans un cadre défini par le ministre chargé de l’éducation nationale, notamment : – un encadrement pédagogique complémentaire de l’enseignement ; – des dispositifs spécifiques comportant, le cas échéant, des aménagements d’horaires et de programmes ; ces dispositifs sont proposés à l’élève avec l’accord de ses parents ou de son responsable légal ; – des enseignements adaptés organisés, dans le cadre de sections d’enseignement général et professionnel adapté, pour la formation des jeunes orientés par les commissions de l’éducation spéciale prévues par la loi du 30 juin 1975 susvisée ; – une formation s’inscrivant dans un projet d’intégration individuel établi à l’intention d’élèves handicapés au sens de l’article 4 de la loi du 30 juin 1975 susvisée ; – des formations, partiellement ou totalement aménagées, organisées le cas échéant dans des structures particulières, pour répondre par exemple à des objectifs d’ordre linguistique, artistique, technologique, sportif ou à des besoins particuliers notamment d’ordre médical ou médico-social. Les modalités d’organisation en sont définies par le ministre chargé de l’éducation nationale, le cas échéant conjointement avec les ministres concernés. Des structures particulières d’éducation peuvent également être ouvertes dans des établissements sociaux, médicaux ou médico-éducatifs, dans des conditions fixées par arrêté conjoint du ministre chargé de l’éducation nationale et du ministre chargé de la santé. Par ailleurs, peuvent être proposées aux élèves, en réponse à un projet personnel, des formations à vocation technologique ou d’initiation professionnelle dispensées dans des établissements d’enseignement agricole. Les modalités d’organisation en sont définies par arrêté conjoint du ministre chargé de l’éducation nationale et du ministre chargé de l’agriculture. Article 6 – Le diplôme national du brevet sanctionne la formation dispensée au collège. Article 7 – Au terme de la dernière année de scolarité obligatoire, le certificat de formation générale peut, notamment pour les élèves scolarisés dans les enseignements adaptés, valider des acquis ; ceux-ci sont pris en compte pour l’obtention ultérieure d’un certificat d’aptitude professionnelle. Article 8 – Afin de développer les connaissances des élèves sur l’environnement technologique, économique et professionnel et notamment dans le cadre de l’éducation à l’orientation, l’établisse-

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ment peut organiser, dans les conditions prévues par le Code du travail, des visites d’information et des séquences d’observation dans des entreprises, des associations, des administrations, des établissements publics ou des collectivités territoriales ; l’établissement organise également des stages auprès de ceux-ci, pour les élèves âgés de quatorze ans au moins qui suivent une formation dont le programme d’enseignement comporte une initiation aux activités professionnelles. Dans tous les cas une convention est passée entre l’établissement dont relève l’élève et l’organisme concerné. Le ministre chargé de l’éducation nationale élabore à cet effet une convention-cadre. Article 9 – Dans l’enseignement public, après affectation par l’inspecteur d’académie, l’élève est inscrit dans un collège par le chef d’établissement à la demande des parents ou du responsable légal. Article 10 – Les dispositions du présent décret sont applicables en classe de sixième à compter de la rentrée scolaire 1996, en classe de cinquième à compter de la rentrée scolaire 1997, en classe de quatrième à compter de la rentrée scolaire 1998, en classe de troisième à compter de la rentrée scolaire 1999. Article 11 – Le décret n° 76-1303 du 28 décembre 1976 relatif à l’organisation de la formation et de l’orientation dans les collèges est abrogé progressivement en fonction du calendrier d’application du présent décret défini à l’article 10. Article 12 – Le ministre de l’éducation nationale, de l’enseignement supérieur et de la recherche, le ministre du travail et des affaires sociales, le ministre de l’agriculture, de la pêche et de l’alimentation, le secrétaire d’État à la santé et à la sécurité sociale sont chargés, chacun en ce qui le concerne, de l’exécution du présent décret qui sera publié au Journal officiel de la République française. Fait à Paris, le 29 mai 1996 Alain JUPPÉ Par le Premier ministre : Le ministre de l’éducation nationale, de l’enseignement supérieur et de la recherche François BAYROU Le ministre du travail et des affaires sociales Jacques BARROT Le ministre de l’agriculture, de la pêche et de l’alimentation Philippe VASSEUR Le secrétaire d’État à la santé et à la sécurité sociale Hervé GAYMARD

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Cycle central : Classes de 5e et de 4e Attention. Les programmes de cette édition sont désormais obsolètes en 5ème. Veuillez consulter la nouvelle édition 2006 dans la collection Textes de références.

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Organisation des enseignements du cycle central du collège Arrêté du 26 décembre 1996 – (BO n° 5 du 30 janvier 1997)

Article 1er – Les enseignements du cycle central de collège (classes de 5e et de 4e) sont organisés conformément à l’annexe jointe au présent arrêté. En plus des enseignements communs à tous les élèves, chaque élève suit un enseignement optionnel obligatoire de deuxième langue vivante en classe de quatrième et peut suivre un ou deux enseignements optionnels facultatifs organisés dans les conditions définies en annexe. Article 2 – Pour l’organisation des enseignements communs, chaque collège dispose d’une dotation d’au moins 25 h 30 hebdomadaires d’enseignement, hors enseignements optionnels, par division de 5e et par division de 4e. Article 3 – Dans le cadre de son autonomie pédagogique, chaque établissement utilise les moyens d’enseignement qui lui sont attribués pour assurer les enseignements définis par les programmes et apporter les réponses adaptées à la diversité des élèves. Dans le cadre des 25 h 30 attribuées à chaque division il peut notamment utiliser les souplesses offertes par les horaires définis en annexe pour mettre en place des parcours pédagogiques diversifiés fondés sur les centres d’intérêts et les besoins des élèves et organiser des enseignements en effectifs allégés. Article 4 – En classe de 5e, des études dirigées ou encadrées peuvent être organisées au-delà des horaires d’enseignement. Article 5 – En classe de 4e, en vue de remédier à des difficultés scolaires importantes, le collège peut mettre en place un dispositif spécifique dont les horaires et les programmes sont spécialement aménagés sur la base d’un projet pédagogique inscrit dans le cadre des orientations définies par le ministre chargé de l’éducation nationale. L’admission d’un élève dans ce dispositif est subordonnée à l’accord des parents ou du responsable légal. Article 6 – Le présent arrêté est applicable à compter de l’année scolaire 1997-1998 en classe de 5e et de l’année scolaire 1998-1999 en classe de 4e. Le nouveau dispositif d’enseignement des langues anciennes entre en vigueur à la rentrée scolaire 1997 dans l’ensemble du cycle central. Article 7 – À titre transitoire, l’enseignement de physiquechimie défini en annexe peut ne pas être organisé en classe de 5e pour l’année scolaire 1997-1998. Pour les élèves n’en ayant pas bénéficié en classe de 5e, l’enseignement de physique-chimie sera

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dispensé en classe de 4e, à raison de deux heures hebdomadaires, pendant l’année scolaire 1998-1999. Article 8 – Sont abrogés, à compter de l’année scolaire 19971998, l’arrêté du 26 janvier 1978 fixant les horaires et effectifs des classes de 5e des collèges et, à compter de l’année scolaire 19981999, les dispositions de l’arrêté du 22 décembre 1978 susvisé, pour ce qui concerne la classe de 4e ainsi que les dispositions de l’arrêté du 9 mars 1993 modifiant l’arrêté du 9 mars 1990 susvisé, pour ce qui concerne l’organisation pédagogique des classes de 4e technologique implantées en collège. L’organisation pédagogique des classes de 4e technologique implantées en lycée professionnel reste fixée par l’arrêté du 9 mars 1990. Article 9 – Le directeur des lycées et collèges est chargé de l’exécution du présent arrêté qui sera publié au Journal Officiel de la République française. Fait à Paris, le 26 décembre 1996 Pour le ministre de l’éducation nationale, de l’enseignement supérieur et de la recherche et par délégation Le directeur des lycées et des collèges Alain BOISSINOT

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Organisation des enseignements du cycle central du collège Arrêté du 14 janvier 2002 - (BO n° 8 du 21 février 2002) modifiant l’arrêté du 26 décembre 1996

Article 1er – L’article 1er de l’arrêté du 26 décembre 1996 susvisé est rédigé ainsi qu’il suit : « Article 1er – Les enseignements du cycle central de collège (classes de cinquième et de quatrième) sont organisés conformément à l’annexe jointe au présent arrêté. Dans le cadre des enseignements obligatoires, deux heures hebdomadaires sont consacrées à des itinéraires de découverte, impliquant au moins deux disciplines et utilisant l’amplitude horaire définie en annexe pour chacune d’entre elles. Ils sont mis en place pour tous les élèves en classes de cinquième et de quatrième, selon des modalités définies par le ministre de l’éducation nationale. En plus des enseignements obligatoires, chaque élève peut suivre un ou deux enseignements facultatifs organisés dans les conditions définies en annexe. Chaque élève peut également participer aux diverses activités éducatives facultatives proposées par l’établissement. » Article 2 – L’article 2 de l’arrêté du 26 décembre 1996 susvisé est rédigé ainsi qu’il suit : « Article 2 – Dans le cycle central, chaque collège dispose d’une dotation horaire globale de 26 heures hebdomadaires par division de cinquième et de 29 heures hebdomadaires par division de quatrième pour l’organisation des enseignements obligatoires, incluant les itinéraires de découverte. Un complément de dotation peut être attribué aux établissements pour le traitement des difficuItés scolaires importantes. Ce complément est modulé par les autorités académiques en fonction des caractéristiques et du projet de l’établissement, notamment en ce qui concerne le suivi des élèves les plus en difficulté. » Article 3 – L’article 3 de l’arrêté du 26 décembre 1996 susvisé est rédigé ainsi qu’il suit : « Article 3 – Cette dotation en heures d’enseignement est distincte de I’horaire-élève fixé, pour les enseignements obligatoires, à 25 heures hebdomadaires en classe de cinquième et à 28 heures hebdomadaires en classe de quatrième. »

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Article 4 – L’article 4 de l’arrêté du 26 décembre 1996 susvisé est rédigé ainsi qu’il suit : « Article 4 – Dans le cadre de son projet d’établissement, chaque collège utilise les moyens d’enseignement qui lui sont attribués pour apporter des réponses adaptées à la diversité des élèves accueillis ou organiser des travaux en groupes allégés, notamment en français et en sciences et techniques (sciences de la vie et de la Terre, physique-chimie et technologie). En classe de cinquième, un dispositif d’aide aux élèves et d’accompagnement de leur travail personnel peut être organisé au-delà des heures hebdomadaires d’enseignements obligatoires. » Article 5 – L’article 5 de l’arrêté du 26 décembre 1996 susvisé est rédigé ainsi qu’il suit : « Article 5 - En classe de quatrième, en vue de remédier à des difficultés scolaires persistantes, le collège peut mettre en place un dispositif spécifique, dont les modalités d’organisation peuvent être spécialement aménagées, sur la base d’un projet pédagogique inscrit dans le cadre des orientations définies par le ministre chargé de l’éducation nationale. L’accueil d’un élève dans ce dispositif est subordonné à l’accord des parents ou du représentant légal. »

Article 6 – Le présent arrêté est applicable à compter de l’année scolaire 2002-2003 en classe de cinquième et de l’année scolaire 2003-2004 en classe de quatrième. Article 7 – Le directeur de l’enseignement scolaire est chargé de l’exécution du présent arrêté, qui sera publié au Journal Officiel de la République française.

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Annexe Horaires des enseignements applicables aux élèves des classes du cycle central de collège (cinquième et quatrième) TITRE

Enseignements obligatoires Français Mathématiques Première langue vivante étrangère

CLASSE DE CINQUIÈME Horaire-élève Enseignements communs

Horaire-élève possible avec les itinéraires de découverte (*)

Horaire-élève Enseignements communs

Horaire-élève possible avec les itinéraires de découverte (*)

4

5

4

5

3,5

4,5

3,5

4,5

3

4

3

4

Deuxième langue vivante (**) Histoire-géographie-éducation civique

CLASSE DE QUATRIÈME

3 3

4

3

4

1,5 1,5 1,5

2,5 2,5 2,5

1,5 1,5 1,5

2,5 2,5 2,5

Enseignements artistiques : - Arts plastiques - Éducation musicale

1 1

2 2

1 1

2 2

Éducation physique et sportive

3

4

3

4

Sciences et techniques : - Sciences de la vie et de la Terre - Physique et chimie - Technologie

Horaire non affecté À répartir par l’établissement

1

1

Enseignements facultatifs Latin (***)

2

Langue régionale (****)

Heures de vie de classe

3 3

10 heures annuelles

10 heures annuelles

(*) Itinéraires de découverte sur deux disciplines : 2 heures inscrites dans l’emploi du temps de la classe auxquelles correspondent 2 heures professeur par division. (**) Deuxième langue vivante étrangère ou régionale. (***) Possibilité de faire participer le latin dans les itinéraires de découverte, à partir de la classe de quatrième. (****) Cette option peut être proposée à un élève ayant choisi une langue vivante étrangère au titre de l‘enseignement de deuxième langue vivante.

En plus des enseignements obligatoires, chaque élève peut participer aux diverses activités éducatives facultatives proposée par l’établissement.

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Cycle central des collèges Arrêté du 10 janvier 1997. JO du 21 janvier 1997 – (BO hors série n° 1 du 13 février 1997)

Article 1er – Les programmes applicables à compter de la rentrée scolaire 1997 en classe de 5e et de la rentrée scolaire 1998 en classe de 4e dans toutes les disciplines, sont fixés en annexe au présent arrêté. Article 2 – Les dispositions contraires au présent arrêté figurant en annexe de l’arrêté du 14 novembre 1985 susvisé deviennent caduques à compter de la rentrée scolaire 1997 en classe de 5e et de la rentrée scolaire 1998 en classe de 4e. Article 3 – Les programmes applicables en classe de 3e des collèges restent ceux définis en annexe des arrêtés des 14 novembre 1985, 10 juillet 1992 et 3 novembre 1993 susvisés (1). Article 4 – Le directeur des lycées et collèges est chargé de l’exécution du présent arrêté, qui sera publié au Journal Officiel de la République française. Fait à Paris, le 10 janvier 1997 Pour le ministre de l’éducation nationale, de l’enseignement supérieur et de la recherche et par délégation, le directeur des lycées et collèges Alain BOISSINOT

____________ (1) Remplacés par les nouveaux programmes en vigueur.

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Programme du cycle central Attention. Les programmes de cette édition sont désormais obsolètes en 5ème. Veuillez consulter la nouvelle édition 2006 dans la collection Textes de références.

I – Présentation Ce programme de physique-chimie s’inscrit dans la logique de la rénovation du collège. Il prend en compte les programmes de l’école élémentaire (1), ceux de la classe de 6e et les observations des pratiques d’enseignement actuelles (2).

A. Idées directrices En fonction de l’argumentation développée ci-dessous, le programme se fonde sur les objectifs suivants : • centrer l’enseignement sur l’essentiel et dégager un socle minimal de connaissances et de compétences ; • renforcer la corrélation de l’enseignement de physiquechimie avec celui des autres disciplines scientifiques, en montrant à la fois sa spécificité et son apport aux autres disciplines ; • mettre l’accent sur l’unité profonde des phénomènes physico-chimiques qui structurent le monde naturel et qui permettent notamment une vision rationnelle et globale de l’environnement. Les programmes de l’école élémentaire comportent une rubrique « sciences et technologie ». Celle-ci définit les premiers éléments d’un enseignement scientifique sous forme de thèmes, sans que soit spécifié ce qui revient à tel ou tel champ disciplinaire. La physique-chimie n’apparaît en tant que telle qu’à partir du cycle central du collège. Elle doit rester à ce stade fortement corrélée aux autres disciplines scientifiques sciences de la vie et de la Terre (SVT), technologie et mathématiques, tout en gardant un lien sensible avec l’histoire-géographie et en contribuant à l’éducation du citoyen en particulier dans sa relation avec l’environnement. La physique-chimie contribue aussi à l’enseignement du français par la pratique d’activités documentaires, par la rédaction de comptes-rendus et par l’entraînement à une argumentation utilisant un vocabulaire bien défini ; les activités expérimentales, en amenant les élèves à formuler des hypothèses et à les confronter aux faits, développent la pensée logique. L’enseignement de physique-chimie a des objectifs qui lui sont propres et qu’il est possible d’énoncer pour le collège aussi bien que pour le lycée.

(1) BO n° 5 du 9 mars 1995. (2) Programme de 4e de 1992.

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1. Il ne se limite pas à former de futurs physiciens et de futurs chimistes mais entend développer chez l’ensemble des élèves des éléments de culture scientifique indispensables dans le monde contemporain. 2. Au travers de la démarche expérimentale, il doit former les esprits à la rigueur, à la méthode scientifique, à la critique et à l’honnêteté intellectuelle. Avec des sujets et des expériences attractifs, il doit susciter la curiosité. 3. L’enseignement de physique-chimie doit former au raisonnement, tant quantitatif que qualitatif. L’étude de la matière et de ses transformations est par excellence le domaine du raisonnement qualitatif où il s’agit moins de savoir utiliser des outils mathématiques que de déceler, sous le phénomène complexe, les facteurs prédominants. Le qualitatif n’est pas la solution de facilité : il est beaucoup plus aisé de faire un calcul juste qu’un raisonnement pertinent. 4. Il doit être ouvert sur les techniques qui, pour la plupart, ont leur fondement dans la physique et la chimie. 5. Il doit susciter des vocations scientifiques (techniciens, ingénieurs, chercheurs, enseignants…), donc pour cela être motivant et ancré sur l’environnement quotidien et les technologies modernes. 6. Au même titre que les autres disciplines scientifiques, la physique et la chimie interviennent dans les choix politiques, économiques, sociaux, voire d’éthique. L’enseignement de physique-chimie doit contribuer à la construction d’un « mode d’emploi de la science et de la technique » afin que les élèves soient préparés à ces choix. 7. L’enseignement doit faire ressortir que la physique et la chimie sont des éléments de culture essentiels en montrant que le monde est intelligible. L’extraordinaire richesse et la complexité de la nature et de la technique peuvent être décrites par un petit nombre de lois universelles constituant une représentation cohérente de l’univers. Dans cet esprit, il doit faire appel à la dimension historique de l’évolution des idées. Il doit également faire une large place aux sciences de l’univers : astronomie et astrophysique. 8. Il doit montrer que cette représentation cohérente est enracinée dans l’expérience : les activités expérimentales ont une place essentielle. 9. L’enseignement fera largement appel aux applications. Il faut que les élèves sachent que grâce aux recherches et aux connaissances fondamentales, des applications techniques essentielles ont vu le jour et que, réciproquement, les applications peuvent motiver la recherche. 10. Il devra former le citoyen-consommateur au bon usage des objets techniques ainsi qu’à celui des produits chimiques qu’il sera amené à utiliser dans la vie quotidienne. Cette éducation débouche naturellement sur l’apprentissage de la sécurité, sur la sauvegarde de la santé et sur le respect de l’environnement. 11. Ancré dans l’environnement quotidien, l’enseignement devra utiliser au mieux les moyens contemporains. L’ordinateur est un outil privilégié pour la saisie et le traitement des données ainsi que pour la simulation. Il ne sera en aucun cas substitué à l’expérience directe, dont il sera le serviteur.

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En tant que sciences fondamentales des phénomènes naturels, la physique et la chimie mettent aussi à la disposition des SVT et de la technologie les notions qui leur sont nécessaires. Les lois qui constituent le noyau de leur domaine d’étude s’appliquent en effet aussi bien à la nature proprement dite, vivante ou non, qu’aux objets produits par l’homme. L’enseignement de physique-chimie (vue ici de façon unitaire, la distinction entre les deux champs n’ayant rien de fondamental au niveau du collège) doit ainsi mettre à la disposition d’autres disciplines les premières notions sur la matière, ses états et ses transformations, la température, la lumière, l’électricité (3). Dans le cadre d’un aller et retour continuel entre les champs disciplinaires, il convient que ces notions physico-chimiques, fondées sur l’observation, soient aussi étayées par des exemples tirés des domaines d’autres disciplines. La description du monde présentée au collège, en devenant plus quantitative, constitue un champ privilégié d’interdisciplinarité avec les mathématiques. Cette interaction se manifeste tout particulièrement à propos de la mesure. Les unités de mesure ont été mentionnées dans les programmes de l’école élémentaire. En s’appuyant sur la pratique de la mesure, l’enseignement de physique-chimie du cycle central du collège doit développer ce champ de connaissances qui est aussi indispensable à la formulation du discours des autres sciences que vital pour la formation du citoyen. L’interaction avec les mathématiques est tout aussi essentielle pour la manipulation des nombres qui sont le résultat de la mesure, la physique-chimie venant alors illustrer des concepts tels que les puissances de dix par l’apport de la notion d’ordre de grandeur. En ce qui concerne les grandes orientations prévues pour le programme de la classe de 3e et sur la base des programmes actuels, les remaniements envisagés sont : • l’intégration aux rubriques du programme de 3e de sujets qui ne sont plus traités dans le projet pour la classe de 4e (décharge électrique, ions, pH, formation des images) ; • l’allègement très sensible des rubriques « propulsion et moyens de transport » et « comportement chimique des matériaux dans notre environnement » et, à un degré moindre, de la rubrique « électricité et vie quotidienne » ; • la simplification et l’allègement en particulier du chapitre « pression et flottaison ».

B. Mise en œuvre De façon à mettre en œuvre les principes exposés ci-dessus, il a été décidé de procéder à des allégements dans les développements des programmes précédents, chaque fois que ceux-ci ne paraissaient pas strictement indispensables, soit à l’exposé des disciplines scientifiques voisines, soit à l’édification logique d’un corpus de connaissances propre à la physique-chimie. (3) Ces éléments sont mentionnés explicitement dans les projets des programmes de SVT et de technologie qui entrent en vigueur en 6e à la rentrée 1996.

PHYSIQUE-CHIMIE  Classes de 5e et de 4e ■ 19

Il apparaît une rubrique nouvelle, intitulée À la découverte de notre environnement, la matière ; elle propose une présentation synthétique des phénomènes physico-chimiques les plus directement accessibles à l’observation. L’introduction de cette rubrique ne constitue pas un alourdissement du programme dans la mesure où, elle regroupe de nombreux éléments déjà présents dans le programme précédent. Les trois rubriques du programme, intitulées (A) À la découverte de notre environnement, la matière, (B) La lumière et (C) Le courant électrique proposent un ensemble de connaissances qui, tout en mettant à la disposition des autres champs disciplinaires le socle minimal nécessaire à l’élaboration du discours qui leur est propre, fournit les éléments de base indispensables à l’enseignement ultérieur de la physique-chimie. Afin de faciliter la lecture, une présentation en trois colonnes est proposée, de gauche à droite : • La colonne exemples d’activités présente une liste non obligatoire et non exhaustive d’exemples qui peuvent être exploités en expériences de cours, en travaux pratiques ou en travaux de documentation ; • la colonne, intitulée contenus-notions recense les champs de connaissances de physique-chimie concernés. Y sont, de plus, mentionnés en italiques les interactions avec les autres disciplines et les éléments qui font intervenir l’éducation du citoyen et la prise en compte de l’environnement ; • la colonne intitulée compétences explicite les éléments disciplinaires du socle minimal. En ce qui concerne l’environnement, il est à noter que l’idée de conservation de la matière qui sous-tend tout l’exposé de la rubrique (A) est la base indispensable de toute étude rationnelle dans ce domaine. La présentation retenue n’implique pas une progression obligatoire. Toute liberté est laissée à l’enseignant pour organiser son cours dans l’ordre où il le souhaite. Les contenus disciplinaires développés ci-après sont accompagnés d’estimations horaires indicatives. Les activités expérimentales sont favorisées par la constitution, chaque fois que possible, de groupes d’effectif réduit (par exemple en formant trois groupes à partir de deux divisions).

C. Compétences transversales Les compétences constituant le socle minimal ne se résument pas à celles, associées à des contenus et notions identifiés, qui sont répertoriées dans la troisième colonne des tableaux ci-dessous. À l’issue du cycle central des collèges, l’élève doit également être capable de : • construire un graphique en coordonnées cartésiennes à partir d’une série de données, les échelles étant précisées par le professeur ; • le graphique étant donné, interpoler une valeur ;

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• faire le schéma d’une expérience réalisée ; • réaliser une expérience décrite par un schéma ; • faire le schéma, utilisant les symboles normalisés, d’un circuit électrique simple ; • réaliser un circuit électrique simple à partir de son schéma normalisé ; • lire un texte simple contenant des données en liaison avec le programme et d’en extraire des informations pertinentes ; • utiliser la conjonction « donc » de façon pertinente dans des argumentations ; • une expérience ayant été réalisée sur les indications du professeur, imaginer ou reprendre une argumentation logique permettant de parvenir à une conclusion ; • un problème scientifique très simple étant formulé, expliquer en quoi un protocole expérimental proposé par le professeur permet de répondre à la question.

D. Autonomie, créativité et responsabilité Dès l’année de 4e, l’enseignement de physique-chimie doit permettre d’aider les élèves à acquérir une certaine autonomie qui s’articule autour de deux axes : la créativité et la responsabilité. Il est important que les premières séances de l’année soient consacrées, au travers des activités proposées, à la prise de conscience par les élèves de l’importance de ces objectifs qui seront par ailleurs omniprésents toute l’année. Ainsi on pourra, par exemple, proposer des activités expérimentales où le respect d’un protocole est essentiel, chacun opérant à son tour au sein d’un groupe restreint sous le regard de ses camarades. D’autres séances mettront l’accent sur la capacité à imaginer des expériences en fonction d’un objectif et sur celle à s’organiser pour les mener à bien. Il s’agit de valoriser l’esprit d’initiative, mais aussi l’écoute et le respect des autres au sein d’une équipe.

II – Contenus A. À la découverte de notre environnement, la matière Ce thème a plusieurs finalités : • développer les capacités d’observation et de réflexion parallèlement aux aptitudes expérimentales ; • donner des connaissances rationnelles, appropriées au public scolaire concerné ; • montrer comment la physique et la chimie s’élaborent en tant que disciplines, à partir de l’observation et d’une démarche scientifique ;

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• permettre aux autres disciplines scientifiques et technologiques de s’appuyer sur un socle de connaissances construit de façon rationnelle ; • donner des éléments de compréhension de l’environnement. Une appréhension immédiate de l’environnement est possible grâce aux organes des sens ; elle permet une première classification des substances. Une véritable connaissance de celles-ci nécessite l’identification préalable de certaines propriétés de la matière. À partir d’observations quotidiennes, l’étude expérimentale de quelques propriétés de substances courantes permet de dégager l’organisation de la matière et de la modéliser. Pour ce faire, on a choisi de traiter quelques propriétés physiques et chimiques à propos de corps purs abondants dans notre environnement et importants dans la vie quotidienne. Certains d’entre eux ont été déjà évoqués en classes de 6e et de 5e en sciences de la vie et de la Terre ou en technologie. Les activités expérimentales proposées sont simples et motivantes pour les élèves. On notera que les mesures de pression ou de température qui sont faites n’impliquent pas que l’on ait défini ces deux grandeurs : le bagage scientifique des élèves ne le permettrait pas.

1. L’eau dans notre environnement (durée conseillée : 20 heures) EXEMPLES D’ACTIVITÉS

CONTENUS-NOTIONS

COMPÉTENCES

Où trouve-t-on de l’eau ? Quel rôle joue-t-elle dans notre environnement et dans notre alimentation ?

Omniprésence de l’eau sous ses différents états dans la biosphère.

• Extraire des informations à partir d’un document scientifique.

Recherche documentaire : • le « cycle de l’eau » sur la planète • l’eau en dehors de la Terre (à partir de différents documents, introduire les prémisses de changement d’état et de conservation de la matière).

L’eau sur la terre. [Géographie : les eaux] Première approche des états de la matière. [Technologie : matériaux] Utilisation des notions de température et de pression.

• connaître les trois états de l’eau (solide, liquide, vapeur) ; savoir les illustrer par des exemples.

Observations de solides et de liquides familiers.

Propriétés spécifiques de chaque état.

• Mettre en évidence : – la forme propre de l’eau solide (glace) ; – l’absence de forme propre de l’eau liquide commme de tous les autres liquides ; – l’horizontalité de la surface libre d’un liquide au repos. • décrire et réaliser un test de reconnaissance de l’eau.

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Test de reconnaissance de l’eau par le sulfate de cuivre anhydre.

L’eau est un constituant des boissons et des organismes vivants. [SVT : rôle biologique de l’eau]

Comment obtenir de l’eau « limpide » ? Une eau limpide est-elle une eau pure ?

Milieux homogènes, hétérogènes. Mélange. Corps pur.

• filtration d’une suspension d’eau boueuse • décantation ou centrifugation, filtration et distillation d’une boisson (jus d’orange, thé, café…) • dégazage d’une « eau gazeuse » • recueillir le dioxyde de carbone présent dans une boisson et l’identifier par le test de l’eau de chaux (préparée éventuellement par les élèves à l’aide de la chaux éteinte)

Essais de séparation de quelques constituants d’une « eau brute » ou de plusieurs boissons. [SVT : sédimentation] Existence des gaz, leur matérialité. [SVT : rôle biologique des gaz dissous.]

Réaliser et décrire une décantation, ou une filtration, ou une distillation.

Le test à l’eau de chaux, élément de la « carte d’identité » du dioxyde de carbone. Les eaux, mélanges homogènes. Les boissons contiennent d’autres composés que l’eau. [SVT : test du dioxyde de carbone]

Donner des éléments d’une carte d’identité du dioxyde de carbone. Illustrer par des exemples le fait que : l’apparence homogène d’une substance ne suffit pas pour savoir si un corps est pur ou non.

• chromatographie de colorants alimentaires dans une boisson ou un sirop homogène • obtention d’un résidu solide par évaporation d’une eau minérale

[Citoyenneté : l’emploi des colorants est réglementé]

• mesure du pH de quelques boissons

Le caractère acide d’une eau peut se caractériser par une grandeur, le pH, associée à la présence dans l’eau d’autres substances. Les changements d’états de l’eau, approche phénoménologique.

Classer des solutions ou des boissons suivant leur « acidité ».

Sous une pression donnée, la température de changement d’état est fixe.

Utiliser un thermomètre. Tracer et exploiter un graphique.

Que se passe-t-il quand on chauffe ou refroidit de l’eau (sous la pression atmosphérique) ? • utiliser un baromètre et un thermomètre (4)

• reconnaître des milieux qui contiennent de l’eau de ceux qui n’en contiennent pas • donner des éléments de la « carte d’identité » de l’eau

Faire la distinction entre un mélange homogène et un mélange hétérogène.

Présence dans une eau minérale de substances autres que l’eau. [SVT : sels minéraux]

(4) Si l’équipement nécessaire est disponible, on pourra utiliser une sonde thermométrique reliée à un ordinateur, ce qui ne dispensera pas de faire manipuler par les élèves des thermomètres courants et de leur faire également relever une courbe « à la main ». On signalera les représentations préalables liées à l’usage du thermomètre médical à mercure.

PHYSIQUE-CHIMIE  Classes de 5e et de 4e ■ 23

• chauffer de l’eau liquide obtenue par distillation, suivre l’évolution de la température de l’eau, réaliser l’ébullition • congeler de l’eau, suivre l’évolution de la température • chauffer de la glace, effectuer une pesée avant et après la fusion

Le changement d’état est inversible : – par chauffage, l’eau passe de l’état solide à l’état liquide, de l’état liquide à l’état gazeux ; – par refroidissement, l’eau passe de l’état gazeux à l’état liquide, de l’état liquide à l’état solide.

• réaliser l’ébullition sous pression réduite (fiole à vide et trompe à eau) • réaliser un changement d’état d’un corps pur autre que l’eau (la solidification du cyclohexane par exemple) Peut-on dissoudre dans l’eau n’importe quoi et en n’importe quelle quantité (sucre, sel, sable…) ? • préparer une solution de sucre en dissolvant x grammes de sucre dans v cm 3 d’eau ; effectuer une nouvelle pesée après dissolution • évaporer une eau salée ou sucrée pour récupérer le sel ou le sucre • consulter des documents sur les marais salants

Le changement d’état d’un corps pur se fait à température constante, sans variation de la masse, mais avec variation de volume. Distinguer brouillard (gouttelettes liquides), vapeur (gaz invisible), fumées (petites particules solides). Connaître les températures de changement d’état de l’eau. Utiliser le vocabulaire : solidification, fusion, liquéfaction, vaporisation. Savoir que la température d’ébullition de l’eau dépend de la pression.

L’eau est un solvant

Distinction mélange homogène/corps pur. Concentration en g/L. Mesures de volumes. Utilisation de la verrerie. Mesure de masses. Unités de longueur, de volume, de masse. La masse totale reste inchangée au cours d’une dissolution.

Peut-on mélanger de l’eau avec d’autres liquides (alcool, huile, pétrole) ? • agiter, laisser reposer, observer

Miscibilité ou non-miscibilité de l’eau avec d’autres liquides

• Étude de documents sur le traitement des eaux potables et l’épuration des eaux usées

[Environnement : mécanisme de pollution des eaux ; distribution d’eau potable ; les marées noires].

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Réaliser une dissolution, une évaporation. Mesurer des volumes avec une éprouvette graduée, mesurer une masse avec une balance électronique. Retenir que 1 L équivaut à 1 dm3, 1 mL à 1 cm3, que la masse de 1 L d’eau est voisine de 1 kg dans les conditions usuelles de notre environnement. Employer le vocabulaire : solution, solution saturée, soluté, solvant. Distinguer dissolution et fusion.

Proposer et mettre en œuvre un protocole permettant de tester la miscibilité ou la nonmiscibilité de deux liquides.

Les molécules : un modèle pour comprendre • étude documentaire sur l’histoire du modèle moléculaire • observer et analyser des simulations moléculaires (documents cinématographiques ou informatiques)

Un premier modèle particulaire pour interpréter : – les propriétés physiques de la matière, – la distinction entre mélange et corps pur.

Savoir qu’un corps pur moléculaire est constitué de molécules identiques.

Notion de molécule. Description des trois états à travers le modèle moléculaire : – l’état gazeux est dispersé et désordonné, – l’état liquide est compact et désordonné, – l’état solide est compact, les solides cristallins sont ordonnés.

Être capable de décrire de façon succincte ce qui différencie les trois états.

Il a paru plus adapté d’introduire le concept de corps pur à partir de l’eau, corps pur composé, plutôt qu’à partir du dioxygène : les manipulations sont plus aisées, les transformations physiques sont réalisables en collège. Par ailleurs, en terme de modélisation, introduire d’abord une molécule constituée d’atomes différents est préférable au distinguo subtil que l’on aurait à faire d’emblée entre (atome d’)oxygène et (molécule de) dioxygène. Les essais de séparation de l’eau, à partir notamment de boissons, conduiront à la question suivante : peut-on s’assurer que le liquide incolore obtenu est de l’eau pure ? Sera ainsi posé le problème de la distinction entre corps pur et mélange, d’une part, entre différents corps purs d’autre part. Le problème de qualifier un mélange d’homogène ou d’hétérogène en liaison avec les expériences de filtration et de décantation sera également soulevé. On pourra approfondir le concept d’homogénéité en montrant son caractère relatif dans la mesure où l’aspect de la matière dépend de l’échelle d’observation. Un exemple simple qui a inspiré les philosophes de l’Antiquité est celui d’une plage de sable dont le caractère granulaire n’apparaît qu’à l’observation rapprochée. C’est l’extrapolation de cette idée vers le domaine microscopique qui est à l’origine de l’« hypothèse atomique ». Les élèves ne manqueront pas de remarquer en lisant les étiquettes de boissons une très grande variété dans leur composition. Notamment les étiquettes d’eaux minérales fournissent des indications sur leur composition ionique. Une telle lecture ne doit pas

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conduire à enseigner le concept d’ion qui ne sera abordé qu’en classe de 3e. La seule idée à retenir est que les eaux minérales contiennent un grand nombre de substances dont la mise en évidence pourrait être faite par évaporation de l’eau en constatant l’existence d’un résidu solide. Le pH sera présenté sans aucune exigence théorique, comme une grandeur caractéristique d’une eau, égale à 7 pour de l’eau pure, voisine de cette valeur dans des milieux biologiques tels que le sang. On fera ressortir qu’il y a conservation de la masse au cours des changements d’état alors que le volume varie. Cette variation est importante surtout pour la vaporisation, pour la fusion, elle est plus faible mais observable. Réaliser un changement d’état d’un corps pur autre que l’eau a pour objectif de dissiper l’identification entre les concepts d’eau et de liquide qui persiste jusque très tard chez l’élève. L’étude expérimentale de la dissolution, de l’évaporation permet de présenter un premier aspect de la conservation de la matière. Quand on dissout un morceau de sucre dans l’eau, le sucre « ne disparaît pas ». Les résultats de ces observations serviront plus loin pour illustrer le pouvoir explicatif du modèle moléculaire : les molécules de sucre restent présentes dans la solution dont elles modifient notamment le goût (5). La notion de concentration est abordée mais ne doit pas donner lieu à des exercices purement formels. En ce qui concerne la description moléculaire de la matière, le professeur se rappellera qu’un modèle ne prétend pas décrire une réalité objective. Il possède seulement une valeur explicative limitée dans un champ d’application déterminé. Le fait que les molécules puissent être décrites comme des assemblages d’atomes ne joue ainsi pas de rôle tant que l’on ne décrit pas de réactions chimiques. Ainsi, au moment où le professeur présente à propos de l’eau le concept de molécule, certains élèves connaissent déjà (SVT) la structure atomique de cette molécule. Sans faire abstraction de ce fait, le professeur peut faire observer que ce niveau de modélisation n’apporte rien dans la description d’un changement d’état par exemple. La présentation du modèle moléculaire peut être faite par le professeur au moment qu’il juge opportun dans sa progression. Il reviendra sur celui-ci lorsque cela lui permettra d’éclairer les phénomènes étudiés. On indiquera qu’un long processus historique a conduit à proposer un modèle qui décrit les solides, les liquides et les gaz comme un assemblage de « grains de matière » que, à titre provisoire et dans le cadre du programme, on désignera sous le nom de molécules (6). (5) Le professeur se rappellera toutefois que, dans de nombreux cas, la dissolution peut modifier la substance (solvatation, réaction avec le solvant). (6) Pour ce premier modèle microscopique de la matière, une difficulté de vocabulaire vient qu’une description élaborée représente les solides métalliques et les cristaux ioniques ainsi que le liquide qui résulte de leur fusion comme étant constitués d’ions, concept qui ne sera abordé qu’en classe de troisième. Cette distinction ne joue pas un rôle essentiel dans un premier stade de l’utilisation du modèle et n’a pas à être mentionnée.

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De façon presque inévitable, les élèves rencontreront dans divers ouvrages des « images » des molécules et des atomes. De tels documents ont été obtenus d’abord par microscopie électronique. Depuis la fin des années 1980, des techniques fondées sur des principes très divers (effet tunnel par exemple) permettent de donner une représentation de la surface d’un échantillon solide en déplaçant une très fine pointe au voisinage immédiat de celle-ci ; l’ensemble de ces techniques est regroupé sous le nom de microscopie à champ proche. Une utilisation insuffisamment commentée de tels documents risque en fait de rendre plus difficile la mise en place chez l’élève du concept de modèle. Il ne faut pas faire croire que l’on voit les atomes avec un appareil qui restera mystérieux pour les élèves : la distinction entre le niveau expérimental et le niveau du modèle en serait obscurcie. Si le professeur est amené à commenter de tels documents, il conviendra de souligner que le microscope à effet tunnel par exemple ne voit pas les atomes ; il récupère des informations que l’on sait analyser à l’aide du modèle atomique.

2. L’air qui nous entoure ; le dioxygène (durée conseillée : 10 heures) EXEMPLES D’ACTIVITÉS De quoi est composé l’air que nous respirons ? Est-il un corps pur ? • étude de documents sur l’atmosphère et la composition de l’air, sur la respiration • enquête sur la pollution atmosphérique • Le dioxygène et le diazote en dehors de la Terre • observer une animation moléculaire d’un volume d’air L’air a-t-il un volume propre ? a-t-il une masse ? • comprimer de l’air contenu dans un piston ou une seringue, tout en mesurant sa pression • gonfler un ballon à volume constant tout en mesurant sa masse Qu’est-ce que brûler ? • réaliser quelques réactions avec du dioxygène et caractériser les produits formés :

CONTENUS-NOTIONS

COMPÉTENCES

Le dioxygène, constituant de l’air avec le diazote. [Géographie : l’atmosphère. Le dioxygène est nécessaire à la vie. [SVT : respiration] [Environnement : la pollution atmosphérique]

Savoir que l’air est un mélange ; connaître la proportion dioxygène/diazote dans l’air.

Caractère compressible d’un gaz, son interprétation moléculaire.

Mettre en évidence le caractère compressible d’un gaz.

La combustion nécessite la présence de réactifs (combustible et comburant) qui sont consommés au cours de la

Réaliser et décrire une expérience de combustion.

PHYSIQUE-CHIMIE  Classes de 5e et de 4e ■ 27

– combustion du carbone (morceau de fusain), test du dioxyde de carbone : précipité de carbonate de calcium ; – combustion du méthane (ou du butane), test du dioxyde de carbone et de l’eau formés.

combustion ; de nouveaux produits se forment. [Citoyenneté : règles de sécurité, possibilité de production du monoxyde de carbone toxique] Le dioxyde de carbone réagit avec l’eau de chaux pour donner un précipité de carbonate de calcium.

– combustion vive du fer dans le dioxygène

Le fer, comme le méthane (ou le butane) et le carbone, réagit avec le dioxygène.

Les atomes, un modèle pour comprendre la réaction chimique. • illustrer à l’aide de modèles moléculaires compacts ou de simulations les réactifs et les produits des deux réactions suivantes : – carbone + dioxygène —> dioxyde de carbone ; – méthane + dioxygène —> dioxyde de carbone + eau. • utiliser un logiciel de présentation de molécules.

• illustrer la conservation de la masse en prenant comme exemple la réaction en flacon étanche du carbonate de calcium avec de l’eau acidifiée Comment peut-on obtenir du dioxygène ? • à partir d’une bouteille de gaz comprimé • par action du permanganate de potassium sur l’eau oxygénée • mesurer le volume recueilli sur la cuve à l’eau • effectuer un test du dioxygène (bûchette incandescente) • recherche documentaire : – origine biologique du dioxygène – fonction chlorophyllienne

Interprétation atomique de deux réactions simples de combustions. Les molécules sont constituées d’atomes. La disparition de tout ou partie des réactifs et la formation de produits correspond à un réarrangement d’atomes au sein de nouvelles molécules. Les atomes sont représentés par des symboles, les molécules par des formules. L’équation-bilan précise le sens de la réaction (la flèche va des réactifs vers les produits). La masse totale est conservée au cours d’une réaction chimique. [SVT : roches sédimentaires ; test du calcaire]

On peut obtenir le dioxygène : – à partir de l’air dans l’industrie ; il est alors livré comprimé en bouteilles – par voie chimique, au laboratoire.

