ENSEIGNER
samedi 30 août 2014
icar Vesion anglaise

THEME: L'air qui nous entoure
France  -  Niveau 9 (Anciens programmes)  -  Physique

Activité 1: Quelques différences entre un liquide et un gaz.

 

Expérience 1
On adapte un ballon dégonflé sur une bouteille pleine d’air et un autre sur une bouteille pleine d’eau. On cherche à comparer l’évolution du volume de l’air et de l’eau lorsqu’ils sont chauffés.
a. A votre avis, que se passerait-t-il si on plongeait la bouteille d’air dans de l’eau très chaude ? Proposer une explication.

• Mettre 350 mL d’eau très chaude dans un bécher de 600 mL.
• Adapter sur une bouteille pleine d’air un ballon de baudruche dégonflé.
• Faire l’expérience décrite dans la question a. et observer.

b. Votre observation est-elle en accord avec votre prévision ?

c. On veut recommencer la même expérience, la bouteille étant remplie d’eau. Pensez-vous que de l’eau de la bouteille va entrer dans le ballon ? Proposer une explication.
• L’expérience décrite dans la question c. est réalisée par le professeur. Votre observation est-elle en accord avec votre prévision ?

d. Conclusion : quelle(s)est (sont) le(s) différence(s) de comportement entre l'air et l'eau des bouteilles ?


Expérience 2
a. On veut ajouter de l’air dans une bouteille pleine d’air et de l’eau dans une bouteille pleine d’eau. Pensez-vous que c'est possible pour l'air ? pour l'eau ? Pourquoi ?
• Faire les expériences permettant de tester vos réponses.

b. Conclusion : est-il possible de rajouter :
– de l’air dans une bouteille pleine d’air ?
– de l’eau dans une bouteille pleine d’eau ?

c. A l’aide du modèle microscopique des gaz, interpréter cette expérience dans le cas de l’air. En déduire une interprétation microscopique de cette expérience dans le cas de l’eau.

d. Pensez-vous que les conclusions des expériences 1 et 2 seraient les mêmes si on avait remplacé l'air par un autre gaz (dioxygène, hélium, etc.) et l'eau par un autre liquide (huile, essence, alcool, etc.) ? Justifier votre réponse.

Lire le 1er paragraphe du modèle macroscopique des gaz.


But: Quelques différences entre un liquide et un gaz.

L’objectif de cette activité est que l’élève prenne conscience de certaines différences entre un liquide et un gaz : un gaz se dilate ou se comprime beaucoup plus qu’un liquide. Ces différences " justifient " que la grandeur température seule ne suffise pas pour décrire l’état d’un gaz et qu’il est donc nécessaire d’utiliser simultanément plusieurs grandeurs.

Corrigé: Quelques différences entre un liquide et un gaz.

Expérience 1
d. Lorsque de l’air est chauffé, le volume qu’il occupe augmente. Ce n’est pas le cas pour l’eau de façon visible (différence d’ordre de grandeur du coefficient de dilatation mais celui-ci n’est évidemment pas mentionné).
Il n’y a pas de vide entre les molécules d’eau qui " se touchent " : dans la bouteille d’eau, on ne peut pas ajouter de matière.

Expérience 2
a. Il est possible d’ajouter de l’air dans la bouteille d’air. Il n’est pas possible d’ajouter de l’eau dans la bouteille d’eau.
b. Il n’y a pas de matière entre les molécules (énoncé G4) d’un gaz : ces molécules peuvent donc être resserrées et c’est ce qui se passe lorsqu’on ajoute de l’air dans la bouteille d’air.
c. Pour l’expérience 2, l’interprétation microscopique montre que le résultat ne dépend pas de la nature du gaz. De la même façon, le résultat de cette expérience ne dépend pas non plus de la nature du liquide. Pour l’expérience 1, on peut donc penser qu’il en sera de même.

Préparation: Quelques différences entre un liquide et un gaz.

