ENSEIGNER
jeudi 21 septembre 2017
icar Vesion anglaise

THEME: L'air qui nous entoure
  -  _ (Anciens programmes)  -  Physique

Activité 1: Compression de l'air

 
a. A partir des observations de l'activité 2 de la partie 2 (pression d’un gaz quand on pousse un piston), indiquer par une phrase comment évolue la pression de l’air dans une enceinte lorsque son volume augmente.
On cherche ici à déterminer expérimentalement la relation entre cette pression et le volume correspondant.
b. Pour mener à bien cette étude où on fait varier la pression et le volume, il est nécessaire qu’il n’y ait pas d’autres grandeurs (intervenant dans la description de l’état de l’air) qui varient. Quelles sont les grandeurs qui doivent rester constantes ?
On considère que ces conditions seront respectées durant toute la durée de l'expérience.
Placer le piston de la seringue à mi-course. Augmenter le volume de 5 mL en 5 mL. Pour chaque nouvelle valeur, relever la pression correspondante ainsi que le volume. Recommencer en diminuant le volume (après avoir ramené le piston à mi-course).


Attention à ne jamais dépasser la pression maximale indiquée sur le pressiomètre.

c. On considère quatre relations possibles entre la pression p et le volume V de l’air :
1. p = k1.V      2. p = k2.V2       3. p.V = k3         4. p.V2 = k4.
Les coefficients k1 , k2 , k3 et k4 sont des constantes positives.
Sans faire de calcul, utiliser vos observations pour déterminer parmi ces relations celles qui ne peuvent pas convenir. Justifier.
d. Utiliser un tableur pour déterminer la bonne relation, parmi celles restantes.
e. La constante qui intervient dans la relation entre p et V ne serait pas forcément la même si on refaisait une autre série de mesures. A votre avis, de quoi dépend cette constante ?

Corrigé: Compression de l'air

a. La pression d’un gaz diminue lorsque son volume augmente.
b. Il faudra voir si on modifie la question ou non et adapter la réponse en conséquence : j’avais proposé d’y ajouter que les grandeurs intervenaient dans la description du gaz.
Le professeur accepte toutes les grandeurs que les élèves proposent. Il est intéressant qu'une discussion ait lieu avec la classe sur la pertinence des grandeurs choisies. Les grandeurs physiques qui doivent rester constantes sont la température et la quantité de matière.
c. Les observations effectuées permettent de dire que lorsque la pression augmente le volume diminue. Les relations 1 et 2 ne peuvent donc pas convenir.
d. Seule la relation 3. est vérifiée par les valeurs expérimentales de p et V. C’est donc la relation p.V.= a3 qui convient. Nous donnons ci-contre un tableau de quelques valeurs qui rend compte de cet effet.
Pour vérifier que la relation entre pression et température ne dépend pas du sens de variation (l'élève pourrait penser que le pressiomètre garde une mémoire des pressions mesurées), on peut faire vérifier à l'élève que les couples de mesures sont les mêmes lorsque le volume diminue et lorsqu'il augmente. [insérer tableau]
e. La constante dépend de la température et de la quantité de matière du gaz dans le récipient.

Préparation: Compression de l'air

Chaque groupe doit disposer d’une seringue et d'un pressiomètre. Il faut veiller à ce que le tuyau qui relie le pressiomètre à la seringue ne soit pas trop long, car cela risquerait de fausser le volume mesuré et donc les résultats de l'expérience.
Dès la première question, le professeur peut laisser les élèves refairent l’expérience de l’activité 2 de la partie 2.

But: Compression de l'air

Cette activité vise à établir expérimentalement une relation quantitative entre le volume et la pression, et plus précisément à montrer que leur produit est constant pour une température et une quantité de matière donnée. Elle demande aux élèves de prendre des mesures à l'aide d'un pressiomètre et de les exploiter.
Cette activité permet également de préparer les activités suivantes qui adopteront la même méthodologie.

