ENSEIGNER
dimanche 19 novembre 2017
icar Vesion anglaise

THEME: Etude des gaz (Marrakech)
Maroc  -  Première (2ème année)  -  Gaz

Activité 1: La notion de force pressante

 
Comprimer et décomprimer un volume de gaz en contact avec un liquide.

Dans le montage représenté dans les schémas ci-dessous on a un tube en U contenant un liquide (de l’eau colorée). La branche gauche est reliée à une seringue contenant de l’air. La liaison est hermétique et il ne peut y avoir de fuite d’air. Discute avec ton camarade avant de produire une réponse commune aux questions suivantes
  1. Compléter les niveaux d’eau dans le tube en U pour les schémas B et C
  2. Schéma B : l’air de la seringue agit-il sur l’eau ? Comment peut-on l’expliquer ?
  3. Schéma C : l’air de la seringue agit-il sur l’eau ? Comment peut-on l’expliquer ?
  4. Schéma A : l’air de la seringue agit-il sur l’eau ? Comment peut-on l’expliquer ?

But: La notion de force pressante

Les mots « force » et « pression » ont dans la langue de tous les jours des significations voisines. En classe de physique, les élèves les utilisent sans les différencier alors que pour le physicien ce sont des concepts totalement distincts.
Cette activité vise à ce que les élèves arrivent à :
  1. différencier les concepts de force pressante et de pression;
  2. utiliser le modèle microscopique pour interpréter les grandeurs force pressance et pression.

Corrigé: La notion de force pressante

- L’air de la seringue agit sur le liquide dans toutes les situations.
- En B, son action est plus grande que celle de l’air extérieur ; le liquide remonte alors dans la branche qui subit l’action de ce dernier.
- En C, il se produit le contraire.
- En A, les actions sont égales et le liquide est au même niveau dans les deux branches du tube.

Préparation: La notion de force pressante

  1. Conformément aux recommandations pédagogiques officielles, le principe fondamental de l’hydrostatique ne doit pas être utilisé à ce stade parce que les élèves ne l’ont jamais rencontré dans les niveaux d’étude antérieurs.

  2. L’élève est supposé avoir acquis les notions suivantes, sinon, l’enseignant en fait un rappel:
    - la notion de force de contact ; - la notion de force répartie ;
    - le principe de l’action et de la réaction.
  3. 3. L’enseignant veille à ce que les élèves suivent la consigne de produire une réponse commune à chaque dyade relativement aux questions 1, 2, 3 et 4 avant de faire l’expérience. Les réponses des élèves sont notées sur des fiches distribuées à cet égard.

  4. 4. Après une phase de recherche et de débat, chaque dyade réalise les expériences représentées par les figures 1-B (le piston est poussé vers le bas) et 1-C (le piston est remonté) puis répond aux questions 1à 4.

  5. A partir des prévisions notées sur les fiches et des observations faites après la réalisation des expériences, l’enseignant encourage chaque dyade à débattre les résultats obtenus en les comparant aux prévisions faites dans la première phase de l’activité.
    Après une discussion libre, le professeur, tout en exploitant les productions des élèves, incite ces derniers à comparer la poussée de l’air de la seringue et celle de l’air extérieur dans les situations de la figure 1. Pour cela, il attire leur attention sur le liquide du tube en U en posant les questions suivantes :
    - qu’est ce qui agit sur la « surface libre » du liquide de part et d’autre du tube ?
    - quelle est l’action prépondérante dans chaque cas ? justifiez votre réponse.
  6. Le professeur attirera l’attention sur le fait que les forces subies par les « surfaces libres » du liquide, de la part de l’air de la seringue ou de l’air extérieur, sont des actions de contact et réparties.