Expérience 1
Utiliser une fiole simple (non jaugée), une petite bouteille en verre (Perrier, Coca) ou en plastique (vérifier que la bouteille ne se déforme pas) ou un petit ballon à fond plat. Dans tous les cas, utiliser le même récipient pour l’air et pour l’eau. Le professeur dispose d’une réserve suffisante d’eau préalablement chauffée pour gagner du temps.
C’est le professeur qui fait l’expérience avec l’eau (avec un bain marie + thermostat) pour que l’eau passe effectivement comme l’air de 20 °C à 60°C.
La pression de l’air reste constante et égale à la pression atmosphérique dans la fiole et le ballon, ce qui permet de dire que lorsque la température augmente, le volume augmente.

Expérience 2
On pourra utiliser, si on a choisi la petite bouteille d’eau minérale, un " dispositif " de perfusion (tuyau muni d’une aiguille en plastique) et une seringue. Le bouchon se perce à l’aide de l’aiguille et l’étanchéité est normalement assurée.
On peut également fermer la bouteille avec un bouchon caoutchouc percé d’un tube en verre sur lequel se raccorde un tuyau souple en plastique.

A la fin de l’activité, distribuer le modèle macroscopique des gaz et lire le paragraphe 1 (État d’un gaz).

Savoir: Quelques différences entre un liquide et un gaz.

Le modèle macroscopique des gaz fourni aux élèves est valable pour tout échantillon de gaz contenu dans un récipient fermé, afin de pouvoir introduire la pression comme une grandeur qui rend compte de l’action exercée par ce gaz sur les parois du récipient (conformément au programme). Ceci est spécifié en tête du modèle.
Bien évidemment, pour le physicien mesurer une pression ne nécessite qu’une paroi et non pas un récipient fermé mais nous respectons ici le cadre du modèle (échantillon de gaz dans un récipient fermé) en accord avec le programme

Comportement des élèves: Quelques différences entre un liquide et un gaz.

Les élèves ont en général beaucoup de difficultés (même au niveau de l'université) à utiliser plusieurs grandeurs simultanément pour décrire une situation. Dans le cas des gaz, cette utilisation simultanée est indispensable. Cette activité vise donc à aider les élèves à commencer à surmonter cette difficulté.
Il est indispensable de faire faire d’abord une prévision et de laisser libre le niveau de l’explication fournie par l’élève (va-t-il par exemple passer au niveau microscopique ?).
a. De nombreux travaux montrent que les élèves raisonnent comme si le gonflement du ballon s’expliquait par le fait que l’air chaud monte (et non par la dilatation de l’air). Ils utilisent une connaissance quotidienne (l’air chaud monte) qu’il adapte à cette situation.
Si vos élèves manifestent ce type d’explication, on peut leur montrer que le ballon se gonfle de la même façon si on chauffe la bouteille à l’envers (ou en oblique).
c. L’élève peut s’attendre à ce que de l’eau et non de l’air entre dans le ballon au dessus de la fiole qui contient l’eau. Il est indispensable que le ballon ne contienne au départ quasiment pas d’air car sinon certains élèves affirment que l’air va également être chauffé et que le ballon va donc se gonfler.
d. Cette question vise à aider les élèves à généraliser leur résultat à tous les liquides et tous les gaz (propriétés de l'état liquide et de l'état gazeux). En effet, ils peuvent très bien accepter la différence pour l'eau et l'air, mais la généralisation ne se fait pas d'emblée. Certains élèves évoquent par exemple la différence de volatilité des liquides (l’essence plus volatile ne se comporte pas comme l’eau puisque on va récupérer des vapeurs). De même certains élèves peuvent évoquer les boissons gazeuses qui vont permettre un dégagement important de gaz par chauffage (c’est une expérience parfois faite au collège). Il convient alors de bien préciser que ce qui nous intéresse est l’évolution du volume en fonction de la température sans considérer les changements d’état. Ceci ne doit être préciser qu’à la fin pour laisser ouverte la possibilité d’évoquer ces comportements.