Identifier lors d’une réaction les réactifs (avant réaction) et les produits (après réaction). Connaître le danger des combustions incomplètes. Reconnaître un précipité.

Réaliser à la manière d’un jeu de construction le modèle moléculaire des réactifs et des produits des combustions du carbone et du méthane. Connaître et interpréter les formules : O2, H2O, CO2, CH4. Savoir écrire les équationsbilans des combustions du carbone et du méthane et expliquer leur signification (les atomes présents dans les molécules des produits formés sont de même nature et en même nombre que dans les réactifs).

Schématiser et réaliser une expérience consistant à recueillir un gaz sur la cuve à eau.

Identifier le dioxygène. [SVT : fonction lienne]

chlorophyl-

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Substances naturelles et substances de synthèse. • le dioxygène, le dioxyde de carbone et l’eau peuvent être obtenus par des réactions chimiques • réalisation d’un arôme (par exemple celui de la banane) • recherche documentaire sur les arômes, comparaison entre arôme naturel et arôme artificiel

Le dioxygène, le dioxyde de carbone et l’eau obtenus par des réactions chimiques sont identiques à leurs équivalents « naturels ». La chimie est la science de la transformation de la matière.

Réaliser une étude documentaire.

Il est recommandé d’utiliser des modèles compacts, représentations plus fidèles des structures microscopiques. Les atomes seront représentés comme des sphères. Ils seront distingués par un symbole : aucune connaissance de leur structure ne sera apportée dans cette classe. Le professeur gardera à l’esprit que les opérations de désassemblage et de réassemblage des atomes au cours des manipulations des modèles compacts ne correspondent pas, en général, à de véritables mécanismes réactionnels. L’écriture d’équations-bilans sera strictement limitée aux deux combustions étudiées, la notion de mole restant hors programme. L’étude des réactions chimiques souligne l’universalité de la conservation de la masse. Au cours de transformations physiques (changements d’état), cette propriété est une conséquence de la conservation des molécules. Pour ce qui est des transformations chimiques, elle résulte de la conservation des atomes. Dans les deux cas, elle a pour conséquence la conservation de la masse. La compréhension claire de cette loi doit être considérée comme un acquis fondamental de cette partie du programme. Elle prépare les élèves à l’étude d’autres grandes lois de conservation, celle de la charge électrique par exemple. Par ailleurs, elle introduit une idée qui est à la base du respect raisonné de l’environnement. Si on réalise la synthèse d’un arôme, on pourra faire remarquer que les arômes naturels doivent leur richesse à des mélanges complexes, souvent de plus de cent substances. Les arômes de synthèse sont souvent constitués d’un seul composé et ou d’un mélange très simple.

3. Notre environnement (synthèse) (durée conseillée : 2 heures) EXEMPLES D’ACTIVITÉS

CONTENUS-NOTIONS

COMPÉTENCES

– étude documentaire (journal…) – étude du milieu local – élaboration d’un projet

Mise en œuvre de connaissances issues des rubriques précédentes sur un problème concret, si possible tiré de l’environnement de l’établissement.

Savoir mobiliser dans une activité libre tout ou partie des compétences précédentes.

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B. La lumière

(durée conseillée 16 heures) L’étude de cette rubrique dans une première approche de la physique-chimie se justifie par les raisons suivantes : • la vision constitue l’un des aspects les plus marquants de la perception humaine de l’environnement ; • cette rubrique est un terrain favorable pour une importante activité d’expérimentation raisonnée ; • elle livre quelques éléments d’interprétation de phénomènes naturels observables par chacun d’entre nous ; • elle permet la mise en œuvre de raisonnements rigoureux fondés sur quelques règles simples. En particulier, on attend de cet enseignement : – qu’il développe des aptitudes à la manipulation et des qualités de soin et de précision par des constructions graphiques associées aux expériences ; – qu’il favorise la perception de l’espace ; – qu’il donne aux élèves un début de confiance dans leur propre capacité à faire des prévisions et à mettre celles-ci à l’épreuve.

1. Sources de lumière EXEMPLES D’ACTIVITÉS

CONTENUS-NOTIONS

COMPÉTENCES

Comment éclairer et voir un objet ? D’où vient la lumière ? Utiliser des sources primaires.

Sources primaires.

Citer quelques types de sources primaires.

Mettre en évidence une condition nécessaire pour la vision : l’entrée de la lumière dans l’œil.

[SVT : la vision]

Savoir que « pour voir il faut recevoir de la lumière ».

Mettre en évidence l‘influence de la lumière incidente et de l’objet diffusant sur la couleur de celui-ci. Éclairer un écran blanc avec la lumière diffusée par un écran coloré.

Diffusion de la lumière : sources secondaires. Exemples de distinction : étoiles et planètes (satellites artificiels).

Prévoir si un écran diffusant peut en éclairer un autre en fonction des facteurs suivants : – localisations spatiales des deux écrans – l’écran diffusant est éclairé ou non.

Obtenir un spectre continu. Rôle d’un filtre. Synthèses additive et soustractive des couleurs.

Premières notions sur la couleur. [Arts graphiques : la couleur]

Faire le lien entre la couleur d’un objet et : – la lumière reçue, – la lumière absorbée.

Matérialiser un faisceau de lumière.

Le faisceau de lumière.

Expliquer pourquoi on peut « voir » des rayons de lumière « matérialisés » en milieu diffusant (dans l’espace à trois dimensions)

30 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Classes de 5e et de 4e

En ce qui concerne les sources de lumière, l’idée essentielle est de distinguer les sources primaires et secondaires, et d’identifier dans diverses situations le sens de propagation de la lumière. Il convient dès le début de corriger la représentation selon laquelle l’œil émet de la lumière. Pour une première approche de la diffusion, on développera l’idée que les objets diffusants renvoient la lumière dans toutes les directions. On peut signaler la distinction entre diffusion et réflexion, mais sans aucun développement. Les propriétés de la réflexion sont hors programme. Le thème de la couleur peut être développé à l’aide de spectres de lumières blanches ou filtrées. Il est intéressant de remarquer qu’un objet diffusant absorbe une partie de la lumière reçue et se comporte donc, de ce point de vue, comme un filtre. Cependant, la compréhension de cette analogie n’est pas exigible. Les manipulations avec écrans diffusants colorés permettent de donner une première idée des facteurs intervenant dans la couleur perçue lorsqu’on regarde un objet. Dans cette étude de la couleur, on évite des expressions abrégées telles que « du vert », « du rouge ». En effet, celles-ci peuvent correspondre aussi bien à des lumières colorées qu’à des pigments. Elles risquent de renforcer l’idée que la couleur est une matière et de conduire à des confusions.

2. Propagation rectiligne de la lumière EXEMPLES D’ACTIVITÉS

CONTENUS-NOTIONS

COMPÉTENCES

Limitation d’un faisceau lumineux avec des écrans ou avec des « peignes ». Visées à travers des écrans troués : vérification de l’alignement des trous. Chambre noire. Observer des ombres avec des sources ponctuelles ou étendues. Retour sur la pénombre : observer la source en vision directe en mettant l’œil dans la zone de pénombre.

Modèle du rayon lumineux. Sens de propagation de la lumière.

Faire un schéma représentant un faisceau lumineux. Représenter un rayon de lumière par un trait repéré par une flèche indiquant le sens de la propagation.

Ombres propres, ombres portées : interprétation en termes de rayons de lumière. Pénombres.

Interpréter des ombres propres et portées en figurant des tracés rectilignes de lumière. Prévoir la forme d’ombres dans les cas suivants : source petite devant l’objet ; source grande devant l’objet. Prévoir ce que l’on verra, en vision directe, dans diverses situations, en fonction des positions relatives des objets, des sources et de l’œil.

Réaliser un modèle du système solaire.

Structure du système solaire. Phases de la Lune. Éclipses. [Géographie : le calendrier, les saisons]

Construire et utiliser un cadran solaire.

Décrire simplement la structure du système solaire ainsi que celle du système TerreLune.

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Analyser de façon élémentaire les phases de la Lune ainsi que les éclipses. Vitesse de la lumière dans l’espace. [Mathématiques : puissances de 10. Ordres de grandeur]

Savoir que la lumière peut se propager sans le support d’un milieu matériel. Connaître la valeur de la vitesse de la lumière dans le vide (3.108 m/s). Connaître à une puissance de 10 près quelques ordres de grandeurs des distances dans l’univers ou des durées de propagation de la lumière qui leur correspondent.

Pour introduire la propagation rectiligne de la lumière, on peut s’appuyer d’abord sur des manipulations où l’éclairement d’un écran témoigne de l’arrivée de la lumière en un point donné. L’analyse de situations d’éclairage en tout ou rien (successions de cartons troués, peignes, ombres) ou plus complexes (pénombre) permet une mise à l’épreuve, avec prévisions et vérifications, du modèle des rayons lumineux rectilignes. L’interprétation de ce que l’on appelle souvent des « rayons de lumière matérialisés » fait appel aux concepts de diffusion de la lumière, de propagation rectiligne et de réception par l’œil.

3. L’œil, un détecteur de lumière EXEMPLES D’ACTIVITÉS

CONTENUS-NOTIONS

COMPÉTENCES

Utiliser un montage électrique permettant une mesure de l’éclairement (photo-composants).

Détecteurs de lumière.

Connaître des détecteurs de lumière utilisés dans la vie courante.

Expériences illustrant la persistance des impressions lumineuses. Dessin animé. Dessins de formes prêtant à illusion d’optique.

L’œil, un détecteur de lumière particulier. Persistance des impressions lumineuses. Effets perceptifs.

Savoir que certains phénomènes souvent qualifiés d’illusions d’optique ne sont pas dus au trajet de la lumière mais au fonctionnement de la rétine et du cerveau.

La mise en évidence d’effets perceptifs est là pour souligner le rôle du cerveau dans le traitement de l’information reçue sur la rétine, mais ne doit donner lieu à aucun autre développement. La vision « nette » (formation de l’image rétinienne) n’est pas au programme de cette classe ; elle sera abordée avec les images en classe de 3e.

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C. Le courant électrique (durée conseillée 12 heures)

Cette rubrique présente un grand intérêt : • pour des raisons évidentes d’importance dans la vie courante ; • pour donner un début de vision unifiée de phénomènes déjà un peu familiers ; • pour la richesse de l’aspect expérimental. Celui-ci présentera plusieurs composantes : – manipulations raisonnées d’appareils de mesure ; – connaissance pratique des composants et des appareils. Le travail de schématisation aura un statut différent de celui rencontré en optique : il s’agira ici d’apprendre à pratiquer des représentations codées.

1. Le courant électrique en circuit fermé EXEMPLES D’ACTIVITÉS

CONTENUS-NOTIONS

COMPÉTENCES

Réaliser des circuits en boucle simple avec des piles, des lampes et des interrupteurs, des moteurs.

Circulation d’un courant permanent. Rôle du générateur. Fermeture du circuit. Sens conventionnel du courant.

Réaliser à partir de leur schéma des circuits comportant des piles, des lampes, des moteurs, des diodes et interrupteurs.

Réaliser des circuits en boucle simple avec des piles, des lampes et des interrupteurs, des moteurs.

Circulation d’un courant permanent. Rôle du générateur. Fermeture du circuit. Sens conventionnel du courant.

Réaliser à partir de leur schéma des circuits comportant des piles, des lampes, des moteurs, des diodes et interrupteurs.

Utiliser une diode pour déterminer le sens d’un courant ou imposer une absence de courant. Utiliser une analogie (hydraulique ou mécanique).

[Citoyenneté : règles de sécurité électrique]

Savoir que les expériences ne doivent pas être réalisées avec le courant du secteur pour des raisons de sécurité.

Intercaler des échantillons métalliques dans un circuit électrique simple, comparer avec des échantillons d’autres substances.

Conducteurs et isolants.

Citer des conducteurs et des isolants usuels.

Dipôle : définition, dipôles en série, en dérivation, illustration dans des cas très simples. Fil conducteur de connexion : son rôle en série et en dérivation avec d’autres dipôles (court-circuit).

Identifier et être capable de réaliser des montages en série et en dérivation ; savoir vérifier les effets des fils conducteurs de connexion.

Analyser les composants d’une lampe en termes d’isolants et de conducteurs. Réaliser et schématiser des circuits simples comportant notamment des lampes et des diodes électroluminescentes en série et en dérivation.

PHYSIQUE-CHIMIE  Classes de 5e et de 4e ■ 33

À ce stade, le courant électrique est présenté de façon purement phénoménologique. L’étude de l’électrisation ainsi que la description microscopique du courant en terme de mouvement de porteurs de charges sont reportées en classe de 3e. On associe la double condition de fermeture du circuit et de la présence du générateur à l’existence d’un courant permanent. Au cours de la réalisation de circuits simples, on pourra commencer à faire réfléchir les élèves sur les problèmes d’adaptabilité. On ne branche pas notamment n’importe quelle lampe sur n’importe quelle pile.

2. L’intensité et la tension en courant continu EXEMPLES D’ACTIVITÉS

CONTENUS-NOTIONS

COMPÉTENCES

Effectuer des prévisions qualitatives sur des circuits avec dipôles en série et en parallèle, ouverts ou fermés.

Introduction qualitative des concepts d’intensité et de tension.

Identifier les bornes d’une pile, mettre en évidence la tension entre ses bornes en circuit ouvert. Reconnaître qu’il peut y avoir une tension entre deux points entre lesquels ne passe aucun courant et qu’inversement un dipôle peut être parcouru par un courant sans tension notable entre ses bornes.

Mesurer une intensité avec un multimètre numérique.

Intensité : mesure, unité.

Mesurer une tension avec un multimètre numérique.

Tension : mesure, unité.

Mesurer une intensité. Connaître l’unité d’intensité, le mode de branchement d’un multimètre utilisé en ampèremètre. Mesurer une tension. Connaître l’unité de tension, le mode de branchement d’un multimètre utilisé en voltmètre.

Vérifier les lois concernant l’intensité : – unicité dans un circuit en boucle simple ; Vérifier les lois concernant la tension : – égalité des tensions aux bornes de deux dipôles en dérivation ; – additivité des tensions le long d’un circuit en boucle simple.

Loi de conservation vérifiée par l’intensité en courant continu. Loi d’additivité vérifiée par la tension.

Connaître et vérifier la conservation de l’intensité en courant continu. Connaître et savoir vérifier l’additivité de la tension.

Montrer expérimentalement que si l’on change l’ordre des éléments d’un circuit en

Le comportement d’un circuit en boucle simple est indépendant de l’ordre des dipôles as-

Montrer que le courant qui traverse une pile dépend du cir-

34 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Classes de 5e et de 4e

boucle simple, on ne change aucune des valeurs des grandeurs (tension aux bornes et intensité) qui les concernent. Montrer de même, qu’en changeant le circuit, par exemple en rajoutant une lampe en série, les valeurs des grandeurs changent, mais les lois demeurent.

sociés en série qui le constituent.

cuit sur lequel elle est branchée.

Caractère universel (indépendant de l’objet) des deux lois précédentes.

Choisir dans un assortiment de lampes celle que l’on peut alimenter avec une pile donnée.

L’approche des deux grandeurs intensité et tension est opératoire. De façon qualitative, puis quantitative, on amène l’élève à identifier deux grandeurs qui s’opposent par le fait qu’elles obéissent à des lois différentes (conservation pour l’intensité I d’un courant continu, additivité pour la tension U le long d’un circuit série). L’exposé de ces deux lois n’est pas fait dans le but de donner lieu à des exercices calculatoires mais dans celui de commencer à construire les concepts d’intensité et de tension en montrant comment ces deux grandeurs s’opposent par leur comportement. Cette opposition se manifeste en particulier dans deux cas extrêmes : – si U est nul et I différent de zéro (fil de connexion branché dans un circuit et traité comme un dipôle) ; – si I est nul et U différent de zéro (interrupteur ouvert, diode en inverse). La loi de conservation pour l’intensité sera étendue en classe de 3e aux courants variables (dont l’intensité est fonction du temps). Elle reste une excellente approximation pour des courants de fréquences faibles (en particulier pour le courant du secteur). Un circuit électrique est un ensemble d’éléments reliés entre eux dont chacun contribue au comportement global du circuit. Dans un circuit en série, l’ordre des éléments n’a pas d’importance. On notera bien que l’activité de schématisation prend une place tout particulièrement importante dans cette partie du programme : les élèves y manipulent des représentations symboliques codées comme ils l’ont encore peu, sinon jamais, fait..

PHYSIQUE-CHIMIE  Classes de 5e et de 4e ■ 35

Accompagnement des programmes du cycle central de 5e-4e

SOMMAIRE Pages CONSIDÉRATIONS GÉNÉRALES I – Physique-chimie et environnement . . . . . . . . . . . . .

41

II – Physique-chimie et français . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

III – Physique-chimie et activités documentaires . . . . . . .

44

PARTIE THÉMATIQUE A1 – L’EAU DANS NOTRE ENVIRONNEMENT (classe de 5e) E1. Dégazage d’une eau minérale pétillante . . . . . . . . . .

47

E2. Séparation de colorants alimentaires par chromatographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

E3. Divers moyens de chauffage électrique comme substitution partielle au chauffage par le gaz . . . . . . .

49

E4. Étude assistée par ordinateur de la congélation/ fusion de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50

E5. Courbes de congélation-fusion de différentes substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

D1. Concentration massique d’une solution . . . . . . . . . .

53

D2. Les marais salants ou salins . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

C1. Miscibilité de deux liquides . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

D3. Protection et gestion de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

H1. Brève histoire de la théorie moléculaire . . . . . . . . . .

59

H2. Quelques citations destinées à illustrer l’idée de modèle et son évolution historique . . . . . . . . . . .

61

E6. Estimation de l’ordre de grandeur des dimensions moléculaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 37

D4. Introduction d’un modèle particulaire . . . . . . . . . . .

63

D5. Représentation moléculaire des états de l’eau et de solutions acqueuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

C2. Des liquides ordonnés : les cristaux liquides . . . . . . .

72

C3. L’« observation » de la matière . . . . . . . . . . . . . . . .

73

A2 – L’AIR QUI NOUS ENTOURE ; LE DIOXYGÈNE (classe de 4e) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

73

C4. L’eau et le dioxygène en dehors de la Terre . . . . . . . .

75

E7. Combustion du carbone dans le dioxygène . . . . . . . .

77

E8. Combustion du fer dans le dioxygène . . . . . . . . . . . .

78

D7. Lecture raisonnée d’une équation-bilan en chimie . . .

79

E9. Réaction du calcaire avec l’aide chlorhydrique . . . . . .

80

E10. Préparation du dioxygène . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81

D8. Représentation moléculaire de l’air, « pur » ou pollué . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

C5. Représentation des molécules . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

E11. Synthèse d’un arôme de banane . . . . . . . . . . . . . . .

85

B – LA LUMIÈRE (classe de 4e) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86

E12. Conditions de visibilité d’un objet . . . . . . . . . . . . .

86

E13. Synthèse additive ou synthèse soustractive ? . . . . . . .

87

E14. Propagation rectiligne de la lumière . . . . . . . . . . . .

88

E15. Ombre et pénombre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89

E16. Réaliser une maquette modélisant le système solaire .

90

E17. La course apparente du Soleil pendant une journée .

91

E18. Phases de la lune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

92

C6. L’effet de serre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

94

C – LE COURANT ÉLECTRIQUE (C1 en classe de 5e, C2 en classe de 4e) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

96

E19. Circuit électrique : quelques manipulations . . . . . . .

96

H3. Évolution historique du concept de courant électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

97

D9. Représentations des élèves à propos du courant électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

100

ANNEXE D6. Activités relatives à l’environnement, à la météorologie et au climat . . . . . . . . . . . . . . . .

103

Annexe D6. La station météorologique au collège . . . . . . .

111

38 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

À propos des « fiches connaissances » de l’école élémentaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fiche « connaissances » physique-chimie-Électricité . . . . . . Fiche « connaissances » physique-chimie-Énergie . . . . . . . Fiche « connaissances » physique-chimie-États de la matière et changement d’état . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fiche « connaissances » physique-chimie-Lumière . . . . . . . Fiche « connaissances » physique-chimie-Mélanges et solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fiche « connaissances » sciences de l’universMouvement apparent du Soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fiche « connaissances » informatique . . . . . . . . . . . . . . .

112 113 115 117 119 121 123 125

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 39

Le document d’accompagnement ci-dessous a pour but d’aider les professeurs qui enseignent la physique-chimie au collège et de les guider pour la mise en application des récents programmes. Il ne s’agit pas, bien entendu, d’un manuel. Le document ne prétend pas aborder la totalité des activités évoquées par le programme. Le choix des activités illustrées par les diverses fiches a été guidé par le souci d’éclairer les professeurs lorsque le groupe de travail disciplinaire a estimé qu’il pouvait être particulièrement opportun d’apporter une information : l’importance relative dans le document d’accompagnement des différentes rubriques n’est pas en rapport direct avec le temps qu’il convient de leur consacrer. Rappelons que le programme propose dans la colonne « exemples d’activités » une liste non obligatoire et non exhaustive d’exemples qui peuvent être exploités en expériences de cours, en travaux pratiques ou en travaux de documentation. Conformément à cette indication, le document ci-dessous illustre soit des activités mentionnées explicitement par le programme, soit d’autres en complément. Le choix de telle ou telle activité n’est jamais une obligation, la liberté pédagogique du professeur est à cet égard entière. Il convient seulement de traiter les champs de connaissance mentionnés dans la colonne du programme intitulée « contenus-notions » et de construire le socle minimal défini par la colonne « compétences ». Le document est constitué de trois parties : considérations générales – partie thématique – annexe La partie thématique est constituée de « fiches » repérées par les lettres. C : Complément scientifique D : Document pédagogique E : Fiche Expérimentale H : Fiche Historique La typologie ci-dessus n’a rien d’absolu, elle a été seulement introduite par la commodité des lecteurs. Les fiches D décrivent des séquences d’activités et contiennent des suggestions pédagogiques ; certaines des informations écrites ou graphiques qu’elles contiennent peuvent être soumises directement aux élèves. En revanche, les fiches C sont destinées à l’information des professeurs. Les fiches ont été classées ci-dessous dans l’ordre dans lequel les diverses activités sont mentionnées par le programme du cycle central. Cet ordre ne correspond pas à celui de l’exposition des diverses matières par le professeur, rappelons en effet que : Le programme de 5e est constitué par les rubriques A1 – L’eau dans notre environnement et C1 – Le courant électrique en circuit fermé. Le statut de la fiche D6 – Activités relatives à l’environnement, à la météorologie et au climat, placée en annexe, est particulier. Elle décrit certaines activités pouvant être abordées en classe de 5e et poursuivies jusqu’en 3e et d’autres conçues pour être abordées à partir de la classe de 4e.

40 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

Considérations générales I – Physique-chimie et environnement La physique et la chimie tiennent une place nécessaire dans l’éducation à l’environnement, et ce dès le cycle central du collège. Elles permettent, d’une part, d’analyser les questions d’environnement, au sens large, sur des bases rationnelles et objectives, ce qui est le propre de toute approche scientifique. Les grandeurs telles que masse, volume, concentration sont nécessaires à la compréhension des données sur la pollution. Des notions liées aux états physiques de la matière et leurs changements selon les conditions de température sont indispensables à la compréhension de nombreux phénomènes naturels et d’applications domestiques ou industrielles. Des activités expérimentales menées conjointement à l’utilisation de modèles microscopiques de la matière permettent d’appréhender la notion de pureté, ou de comprendre le phénomène de dilution. La notion – difficile – de conservation de la matière est à la base d’une analyse rationnelle de questions d’environnement, comme le tri intelligent des déchets et le recyclage des produits, par exemple. Elles permettent, d’autre part, d’amener les élèves à un comportement responsable du fait d’une compréhension scientifique de la nature des enjeux : ne pas brûler n’importe quoi, ne pas jeter n’importe quoi n’importe où, en particulier à l’évier ou dans l’atmosphère. Ce comportement ne doit pas se limiter au respect d’interdits. Il doit aussi être positif en termes de décision et d’action : se renseigner sur les propriétés de tel ou tel produit, en particulier sur sa nocivité, le manipuler avec les précautions requises, opérer un tri sélectif des déchets,

vérifier qu’une source électrique ne présente pas une tension dangereuse, etc. Le professeur peut puiser dans le domaine de l’environnement de nombreux exemples pour illustrer son cours. Il est évidemment intéressant de faire le lien entre les activités de classe et l’environnement local ou plus éloigné de l’élève : la maison, les moyens de transport, les activités agricoles, artisanales ou industrielles, le climat, etc. Des données locales sur la pollution de l’eau ou de l’air et sur les procédés de purification adaptés peuvent être analysées, au moins en termes de concentrations et de possibilités d’actions sur celles-ci. L’étude des combustions permet de faire le lien avec l’utilisation correcte des moyens de chauffage, mais aussi avec les incendies de forêt et les moyens de les maîtriser. L’étude des changements d’état de l’eau permet d’aborder la formation des précipitations, question évidemment sensible dans les zones inondables ou menacées par le risque d’avalanches. Le programme permet d’illustrer quelques questions de météorologie (voir le document consacré à ce thème). Des visites d’entreprises, comme les stations d’épuration, par exemple, peuvent également être organisées avec grand profit dès le cycle central du collège. Ces différents thèmes liés à l’environnement fournissent des occasions privilégiées de travail interdisciplinaire. Ainsi, la référence permanente au cadre de vie quotidien est, d’une part, une bonne façon de faire émerger progressivement les concepts de sciences physiques et, d’autre part, un élément indispensable de la formation du citoyen.

II – Physique-chimie et français L’enseignement de physique-chimie doit développer chez l’élève des compétences transdisciplinaires. Il constitue notamment un champ d’application des méthodes acquises en français : l’élève doit apprendre à s’exprimer et à structurer son jugement. Les activités en physique-chimie peuvent et doivent contribuer au

développement de la maîtrise de l’expression aussi bien orale qu’écrite. Au collège, en classe de français, l’élève apprend à maîtriser progressivement les formes de discours : – La narration abordée en 6e est approfondie en classes de 5e et de 4e en y intégrant la description.

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 41

– L’argumentation, repérée dans les programmes dès la classe de 6e n’est véritablement étudiée qu’en classe de 3e. La connaissance de ces éléments est indispensable au professeur de physique pour que professeur et élèves utilisent le même langage. Une collaboration entre les professeurs des deux disciplines est souhaitable et certaines activités expérimentales seront d’excellentes activités-supports de narration et d’argumentation. Les exemples ci-dessous peuvent être utilisés au moment opportun ; la démarche est valable sur l’ensemble des classes du collège. Les phrases en italique correspondent à ce que le

ÉTAT INITIAL Description du dispositif et des réactifs (quoi, où, quand, comment ?)

professeur peut attendre de l’élève. Deux notions très importantes doivent être exploitées par le professeur de physique-chimie : le schéma narratif et l’utilisation des liens logiques.

A. Comment utiliser le schéma narratif simple ? Cette structure permet de rendre compte de la succession logique d’événements dans un récit. Elle comporte plusieurs étapes nommées en classe de français état initial, agent (ou élément) déclencheur 1, état final.



«AGENT DÉCLENCHEUR»

SUITE DE TRANSFORMATIONS

ÉTAT FINAL Description des produits de la réation

Dioxygène

Fusain Eau de chaux

– Un morceau de fusain est suspendu à un bouchon par une tige métallique. – Un flacon bouché est rempli de dioxygène. – De l’eau de chaux est versée au fond du flacon.

Le morceau de fusain, porté à incandescence, est plongé dans le flacon de dioxygène.

Remarques : – L’utilisation de cette méthode nécessite la schématisation des trois phases, ce qui a pour avantage d’obtenir des récits respectant la chronologie des événements. – En classe de français, les élèves sont habitués à rechercher « l’agent déclencheur ». Cet élément est essentiel également pour la compréhension d’un phénomène physico-chimique. – Il est recommandé aux élèves d’écrire des phrases à structure simple mais correcte. En particulier, une phrase sera écrite pour chaque détail observé.

– L’incandescence devient très vive puis s’arrête. – Un dépôt de buée se forme sur le flacon.

– Le contenu gazeux du flacon trouble l’eau de chaux. – Le fusain ne peut plus y brûler. – Des cendres se sont formées sur le fusain dont le volume a diminué.

B. Comment utiliser les mots de liaison traduisant des lieux logiques qui unissent des phrases dans une argumentation ? • À partir d’un résultat expérimental – l’eau de chaux ne se trouble qu’en présence de dioxyde de carbone – on pourra exprimer : – la condition : L’eau de chaux se trouble si elle est en présence de dioxyde de carbone.

1. Ou encore : événement ou élément ou facteur, modificateur ou perturbateur.

42 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

– la cause : L’eau de chaux se trouble car (parce que) elle est en présence de dioxyde de carbone. – la conséquence : Du dioxyde de carbone est en présence d’eau de chaux donc (alors) l’eau de chaux va se troubler.

• Pour l’interprétation d’une manipulation : une première argumentation À propos d’une autre combustion, l’élève pourra réutiliser le test du dioxyde de carbone. OBSERVATION

RELATION AVEC DES CONNAISSANCES ANTÉRIEURES

DÉDUCTION

Je constate que…

or je sais que…

donc j’en déduis que…

le gaz produit par la combustion du méthane avec le dioxygène trouble l’eau de chaux.

le gaz qui provoque le trouble de l’eau de chaux est du dioxyde de carbone.

la combustion du méthane produit du dioxyde de carbone.

• Lors d’une démarche expérimentale Deux exemples : UN EXEMPLE EN PHYSIQUE

UN EXEMPLE EN CHIMIE

SITUATION PROBLÈME

En courant continu y a t-il un sens de branchement à respecter pour les dipôles ?

La buée sur les vitres pourrait-elle provenir de l’utilisation des becs Bunsen ?

FORMULATION D’HYPOTHÈSES

Le sens de branchement n’a aucune importance pour le fonctionnement d’un dipôle.

La combustion du gaz dans la flamme du bec Bunsen produit de la vapeur d’eau.

VÉRIFICATION EXPÉRIMENTALE DES HYPOTHÈSES

Expérimentation de branchements dans les deux sens avec une lampe, un moteur et une DEL.

Test : cristaux de sulfate de cuivre anhydre ou verre froid au-dessus de la flamme.

ANALYSE DES RÉSULTATS

Si on inverse le sens du branchement, – Les cristaux de sulfate de cuivre alors (je constate que) : bleuissent. – l’éclairage de la lampe ne change pas ; – De la buée se dépose sur le verre – le sens de rotation du moteur froid. change ; – la DEL n’éclaire que pour un seul sens de branchement.

RÉPONSE AU PROBLÈME

Donc : en courant continu le fonctionnement de certains dipôles dépend du sens de branchement.

Donc : la combustion du gaz produit de la vapeur d’eau qui se condense sur les vitres froides.

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 43

III – Physique-chimie et activités documentaires A. Compétences documentaires attendues au collège Le programme du cycle central précise que « la physique-chimie contribue à l’enseignement du français par la pratique d’activités documentaires, par l’entraînement à la rédaction de compte-rendus et par l’entraînement à une argumentation utilisant un vocabulaire bien défini ». En premier lieu, l’élève doit être capable d’utiliser son manuel de façon raisonnée (utilisation de la table des matières, de l’index, par exemple). Cela nécessite un apprentissage, commun aux autres disciplines, de l’utilisation d’un dictionnaire et d’une encyclopédie. Par ailleurs, l’élève doit « pouvoir lire un texte simple contenant des données et en extraire des informations pertinentes ». On attend de l’élève qu’il réalise une recherche parmi un nombre très limité de documents mis à sa disposition au CDI et qu’il les exploite en utilisant un questionnaire. Une collaboration entre l’enseignant de physique-chimie et l’enseignant documentaliste s’impose de façon à être en mesure de mettre à la disposition des élèves, sur un sujet donné, des documents en nombre suffisant mais pas surabondant ; ces documents doivent être accessibles, attractifs et de supports variés, disques optiques (cédéroms) y compris. Le rôle souhaité de la part de l’enseignant documentaliste est une assistance à l’élève de nature méthodologique, c’est-à-dire, ne nécessitant pas de connaissances spécifiques dans le domaine de la physique-chimie. Cette assistance peut constituer en une aide à l’élève pour : – utiliser un « usuel » (dictionnaire, encyclopédie) ; – utiliser une table des matières ou un index ; – se diriger parmi les options proposées par un disque optique ; – effectuer un choix pertinent parmi trois ou quatre ouvrages ou documents ; – aborder les aspects formels (non disciplinaires) de la restitution demandée.

B. Activités de documentation proposées par le programme Dans la colonne « exemples d’activités » sont proposés différents sujets d’études documentaires. En voici la liste : A1 :

Le « cycle de l’eau » sur la planète L’eau en dehors de la Terre Les marais salants Traitement des eaux potables et épuration des eaux usées Histoire du modèle moléculaire

A2 :

Atmosphère, composition de l’air, respiration Pollution atmosphérique Dioxygène et diazote en dehors de la Terre Origine biologique du dioxygène, fonction chlorophyllienne Arômes, comparaison entre arôme naturel et arôme artificiel Étude de documents sur l’environnement

Des informations relatives à ces divers sujets sont présentées ci-dessous dans les fiches qui constituent la partie thématique du présent document d’accompagnement. Comme pour toutes les activités mentionnées dans la colonne de gauche du programme, cette liste n’est ni exhaustive, ni limitative.

C. Des pistes de travail pour les activités de documentation • Travail préparatoire réunissant le professeur de physique-chimie et l’enseignant documentaliste : – Quelle est la disponibilité du CDI, par rapport à l’emploi du temps des élèves ? – Le travail des élèves sera-t-il effectué pendant ou en dehors des heures de physique ? – Quels seront les rôles respectifs du professeur, du documentaliste ? – Quels sont les documents existants et à acquérir ? • La présentation de l’activité aux élèves : – Répartition des sujets (libre ou imposé), du travail (individuel ou en équipe)

44 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

– Finalité du travail effectué et restitution prévue : travail sur copie, exposé, exposition – Critères de qualité (durée, plan, simplicité, soin, etc.), à faire définir de préférence par les élèves eux-mêmes – Modalités pratiques du travail au CDI – Éventuellement, travail complémentaire à la maison • Le travail documentaire proprement dit : – Cerner le sujet : quels en sont les mots-clés, que sait-on déjà sur la question ? (Les élèves peuvent éventuellement être aidés par un petit questionnaire annexé à un texte introductif.) – Formuler les thèmes de recherche sous forme de questions – Rechercher les documents, sélectionner les plus pertinents – Trier les informations et les organiser – Réaliser le document destiné à la restitution

D. Un exemple de travail sur document Ici, le document est fourni à l’élève : il ne s’agit donc pas d’une recherche documentaire, mais bien d’un travail sur document. Ce travail se présente sous la forme d’un questionnaire.

Le travail sur document écrit, s’il est probablement moins attrayant que celui sur vidéogramme, est cependant très utile pour préparer l’élève à la lecture attentive et critique de journaux, magazines, notices ou modes d’emploi, par exemple. Ce travail peut être demandé en introduction d’une leçon, pour créer une « accroche » ; il peut également être utilisé en approfondissement. Le document doit toujours être judicieusement choisi par le professeur : il doit évidemment être en rapport avec la partie du programme traitée, apporter un éclairage intéressant sur celle-ci, et être rédigé dans un style simple et accessible aux élèves (cela ne veut pas dire que l’article doive être parfait : une analyse critique peut être très constructive). Le document présenté ici a été choisi pour son intérêt dans le cadre de l’éducation à la sécurité. Les questions proposées attendent des réponses qui seront apportées : – soit par le texte (niveau 1) ; – soit par une recherche (niveau 2). (Il conviendra de proposer aux élèves quelques références de documents en liaison avec le documentaliste.)

Document fourni aux élèves

DES CHANTEURS ET DES SPECTATEURS INTOXIQUÉS : ATTENTION AUX CHAUFFAGES DÉFECTUEUX Le concert de ce vendredi soir, dans la salle des fêtes de Becqueville, était destiné à financer le foyer. Mais, à la fin du spectacle, plus de quarante chanteurs et spectateurs ont ressenti des vertiges, des maux de tête, ou ont éprouvé une certaine torpeur, ou encore ont eu des vomissements. Vingt personnes ont dû être hospitalisées pendant quelques heures. On pense que le malaise est dû aux émanations du système de chauffage au gaz, constitué de grilles infrarouges alimentées par une bouteille de butane. Les enquêteurs examinent actuellement la conformité de ce matériel aux normes de sécurité. Bien souvent, le responsable de ce genre d’intoxications est le monoxyde de carbone. Ce gaz sournois, inodore et incolore, est produit par une combustion incomplète. Cela se produit lorsque l’appareil de chauffage est mal réglé, ou que les locaux sont mal ventilés, par exemple quand des gens imprudents bouchent des trappes de ventilation dans leurs cuisines. Qu’il s’agisse de chauffages au charbon, au fioul ou au gaz, l’accident est possible. Le monoxyde de carbone, lorsqu’il pénètre dans les poumons, se fixe sur l’hémoglobine du sang, ce qui fait que celui-ci ne peut plus transporter l’oxygène aux organes vitaux que sont le cœur et le cerveau. Ce gaz pervers est responsable de la mort de plusieurs centaines de victimes et de l’hospitalisation de plusieurs milliers de personnes chaque année. (D’après un article de presse) NOTA : Il convient évidemment de respecter la législation sur les droits d’auteurs pour la diffusion de tels documents.

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 45

Niveau 1 : – Quels ont été les symptômes de l’intoxication ? (réponse : des vertiges, une torpeur, des maux de tête, des vomissements) – Quel était le combustible utilisé ? (le gaz butane) – Est-ce le seul combustible dont la combustion peut présenter un danger ? (sont cités : le charbon, le gaz, le bois, le fioul) – Comment s’appelle le gaz responsable de l’intoxication ? (le monoxyde de carbone) – Pourquoi est-il qualifié de « sournois » ? (il est incolore et inodore) – Dans quelles conditions ce gaz risque-t-il d’être produit ? (appareils mal réglés, pièces peu ventilées, trappes d’aération bouchées)

– Pourquoi ce gaz est-il dangereux pour l’organisme ? (parce que les organes vitaux ne sont plus alimentés en dioxygène) – Combien ce gaz fait-il de victimes chaque année ? (plusieurs milliers d’intoxiqués, plusieurs centaines de décès) Niveau 2 : – La formule du monoxyde de carbone est CO. Est-ce logique d’après son nom ? – Recherchez dans votre cuisine le nombre et l’emplacement des grilles d’aération. – Quels commentaires faites-vous nombre de victimes chaque année ?

46 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

sur

le

Partie thématique A1 - L’eau dans notre environnement (classe de 5e) E1. Dégazage d’une eau minérale pétillante MANIPULATION Professeur ou élève OBJECTIFS Mettre en évidence la présence de dioxyde de carbone dans une eau minérale. Faire une étude quantitative du phénomène. MATÉRIEL Manipulation professeur : – 1 récipient – 1 thermoplongeur 220 V, environ 200 W –

POINTS QUI MÉRITE UNE ATTENTION PARTICULIÈRE Il n’y a pas de problème particulier, les problèmes éventuels proviennent de l’étanchéité du montage, de sa stabilité. Dans le cas du chauffage, il faut limiter la température du bain pour limiter l’évaporation trop grande de l’eau gazeuse. DURÉE La manipulation professeur peut prendre quinze minutes, une fois le matériel installé. Celle des élèves est courte, une fois les groupes équipés.

1 thermomètre – 1 éprouvette – 1 tube à dégagement muni d’un bouchon – éventuellement un agitateur magnétique – 1 cristallisoir – 1 balance. Manipulation élève : – 1 tube à essai à dégagement latéral – 1 bouchon adapté – 1 tube souple adapté – eau de chaux. SCHÉMA DE MONTAGE

RÉSULTATS À froid, on arrive à extraire 220 cm3 de gaz, et on observe une perte de masse de presque 0,4 gramme. À chaud, pour des températures de l’ordre de 60°C, on arrive à extraire 100 cm3 supplémentaires. Au total, on arrive à 320 cm3 pour une bouteille de 20 cL. La perte de masse est de 0,7 gramme ce qui est à peu près en accord avec les résultats attendus (la masse de 1 litre de dioxyde de carbone dans des conditions ordinaires est de 2 grammes environ).

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 47

E2. Séparation de colorants alimentaires par chromatographie 1 MANIPULATION Groupe d’élèves OBJECTIFS Suivre un protocole expérimental. Mettre en œuvre une technique de séparation de constituants. MATÉRIEL Par groupe d’élèves : – un bocal à confiture dont le couvercle est muni d’un système de pinces (à dessin, crocodile, etc.) – un agitateur fin par équipe SCHÉMA DE MONTAGE

POINTS QUI MÉRITENT UNE ATTENTION PARTICULIÈRE L’espace entre le niveau de l’eau et celui des colorants doit être suffisant pour éviter une migration trop importante vers le bas (évitez que l’eau ne touche les taches). Sortir la bande de papier filtre avant que l’eau n’atteigne le haut de la bande. DURÉE Observer la migration des colorants durant une dizaine de minutes

– des bandes de papier filtre environ de 5 cm par 15 cm (suivant la taille du bocal !) – 3 colorants alimentaires marque « Vahine », vendus en grande surface par blister de trois tubes : Jaune : E102 (Tartrazine), Rouge : E122 (Azorubine), Vert : mélange de Jaune et de Bleu E131 (dit « Bleu patenté ») – Préparer éventuellement avant la séance un 4e tube de colorant marron en les mélangeant dans les proportions suivantes : 1 volume de Vert + 3 volumes de Rouge + 1 volume de Jaune. – On peut comparer la migration des colorants Jaune – Vert ou Marron – Jaune – Rouge ou d’autres combinaisons.

POINTS ESSENTIELS À VOIR : RÉSULTATS On observera des vitesses de migration différentes pour chaque colorant. La vitesse du rouge est la plus faible, celle du jaune est intermédiaire. Le marron fait apparaître 3 colorants distincts, le rouge, le jaune, le bleu ; ce dernier migre le plus rapidement.