Savoir: Compression de l'air

Dans cette activité, on admet que l’on travaille à température constante.
Considérer que la température est constante durant toute la durée de l'expérience est une excellente approximation (à condition que la température de la pièce ne change pas). Les variations de température sont extrêmement éphémères, elles n'ont lieu que lors des variations rapides de volume et l'équilibre thermique est atteint rapidement.

Comportement des élèves: Compression de l'air

Cette expérience ainsi que le travail de réflexion qui la suit demandent du temps (au moins la moitié de la séance).
Dans la première question, certains élèves peuvent répondre que la pression augmente quand le volume augmente (raisonnement plus-plus).
Ils n’est pas évident pour certains élèves qu’il faille s’assurer de la constante des grandeurs dont on n’étudie pas la relation mutuelle. La signification de l’expression " faire varier " peut poser problème et nécessite alors une explication du professeur.
Quelques élèves n'accepteront pas forcément facilement que l’on peut considérer que la température reste constante pendant l’expérience (ils peuvent dire par exemple que lorsqu'ils gonflent un pneu, la pompe devient plus chaude). L'enseignant pourra alors invoquer les frottements comme source d'échauffement et faire observer que leur effet est ici extrêmement réduits.

Pour choisir parmi les relations, nous proposons à l'élève de procéder en deux temps :

- la question c. demande d'éliminer sans calcul les relations qui ne conviennent pas : l'élève peut alors se contenter d'invoquer le fait que si le volume augmente la pression diminue, ce dont ne rendent pas compte deux des formules proposées.
Il convient de veiller ici à ce que l'élève respecte les consignes. Classiquement, avant de trouver une relation entre grandeur (en modélisant numériquement), il est souhaitable d'utiliser des arguments qualitatifs pour diminuer le nombre de possibilités à envisager. Cette question pourrait d'ailleurs être posée avant même de faire les mesures ; elle ne l'est qu'après pour bien distinguer l'expérience de la phase de modélisation (regroupée dans les trois dernières questions c, d et e) ;

- la question d préconise l'utilisation d'un tableur pour trancher entre les deux possibilités restantes. L'utilisation d'un tableur (son apprentissage) fait partie d'une compétence classique et qui traverse les disciplines. L'élève a normalement appris à se servir de ce genre d'outil en mathématique et cet apprentissage peut être en cours dans le cadre de l'enseignement de la physique et de la chimie. Cette méthode est bien plus rapide qu'un calcul manuel accompagné éventuellement d'un tracé de segment de droite "à la main". L'élève devra lui-même choisir ce qu'il fait calculer (et/ou tracer). Cette activité est également l'occasion d'observer l'écart (même faible) entre valeurs expérimentales et valeurs prévues par la théorie. La simple observation de cet écart constitue un apprentissage et c'est généralement une surprise pour l'élève qui considère alors ses mesures comme fausses. Il est possible ici de mentionner que cet écart est au contraire inhérent à la comparaison entre théorie et expérience et que c'est cet écart qui doit retenir l'attention du physicien pour confirmer ou valider une hypothèse.

La question e. permet de "boucler" cette activité. On attend en effet que l'élève réponde que cette constante dépend a priori de la température et de la quantité de matière (grandeurs qui ont dû rester constantes durant la prise de mesures). L'élève peut également répondre, en s'arrêtant à l'aspect mathématique de la formule trouvée que la constante dépend de P et V. L'enseignant devra alors veiller à engager le débat au sujet d'un tel argument. Cette formule rend compte de l'interdépendance de P et V : si P varie alors c'est V qui varie (et inversement) mais pas la constante. Cette conclusion d'activité peut d'ailleurs être l'occasion d'une discussion (courte) sur le choix du terme "constante". En toute rigueur il faudrait préciser les limites de cette "constance" puisque le coefficient peut dépendre de la température et de la quantité de matière.