La première vidéo correspond à l'expérience 1. La prédiction de l'élève Ma semble manifester qu'elle ne sait pas qu'une quantité d'air prend plus de place quand on la chauffe. On peut noter que cette expérience la fait changer sans difficulté.

Les deux vidéos suivantes correspondent à l'expérience 2.
La vidéo 2 se rapproche de la conception déjà identifiée par des chercheurs : pour les élèves, lorsqu'une quantité d'air est immobile, c'est comme si elle n'existait pas. En effet, pour attraper de l'air, l'élève E se sent obligée de tirer sur le piston, puis de boucher la seringue.
Dans la vidéo 3 on voit qu'il n'y a pas d'air dans une bouteille ouverte pour l'élève E. L'élève A, en s'appuyant sur l'expérience (le piston remonte, le bruit de l'air) arrive à la faire changer d'avis. Il faut préciser que ce changement d'avis ne concerne que cette situation qu'on ne peut prédire la réponse de l'élève E dans d'autres situations. Cette vidéo illustre aussi l'importance de l'interaction entre deux élèves lorsqu'ils ont la possibilité de travailler de manière autonome.

Vidéo 1 Vidéo 2 Vidéo 3

Activité n° 1: Quelques différences entre un liquide et un gaz.
Partie 2 - Activité 1 - Expérience 1

 

(Double-cliquez sur la vidéo pour la lancer)

Ad :faire l'expérience décrite dans la question a ; et observez, comparez votre observation avec vos prévisions, Ah et bin alors prévisions, alors tu mets, tu imagines tu mets ça dans ça
Ma :Ouais
Ad :tiens t'as vu la buée là
Ma :Ouais
Ad :Moi j'pense que ça va chauffer et puis là ça va (souffle) gonfler
Ma :Si l'air il chauffe, ça veut pas dire que ça va gonfler
Ad :Et bin, si pasque quand ça chauffe, après en même temps ça fait un gaz
Ma :Ouais l'eau mais pas l'air, l'air quand tu le chauffes, tu peux le chauffer ça changera rien
Ad :Bin ouais, mais il y a de l'air là, donc ça va pousser l'air (rires) et ça va monter

Activité n° 1: Quelques différences entre un liquide et un gaz.
Partie 2 - Activité 1- Expérience 2


(Double-cliquez sur la vidéo pour la lancer)

Prof (à toute la classe) :la conclusion c'est est-ce que l'on peut rajouter de l'air dans une bouteille d'air
E :non, on peut pas non, on peut pas de l'air
A :pourquoi
E :pasque regarde quand tu fais ça (E tire sur le piston), tu vois pour prendre de l'air, attends (E pousse le piston jusqu'au bout, bouche la seringue et tire sur le piston), tu vois pour prendre de l'air t'es obligé de boucher
A :ouais et alors
E :ben quand tu enlèves ton doigt (E enlève son doigt et la seringue fait pshhh) et bien il y a plus d'air

Activité n° 1: Quelques différences entre un liquide et un gaz.
Partie 2 - Activité 1 - Expérience 2


(Double-cliquez sur la vidéo pour la lancer)

(A met la seringue sur la bouteille, appuie sur le piston et enlève la seringue, ça fait pshh) t'es d'accord regarde

E :ouais mais là t'as pas d'air (E montre la bouteille ouverte)
(A remet la seringue et appuie encore sur le piston remonte)
A : la preuve y'a d'l'air ça remonte
(A appuie encore sur le piston et il remonte)
E : ouais
A :

la preuve qu'il y a de l'air et que là je le pousse (A pousse sur le piston) pour en mettre dedans, parce que regarde (le piston remonte)…
(A enlève la seringue et ça fait pshhh) tu vois y'a de l'air,

E :ouais