1. A. Robert et l’équipe académique Orléans - Tours.

48 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

E3. Divers moyens de chauffage électrique comme substitution partielle au chauffage par le gaz MANIPULATION Élèves ou professeur OBJECTIFS Permettre de réaliser les expériences essentielles du programme en utilisant différents moyens de chauffage électrique. DISPOSITIFS On peut utiliser différents outils suivant les contraintes imposées par la situation pédagogique, les moyens financiers ou le temps disponibles.

MATÉRIEL Support : 2 plaques de bois 15 cm x 50 cm assemblées en T et fixées par 6 vis. Ballon : 1 ballon de 100 mL ou équivalent, 1 résistance bobinée de 5,6 ohms (5 watts minimum), 1 bouchon n° 4, du fil électrique et 2 douilles châssis, 1 thermomètre, 1 tube de verre 4 mm coudée. Réfrigérant : – 1 morceau de 20 cm de tuyau plastique diamètre intérieur 14 mm (corps du réfrigérant) – 2 rivets diamètre intérieur 4 mm, et du tuyau plastique 4 mm pour l’écoulement du réfrigérant (2 x 60 cm) – 2 bouchons n° 1 pour obstruer le corps du réfrigérant – 2 colliers de serrage type plomberie pour fixer solidement l’ensemble au support.

1. Thermoplongeur (professeur) – Plaque chauffante – Chauffe-ballon Ce matériel permet de chauffer des quantités de liquides relativement importantes. Il est disponible dans toute maison de matériel pédagogique, leur emploi est classique. 2. Mini montage à distillation avec résistance électrique de chauffage Le professeur réalisera un montage pratique et efficace destiné à être utilisé par les élèves. Il demande un peu de temps pour sa réalisation et peu de moyens financiers. En voici le dispositif :

MONTAGE Support : Il n’y a pas de difficulté particulière ; il faut penser à ménager une « fenêtre » dans une plaque pour pouvoir « plaquer » le col du ballon contre le support et ainsi le maintenir par un collier. Ballon : ce montage utilise comme moyen de chauffage une résistance électrique bobinée et vitrifiée de 5,6 ohms. Alimentée en 12 volts alternatifs, la valeur de l’intensité est égale à 2,1A ; une alimentation classique (12V, 5A) est donc suffisante. On peut essayer des valeurs de R inférieures à 5,6 ohms avec prudence. Durant le chauffage, veiller à maintenir la résistance dans le liquide. Dans ces conditions, un volume de 70 mL de vin a été porté à ébullition en 15 min. On peut légèrement réguler le chauffage avec les positions 6 et 12 Volts de l’alimentation.

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 49

Réfrigérant : on trouve les tubes en grandes surfaces. On peut utiliser le tube de 14 mm sans circulation en le remplissant d’eau avant l’expérience. On peut aussi introduire « en force » 2 rivets de 4 mm en perçant par chauffage le tube de 14 mm et y adapter 2 tuyaux de 4 mm pour la circulation du réfrigérant. On a alors un appareillage à distiller complet.

Le microfour Il existe une variété de matériel qui permet de chauffer de petites quantités de liquides (l’équivalent du volume d’un tube à essai) et de réaliser un certain nombre d’expériences courantes (changement d’état de l’eau, évaporation, distillation, etc.) de manière efficace grâce à une résistance chauffante.

E4. Étude assistée par ordinateur de la congélation/fusion de l’eau 1 Ce type de manipulation ne vient pas se substituer aux relevés manuels. L’élève doit d’abord être initié à des relevés manuels et aux tracés de graphiques sur papier. Il faut notamment que ces activités préparatoires aient amené les élèves à comprendre que, sur les graphiques obtenus, l’écoulement du temps est représenté sur l’axe horizontal et une grandeur physique sur l’axe vertical. Quand on utilise l’ordinateur, il est essentiel de faire comprendre que cet outil n’intervient que pour l’acquisition et le traitement, la mesure proprement dite restant faite par un organe, dit capteur, externe à l’ordinateur. L’intérêt de l’emploi de l’ordinateur devient évident quand on est amené à répéter systématiquement des acquisitions dans des conditions différentes ou pour différentes substances (Voir la fiche E5). Dans tous les cas, il faut prendre le temps nécessaire pour que l’élève ait bien compris que ce qui est représenté sur l’écran résulte d’une série de mesures et non d’une simulation. Remarque : ces activités sont l’occasion de rencontrer les températures de fusion de la glace et d’ébullition de l’eau. À la pression ambiante et au voisinage du niveau de la mer, ces températures, exprimées en degrés Celsius, sont voisines de 0 °C et 100 °C. Le 0 et le 100 étaient les points de référence d’une ancienne échelle, dite centésimale. L’actuelle échelle Celsius, très peu différente dans la pratique 2, est définie à partir de l’échelle thermodynamique (ou Kelvin) par une translation de 273,15 K.

MANIPULATION Professeur OBJECTIFS Étude du refroidissement (congélation de l’eau), de l’échauffement (fusion de la glace) Étude d’un changement d’état Température de congélation Notion de corps pur MATÉRIEL Plusieurs organismes de vente de matériel pédagogique proposent du matériel d’acquisition. On trouvera en général la composition suivante : – 1 micro-ordinateur équipé d’une carte d’acquisition et de son logiciel d’exploitation ; – 1 sonde thermométrique ; – 1 boîtier de liaison extérieur permettant le couplage (sonde-micro-ordinateur). SCHÉMA DU MONTAGE pour la congélation de l’eau

1. G. Leriche, A. Robert et l’équipe académique d’Orléans - Tours. 2. À titre d’exemple, sous la pression, dite normale, de 101 325 pascals, les plus récentes déterminations de la température d’ébullition de l’eau donnent 99,974°C.

50 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

POINTS MÉRITANT UNE ATTENTION PARTICULIÈRE – Disposer l’élément sensible de la sonde à environ 1 cm du fond du tube, au centre du liquide (éviter les contacts avec les parois du tube). – Préparer le mélange réfrigérant peu de temps avant le début de l’expérience. – Faire attention à ne pas avoir un refroidissement ni trop brutal («palier » trop court), ni trop lent (« palier » trop long, congélation incomplète).

SCHÉMA DU MONTAGE pour la fusion de la glace

DURÉE L’ensemble de la manipulation dure un peu moins de 10 minutes, une fois le montage installé et les réglages effectués. RÉSULTATS On peut obtenir les résultats sous forme de tableaux ou de graphique à faire exploiter par les élèves. Voici un exemple de graphique :

POINTS QUI MÉRITENT UNE ATTENTION PARTICULIÈRE – La manipulation peut être réalisée après celle de la congélation. – Le point délicat est de ne pas provoquer un réchauffement trop brutal de la glace (à l’air libre ou/et avec les doigts). DURÉE L’ensemble de la manipulation dure un peu moins de 10 minutes. RÉSULTATS On peut obtenir les résultats sous forme de tableaux ou de graphique à faire exploiter par les élèves. Voici un exemple de graphique :

On fera noter l’évolution de la courbe « température », la présence d’un palier de changement d’état et sa valeur 0° Celsius. Ces données peuvent être consignées sur une fiche d’identité de l’eau. Notion de corps pur : on pourra noter, suivant la place de la manipulation dans la progression pédagogique, que l’eau, corps pur, possède un palier de congélation (de même, un palier de fusion), mais que le fait de posséder un palier de changement d’état constant pour une « substance » n’est pas un critère suffisant pour affirmer que celle-ci est un corps pur (voir la fiche suivante). Il faudra cumuler un ensemble de critères (Cf. fiche d’identité) pour pouvoir l’affirmer.

On fera noter l’évolution de la courbe « température », la présence d’un palier de changement d’état et sa valeur 0° Celsius. Ces données peuvent être consignées sur une fiche d’identité de l’eau.

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 51

E5. Courbes de congélation-fusion de différentes substances

52 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

D1. Concentration massique d’une solution Dans la partie du programme A1, plusieurs activités sont destinées à l’étude des solutions et une nouvelle grandeur est présentée : la concentration massique. Sa compréhension relève des mêmes difficultés que celles rencontrées pour la masse volumique. Les quelques remarques ci-dessous ont pour but de préciser certains points utiles pour présenter cette nouvelle notion et l’utiliser dans l’interprétation des manipulations. • La valeur de la concentration massique d’une solution doit pouvoir être exprimée clairement de trois façons différentes. Par exemple, une solution aqueuse de sel de concentration massique 2g/L signifie : – La masse de sel dissous dans 1 L de cette solution est 2 g. – Le volume de cette solution qui contient 2 g de sel est 1 L. – Le rapport entre la masse de sel dissous (en g) dans cette solution et le volume corespondant de solution (en L) est 2. Les solutions ci-dessous ont la même concentration massique.

Il sera donc possible de comprendre certaines applications pratiques sans se perdre dans des calculs. a) Préparer un volume quelconque d’une solution de concentration massique donnée. Exemple : préparer 1 dL de solution à 3 g/L b) Prévoir le volume de solution saline de concentration massique donnée pour obtenir une masse donnée de sel. Exemple : quel volume de solution saline à 30 g/L doit-on faire évaporer pour obtenir 100 g de sel ? c) Déduire la masse de sel dissous dans un volume de solution de sel de concentration massique donnée.

Exemple : quelle est la masse de sel contenue dans 2 L de solution de concentration massique 20 g/L ? • La variation de la concentration massique a) Variation du volume de solvant d’une solution de concentration massique donnée La masse du soluté ne change pas, mais le volume de la solution change.

Le volume diminue.

Le volume augmente.

La concentration massique augmente : la solution devient plus concentrée.

La concentration massique diminue : la solution devient plus diluée.

Application : les marais salants (voir fiche D2)

Application : dilution d’une solution aqueuse en ajoutant de l’eau pure

b) Variation de la masse de soluté (on ne pourra qu’augmenter la masse, l’augmentation de volume étant très faible.)

1L 2g

1L 3g

1L

1L

4g

5g

La masse de soluté augmente mais le volume de solvant reste le même. La concentration massique augmente.

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D2. Les marais salants ou salins VOCABULAIRE Sel, marais salant, salin, saline, salinité, saumure. Certains lieux doivent leur nom au sel : en France, Salies de Béarn, en Autriche, Salzburg,…

– la concentration de la saumure jusqu’à la saturation (260 g/L de chlorure de sodium pour l’eau de mer) ; – la cristallisation du sel à partir de la saumure saturée.

HISTORIQUE Depuis la préhistoire, le sel de la mer est récolté par les hommes : – en jetant de l’eau de mer sur des feux de bois ; – en faisant bouillir de grandes marmites d’eau de mer ; – en versant de l’eau de mer dans des plats d’argile laissés à sécher au soleil (méthode utilisée notamment par les gaulois). Les premiers marais salants ont été inventés par les romains sur le pourtour de la Méditerranée. À partir du VIe siècle, le Languedoc, la Provence, la Sardaigne deviennent des producteurs de sel. Des salins développés dans ces régions à partir de cette époque, sont toujours en activité. Sur la côte atlantique, presqu’île de Guérande notamment, de très nombreux marais salants occupaient au Moyen Âge une surface importante et dominaient même au XIVe siècle le marché de l’exportation vers l’Europe du Nord et la Scandinavie (commerce hanséatique). Actifs jusqu’au XVIIIe siècle, leur production s’est réduite depuis dans des proportions considérables (faibles rendements, modernisation impossible).

Composition de l’eau de mer Salinité de l’eau des mers, en moyenne 3,5 %, en masse, ou 35 g/L de chlorure de sodium soit une densité de 1,026, dans les océans. La salinité varie de 3,36 % à 3,68 %, valeur dépendant des apports d’eaux douces (pluies, fleuves) ou de l’effet de concentration dû à l’évaporation, plus marqué dans le cas des mers fermées (Mer Morte et Mer Baltique étant des cas extrêmes). Les composants les plus importants présents dans l’eau de mer sont : – NaCl : 77 g – MgCl2 : 10 g 6 g dans 100 g de sels dissous – MgSO4 : – CaSO4 : 3,9 g – KCl : 2g

DESCRIPTION Un marais salant est constitué de bassins artificiels d’évaporation dans lesquels l’eau de mer est admise et parcourt un long trajet au cours duquel elle s’évapore sous l’action du vent et du soleil. Il permet la production de « sel de mer ». Remarque 1 : Dans ce que l’on appelle une saline, le sel est en revanche obtenu par évaporation à l’aide d’une source de chaleur artificielle. Remarque 2 : Il existe quelques marais salants évaporant des saumures d’origine terrestre et produisant du « sel solaire ». Les deux phases de production de sel cristallisé par évaporation naturelle :

Composition des saumures marines pendant la concentration et la cristallisation Pendant l’évaporation, les sels se déposent à des degrés de saturation différents : c’est la cristallisation. Pour l’eau de mer, le premier sel qui est déposé est le sulfate de calcium (CaSO4, 2H2O) lorsque la densité de la saumure est 1,109. Lorsque la densité de la saumure atteint 1,216, le chlorure de sodium commence à cristalliser mais presque tout le sulfate de calcium a précipité. La cristallisation est arrêtée lorsque la saumure atteint la densité de 1,262 (problème de goût du sel formé). Eau de mer concentration 37 kg

cristallisation 3,7 kg

et

1 kg de sel

1,1 kg

Description d’un marais salant moderne La concentration a lieu sur des « partènements » ou surfaces préparatoires. La cristallisation a lieu sur des « tables salantes » ou surfaces saunantes ou cristallisoirs. Le marais salant ou salin possède aussi des bassins de réserve pour stocker des saumures. Les partènements 90 % de l’eau de mer doivent s’y évaporer donc occupent des surfaces importantes (jus-

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qu’à 10 000 ha). L’eau de mer doit traverser tous les partènements avant d’arriver aux tables salantes. Les tables salantes Celles-ci occupent des surfaces beaucoup plus réduites, de formes régulières, de sol parfaitement nivelé. Le sel se dépose au fond des tables salantes et est récolté en général une à deux fois par an quand l’épaisseur de la couche est suffisante, de 5 à 20 cm. Les bassins de réserve Ils sont installés pour protéger les saumures des pluies. Les facteurs de production Facteurs naturels : climat, nature et topographie du terrain. L’évaporation de l’eau d’une saumure est due à l’action du vent et du soleil. La vitesse et l’intensité de cette évaporation dépendent de l’humidité de l’air et de la concentration en sel de la saumure à évaporer (salins à production permanente ou à production saisonnière). Récolte du sel À n’importe quel moment de l’année dans les régions où l’évaporation est plus importante que les pluies. Dans les régions à cycle annuel marqué, la date de début de récolte est fixée avec soin. Le sel récolté est déposé en tas ou camelles au bord de la table salante et s’y égoutte. Dans les salins importants, la quantité de sel récoltée par jour peut atteindre 30 000 tonnes. Les marais salants artisanaux de l’ouest de la France : la récolte y est faite à la main sous l’eau. L’exploitant s’appelle un paludier. Le sel est alors caractérisé par une teinte grisâtre (sel moins pur mais dont le goût est apprécié de certains) ; il est plus riche en sels secondaires autres que NaCl.

Composition (ionique) de saumures provenant des océans (quantités en kg pour 100 kg) Sodium

1,08

Chlorure

1,94

Magnésium

0,13

Sulfate

0,27

Calcium

0,04

Hydrogénocarbonate

0,01

Potassium

0,04

Bromure

0,01

Pourcentage en NaCl et « impuretés » des différents sels (composition en % sur sec) Sels

NaCl

« Impuretés » (solubles à l’eau)

Sel gemme

93 à 99,8

de 0,45 à 1,75

Sel de mer

98 à 99,8

de 0,13 à 0,84

Sel ignigène

plus de 99,9

de 0,02 à 0,30

Sel gemme : extrait des mines de sel Sel ignigène : obtenu par évaporation artificielle (méthode thermique) dans les salines

Plan schématisé et simplifié d’un salin

➀ Prise d’eau à la mer ➁ Digues ➂ Partènements Cristal de chlorure de sodium ● ions na + ❍ ions Cl – arête du cube 0,558 nm

➃ Bassin de réserve de saumure ➄ Tables salantes ➅ Camelles

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 55

C1. Miscibilité de deux liquides 1 Lorsque l’on met en présence deux gaz quelconques, ils se mélangent pour donner un gaz homogène, et ce quelle que soit leur proportion relative. À l’inverse, deux solides cristallisés, dont les structures sont bien établies et rigides, ne peuvent « fusionner » (sauf dans des cas exceptionnels). Entre ces deux cas limites, les mélanges de deux liquides conduisent à des situations intermédiaires. OBSERVATIONS EXPÉRIMENTALES On ne prend en compte ici que des liquides ne pouvant impliquer des réactions chimiques entre eux. De nombreux liquides peuvent se mélanger entre eux en toute proportion pour conduire à un liquide homogène ; c’est le cas de l’eau et de l’éthanol. Au contraire, on peut trouver des liquides absolument non miscibles (on dit aussi immiscibles), comme par exemple l’eau et l’huile. Lorsque l’on mélange de l’huile à de l’eau, l’huile moins dense surnage et forme une couche exempte d’eau. Si l’on agite vigoureusement ce mélange hétérogène, les deux liquides tendent à nouveau à se séparer. Il ne s’agit pas d’un problème de différence de densité ; en effet, lors du mélange de deux liquides de même densité (comme la silicone et l’eau salée), on observe des gouttes de silicone flottant dans l’eau en situation d’« impesanteur ». Intermédiaire entre ces deux situations extrêmes (miscibilité nulle ou totale), on peut observer une « démixtion » partielle, comme, par exemple, dans le cas du mélange eau/isobutanol. La miscibilité totale entre ces deux liquides n’est possible que pour certaines proportions, celles-ci dépendant de la température. Pour le mélange eau/isobutanol, à 20 °C, la miscibilité est totale (mélange homogène) pour une proportion inférieure à 4 % en masse d’isobutanol, ou supérieure à 89 %. Entre ces valeurs, le mélange est hétérogène (on dit qu’il y a « démixtion ») et les liquides se déparent en deux couches. Pour une température supérieure à 130 °C, les liquides sont toujours to-

1. Les fiches « complément scientifique » C1, C2, C3 et C5 s’inspirent des ouvrages suivants : Chimie I, PCSI collection « Prépa », A. Casalot, Hachette, 1995. La structure de la matière, J. Guinier, Liaisons Scientifiques, Hachette-CNRS, 1981. La science au présent, collection « Les actuels », Éditions Encyclopaedia Universalis.

talement miscibles (quelle que soit leur proportion) (Cf. figure ci-après). Diagramme d’équilibre eau/isobutanol

Au dessus de la courbe, le mélange est homogène.

INTERPRÉTATION : lien entre structure et miscibilité Il est possible, par une approche qualitative du phénomène, d’établir une corrélation entre la structure des molécules et la miscibilité des liquides. À l’état liquide, les molécules sont relativement désordonnées de telle façon qu’il est possible de remplacer certaines d’entre elles par d’autres de structure différente sans que l’édifice global soit profondément modifié. Ce remplacement se fait avec d’autant plus de facilité que les deux types de molécules ont des formes et des dimensions similaires ; ce qui est en fait déterminant, c’est que les forces développées entre ces deux types de molécules soient de nature et d’intensité comparables. Si ces conditions sont respectées, un mélange homogène entre ces deux types de molécules est susceptible de se faire. À l’inverse, une assemblée de molécules ayant beaucoup plus d’affinité pour elles-mêmes que pour des molécules de structure différente n’« accepte » qu’une petite proportion de ces molécules, voire aucune. La miscibilité des liquides est alors nulle ou limitée par les proportions de chaque liquide. À plus haute température, le désordre de l’agencement des molécules augmente du fait de l’agitation thermique ; il est alors possible à une molécule donnée de s’entourer d’un plus grand nombre de molécules de structure différente, augmentant ainsi les proportions pour lesquelles la miscibilité est totale.

56 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

L’eau présente ainsi une certaine affinité pour les molécules polaires (c’est-à-dire, possédant un moment électrique permanent) comme elle. Elle se mélange en toute proportion à l’éthanol, mais beaucoup plus difficilement au pentanol (CH3

CH2 CH2 CH2 CH2 OH), ce que l’on peut expliquer par la différence de taille importante entre ces deux molécules. L’eau, polaire, et les hydrocarbures (comme le benzène et l’hexane) non polaires sont presque totalement immiscibles.

D3. Protection et gestion de l’eau 1 La partie A1 : « L’eau et notre environnement » propose une étude documentaire sur le traitement des eaux potables et l’épuration des eaux usées. L’eau doit être gérée comme une matière première pour sa quantité mais aussi pour sa qualité. Tout citoyen doit respecter l’eau et connaître les moyens mis en œuvre pour la protéger. Une étude documentaire pourra être utilement complétée par la visite d’une station. Elle permettra aussi le développement d’activités avec les enseignants des Sciences de la Vie et de la Terre. EAU BRUTE ET EAU POTABLE En France, chaque habitant consomme quotidiennement 150 litres d’eau douce. Mais, cette eau douce ne représente qu’une très faible pro-

portion des réserves d’eau de la planète, même si on comprend dans ces réserves les glaces difficilement accessibles de l’Antarctique et du Groenland. L’approvisionnement des réserves d’eau douce est assuré par les précipitations atmosphériques. L’eau, par ruissellement ou par infiltration, alimente les réserves de surface ou les réserves souterraines. Les analyses de différents paramètres de ces eaux permettent d’en déduire si elles sont potables (propres à la consommation humaine) ou si elles nécessitent un traitement pour le devenir. Le décret du 3 janvier 1989 du ministère de la Santé définit les limites de qualité des eaux destinées à la consommation humaine. Voir exemple (tableaux et schéma ci-après).

Paramètres organoleptiques Odeur – Saveur – Couleur – Turbidité (perceptibles par les organes des sens) Paramètres physico-chimiques

Substances indésirables

Substances toxiques Paramètres microbiologiques

température pH dureté ions chlorures ions sulfates ions sodium ions magnésium ions nitrates ions nitrites fer cuivre …

Une eau trouble contient des matières en suspension (MES)

25°C entre 6,5 et 9 250 250 150 50

mg/L mg/L mg/L mg/L

50 0,1 0,2 1

mg/L mg/L mg/L mg/L

Arsenic, Cadmium, Plomb, Mercure…

La dureté d’une eau est liée à la présence des ions calcium et magnésium. Un eau très dure s’oppose au moussage du savon.

Limite 0

L’eau ne doit pas contenir d’organismes pathogènes.

1. Cette fiche est basée sur des documents professionnels. Sa rédaction a, par ailleurs, bénéficié des remarques du Groupe de Travail Disciplinaire de Sciences de la Vie et de la Terre.

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 57

STATION DE PRODUCTION D’EAU POTABLE : LE TRAITEMENT DES EAUX BRUTES Dans le cas d’une eau d’origine souterraine (meilleure protection vis-à-vis des pollutions), le traitement peut être simplifié mais, dans le cas d’une eau de surface, il doit être complet.

EAUX USÉES – QUALITÉ DES EAUX DE RIVIÈRE Les eaux douces et notamment les eaux courantes de nos ruisseaux et de nos rivières constituent des milieux naturels composés d’un milieu vivant (végétaux et animaux) : la biocénose, évoluant dans un milieu que l’on peut caractériser par des paramètres physicochimiques : le biotope. Cet ensemble désigné Tamisage Dégrillage

sous le nom d’écosystème fonctionne tout en respectant certains équilibres entre les deux milieux (vivant et non vivant). Lorsque cet écosystème aquatique est modifié, il y a pollution. À partir des paramètres physico-chimiques et hydrobiologiques, on peut attribuer à la rivière une classe de qualité qui permet d’évaluer son degré de pollution.

Floculation

Décantation

Élimination des corps flottants et des particules en suspension

Élimination des matières en suspension, des algues et des particules colloïdales

Élimination : flocons plus denses que l’eau. Élimination des boues formées

Maille des tamis : 0,5 à 2 mm

Une solution diluée de L’eau coule doucement sulfate d’alumine dans un long bassin provoque la coagulade décantation. tion des particules et la formation de flocons.

Filtration

Désinfection

Élimination derniers flocons et particules

Élimination : germes pathogènes

Filtre sur lit de sable fin (0,8 à 1,5 m d’épaisseur. Filtre sur charbon actif

Chloration : injection d’eau de Javel ou de chlore. Ozonation : 1 à 4 mg/L

LA STATION D’ÉPURATION DES EAUX USÉES Traitement primaire

Traitement secondaire

Traitement des boues

Élimination des matières en suspension Élimination des matières minérales ou (déchets, sable, etc.) ainsi que des organiques en solution dans l’eau huiles

Transformation en matières inorganiques stables

– Dégrillage (gros déchets) – Tamisage (déchets plus fins) – Dessablage (terre, sable) – Déshuilage (huiles récupérées par flottation)

– Épuration biologique dans des bassins bien oxygénés et riches en bactéries : transformation des matières organiques iodégradables par les cultures bactériennes. – libres dans les boues activées – fixées dans les lits bactériens – décantation secondaire

– Stabilisation sous l’action de micro-organismes – Déshydratation : diminution de volume

– Traitement physico-chimique – floculation – centrifugation, filtration

– Utilisation comme engrais agricole

– Décantation primaire

– Incinération

58 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

La qualité des eaux de rivière dépend en partie des rejets des eaux usées domestiques et des eaux industrielles. L’eau contient du dioxygène dissous à l’état moléculaire ; sa présence est vitale pour la faune (aérobie) et la flore. Des rejets d’eaux usées contenant des substances organiques vont, par exemple, accélérer l’activité bactérienne ; la consommation de dioxygène augmentant, sa concentration diminuera. L’apport de substances nutritives (nitrates, phosphates) entraîne une prolifération des plantes aquatiques dans les lacs et rivières lentes (eutrophisation). Des rejets de substances toxiques

modifieront aussi la composition physicochimique de l’eau et sa qualité. Lorsque la quantité de matières polluantes n’est pas trop importante, l’auto-épuration, qui est essentiellement une oxydation, agit (organismes vivants dans le milieu aquatique oxygéné) mais elle est limitée. Pour protéger les eaux il est donc indispensable de collecter séparément les eaux pluviales et les eaux usées. Ces dernières sont dirigées par un réseau d’égouts vers une station d’épuration pour y être traitées avant d’être rejetées dans le milieu naturel.

SCHÉMA SIMPLIFIÉ D’UNE STATION D’ÉPURATION DES EAUX USÉES

Qui s’occupe de l’eau ? La gestion de l’eau est organisée en Agences de bassins hydrographiques : les Agences de l’eau. Le contrôle de la qualité des eaux par l’État est exercé par le préfet avec le concours de la Direction Départementale des Affaires Sanitaires et Sociales pour les eaux distribuées.

H1. Brève histoire de la théorie moléculaire La notion de molécules, constituants de la matière sous ses aspects les plus variés, est l’une des plus anciennes que la pensée rationnelle ait conçues pour expliquer le monde qui nous entoure. Elle apparaît chez les premiers philosophes grecs, au VIe siècle avant notre ère, donc bien avant que la chimie existe en tant que science. Néanmoins, ce n’est qu’à une époque relativement récente, fin XIXe siècle-début du XXe siècle, que la théorie moléculaire s’est imposée définitivement. Dès l’antiquité, certains philosophes grecs dont Démocrite enseignaient que toute matière est

faite de très petites parties distinctes. On supposait que ces petites parties étaient identiques et combinées de plusieurs façons différentes, de manière à faire apparaître à nos sens les différences merveilleuses et la variété du monde de la matière ; malheureusement, personne n’appuya ces idées par des arguments très convaincants. Ce fut ensuite, pendant des siècles, la théorie – beaucoup plus concrète – des « quatre éléments » (Univers formé à partir de : eau, air, terre et feu) qui eut la préférence. Ces éléments étaient supposés porteurs des propriétés physiques fondamentales. Le ou les systèmes constitués à partir d’eux sont des sys-

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tèmes prétendant expliquer non seulement la structure de la matière et ses transformations mais aussi, tout l’Univers. Platon, puis Aristote, ont ajouté un cinquième élément : l’éther supposé être le constituant du monde céleste (le mot signifiant « air pur »). Bien que fortement réfuté dès la Renaissance, le système des quatre éléments persiste comme base des interprétations chimiques jusqu’au milieu du XVIIe siècle, époque à laquelle la chimie commence à naître en tant que science à part entière. Auparavant, certains pratiquaient une discipline à demi secrète, magique et mystérieuse, voire teintée de charlatanisme appelée alchimie et rassemblant une foule de procédés empiriques parfois très anciens constitués de techniques de fabrication de diverses substances utilisées dans le travail des peaux, des couleurs, des métaux et en pharmacopée. Parce que ces praticiens souhaitent comprendre les transformations qu’ils obtiennent, ne serait-ce que pour améliorer leur efficacité, ils tentent de proposer des explications de ces processus empiriques. N’ayant pas à leur disposition les concepts, théories et méthodes nécessaires, ils laissent libre cours à leur imagination et cèdent souvent au goût du merveilleux, voire à la cupidité. Les premières décennies du XVIIIe siècle voient apparaître la théorie du phlogistique conçue par le savant allemand, Joachim Becher et son compatriote le médecin Georg Ernst Stahl (1660-1734). Le phlogistique est, en quelque sorte, à la fois la matière et le « principe » du feu, lequel était considéré comme une substance en soi. Ainsi, on croyait qu’un métal était un corps composé ; quand il brûlait (s’oxydait, dirions-nous aujourd’hui), on pensait qu’il abandonnait une partie de lui-même – celle qui brûlait – qui était le « principe combustible » ou « phlogistique » en donnant ce que l’on nommait alors de la « chaux » (c’est-à-dire un oxyde). À l’inverse, pour obtenir du métal à partir d’une « chaux », on admettait qu’il suffisait de lui ajouter un corps riche en phlogistique (du carbone, par exemple). À cette époque, les savants observent et expérimentent beaucoup, souvent avec talent. Les travaux de Lavoisier (fin XVIIIe siècle) marquent une nouvelle avancée vers une science quantitative et rationnelle, pratiquant l’usage systématique de la balance et feront disparaître progressivement le concept du « phlogistique ». C’est peu après (première décennie du XIXe siècle) qu’apparaît

également la première hypothèse moderne concernant la constitution atomique de la matière. Néanmoins, le modèle atomique aura de sérieuses difficultés à s’imposer et ce sera seulement à la fin du XIXe siècle que la réalité atomique et la théorie moléculaire ne feront plus aucun doute dans le monde des chimistes. Tout au long du XIXe siècle, le modèle moléculaire parvient à rendre compte d’un nombre de faits expérimentaux de plus en plus grand. Par ailleurs, à partir du milieu du siècle, on commence à évaluer l’ordre de grandeur des dimensions des molécules (de quelques dixièmes de nanomètre à quelques nanomètres). Déjà, dès 1865, le physicien autrichien Loschmidt, en étudiant la diffusion des gaz et la valeur du libre parcours moyen, a donné une première évaluation du nombre des atomes contenus dans une quantité donnée de matière. On désigne sous le nom de nombre de Loschmidt le nombre (2,685.1019) de molécules existant dans 1 cm3 de gaz pris à 0 °C et sous la pression atmosphérique normale. Enfin, tout au long du siècle, des résultats concordants obtenus par des méthodes différentes viennent peu à peu conforter la théorie moléculaire. Au XXe siècle, les multiples progrès scientifiques et techniques induisent le développement de nouveaux instruments et de nouvelles méthodes d’investigation directes ou indirectes montrant l’existence des atomes et molécules, mesurant leurs dimensions. Ainsi, dès 1911, Rutherford a imaginé un modèle d’atome formé d’un noyau central et d’électrons satellites situés à de grandes distances. En étudiant la déviation de particules traversant la matière, il a alors pu déterminer l’ordre de grandeur de ces noyaux. Par la suite, l’emploi des rayons X a été et reste une méthode indirecte pour étudier les atomes avant l’utilisation plus récente du microscope à effet tunnel (Cf. ci-après la fiche C3. L’« Observation » de la matière). Ainsi, il est actuellement possible de dire que tous les atomes, qui constituent les molécules, ont une dimension de 0,1 à 0,3 nanomètre seulement. BIBLIOGRAPHIE Collection « Libre Parcours », livre du professeur 5e, Hachette, 1978. L’Histoire des Sciences, Jean Rosmorduc, coproduction CNDP – Hachette Éducation. Sciences et Vie, no 192 Hors-Série, septembre 1995.

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H2. Quelques citations destinées à illustrer l’idée de modèle et son évolution historique 1 Un atome, qu’est-ce que c’est ?

1 – Un modèle ? Caractère a priori « (…) toute qualité change, les atomes, par contre, ne subissent aucun changement. » (Epicure) « Les molécules sont conformes à un type constant avec une précision qui ne se trouve pas dans les propriétés sensibles des corps qu’elles constituent. » (Maxwell) Caractère analogique « (…) je réclame donc le droit d’employer des images mécaniques, et de dresser le tableau à double entrée – images mécaniques d’un côté, faits physiques de l’autre – (…)» (Brillouin) « Et construire des images destinées à la représentation d’une série de faits de telle manière qu’elles permettent de prédire le déroulement d’autres phénomènes semblables, c’est bien le premier objectif de toute science exacte. (…) » Caractère évolutif « … restera alors l’espoir que les images pourront être modifiées et complétées de sorte qu’elles suffisent à la description des anciens et des nouveaux phénomènes. » (Boltzman) Simplicité « Je ne crois pas qu’aucune idée simple se soit montrée aussi féconde…

Unification (explication et prévision des phénomènes) … et ait permis, par son développement logique, de rattacher l’une à l’autre autant de propriétés distinctes (…)» (Brillouin)

2 – Une réalité ? « Comment connaissons-nous le monde extérieur, sinon par nos sensations ? » (Ostwald) « Qui a jamais vu (…) une molécule (…) ou un atome ? » (Berthelot) « Jamais en chimie nous ne devons aller plus loin que l’expérience. » (Dumas) « Qu’entendons-nous maintenant lorsque nous parlons de la réalité des atomes ? (…) Cette réalité signifie simplement que les atomes sont des objets qui sont doués de la plupart des propriétés de ceux que nous avons ordinairement sous les yeux » (Pauling) RÉFÉRENCES Histoire de l’atome. Les atomes, Bensaude-Vincent B. & Kounelis C.,1991. Une anthologie historique, Paris, Presses Pocket. DIDACTIQUE Chomat A., Larcher C., Méheut M., modèle particulaire et activités de modélisation, Aster, 7, 143-184, 1988. Méheut M., enseignement d’un modèle particulaire cinétique de gaz au collège. Questionnement et simulation, Didaskalia, 8, 7-32, 1996.

E6. Estimation de l’ordre de grandeur des dimensions moléculaires Longueur d’une molécule d’acide stéarique L’étude de la miscibilité peut être l’occasion d’observer l’étalement d’une goutte d’huile à la surface d’un cristallisoir et de relater l’expérience réalisée en 1774 par Benjamin Franklin qui, déversant sur les eaux calmes d’un étang une cuillerée d’huile d’olive (soit environ 2 cm3) constata que celle-ci s’étalait sur une

surface d’environ 2 000 m2. On pourra alors donner plus loin l’interprétation de l’observation dans le cadre du modèle moléculaire (formation d’une couche monomoléculaire). Quand les élèves auront acquis ultérieurement une compétence suffisante sur la manipulation des puissances de dix, on pourra éventuelle-

1. D’après une communication de Mme Martine MEHEUT le 13 mars 1997.

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ment leur faire déduire l’ordre de grandeur de l’épaisseur de la couche à partir des données expérimentales. La présente fiche propose de reproduire cette expérience à une échelle réduite, comme le fit Lord Rayleigh, plus d’un siècle après Franklin. L’essentiel dans cette activité est d’observer l’extension limitée de la tache. Si l’activité est poursuivie jusque dans sa partie quantitative, il faut bien insister sur le fait que l’on obtient une simple estimation de la puissance de dix qui affecte l’expression de la longueur de la molécule.

1 – Principe La molécule d’acide stéarique de formule C18H36O2 comporte une extrémité acide attirée par les molécules d’eau : c’est l’extrémité hydrophile ; l’autre extrémité, repoussée par les molécules d’eau, est dite hydrophobe. La manipulation consiste à former une couche monomoléculaire d’acide stéarique sur l’eau. Dans cette couche monomoléculaire, toutes les molécules sont dressées chacune avec sa tête acide et hydrophile enfoncée dans la surface de l’eau et sa queue hydrophobe dépassant au contact de l’air.

2 – Mode opératoire On utilise une solution d’acide stéarique dans un solvant volatil tel que l’éther de pétrole. La solution préparée contient 100 mg d’acide stéarique par litre d’éther de pétrole. • Une goutte de cette solution est déposée sur la surface d’une eau préalablement talquée. La goutte s’étale rapidement tout en repoussant le talc. Ensuite, le solvant (éther de pétrole) s’évaporant, l’acide stéarique reste, formant ainsi une mince pellicule flottant sur l’eau.

• En plaçant une plaque de verre au-dessus de la cuve à eau et avec un stylo-feutre, on relève les limites de la pellicule d’acide stéarique. Expérience complémentaire : détermination du volume d’une goutte de solution • Dans une éprouvette graduée, on introduit n gouttes de solution et on lit le volume V1. Volume d’une goutte v1 = V1/n Résultats : n =… V1 =.… mL ou cm3 v1 = V1/n =… mL ou cm3

3 – Manipulation et exploitation des résultats a) Détermination de la masse m de la pellicule d’acide stéarique sur l’eau Volume de la solution d’acide stéarique (mL ou cm3)

Masse d’acide stéarique (g) 0,1

1000 solution de concentration 100 mg/L (0,1 g/L)

m

v =…

m : masse d’acide stéarique contenue dans… gouttes de solution. C’est aussi la masse de la pellicule d’acide stéarique lorsque l’éther de pétrole s’est évaporé. Calcul de m (en g) : m = 0,1 v = … 1000

b) Détermination de l’épaisseur h de la pellicule d’acide stéarique sur l’eau On admet que le film d’acide stéarique obtenu est constitué d’une couche monomoléculaire (une seule épaisseur de molécules). On admet également que les molécules sont dressées verticalement les unes contre les autres. L’épaisseur h du film représente donc aussi la longueur des molécules. • Après avoir relevé les contours du film d’acide stéarique, on mesure son diamètre moyen D ce qui permet de calculer la surface S du film. D = … cm S = π D2 = … cm2 4

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2. Juste avant la manipulation, préparer la solution S à utiliser en prélevant 1 mL de solution S0 et en complétant le volume à 100 mL avec de l’éther de pétrole. PRÉCAUTION OPÉRATOIRE On désigne par V le volume du film d’acide stéarique ; V=Sxh • D’autre part, on a pu déterminer expérimentalement qu’un cm3 d’acide stéarique a une masse de 0,95 g. Volume de la pellicule d’acide stéarique (cm3)

Masse de la pellicule d’acide stéarique (g)

1

0,95

V =…

m =…

• Calcul de V puis de h : V = m / 0,95 = … h = V / S = m / 0,95 S = … REMARQUES POUR LE PROFESSEUR Préparation de la solution d’acide stéarique dans l’éther de pétrole Procéder en deux étapes : 1. Dissoudre 1g d’acide stéarique dans 100 mL d’éther de pétrole (conserver cette solution S0).

– Remplir le récipient d’eau jusqu’à débordement pour éliminer les effets de bord qui risqueraient de s’opposer à la répulsion du talc se manifestant après le dépôt de la solution d’acide stéarique. Le cristallisoir contenant l’eau doit être placé dans un autre récipient plus grand qui recueillera l’excès d’eau lors du débordement. – Talquer uniformément la surface de l’eau au repos. – Déposer (pipette ou compte-gouttes) la (ou les) goutte(s) de solution d’acide stéarique au centre de la surface d’eau talquée. Le volume de solution (à 100 mg/L) à déposer sur l’eau est de 40 à 50 μL, ce qui nécessite 1 ou 2 gouttes selon leur grosseur (v = v1 en utilisant 1 goutte ou v = 2v1 avec 2 gouttes). RÉSULTAT La longueur d’une molécule d’acide stéarique est de l’ordre de 2.10-9 m ou 2.10-7 cm soit 2 millionièmes de millimètre. Attention : pour conduire les calculs numériques, les élèves de 5e ne disposent pas encore, en mathématiques, de l’outil des puissances de 10 (introduit seulement en classe de 4e).

D4. Introduction d’un modèle particulaire 1 La fiche ci-dessous décrit une progression pédagogique destinée à approfondir le modèle particulaire de la matière défini par le programme. Sous la forme ci-dessous, cette progression demande de disposer d’un temps assez important et sollicite assez fortement la concentration intellectuelle des élèves. Le professeur pourra s’en inspirer librement.

A. Introduction À travers ces propositions d’activités, il s’agit pour l’élève de s’approprier de manière active un modèle simplifié de la matière. À cet effet, on propose à l’élève une démarche progressive : prendre connaissance d’un modèle, l’appliquer à des situations expérimentales défi-

nies, le faire évoluer pour l’adapter à de nouvelles descriptions… La démarche décrite ici suit quelques repères : • L’ensemble du modèle particulaire auquel on souhaite aboutir, dit ci-dessous « modèle final », n’est pas donné entièrement au départ aux élèves (il n’est pas non plus redécouvert par eux !). Ceci doit susciter chez eux une plus grande activité intellectuelle, et permettre une meilleure appropriation du modèle. • Les situations expérimentales à interpréter sont choisies en nombre limité pour que le modèle à utiliser ne devienne pas trop complexe. • Pour ce qui est de la méthode d’animation, on tâche de suivre les étapes suivantes pour chaque situation étudiée :

1. Cette fiche d’activité est directement inspirée de diverses publications, dont celles de l’équipe (A. Chomat ; Cl. Larcher ; M. Méheut), parues dans la revue ASTER n° 7 en 1988.

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1. Description du phénomène et formulation du problème. 2. Activités de modélisation proprement dite à partir d’un modèle initial fourni par l’enseignant – Confrontation des travaux. 3. Réponses au problème posé. 4. Enrichissement du modèle de départ. • Il faut être attentif à l’effet de saturation intellectuelle que peut provoquer ce type d’activités, qui demande un effort important pour certains élèves. De plus, on restera conscient qu’il s’agit d’améliorer les performances des élèves et non de trouver une méthode miracle pour que tous les élèves maîtrisent tous les aspects du modèle particulaire.