Certains élèves peuvent aussi être tentés de répondre que cette constante dépend du gaz contenu dans la seringue. Cette séance, en l'état, ne permet pas d'abandonner cette idée. Ceci pourra faire l'objet d'une activité ou d'un exercice en tant que tel. On pourra se référer en particulier à l'activité A2, page 151 du document d'accompagnement.

Les vidéos 1 et 2 correspondent à la question a.
La vidéo 1, montre que pour l'élève Ad, la définition du mot enceinte n'est pas très claire. Il semblerait que considérer l'intérieur d'une seringue comme étant une enceinte, ne soit pas si évident pour certains élèves.
La vidéo 2, montre qu'à la question qui demande comment évolue la pression quand le volume augmente, l'élève A, répond que ces grandeurs évoluent de manière proportionnelle. Plus généralement, dans les questions où on fait varier deux grandeurs, il est fréquent de constater que, pour les élèves, ces grandeurs varient de la même façon (raisonnement plus-plus).

La vidéo 3 correspond à la question b.
Elle montre l'élève A en train d'agir sur le piston de la seringue et de se rendre compte que, contrairement à sa prévision, la pression diminue lorsque l'on augmente le volume. Cette vidéo montre l'importance de demander aux élèves de faire une prédiction, puis de la vérifier expérimentalement de manière autonome.


Vidéo 1 Vidéo 2 Vidéo 3

Activité n° 1: Compression de l'air
Le mot enceinte

Cette vidéo montre que pour l'élève Ad la définition du mot enceinte n'est pas très claire. Il semblerait que considérer l'intérieur d'une seringue comme étant une enceinte, ne soit pas si évident pour certains élèves.

(Double-cliquez sur la vidéo pour la lancer)

A: A partir des observations de l'activité 2 de la partie 2, indiquer par une phrase comment évolue la pression d'un gaz
Ad: Dans une enceinte lorsque son volume augmente (..) dans une enceinte, c'est-à-dire dans quelque chose ? Dans une enceinte, ça veut dire dans quelque chose ?

Activité n° 1: Compression de l'air
Le raisonnement plus-plus

Cette vidéo montre qu'à la question qui demande comment évolue la pression quand le volume augmente, l'élève A répond que ces grandeurs évoluent de manière proportionnelle. Plus généralement, dans les questions où on fait varier deux grandeurs, il est fréquent de constater que, pour les élèves, ces grandeurs varient de la même façon (raisonnement plus-plus).

(Double-cliquez sur la vidéo pour la lancer)

A: j'ai l'impression qu'elle (la pression) augmente, c'est facile de dire ça
Ad: on a même pas écrit, euh, on a même lu la suite, on cherche à déterminer expérimentalement la relation entre cette pression et le volume corres...pondant
A: ben c'est logique, si le volume il augmente deux fois, la pression augmentera de deux fois, en gros c'est ça
Ad: déterminez expérimentalement, faite l'expérience
A: ouais mais expérimentalement, c'est par rapport à ce que je viens de dire, c'est par rapport à ce qu'on a fait

Activité n° 1: Compression de l'air
importance des prévisions - question b

Cette vidéo correspond à la question b. Elle montre l'élève A en train d'agir sur le piston de la seringue et de se rendre compte que, contrairement à sa prévision, la pression diminue lorsque l'on augmente le volume. Cette vidéo montre l'importance de demander aux élèves de faire une prévision, puis de la vérifier expérimentalement de manière autonome.

(Double-cliquez sur la vidéo pour la lancer)

A: 31
M: y'avais sept colonnes, hein les amies
A: ouais, 31 je recule
Ad: Aaaaaah
M: Y'en avais sept (rires)
A: eh la pression elle diminue, c'est pas pour vous faire chier hein
M: c'est vrai
M: merde 35, ça ra'p'tissit ou pas ? ouais 35, 92 (inaudible)
E: hein
A: euh, 923 j'veux dire