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

But: Description d’un gaz à l’échelle microscopique.

L’objectif de la partie 1 est de permettre aux élèves de construire des représentations mentales du comportement des particules dans une petite partie de gaz, à l’aide de représentations symboliques.

Préparation: Description d’un gaz à l’échelle microscopique.

Cette partie correspond environ à une semaine complète d’enseignement, soit 3 heures et demie par élève. Le rôle du modèle est d'expliciter à l'élève le cadre théorique de référence utilisé pour l'enseignement de cette séquence sur les gaz, ou dit de façon plus imagée, de constituer des "règles du jeu" auquel il va participer. Le modèle représente aussi ce que l'élève devra savoir (connaître et savoir utiliser)à la fin de cet enseignement sur les gaz.

Pour l'activité 3, on doit disposer d'une simulation conçue par F. Chauvet et C. Duprez. Elle est lisible dans n’importe quel navigateur. Il suffit d’ouvrir le fichier gaz.html et de vérifier que le fichier gaz.jar est dans le même dossier. Ces deux fichiers sont téléchargeables ICI. Cette simulation est une adaptation d’une simulation plus ancienne développée à l’INRP par Chomat, Larcher, Méheut et Verneuil, qui a fait l’objet de recherche sur l’apprentissage effectif des élèves.

Savoir: Description d’un gaz à l’échelle microscopique.

Dans la séquence proposée, nous avons limité le microscopique à un comportement des entités sans aller jusqu'aux grandeurs physiques (vitesse moyenne, nombre de chocs, etc.). La molécule a été choisie comme particule élémentaire, nous adoptons une seule représentation microcopique pour les différentes entités constituant les espèces chimiques présentes dans l'air. En étant conscient des restrictions que ceci impose, nous avons choisi de faire utiliser très souvent (pour cette partie mais aussi pour les autres parties) une seringue pour les raisons suivantes :

objet familier pour l'élève
objet facile à manipuler
objet rigide qui permet de maîtriser le volume sans être dépendant de la pression extérieure.

But: Description macroscopique d’un gaz par des grandeurs physiques. Interprétation microscopique de la pression.

Après avoir étudié la description microscopique d’un gaz (partie 1), on s’intéresse dans cette partie 2 ainsi que dans la suivant (partie 3) aux grandeurs macroscopiques nécessaires pour décrire l’état d’un gaz ainsi qu’à l’interprétation microscopique de ces grandeurs. Ces deux parties, occupant chacune une semaine d’enseignement, forment donc un tout et correspondent aux paragraphes 1.2 et 2 du programme, à l’exception du paragraphe 1.2.2 qui n’a pas été pris en charge par le groupe outil.

Préparation: Description macroscopique d’un gaz par des grandeurs physiques. Interprétation microscopique de la pression.

Cette deuxième partie est constituée d’un ensemble d’activités ....

But: Relations entre grandeurs macroscopiques décrivant l'état de l'air. Interprétation microscopique de la température.

Chaque activité s’intéresse au lien entre deux grandeurs macroscopiques. Les élèves vont donc devoir établir des relations entre la pression et : . le volume dans l’activité 1 (lien quantitatif : loi de Mariotte) . la température dans l’activité 2 (lien qualitatif). . la quantité de matière dans l’activité 3 (lien qualitatif). Le terrain est alors préparé pour introduire (durant la séance en classe entière suivante) la loi du gaz parfait. Rappelons que cette loi ne doit être utilisée, selon le programme, qu'à la toute fin de cette partie. Dans l’activité 2, l’interprétation microscopique de la pression et le lien entre pression et température permet d’interpréter microscopiquement la température. Le professeur peut préciser au début de cette partie qu’on étudie ici uniquement l’air. Certains élèves peuvent s’interroger sur les éventuelles modifications des résultats obtenus quand on change de gaz. Le professeur pourra effectivement faire observer qu’à ce stade on ne peut pas généraliser simplement les résultats de cette partie 3 (en particulier de l’activité 1) à tous les gaz.

Comportement des élèves: Relations entre grandeurs macroscopiques décrivant l'état de l'air. Interprétation microscopique de la température.

La phase de modélisation qui consiste à passer de mesures (activité 1) ou d’observations (activités 2 et 3) à des relations entre grandeurs physiques est une démarche classique en sciences expérimentales. Elle demande d'importantes capacités d'abstraction pour un élève de seconde (symbolisation importante, lien et écart entre phénomènes et théorie). Là comme pour les autres séances que nous proposons, il est nécessaire de laisser du temps à l'élève pour qu'il construise lui-même ces liens entre ce qui est observable, ce qui mesurable et enfin ce qui régit les relations entre les grandeurs physiques.

L’équation d’état du gaz parfait est une équation complexe qui fait intervenir 4 grandeurs. Pour que les élèves puissent lui donner du sens, nous avons choisi de l’introduire progressivement. Pour cela, nous commençons par établir certaines relations entre 2 grandeurs seulement, par exemple entre la pression et le volume. Nous nous sommes limité aux liens existants entre la pression et l’une des autres grandeurs servant à décrire l'état d'un gaz (volume, température, quantité de matière). Nous avons fait le choix de nous centrer sur la pression, car c'est la grandeur la plus spécifique des gaz et dont le sens en physique doit vraiment être construit.

Préparation: Relations entre grandeurs macroscopiques décrivant l'état de l'air. Interprétation microscopique de la température.

Cette partie correspond environ à une séance de T.P., soit 1 heure et demie.L’essentiel de la séance est consacrée à l’activité 1 qui donne lieu au seul lien quantitatif fait entre grandeurs. Elle est constituée de trois activités, de la feuille interprétation microscopique des grandeurs macroscopiques, ainsi que des paragraphes 3 (température absolue) et 4 (gaz parfait) du modèle macroscopique. Pour des raisons expérimentales, les relations établies dans cette activité sont qualitatives, exceptée celle entre p et V. Les relations quantitatives entre p et T et p et n peuvent être établie à l’aide d’un simulateur (voir partie 4). Le professeur devra prévoir une salle équipée d’ordinateurs s’il choisit de faire travailler les élèves avec un tableur pour établir le lien quantitatif entre pression et volume.

Savoir: Relations entre grandeurs macroscopiques décrivant l'état de l'air. Interprétation microscopique de la température.

Il y a une similitude de structure entre les 3 activités. Dans chaque cas, les élèves doivent prendre conscience que lorsqu’on veut étudier le lien entre deux grandeurs décrivant l’état d’un gaz, il faut laisser constantes toutes les autres pendant la durée de l’étude. C’est une démarche classique des scientifiques.

Le programme propose, à travers l’étude des gaz, "d’illustrer l'existence de deux niveaux d'appréhension du monde naturel, le macroscopique et le microscopiques". Compte tenu de ce que les élèves ont déjà vu en chimie, et de ce qu'ils ont appris au collège sur le modèle microscopique, nous avons choisi de commencer par l'introduction du comportement microscopique des gaz, pour que les élèves puissent construire des explications fondées sur ce comportement. Ces explications les aident à construire du sens aux grandeurs macroscopiques.