1. Modèle particulaire utilisé Le modèle dit ci-dessous « initial », fourni d’abord à l’élève, est un modèle simplifié qui présente les caractéristiques suffisantes pour expliquer la compressibilité des gaz. Il va être progressivement enrichi au cours des activités suivantes jusqu’à aboutir au modèle dit « final ». a) Définition du modèle initial On peut se représenter un gaz comme un ensemble de particules invisibles à l’œil nu (et même au microscope), ayant les propriétés suivantes : P1 – Une particule ne se coupe pas. P2 – Une particule garde les mêmes dimensions. P3 – Une particule garde la même masse. P4 – Une particule ne se déforme pas. b) Définition du modèle final Parmi les corps étudiés, on considère la matière formée comme un ensemble de particules, les molécules, invisibles à l’œil nu qui sont : – dispersées et désordonnées à l’état gazeux ; – disposées de manière compacte mais désordonnée à l’état liquide ; – disposées de manière compacte à l’état solide, et ordonnée pour les solides cristallins. c) Remarques Le modèle initial ne dit rien sur la structure, la forme des particules pour l’instant. Cela n’est pas nécessaire pour interpréter les phénomènes physiques choisis. Le professeur devra choisir à quel moment introduire la notion de molécule dans la progression.

Il n’est fait ici encore aucune allusion ni à l’ordre, ni à l’agitation particulaire.

2. Les situations expérimentales retenues et leurs rapports au modèle initial L’enseignant peut construire sa progression parmi les situations suivantes. a) Dans le cadre de l’étude des gaz, on retient leur compressibilité. Cela permet d’introduire le modèle initial, puis de faire travailler les élèves sur la notion de dispersion, de vide qui en découle. Cela permet de commencer à traduire la conservation de la nature de la matière par la conservation du type de particules. b) On fait interpréter le fait que l’air est un mélange de deux gaz, dioxygène et diazote. Ceci permet de faire la distinction entre mélanges et corps purs. c) Une expérience de diffusion gazeuse (sujet qui n’est pas exigé par le programme) est nécessaire pour enrichir le modèle sur le plan de l’agitation des particules. d) On fait interpréter certaines des propriétés des solides (très faible compressibilité, présence d’une forme propre, non expansibilité), que l’on oppose à celles des gaz (grande compressibilité, absence de forme propre, expansibilité). e) On fait interpréter, sur la base des mêmes propriétés, l’état liquide (très faible compressibilité, absence de forme propre, non expansibilité). f) On peut ajouter l’interprétation des changements d’état. Remarque : Il semble que la compressibilité soit la situation la plus propice pour introduire le modèle initial.

B. Déroulement 1. La compressibilité d’un gaz a) Description du phénomène. Position du problème Le professeur montre celle d’un corps pur. Signalons celle du dioxyde d’azote mise en évidence par le professeur (si les conditions de

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sécurité le permettent) qui est intéressante à cause de la couleur du gaz. On schématise la position du piston à 2 moments.

Situation 1

Situation 2

Les élèves doivent indiquer par écrit « ce qui a changé » et « ce qui n’a pas changé » pour la seringue et pour le gaz. Après une mise en commun, il ressort que les invariants formulés sont : – l’état de « tassement » plus grand en (2) ;

– la variation de volume ; – le changement de couleur ; – l’invariance de la nature du gaz ; – l’invariance de la quantité de gaz (ce caractère n’est pas forcément exprimé en terme d’invariance de la masse par les élèves). Le problème posé pourra être le suivant : expliquons que le gaz : – dans les 2 situations, est le même et en même quantité ; – dans la situation 2, a un volume plus petit, est « tassé », peut encore se tasser. b) Activité de modélisation On peut proposer le document suivant à remplir :

On peut se représenter un gaz comme un ensemble de particules invisibles à l’œil nu, ayant les propriétés suivantes : P1 – Une particule ne se coupe pas. P2 – Une particule garde les mêmes dimensions. P3 – Une particule garde la même masse. P4 – Une particule ne se déforme pas. Représente tout le gaz dans les situations 1 et 2 pour rendre compte de ce qui a été constaté.

Situation 1

Situation 2

Remarque : le rapport des surfaces des cases traduit le rapport des volumes disponibles pour le gaz dans la seringue. Il s’agit donc pour les élèves de dessiner des représentations respectant les caractères du modèle et les observations faites. Exemples de réponses fournies par les élèves

Après ce temps de production individuel, on soumet à la classe des exemples de réponses convenables et d’erreurs typiques. Il s’agit d’étudier si elles respectent les propriétés de départ et de voir si elles offrent une réponse convenable au problème posé.

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c) Réponse au problème posé On peut ainsi commencer à établir les rapports : Un seul gaz

Un seul type de particules

Le gaz est plus tassé

Les particules sont plus serrées

Le gaz peut encore se serrer

Les particules ne se touchent pas dans la case 2

Il y a la même quantité de gaz

Il y a le même nombre de particules

d) Modèle enrichi L’activité permet de faire prendre conscience aux élèves que d’autres propriétés non explicitées au départ apparaissent maintenant. P5 – Il y a un espace vide entre les particules. P6 – Le nombre de particules caractérise la quantité de matière. Elles seront validées dans les autres activités.

Remarques – La question du vide, de sa nature, provoque des interrogations («mais, qu’est ce qu’il y a dedans ? C’est de l’air ! mais non, puisque c’est un gaz lui aussi ! ») – On peut renforcer la maîtrise du modèle en proposant des exercices, par exemple, des représentations d’autres élèves qui n’ont pas été prises en compte.

2. L’air est un mélange a) Description du phénomène. Position du problème Les élèves rappellent la composition de l’air avec l’aide du professeur. Il s’agira de représenter l’air en le considérant comme un mélange principalement formé de diazote et de dioxygène dans les proportions 80 % et 20 %. b) Activité de modélisation Sur un document, les élèves dessinent leur représentation. Voici quelques exemples de réponses proposées :

❍ oxygène 20 % x : azote 80 %

De la même manière, des exemples choisis parmi les réponses des élèves permettent de discuter de leur validité, ceci en rapport avec les propriétés du modèle et de formuler une réponse. c) Réponse au problème posé On peut établir les relations suivantes entre la description faite et le modèle proposé. Plusieurs gaz

Particules différentes

Gaz mélangés

Particules différentes bien réparties

Proportions des gaz

Proportions des nombres des différents types de particules

d) Modèle enrichi Une nouvelle propriété du modèle apparaît donc à travers cette activité : P7 – Un gaz pur est représenté par un type de particules ; un mélange est représenté par plusieurs types de particules.

3. Diffusion gazeuse Dans ce cas, il s’agit d’utiliser le modèle et aussi d’imaginer une condition pour que la diffusion puisse se faire. a) Description du phénomène. Position du problème – L’enseignant réalise une expérience de diffusion de deux gaz devant les élèves. En veillant

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aux conditions de sécurité, il peut utiliser comme gaz, l’air et le dioxyde d’azote, le phénomène étant immédiatement visible. Il est préférable d’appeler le dioxyde d’azote « gaz roux » à ce stade, et non pas dioxyde d’azote, pour éviter des confusions dans l’esprit des élèves avec l’oxygène de l’air.

– On constate que le gaz « roux » s’est déplacé dans le flacon du haut et que les gaz se sont mélangés. b) Activités de modélisation On demande aux élèves de représenter schématiquement tous les gaz dans chacun des cadres du document élève suivant.

Exemple de document élève 1 – Représente tous les gaz des flacons. Précise ce qui est représenté dans chaque cadre.

2 – Quelle propriété doivent avoir les particules pour rendre compte de ce qui se passe ?

Exemples de réponses des élèves 1 – Représente tous les gaz des flacons. Précise ce qui est représenté dans chaque cadre.

2 – Quelle propriété doivent avoir les particules pour rendre compte de ce qui se passe ? « Les particules se déplacent et se mélangent. » 1 – Représente tous les gaz des flacons. Précise ce qui est représenté dans chaque cadre.

2 – Quelle propriété doivent avoir les particules pour rendre compte de ce qui se passe ? « Le gaz en haut doit être plus lourd et le bas, léger, donc elles se mélangent. »

Des réponses choisies par le professeur sont soumises à la discussion comme dans les cas précédents et permettent d’établir la relation suivante.

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c) Réponse au problème Les gaz peuvent se mélanger

Les particules peuvent se déplacer

Certains élèves perçoivent le déplacement « moyen » des particules, c’est le professeur qui a affirmé le caractère désordonné du mouvement des particules. d) Modèle enrichi Une nouvelle propriété apparaît :

P8 – Les particules sont animées d’un mouvement désordonné les unes par rapport aux autres. P9 – Les particules sont libres les unes par rapport aux autres. Conclusion Au cours de ces activités, des aspects importants du modèle particulaire ont été abordés : distinction entre espace et matière, existence du vide, mobilité des particules.

Évolution des propriétés du modèle en fonction des activités proposées Les flèches symbolisent le déroulement chronologique des séquences et l’enrichissement progressif du modèle initial. PROPRIÉTÉS DU MODÈLE Modèle initial donné au départ P1 – Une particule ne se coupe pas. P2 – Une particule garde les mêmes dimensions. P3 – Une particule garde la même masse. P4 – Une particule ne se déforme pas. P5 – Il y a de l’espace entre les particules. P6 – Le nombre de particules ne change pas ; il caractérise la quantité de matière. P7 de un de

– Un gaz pur est représenté par un type particule ; mélangeest représenté par plusieurs types particules.

PHÉNOMÈNES ÉTUDIÉS

B-1 Les gaz sont compressibles

B-2 L’air est un mélange

B-3 Les gaz sont expansibles

P8 – Les particules sont mobiles. Elles sont animées d’un mouvement désordonné. P9 – Les particules sont libres les unes par rapport aux autres.

4. Aspects de l’état solide On peut prolonger l’étude en s’intéressant au cas de solides et de liquides. En se limitant à décrire les variations de certaines propriétés de l’état gazeux à l’état solide, et en prenant comme modèle de référence le dernier modèle décrit, on peut étudier les conditions de validité d’application du modèle particulaire à l’état solide. a) Description et position du problème À partir d’un document, on peut faire retrouver aux élèves les variations de 3 propriétés de l’état gazeux à l’état solide : la compressibilité, l’expansibilité, la forme propre.

Un solide

Un gaz

est peu compressible

est très compressible

n’est pas expansible

est expansible

a une forme propre

n’a pas de forme propre

Le problème est de donner une représentation satisfaisante de l’état solide, tout en discutant des propriétés P1 à P8 établies pour le modèle particulaire du gaz. Il s’agit pour l’élève de dire quelles propriétés on peut garder pour l’état solide et comment en modifier certaines pour rendre compte des variations des propriétés physiques.

68 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

b) Activité de modélisation Examine ci-dessous les propriétés définies pour les gaz. Indique celles que l’on peut conserver pour les solides et celles qu’il faut modifier. Propose une modification. Représente un schéma de l’état solide. Modèle établi pour les gaz P1 P2 P3 P4

– – – –

Une Une Une Une

particule particule particule particule

Modèle à établir pour les solides

ne se coupe pas. garde les mêmes dimensions. garde la même masse. ne se déforme pas.

P1P2P3P4-

P5 – Il y a de l’espace entre les particules. P6 – Le nombre de particules ne change pas ; il caractérise la quantité de matière.

P5P6-

P7 – Un gaz pur est représenté par un type de particule ; un mélange est représenté par plusieurs types de particules.

P7-

P8 – Les particules sont mobiles. Elles sont animées d’un mouvement désordonné.

P8-

P9 – Les particules sont libres les unes par rapport aux autres.

P9-

Exemples de réponses données par les élèves. P1, 2, 3, 4, 6 : « sont à conserver » ; P5, 7, 8, 9 : « sont à modifier ». P5 : « Il n’y a pas d’espace vide entre les particules pour un solide ». « Il n’y a pas d’espace entre les particules ». P7 : « Il faut remplacer le mot gaz et mettre le mot solide à la place ». P8 : « Elles ne sont pas agitées car les solides n’auraient pas de forme ». « S’il n’y a pas de distance entre elles, elles ne peuvent pas bouger ». « Si elles sont liées entre elles, elles ne peuvent être agitées ».

P9 : « Elles sont liées, car il n’y a pas de distance entre elles ». « Elles sont liées entre elles car elles ne bougent pas ». Une confrontation des réponses amène aux modifications suivantes du modèle, après des apports de l’enseignant sur l’organisation des particules dans les solides cristallins. c) Réponse au problème posé – Modèle enrichi. Ces activités amènent au « modèle final » décrit ci-dessous.

Modèle établi pour les gaz et les solides P1 – Une particule ne se coupe pas. P2 – Une particule garde les mêmes dimensions. P3 – Une particule garde la même masse. P4 – Une particule ne se déforme pas. P5 gaz – Il y a un espace vide très grand entre les particules. P5 solide – Il y a un espace vide très faible entre les particules. P6 – Le nombre de particules ne change pas ; il caractérise la quantité de matière. P7 – Un gaz ou un solide pur est représenté par un type de particule ; un mélange est représenté par plusieurs types de particules. P8 gaz – Les particules sont très mobiles. Elles sont animées d’un mouvement désordonné. P8 solide – Les particules sont peu mobiles. Elles sont ordonnées dans certains solides. P9 gaz – Les particules sont libres les unes par rapport aux autres. P9 solide – Les particules sont liées les unes aux autres.

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D5. Représentation moléculaire des états de l’eau et de solutions acqueuses La vapeur d’eau

Des molécules très mobiles mais aussi très éloignées les unes des autres : – occupant tout l’espace qui leur est offert ; – entrant en collision et rebondissant sur les parois des récipients.

L’eau à l’état liquide

Une surface libre horizontale

Des molécules très mobiles

L’eau à l’état solide

Des molécules empilées régulièrement

Un cristal de glace

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L’eau salée

CRISTAL DE SEL DE CUISINE (Chlorure de sodium) L’eau salée est obtenue par dissolution de sel dans l’eau : – L’eau est le solvant. – Le sel est le soluté.

Échanges entre l’eau et l’atmosphère

– Des molécules d’eau quittent la surface libre et forment une couche de vapeur d’eau. – Avec l’agitation de l’air, les molécules d’eau seront entraînées et remplacées par de nouvelles molécules provenant du liquide : c’est l’évaporation. – Si l’eau est fortement brassée (cascade, vague, etc.), du dioxygène sera dissous dans l’eau.

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C2. Des liquides ordonnés : les cristaux liquides À l’occasion de la présentation des états de l’eau, la question du caractère universel de la distinction entre les trois états : solide, liquide et gaz, ne manquera pas d’être posée. On ne cherchera pas à dissimuler l’existence de corps pour lesquels le classement dans l’un des trois états classiques n’est pas immédiat (substances « pâteuses » telles que la pâte à modeler, aérosols, etc.). La distinction fait souvent intervenir la durée de l’observation ; par exemple, la frontière entre « miel solide » et « miel liquide » n’est pas tranchée ; renversé, un pot de « miel solide » (non cristallisé) finit pas couler, ce n’est pas un authentique solide. La nature des molécules qui la constitue fait qu’une substance a une viscosité plus ou moins importante. D’autres états de la matière, non assimilables à l’un des trois états précédemment cités, ont été mis en évidence. Leurs propriétés intermédiaires entre celles des trois états : solide, liquide et gaz, font qu’ils constituent une catégorie nouvelle d’état de la matière ; c’est le cas, par exemple, des cristaux liquides. Il y a une centaine d’années qu’ont été observées certaines propriétés curieuses d’un corps organique, le benzoate de cholestérol, lorsque l’on effectue la fusion d’un cristal. Le chauffage de ce solide conduit, comme prévu, à une discontinuité vers 145 ° C : on observe la transformation du cristal en un liquide, mais visqueux et d’aspect trouble. Si l’on poursuit l’élévation de température, on observe une seconde discontinuité vers 178 ° C : le liquide précédent devient plus fluide et transparent. Lorsque l’on effectue l’opération inverse, c’est-à-dire, lors du refroidissement du liquide, on observe que les transformations inverses ont lieu aux mêmes températures. Toute se passe donc comme si ce corps subissait deux véritables changements de phase. Il s’agissait du premier exemple de mise en évidence d’un état de la matière intermédiaire entre l’état solide et l’état liquide. Bien que le phénomène soit assez peu fréquent, plusieurs centaines de corps organiques présentant ces caractéristiques particulières sont maintenant connus. Pour la plupart, ce sont souvent plusieurs phases intermédiaires distinctes entre le

solide et le liquide qui sont observées. Ces phases intermédiaires sont appelées des mésophases. Les substances présentant ces propriétés sont appelées « cristaux liquides ». Elles ont en commun que leur molécule a la forme d’un bâtonnet plat et peu flexible, du moins dans la région centrale de la molécule. Dans l’état solide, les molécules se disposent parallèlement les unes aux autres (Cf. figure 1) ; à cet agencement ordonné s’opposent les mouvements des molécules dus à l’agitation thermique. Ainsi, à basse température la tendance à l’ordre l’emporte, conduisant à un arrangement régulier ; lors du passage à un liquide « classique », cet ordre disparaît du fait de l’agitation thermique qui devient prédominante. Dans les cristaux liquides, on observe plusieurs sortes de structures intermédiaires, pour lesquelles un certain ordre persiste. • Dans un premier type de mésophase, appelée smectique, les molécules restent ordonnées en couches, mais peuvent bouger parallèlement les unes aux autres, ce qui efface l’ordre entre molécules de deux couches distinctes (Cf. figure 2) ; de plus, au sein d’une couche, l’ordre initial n’est plus totalement respecté. Ces couches ont été mises en évidence (par des expériences de diffraction des rayons X) et leur épaisseur s’avère être à peu près égale à la longueur d’une molécule. • Dans un second type, le degré d’ordre est plus faible que pour le type smectique : on parle de mésophase nématique. Les couches parallèles y ont disparu et l’ordre se caractérise uniquement par l’alignement des molécules dans une même direction (Cf. figure 3). Alors que certaines substances ne transitent que par la phase smectique lors du passage de l’état cristallin à l’état liquide normal, d’autres ne transitent que par la phase nématique ; certaines autres passent par les deux phases, la phase smectique précédant la nématique lorsque la température augmente. Les températures de transition entre les phases intermédiaires varient en général dans un intervalle de 0 ° C à 150 ° C, selon la nature des molécules impliquées.

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Figure 1 : phase cristalline

Figure 2 : phase smectique

Figure. 3 : phase nématique

(un « bâtonnet » schématise une molécule) Liquide isotrope

C3. L’« observation » de la matière Il est fondamental pour les chercheurs d’affiner sans cesse leur compréhension de la structure de la matière ; à cette fin, se sont développés récemment des techniques et instruments de mesure permettant une observation plus performante de la matière et donc une approche plus fine des structures atomiques et moléculaires. Il convient d’insister sur le fait que toutes ces techniques, aussi précises soient-elles, ne conduisent pas à une « photographie » de la matière donc à la structure réellement existante ; elles sont toutes basées sur un modèle que l’expérimentateur s’est préalablement fixé et sur lequel repose la technologie employée. L’instrument de mesure récupère ainsi une information qui est analysée ensuite selon le modèle. La diffraction des rayons X Les rayons X ont une nature identique à celle de la lumière visible, à la différence que leur longueur d’onde est à peu près 1 000 fois plus faible, soit de l’ordre de quelques dixièmes de nanomètres. Quand on irradie un cristal par un faisceau de rayons X, chacun de ses atomes constitutifs se comporte comme s’il était luimême une source de rayons X, d’intensité plus faible, se propageant dans toutes les directions (il « diffuse » ces rayons). Ces ondes interférant

entre elles, la diffusion est renforcée dans certaines directions (on dit que le cristal produit des rayons diffractés) qui dépendent du réseau d’atomes dans le cristal ; de plus, l’intensité des rayons diffractés dépend de la structure des atomes dans un motif élémentaire du cristal, c’est-à-dire leur position spatiale. La méthode de diffraction des rayons X ne donne donc pas une image de la structure mais permet de la reconstituer. Il est nécessaire d’effectuer de longs calculs à l’ordinateur pour convertir les directions et intensités des rayons diffractés en des positions dans le cristal des atomes. L’établissement d’une structure nécessite aujourd’hui des temps de calcul pouvant aller de quelques heures (structures simples) à plusieurs mois (6 mois environ pour une protéine contenant 5 000 atomes) ; les structures les plus simples nécessitaient plusieurs jours il y a quelques dizaines d’années. Cette technique n’est applicable que grâce à l’ordre et la régularité de la structure d’un cristal ; elle ne peut donc être utilisée pour un gaz ou un liquide. Les microscopies à champ proche Les années quatre-vingt ont vu le développement de techniques très fines permettant d’obtenir une « image » de la composition atomique de la surface d’un solide. Ces microsco-

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pies nécessitent, entre autres, d’approcher l’instrument de mesure à des distances très courtes du solide à étudier (quelques dixièmes de nanomètres), ce qui leur a donné le nom générique de microscope à « champ proche ». • Le microscope à effet tunnel (introduit en 1982 par G. Binning et H. Rohrer, récompensés par le prix Nobel) permet d’observer la surface de solides avec un agrandissement proche de la centaine de millions, c’est-à-dire à une échelle proche de la taille des atomes. Son principe de fonctionnement est le suivant : lorsque l’on approche deux solides conducteurs à une distance très courte, sans qu’ils se touchent, des électrons sont en mesure, sous l’action d’une différence de potentiel, de se déplacer d’un solide à l’autre (phénomène d’origine quantique et appelé effet tunnel) produisant ainsi un courant (le courant tunnel). Celui-ci varie fortement avec la distance séparant les deux solides. Dans un microscope à effet tunnel, les deux solides impliqués sont, d’une part, le solide à analyser et, d’autre part, une fine pointe métallique, déplacée parallèlement à la surface de l’échantillon. En maintenant constant le courant tunnel lors du déplacement de la pointe, celle-ci doit rester à une distance constante de la surface, reproduisant ainsi son relief qui est reproduit sous forme d’une image (figure 1). Tout se passe donc comme si on « voyait » les atomes. On peut distinguer des variations de la hauteur du relief de l’ordre du picomètre. La réalisation d’une telle

Figure 1 : Image tridimensionnelle de microscopie à effet tunnel sur la surface d’un solide (composé d’intercalation graphique – Cr Cl3). La hauteur du relif correspond à une amplitude de 0,1nm. (L’actualité chimique, mars-avril 1992)

image nécessite de maîtriser des difficultés techniques comme l’approche, sans contact, de la pointe et de la surface étudiée à très faible distance, et l’obtention de pointes assez fines pour obtenir la résolution atomique. La limite de cette microscopie réside en ce qu’elle ne peut s’appliquer qu’à l’analyse de solides conducteurs ou semi-conducteurs. Pour les solides isolants, on a recours au microscope à force atomique. • Le microscope à force atomique utilise la proximité entre la pointe et le solide pour détecter les forces s’exerçant entre les atomes de la pointe et ceux du solide et leurs variations lorsque l’on balaie la surface de ce solide par la pointe-sonde. Là encore, on obtient une image du profil de la surface à l’échelle nanométrique (Cf. figures 2 et 3). Le principe est le suivant : la pointe (souvent en diamant, tungstène ou Si 02) est placée à l’extrémité d’un levier très flexible et de faible masse et exerce sur les atomes de la surface du solide étudié une force constante. La surface est déplacée sous la pointe et, la force d’interaction pointe/surface variant de place en place, on constate un déplacement du levier qui est enregistré optiquement. Les microscopies à champ proche (il y en a d’autres que les deux décrites ci-dessus) ont ainsi conduit à une nouvelle approche des propriétés électroniques et structurales des surfaces de nombreux solides ; elles sont également appliquées à l’étude des systèmes biologiques.

Figure 2 : image obtenue par microscopie à force atomique (MFA), de la surface du tétracène () solide. (L’actualité chimique, mars-avril 1992)

Figure 3 : image, obtenue par MFA, de l’arrangement atomique à la surface d’un cristal de bromure d’argent Ag Br. (L’actualité chimique, mars-avril 1992)

74 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

A2 – L’air qui nous entoure ; le dioxygène (classe de 4e) C4. L’eau et le dioxygène en dehors de la Terre Le système solaire et les planètes qui nous entourent Ce texte propose un complément documentaire pouvant être utile dans les rubriques de la partie A – « À la découverte de notre environnement, la matière » intitulées : A1 – Où trouve-t-on de l’eau ? Recherche documentaire le « cycle de l’eau sur la planète et l’eau en dehors de la Terre » (classe de 5e). A2 – De quoi est composé l’air que nous respirons ? Le dioxygène et le diazote en dehors de la Terre, origine biologique du dioxygène (classe de 4e). Les quatre planètes les plus proches du Soleil : Mercure, Vénus, la Terre et Mars ont une surface solide, en tout ou partie, constituée essentiellement de silicates. Au cours de la formation des planètes, les éléments lourds (tels que le fer et le nickel) ont formé leur centre (noyau). Cependant, la surface de Mars est principalement rouge, cette couleur étant essentiellement due à des oxydes de fer entrant dans la composition des roches. Trois d’entre elles possèdent une atmosphère, seule la planète Mercure, trop proche du Soleil et trop peu massive, n’en possède pas. Eau, dioxyde de carbonne et dioxygène dans le système solaire Les atmosphère comparées actuelles des planètes Vénus, Terre et Mars Le dioxyde de carbone, l’eau et le diazote, constituants de notre atmosphère, existent également sur d’autres planètes mais en des proportions différentes et sous des états physiques qui dépendent des conditions de température et de pression qui y règnent. Le dioxygène, lui, n’existe en quantité abondante que sur la Terre ; il est le résultat et une forme de « signature » de la vie. Les atmosphères actuelles des deux planètes les plus proches de la Terre, Vénus et Mars, présentent des différences importantes par rapport à celle de la Terre.

Sur Vénus, l’atmosphère contient essentiellement du dioxyde de carbone, la température au sol est voisine de 450 °C et la pression est environ 90 fois plus forte que sur Terre. Sur Mars, l’atmosphère contient également essentiellement du dioxyde de carbone et un peu de vapeur d’eau mais la température moyenne est de l’ordre de – 50 °C alors qu’elle est en moyenne de l’ordre de 14 °C sur notre planète. De plus, l’atmosphère est raréfiée (pression environ 150 fois plus faible que sur Terre). Des phénomènes atmosphériques existent sur Mars qui produisent des vents et des tempêtes de sable tandis que les calottes glaciaires formées de glace carbonique et de glace d’eau disparaissent et se reforment au rythme des saisons martiennes. Composition actuelle des atmosphères (pourcentages en volume) Gaz

Vénus

Terre

Mars

dioxyde de carbone (CO2)

96

0,03

95

diazote (N2)

3,5

78

2,7

0,003

21

0,15

dioxygène (O2)

Quelques hypothèses sur les différences d’évolution des atmosphères et sur la présence ou non d’eau liquide Pour expliquer les différences, on évoque principalement la plus ou moins grande distance au Soleil et la différence de masse. Lors de leur formation, les trois planètes étaient entourées principalement d’hydrogène et d’hélium. La masse des planètes était insuffisante et leur température trop élevée pour retenir ces composés légers qui se sont échappés, contrairement à ce qui s’est produit sur les planètes géantes telles que Jupiter, par exemple. Cellesci ont, au contraire, retenu leur atmosphère primaire en raison, d’une part, de leur masse importante et, d’autre part, de leur basse température due à leur éloignement au Soleil.

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 75

Divers scénarios permettent d’expliquer les atmosphères actuelles. Les planètes en évoluant ont été le siège de phénomènes volcaniques et de bombardements météoritiques produisant un dégazage. Une atmosphère s’est ainsi formée avec du dioxyde de carbone, du diazote, de la vapeur d’eau et divers autres composés mais en moindre quantité. L’important bombardement météoritique et cométaire aurait également contribué à l’enrichissement en eau. Un modèle d’évolution de la planète Vénus, la plus proche du Soleil, permet de penser que de l’eau liquide aurait pu exister mais sous forme d’océans chauds avec une vapeur d’eau suffisamment abondante au-dessus pour favoriser un effet de serre 1. La température de surface augmentant, l’eau s’est entièrement vaporisée. L’eau n’existe plus dans l’atmosphère de Vénus que sous forme de gouttelettes formant avec l’acide sulfurique des nuages épais qui contribuent à cacher la surface de la planète. C’est actuellement le dioxyde de carbone qui produit l’effet de serre et la forte température à la surface de Vénus. Sur notre planète, les conditions initiales de température étaient telles que l’eau s’est condensée sous forme d’océans. Des pluies abondantes ont dissous le dioxyde de carbone qui au fond des océans, capté par les organismes vivants, a été transformé en calcaires. L’effet de serre a donc été limité, la température de surface restant presque constante. Dans les océans, la vie est apparue. Des algues bleues ont utilisé le dioxyde de carbone pour croître et ont rejeté le dioxygène. La fonction chlorophyllienne a transformé notre atmosphère en fabriquant le dioxygène qui actuellement permet les vies évoluées. Dans la haute atmosphère, la couche d’ozone protectrice (O3) s’est formée, empêchant la pénétration des rayons ultraviolets qui sont nocifs pour les organismes vivants. Les carbonates sont en partie éliminés et le dioxyde de carbone est rejeté dans l’atmosphère par les volcans. Si la vie n’existait pas sur Terre, son atmosphère aurait une composition vraisemblablement voisine de celle des deux autres planètes avec une plus grande proportion de dioxyde de carbone. La planète Mars est plus éloignée du Soleil. Actuellement, l’eau liquide ne peut exister en raison des valeurs basses de la température et 1. Voir fiche C6.

de la pression. On trouve l’eau seulement sous forme de glace ou de vapeur mais des traces d’écoulement sont visibles ainsi que des formations qui évoquent des lits de rivières. On suppose que la fusion des glaces se serait produite il y a trois milliards d’années provoquant de fortes inondations. Cette variation du climat pourrait être due à des phénomènes volcaniques ou à des variations orbitales comme celles qui sur Terre provoquent l’alternance des périodes glaciaires et chaudes. Le dioxyde de carbone a, comme sur Terre, formé des carbonates mais l’activité volcanique a cessé semble-t-il depuis plus d’un milliard d’années. Si l’eau a pu exister sous forme liquide, une vie primitive a pu exister également. L’analyse des constituants d’une météorite d’origine martienne a, par ses inclusions, laissé imaginer qu’il était question de restes de vie… rien n’est encore prouvé mais la recherche continue. À la recherche de la vie La découverte récente dans les profondeurs océaniques terrestres où l’obscurité règne, près de sources chaudes liées au volcanisme, de formes de vie dans un environnement qui a priori semble hostile, nous fait réfléchir sur notre recherche d’autres lieux où la vie pourrait exister en dehors de la Terre. Dans le système solaire externe, les composés sont préférentiellement des carbures d’hydrogène (pour des raisons de température) ; l’azote existe encore à l’état de diazote. Tous les satellites des planètes géantes sont formés d’un mélange de glaces contenant de l’eau et des silicates en proportions variées. Seulement deux de ces satellites possèdent une atmosphère importante : Titan, satellite de Saturne, et Triton, satellite de Neptune. La sonde Cassini-Huygens qui doit être lancée en octobre 1997 doit explorer Titan. Ce satellite nous intéresse car les conditions physiques et chimiques de son atmosphère pourraient correspondre à celles qui ont prévalu sur la Terre au moment de l’apparition de la vie. Les composés primitifs qui pourraient être à l’origine de la vie sur Terre auraient pu venir de l’espace, des composés organiques nombreux ayant été trouvés dans les comètes ou à l’intérieur des météorites et même dans le milieu interstellaire. Les missions spatiales nous ont fait découvrir depuis 20 ans des mondes à la fois très variés et fortement analogues. La planète Mars est la

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seule planète que l’homme pourra explorer dans un avenir proche (en dehors de la Lune). Mars nous intrigue par l’éventualité de la découverte de vie fossile. Des sondes automatiques doivent explorer la planète Mars, la planète Saturne (mission Cassini) et les petits objets tels que les astéroïdes (dont certains sont faits de fer) et les comètes, en analysant sur place leur composition ou en rapportant des échantillons sur Terre (missions Stardust et Rosetta, par exemple). La sonde Galileo explore le système de Jupiter, les premiers résultats sont en cours d’étude.

BIBLIOGRAPHIE Kenneth Lang et Charles Whitney, Vagabonds de l’espace, Springer-Verlag. Bottinelli, Brahic, Gouguenheim, Ripert, Sert, La Terre et l’Univers, collection Synapses, Hachette. Th. Encrenaz, Le système solaire, Dominos, Flammarion. Ph. de la Cotardière, Astronomie, Larousse. Astronomie, Encyclopédie Universalis. Pour les élèves : Marcellin, Astronomie, CIL.

E7. Combustion du carbone dans le dioxygène MATÉRIEL

MANIPULATION Élèves OBJECTIFS GÉNÉRAUX Respecter le protocole. Manipuler proprement. Faire un compte-rendu rédigé. OBJECTIFS SPÉCIFIQUES Réaliser une combustion. Identifier le produit de la réaction.

– un flacon avec du sable ou de l’eau au fond muni d’un bouchon sur lequel on pourra fixer l’extrêmité d’un fil de fer – du charbon de bois ou du fusain – du dioxygène (bouteille ; voir aussi fiche préparation) – de l’eau de chaux

DÉROULEMENT DE LA MANIPULATION Lunettes obligatoires

– La combustion du morceau de charbon de bois ou d’un fusain est amorcée avec la flamme d’une allumette ou d’un briquet. – Lorsque le charbon de bois présente une zone d’incandescence, l’introduire dans le flacon de dioxygène : la combustion devient très vive.

– Lorsque la combustion est terminée, mettre en évidence le dioxyde de carbone formé. On pourra, par exemple, prélever un peu du contenu gazeux du flacon à l’aide d’une seringue à l’extrémité de laquelle on aura fixé un tuyau souple. Le gaz recueilli sera envoyé au contact

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 77

eau de chaux

de l’eau de chaux que l’on aura versé dans un tube à essais. On observera la formation lente d’un précipité (carbonate de calcium). – On pourra aussi effectuer le test du dioxygène (bûchette à incandescence) et du dioxyde

de carbone (eau de chaux) dans un flacon témoin contenant les réactifs. Dans le flacon final, on effectuera aussi le test du dioxygène. – De même, le professeur, soufflant avec une pipette dans l’eau de chaux, fera constater qu’il se forme un précipité identique ; on en conclut que la fonction respiratoire est également source de dioxyde de carbone. POINTS ESSENTIELS – La combustion du charbon de bois dans le dioxygène est plus vive que dans l’air. – Dans l’air, comme dans le dioxygène, la combustion s’accompagne d’un dégagement de dioxyde de carbone mis en évidence avec de l’eau de chaux.

E8. Combustion du fer dans le dioxygène MATÉRIEL – un flacon avec du sable au fond muni d’un bouchon sur lequel on pourra fixer l’extrémité d’un fil de fer – du fil de fer fin – du dioxygène (bouteille ; voir aussi fiche préparation) – une pile plate 4,5 V ou des allumettes – de la laine d’acier – une balance Roberval (ou mieux une balance à affichage numérique à 0,1g)

MANIPULATION 1 Élèves OBJECTIFS GÉNÉRAUX Respecter le protocole Manipuler proprement Faire un compte-rendu rédigé OBJECTIFS SPÉCIFIQUES Réaliser la combustion du fer DÉROULEMENT DE LA MANIPULATION Dioxygène

Lunettes obligatoires

Bouchon

Fil de fer Laine d’acier Pile 4,5 V ou allumette sable

(pas d’eau)

1. Voir fiche E3.

78 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

La combustion de la laine d’acier est amorcée avec la flamme d’une allumette ou en formant avec le tampon un court-circuit entre les bornes de la pile. Dès les premières étincelles dans la laine d’acier, introduire le tampon suspendu au bouchon dans le flacon de dioxygène : la combustion continue et devient très vive. POINTS ESSENTIELS – La combustion du fer dans le dioxygène est plus vive que dans l’air.

– Dans l’air, comme dans le dioxygène, la combustion s’accompagne de la formation d’oxydes de fer dont la masse est supérieure à la masse du fer initial (environ + 0,5 g pour 3 g de paille de fer). Il ne faut pas chercher à accorder une valeur quantitative précise à cette manipulation compte tenu du fait qu’il peut y avoir perte, sous forme de globules, d’une partie de l’oxyde formé.

laine d’acier bien aérée

papier d’aluminium

Pesée avant combustion

Pesée après combustion

D7. Lecture raisonnée d’une équation-bilan en chimie Exemple du bilan de la combustion du méthane dans le dioxygène réagissent et donnent

Les réactifs

CH4

+

1 molécule de méthane

pour

2 O2

réagit avec

1 molécule de méthane disparue

ou

les produits de la réaction.

CO2

+

2H2 O

2 molécules de dioxygène

2 molécules de dioxygène disparues

il se forme

1 molécule de dioxyde de carbone

et

2 molécules d’eau

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 79

EXERCICES DE COMPRÉHENSION 1) Combustion complète de 3 molécules de méthane Nombre de molécules

avant la réaction

qui réagissent

après la réaction

méthane

3

3

0

dioxygène

6

6

0

dioxyde de carbone

3

vapeur d’eau

6

2) Combustion d’un mélange de 4 molécules de méthane et de 4 molécules de dioxygène Nombre de molécules

avant la réaction

qui réagissent

après la réaction

méthane

4

2

2

dioxygène

4

4

0

dioxyde de carbone

2

vapeur d’eau

4

E9. Réaction du calcaire avec l’acide chlorhydrique MANIPULATION Élèves OBJECTIFS GÉNÉRAUX Respecter le protocole Manipuler proprement Faire un compte-rendu rédigé OBJECTIFS SPÉCIFIQUES Illustrer la conservation de la masse lors d’une réaction chimique Identifier le dioxyde de carbone MATÉRIEL Par groupe : – 1 morceau de craie carrée (environ 5 g)

acide chlorhydrique

– 100 cm3 d’acide chlorhydrique à 2 mol. L-1 (ne pas dépasser cette concentration) – (éventuellement eau de chaux) – 1 bouteille plastique avec bouchon à vis 1L (ou mieux, bocal étanche pour stérilisation) – 1 ballon de baudruche – 1 balance à affichage numérique – (éventuellement) bouchon avec tube à dégagement + tube à essais pour recueillir un peu de dioxyde de carbone Remarque : Incliner la bouteille dans laquelle on a déjà introduit l’acide chlorhydrique pour déposer en haut du goulot le morceau de craie. Boucher très fermement. Noter l’heure et la masse indiquée sur la balance (refaire les mesures au bout de 5 puis de 10 minutes).

craie

craie

LUNETTES-GANTS-BLOUSES OBLIGATOIRES Pesée initiale

Pesée finale

80 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

Durée Au moins 1/2 h. Toute la craie disparaît au bout de 12 minutes environ.

Mise en évidence du dioxyde de carbone formé au cours de la réaction.

Points essentiels Remarques : Avec un bouchon à vis, une légère fuite se produit (~ 0,1 g/5 min), avec le ballon de baudruche (~0,4 g/5 min !). Si au bout de 5 minutes on ouvre le bouchon, on entend des gaz s’échapper et on peut constater une perte de masse d’environ 1 g. En cas d’utilisation d’un bocal, attention lors de l’ouverture (yeux, peau).

eau de chaux

E10. Préparation du dioxygène Par action du permanganate de potassium acidifié sur l’eau oxygénée MANIPULATION

Remarque : Par définition 1 litre d’eau oxygéné (fraîche) à 20 volumes est susceptible de libérer 20 litres de dioxygène lors de la réaction de dismutation.

Professeur OBJECTIFS Préparer du dioxygène en l’absence de bouteille de dioxygène au laboratoire MATÉRIEL – eau oxygénée 20 volumes (environ 20 cm3) – solution de permanganate de potassium 0,1 mol. L-1 (environ 50 cm3) – acide sulfurique concentré (environ 1 mL)

DURÉE La réaction est très vive : verser l’eau oxygénée goutte à goutte. POINTS ESSENTIELS Le port des gants, des lunettes de protection et de la blouse est vivement conseillé. Ne pas oublier de purger l’appareil avant de récupérer le dioxygène.

Eau oxygénée

Dioxygène

tube préalablement rempli d’eau

Solution de permanganate de potassium + acide sulfurique

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 81

D8. Représentation moléculaire de l’air, « pur » ou pollué

L’AIR « PUR » : un mélange gazeux

molécule de diazote

molécule de dioxygène

L’air est essentiellement constitué de molécules : – de diazote N2 (presque 80 %) – de dioxygène 02 (environ 20 %) – de vapeur d’eau, de dioxyde de carbone (0,3 %) – d’argon, de krypton, de néon, etc. (gaz rares)

AIR POLLUÉ par du dioxyde de soufre

molécule de dioxyde de soufre

Il y a pollution de l’air lorsque : – les proportions de certains gaz contenus dans « l’air pur » (même en très faible quantité) varient ; c’est le cas du dioxyde de carbone dont un excès provoque un accroissement de l’effet de serre (cf. fiche C6). – des molécules de substances polluantes (dioxyde de soufre, oxydes d’azote, etc.), même sous formes de traces, sont présentes.

82 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

C5. Représentation des molécules Des molécules simples aux molécules complexes En tant que première illustration des réactions chimiques, le programme se réfère à des molécules dont la structure est particulièrement simple. Ceci n’empêche pas de montrer quelques documents représentant des molécules plus complexes (cyclohexane, glucose, saccharose, cholestérol, ATP, molécules « cryptands », etc.). Sans qu’il soit demandé ici aucune mémorisation, on pourra ainsi souligner la variété et la complexité des structures moléculaires présentes dans la nature ou synthétisées par l’homme.

Figure 1 : modèles moléculaires de l’éthane

(1a) : modèle compact, représentation agrandie

Représentation topologique des molécules L’enchaînement des atomes au sein d’une molécule est généralement représenté à l’aide d’une formule dite « semi-développée » ou « développée » (si on y fait figurer toutes les liaisons). Lorsque l’édifice moléculaire devient plus complexe (comportant un nombre important d’atomes), il est pratique de recourir à un mode de représentation simplifié : la représentation topologique. Dans cette représentation, qui n’a pas à être enseignée au collège, les liaisons carbone-carbone sont représentées par des segments, dont les extrémités représentent les atomes de carbone. Les atomes d’hydrogène ne sont pas mentionnés (chaque carbone en porte un nombre tel que sa tétravalence est respectée) sauf s’ils sont liés à des hétéroatomes (atomes autres que C), eux aussi représentés. Par exemple, le propane CH3 - CH2 - CH3 sera représenté en notation topologique par : ; OH. l’éthanol (CH3 - CH2 - OH) par : Ce mode de représentation est très fréquent pour des molécules cycliques. Ainsi, le cyclohexane de formule C6 H12 est représenté en perspective : ou bien « à plat » : La représentation topologique permet donc d’alléger la représentation en formule plane des molécules.