  7. On s’attend à ce qu’une difficulté majeure apparaisse pour la situation A ; où les élèves vont constater qu’il ne se passe rien. Pour qu’ils soient convaincus que, dans ce cas, l’air de la seringue exerce sur le liquide une poussée comparable à celle exercée par l’air extérieur à l’autre extrémité du tube en U, il est nécessaire d’introduire la notion de pression en s’appuyant sur le modèle microscopique des gaz parfaits. La pression d’un gaz est alors introduite comme une grandeur liée aux chocs des particules, entre elles et sur les parois du récipient.

  8. La fiche de présentation du modèle microscopique des gaz est distribuée. Le professeur invite les élèves à en faire une lecture attentive et aborde l’explication du modèle et l’intérêt de son utilisation pour rendre compte de ce qui se passe dans le gaz au niveau microscopique. Le professeur invite les élève à utiliser le modèle microscopique du gaz pour interpréter la force pressante d’un gaz et sa pression.

Comportement des élèves: La notion de force pressante

D’après des travaux en didactique sur les conceptions des élèves sur les gaz et l’analyse des productions d’élèves qui ont suivi cette unité d’enseignement, on s’attend à ce que les élèves fournissent des réponses qui ressemblent aux suivantes.

1. Pour la situation B :

- l’air de la seringue agit sur le liquide car on a pressé le piston
- quand on agit sur le piston, l’air passe de la seringue au tube, ce qui fait diminuer le niveau du liquide du côté de la seringue et l’augmente de l’autre
- l’air de la seringue agit sur le liquide car la pression exercée sur cet air fait diminuer son volume, il passe alors dans le tube, pousse le liquide et prend sa place
- l’air de la seringue exerce une pression sur le liquide et le chasse, alors le niveau de ce dernier change
- lorsqu’on change le volume d’air au moyen du piston, un volume d’air égal à celui comprimé échappe de l’autre coté
- la pression de l’air dans la seringue augmente et devient plus grande que celle de l’air de l’atmosphère

2. pour la situation C :

- suite à l’aspiration du gaz contenu dans le tube, l’eau s’infiltre vers le haut
- le liquide occupe la place de l’air
- lorsqu’on remonte le piston, l’air remonte vers le haut en tractant le liquide
- lorsqu’on a remonté le piston , le volume de l’air de la seringue augmente ce qui conduit à la diminution du niveau du liquide à l’autre côté du tube
- lorsqu’on a remonté le piston, la seringue a aspiré une quantité d’air et le liquide a remonté d’une quantité qui lui est
- l’air se dilate dans la seringue et laisse un vide, l’air remonte du tube pour l’occuper et le niveau du liquide remonte
- la pression de l’air diminue et celle de l’air (extérieur) devient plus grande qu’elle.

3. Pour la situation A :

- l’air de la seringue n’agit pas sur le liquide car le piston n’est ni poussé ni retiré.
- l’air de la seringue n’agit pas sur le liquide car les niveaux du liquide sont semblables
- l’air de la seringue n’agit pas sur le liquide car on a réglé le piston de telle façon que le liquide ait le même niveau dans les branches du tube
- l’air de la seringue n’agit pas sur le liquide car l’air reste a sa place et aucun changement n’a lieu
- l’air de la seringue agit sur le liquide, mais avec une intensité égale à « l’intensité de la pression » existant à l’autre côté
- l’air de la seringue agit sur le liquide, mais son action est égale à celle exercée par l’air de l’atmosphère
- l’air de la seringue agit sur le liquide, mais sa pression est égale à celle de l’air

Vidéos associées :
Séquence 1
Séquence 2
Séquence 3
Séquence 4

Activité n° 1: La notion de force pressante

Cette séquence a lieu lors de l’activité1 (« comprimer et décomprimer un volume de gaz ») de la partie1(« pression et force pressante ») , lorsque les élèves traitent la situation C. Il s’agit d’une expérience où on remonte le piston de la seringue d’air reliée à une branche d’un tube en U contenant un liquide, et on constate que ce dernier remonte dans cette branche.