(1b) : modèle éclaté

Dans les deux modèles, les atomes sont assimilés à des sphères. Dans le modèle compact, les dimensions relatives des atomes et des liaisons sont globalement respectées. Il permet de définir le « rayon » des atomes (dit rayon de Van der Waals), égal à la moitié de la plus courte distance à laquelle peuvent s’approcher les noyaux des deux atomes identiques, appartenant à des molécules différentes. Dans le modèle éclaté, plus lisible puisque l’on y écarte les atomes les uns par rapport aux autres, les distances sont par contre très surévaluées par rapport aux dimensions des atomes. Ce modèle est donc beaucoup plus éloigné de la structure réelle que le modèle compact. La figure 2 donne la représentation du cyclohexane en modèle éclaté. Figure 2 : représentation du cyclohexane en modèle éclaté

Pour leur représentation spatiale Il existe plusieurs types de modèles moléculaires, dont deux en particulier : le modèle « compact » et le modèle « éclaté ». Par exemple, la figure 1 donne la représentation de la molécule d’éthane (CH3 - CH3) en modèle compact (1a) et éclaté (1b).

Ces représentations spatiales peuvent être montrées aux élèves par l’intermédiaire de logiciels de représentation moléculaire ou en projetant

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un transparent ; il est préférable que les élèves en gardent une trace sur un imprimé qu’on leur remettra en plus de la visualisation à l’écran. Les molécules évoquées précédemment ont une structure relativement simple. La plupart des molécules, d’origine naturelle ou synthétique, ont des structures en général plus complexes. En voici quelques exemples, que les élèves n’auront pas à mémoriser : Le glucose (C6 H12 06) (figure 3) Il s’agit d’une molécule appartenant à la catégorie des sucres, très présents dans les milieux vivants. Le glucose est le plus commun et le plus répandu dans le monde naturel. Synthétisé par les plantes à partir d’eau et de dioxyde de carbone, il est inversement dégradé en ces mêmes molécules par les animaux, ce qui produit de l’énergie.

tion de réactions biochimiques : contraction des cellules musculaires, métabolisme de la nourriture, synthèse des protéines, etc. Figure 4 : la molécule de la saccharose

Figure 5 : la molécule de cholestérol

Figure 3 : la molécule de glucose

Figure 6 : la molécule d’ATP Le saccharose (C12 H22 011) (figure 4) Cette molécule est constituée de deux unités : une unité glucose et une unité fructose, liées l’une à l’autre ; elle est la molécule constitutive du sucre de table. Présente dans de nombreux végétaux, on la trouve surtout dans la canne à sucre et la betterave sucrière. Le cholestérol (C27 H46 0) (figure 5) Cette molécule, synthétisée par l’organisme à partir de graisses, joue un rôle essentiel dans le métabolisme du corps. Son accumulation dans les artères peut cependant provoquer une gêne à l’écoulement du sang et engendrer des troubles cardiaques. L’adénosine triphosphate, ou ATP (C10 H14 013 N5 P3) (figure 6) Cette molécule est constituée de trois unités : une molécule de sucre (le ribose), une base (l’adénine) et l’enchaînement de trois groupes phosphate. C’est une des molécules les plus importantes du monde vivant car elle constitue une source d’énergie disponible pour la réalisa-

Un exemple de molécule « cage » : les cryptandts (Figure 7) Cette classe de molécules possède une structure tridimensionnelle dans laquelle on peut distinguer une sorte de cavité dont la taille et la géométrie dépendent de la structure moléculaire. Une autre molécule, en particulier un cation, peut venir se lier à quelques atomes du cryptand, et ce tout en étant à l’intérieur de la cavité. Il devient alors inaccessible au milieu extérieur comme s’il était dans une cage (d’où le nom de cryptate). De nombreuses applications en synthèse résultent de ces propriétés. On représente en figure 7 la structure du cryptant emprisonnant un cation K (figure 7a) puis, en modèle compact, le cryptand seul (7b) et avec le cation (7c) au centre.

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Figure 7 : une molécule de cryptand (C18 H36 O6 N2) 7c

7a

7b

E11. Synthèse d’un arôme de banane Lacétate d’isoamyle (éthanoate de 3-methyl butyle)

MANIPULATION Élèves OBJECTIFS GÉNÉRAUX Respecter le protocole Manipuler proprement Faire un compte-rendu rédigé Distinguer réactifs et produits OBJECTIFS SPÉCIFIQUES Réaliser la synthèse d’un arôme Apprentissage de nouvelles techniques : relargage, utilisation d’une ampoule à décanter MATÉRIEL – un bain-marie (chauffage électrique de préférence)

– un thermomètre – un tube à essais ou un petit erlenmeyer avec bouchon surmonté d’un tube réfrigérant (20 à 40 cm de hauteur) – une petite ampoule à décanter et son support – deux bechers PRODUITS (par groupe) – 5 mL d’acide acétique (90 %) – 5 mL d’alcool isoamylique (ou 3 méthylbutan-1-ol) – quelques gouttes d’acide sulfurique (4 à 5) (90 %) – solution d’hydrogénocarbonate de sodium (bicarbonate) – eau froide avec chlorure de sodium Pour distribuer les réactifs, le professeur pourra utiliser des burettes de 50 cm3 préalablement remplies, l’une d’acide acétique, l’autre d’alcool ; il rajoutera ensuite l’acide sulfurique au mélange. Attention : utilisation obligatoire de lunettes, gants et blouse : les trois réactifs sont nocifs, voire inflammables (les deux premiers).

MANIPULATION Réfrigérant à air

phase organique ester (d = 0,87) phase aqueuse à éliminer BAIN-MARIE 75-90 °C 10 min

Eau salée saturée ESTÉRIFICATION

DÉCANTATION

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POINTS ESSENTIELS – Rôle du réfrigérant. – Constater la différence d’odeur entre les réactifs et l’ester produit. Attention : Ne jamais placer le nez directement au dessus mais déplacer légèrement le dégagement en agitant avec la main.

– Mélange homogène au départ, hétérogène à l’arrivée. Possibilité de séparation par décantation. L’utilisation correcte de l’ampoule à décanter nécessite du temps. – Éventuellement : relargage « Neutralisation » par l’ion hydrogénocarbonate dans le but d’isoler le produit cherché des réactifs non utilisés.

B : La lumière (classe de 4e) E12. Conditions de visibilité d’un objet 1 OBJECTIFS Introduire les deux types de sources de lumière (primaire et secondaire). Faire comprendre le fait que « pour voir une source de lumière, il faut déjà en recevoir de la lumière » : cette notion qui paraît évidente est souvent mal assimilée par les élèves pour qui regarder veut souvent dire lancer des flèches avec ses yeux. MATÉRIEL POUR CHAQUE GROUPE – boîte en carton parallélépipédique, d’environ 30 cm de haut, peinte en noir à l’intérieur ou couverte de papier noir mat ou mieux « velours » – un trou de 2 à 3 mm de diamètre environ est percé dans le carton (en essayant que le bord soit net) aux deux tiers de la hauteur et au centre de la face – lampe et son support, pile plate, fils ACTIVITÉS

Trou

Cache

1 – Les élèves branchent le circuit et allument la lampe ; elle est placée dans la boîte, dans le coin à côté de la face percée (schéma ci-dessous). Ils placent un cache devant l’orifice et ferment la boîte.

Nota : les proportions ne sont pas respectées sur le croquis

Question posée : « Le cache étant enlevé, et votre œil étant environ à 20 cm et à peu près en face du trou que verrez-vous dans la boîte ? Expliquez votre réponse ». Plusieurs élèves proposent : « On verra de la lumière ». Réalisation de l’expérience : le trou semble noir (en réalité, il est vrai que le carton noir peut diffuser un tout petit peu, et que par suite un peu de lumière peut sortir par le trou, mais celui-ci paraît noir par contraste avec la boîte autour dont la paroi extérieure est éclairée. Le professeur : « Expliquez pourquoi on ne voit pas l’intérieur de la boîte ». (Réponse attendue : « un objet noir ne renvoie pas de lumière »). 2 – Question professeur : Est-il possible de vérifier que la lumière brille encore sans ouvrir la boîte ? Démarche attendue : Placer l’œil contre le trou ou sur l’axe lampe-trou et essayer de justifier cette démarche par un schéma. 3 – Question professeur : imaginez un ajout ou une modification du montage intérieur à la boîte permettant de recevoir la lumière, l’œil restant à 20 cm du trou. Réponse possible : « on déplace la lampe ; on met un objet blanc (diffusant) à l’intérieur de la boîte. » 4 – Faire le bilan. L’œil doit recevoir de la lumière pour voir quelque chose. 5 – Une boule blanche est placée dans la boîte. « Pourquoi peut-on la voir ? ». Les élèves disent en général qu’elle renvoie la lumière. Les mots : diffusion, source diffusante, source secondaire peuvent être introduits. 1. Ce travail s’inspire à la fois de la thèse de Wanda Kaminsky et de l’article de Mireille Barral et Nicole Jourdain publié dans le numéro de mars de l’APISP et d’avril 1997 de l’UDP.

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Une boule noire remplace la boule blanche ; dans ce cas, les élèves disent parfois : « la peinture noire attire la lumière et l’absorbe ». Si on met à la fois la boule blanche et la boule noire, la blanche est toujours visible ; donc elle seule constitue une source de lumière et ce n’est que la lumière qui arrive sur la boule noire qui est absorbée. Faire le schéma du trajet que suit la lumière pour arriver jusqu’à l’œil. La lumière va de la lampe jusqu’à la boule blanche puis de la boule blanche jusqu’à l’œil.

L’expression : « la lumière se propage » est donnée mais elle n’a pas toujours de sens pour les élèves. BILAN Existence de deux types de sources lumineuses : objets lumineux qui « fabriquent » euxmêmes la lumière qu’ils envoient (lampe), objets diffusants qui renvoient la lumière qu’ils reçoivent. Pour voir, l’œil doit recevoir de la lumière qui vient de la source.

E13. Synthèse additive ou synthèse soustractive ? Dialogue entre un élève et son père, artiste peintre : « – Sais-tu ce que m’a dit mon professeur ? Il paraît qu’en mélangeant trois lumières colorées on obtient du blanc. – Lesquelles ? – Verte, rouge et bleue. – Mais non ! Je sais bien qu’en effectuant ce mélange de peintures, j’obtiens du noir. » Qui a raison ? (Prérequis : objet coloré, rôle des filtres) EXPÉRIENCE 1 1) Manipulation Les expériences nécessitent de travailler dans une salle obscure (à défaut, dans une boîte en carton). Vous disposez : – d’une lanterne (12 V) qui, grâce aux miroirs latéraux, permet d’obtenir trois faisceaux colorés rouge, vert et bleu ou de trois lampes de poche ; – d’un écran, blanc d’un côté, noir de l’autre. Superposer deux à deux les faisceaux colorés et observer. Recommencer avec trois faisceaux. 2) Questions et réponses attendues de l’élève (convenablement guidé) Pourquoi un écran blanc éclairé avec un faisceau vert paraît-il vert ? Pourquoi un écran blanc éclairé avec un faisceau rouge paraît-il rouge ? « Un écran blanc n’absorbe rien et diffuse tout ce qu’il reçoit. »

Pourquoi un écran noir éclairé avec un faisceau vert paraît-il noir ? « Un écran noir absorbe tout ce qu’il reçoit, ne diffuse rien. » Vous avez obtenu de nouvelles couleurs à partir du rouge, du vert et du bleu. Pourquoi appelle-t-on cette technique « synthèse additive » ? « On produit de nouvelles lumières en additionnant des lumières. » EXPÉRIENCE 2 1) Manipulations Vous disposez de filtres cyan, magenta et jaune. De quelle couleur voyez-vous la lumière diffusée par une feuille de papier blanc si vous regardez à travers un filtre, puis deux et enfin trois ? Observer. Interprèter. 2) Questions Un faisceau de lumière blanche traverse des filtres. Donner la couleur qui passe : a) si on utilise un filtre magenta seul ; b) en superposant un filtre jaune et un filtre magenta ; c) en superposant un filtre vert et un filtre rouge ; d) un filtre vert et un filtre jaune. Même question si la lumière est cyan et les filtres : a) jaune seul ; b) vert et bleu ; c) rouge seul.

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E14. Propagation rectiligne de la lumière OBJECTIF Reprendre la notion de propagation et la notion de lumière qui arrive dans l’œil. Le trajet de la lumière est représenté par un rayon qui va de la source jusqu’à l’œil ou l’obstacle. La lumière ne peut se voir que si elle arrive dans l’œil.

b) Dessin avec Soleil, petit objet, œil. L’œil voit l’objet. Représenter le trajet de la lumière et son sens. Des erreurs plus fréquentes sur le sens apparaissent : par exemple, le Soleil éclaire l’œil qui renvoie la lumière vers l’objet. Discussion avec le groupe, la solution est donnée mais pas nécessairement assimilée.

Remarque : « Matérialiser un rayon », c’est nécessairement renvoyer une partie de la lumière vers l’œil donc l’empêcher de continuer son chemin en ligne droite : il ne faut utiliser les systèmes tels que « peignes », que dans une étape ultérieure car tous ces systèmes, en réalité, utilisent des projections de bords de fente sur un plan et le « rayon » ne se propage pas dans ce plan.

3. Expérience Sur une feuille A4, on note les trois positions (1), (2) et (3) successives de la source, la position de la fente et de l’écran. 1re étape : l’écran recevra-t-il de la lumière si la lampe est placée en (1) ? Si oui, dessinez le trajet de la lumière à partir de la source jusqu’à l’écran. Vérifiez que le schéma est correct en faisant l’expérience. Après avoir fait l’expérience, faites le schéma pour la position (2) de la lampe, vérifiez en faisant l’expérience. Sur le schéma, précisez à chaque fois où est la source de lumière. Indiquez le sens de propagation.

MATÉRIEL – Professeur : laser ou « flèche laser » ou projecteur de diapositives réglé pour obtenir un faisceau fin. – Élève : source (lampe), feuille de papier support, fente, petit écran. 1. Faisceau et tache de lumière sur le mur Le laser est branché, une mince tache de lumière apparaît sur le mur opposé (attention aux yeux). Rien n’est visible entre les deux. Y a-t-il de la lumière entre les deux ? Comment peut-on le savoir ? Les élèves proposent en général de la fumée, de la poussière, plus rarement un objet diffusant de plus grande taille et pratiquement jamais une vision directe qui dans le cas d’un laser serait d’ailleurs à proscrire. 2. Travail sur schémas a) Éléments de l’expérience précédemment faite : boîte, lampe, boule blanche, trou et œil. Tracez le trajet de la lumière qui peut arriver dans l’œil. Mettre une flèche sur le sens de propagation. Les trajets sont en général corrects mais les sens des flèches ne le sont pas toujours. Spontanément, les élèves retrouvent souvent l’explication antique dite du « rayon visuel » : on obtient des schémas sur lesquels l’œil semble « lancer des rayons. »

BILAN Définition On appelle « point source » tout point susceptible d’envoyer de la lumière dans toutes les directions. Un objet source est un ensemble de points source. Dans un milieu homogène et transparent, la lumière se propage en ligne droite à partir de la source ; on représente son chemin par des droites appelées rayons. Le sens de propagation de la lumière est indiqué par une flèche sur le rayon. Un point objet est visible si un rayon venu de ce point peut arriver dans l’œil sans qu’il ait été arrêté par un obstacle (objet opaque). On peut suivre son trajet de la source jusqu’à l’œil et le représenter sur un schéma. Ce modèle sera utilisé pour représenter les visées à travers des « trous » ou des fentes et pour représenter le trajet de la lumière jusqu’à un écran. Application possible La chambre noire, à condition de prendre des précautions quant à l’interprétation du

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résultat. La reproduction reconnaissable d’un objet qui est observable sur un écran n’est pas une image au sens de l’optique ; en effet, à chaque point de l’objet ne correspond pas un point unique méritant le nom d’image au sens scientifique précis de ce terme.

Ceci peut être montré en ne se limitant pas à des trous ronds mais en utilisant aussi des trous en forme de triangle ou étoile qui permettent de mieux appréhender la « reproduction » comme ensemble de « taches » de lumière dont les dimensions dépendent de celle du trou ainsi que de sa forme.

E15. Ombre et pénombre OBJECTIF Faire assimiler les notions d’ombre et de pénombre par des visées directes précédant les constructions de rayons ou les vérifiant. MATÉRIEL Professeur (expérience 2.b) : une lampe avec un diffuseur (ou un projecteur de diapositives et un papier translucide). Élèves (expériences 1 et 2.a) : carton fin (ou papier), deux lampes 6V (3.5 V) sans globe diffuseur et leur alimentation par groupe. Nota : les expériences peuvent se faire sans rideau noir à condition de se protéger de la lumière extérieure avec un simple livre « debout ». 1. Ombres Chaque élève peut se fabriquer sa maquette soit en carton soit en papier. Dimensions : écran de largeur 21 cm et de hauteur 5 cm et repli de 5 cm ; languette de largeur 2 cm, de hauteur 5 cm comportant un repli formant pied. La partie horizontale du dispositif est une feuille de papier ou équivalent sur laquelle on fixera par du ruban adhésif les deux éléments (écran + languette) à environ 5 cm de distance l’un de l’autre. On effectuera alors aisément des tracés sur la feuille horizontale. Placer une lampe « élèves » (c’est-à-dire sans diffuseur, autrement dit source ponctuelle) à environ 10 cm en avant de la languette. Une ombre apparaît sur l’écran. La feuille de papier permet, après avoir repéré la position de

la lampe, de la languette-objet et de l’écran, de faire le schéma des rayons extrêmes. On suppose que la source est déplacée de 4 cm, latéralement, par rapport à la position précédente (en gardant la même distance à l’écran). Faire le schéma délimitant les régions d’ombre. Vérifier les tracés par l’expérience. 2. Pénombres a) Avec deux sources ponctuelles (expérience élève) Il suffit de placer les deux lampes dans les positions précédentes ; les deux ombres apparaissent sur l’écran. Elles sont « moins sombres » sauf dans une région centrale. Expliquer les observations. Pour guider le raisonnement, on cache l’une des lampes puis l’autre. Dans la région sombre ou ombre, aucune des deux lampes n’éclaire l’écran. Dans la région de « pénombre » seule l’une des lampes éclaire l’écran. b) Avec une source large Expérience professeur : à l’aide du globe diffusant, on éclaire une sphère ; on observe sur un écran en carton blanc (placé à 2 m) de la sphère les deux zones ombre et pénombre. Lors de la préparation de l’expérience, le professeur doit prévoir des trous placés aux bons endroits : l’un dans la zone d’ombre, le deuxième dans la zone de pénombre et le troisième dans la zone de lumière. Sur une feuille la source, la balle et l’écran sont représentés. Que voit-on par les trous ? Justifier la réponse par un schéma. Vérifier votre prédiction sur le montage.

Feuille de papier

Source

Balle

écran

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E16. Réaliser une maquette modélisant le système solaire 1 La fiche ci-dessous se propose de guider l’enseignant pour l’activité « réaliser un modèle du système solaire » qui est mentionnée dans la rubrique B2 du programme : propagation rectiligne de la lumière. OBJECTIFS Permettre à l’élève de mieux se situer dans l’espace en prenant conscience des échelles de distance. Créer un modèle du système solaire où tout est représenté en utilisant la même échelle et surtout ne pas transformer cette modélisation en un exercice de simple calcul. Le travail comprend deux parties : l’une sur les distances et l’autre sur le mouvement des planètes autour du Soleil. Pour commencer, il serait bon d’observer une planète au moins ; de préférence avant de faire la maquette, ou au moins après. Vénus, Jupiter, Saturne et Mars sont visibles même des grandes villes. Pour trouver leur position, on peut utiliser les revues scientifiques pour jeunes, la plupart donne le ciel du mois. Le Minitel ou internet permettent également cette recherche. 1. LES DISTANCES MATÉRIEL Mètre, fil (500 m), perles, boules et balles, par exemple en polystyrène (de 0,5 mm à 14 cm). MÉTHODE Choisir l’échelle Elle dépend de l’espace dont on dispose. Par exemple, si l’on souhaite représenter la Terre par une perle (ou une grosse tête d’épingle) de 1,3 mm de diamètre, l’échelle utilisée sera de 10 000 km/mm. Calculer les dimensions. Chaque groupe de la classe calcule pour « sa planète » le diamètre et la distance au Soleil sur la maquette. Des étiquettes sont préparées pour chaque astre, les grosses planètes peuvent être décorées. Mesurer les distances Il serait intéressant à cette étape de discuter pour trouver la meilleure façon de mesurer des distances qui peuvent aller jusqu’à 450 m si on souhaite placer Neptune avec cette échelle.

Une possibilité est que chaque groupe coupe le fil à une longueur allant de la planète qui le précède à celle qu’il représente. L’exercice peut se faire dans un grand couloir (en limitant le nombre de planètes), dans une cour, un stade ou dans la rue. On peut également utiliser un plan du collège ou du quartier et son échelle. Chaque groupe tient sa planète et son étiquette. Parcourir le système Les élèves se relayent afin que chacun ait une fois parcouru tout le système. Ce qui est impératif est de faire prendre conscience aux élèves de ce que les planètes sont toutes petites par rapport à la distance qui les sépare. Il est intéressant de faire mesurer par visée sur une règle graduée le diamètre apparent du Soleil de la maquette par un élève placé au niveau de la Terre. Observer les vraies planètes Il faut alors pouvoir observer une planète à l’œil nu et éventuellement compléter par l’utilisation d’une petite lunette ou de jumelles. 2. RÉVOLUTIONS AUTOUR DU SOLEIL MATÉRIEL – logiciel visualisant les planètes à un moment donné – carte du ciel avec son horizon – série de diapositives prises à des moments différents montrant le déplacement d’une planète par rapport aux étoiles MÉTHODE Observation, si cela est possible, de Vénus dont le déplacement par rapport aux étoiles est visible au bout de quelques jours ou projection d’une série de diapositives montrant, par exemple, le mouvement de Mars ou de Vénus par rapport aux étoiles. Un petit logiciel de simulation permet de voir tourner les planètes et de constater que l’année martienne fait pratiquement deux années terrestres. Il peut être également intéressant à une date donnée de se poser la question de la 1. Ce travail s’inspire des fiches pédagogiques du CLEA (Comité de Liaison Enseignants Astronomes).

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visibilité de la planète et à quel moment de la nuit. Une carte du ciel très simplifiée permet en positionnant le Soleil aux différentes époques de l’année de visualiser la hauteur du Soleil dans le ciel suivant la saison, la longueur des jours. Un changement de latitude est également possible en changeant l’horizon. Une petite sphère céleste ou un planétarium portable (parapluie), même rudimentaire, peut aider à se situer et à mieux comprendre saisons, lever et coucher des astres. Il est également possible de placer les planètes parmi les étoiles suivant le moment de l’observation. COMPLÉMENTS Une constellation délimite une région du ciel. Les étoiles qui la composent peuvent être à des distances très différentes de la Terre. Les constellations du zodiaque sont celles qui sont proches du plan de l’écliptique c’est-à-dire du plan de l’orbite de la Terre (qui est aussi le plan de l’orbite apparente du Soleil sur la « sphère céleste »). La place du Soleil au cours de l’année par rapport aux constellations du zodiaque donne la date. L’atmosphère de jour nous em-

pêche de voir les étoiles (Attention : les dates données par les horoscopes correspondent aux positions du Soleil il y a environ 2 000 ans !). Dire qu’une planète est dans une constellation, c’est simplement la situer sur la sphère céleste. Si la direction d’une constellation fait un angle trop petit avec la direction du Soleil, elle ne sera pas visible. Les périodes de révolution des planètes sont de plus en plus grandes au fur et à mesure que l’on s’éloigne du Soleil (lois de Kepler a3/T2 = 1 si a est le demi-grand axe de l’orbite en unité astronomique et T sa période de révolution en années terrestres). La distance Terre-Soleil est de une unité astronomique. Attention aux représentations en perspective : elles exagèrent toujours l’ellipticité. Les orbites peuvent toujours être considérées comme quasi circulaires en première approximation (sauf celle de Pluton et, dans une moindre mesure, celle de Mercure). BIBLIOGRAPHIE Documents HS1 du CLEA, 26, rue Bérangère, 92210 Saint-Cloud. Serveur du CNDP : www.cndp.fr

E17. La course apparente du Soleil pendant une journée ACTIVITÉ Créer une maquette permettant de matérialiser la course du Soleil et l’utiliser. Il est fructueux de faire précéder cette activité de : – observation directe par les élèves des lieux de lever et coucher du Soleil ; – relevé de l’ombre d’un bâton au cours d’une journée.

Soleil

tache de lumière sur la cible

OBJECTIFS Distinguer l’heure solaire et l’heure légale (donnée par une montre). Apprendre à utiliser le Soleil pour se repérer, au moins sommairement. MATÉRIEL Professeur : demi-sphère transparente (un saladier, par exemple) Élèves : boussoles

Carton percé (marque au feutre faite dans le trou)

ombre du carton

Maquette

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DÉROULEMENT La demi-sphère transparente est posée sur un support en carton. On trace le bord sur le support, il correspond au cercle horizon. Au centre du cercle, on colle un tout petit disque de papier blanc ; celui-ci constitue la cible. Sur le support, tracer un diamètre du cercle : il figure le méridien du lieu donc donne la direction nord-sud. Les directions nord, sud, est, ouest sont indiquées. Une boussole permet d’orienter le tout. L’ensemble est placé horizontalement en un endroit qui sera ensoleillé toute la journée. Une gommette (ou un carton) percée d’un trou de 1 mm en son centre est déplacée à la surface de la demi-sphère et fixée (ou marquée) lorsque la tache lumineuse « soleil » est sur la cible au centre de la sphère. L’heure est notée. Un pointage toutes les heures est refait au cours de la journée. À la fin de la journée, tous les points sont joints. On matérialise ainsi le trajet apparent du Soleil.

On retrouve sur le relevé les positions du lever, celles du coucher et celles de la culmination ainsi que les heures où ces événements se produisent. On remarque que l’heure de la montre n’est pas l’heure solaire. On refait ce même relevé à des différentes époques de l’année ; on note que le Soleil culmine toujours au Sud (dans l’hémisphère Nord) mais que ce n’est qu’aux équinoxes qu’il se lève exactement à l’Est et se couche exactement à l’Ouest. BIBLIOGRAPHIE Documents du CLEA : secrétaire : G. Walusinski, 26 Berangère, 92210 Saint-Cloud. HS 1 astronomie à l’école élémentaire ; HS 4 l’astronomie en 4e. Diapositives : D3 les astres se lèvent aussi (20) ; D4 une expérience pour illustrer les saisons (avec une sphère recouverte de peinture thermocolorée montrant le rôle de l’inclinaison de l’axe de la Terre).

E18. Phases de la lune 1 OBJECTIFS Observer les phases de la Lune et les analyser de façon élémentaire. Il est indispensable que les élèves observent et représentent par des dessins leurs observations. Pendant le cours, un bilan est fait avec la classe et les maquettes sont utilisées pour interpréter les observations. MATÉRIEL Professeur : diapositives ou cassette vidéo, logiciel. Élèves : carton format A4, balle de quelques centimètres dont une face est peinte en noir, balle blanche de plus de 6 cm (boule de polystyrène).

Mesure de la hauteur de la Lune sur l’horizon. Repère des points cardinaux. On peut observer que, sur une boule blanche tenue à la main et tendue dans la direction de la Lune, la partie éclairée a la même forme que la partie éclairée de la Lune. b. Observations individuelles. Représentations Elle devra être conduite durant un mois (ou deux, si le ciel n’a pas été dégagé durant un nombre suffisant de jours). 1) Les phases Pour faciliter la correction, il est bon de donner une feuille standard avec les trente jours préparés.

1. OBSERVATIONS a. Dans la cour du collège

date : heure :

date : heure :

On peut observer la Lune de jour : quand les conditions s’y prêtent, le dernier quartier est visible dans la matinée, le premier quartier dans l’après-midi. On appelle terminateur l’arc de cercle qui délimite la partie éclairée de la Lune ; la corde qui tend cet arc n’est pas nécessairement verticale.

date : heure :

date : heure :

1. Ce travail s’inspire des fiches pédagogiques du CLEA.

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Le dessin devra respecter l’orientation du terminateur par rapport à la direction horizontale. L’heure est indiquée : 8 h 30 pour le matin et 20 h 30 pour le soir. Seules les parties visibles sont représentées. La direction par rapport aux points cardinaux est précisée. La suite de cette fiche présente des activités moins directement liées au programme. Elle peut être utilisée si le temps (dans les deux sens de ce mot) le permet. Ce travail, pour l’essentiel, peut être fait « à la maison ». 2) Mouvement diurne Dessinez le paysage et représenter la Lune toutes les heures, ou mieux, toutes les demiheures. Respecter l’inclinaison. Placer les points cardinaux. Noter l’heure précise sur chaque dessin et le jour de l’observation. 3) Mouvement apparent de la Lune sur la sphère céleste par rapport aux étoiles (Nécessite une durée d’observation d’au moins une dizaine de jours et n’est pas très aisée à conceptualiser.) Pendant quelques jours successifs, représenter la Lune sur le même dessin avec l’horizon ; il est recommandé de faire les observations à peu près à la même heure pour retrouver la même dispostion de la sphère céleste.

Respecter l’orientation du terminateur. Noter la date et l’heure. Placer les points cardinaux. Repérer une « mer » plus sombre et voir si celle-ci semble tourner par rapport à la surface lunaire. 2. BILAN DES OBSERVATIONS Utilisation de documents complémentaires à l’observation : vidéo cassette, diapositives, logiciel. 1re partie : bilan d’observations. 2e partie : photographies de la Lune au cours d’une lunaison. La Lune, comme tous les astres, se déplace d’est en ouest au cours d’une journée. Dans son mouvement apparent sur la sphère céleste observé depuis la Terre, la Lune se déplace d’ouest en est. Elle nous présente toujours la même face. On peut faire effectuer une simulation par un élève qui tourne autour des autres en tenant une « boule Lune » : la Lune tourne sur ellemême en même temps qu’elle tourne autour de la Terre. À quelle heure se lève approximativement la Pleine Lune ? À quelle heure se couche-t-elle ? La Pleine Lune se lève lorsque le Soleil se couche et se couche lorsqu’il se lève. À quelle heure la Pleine Lune culmine-t-elle ? Dans quelle direction ?

La Lune, dans son mouvement apparent journalier, culmine au Sud. Si on néglige la latitude, le Soleil se lève à 6 h et se couche à 18 h. Pour la Pleine Lune, c’est l’inverse. La même question est posée pour la Nouvelle Lune puis pour les premiers et derniers quartiers. Lever PL

Culminations

Coucher

18 h

6h

6h

18 h

PQ NL DQ Le tableau se remplit progressivement.

3. INTERPRÉTATION. Utilisation d’une maquette La difficulté pour beaucoup d’élèves, lors des schémas représentant le mouvement de la Lune autour de la Terre, est de se situer sur Terre pour regarder la Lune. Une maquette individuelle est indispensable. Il n’est pas nécessaire de réaliser une maquette très élaborée dans la mesure où elle est destinée à être vue de loin par toute la classe. La maquette la plus simple est constituée par un carton sur lequel on peut fixer une balle dont une moitié est peinte en noir.

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 93

Les élèves tournent la maquette et dessinent les phases lorsque la Lune tourne autour de la Terre (choisir 8 positions), en plaçant la direction de visée passant par le point terre. Les « cornes » intersection du terminateur et du limbe sont sur un diamètre. Rôle de l’angle Soleil-Terre-Lune L’angle Soleil-Terre-Lune peut être mesuré à partir d’une photographie de phase. La distance Terre-Lune est petite devant la distance au Soleil : comparaison des « phases » sur deux boules éclairées par le Soleil et deux boules éclairées par un projecteur. Observations complémentaires et recherche documentaire Si on possède un petit instrument, les phases de Vénus sont facilement observables.

Observe-t-on des phases sur d’autres planètes ? Rechercher dans un livre sur les planètes des photographies qui montrent des phénomènes d’ombre et de phase. Cette recherche permet d’introduire le thème modélisation du système solaire et échelles de distances. BIBLIOGRAPHIE Cassette video : Phases et éclipses : de la Lune aux étoiles, Collection Bâtisciences, CNDP et CRDP et CNED. Techniques et documents pour la classe, La Lune, sœur de la Terre ? Documents du CLEA : HS 2 la Lune au collège ; HS 4 l’astronomie en 4e ; Diapositives : phases de la Lune (20 avec commentaires).

C6. L’effet de serre La température moyenne de la surface de la Terre est le résultat d’un équilibre énergétique. La Terre reçoit de l’énergie du Soleil sous forme de rayonnement électromagnétique ; 98 % de cette énergie se situe dans la bande spectrale de longueurs d’onde 0,20 μm – 4 μm, bande qui comprend le domaine visible (0,4 μm – 0,75 μm) ; ce spectre correspond à une température de surface du Soleil voisine de 6 000 K. La majeure partie de ce flux énergétique atteint la surface de la Terre, l’atmosphère pouvant être considérée comme transparente pour ce rayonnement. Une partie (30 à 35 %) est réfléchie ou diffusée par l’atmosphère et la surface de la Terre : elle repart vers l’espace ; le reste, soit 65 à 70 %, est absorbé. Or, la température moyenne de la Terre, voisine de 15 °C, est à peu près stable alors qu’elle re-

çoit constamment ce flux énergétique. Un équilibre est donc atteint ; la surface de la Terre doit en conséquence perdre en permanence l’énergie qu’elle absorbe ; cela se fait par émission, dans l’espace, de rayonnement électromagnétique, dit rayonnement thermique. En effet, tout corps émet un rayonnement de ce type et la puissance émise ainsi par unité de surface dépend essentiellement de la température du corps et croît rapidement avec celle-ci. Aux températures ordinaires, voisines de 15 °C, ce rayonnement est invisible car son spectre se situe dans l’infrarouge lointain, dans la bande spectrale 4 μm – 80 μm, avec un maximum vers 10 μm. On peut aisément mettre en évidence ce rayonnement à l’aide d’une thermopile ; il suffit d’approcher la main devant son ouverture : la température superficielle de la main étant en général supérieure à celle de

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l’environnement, la puissance reçue par la thermopile est accrue. En écrivant que la puissance moyenne émise par la Terre est égale à la puissance moyenne absorbée, on obtient une évaluation de la température d’équilibre voisine de – 20 °C, ce qui est nettement inférieur à la valeur observée. Quelle est la raison de ce désaccord ? L’atmosphère contient des molécules de certains gaz comme le dioxyde de carbone, l’ozone, le méthane, la vapeur d’eau qui « laissent passer » le visible mais qui ont tendance à absorber des radiations électromagnétiques de longueur d’onde situées dans l’infrarouge, par exemple de 13 μm à 20 μm pour le dioxyde de carbone qui joue un rôle prépondérant. Il en résulte que le rayonnement émis par la surface de la Terre est en partie absorbé par ces gaz et l’énergie correspondante se retrouve dans l’atmosphère ; celle-ci rayonne à son tour cette énergie absorbée mais une partie notable revient vers la surface de la Terre. Cela a pour effet global de ralentir le taux de déperdition d’énergie de la Terre par rayonnement et conduit à une température d’équilibre plus élevée que celle évaluée en l’absence de ce processus. Ce phénomène d’augmentation de la température d’équilibre par retour partiel de la puissance émise par la surface de la Terre est appelé « effet de serre ». La raison en est que ce type de confinement est analogue à celui qui se produit dans une serre vitrée, ou sous une cloche en verre de jardin ; le verre est transparent à la lumière visible et laisse le rayonnement solaire atteindre le sol et le chauffer ; par contre, il est absorbant dans l’infrarouge, absorbe donc une partie du rayonnement émis par le sol, s’échauffe et renvoie de l’énergie au sol ; il s’ensuit une élévation

moyenne de température dans la serre, ou sous la cloche, qui peut être importante. Le rôle du dioxyde de carbone dans l’effet de serre atmosphérique est primordial et conduit à poser la question de l’évolution de température consécutive à une augmentation de son taux dans l’atmosphère. Les évaluations sont complexes ; elles conduisent actuellement à prédire une augmentation de 3 degrés pour un doublement de ce taux. L’effet de serre joue également un rôle dans l’interprétation des températures des atmosphères des autres planètes (voir la fiche C4). Quelques indications numériques • Puissance reçue du Soleil par unité de surface à très haute altitude, hors de l’atmosphère : 1 350 W/m2. • Soit R le rayon de la Terre ; la puissance reçue du Soleil correspond à la surface apparente qui est celle d’un disque de rayon R, soit πR2 ; sa surface étant de 4πR2, la puissance moyenne reçue est donc de 337 W/m2 ; en prenant un cœfficient d’absorption de 0,70, cela conduit à une puissance moyenne absorbée de 236 W/m2. • La puissance émise par l’unité de surface d’un corps à la température absolue T, en l’assimilant à un « corps noir », est donnée par la loi de Stefan : σT4 avec σ = 5,671 x 10-8 W/m2K4. En l’absence d’effet de serre cela conduit à une température d’équilibre de 254 K, soit 19 °C. • La répartition spectrale du rayonnement d’émission thermique possède un maximum pour une longueur d’onde lm inversement proportionnelle à la température absolue T ; numériquement : λmT = 2,898 x 10-3 m. K (loi de Wien). Pour T = 5 800 K (surface du Soleil), λm = 0,5 mm qui est dans le domaine visible ; pour T = 290 K (soit 17 °C), λm = 10 μm.

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C : Le courant électrique (C1 en classe de 5e, C2 en classe de 4e)

E19. Circuit électrique : quelques manipulations Au collège, les sciences physiques doivent être ancrées sur le quotidien. Les manipulations proposées ont pour objectif de faire le lien entre des objets technologiques (lampe à incandescence, lampe de poche, circuit d’éclairage de la bicyclette) et des connaissances d’ordre plus théorique (conducteurs et isolants, continuité du circuit électrique, associations en série et en dérivation).

Matériel Une lampe de poche utilisant une pile plate

MANIPULATION D’ÉLECTRICITÉ N O 1 (élèves) Objectif Analyser la disposition du circuit électrique à l’intérieur de l’ampoule Matériel – une petite ampoule à filament (adaptée à la pile) – une pile cylindrique – un seul fil de connexion

4,5 V Nota : Chaque binôme dispose à sa table d’une lampe de poche. Sur un document présenté par le professeur, une lettre ou un numéro est attribué à chaque pièce (Exemple : A et B pour les lames de la pile, C pour le bouton de l’interrupteur, etc.) Questions posées – Indiquer pour chaque pièce si elle est conductrice ou isolante

Questions posées – Comment faut-il assembler les trois composants pour que l’ampoule soit allumée (faire les dessins correspondants) ? – Imaginer la disposition du filament à l’intérieur de l’ampoule (faire le dessin).

– Donner dans l’ordre les pièces traversées par le courant électrique lorsque la lampe de poche est allumée (Exemple de réponse : A, G, F, C, etc.)

Variantes – Même travail avec une pile plate – Même travail avec deux ampoules Nota : les élèves doivent travailler par deux pour assurer les contacts

Objectifs

MANIPULATION D’ÉLECTRICITÉ NO 2 (élèves) Objectif Découvrir la continuité du circuit électrique de la lampe de poche

Matériel

MANIPULATION D’ÉLECTRICITÉ NO 3 (élèves)

Réinvestir les connaissances sur les circuits en série et en dérivation. Préfigurer le circuit de la bicyclette.

Une pile cylindrique, deux ampoules, deux fils de connexion, une règle en métal ou équivalent

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Questions posées Assembler les éléments pour que les deux lampes aient un éclat normal, faire le dessin correspondant. Suggestion pour d’autres manipulations en prise sur des objets technologiques Étudier une guirlande de Noël. Étudier la constitution d’une douille de lampe. Étudier la constitution d’une lampe torche (intérêt pour montrer l’association de piles). Étudier une lampe phare/code d’automobile. Faire élaborer le circuit électrique d’un jeu de « questions réponses » : la lampe doit s’allumer

si le candidat établit le contact entre une question posée et la bonne réponse parmi une liste proposée. Étudier les parties isolantes et conductrices d’un pylône EDF. Utiliser un test « isolant/conducteur » pour montrer que le circuit, entre les deux bornes d’un moteur, est conducteur, même si le moteur ne tourne pas (il suffit de choisir convenablement les tensions nominales respectives de la pile, de la lampe et du moteur ; le détecteur de courant peut également être un ampèremètre). Puis observer un moteur démonté.

H3. Évolution historique du concept de courant électrique Comme en bien des domaines de la physique, la connaissance de l’évolution des idées en électricité, outre son intérêt propre, permet de mieux appréhender certaines représentations intuitives que peuvent se faire les élèves. Bien souvent, en effet, on les retrouve comme doctrine admise, à telle ou telle époque de l’histoire. Au VIe siècle avant J.- C., le grec Thalès de Milet attire l’attention sur la propriété de l’ambre jaune (hlektron) qui, une fois frotté, attire les corps légers. Il faut cependant attendre le XVIe siècle pour que l’anglais William Gilbert, médecin de la reine Elisabeth I, fasse clairement la distinction entre électrisation et aimantation. Il distingue les corps « électriques » et les corps « non électriques » par leur aptitude à être ou non électrisés par frottement.

S’inspirant de la boule de soufre frottée à la main par l’allemand Otto von Guericke, l’anglais Francis Hawksbee construit en 1706 une machine électrostatique avec laquelle il montre que le frottement est bien la cause du phénomène d’électrisation. Le XVIIIe siècle verra un développement considérable des machines électrostatiques, donnant lieu à des expériences spectaculaires fort appréciées des sociétés savantes et du grand public. En 1729, l’anglais Stephen Gray réalise les premières expériences de « transport » de l’électricité au moyen d’une ficelle de chanvre reliée à une machine à frottement. Il montre également que certains corps conducteurs reliés au sol laissent s’enfuir la « vertu électrique », tandis que d’autres ne possèdent pas cette propriété. Il découvre également l’électrisation par influence (1733).

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À la même date, pour expliquer les phénomènes d’attraction et de répulsion des corps électrisés, le français Dufay avance l’idée qu’il existe deux sortes d’électricité, qu’il baptise vitrée et résineuse. Les corps peuvent « contracter » l’une ou l’autre de ces électricités ; c’est la théorie dite des deux fluides électriques. Dufay n’émet aucune hypothèse sur la nature de ces fluides (à cette époque, les idées sur la structure de la matière sont très confuses). Peu après, en Angleterre, Desaguliers, disciple de Gray, introduit le mot de conducteur. À partir de 1746, l’américain Benjamin Franklin, imprimeur-journaliste, déjà très engagé dans la vie publique, s’intéresse aux expériences électriques menées sur le vieux continent. Dès 1747, il reproduit et affine les expériences d’attraction et de répulsion et avance en 1750 une théorie capable de les interpréter. Dans cette théorie, dite du fluide unique, apparaît, d’une part l’idée fondamentale que le fluide électrique ne naît pas de rien : « il se trouve [initialement] dans la matière » ; d’autre part, au cours du frottement, c’est le transfert de ce fluide d’un corps à l’autre qui provoque d’un côté excès, de l’autre déficit, rendant ainsi les deux corps chargés de façon opposée. Benjamin Franklin introduit ainsi le concept de charge électrique. Pratiquement jusqu’à la fin du XIXe siècle, la théorie des deux fluides et celle du fluide unique vont cœxister, sans qu’il soit possible de trancher. Benjamin Franklin s’intéresse également, dès 1746, au pouvoir des pointes : les objets pointus peuvent produire des décharges (c’est-à-dire émettre ou recevoir le fluide électrique) plus aisément que les objets arrondis. À la suite de ces travaux, il propose en 1749 une expérience destinée à vérifier, au moyen d’une longue tige effilée, que les nuages d’orages sont effectivement électrisés ; une variante de l’expérience consiste à relier la tige de fer à la terre. Ainsi, on réalise une protection contre la foudre : le paratonnerre est né. En 1752, l’américain Kinnersley met en évidence un effet thermique lors de la décharge d’une « bouteille de Leyde », sorte de gros condensateur réalisé avec une bouteille de verre, récemment inventée (1745). Les machines électrostatiques devenant de plus en plus puissantes (elles produisent des étincelles jusqu’à 60 cm), on parvient à faire fondre des fils de fer de plusieurs mètres de long.

En 1785, le français Charles-Augustin Coulomb construit une balance électrique, grâce à laquelle il établit que la force de répulsion entre deux corps chargés est inversement proportionnelle au carré de la distance séparant ces deux corps. Vers la fin du siècle, le mot « tension » est introduit pour désigner la grandeur mesurée à l’électroscope lorsque l’on met en contact avec lui un objet chargé ; le mot « intensité » est également employé comme synonyme de tension. Certains, comme l’abbé Haüy, interprètent cette tension comme une mesure de la force répulsive qu’exercent entre elles les « molécules » de fluide électrique de même signe. L’anglais Cavendish soutient un point de vue analogue, introduisant même la notion de potentiel. Malheureusement, ses travaux ne seront publiés que bien après sa mort, par Maxwell, dans la seconde moitié du XIXe siècle. En 1800, l’italien Alessandro Volta construit la première pile électrique, constituée d’une alternance de rondelles de cuivre et de zinc, séparées par du carton humide. La tension de la pile en circuit ouvert, qui se traduit par des accumulations de charges + Q et – Q à ses bornes, mises en évidence par un électroscopecondensateur, est appelée « action motrice ». La même année, grâce à la pile de Volta, les anglais Carlisle et Nicholson réalisent la première électrolyse, celle de l’eau ; ces travaux sont poursuivis par leur compatriote Davy, qui obtient ainsi le sodium et le potassium. Il réalisera, par ailleurs, le premier arc électrique au moyen d’une association de piles de forte tension. En 1819, le danois Oersted met en évidence l’influence d’un courant électrique sur une aiguille aimantée. Ainsi, à cette date, les effets thermique, chimique, lumineux et magnétique du courant électrique sont connus. Le français André-Marie Ampère est le premier à distinguer les phénomènes électrostatiques des phénomènes électrodynamiques, c’est-àdire des « phénomènes de courant » (Ampère crée l’expression même de « courant électrique »). En effet, seul un courant peut provoquer la décomposition chimique des substances ou l’action sur une aiguille aimantée. Ampère reprend la théorie des deux fluides et l’adapte au courant électrique : lorsque l’on relie un circuit à une pile, deux courants inverses s’établissent, l’un partant de la lame négative vers la lame positive, l’autre partant de la lame positive vers

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la lame négative de la pile. Ampère convient que l’expression « sens du courant » désignera le sens de ce courant positif ; il ne propose aucune explication de la nature de ces fluides, ni de ce qui leur advient lorsqu’ils se rencontrent. En septembre 1820, Ampère invente l’électroaimant. Dans le même temps, l’allemand Schweigger place une aiguille aimantée à l’intérieur d’une bobine plate parcourue par un courant ; il nomme l’appareil ainsi réalisé « multiplicateur » : c’est l’ancêtre du galvanomètre actuel. Mais c’est Ampère qui définit l’intensité, comme étant la grandeur évaluée par le galvanomètre, et donc à différencier de la tension évaluée par l’électroscope. Entre 1825 et 1827, l’allemand Ohm montre, contrairement à l’idée admise jusqu’alors, que chaque point d’un circuit fermé possède une « force électroscopique » – mesurée en reliant le point considéré à un plateau placé devant un électroscope -décroissant régulièrement tout au long du circuit. Il établit ensuite la formule, qui portera son nom, reliant cette décroissance de la force électroscopique (nous dirions « du potentiel électrique ») aux effets magnétiques du courant (donc à l’intensité), par l’intermédiaire du « pouvoir conducteur » du conducteur, de sa section et de sa longueur. Il apporte ainsi l’idée précise de résistance qui manquait à beaucoup de physiciens. L’anglais Faraday analyse en 1831 le phénomène d’induction électromagnétique, aussi important du point de vue théorique que riche en applications. On lui doit aussi, entre autres, les lois quantitatives de l’électrolyse et la mise en évidence de l’électroluminescence. La suite du XIXe siècle est extrêmement riche en découvertes techniques (générateurs continus et alternatifs, moteurs, transformateurs, transport de l’énergie électrique, lampes à incandescence, etc.) et théoriques (notion de champs électrique et magnétique, équations de Maxwell, nature électromagnétique de la lumière, force de Lorentz, etc.). Cependant, Maxwell lui-même souligne, dans les années 1870, que l’on ignore tout de la nature du courant électrique (Est-il une substance matérielle, quel est son sens, quelle est sa vitesse, y a-t-il finalement un ou deux courants ?). Le néerlandais Lorentz développe entre 1892 et 1895 une description microscopique de la matière, où figurent des corpuscules chargés auxquels il donne le nom générique d’électrons (terme introduit en 1891 par l’irlandais Stoney). En

1902, l’allemand Paul Drude propose, pour interpréter la conduction dans les métaux, le modèle dit aujourd’hui classique (électrons ponctuels mobiles dans un réseau de cations fixes). La théorie quantique de la conduction, élaborée à partir de la fin des années 1920, parviendra à donner une description satisfaisante des propriétés électriques des solides (influence des défauts de périodicité du cristal, et de la température, phénomènes de supraconductivité et de magnétorésistance, effet Josephson, etc.) ; cette théorie continue à progresser (tentatives d’interprétation de la supraconductivité à haute température). Considérations pédagogiques Des enquêtes ont été menées auprès d’élèves n’ayant pas encore reçu d’enseignement de physique. On constate tout d’abord qu’un certain nombre d’entre eux, à qui l’on demande d’alimenter une ampoule par une pile, réalisent d’abord le branchement avec un seul fil entre la pile et l’ampoule. Ensuite, une fois le montage correct réalisé avec deux fils, on leur demande ce qui circule dans les fils. À côté de ceux qui ne formulent aucune idée, on constate que certains proposent une double circulation à la façon d’Ampère, un courant partant de la borne +, un autre de la borne –, les deux se rejoignant à l’ampoule («il y a deux courants opposés », « il y a un choc entre les courants et comme un éclair de lumière », etc.) ! La théorie « de l’usure », qui consiste à penser que le courant est affaibli après traversée de l’ampoule, est également répandue. POUR APPROFONDIR Électricité (histoire), Encyclopaedia Universalis. « Benjamin Franklin », Les cahiers de Science et Vie, hors-série n° 28, août 1995. « La mesure de la force électrique », Les cahiers de Science et Vie, hors-série n° 26, avril 1995. G. Borvon, « de Dufay à Ampère », BUP n° 760, janvier 1994. B. Pourprix et R. Locqueneux, « G.S. Ohm et les lois du circuit galvanique », BUP, n° 713, avril 1989. C. Blondel, Histoire de l’électricité, coll. Explora, Cité des Sciences et de l’Industrie, 1994. R. Taton, Histoire générale des sciences, Ed. PUF, 1964-69, réédition au format de poche en cours (1995-1996). J.-J. Dupin, S. Joshua, L’électrocinétique du Collège à l’Université, BUP n° 683, avril 1986.

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D9. Représentations des élèves à propos du courant électrique Suggestions pédagogiques Les élèves se font parfois une représentation intuitive de certains concepts : celui de courant électrique par exemple. Ces représentations sont le plus souvent incomplètes ou fausses, et le professeur trouve profit à les connaître pour les corriger plus efficacement. Représentations des élèves Il apparaît que de nombreux enfants, lors de leur première expérimentation, essaient d’alimenter une lampe, au moyen d’une pile, avec un seul fil. La notion de circuit fermé n’est donc pas du tout intuitive, d’autant que les cordons d’alimentation des appareils branchés sur le secteur paraissent souvent n’avoir qu’un fil. Lorsque, par tâtonnement, il réalisent un circuit correct avec deux fils, on leur demande comment circule le « courant » dans les fils. Certains n’ont aucune idée, d’autres proposent un sens de circulation d’une borne vers l’autre, d’autres encore proposent un double sens de circulation à la façon d’Ampère : un courant part de la borne +, l’autre de la borne –, et tous deux se rejoignent à la pile. Un article de J.-J. Dupin et S. Joshua, paru dans le BUP n° 683 d’avril 1986, fait le point sur l’évolution de ces représentations au fil de l’enseignement. Il ressort que : • L’idée selon laquelle un circuit fermé est nécessaire pour que le courant circule s’acquiert assez facilement (cette idée s’appuie bien sur une analogie avec le liquide). • L’idée selon laquelle une ampoule « consomme une part du courant électrique » a la vie dure (50 % en fin de seconde). Pour ces élèves, l’analyse d’un circuit est séquentielle (par opposition à globale) : le courant s’affaiblit en aval du dipôle sans répercussion en amont. Une telle analyse peut traduire une confusion entre la notion de courant électrique telle que l’entend le professeur (circulation d’électrons) et une image mentale intuitive (circulation « d’énergie électrique »). Elle peut aussi traduire le fait que l’idée de conservation du débit, et la notion même de débit, ne sont pas évidentes. • À la fin de classe de seconde, 50 % des élèves affirment qu’une pile délivre la même intensité quel que soit le circuit. Cette erreur se retrouve

encore souvent à un niveau plus élevé dans les résolutions d’exercices, même si le cours est su. • À tous les niveaux scolaires, le raisonnement en courant est absolument majoritaire, sauf pour des situations élémentaires (adaptation de l’ampoule à la pile). La notion de tension, même lorsque sa définition et ses propriétés sont connues, n’est pratiquement jamais utilisée spontanément c’est-à-dire lorsque des questions de l’énoncé ne s’y rapportent pas explicitement – pour résoudre un problème. Analogies hydraulique et mécanique du courant électrique Le débat sur la pertinence de tels modèles est ancien, et fondé, car chacun de ces modèles a ses limites ; ceci est d’ailleurs le propre d’un modèle. Force est, de toute façon, de constater que les élèves ont besoin de se représenter les choses (en l’occurrence le courant électrique) de façon concrète. Les modèles bien connus sont celui de la circulation d’un liquide dans un tuyau et celui de la chaîne de vélo. Dupin et Joshua, déjà cités, proposent une autre analogie qu’il est peut-être utile de développer. Cette analogie est celle d’un train ayant les caractéristiques suivantes : – Des wagons forment une chaîne continue sur une voie ferroviaire fermée. – Des « ouvriers » imposent une force de poussée constante aux wagons. – Un obstacle le long de la voie impose un frottement. Il existe une analogie formelle entre ce modèle et celui du circuit électrique : Wagons

Grains d’électricité

Déplacements des wagons

Courant électrique

« Ouvriers » pousseurs

Pile électrique

Ralentisseur

Composant résistant (filament de l’ampoule)

Débit des wagons*

Intensité du courant électrique

« Ouvriers » comptant le débit des wagons

Ampèremètre

*Nombre de wagons comptés en un point par unité de temps

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Ralentisseur

Ouvrier comptant les wagons

Ouvriers poussant les wagons

Propositions de progressions utilisant les analogies 1. PROPOSITION A PHASE 1 Faire émerger les explications préalables des élèves sur la nature du courant Après quelques manipulations sur l’allumage d’une ampoule, on demande aux élèves, sans prendre position, mais en les aidant à formuler leurs points de vue : – d’expliquer comment le courant circule pour que l’ampoule s’allume ; – d’expliquer pourquoi l’éclat de 2 ampoules en série est moins fort. La pratique montre qu’il est utile de visualiser les explications des élèves par des schémas pour qu’elles soient accessibles à tous, en vue de permettre une confrontation (il est évidemment souhaitable que les élèves soient capables d’imaginer et de s’exprimer ; si tel n’est pas spontanément le cas, on peut être amené à leur présenter les schémas pour engager la discussion). Courants antagonistes :

Usure du courant :

PHASE 2 Utilisation de l’ampèremètre L’appareil est présenté comme capable de mesurer le débit du courant à l’endroit où il est placé. On fait remarquer qu’il donne une indication de sens du courant grâce au signe de la valeur affichée. On peut demander aux élèves comment l’appareil peut permettre de tester la théorie des courants antagonistes ou la théorie de l’usure. On peut aussi leur demander d’étudier un circuit avec les ampèremètres inclus et de prévoir les résultats en fonction des différentes théories. Les élèves, s’ils ont pris partie, sont fortement impliqués et sont avides de connaître la réponse : l’expérience prend alors un autre statut.

On constate bien sûr que les deux ampèremètres indiquent la même valeur et le même signe : la théorie des courants antagonistes et la théorie de l’usure sont fausses. L’étude du circuit avec 2 ampoules en série renforcera les conclusions. Cependant, il est clair qu’une ou deux expériences ne suffiront pas à déloger des représentations bien ancrées. Beaucoup ont du mal à accepter les conclusions de l’expérience. PHASE 3 Utilisation du modèle de train On commence par demander aux élèves de trouver l’analogue électrique de chaque élément du circuit de train (voir tableau ci-dessus). Puis on leur demande de rédiger les phrases équivalentes à celles-ci, par exemple : – Les wagons se mettent en mouvement, cela donne un convoi en mouvement. – Pour avoir mouvement du convoi, il faut des wagons sur une voie fermée et des pousseurs dans la gare. – Un ouvrier mesure le débit des wagons. – Quelle que soit la position de cet « ouvrier », il mesurera le même débit. – S’il y a plusieurs obstacles, le wagon va moins vite.

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L’analogie est ensuite faite entre la tension aux bornes de la pile et l’activité des pousseurs. Pour cela on pourra, par exemple, utiliser deux piles en série.

Interprétation par une analogie : Le débit du liquide (ou des maillons) est le même partout – y compris dans le générateur – dans un montage en série.

2. PROPOSITION B La progression proposée maintenant est sensiblement identique à la progression A pour les phases 1 et 2. Il importe de souligner que la démarche proposée pour ces deux premières phases n’est pas la seule possible. Certains professeurs la trouvant trop longue, trop laborieuse, ou trop périlleuse seront probablement plus directifs. Dans la phase 3, il est proposé ici de s’appuyer sur deux modèles : le modèle du liquide (incompressible) et celui de la chaîne de bicyclette. Une fois ces deux modèles introduits par le professeur, on les confronte aux faits expérimentaux. Dans les cas simples, et suivant le niveau des élèves, il pourra être intéressant de leur demander de prévoir – en s’appuyant sur les modèles – le résultat de l’expérience avant de la réaliser.

EXPÉRIENCE 3 Montage :

EXPÉRIENCE 1 Montage :

Variante : Placer l’interrupteur « après » la lampe. Observation : Dès que l’on ferme l’interrupteur, la lampe s’allume ; dès qu’on l’ouvre, elle s’éteint. Interprétation par une analogie : Toute la chaîne (fluide ou mécanique) se met en mouvement (ou s’arrête) en même temps.

Observation : L’éclat des ampoules est inchangé si on les intervertit. Interprétation par une analogie : Même argument que pour l’expérience 2. EXPÉRIENCE 4 Montage :

Observation : L’intensité est plus faible avec 2 lampes. Le débit de la pile dépend du circuit. Interprétation par une analogie : Une lampe ralentit la chaîne. La vitesse de la chaîne dépend des récepteurs. Expérience 5 Montage :

EXPÉRIENCE 2 Montage :

Observation : L’intensité est la même en tout point d’un circuit en série.

Observation : L’intensité est plus forte avec une pile 4,5 V qu’avec une pile 1,5 V. Interprétation par une analogie : La vitesse de la chaîne dépend aussi du générateur.

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Expérience 6 Montage :

Interprétation par une analogie : Dans un montage en dérivation, le fluide « se partage ». Ce partage ne se fait pas toujours à parts égales.

Observation : Avec des ampoules identiques, I1 = I2 = I/2. Avec des ampoules différentes (on change L2), I’1 = I1 et I’= I’1 + I’2.

Pour de nombreuses expériences, l’analogie mécanique est très parlante (en particulier, on se représente bien les maillons se poussant les uns les autres, alors que l’incompressibilité du liquide et la rigidité du tuyau sont moins évidentes). Par contre, l’analogie hydraulique est bien adaptée à la loi d’additivité des intensités.

Annexe D6. Activités relatives à l’environnement, à la météorologie et au climat Le texte ci-dessous n’est en aucun cas une rubrique supplémentaire de programme ou un cours de météorologie. Il propose au choix du professeur une liste (à l’évidence surabondante) d’activités associées au programme et qui seront traitées en fonction des possibilités. Les activités proposées demeurant facultatives, elles seront choisies par le professeur, en fonction de sa progression qui s’appuiera sur le programme officiel. De très nombreux contenus relatifs aux rubriques A1 (l’eau), A2 (le dioxygène) et B (la lumière) du programme, ainsi que presque toutes les compétences transversales mentionnées dans les annexes du programme peuvent être, au choix de l’enseignant, abordés, approfondis ou revus par le biais d’activités illustrant ce thème de la météorologie. Des expérimentations récentes dans le cadre des parcours diversifiés en classe de 5e, les compétences acquises lors des enseignements de physique et chimie en classes de 6e et de 5e, il y a quelques années, les apports des ensei-

gnements des sciences dans les écoles, toutes ces contributions indiquent que des activités portant sur la météorologie sont à la portée des élèves de cet âge et sont tout à fait susceptibles de les motiver. Le thème a également été proposé en raison des nombreuses possibilités d’activités transversales qu’il permet, notamment celles liées à l’environnement, ainsi que la richesse de ses corrélations avec d’autres disciplines. Il favorise également divers apprentissages tels que la maîtrise du discours (emploi d’un vocabulaire précis, rédaction de phrases logiques), l’utilisation de quelques outils de base (lecture d’un tableau, lecture et interprétation de graphes). La plupart des activités proposées peuvent être exploitées en classe de 5e. Certaines, plus spécifiquement associées aux deux premières rubriques de A2 (l’air qui nous entoure) ; (le dioxygène) et de B (la lumière), pourront être abordées et seront reprises en classe de 4e dans le cadre du programme, voire en classe de 3e (orage, foudre).

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A. La météorologie et son langage : collecte d’informations

plus fréquents. Recenser ceux qui peuvent, selon vous, concerner la physique ou la chimie.

• La météorologie dans la vie quotidienne : observation personnelle directe ; à quelles occasions entendez vous ou utilisez vous les bulletins météorologiques ? Quelles sont les informations qui vous paraissent compréhensibles, voire importantes ? Quelles informations vous apportent ces bulletins « météo » ? Quelle utilisation en faites-vous ? • Relever un bulletin météorologique (avec un guide de saisie, à la radio ou à la télévision, dans un journal ou au téléphone). Rechercher une liste des termes utilisés pour préciser la situation météorologique, citer les

B. Diverses activités que le professeur traitera au moment opportun

Thème Corrélation avec d’autres disciplines

Lien de ce thème avec la partie du programme

Pour la clarté du document ci-dessous, les relevés de la température, de l’humidité, de la pression, etc., sont évoqués dans des rubriques différentes. Rien n’empêche, bien entendu, de mesurer simultanément l’ensemble de ces grandeurs et de travailler sur des relevés de mesures effectuées aux diverses heures d’une même journée ou, à la même heure, aux divers jours d’une semaine.

Questionnement Contenu

Activités

– Pourquoi dans les bulletins de météorologie parle-t-on de température « sous abri » ? – Dans un abri météo, le thermomètre est souvent suspendu, pourquoi ? Que mesure-t-il ?

TEMPÉRATURE

A1 SVT Géographie Mathématiques

• Examen de bulletins météorologiques • Mesures de température de l’air ambiant : – avec différents thermomètres en un même lieu, – en différents endroits de la classe, – à différentes hauteurs par rapport au • Importance de la température de l’air sol (0 cm – 50 cm – 1 m – 1,5 m), en météorologie – en un même lieu, avec le réservoir • Température sous abri du thermomètre, soit dans un récipient • Thermographe peint en noir, soit dans un récipient • Exploitation des résultats de mesures peint en blanc (les deux récipients de températures : graphique, moyenne étant exposés à la lumière) • Relevés réguliers de température (si possible dans un abri météorologique)

Niveau recommandé pour aborder ce thème

Aspect méthodologique Utiliser différents thermomètres. Recenser différents facteurs qui peuvent influer l’indication d’un thermomètre. Vérifier expérimentalement le rôle de chacun des facteurs. Les nombreuses expériences au cours desquelles un seul paramètre varie donnent un sens à l’expression « toutes choses égales par ailleurs ». On accède ainsi progressivement à l’idée capitale de reproductibilité des mesures.

5e

Faire établir un protocole d’utilisation correcte d’un thermomètre pour la mesure de la température de l’air ou d’un autre milieu. Examiner un graphique donnant la température de l’air en fonction de l’altitude. Mesure sous abri en météorologie Le thermomètre météorologique doit être placé à l’abri des rayonnements solaires directs ou indirects, des intempéries et du vent. De telles conditions sont réalisées dans « l’abri météo ». La construction d’un tel abri peut être envisagée (se reporter au document placé en annexe à la fin de cette fiche).

104 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

Thème Corrélation avec d’autres disciplines

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Questionnement Contenu

Activités

– Sous quelles formes l’eau est-elle présente dans l’atmosphère ? – Les nuages, le brouillard. – Quels sont les différents types de précipitations ? La pluie, la neige. – Autres aspects de l’eau : le givre, le verglas, la buée, la rosée, etc. – Qu’appelle-t-on « cycle de l’eau » ?

HYGROMÉTRIE Cycle de l’eau Précipitations A1 SVT Géographie

• Condensation de la vapeur d’eau au contact d’un corps froid • Évaporation (eau à diverses températures, différentes surfaces libres) • Étude de l’ébullition de l’eau, tableau de mesures et exploitation graphique. Quelques mesures directes doivent permettre la compréhension du principe des mesures. Si le professeur dispose • Mise en évidence de l’eau par le test d’un ordinateur muni d’un système au sulfate de cuivre d’acquisition de données, de nouvelles • L’humidité de l’air, l’hygromètre séries de mesures pourront être rapide• Les changements d’état physique de ment réalisées dans des conditions l’eau : solidification/fusion, évaporation, différentes. ébullition, condensation • Étude de la fusion de la glace, tableau • Les différents nuages de mesures et exploitation graphique • Exploitation de résultats de mesures • Expérience reproduisant la formation d’hygrométrie et de pluviométrie de rosée, de givre, de verglas • Relevés réguliers d’hygrométrie et de hauteur de précipitations • Construction d’un pluviomètre simple.

Niveau recommandé pour aborder ce thème

5e

Ce thème permet de découvrir les trois états physiques de l’eau, ses changements d’état physique et la vapeur d’eau, souvent confondue avec la buée.

Aspect méthodologique L’étude de l’évaporation de l’eau permettra de mettre au point des protocoles au cours desquels ne varie qu’un seul des facteurs (toutes choses égales, par ailleurs) : grande surface ou petite surface libre pour des quantités d’eau égales prises à la même température (quantités d’eau égales dans des récipients identiques mais à des températures différentes maintenues constantes). La précision de la mesure de la « hauteur d’eau » (de l’ordre de quelques millimètres) nécessite des aires de capture importantes. Les volumes d’eau ainsi récupérés sont suffisants pour être mesurés dans des éprouvettes graduées étroites. L’étude de la fusion de la glace et de l’ébullition de l’eau doivent aussi faire comprendre qu’un apport d’énergie est nécessaire. Dans le cas des phénomènes météorologiques, le soleil, la terre ou la mer pourront apporter cette énergie.

Une expérience très simple telle que la détermination de la durée de la fusion d’un gros glaçon (obtenu en congelant l’eau dans une bouteille d’eau minérale en matière plastique) surprend toujours les élèves. Elle permet de faire comprendre, sans utiliser le vocabulaire scientifique (capacité thermique massique et chaleur latente), que les changements de température de l’eau, et plus encore ses changements d’état physique, demandent de grandes quantités d’énergie. Pour des masses d’eau importantes, l’élève constatera les variations lentes de la température (grande capacité thermique massique et « chaleur latente » importante de changement d’état). Par exemple, il faut environ 7 fois plus d’énergie pour faire passer une masse donnée d’eau à 100 °C de l’état liquide à l’état gazeux que pour porter cette masse de 20 °C à 100 °C. Ces propriétés physiques de l’eau expliquent le terme « d’inertie » utilisé pour rendre compte des faibles amplitudes thermiques des climats tempérés.

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 105

Thème Corrélation avec d’autres disciplines

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Questionnement Contenu

Activités

A1 A2

– L’indication d’un baromètre est-elle la même au sol et en altitude ? – Y a-t-il une pression sur un astre dépourvu d’atmosphère ? – Un baromètre permet-il de prédire le temps ? Dans le bulletin météorologique, on parle souvent d’anticyclone, de dépression. Pourquoi ? • La mesure avec le baromètre, unités • Variations de la pression de l’air

• Examen d’un baromètre métallique (boîtes anéroïdes) • Étude de cartes donnant la pression en fonction de l’altitude • Manifestations de la pression atmosphérique (ventouse-pipette) • Variations de la pression de l’air (cloche à vide, seringue, sac plastique comprimé) • Relevés réguliers de pression atmosphérique • Examen de cartes d’isobares ; identification des zones anticycloniques et des dépressions

PRESSION ATMOSPHÉRIQUE

– Géographie Mathématiques

Pour ce qui est de la variation de la pression avec l’altitude, on peut se référer à des observations personnelles (baromètre, altimètre) ou relater des expériences historiques (ascension du Puy-deDôme par Blaise Pascal). Cette expérience a permis de comprendre que la pression est engendrée par le poids de la colonne d’air surmontant le lieu où on la mesure. À la surface d’un astre dépourvu d’atmosphère, la pression est pratiquement nulle (exemple de la Lune). Le concept de pression ne sera pas explicité en terme de force pressante rapportée à l’unité de Thème Corrélation avec d’autres disciplines VENT

Géographie Mathématiques

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4e

surface. Avec un baromètre métallique démonté, on montre que « l’enfoncement délicat » des boîtes anéroïdes produit une augmentation de l’indication de la valeur de la pression. À partir de l’hypothèse de l’air comme cause principale de la pression atmosphérique, on expliquera les différentes expériences en enfermant le baromètre dans des enceintes à l’intérieur desquelles on fera varier la pression. Pour la prévision météorologique, une variation très rapide de pression est souvent synonyme d’un changement de temps.

Questionnement Contenu

Activités

– Quels renseignements concernant le vent sont donnés par les bulletins météo (et notamment en météo marine) ? • Orientation : points cardinaux • Direction du vent : la girouette, la manche à air • L’anémomètre : l’échelle de Beaufort, « force » du vent

• Orientation avec une boussole, interaction entre aimants • Lecture de la direction donnée par la girouette • Lecture de la vitesse du vent donnée par l’anémomètre • Observation du sens des vents sur des cartes isobariques

La girouette indique d’où vient le vent. On observe, à partir des cartes météorologiques relatives à l’hémisphère Nord, que les vents tournent dans le sens de rotation des aiguilles d’une montre autour des anticyclones, et en sens inverse autour des dépressions. L’intuition semblerait indiquer que les dépla-

Niveau recommandé pour aborder ce thème

Niveau recommandé pour aborder ce thème

5e

cements d’air se dirigent en ligne droite des anticyclones vers les dépressions. L’effet observé est lié à la rotation diurne de la Terre autour de l’axe passant par les deux pôles : il est hors de question de présenter une explication de ce phénomène à un élève de collège.

106 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

Thème Corrélation avec d’autres disciplines

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QUALITÉ DE L’AIR ENVIRONNEMENT A1 A2

SVT

Questionnement Contenu

Activités

– Qu’est-ce que l’eau pure ? – L’eau de pluie est-elle pure ? – Que signifie l’expression « pluies acides » ? – Qu’entend-on par « air pur » ? – Qu’est-ce que la qualité de l’air ? – Quelles sont les conséquences de la pollution atmosphérique ? – Quels comportements doit-on adopter pour maintenir la qualité de l’air ?

• Recherche documentaire : documents sur la pollution atmosphérique et sur certaines situations météorologiques favorables à la pollution de l’air • Dissolution du dioxyde de carbone, du dioxyde de soufre, du chlorure d’hydrogène dans l’eau et évolution du pH • Réactions de quelques matériaux avec les solutions acides : calcaire, fer, etc. • Comparaison de la température à l’intérieur d’une serre et de la température extérieure

En abordant ce thème, le professeur dispose d’une occasion priviligiée pour montrer que la physique et la chimie permettent une analyse rationnelle des problèmes d’environnement. La mobilité de l’air atmosphérique, les propriétés solvantes de l’eau favorisent le déplacement et la diffusion de substances polluantes (par leur présence ou par leur concentration excessive). Si l’eau de pluie dissout un peu de dioxygène et un peu de diazote atmosphériques, elle dissout aussi le dioxyde de soufre (rejets volcaniques mais aussi résidus de la combustion des charbons et de fiouls mal désulfurés), certains oxydes d’azote (produits par des combustibles, incomplètes et parasites, de moteurs à combustion interne). Les eaux de pluie sont alors plus

Thème Corrélation avec d’autres disciplines

ORAGE, FOUDRE

Lien de ce thème avec la partie du programme

C1

Niveau recommandé pour aborder ce thème

5e 4e

ou moins chargées d’acides sulfurique et nitrique mais elles contiennent aussi des poussières (industrielles ou autres), et ont un rôle purificateur pour l’atmosphère. Le professeur pourra faire observer que le concept d’« air pur » est différent du concept d’« eau pure ». Convenablement purifiée, l’eau tend vers le corps pur alors que, même non pollué, l’air est un mélange gazeux. La composition de l’air peut être modifié par l’intervention humaine (pollutions, rejets de combustions, etc.) mais aussi par des phénomènes naturels (volcanisme, etc.). L’objectif final est de comprendre que le meilleur traitement contre la pollution est tout simplement la limitation de sa production.

Questionnement Contenu

Activités

– Pourquoi l’orage est-il accompagné d’éclairs ? • Électrisation • Interactions électrostatiques • Décharges électriques • Danger, protection : le paratonnerre

• Électrisation par frottement • Interactions de matériaux chargés électriquement (pendule) • Décharges électriques à travers l’air (simulation des différents types d’éclairs)

Niveau recommandé pour aborder ce thème

3e

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 107

Thème Corrélation avec d’autres disciplines

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Saisons B1 B2 Géographie SVT

Questionnement Contenu

Activités

– Pourquoi y a-t-il des jours et des nuits ? Pourquoi la durée du jour varie-t-elle au cours de l’année ? – Pourquoi y a-t-il des saisons ? – Pourquoi les saisons des deux hémisphères sont-elles décalées de six mois ? – Comment orienter efficacement des capteurs solaires ? • Éclairement du sol • Alternance du jour et de la nuit • Saisons

• Exploitation du calendrier de la poste • Illustration du jour et de la nuit à l’aide d’une maquette ; simulation logicielle • éclairage d’une surface avec une lampe ; comparaison de l’échauffement de la plaque pour des inclinaisons différentes du faisceau incident • Illustration des saisons sur une maquette ; simulation logicielle : influence de la latitude, rôle de l’inclinaison de l’axe polaire sur l’écliptique

On comparera, dans diverses situations, l’énergie reçue par rayonnement en un temps donné par une surface donnée. L’éclairement correspond (grosso modo) à la contribution de la lumière visible à cette grandeur.

Thème Corrélation avec d’autres disciplines

Lien de ce thème avec la partie du programme

CLIMATS Géographie SVT

B1 B2

Thème Corrélation avec d’autres disciplines Mesures et observations météorologiques à partir de satellites

Lien de ce thème avec la partie du programme A1 A2 C1 C2

4e

Les élèves doivent abandonner l’idée fausse (mais répandue) selon laquelle les saisons sont provoquées par des variations de la distance Terre-Soleil au cours de l’année.

Questionnement Contenu

Activités

– Quels sont les facteurs déterminant le caractère tempéré d’un climat ?

La climatologie a pour mission d’archiver les observations météorologiques afin de les exploiter pour une meilleure prévision dans le

Niveau recommandé pour aborder ce thème

• Comparaison de données climatologiques • Échanges de relevés de température avec un collège situé dans une zone climatique différente

Niveau recommandé pour aborder ce thème 4e

futur. Elle permet aussi l’étude précise des différents climats sur la Terre.

Questionnement Contenu – Comment les vues illustrant les bulletins de la météorologie sont-elles obtenues ? • Les ballons-sondes • Les satellites artificiels

Activités

Niveau recommandé pour aborder ce thème

• Exploitation d’images satellitales

108 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

4e et 3e

BIBLIOGRAPHIE INDICATIVE a) Vidéo « voyage dans une perturbation » du CNED, REF C9802V Cette vidéo est adaptée à la formation des professeurs ; elle dure 14 minutes et elle fournit des explications claires sur le concept de perturbation météorologique dans nos régions tempérées, sur les définitions des fronts chauds et froids et les occlusions, sur la propagation du centre tourbillonnaire autour de la dépression, sur le sens de circulation des vents et leur changement de direction en un point du globe, sur l’accompagnement nuageux et les précipitations. Un novice complet sera amené à visionner ce document plusieurs fois et même à faire de l’arrêt sur image pour comprendre car la présentation est assez rapide. Cette démarche professorale une fois faite, le travail pédagogique d’adaptation à l’usage par les élèves peut commencer. Un usage pédagogique intéressant peut être réalisé par petites séquences de l’ordre de la minute avec chaque fois un objectif ou une question particulière et relativement fermée du genre suivant : – Comment sont collectées les images vidéo sur l’Atlantique Nord, y compris la nuit, quand cette partie du globe n’est pas éclairée par le Soleil ? – Qu’appelle-t-on « animation vidéo » et en quoi permet-elle une prévision du temps sur plusieurs heures ? – Quelle est la relation entre la carte barométrique d’une perturbation et le sens dans lequel souffle le vent dans l’hémisphère Nord ? – Si l’on se trouve dans une perturbation et selon le positionnement géographique, se trouve-t-on dans une masse d’air froid ou dans une masse d’air chaud ? Comment se succèdent les masses d’air en un lieu donné ? – Que signifie l’expression « inclinaison d’un front chaud » et en quoi est-ce lié à une distribution nuageuse ? Même question pour un front froid. – Que signifie l’expression « occlusion » ? Comment est-elle reliée à la rencontre des masses d’air froid et comment se positionne la masse d’air chaud ? Pour les climats tropicaux de certaines régions françaises, il faudrait envisager une autre vidéo adaptée à l’étude des alizés par exemple, beaucoup plus simples à comprendre.

b) Logiciel « Climats du monde » de Météo-France, version 1.9 ou suivantes Ce logiciel contient les données des relevés de températures moyennées sur 20 ou 30 ans dans 4 000 sites répartis sur tout le globe (y compris sur les territoires des nouvelles académies). Les grandeurs collectées à chaque endroit (et chaque collège de métropole ou d’ailleurs pourra trouver un site météorologique proche de quelques kilomètres) sont : – les moyennes des températures minimales chaque mois de l’année ; – les moyennes des températures maximales chaque mois de l’année ; – les températures extrêmes pour chaque mois ; – la pluviométrie moyenne pour chaque mois ; – la pluviométrie globale ; – le nombre de jours de gel par mois ; – le nombre de jours de précipitation par mois. Ces grandeurs peuvent être organisées pour chaque lieu sous forme de graphiques d’évolution mensuelle pour les températures notées cidessus et sous forme d’histogrammes pour les précipitations. On pourra renforcer ici les savoir-faire concernant l’usage des représentations graphiques et en même temps travailler sur des représentations comparées de deux sites, se poser des questions sur les raisons des différences de deux lieux très proches ou éloignés et appartenant vraiment à des climats différents (le professeur d’histoire et géographie trouvera également de grands intérêts à l’usage de ce logiciel). L’approche est attrayante dans trois directions : – recherche du site à étudier en « cliquant » sur des cartes du globe de plus en plus ciblées (Europe, puis France, puis Poitou-Charentes puis Poitiers ou bien toute autre station proche, etc.) ; – recherche du site par listes alphabétiques, par pays d’abord, par villes ensuite ; – création d’une animation adaptée à la ville ou aux deux villes choisies par le professeur. En un premier temps, ceci peut servir d’entrée dans le logiciel pour les élèves, le professeur ayant (et c’est facile) préalablement choisi les séquences que verront les élèves. c) « L’eau, l’air, le temps qu’il fait », collection Tavernier, Bordas Ce livre destiné aux maîtres de l’enseignement primaire du CM2 est une mine de situations expérimentales testées sur des concepts tels que température, chaleur, pression ; il peut ser-

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 109

vir pour des élèves du cycle central. La « situation-problème » est reine et le maître est considéré comme le médiateur qui canalise les propositions et délimite un peu les errements. d) « Découvrons la météo avec nos élèves », CRDP de Limoges Ce petit livre noir et blanc donne au professeur l’essentiel pour comprendre les contenus à enseigner. Il montre l’aspect interdisciplinaire de cette science qu’est la météorologie et fournit de façon adaptée aux besoins du cycle central du collège une description de la réalisation et de la gestion d’une petite station météo. Des météorologistes professionnels apportent sur divers points d’intéressants compléments. e) « Météo avec Martial et Cumulus », CRDP de Limoges et Météo-France Haute-Vienne Ce petit livre en couleur permet de répondre simplement à la plupart des questions posées par les élèves. On relève p. 21 une belle synthèse sur la description des principaux nuages et pages 12, 13, 48 une très intéressante méthode, peu connue des enseignants, sur la mesure du degré d’humidité de l’air en fonction de la température ambiante. En fin de cours sur la météorologie, les élèves doivent être capables de comprendre l’ensemble de ce petit livre et, en cours de route, ils peuvent y chercher des réponses à leurs interrogations. Le niveau semble bien adapté au cycle central. f) « La météo de A à Z », de Météo-France, éditions Stock Ce livre richement illustré propose en particulier l’étude des formations nuageuses et celle

des perturbations. Nous avons trouvé des schémas clairs qui permettent de comprendre les prévisions du temps lors du passage d’une perturbation atlantique. Les schémas annotés des pages 109 et 111 sont particulièrement utiles. Les élèves sont capables de lire cet ouvrage avec profit s’ils sont un peu aidés ou si le cours est assez avancé. g) Valise pédagogique, Météo-France, Direction interrégionale Nord Il s’agit d’un classeur qui présente un tableau complet au plan de la météorologie des phénomènes eux-mêmes et des activités de classe possibles. Un ensemble de transparents pour rétroprojecteur accompagne la valise. De beaux documents synoptiques peuvent constituer la base des connaissances à mémoriser ou servir de document de travail pour de nombreuses séances. Une quarantaine de dispositives complète le tout (instruments utilisés, nuages, cartes climatologiques et schémas). Cet ouvrage laisse au professeur de sciences physiques le travail sur les phénomènes physiques mais le libère et le guide dans le domaine de la stricte météorologie. La vidéo du CNED citée en a) et le logiciel en b) font partie de la valise mais il est possible de se les procurer indépendamment. h) Diapositives sur les saisons du CLEA 0 i) Disquette « astronomie » n°1, IREM d’Orléans

110 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

Annexe D6. La station météorologique au collège Les mesures effectuées dans les stations météo doivent être effectuées dans des conditions identiques pour que les résultats entre des lieux différents puissent être comparés. La station doit être située de préférence sur un terrain plat (2 m sur 2 m minimum), dans un espace bien aéré assez éloigné des bâtiments et des arbres. Le terrain sera de préférence clôturé (grillage plastifié sur une hauteur de 1,20 m) pour que le matériel ne subisse que des influences météorologiques. Un double toit empêchera le rayonnement solaire de frapper directement le volume où l’air est étudié. Les faces latérales et la porte seront équipées de persiennes à double pente : l’air doit circuler librement, mais l’intérieur de l’abri doit être protégé contre les intempéries et le soleil. La porte ouvrira vers le nord car le soleil ne doit pas frapper directement les instruments de mesure. Le sol doit être engazonné (pour limiter les phénomènes de réverbération).

L’abri météorologique Son volume ne doit pas être trop faible (un cube de 50 cm d’arête convient très bien). Le bois est le matériau idéal pour le réaliser. Il sera peint en blanc (pour réduire l’échauffement par absorption du rayonnement solaire). Il sera placé à 1,50 m du sol (effet de réverbération du sol moins important).

Les instruments de mesures La girouette fixée sur un mât (il faudrait 10 m de hauteur !). Certaines girouettes possèdent un dispositif permettant de mesurer la vitesse du vent (anémomètre). Le thermomètre Le thermomètre à minima et maxima L’hygromètre Le barographe (baromètre enregistreur) Le pluviomètre à lecture directe ou le pluviomètre Remarques : Beaucoup d’appareils pourront être réalisés par les élèves : pluviomètres, hygromètres à cheveu, girouettes, et certains montages électroniques permettent d’excellentes mesures de vitesse du vent, de pressions, de températures. Les relevés quotidiens devront être effectués toujours aux mêmes heures.