(Double-cliquez sur la vidéo pour la lancer)

G Ici [le cas C], se passe le contraire … l’air monte.
F Il fait quoi ?
G Il tire, tracte
F Non [propose] une autre phrase, plus élégante.
G L’air remonte dans la seringue.
F Sous l’action de quoi ?
G Parce que on a remonté le piston
F D’accord. Ce qui fait que l’eau monte.
G Et ce qui crée un vide dans le tube.
F Et il est occupé par …
F Il est occupé par le liquide

Activité n° 1: La notion de force pressante

Ce dialogue (entre les élèves G et F) a lieu lors de l'activité 1 ("comprimer et décomprimer un volume de gaz") de la partie 1 ("pression et force pressante"), lorsque les élèves traitent la situation C. Il s'agit d'une expérience où on remonte le piston de la seringue d'air reliée à une brabche d'un tube à essai contenant un liquide, et on constate que ce dernier remonte dans cette brabche.

(Double-cliquez sur la vidéo pour la lancer)

G Dans le cas A est-ce que l’air qui se trouve dans la seringue agit sur le liquide ? Donnez des explications
F Il n’agit pas
G L’air n’agit pas sur le liquide qui se trouve dans la seringue dans le cas A
F Parce que….
G Parce que le liquide reste dans le niveau.
F Il se trouve dans le même niveau
G Donc il n’y a aucune action

Activité n° 1: La notion de force pressante

Ce dialogue (entre les élèves G et F) autour de la situation A de l'activité 1("comprimer et décomprimer un volume de gaz") de la partie 1 ("pression et force pressante"). Ici, on constate que le liquide est au même niveau dans les branches du tube en U; la première est reliée à une seringue contenant de l'air qu'on a pas encore pressé alors que la deuxième est ouverte sur l'air extérieur.

(Double-cliquez sur la vidéo pour la lancer)

G Qu’as-tu fait dans le cas A ? il [l’air de la seringue] n’agit pas ?
F Il n’agit pas.
G Au contraire, il [l’air] agit sur elles [les surfaces libres du liquide dans les deux branches du tube] avec la même intensité. Donc ils [les niveaux supérieurs du liquide dans les deux branches] restent au même niveau.
F Mais, il y a rien ici [la branche ouverte sur l’air libre]
G Il y a l’air.
F Mais elle [la prof.] nous a dit la seringue … l’air de la seringue. Agit-elle sur le liquide ?
G L’air de la seringue, agit-il ?
F Il n’agit pas.
G Il agit, mais son action est égale à celle de l’air qui est là [l’air libre]. l’intensité qu’exerce cet air est égale à l’intensité exercée par celui-là. Et [dans le cas B], l’intensité que celui-ci exerce est supérieure à celle qu’exerce celui-là. C’est pourquoi celui-ci [le niveau d’eau] monte et l’autre descend. Et celui là [le cas C] , au contraire, … l’intensité qu’il exerce est supérieure … il tire. Tu as compris ?

Activité n° 1: La notion de force pressante

Ce dialogue (entre les élèves G et F) autour de la situation A de l'activité ("comprimer et décomprimer un volume de gaz") de la partie 1 ("pression et force pressante"). Ici, on constate que le liquide est au même niveau dans les branches du tube en U; la première est reliée à une seringue contenant de l'air qu'on a pas encore pressé alors que la deuxième est ouverte sur l'air extérieur.

(Double-cliquez sur la vidéo pour la lancer)

F Oui, il [l’air] agit parce que le liquide a changé contrairement à ce qui se passe dans le cas B lorsqu’on enlève …..
G Le niveau du liquide change contrairement au cas B
F Il est soumis à une force pressante «aspiratrice» approximativement, ce qui signifie qu’il y a une aspiration
G Ce qui signifie que l’air extérieur est entré
F Lorsqu’il est soumis à une force pressante qui aspire l’air qui se trouve dans le tube
G Du côté de la seringue
F La place occupée précédemment par l’air est occupée maintenant par le liquide