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 111

À propos des « fiches connaissances » de l’école élémentaire Les programmes de l’école élémentaire sont définis par l’arrêté du 22 février 1995. Ils comportent une partie « Découvrir le monde » au cycle I, une partie « Découverte du monde » au cycle II, et une partie « Sciences et technologie » au cycle III. Dans un entretien accordé au BO du 21 mars 1996, le directeur des écoles estimait que « globalement, l’enseignement des sciences à l’école élémentaire n’est guère satisfaisant : le volume horaire effectif consacré à cette matière est trop faible, et, par exemple, les sciences dites “de la matière” sont abordées de manière trop théorique, trop abstraite. » Face à ce constat, la direction des écoles a mis en place, depuis 1995, une opération destinée à donner un nouvel élan à l’enseignement des sciences à l’école. Ainsi, en 1996-1997, 344 classes, dans cinq départements, participent à l’opération « La main à la pâte », où, dans le cadre d’un dispositif départemental associant les enseignants, les IEN, les IUFM et des institutions scientifiques locales, les élèves pratiquent régulièrement des activités scientifiques, font des expériences, notent leurs observations sur leurs cahiers. Cette opération conduira à la mise à la disposition des instituteurs de documents d’accompagnement des programmes de sciences : fiches d’expériences, listes de matériel, exemples de séquences.

C’est dans ce cadre que seront également mises à disposition des enseignants les « fiches connaissances », dont on trouvera ci-joint quelques exemples. Outils de travail pour les enseignants, elles visent à exprimer, en des termes accessibles à des élèves du cycle III, les connaissances sous-jacentes aux programmes de 1995 de l’école élémentaire. C’est en référence à ces programmes que ces fiches prennent leur sens. La version que l’on trouvera ci-dessous est une version provisoire, destinée à être enrichie par les remarques des 344 enseignants participant à l’opération. Le Groupe Technique Disciplinaire (GTD) de physique-chimie a estimé que ces fiches pouvaient être riches d’enseignements, non seulement pour les maîtres à qui elles sont destinées, mais également pour les enseignants de sciences physiques des collèges. Dès le début de ses travaux d’élaboration des programmes du cycle central, le GTD a pris en compte l’évolution de l’enseignement « Sciences et technologies » de l’école élémentaire. En cours de rédaction, les « fiches connaissances » ont été soumises au GTD. Les professeurs constateront donc sans surprise la grande cohérence qui existe entre ces fiches et les programmes du cycle central parus au BO du 14 février 1997.

112 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

Fiche « connaissances » physique-chimie Électricité 1. Programme Cycle II : Utilisation d’appareils alimentés par des piles. Cycle III : Montages électriques : réalisation de circuits électriques simples alimentés uniquement à l’aide de piles ; rôle de la pile ; ses deux pôles ; principes élémentaires de sécurité des personnes et des biens dans l’utilisation de l’électricité. Mécanismes : objets électromécaniques.

2. Connaissances Un générateur électrique comporte deux pôles (ou bornes). Un générateur peut faire circuler un courant électrique dans une boucle fermée formée du générateur et d’objets conducteurs reliant un pôle du générateur à l’autre pôle (circuit électrique). Le courant électrique permet des transferts d’énergie d’un endroit à un autre. Le passage d’un courant électrique dans le corps humain présente des dangers qui peuvent être mortels. Une bobine de fil conducteur parcourue par un courant électrique se comporte comme un aimant 1.

3. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant « Courant » est employé dans de nombreux sens : adjectif (une situation courante), verbe (en courant, je suis tombé), nom (courant d’eau, d’air, etc.). « Pôle » désigne aussi les pôles de la Terre et les pôles d’un aimant. « Conducteur » désigne le conducteur d’une voiture. « Ferme la lumière » signifie en général : « Éteins la lumière », alors que, en termes de physique, le courant circule lorsque le circuit électrique est fermé. Pour éteindre la lumière il faut, en termes de physique, ouvrir le circuit.

(1) En ce qui concerne le champ créé, l’analogie aimantbobine n’est valable qu’à l’extérieur de la bobine ; c’est le cas pour toutes les situations étudiées à l’école élémentaire.

4. Difficultés provenant des idées préalables des élèves L’utilisation de l’électricité est associée à la notion de danger. On s’appuie, en classe, sur cette idée salutaire pour rendre rationnels les comportements relatifs à la sécurité. Dans les installations domestiques, deux fils conducteurs sont en général présents dans un même cordon. Les élèves ont ainsi l’impression que le courant est amené de la « prise » à l’appareil électrique par un seul fil, et est absorbé par l’appareil, sans idée de retour, ou de circulation du courant. Lorsque les manipulations faites en classe ont permis d’aborder la notion de circuit électrique, cette notion reste souvent associée à l’idée selon laquelle chaque pôle de la pile envoie « quelque chose » dans l’ampoule, et que la rencontre de ces « quelque chose » produit de la lumière, ou encore à l’idée selon laquelle le courant « s’use » en circulant dans le circuit (au lieu de considérer qu’un même courant circule, d’un pôle du générateur à l’autre, dans un circuit en série).

5. Quelques écueils à éviter lors des manipulations Il faut attirer l’attention des élèves sur le fait que l’on ne doit pas refaire à la maison, avec les prises de courant, les expériences faites en classe avec des piles. Il est indispensable que les expériences soient réalisées avec des montages comportant des contacts électriques fiables ; il convient, en particulier, de disposer de supports pour les lampes. Au niveau de l’école élémentaire, les notions d’isolant et de conducteur sont des notions uniquement pratiques, liées au dispositif utilisé : si l’on utilise un appareil témoin peu sensible (ampoule), l’eau du robinet est classée comme isolante, les métaux sont classés comme conducteurs, alors qu’avec un témoin plus sensible, l’eau du robinet est classée comme conductrice.

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 113

La réalisation de montages en série ou en dérivation ne s’accompagne d’aucune définition théorique. Les pôles (bornes) d’une pile sont notés + et –. Les pôles d’un aimant ne doivent pas être notés + et –, mais sont notés N (pour Nord) et S (pour Sud).

6. Autres notions liées Voir fiche « Énergie ».

7. Pour en savoir plus Tension de sécurité : en milieu humide, il est dangereux de soumettre le corps humain à une tension de 24 V. La tension du secteur (220 V) présente donc toujours des risques mortels. Les piles débitent du courant continu, qui, dans la partie du circuit extérieure à la pile, circule du pôle + vers le pôle –. Les centrales électriques qui alimentent les prises de courant, les

alternateurs de bicyclette, débitent du courant alternatif. Cette distinction n’est à aborder à l’école élémentaire que par ses conséquences concrètes. (Comment placer les piles dans un appareil compte tenu du fait que les deux pôles sont électriquement différents ? Quel est le sens de rotation d’un moteur alimenté par des piles ?). Les éclairs de l’orage sont des courants électriques.

8. Liens avec les situations concrètes observées dans l’environnement des élèves ; expériences réalisées par les élèves Partie intégrante de la démarche pédagogique propre à l’enseignement des sciences à l’école élémentaire, ces deux aspects ne sont pas traités dans les présentes « fiches connaissances », qui ne sont pas des fiches d’expériences.

114 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

Fiche « connaissances » physique-chimie Énergie

1. Programme Cycle 3 : Exemples simples de sources et de production d’énergie ; consommation et économie d’énergie.

2. Connaissances L’utilisation d’une source d’énergie est nécessaire pour chauffer, éclairer, mettre en mouvement.

3. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant L’emploi, dans le langage courant, du mot « énergie », ou de l’adjectif « énergique » se rapporte souvent au comportement humain et évoque plutôt une idée de grande puissance et de rapidité de l’action : « énergie du désespoir », « réaction énergique », etc. Ceci fait que les élèves comprennent difficilement que les transferts d’énergie peuvent se manifester par des effets faibles : entretien du mouvement d’une montre par une pile, par exemple.

4. Difficultés provenant des idées préalables des élèves L’élaboration du concept d’énergie nécessite l’analyse d’une certaine diversité de situations et de phénomènes, sur lesquels les idées préalables des élèves sont souvent inexactes. C’est le cas en particulier pour le courant électrique dont les élèves pensent qu’il peut être produit sans rien consommer : caractère mystérieux et magique des centrales nucléaires, eau se « transformant » en courant électrique dans les centrales hydrauliques, prises de courant « donnant du courant » dès qu’elles sont installées dans une pièce, sans même être reliées au réseau EDF, etc. De même, la lumière est plutôt conçue par les élèves de façon statique, comme un état de l’espace s’opposant à l’obscurité. L’absence de l’idée d’une émission en continu et d’une propagation constitue un obstacle pour la mise en relation de la lumière avec la notion d’énergie.

5. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations Lors de l’étude expérimentale ou documentaire de diverses situations d’utilisation d’une source d’énergie, il serait illusoire de vouloir faire raisonner les élèves de l’école élémentaire en termes de transferts d’énergie, et encore plus en termes de transformation d’une forme d’énergie en une autre forme. En effet, ce niveau de raisonnement n’a de pertinence que dans le cadre du principe physique fondamental de conservation de l’énergie, qui impliquerait un traitement quantitatif et une compréhension de la diversité des formes et modes de transfert de l’énergie avec le vocabulaire pléthorique associé (énergie cinétique, mécanisme, potentielle, chimique, nucléaire, thermique, rayonnante, etc.). L’emploi de ce vocabulaire et l’étude des notions sous-jacentes sont de toute évidence hors du champ accessible à l’école élémentaire. Les chaines de transformation que l’on est amené à aborder (des muscles du cycliste à la lumière des « feux » de la bicyclette, du fioul de la centrale électrique à l’éclairage de l’appartement, etc.) sont donc abordées de façon purement causale et qualitative, sans introduction d’un vocabulaire formalisé relatif à l’énergie.

6. Autres notions liées Voir fiche « Lumière » et « Électricité ».

7. Pour en savoir plus Quand une source d’énergie est utilisée pour produire un effet quelconque, son « capital » d’énergie diminue. L’obtention d’un effet, même minime, nécessite la consommation d’une certaine quantité d’énergie. (« On n’a rien sans rien… »). Au cours de ses transformations, l’énergie se conserve. Les « pertes » d’énergie correspondent donc aussi à des transformations, et pas à des disparitions d’énergie (ces considérations ne sont pas abordées à l’école élémentaire). Indications techniques et économiques : il existe un nombre limité de sources d’énergie

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 115

naturelles. En France, on utilise trois principaux types de centrales pour produire le courant électrique : les centrales hydrauliques utilisant l’eau des rivières, les centrales thermiques à flamme utilisant le charbon, le fioul ou le gaz naturel, les centrales thermiques nucléaires utilisant l’uranium. Quelles que soit la méthode choisie, la production d’énergie présente des inconvénients pour l’environnement, inconvénients qu’il faut analyser pour prendre des décisions rationnelles.

8. Liens avec les situations concrètes observées dans l’environnement des élèves ; expériences réalisées par les élèves Partie intégrante de la démarche pédagogique propre à l’enseignement des sciences à l’école élémentaire, ces deux aspects ne sont pas traités dans les présentes « fiches connaissances », qui ne sont pas des fiches d’expériences.

116 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

Fiche « connaissances » physique-chimie États de la matière et changement d’état 1. Programme Cycle II : L’eau dans la vie quotidienne : la glace, l’eau liquide, la vapeur d’eau ; l’existence de l’air. Cycle III : L’eau : ébullition et évaporation ; congélation état liquide, état gazeux, état solide.

2. Connaissances L’eau existe sous trois états : solide (la glace), liquide, gazeux (la vapeur d’eau). L’eau à l’état liquide suffisamment refroidie change d’état et se transforme en glace : c’est la congélation. La glace suffisamment chauffée change d’état et se transforme en eau à l’état liquide : elle fond, c’est la fusion. L’eau à l’état liquide suffisamment chauffée change d’état, elle bout et se transforme en vapeur d’eau : c’est l’ébullition 1. La vapeur d’eau suffisamment refroidie change d’état et se transforme en eau à l’état liquide : c’est la condensation. L’eau à l’état liquide peut se transformer en vapeur d’eau lentement même sans bouillir : c’est l’évaporation. Chaque substance existe sous trois états : solide, liquide, gazeux 2. Un solide a une forme propre, un liquide n’a pas de forme propre. La surface libre d’un liquide au repos est horizontale 3. La Terre est entourée d’une couche d’air, qui constitue l’atmosphère. 1. Limite de cette affirmation : dans certains cas, l’eau ne peut pas bouillir dans un récipient hermétiquement fermé. Cette situation exceptionnelle n’est pas étudiée à l’école élémentaire. 2. Cette affirmation présente des exceptions (exemple : substances qui, chauffées, subissent une modification chimique avant de changer d’état). De plus, certains cas (cristaux liquides, substances dites « pâteuses », etc.) sont d’interprétation délicate. Ces situations ne sont pas étudiées à l’école élémentaire. 3. Cela n’est pas vrai si la surface de séparation liquide/gaz est influencée par la proximité d’une paroi solide (ménisques, phénomènes capillaires). Cela n’est pas vrai non plus en impesanteur.

3. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant Dans le vocabulaire courant : – Solide s’oppose souvent à « fragile » ou à « mou », et non à liquide et gazeux. – Gaz désigne surtout le gaz combustible utilisé comme moyen de chauffage domestique. – L’expression « eau gazeuse » ne désigne pas l’eau à l’état gazeux. – Le mot « fondre » est souvent employé pour « se dissoudre » : « le sucre fond dans l’eau » (au lieu de : « se dissout »). – Le mot « vapeur » désigne d’autres gaz que la vapeur d’eau (vapeur d’alcool, d’éther, etc.).

4. Difficultés provenant des idées préalables des élèves Les élèves considèrent que la glace, l’eau et la vapeur sont trois substances différentes. Cette représentation est renforcée par le fait que, sous chacun de ses trois états, l’eau porte un nom usuel différent. Ils ont du mal à admettre l’existence des gaz. Pour eux, l’air immobile n’existe pas réellement ; seuls le vent, les courants d’air ont une réalité.

5. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations Lorsque l’on chauffe de l’eau dans un récipient, on observe d’abord de petites bulles d’air (initialement dissout dans l’eau) qui s’échappent de l’eau. C’est en poursuivant le chauffage que l’on voit apparaître de grosses bulles de vapeur d’eau qui s’échappent de l’eau lors de l’ébullition. Lorsque l’eau bout, on voit en général un brouillard au-dessus du récipient ; ce brouillard est constitué par de fines gouttelettes d’eau résultant de la condensation de la vapeur d’eau dans l’air froid au-dessus du récipient. Les élèves appellent souvent ce brouillard « fumée », alors qu’une fumée comporte de fines particules solides, ce qui n’est pas le cas ici. Ils appellent aussi ce brouillard « vapeur », alors que la vapeur d’eau est un gaz invisible ; ils

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 117

appellent également ce brouillard « buée » alors que le mot buée désigne plutôt les fines gouttelettes d’eau qui se déposent sur un objet froid.

6. Autres notions liées Température. Voir aussi fiche « Mélanges et solutions ».

7. Pour en savoir plus Lors d’un changement d’état, il y a conservation de la nature de la substance et de la quantité de matière (la masse se conserve). La fusion de la glace et l’ébullition de l’eau pure ont lieu à température constante. L’eau liquide et la vapeur d’eau peuvent exister en même temps.

Lors d’un changement d’état, le volume change en général. Lors de la congélation de l’eau liquide, dans les conditions usuelles, le volume augmente (cette propriété fait de l’eau un cas exceptionnel par rapport à celui des autres corps).

8. Liens avec les situations concrètes observées dans l’environnement des élèves ; expériences réalisées par les élèves Partie intégrante de la démarche pédagogique propre à l’enseignement des sciences à l’école élémentaire, ces deux aspects ne sont pas traités dans les présentes « fiches connaissances », qui ne sont pas des fiches d’expériences.

118 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

Fiche « connaissances » physique-chimie Lumière

1. Programme Cycle 3 : Lumière et ombre

2. Connaissances La lumière issue d’une source lumineuse se déplace en suivant un chemin rectiligne 1. L’ombre d’un objet opaque par rapport à une source ponctuelle est la zone de l’espace qui ne reçoit pas la lumière de cette source, car cette lumière est arrêtée par l’objet. La forme de l’ombre d’un objet par rapport à une source ponctuelle dépend de la forme de l’objet et de la position de la source par rapport à l’objet. Pour qu’un objet soit vu, il faut que la lumière issue de cet objet entre dans l’œil.

3. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant Certains élèves associent systématiquement lumière à électricité (éclairage électrique). Le mot « ombre » désigne, en général, l’ombre portée sur le sol, sur un mur, sur un écran, sur un objet. C’est cette ombre portée que l’on étudie dans les manipulations. Le mot ombre est employé dans de nombreuses expressions figurées : faire de l’ombre, homme de l’ombre, zones d’ombre, tirer plus vite que son ombre, etc.

4. Difficultés provenant des idées préalables des élèves Les élèves n’ont pas l’idée de la propagation de la lumière : la clarté ou l’obscurité sont plutôt considérées comme un « état » du lieu, fonction de la présence ou non d’une lampe (ou du Soleil). 1. La lumière ne se propage en ligne droite que dans un milieu qui a partout les mêmes propriétés. Il n’y a donc pas propagation rectiligne si la lumière rencontre un corps opaque, ni lors du passage d’un milieu à un autre (eau/air,…) ou dans une situation telle que le phénomène de mirage, dû aux variations de température de l’air. Ces derniers cas ne sont pas traités systématiquement à l’école élémentaire, et leur explication ne peut être abordée à ce niveau.

Les élèves ne conçoivent pas qu’un objet quelconque peut envoyer de la lumière vers nos yeux ; cela ne leur apparaît que s’il s’agit d’une source lumineuse reconnue ; lampe, Soleil. La présence de lumière n’est reconnue par les élèves que « sur une source intense, ou « sur » une zone très éclairée (zone directement éclairée par le Soleil, par exemple). Le phénomène de la vision des objets est souvent conçu suivant le modèle erroné du « rayon visuel » partant de l’œil pour aller capter l’image de l’objet. Beaucoup d’élèves pensent qu’ils peuvent voir la lumière « de côté », (c’està-dire qui passe devant leurs yeux) sans que cette lumière entre dans leurs yeux.

5. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations L’ombre d’un objet par rapport à une source déterminée ne reçoit pas de lumière provenant de cette source, mais elle reçoit en général la lumière émise ou diffusée (envoyée) par les autres objets environnants. De même, un objet éclairé par plusieurs sources de lumière a autant d’ombres qui’l y a de sources. L’affirmation « l’ombre est la zone qui ne reçoit pas de lumière » est donc, en général, incorrecte car imprécise. L’utilisation d’une source de lumière étendue (lampe avec grand réflecteur, Soleil) engendre des ombres aux coutours difficiles à interprèter (ombre, pénombre, etc.). Il est donc utile, pour faire les schémas des expériences, d’utiliser dans une première étape des sources lumineuses pouvant être assimilées à un point et de tracer avec la règle un trait reliant ce point aux « bords » de l’objet éclairé pour interpréter la forme de l’ombre portée.

6. Autres notions liées Voir fiche « Énergie » : la production de lumière nécessite l’utilisation d’une source d’énergie ; la lumière transporte de l’énergie et, en particulier, le rayonnement solaire transfère de l’énergie, dont le Soleil est la source ; cette énergie est essentielle pour la vie sur Terre.

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 119

7. Pour en savoir plus L’ombre telle qu’elle est définie au paragraphe 2 désigne toute la zone de l’espace qui ne reçoit pas de lumière de la source considérée ; c’est en ce sens que l’on dit, par exemple : « je marche sur le trottoir à l’ombre de l’immeuble », ou que, lors d’une éclipse : « la Lune passe dans l’ombre de la Terre ». Cette zone comporte une zone « d’ombre propre » (partie de l’objet non éclairée), et, s’il y a dans cette zone une ou plusieurs surfaces (sol, écran, mur, etc.), des ombres portées sur le sol, l’écran, le mur. La maîtrise de ce vocabulaire (ombre, ombre propre, ombre portée) est difficile à l’école élémentaire. Un objet éclairé (ou des poussières) diffuse (renvoie) un peu de lumière dans toutes les directions, ce qui permet qu’on le voie, puisqu’un objet n’est vu que s’il renvoie de la lumière vers l’œil. Ainsi, un objet opaque

« arrête » la propagation en ligne droite de la lumière, et diffuse une partie de la lumière. Un miroir qui reçoit de la lumière revoie celleci dans une direction bien précise, qui dépend de la direction de la lumière qui arrive sur le miroir. (Il diffuse aussi une partie de la lumière, ce qui permet qu’on le voie.) La lumière se déplace à une vitesse grande et met environ 8 minutes pour venir du Soleil.

8. Liens avec les situations concrètes observées dans l’environnement des élèves ; expériences réalisées par les élèves Partie intégrante de la démarche pédagogique propre à l’enseignement des sciences à lécole élémentaire, ces deux aspects ne sont pas traité dans les présentes « fiches connaissances », qui ne sont pas des fiches d’expériences.

120 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

Fiche « connaissances » physique-chimie Mélanges et solutions 1. Programme Cycle II : L’eau dans la vie quotidienne. Cycle III : Exemples de mélanges et solutions réalisables en classe. Qualité de l’eau.

2. Connaissances Certains gaz, certains liquides, certains solides, peuvent se dissoudre dans l’eau en quantité appréciable (dissolution). Lors d’un mélange ou d’une dissolution, la quantité de matière, et donc la masse, se conservent.

3. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant Les susbtantifs « solution » et « dissolution » correspondent au verbe « se dissoudre » ; « solution » correspond aussi au verbe « résoudre » (solution d’un problème). Le langage courant confond systématiquement « dissoudre » et « fondre » : on dit couramment que le sel et le sucre fondent dans l’eau, alors qu’ils se dissolvent. (La fusion est le changement d’état solide/liquide.) Pour ce qui concerne la distinction « mélange solution », se reporter au paragraphe 7.

4. Difficultés provenant des idées préalables des élèves La conservation de la matière lors d’une dissolution n’est pas perçue par les élèves, qui pensent que le sel et le sucre « disparaissent » lorsqu’on les dissout dans l’eau. Les élèves confondent en général eau limpide, pure, transparente, potable, propre. Une eau parfaitement limpide peut contenir des substances dissoutes, alors que les élèves la considérent comme « pure ». Ainsi, l’eau minérale et l’eau du robinet contiennent des substances dissoutes (substances citées sur l’étiquette de la bouteille, pour l’eau minérale, calcaire, entre autres, pour l’eau du robinet). Une eau limpide peut ne pas être potable (si elle contient des substances dissoutes toxiques ou en quantité excessive, ou encore des micro-organismes dangereux).

5. Quelques écueils à éviter lors des manipulations Il est préférable de se limiter, à l’école élémentaire, à des situations simples : mélanges hétérogènes dont on peut séparer les constituants par décantation ou filtration ; solutions de sucre ou de sel de cuisine dans l’eau, etc. (Conservation de la masse totale, obtention à nouveau de la substance dissoute par ébullition ou évaporation lorsque cela est possible.) Une eau trouble contient des matières solides en suspension. Par décantation ou filtration, on peut obtenir une eau limpide ; les élèves pensent que ce liquide est de l’eau pure alors qu’il contient en général encore des substances dissoutes. L’eau « distillée » vendue en droguerie est, elle, proche de l’eau « pure » des chimistes. Pour des raisons de sécurité, il covient d’attirer l’attention des élèves sur le fait qu’il existe des liquides limpides incolores qui ne sont pas de l’eau, et qui peuvent être dangereux, tels que l’alcool à 90° ou l’eau oxygénée.

6. Autres notions liées Voir fiche « États de la matière ». Conservation de la masse.

7. Pour en savoir plus La masse d’une substance qui peut être dissoute dans un volume d’eau est limitée : à une température donnée, lorsque la solution est saturée, si l’on cherche à dissoudre encore plus de substance, elle ne se dissout plus. La vie courante offre de nombreux exemples de mélanges : solide/gaz (fumée : mélange d’un gaz et de particules solides), mélanges gazeux (tel que l’air), liquide/gaz (mousse, aérosol, brouillard), émulsions (telle que l’émulsion huile/vinaigre), etc. L’interprétation des différents phénomènes en termes de particules (atomes, molécules, ions) ne sera abordée qu’au collège. Distinction mélange/solution : ces deux mots sont employés dans libellé du programme. La distinction entre eux n’est pas une distinction scientifique fondamentale, mais une simple distinction d’usage. Lorsque l’on parle d’un

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 121

ensemble hétérogène (eau boueuse, fumée), on emploie toujours le terme mélange ; dans le cas d’un ensemble homogène solide, liquide ou gazeux, on parle aussi de mélange (mélange eau/alcool, mélange gazeux tel que l’air). Mais, dans ce deuxième cas seulement, et pour les ensembles liquides ou solides seulement, on peut employer le terme solution lorsque l’un des composants joue un rôle clairement différent des autres. Ainsi, pour l’eau salée, l’eau est appelée « solvant », le sel « soluté », et l’on parle de solution de sel dans l’eau ; il en est de même pour le sucre et l’eau. Il est clair que les termes « homogène, hétérogène, solvant, soluté », et la distinction d’usage que les ouvrages scientifiques font entre mélange et solution n’ont à faire l’objet

d’aucune étude systématique à l’école élémentaire. Le maître pourra, lorsqu’il lui semble que cela n’alourdit pas l’expression, employer luimême les expressions convenables, mais sans en faire l’objet d’un apprentissage.

8. Liens avec les situations concrètes observées dans l’environnement des élèves ; expériences réalisées par les élèves Partie intégrante de la démarche pédagogique propre à des sciences à l’école élémentaire, ces deux aspects ne sont pas traités dans les présentes « fiches connaissances », qui ne sont pas des fiches d’expériences.

122 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

Fiche « connaissances » sciences de l’univers Mouvement apparent du Soleil 1. Programme Cycle 3 : Le ciel et la Terre : le mouvement apparent du Soleil ; la rotation de la Terre sur elle-même.

2. Connaissances Chaque jour, les habitants de la Terre constatent que le Soleil apparaît (se lève) vers l’Est, monte dans le ciel, culmine (est au plus haut audessus de l’horizon) en passant au-dessus du sud (dans l’hémisphère Nord), redescend et disparait (se couche) vers l’Ouest 1. La Terre est une boule éclairée en permanence par le Soleil : il y a donc à chaque moment une moitié éclairée, où il fait jour et une moitié dans l’ombre, où il fait nuit. Le mouvement du Soleil que l’on observe dans le ciel s’explique par le fait que la Terre tourne sur elle-même, par rapport au Soleil, en un jour, autour de l’axe des pôles (rotation) 2 L’alternance du jour et de la nuit en un lieu de la Terre correspond au passage de ce lieu successivement dans la zone de l’espace éclairée par le Soleil et dans la zone d’ombre.

3. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant Le fait de dire que le Soleil « se lève » et « se couche » correspond à une conception anthropomorphique du Soleil. Il existe une ambiguïté de sens entre les mots « jour » et « journée ». Dans le contexte astronomique, un jour correspond à la durée séparant, en un lieu donné, deux culminations successives du Soleil. Cette durée varie un peu au cours de l’année, sa valeur moyenne est de 24 heures. La journée correspond, quant à elle, au temps pendant lequel le Soleil reste audessus de l’horizon, c’est-à-dire, pratiquement, au temps pendant lequel il « fait jour ».

4. Difficultés provenant des idées préalables des élèves Les plus jeunes élèves se représentent le Soleil comme un être vivant, qui agit (se déplace, éclaire) volontairement. Ils ont également tendance à se représenter le monde suivant le modèle géocentrique, selon lequel la Terre est immobile, le Soleil, et éventuellement les étoiles, tournant autour d’elle en un jour. Certains élèves qui ont eu l’occasion de remettre en cause cette dernière idée expliquent alors le jour et la nuit par le fait que la Terre « tourne autour du Soleil en un jour » (au lieu de « tourne sur elle-même »). Beaucoup d’élèves croient que le phénomène des saisons est dû au fait que la distance TerreSoleil varie au cours de l’année (explication incompatible avec l’inversion des saisons entre l’hémisphère Nord et l’hémisphère Sud), alors que l’explication réside dans le fait que l’axe de rotation de la Terre est « penché », « incliné » (non orthogonal) par rapport au plan de sa trajectoire autour du Soleil.

5. Quelques écueils à éviter lors des observations et des manipulations Lors de la réalisation ou de l’utilisation d’une maquette du système Soleil-Terre, il convient d’insister sur le fait que les proportions ne sont pas respectées et que la maquette ne représente pas une réduction de la réalité à l’échelle. L’étude du mouvement apparent du Soleil nécessite une certaine maîtrise des points cardinaux et de leur repérage à l’aide de la boussole, ainsi que des caractéristiques essentielles de la formation d’une ombre. Cette étude est étroitement liée au repérage dans le temps grâce au cadran solaire.

6. Autres notions liées 1. Cette affirmation n’est pas vraie dans les régions polaires. 2. Par rapport aux étoiles, et non plus par rapport au Soleil, la Terre fait un tour sur elle-même en un peu moins d’un jour (environ 23 heures et 56 minutes). Ce point n’est pas à aborder à l’école élémentaire.

Voir fiche « Lumière ».

7. Pour en savoir plus La trajectoire apparente du Soleil dans le ciel se modifie au cours de l’année, ce qui explique le

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 123

phénomène des saisons. Quand il reste longtemps levé et culmine haut dans le ciel, le Soleil chauffe davantage le sol : c’est la saison chaude. À l’inverse, quand les journées sont courtes et que le Soleil reste assez bas, c’est la saison froide. Ces variations du mouvement apparent du Soleil au cours de l’année s’expliquent par la révolution de la Terre autour du Soleil, au cours de laquelle l’axe des pôles conserve, par rapport aux étoiles, une même direction, qui n’est pas orthogonale au plan de la trajectoire (appelé plan de l’écliptique). Histoire des sciences : le mouvement observé du Soleil dans le ciel est qualifié d’apparent, ce qui ne signifie pas qu’il s’agit d’une illusion. L’étude de ces notions fera très utilement appel à l’histoire des sciences : passage d’une

conception où la Terre était le centre du Monde au modèle copernicien (qui possède une plus grande portée explicative), place de Galilée dans l’évolution vers une conception rationnelle de la connaissance scientifique où le mouvement du Soleil est qualifié d’apparent.

8. Liens avec les situations concrètes observées dans l’environnement des élèves ; expériences réalisées par les élèves Partie intégrante de la démarche pédagogique propre à l’enseignement des sciences à l’école élémentaire, ces deux aspects ne sont pas traités dans les présentes « fiches connaissances », qui ne sont pas des fiches d’expériences.

124 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e

Fiche « connaissances » informatique 1. Programme Cycle III : Approche des principales fonctions des micro-ordinateurs : mémorisation, traitement de l’information, communication.

2. Connaissances L’ordinateur peut garder de l’information en mémoire (exemples : texte, nombre, image, son). L’ordinateur peut recevoir l’information qui lui est communiquée ; il peut communiquer de l’information. L’ordinateur peut modifier l’information et produire des résultats ; il le fait en exécutant un programme. Un programme est une suite d’instructions, écrite par l’homme, enregristrée, et exécutée automatiquement.

3. Difficultés provenant des liens avec le vocabulaire courant La plupart des termes utilisés en informatique on été empruntés à l’usage courant, mais prennent dans le domaine de l’informatique un sens précis lié à ce domaine. Ainsi, la mémoire de l’ordinateur a des fonctions communes avec la mémoire de l’être humain, mais aussi de nombreuses spécificités. (La mémoire de l’être humain ne s’efface pas quand il dort, alors que la mémoire vive de l’ordinateur s’efface lorsqu’elle n’est plus sous tension.) Le programme d’un concert, le programme d’un homme politique sont à distinguer du programme de l’ordinateur. Le terme information couvre, dans l’usage courant, un ensemble très vaste (on regarde « les informations » à la télévision). En informatique, le mot information a un sens plus restrictif ; l’information est ce qui peut être codé sous une forme permettant de distinguer un état parmi plusieurs (par exemple, le code binaire 0 ou 1, qui permet de distinguer un état parmi deux états, ou l’alphabet, qui permet de distinguer un état parmi vingt-six).

4. Difficultés provenant des idées préalables des élèves Les élèves ont souvent une représentation anthropomorphique de l’ordinateur, en lui prêtant une volonté. Cette représentation est accentuée

par certains logiciels, qui font « parler » l’ordinateur à la première personne. Les élèves ont souvent une conception magique : l’ordinateur l’a « dit », donc c’est vrai, sans se demander comment les résultats ont été obtenus.

5. Quelques écueils à éviter lors des manipulations Avec l’ordinateur, plus encore que dans d’autres situations, les élèves procèdent par essais et erreurs, dans une démarche d’exploration spontanée, et souvent fructueuse. Cela conduit parfois les médias à affirmer que « les enfants, mieux que les adultes, connaissent l’informatique ». En fait, la pratique spontanée, souvent riche, ne dispense pas de l’acquisition de quelques notions, qui, elles, ne se dégagent pas spontanément de la pratique, et que le maître introduit en s’appuyant sur la pratique.

6. Autres notions liées 7. Pour en savoir plus Les notions d’informatique citées par le programme de l’école élémentaire sont limitées à celles énoncées au paragraphe 2. Il sera utile, cependant, d’utiliser un vocabulaire technique désignant clairement les éléments ou fonctions utilisées : périphériques d’entrée, de sortie, lecteur de disquette, lecteur de cédérom, disque dur, clavier, souris, écran, imprimante, mémoire vive, unité centrale, réseau, logiciel, ouvrir, enregistrer, fermer un fichier.

8. Liens avec les situations concrètes observées dans l’environnement des élèves ; expériences réalisées par les élèves Partie intégrante de la démarche pégagogique propre à l’enseignement des sciences à l’école élémentaire, ces deux aspects ne sont pas traités dans les présentes « fiches connaissances », qui ne sont pas des fiches d’expériences.

PHYSIQUE-CHIMIE  Accompagnement des programmes 5e-4e ■ 125

Classe de Troisième

Organisation des enseignements du cycle d’orientation de collège (classe de troisième) Arrêté du 26 décembre 1996 – (BO n° 5 du 30 janvier 1997)

Article 1er – Les horaires des enseignements obligatoires et facultatifs applicables aux élèves du cycle d’orientation de collège (classe de troisième) sont définis en annexe du présent arrêté. Article 2 – Les classes de troisième sont organisées en troisième à option langue vivante 2 et en troisième à option technologie. Le choix de l’une ou de l’autre ou d’une troisième en lycée professionnel appartient aux parents ou au responsable légal. Article 3 – Les élèves de troisième à option langue vivante 2 peuvent choisir un ou deux enseignements optionnels facultatifs de latin, grec ou langue régionale. Les élèves de troisième à option technologie peuvent choisir un enseignement optionnel facultatif de deuxième langue vivante. Article 4 – En vue de remédier à des difficultés scolaires importantes, le collège peut mettre en place un dispositif spécifique dont les horaires et les programmes sont spécialement aménagés sur la base d’un projet pédagogique inscrit dans le cadre des orientations définies par le ministre chargé de l’éducation nationale. L’admission d’un élève dans ce dispositif est subordonnée à l’accord des parents ou du responsable légal. Article 5 – Le présent arrêté est applicable à compter de l’année scolaire 1999-2000 en classe de troisième. Le nouveau dispositif d’enseignement des langues anciennes entre en vigueur à la rentrée scolaire 1998 dans le cycle d’orientation. Article 6 – Sont abrogés, à compter de l’année scolaire 19992000, l’arrêté du 22 décembre 1978 fixant les horaires et effectifs des classes de troisième des collèges ainsi que les dispositions de l’arrêté du 9 mars 1993 modifiant l’arrêté du 9 mars 1990 susvisé, pour ce qui concerne l’organisation pédagogique des classes de troisième technologique implantées en collège. L’organisation pédagogique des classes de troisième technologique implantées en lycée professionnel reste fixée par l’arrêté du 9 mars 1990.

PHYSIQUE-CHIMIE  Classe de 3e ■ 129

Article 7 – Le directeur des lycées et collèges est chargé de l’exécution du présent arrêté qui sera publié au Journal officiel de la République française. Fait à Paris, le 26 décembre 1996 Pour le ministre de l’éducation nationale, de l’enseignement supérieur et de la recherche et par délégation Le directeur des lycées et collèges Alain BOISSINOT

130 ■ PHYSIQUE-CHIMIE  Classe de 3e

Horaires des enseignements applicables aux élèves du cycle d’orientation de collège (classes de 3e) Enseignements obligatoires

3e à option langue vivante 2

3e à option technologie

Français Mathématiques Première langue vivante étrangère Histoire-Géographie-Éducation civique Sciences de la Vie et de la Terre Physique-Chimie Technologie Enseignements artistiques (arts plastiques, éducation musicale) Éducation physique et sportive

4 h 30 4 h 00 3 h 00 3 h 30 1 h 30 2 h 00 2 h 00 2 h 00

4 h 30 4 h 00 3 h 00 3 h 00 1 h 30 1 h 30

3 h 00

3 h 00

2 h 00

Enseignements optionnels Obligatoires Deuxième langue vivante (**) Technologie

3 h 00

Facultatifs Latin Grec Langue régionale (***) Deuxième langue vivante (**)

3 h 00 3 h 00 3 h 00

5 h (**)

3 h 00

(*) Enseignement en groupes à effectifs allégés. (**) Langue étrangère ou régionale. (***) Cette option peut être proposée à un élève ayant choisi une deuxième langue vivante étrangère au titre de l‘enseignement optionnel obligatoire.

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Textes réglementaires

Les programmes applicables à compter de la rentrée scolaire 1999 en classe de 3e dans toutes les disciplines pour les classes de 3e à option langue vivante 2 à l’exception des programmes de deuxième langue vivante*, et pour les classes de 3e à option technologie à l’exception des programmes d’histoire-géographie, d’éducation civique, de physique-chimie et de technologie, sont fixés en annexe de l’arrêté du 15 septembre 1998 paru au JO du 30-9-1998. Pour les classes de 3e à option technologie, les programmes d’histoire-géographie, d’éducation civique, de physique-chimie et de technologie, sont fixés en annexe de l’arrêté du 18 juin 1999 paru au JO du 26-6-1999. Les dispositions contraires aux arrêtés mentionnés ci-dessus et figurant en annexe de l’arrêté du 14 novembre 1985 sont caduques à compter de la rentrée scolaire 1999. * les programmes de langues vivantes 2 pour les classes de 4e et sont définis en annexe de l’arrêté du 24 juillet 1997 paru au JO du 1-8-1997 et au Bulletin officiel hors série n° 9 en date du 9 octobre 1997 (deux volumes). Ils sont applicables en classe de 3e à compter de la rentrée scolaire 1999. Des documents publiés en 1998 accompagnent ces programmes. Ils ont été diffusés en nombre dans les collèges et sont disponibles auprès du CNDP et des CRDP. 3e

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Physique-Chimie 3e à option LV2

Présentation

Dans la continuité du programme du cycle central, le programme de 3e part de questions que l’élève est susceptible de se poser dans son cadre de vie quotidien et le conduit à élaborer de façon progressive une représentation rationnelle de son environnement. Il est possible de considérer que la rubrique I (Des matériaux au quotidien) constitue la partie « chimie » du programme, et la rubrique II (Notre environnement physique) en représente la partie « physique ». L’unité du programme se caractérise par des objectifs disciplinaires généraux ainsi que par des objectifs transversaux identiques pour la physique et pour la chimie. Les objectifs de l’enseignement restent ceux qui ont été énoncés dans le programme du cycle central du collège : – Il ne se limite pas à former de futurs physiciens et de futurs chimistes mais entend développer chez l’ensemble des élèves des éléments de culture scientifique indispensables dans le monde contemporain. – Au travers de la démarche expérimentale, il doit former les esprits à la rigueur, à la méthode scientifique, à la critique et à l’honnêteté intellectuelle. Avec des sujets et des expériences attractifs, il doit susciter la curiosité. – L’enseignement de physique-chimie doit former au raisonnement, tant quantitatif que qualitatif. L’étude de la matière et de ses transformations est par excellence le domaine du raisonnement qualitatif où il s’agit moins de savoir utiliser des outils mathématiques que de déceler, sous le phénomène complexe, les facteurs prédominants. Attention, le qualitatif n’est pas une solution de facilité. – Il doit être ouvert sur les techniques qui, pour la plupart, ont leur fondement dans la physique et la chimie. – Il doit susciter des vocations scientifiques (techniciens, ingénieurs, chercheurs, enseignants…), donc pour cela être motivant et ancré sur l’environnement quotidien et les technologies modernes. – Au même titre que les autres disciplines scientifiques, la physique et la chimie interviennent dans les choix politiques, économiques, sociaux, voire éthiques. L’enseignement de physique-chimie doit contribuer à la construction d’un « mode d’emploi de la science et de la technique » afin que les élèves soient préparés à ces choix. – L’enseignement doit faire ressortir que la physique et la chimie sont des éléments de culture essentiels en montrant que le monde est intelligible. L’extraordinaire richesse et la complexité de la nature et de la technique peuvent être décrites par un petit nombre de lois universelles constituant une représentation cohérente

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de l’univers. Dans cet esprit, il doit faire appel à la dimension historique de l’évolution des idées. Il doit également faire une large place aux sciences de l’univers : astronomie et astrophysique. – Il doit montrer que cette représentation cohérente est enracinée dans l’expérience : les activités expérimentales ont une place essentielle. – L’enseignement fera largement appel aux applications. Il faut que les élèves sachent que grâce aux recherches et aux connaissances fondamentales, des applications techniques essentielles ont vu le jour et que, réciproquement, les applications peuvent motiver la recherche. – Il devra former le citoyen-consommateur au bon usage des objets techniques ainsi qu’à celui des produits chimiques qu’il sera amené à utiliser dans la vie quotidienne. Cette éducation débouche naturellement sur l’apprentissage de la sécurité, sur la sauvegarde de la santé et sur le respect de l’environnement. – Ancré dans l’environnement quotidien, l’enseignement devra utiliser au mieux les moyens contemporains. L’ordinateur est un outil privilégié pour la saisie et le traitement des données ainsi que pour la simulation. Il ne sera en aucun cas substitué à l’expérience directe, dont il sera le serviteur. La physique-chimie contribue aussi à l’enseignement du français par la pratique d’activités documentaires, par la rédaction de comptes rendus et par l’entraînement à une argumentation utilisant un vocabulaire bien défini ; les activités expérimentales, en amenant les élèves à formuler des hypothèses et à les confronter aux faits, développent la pensée logique. L’unité du programme de 3e se manifeste également dans la nature des concepts théoriques qui sous-tendent les thèmes proposés : – le concept de charge électrique est introduit en I.A à l’occasion de la présentation d’un modèle de l’atome plus élaboré que celui qui a été abordé en 4e. Ce modèle est aussitôt utilisé pour interpréter la conduction de l’électricité par les métaux et par les solutions, il intervient en I.B pour interpréter les réactions entre les métaux et les solutions acides ; – le programme de 3e introduit le vocabulaire relatif à l’énergie et apprend à l’utiliser à bon escient : ce vocabulaire, rencontré en I. B et I. C à propos de l’énergie produite par les combustions, joue un rôle essentiel en II. B dans la description des appareils électriques usuels et intervient enfin en II. C pour interpréter la formation d’une image en termes de concentration d’énergie. Les connaissances ainsi acquises sont réinvesties et renforcées par leur utilisation en sciences de la vie et de la Terre pour l’étude du fonctionnement de l’organisme humain. Ce programme a été conçu en tenant compte de la progression de l’ensemble des autres disciplines scientifiques. Tout en mettant à la disposition des autres champs disciplinaires le socle minimal nécessaire à l’élaboration du discours qui leur est propre, il fournit les éléments de base indispensables à l’enseignement ultérieur de la physique-chimie.

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Les connexions particulièrement nombreuses entre le programme de physique-chimie et le programme de sciences de la vie et de la Terre (SVT) rendent souhaitables des échanges entre les enseignants des deux disciplines, à la fois pour assurer une articulation dans le temps des enseignements et pour faire bien prendre conscience aux élèves de l’interaction des savoirs disciplinaires. La partie I. C propose une étude transdisciplinaire des problèmes liés à l’environnement pour laquelle la coordination des enseignants des deux disciplines est indispensable. Par ailleurs, les besoins de la technologie sont pris en compte, tout particulièrement dans les parties I. A et II.B. Afin de faciliter la lecture du texte du programme, une présentation en trois colonnes est proposée, de gauche à droite : – la colonne « Exemples d’activités » présente une liste non obligatoire et non exhaustive d’exemples qui peuvent être exploités en expériences de cours, en travaux pratiques ou en travaux de documentation ; – la colonne « Contenus-notions » recense les champs de connaissances de physique-chimie concernés. Y sont, de plus, mentionnés en italiques les interactions avec les autres disciplines et les éléments qui font intervenir l’éducation du citoyen et la prise en compte de l’environnement ; – la colonne « Compétences » explicite les éléments disciplinaires du socle minimal. La présentation retenue n’implique pas une progression obligatoire. Toute liberté est laissée à l’enseignant pour organiser son cours dans l’ordre où il le souhaite. Les contenus disciplinaires développés ci-après sont accompagnés d’estimations horaires indicatives. Comme ces estimations permettent de le constater, la longueur du libellé d’une partie du programme n’est pas nécessairement représentative du temps qu’il convient de lui consacrer. La mise en œuvre des activités expérimentales préconisées par le programme conduit à recommander la constitution, chaque fois que possible, de groupes d’effectif réduit (par exemple, en formant 3 groupes à partir de 2 divisions, tout en respectant l’horaire élève). Les compétences constituant le socle minimal ne se résument pas à celles, associées à des contenus et notions identifiés, qui sont répertoriées dans la troisième colonne des tableaux ci-dessous. À l’issue du collège, l’élève doit également être capable : – de construire un graphique en coordonnées cartésiennes à partir d’une série de données, les échelles étant précisées par le professeur ; – le graphique étant donné, d’interpoler une valeur ; – de faire le schéma d’une expérience réalisée ; – de réaliser une expérience décrite par un schéma ; – de faire le schéma, utilisant les symboles normalisés, d’un circuit électrique simple ; – de réaliser un circuit électrique simple à partir de son schéma normalisé ;

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– de lire un texte simple contenant des données en liaison avec le programme et d’en extraire des informations pertinentes ; – d’utiliser la conjonction « donc » de façon pertinente dans des argumentations ; – une expérience ayant été réalisée sur les indications du professeur, d’imaginer ou de reprendre une argumentation logique permettant de parvenir à une conclusion ; – un problème scientifique très simple étant formulé, d’expliquer en quoi un protocole expérimental proposé par le professeur permet de répondre à la question. Comme au cycle central, l’enseignement de physique-chimie doit permettre d’aider les élèves à acquérir une certaine autonomie qui s’articule autour de deux axes : la créativité et la responsabilité. Il est important que les premières séances de l’année soient consacrées, au travers des activités proposées, à la prise de conscience par les élèves de l’importance de ces objectifs qui seront par ailleurs omniprésents toute l’année. Ainsi on pourra, par exemple, proposer des activités expérimentales où le respect d’un protocole est essentiel, chacun opérant à son tour au sein d’un groupe restreint sous le regard de ses camarades. D’autres séances mettront l’accent sur la capacité à imaginer des expériences en fonction d’un objectif et sur celle à s’organiser pour les mener à bien. Il s’agit de valoriser l’esprit d’initiative, mais aussi l’écoute et le respect des autres au sein d’une équipe.

I – Des matériaux au quotidien A. Quelques propriétés des matériaux (10 heures)

1. Divers matériaux : exemple des emballages (4 heures) Dans un premier temps, l’objectif est de sensibiliser les élèves à la diversité des matériaux de notre environnement quotidien et à la diversité de leurs propriétés. Cette sensibilisation peut être faite avantageusement sous forme de recherches documentaires menées par les élèves, suivies éventuellement d’exposés devant la classe. Après une brève présentation des matériaux en général, on centrera l’étude sur le thème des emballages de produits alimentaires, en particulier ceux des boissons. Ce thème présente plusieurs avantages : – les élèves sont intéressés par des objets qu’ils côtoient tous les jours ; – les matériaux présentent une bonne diversité : verres, plastiques, métaux, cartons, matériaux composites ;

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– les élèves sont amenés à prendre en compte l’importance de nombreuses propriétés : qualités mécaniques, physiques, esthétiques, coût, inertie chimique vis-à-vis du contenu, aptitude au recyclage ; – il permet, sur l’exemple des tests de reconnaissance de matériaux, de montrer l’intérêt d’un travail méthodique.

Exemples d’activités

Contenus-notions

Compétences

– Recherches documentaires sur les emballages de produits alimentaires.

Distinction entre objet et matériau. Identification des matériaux constituant un objet.

– Expériences permettant de distinguer et de classer des matériaux.

Diversité des matériaux [Français, arts plastiques, technologie, histoire, environnement : récupération sélective].

Rassembler une documentation sur un sujet donné et restituer à la classe le résultat d’une petite recherche documentaire. Faire la différence entre objet et matériau. Conduire un test permettant de distinguer et de classer des matériaux. Connaître quelques classes de matériaux : verres, métaux, matières plastiques.

Qu’est-ce qui distingue les matériaux ? Comment réalise-t-on un tri sélectif ?

Commentaires • On différenciera par des tests quelques matières plastiques usuelles. Un objectif est d’amener les élèves à ne plus parler « du plastique », mais des matières plastiques. • Les métaux utilisés dans le domaine alimentaire sont essentiellement l’aluminium et le fer (en fait, l’acier). Les tests proposés permettent de les différencier. Un objectif important est d’amener les élèves à utiliser un vocabulaire précis, notamment à ne pas utiliser « fer » et « métal » comme des synonymes. • En SVT, le terme matériau est utilisé pour des substances inertes (non vivantes), produites par la nature ou les actions humaines : divers minéraux, le bois, la cellulose… La distinction y est, de plus, souvent faite entre matériaux « naturels » (ceux qui étaient déjà à la disposition de l’homme de Cro Magnon) et matériaux « artificiels », pour lesquels l’implication humaine de transformation est plus ou moins importante. Il est intéressant de noter que, du point de vue de la physique et de la chimie, il n’y a pas de différence entre un matériau présent dans la nature et un matériau produit par l’industrie humaine. • Parmi les nombreux critères de choix d’un matériau pour un usage donné, apparaît le critère de sa réactivité chimique. En particulier, dans le cas d’un emballage alimentaire, une préoccupation essentielle est celle de son absence de réactivité vis-à-vis de l’air extérieur d’une part, de son contenu d’autre part. Cette problématique ne sera pas encore développée en I.A dans la mesure où elle constitue le fil conducteur de la rubrique I.B (comportement chimique des matériaux).

2. Matériaux et électricité (6 heures) L’existence des atomes étant rappelée aux élèves, une introduction historique doit leur faire prendre conscience que le modèle de l’atome qui leur est présenté est le fruit des efforts de plusieurs générations de scientifiques. La poursuite de la présentation du modèle de l’atome donné au cycle central conduit à introduire la notion de charge électrique, notion fondamentale à la base aussi bien de l’interprétation des propriétés physiques des matériaux que de leur réactivité chimique.

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Un modèle possède une valeur explicative limitée dans un champ d’application déterminé : – en un premier temps, le programme de 4e introduit le modèle moléculaire afin d’expliquer les propriétés des liquides, solides et gaz, sans décrire la constitution de la molécule puisque la connaissance de celle-ci ne joue pas encore un rôle déterminant dans l’explication des propriétés décrites ; – toujours en classe de 4e, dans un deuxième temps, le modèle précédent est amélioré en présentant la molécule comme constituée d’atomes ce qui permet de donner une interprétation de la réaction chimique sans avoir à décrire la structure interne de l’atome ; – en classe de 3e, on présente l’atome comme constitué d’un noyau entouré d’électrons. La structure de l’atome permet d’abord d’expliquer la conduction du courant électrique dans les métaux et dans les solutions. Plus loin (I.B), le concept d’ion permet d’expliquer la réaction des solutions acides avec les métaux. Le modèle simple proposé ne prétend pas être une représentation définitive de la réalité : l’élève doit savoir qu’il rencontrera dans la suite de ses études des modèles de l’atome plus élaborés, plus « performants » en ce sens qu’il permettent de rendre compte d’un plus grand nombre de faits expérimentaux.

Exemples d’activités

Contenus-notions

Compétences

Constituants de l’atome : noyau et électrons. Un ion est un atome ou un groupe d’atomes qui a perdu (ion positif) ou gagné (ion négatif) un ou des électrons [SVT : besoins nutritifs, carences alimentaires]. Un premier modèle du courant électrique dans un métal. Passage du courant électrique dans une solution. Sens du déplacement des ions selon le signe de leur charge.

Connaître les constituants de l’atome : noyau et électrons. Savoir que les atomes sont électriquement neutres. Savoir que les matériaux sont électriquement neutres dans leur état habituel. Savoir que, dans un métal, le courant électrique est un déplacement d’électrons dans le sens opposé au sens conventionnel du courant et qu’il est dû à un déplacement d’ions dans une solution

Qu’est-ce que le courant électrique dans un métal ou dans une solution ? – Étude d’un texte historique sur l’atome. – Étude de documents (textes, ou documents multimédia) illustrant la structure microscopique de matériaux (métaux, verres, matières plastiques). – Réaliser un circuit électrique. – Réaliser une expérience de migration d’ions.

Commentaires • Il n’est pas demandé de donner la composition du noyau. Ce qui importe est de faire mémoriser des caractéristiques de l’atome que l’étude de modèles plus élaborés ne remettra pas en cause : – la charge positive de l’atome et sa masse sont concentrées au centre de celui-ci dans une région appelée noyau ; – la charge négative est répartie dans le cortège électronique qui entoure le noyau ; – les dimensions de l’atome sont de l’ordre du dixième de nanomètre ; – les dimensions du noyau sont environ 100 000 fois inférieures1. • La signification des mots « anion » et « cation » pourra être donnée si l’occasion incite à le faire (lecture d’une étiquette d’eau minérale par exemple) mais elle n’a pas à être connue des élèves. ——————— 1. Les dimensions citées sont de simples ordres de grandeur, à une puissance de dix près. Elles dépendent bien entendu de la nature de l’atome considéré.

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B. Comportement chimique de quelques matériaux (17 heures) Parmi réaliser un nément est d’une part,

les critères qui permettent de choisir un matériau pour emballage alimentaire, la question qui se pose spontacelle de son caractère inerte, vis-à-vis de l’air extérieur de son contenu d’autre part.

De telles questions seront nécessairement soulevées par les élèves : pourquoi le cuivre n’est il pas utilisé dans l’emballage alimentaire ? Pourquoi l’acier des boîtes de conserves ne rouille-t-il pas ? Leur formalisation conduit à dégager le concept de réactivité chimique et à analyser la réactivité de quelques matériaux, vis-à-vis du dioxygène de l’air d’une part (rubrique I.B.1), vis-à-vis des solutions aqueuses d’autre part (rubrique I.B.2). Un des objectifs premiers de la chimie est de préparer de nouvelles substances à partir d’autres substances, d’où les notions de corps pur, de réaction chimique, de réactifs et de produits. Le contenu scientifique des rubriques I.B et I.C a été choisi pour que les élèves, à la sortie du collège, sachent identifier une réaction chimique et la distinguer d’une transformation physique. La constatation du changement d’aspect du milieu étant en général insuffisante pour attester du caractère chimique d’une transformation, des expériences complémentaires sont le plus souvent nécessaires. Une telle analyse ayant été faite, le caractère chimique d’une transformation est en définitive consigné dans l’existence de formules chimiques différentes pour les produits et pour les réactifs. On retiendra en tant qu’objectifs de connaissance pour le collège dans ce domaine : – toute substance chimique est caractérisée en nature et en nombre d’atomes par une formule qui indique sa composition ; – une formule chimique telle que H2O ou CuO indique la composition d’un corps : il y a toujours respectivement deux atomes d’hydrogène pour un atome d’oxygène et un atome de cuivre pour un atome d’oxygène dans tout échantillon des corps précédents, quel que soit son état physique. La formule chimique donne la composition d’un corps pur en précisant la nature et les proportions de chaque espèce d’atome constituant le corps pur ; – lors d’une réaction chimique, on observe un réarrangement entre les assemblages d’atomes, la nature et le nombre des atomes étant conservés (dans un souci de simplification, le terme élément n’est pas utilisé). Ce réarrangement est traduit par l’écriture d’une équation bilan. Pour les réactions chimiques concernant les ions, le principe général de conservation de la charge électrique est vérifié ; – pour un petit nombre de composés moléculaires, déjà étudiés dans le cycle central (H2, O2, N2, H2O, CO2), la formule est associée à une entité qui peut être isolée et dont la représentation géométrique qualitative sera présentée ; – pour des solides tels que les oxydes métalliques, la structure microscopique est trop complexe pour être décrite au collège.

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1. Réactions de quelques matériaux avec l’air (8 heures)

Exemples d’activités

Contenus-notions

Compétences

Oxydation du fer dans l’air humide. Facteurs de formation de la rouille. L’apparition de taches de rouille correspond à une réaction chimique : l’oxydation du fer par le dioxygène de l’air.

Identifier l’oxydation du fer dans l’air humide comme une réaction chimique lente. Comprendre pourquoi le fer pur non protégé ne convient pas pour un emballage : l’oxydation du fer par le dioxygène de l’air en présence d’eau conduit à la formation de rouille. Il y a corrosion. Connaître la composition en volume de l’air en dioxygène et diazote.

Que se passe-t-il quand le fer rouille ? – Observer des faits courants associés à la rouille. – Étudier expérimentalement les conditions de formation de la rouille. – Observer l’oxydation complète et à l’air humide d’un échantillon de laine de fer.

Composition de l’air.

Quel autre type d’emballage ? Un exemple : l’aluminium. – Observations courantes. – Étude documentaire sur l’aluminium.

L’aluminium s’oxyde à l’air. Il se forme une couche superficielle d’oxyde imperméable qui protège l’intérieur du métal.

Comprendre le rôle protecteur de l’oxydation superficielle de l’aluminium.

Réactions exoénergétiques de métaux avec le dioxygène. Influence de l’état de division d’un métal sur sa facilité de combustion. Conservation de la masse au cours d’une réaction chimique. Formules des oxydes ZnO, CuO, Al2O3 et Fe3O4. Équations-bilans des réactions d’oxydation du zinc, du cuivre de l’aluminium et du fer. Conservation des atomes. [Sciences de la vie et de la Terre : besoins nutritifs en énergie et en matière ; environnement : explosions dans les silos]

Interpréter la combustion des métaux divisés dans l’air comme une réaction avec le dioxygène. Savoir que la masse est conservée au cours d’une réaction chimique. Savoir que lors d’une réaction chimique les atomes se conservent. Connaître les symboles Fe, Cu, Zn et Al. Interpréter les équations-bilans d’oxydation du zinc, du cuivre et de l’aluminium en termes de conservation d’atomes.

Réactions de matériaux organiques avec le dioxygène. [Sciences de la vie et de la Terre : énergie libérée par l’oxydation des nutriments] Réactifs. Réaction chimique. Produits. [Sciences de la vie et de la Terre : activité cellulaire et réactions chimiques]

Prendre conscience du danger de la combustion de certaines matières plastiques. Identifier ces transformations comme des réactions chimiques. Vocabulaire : réactifs, produits. Reconnaître la formation de carbone et de dioxyde de carbone. Savoir qu’il se forme aussi de l’eau et parfois des produits toxiques

Les métaux peuvent-ils brûler? – En respectant les règles de sécurité, faire brûler dans l’air de faibles quantités de métaux divisés (fer, cuivre, zinc et aluminium). – Faire brûler un fil de fer dans le dioxygène pur. – Faire des mesures de masse lors d’une combustion de laine de fer dans l’air.

Peut-on faire brûler sans risque les matériaux d’emballage? – Étude documentaire : danger de la combustion de certaines matières plastiques. – Faire brûler dans un récipient couvert de petits échantillons de carton, de polyéthylène, de polystyrène.

Commentaires • Le professeur fera apparaître ces transformations comme des réactions chimiques (et non physiques) en utilisant dans la mesure du possible plusieurs critères : apparition de nouveaux corps, identifiables par un ensemble de caractéristiques nouvelles, appelés produits de la réaction, disparition de réactifs.

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• À ce niveau, le terme d’oxydation désigne l’action du dioxygène. Le professeur établira en un premier temps un bilan qualitatif des réactions chimiques sous la forme : métal + dioxygène → oxyde métallique. • Après avoir introduit les symboles de quelques métaux, on expliquera la signification des formules des oxydes ZnO, CuO, Al2O3 et Fe3O4 : l’oxyde de zinc contient autant d’atomes de zinc que d’atomes d’oxygène (le professeur évitera soigneusement de parler de « molécules ZnO »). On pourra conclure en écrivant : 2Cu + O2 K 2CuO 2Zn + O2 K 2ZnO 4Al + 3O2 K 2Al2O3 3Fe + 2O2 K Fe3O4 L’élève devra être capable de comprendre la signification de ces formules en tant que bilan (conservation des atomes) mais aucune mémorisation de ces équations n’est exigée. En ce qui concerne l’oxydation du cuivre, on ne mentionnera, dans un souci de simplification, que la réaction qui conduit à l’oxyde de cuivre (II). Dans le même esprit, on pourra se contenter d’écrire le bilan de la combustion qui conduit à Fe3O4, en mentionnant que cet oxyde n’est pas le seul solide formé. • Pour ce qui est de la conservation de la masse, il ne saurait être question de « démontrer » ce qui est, dans ce cadre d’étude, un principe. Tout ce qui peut être dit à propos d’une expérience telle que celle de la combustion de la laine de fer est que le résultat de celle-ci, compte tenu de sa précision, n’est pas en contradiction avec le principe. • Les matériaux organiques cités dans le programme donnent par réaction à chaud avec le dioxygène notamment du dioxyde de carbone et de l’eau. Ceci met en évidence la présence d’atomes de carbone et d’hydrogène dans ces matériaux. Pour l’élève, l’observation de combustions, déjà effectuée en classe de 4e, est la première occasion de rencontrer le terme énergie dans le cadre des programmes de physique-chimie. Il est important d’habituer les élèves à employer un vocabulaire correct. La confusion entre chaleur et température, issue du langage courant, ne peut pas être ignorée. Le professeur se rappellera que, dans un contexte scientifique universitaire, le terme chaleur désigne un transfert d’énergie sous forme microscopique désordonnée. En principe, il ne serait donc pas incorrect de dire qu’un récipient que l’on chauffe reçoit de la chaleur. Néanmoins, l’expérience pédagogique indique que l’emploi de ce vocabulaire conduit les élèves à se représenter de façon implicite la chaleur comme un fluide qui se transfère et se conserve, ce qui est faux. Pour éviter ce type de confusion, il est conseillé au professeur de dire qu’un corps chauffé reçoit de l’énergie. Incorrecte pour la chaleur, l’image mentale du fluide qui se conserve n’est pas inadéquate en tant que première approche du concept d’énergie. Dans la suite du programme, le terme énergie sera rencontré dans d’autres contextes : énergie et mouvement (II.A), énergie et électricité (II.B), énergie et lumière (II.C).

2. Réactions de matériaux avec quelques liquides (9 heures) Les liquides utilisés dans cette étude sont des solutions aqueuses acides ou basiques.

Exemples d’activités

Contenus-notions

Compétences

Notion de pH. Sécurité d’emploi des solutions acides ou basiques. Précautions à prendre lors des dilutions. [Environnement : danger pour le milieu naturel présenté par les solutions trop acides ou trop basiques]

Identifier les solutions acides (pH inférieur à 7) et les solutions basiques (pH supérieur à 7). Savoir que des produits acides ou basiques concentrés présentent un danger.

Réactions chimiques de certains métaux avec des solutions acides ou basiques.

Réaliser une réaction entre un métal et une solution acide et reconnaître un dégagement de dihydrogène.

Les matériaux réagissent-ils avec les solutions acides ? Avec les solutions basiques ? – Mesurer le pH de quelques solutions acides et basiques usuelles (en particulier, boissons et produits d’entretien) ; observer l’effet d’une dilution sur le pH. – Mettre en évidence le caractère conducteur de ces solutions. – Lire des pictogrammes de sécurité. – Réactions chimiques de l’acide chlorhydrique avec le fer et le zinc, mise en évidence des produits de réaction.

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– Réactions chimiques de l’aluminium avec la soude (expérience professeur). – Absence de réaction observable de certaines matières plastiques et du verre avec l’acide chlorhydrique et la soude.

Inertie chimique de certains matériaux utilisés pour l’emballage. [Environnement : pollution engendrée par leur abandon]

Mettre en œuvre des critères pour reconnaître une réaction chimique. Distinguer réactifs et produits. Être conscient de la pollution engendrée par l’abandon de matériaux non dégradables.

Comment mettre en évidence les ions présents dans le milieu avant et après ces réactions? – Mettre en évidence la présence d’ions chlorure et d’ions métalliques par des réactions de précipitation.

Formules de quelques ions. Quelques tests de reconnaissance d’ions.

Citer les constituants d’une solution d’acide chlorhydrique et d’une solution de soude. Connaître les formules des ions H+, HO-, Cl-, Na+, Zn2+, Cu2+, Al3+, Fe2+ et Fe3+.

Équations – bilans.

Écrire les équations-bilans de l’action entre l’acide chlorhydrique et le fer ou le zinc.

Conservation des atomes et de la charge.

Savoir que lors d’une réaction chimique, il y a conservation des atomes et de la charge électrique.

Comment interpréter les réactions du zinc et du fer avec l’acide chlorhydrique ? – Utiliser les résultats des tests de présence d’ions pour interpréter les réactions du zinc et du fer avec l’acide chlorhydrique.

Commentaires • La molécule HCl est appelée chlorure d’hydrogène dans la nomenclature systématique (règle de l’UICPA) ; la terminologie usuelle donne le nom d’acide chlorhydrique à sa solution aqueuse. Elle donne de même le nom de soude à la solution aqueuse d’hydroxyde de sodium. • À ce stade, les bilans des réactions seront écrits en toutes lettres, par exemple : fer + acide chlorhydrique K dihydrogène + chlorure de fer. Pour leur interprétation, ces équations chimiques seront d’abord écrites par le professeur en prenant en compte la mise en solution de certaines substances, par exemple : Fe + 2H+ + 2Cl-K H2 + Fe2+ + 2ClOn écrira ensuite les équations-bilans en ne faisant apparaître que les espèces réagissantes, par exemple : Fe + 2H+K H2 + Fe2+ • À ce niveau, on n’utilisera pas le terme d’oxydation pour les réactions des métaux avec l’acide chlorhydrique. Il n’est pas utile de soulever le problème de la solvatation des ions. En particulier, on écrira l’ion hydrogène H+. • En dehors des réactions indiquées (réaction entre une solution d’acide chlorhydrique et le fer ou le zinc), aucune compétence générale relative à l’établissement d’équations-bilans comportant des ions ne sera exigée.

C. Les matériaux dans l’environnement (3 heures) Cette partie ne constitue pas à proprement parler une rubrique de programme. Elle vise à réinvestir les connaissances acquises dans des activités diverses : enquête, visite, exposé, élaboration d’un document vidéo, préparation d’une exposition…. La mise en œuvre de ces activités dépendra largement des possibilités et des centres d’intérêt locaux.

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Ces travaux sont notamment une occasion privilégiée pour la mise en œuvre de façon rationnelle des Techniques de l’Information et de la Communication (TIC). On peut notamment envisager, quand les outils nécessaires sont disponibles, l’exploitation de banques de données multimédia (cédéroms) ou de ressources distantes (utilisation d’Internet en ligne ou hors ligne). On fera prendre conscience à l’élève de ce que la chimie, science de la transformation de la matière, ne fournit pas seulement les principes de l’élaboration des matériaux mais aussi ceux de la conservation de l’environnement ou de sa restauration. Convenablement mis en œuvre, les progrès scientifiques permettent la préservation de l’environnement. La partie C peut être conçue, au choix de l’enseignant, de deux façons différentes :

1. Activités ne faisant intervenir directement que l’enseignant de physique-chimie On propose ci-dessous, sous forme de questions, une liste non obligatoire et non exhaustive de sujets pouvant être abordés dans ce cadre. Cette liste est suivie d’éléments de réponse pouvant intervenir dans une argumentation scientifique sur les problèmes liés à l’environnement. Rien n’impose de traiter cette rubrique sous la forme de trois heures regroupées en une seule séquence d’enseignement. Les activités correspondantes peuvent avec profit être réparties tout au long de l’enseignement de la partie I. • Comment fabrique-t-on un métal, du verre, une matière plastique… ? • Comment limite-t-on les problèmes d’environnement liés à l’élaboration des matériaux ? • Comment les différents matériaux évoluent-ils au cours du temps ? – Le matériau existe rarement à l’état naturel. – Les minerais constituent le plus souvent la matière première des métaux. – Le passage d’une matière première à un matériau fait intervenir des réactions chimiques. – L’électrolyse peut constituer un procédé de préparation ou de purification. – Temps caractéristique de l’évolution d’un matériau dans l’environnement. – [SVT] Rôle de facteurs biologiques dans la dégradation de certains matériaux. – Récupération. Nécessité de trier avant de recycler. – Recyclage. Le cycle d’un produit [Technologie] de l’élaboration au recyclage en tant que chaîne de réactions chimiques et en tant qu’illustration de la loi de conservation de la matière. – Économies de matière première et d’énergie permises par la récupération et le recyclage.

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2. Activités coordonnées faisant intervenir de façon concertée le professeur de SVT et le professeur de physique-chimie (3 heures chacun) En début d’année, les deux professeurs choisissent un thème corrélé aux programmes des deux disciplines. Ils conviennent de la répartition de leurs interventions et des dates prévisionnelles de celles-ci. Exemple de thèmes pouvant être choisis : pluies acides, effet de serre, ozone dans la haute et la basse atmosphère… Le thème des « pluies acides » est plus particulièrement développé dans le document d’accompagnement.

II – Notre environnement physique A. Mouvement et forces (10 heures) La rubrique ci-dessous n’a en rien les ambitions d’un cours de mécanique. Elle propose une première analyse de concepts (vitesse, force, poids, masse) qui permettent d’élaborer une description rationnelle de l’évolution des objets constituant notre environnement. De façon modeste, le but poursuivi au collège est essentiellement d’initier à une telle description à l’aide d’un vocabulaire correct. L’un des objectifs de cette rubrique du programme est de sensibiliser à divers problèmes de sécurité liés aux transports en fournissant notamment le vocabulaire scientifique nécessaire à la description des problèmes de sécurité routière.

Exemples d’activités Comment peut-on décrire le mouvement d’un objet ? – Quelques techniques d’observation : observation directe, chronophotographie, exploitation d’images ou de mesures de positions (assistée éventuellement par ordinateur). – Quelques mouvements : êtres vivants, éléments d’une bicyclette, véhicules, projectiles, fusée, étude documentaire (documents textuels ou multimédias) sur le système solaire (mouvements orbitaux et rotations propres des planètes et de leurs satellites). – Analyse d’un document de sécurité routière.

Contenus-notions

Compétences

Observations et description du mouvement d’un objet par référence à un autre objet. Observation de différents types de mouvements. [EPS : activité gymnique] – trajectoire ; – sens du mouvement ; – vitesse. [Mathématiques : grandeurs quotient] Représentations graphiques relatives au mouvement de véhicules : distance parcourue en fonction du temps, vitesse en fonction du temps.

Reconnaître un état de mouvement ou de repos d’un objet par rapport à un autre objet. Reconnaître un mouvement accéléré, ralenti, uniforme. Être capable de calculer à partir de mesures de longueur et de durée une vitesse moyenne exprimée en mètre par seconde (m/s ou m.s-1) et en kilomètre par heure (km/h ou km.h-1). Connaître des ordres de grandeur de vitesse. Savoir interpréter un graphique relatif au mouvement rectiligne d’un véhicule.

Freinage et distance de sécurité.

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Pourquoi le mouvement d’un objet est-il modifié ? Pourquoi un objet se déforme-t-il ? – À partir de situations mises en scène en classe ou de documents vidéo, inventorier les actions de contact (actions exercées par des solides, des liquides, des gaz) ou à distance (action magnétique, électrique, de gravitation, poids).

– Utiliser un dynamomètre.

Action exercée sur un objet (par un autre objet), effets observés : – modification du mouvement ; – déformation. Modélisation d’actions par des forces. Représentation d’une force localisée par un vecteur et un point d’application. Équilibre ou non équilibre d’un objet soumis à deux forces colinéaires.

Identifier l’objet d’étude sur lequel s’exerce l’action, distinguer les différents effets de l’action. Mesurer une force avec un dynamomètre. Le newton (N), unité de force du SI. Savoir représenter graphiquement une force. Être capable d’utiliser la condition d’équilibre d’un objet soumis à deux forces colinéaires.

Relation entre poids et masse d’un objet [Mathématiques : proportionnalité] g, intensité de la pesanteur (en N.kg-1)

Distinguer masse et poids, connaître et savoir utiliser la relation de proportionnalité entre ces grandeurs en un lieu donné.

Quelle relation existe-t-il entre poids et masse d’un objet? – Utilisation d’un dynamomètre, d’une balance. – Étude documentaire : le poids d’un objet sur la Terre et sur la Lune.

Commentaires • La loi dite des interactions réciproques (ou de l’action et de la réaction) est hors programme. • Les situations traitées ne demandent pas d’effectuer des sommes de forces. Il n’y a donc pas lieu d’introduire le formalisme mathématique correspondant. À ce stade, il n’est pas question d’utiliser les propriétés de l’outil mathématique vecteur mais uniquement de représenter graphiquement une force localisée par un vecteur dont l’origine est son point d’application. • Cette représentation est une convention graphique dont l’introduction doit être faite avec soin. • Le poids (force non localisée) sera représenté graphiquement de façon purement conventionnelle par un vecteur appliqué au centre de gravité. • On fera remarquer sur des situations simples que la direction de la force ne coïncide pas nécessairement avec celle de la vitesse. • Le but conceptuel visé par cette rubrique est ainsi limité mais doit néanmoins introduire les premiers éléments d’une analyse rigoureuse en habituant l’élève à identifier soigneusement le système qui subit les actions et les sources de celles-ci. • À propos des actions de contact et plus particulièrement de forces de pression, la poussée d’Archimède peut être mentionnée, notamment en raison de sa célébrité et de l’intérêt que suscitent les expériences à son sujet. Il n’est en revanche pas souhaitable d’en effectuer une étude détaillée. • Dans la description des actions gravitationnelles, on évitera de recourir à l’exemple des marées, bien que la gravitation soit effectivement à l’origine du phénomène, car l’interprétation est trop délicate pour être présentée à ce niveau.

B. Électricité et vie quotidienne (16 heures) L’électricité est présente dans la plupart des actes quotidiens. Son utilisation demande de respecter impérativement des règles de sécurité. Celles-ci ne peuvent être maîtrisées qu’après une analyse rationnelle des éléments qui constituent une installation électrique. Après avoir pris conscience du rôle des résistances, l’élève comprendra à partir d’expérimentations ce qu’est une tension alternative, comment on l’obtient et comment on peut la transformer pour la transporter ou l’adapter pour alimenter différents appareils. Il sera amené ensuite à prendre conscience de l’aspect énergétique d’une installation domestique.

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1. Notion de résistance (4 heures)

Exemples d’activités

Contenus-notions

Compétences

Quelle est l’influence d’une résistance dans un circuit électrique ? – Introduire dans un circuit simple des « résistances » de valeurs différentes et mesurer les intensités. – Soumettre à une même tension des « résistances » de valeurs différentes et mesurer les intensités.

Notion de résistance électrique. Unité.

Savoir que l’intensité du courant dans un circuit est d’autant plus faible que la résistance du circuit est plus élevée. L’ohm (Ω), unité de résistance du SI.

Caractéristique d’un dipôle. Loi d’Ohm. [Mathématiques : proportionnalité, équation d’une droite]

Schématiser un montage permettant de tracer une caractéristique. Évaluer l’intensité dans un circuit connaissant la valeur de la résistance et celle de la tension appliquée à ses bornes…

Qualités conductrices des matériaux.

Savoir que tous les matériaux n’ont pas les mêmes propriétés conductrices d’où un choix selon l’utilisation souhaitée.

Comment varie l’intensité dans une résistance quand on augmente la tension appliquée ? – Construire point par point, puis acquérir éventuellement à l’ordinateur la caractéristique d’un dipôle. – Comparer la valeur de la résistance mesurée à l’ohmmètre à la pente de la caractéristique.

Tous les matériaux ont-ils les mêmes propriétés de résistance ? – Mesurer la résistance de divers fils métalliques. – Noter l’influence qualitative des paramètres géométriques (longueur, section).

Fusibles.

Commentaires • Les notions de circuit, de tension, d’intensité et de dipôle ont été introduites au cycle central. L’étude est maintenant prolongée par la mise en évidence d’un lien simple courant-tension pour un dipôle particulier déjà rencontré à l’occasion des montages effectués en technologie. • Le concept de résistance permet de préciser les comparaisons entre les propriétés de conduction des matériaux qui ont été présentées de façon qualitative en I. A.2. • La notion de résistivité est hors programme de même que l’étude des associations de résistances. • L’expérimentation sera d’abord effectuée en continu mais on notera ultérieurement que la loi d’Ohm reste valable en alternatif, tant pour les valeurs instantanées que pour les valeurs efficaces. • Un dipôle est dit ohmique si sa caractéristique est de la forme U = RI, R étant un paramètre qui caractérise le dipôle dans des conditions physiques déterminées. La résistance R est en particulier fonction de la température, ce qui explique que l’on n’obtienne pas une caractéristique rectiligne si l’on soumet un dipôle ohmique à des tensions qui engendrent un échauffement non négligeable, cet effet étant particulièrement sensible dans le cas du filament d’une lampe. • La mise en œuvre d’un fusible est une première occasion de constater la conversion d’énergie électrique sous forme thermique (effet Joule).

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2. Le « courant alternatif » (6 heures) Volontairement, l’expression utilisée comme titre de cette rubrique est celle qui est employée dans la vie courante. Cependant, compte tenu de l’objet d’étude, le terme scientifiquement approprié est « tension alternative».

Exemples d’activités

Contenus-notions

Compétences

– Comparer les effets d’une tension alternative à ceux d’une tension continue en utilisant un générateur TBF, une diode DEL, un moteur. – Relever la tension manuellement et à l’ordinateur.

Tension continue et tension variable au cours du temps. Intensité continue et intensité variable au cours du temps.

Identifier une tension continue, une tension alternative. Réaliser un tableau de mesures pour une grandeur physique variant en fonction du temps.

– Représenter graphiquement les variations d’une tension alternative en fonction du temps.

Tension alternative périodique.

Construire une représentation graphique de l’évolution d’une grandeur. Reconnaître une grandeur alternative périodique. Déterminer graphiquement sa valeur maximum et sa période.

Qu’est-ce qui distingue la tension fournie par le « secteur » de celle fournie par une pile?

Valeurs maximum et minimum. « Motif élémentaire ». Période T définie comme la durée du motif.

Que signifient les courbes affichées par un oscilloscope ? – Utiliser un oscilloscope sans balayage, puis avec balayage.

Signification d’un oscillogramme.

Montrer à l’oscilloscope la variation d’une tension au cours du temps.

– Effectuer des déterminations de tension maximum, de période et de fréquence à l’oscilloscope.

Fréquence f définie comme le nombre de motifs par seconde.

Reconnaître à l’oscilloscope une tension alternative. Mesurer sa valeur maximum, sa période et sa fréquence. Le hertz (Hz), unité de fréquence du Système International (SI).

Relation f = 1/T.

Que signifie l’indication d’un voltmètre utilisé en position « alternatif » ? – Avec des tensions alternatives d’amplitudes différentes mesurer la valeur maximale Umax à l’oscilloscope et lire l’indication U d’un voltmètre alternatif, calculer le rapport A = Umax/U.

Pour une tension sinusoïdale, un voltmètre alternatif indique la valeur efficace de cette tension. Cette valeur efficace est proportionnelle à la valeur maximum.

Savoir que les valeurs des tensions alternatives indiquées sur les alimentations ou sur les récepteurs usuels sont des valeurs efficaces. Déterminer la valeur maximum d’une tension sinusoïdale à partir de sa valeur efficace.

Le déplacement d’un aimant au voisinage d’un circuit conducteur permet d’obtenir une tension variable dans le temps.

Produire une tension par déplacement d’un aimant. Connaître le principe de la production de tensions alternatives.

Comment est produite une tension alternative telle que celle du secteur ? – Déplacer un aimant près d’une bobine. – Visite d’une installation de production d’électricité.

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Comment une alimentation branchée sur le secteur peut-elle jouer le même rôle qu’une pile? – Utiliser un transformateur de rapport modéré avec une très basse tension et dans les deux sens. – Étude documentaire sur le transport et la distribution de l’électricité. – Visualiser la tension à la sortie d’un dispositif redresseur.

Le transformateur ne fonctionne qu’en alternatif, sans modifier la fréquence. Rôle et emplois d’un transformateur. Sécurité. Existence de dispositifs redresseurs.

Citer quelques emplois des transformateurs.

Identifier une tension redressée.

Commentaires • On désigne par courant alternatif un courant variable dont le sens s’inverse au cours du temps. On utilise en pratique des courants alternatifs périodiques et le plus souvent sinusoïdaux. • Toute manipulation directe sur le secteur est interdite ; pour toute visualisation le concernant, il convient d’utiliser des transformateurs protégés. • On pourra montrer les oscillogrammes de tensions alternatives non sinusoïdales, par exemple celle engendrée par un alternateur de bicyclette. ¯ seulement • La relation U = Umax/A (A ≥ 1) sera étudiée expérimentalement et explicitée sous la forme A = √2 pour une tension de même forme que celle du secteur (tension dite sinusoïdale).

3. Installations électriques domestiques (6 heures)

Exemples d’activités

Compétences

Contenus-notions

Quelles sont les caractéristiques des prises du secteur (à deux ou trois bornes)? – Mesurer la tension entre les différentes bornes (manipulation professeur). – Étude (texte ou document multimédia) des dangers du courant électrique.

la la

Distinction entre neutre et phase. Valeur efficace et fréquence du secteur. Être conscient des risques d’électrocution présentés par une installation domestique.

L’intensité dans le circuit principal d’un montage en dérivation augmente avec le nombre de récepteurs en dérivation.

Les installations domestiques sont réalisées en dérivation. Mettre en évidence en basse tension que lorsqu’on augmente le nombre de récepteurs, l’intensité traversant le circuit principal augmente.

Distinction entre le neutre et phase. Valeur efficace et fréquence de tension du secteur. Risques d’électrocution, entre phase et le neutre et entre phase et la terre.

la la

Comment sont constitués les circuits électriques utilisés à la maison ? – Étude d’une installation domestique sur document ou sur maquette. – Réaliser un montage basse tension de lampes en dérivation. Mettre progressivement les lampes en circuit et observer la variation d’intensité dans le circuit principal. – Observer le rôle des conducteurs et des isolants dans une installation. – Étudier sur une maquette en très basse tension le rôle de la prise de terre et du disjoncteur différentiel.

Montage en dérivation.

Spécificité des matériaux employés dans une installation électrique. La mise à la terre du châssis protège de certains risques électriques.

Identifier une mauvaise isolation et une cause de court-circuit. Savoir qu’il est indispensable que le châssis métallique de certains appareils soit relié à la terre.

La puissance (dite nominale) indi-

Le watt (W), unité de puissance du SI.

Que signifie la valeur exprimée en watts (W) qui est indiqué sur chaque appareil électrique? – Comparer les ordres de grandeur

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des puissances nominales inscrites sur divers appareils domestiques.

quée sur un appareil est la quantité d’énergie électrique qu’il transforme chaque seconde dans ses conditions normales d’utilisation.

Quelques ordres de grandeurs de puissances électriques. Évaluer l’intensité efficace traversant un appareil alimenté par le secteur à partir de sa puissance nominale1.

L’intensité qui parcourt un fil conducteurs ne doit pas dépasser une valeur déterminée par un critère de sécurité. L’énergie électrique transformée pendant une durée t par un appareil de puissance constante P est égale au produit E = t P. [Mathématiques : grandeur produit]

Connaître le rôle d’un coupe-circuit.

À quoi correspond une facture d’électricité? – Rechercher sur la facture familiale la « puissance souscrite » et identifier les appareils qui pourront fonctionner simultanément. – Lire les indications d’un compteur d’énergie électrique. – Recherche documentaire : tarifs spéciaux EDF.

Être capable de calculer l’énergie électrique transformée par un appareil pendant une durée donnée et de l’exprimer dans l’unité du SI, le joule (J) ainsi qu’en kilowatt-heures (kWh). 1. Le commentaire ci-après précise les conditions de cette évaluation.

Commentaires • On commence dans cette rubrique à donner une signification quantitative au concept d’énergie en mentionnant l’unité d’énergie et en reliant l’énergie électrique à d’autres grandeurs physiques. On peut noter que l’unité d’énergie est également mentionnée à propos de la valeur énergétique des aliments. • Dans le langage courant, on parle de « consommation d’énergie » et même de « consommation d’électricité ». Les observations effectuées permettront d’expliquer que l’énergie ne disparaît pas mais est transformée et l’on mentionnera la nature de cette transformation. • En courant continu, la puissance électrique transformée est égale au produit UI. En courant alternatif, elle est égale a k UI (valeurs efficaces) avec k