Des expériences en classe de neige
( Classe de cycle III. Ecole de Vergetot (Gilles Cappe, Christel Corbel))
Les classes transplantées sont un moment privilégié pour une pratique
expérimentale impossible à mener dans notre région. Toutefois, plusieurs de
ces expériences sont transposables chez nous si l’on remplace la neige par la
glace.
Pour mener ces expériences, 4 heures ont été nécessaires.
Conception initiale : " c’est de l’eau "
.
Protocole expérimental 2 : Un gobelet rempli de neige est clos par un
film plastique du genre " cellofrais ". Après la fonte, on
constate un peu d’eau au fond du gobelet et beaucoup d’air.
L’observation de la neige à la loupe montre des
" flocons " reliés entre eux mais avec beaucoup d’air
entre eux
Qu’est-ce qui pèse plus lourd ? Un litre d’eau, un litre de neige ou un litre de glace ?
Conception initiale : " la glace pèse plus lourd que l’eau
qui pèse plus lourd que la neige "
Acquisition de connaissance recherchée : " la glace est plus
légère que l’eau "
Expérience : Dans un pichet gradué, on pèse un litre d’eau.
" Monsieur, un litre, ça pèse pas 1 kg. On a trouvé 1144
g ! "
" Hé, mais on a pesé le pichet aussi, il faut enlever le
poids du pichet vide ! "
" Ouf ! , on trouve bien 1000 g "
Puis on pèse un litre de neige non tassée et on obtient 243 g.
" Oh oui, m’sieur, la neige, c’est surtout de l’air "
Puis, on compare avec un litre de neige tassée et on obtient 517 g.
Enfin, on cherche à obtenir un litre de glace.
1er essai : La glace a débordé du pichet.
2ème essai : on met moins d’eau… mais cette fois-ci, on
n’en a pas mis assez ; il n’y a que 85 cl.
3ème essai : on rajoute de l’eau et
" grosso-modo ", on arrive à un litre. Le problème est que
la surface du bloc de glace obtenu est fortement incurvée (ceci est dû à la
manière dont l’eau gèle) et on est obligé de faire un " compromis
pas très scientifique ". Après accord général, on pèse et on
obtient 897 g.
" Moi, je le savais que la glace, c’est plus léger puisque ça
flotte.
Et pourquoi ne l’as-tu pas dit ?
Parce que j’étais pas sûr ! "
Dans un bac d’eau, j’ajoute de la neige et, au fur et à mesure, on mesure la température. Que vais-je constater ? Jusqu’où va descendre le thermomètre ?
Conception initiale : La température va baisser tant qu'on
rajoute de la neige jusqu’à des
températures négatives.
Acquisition de connaissance recherchée : La température montre des
paliers et ne varie pas de manière linéaire.
Protocole expérimental : Dans le bac d’eau, on ajoute à chaque fois
un gobelet de neige, on fait fondre la neige puis on mesure la température.
On s’aperçoit qu’à chaque ajout de neige, la température baisse d’environ
5° pour se stabiliser à 0°. A partir de cette température, la neige ne fond
plus et on obtient un " mélange eau-neige " de plus en plus
" pâteux ".
Quelle est la température sur, dans et sous la neige ?
Conception initiale : Plus on s’enfonce sous la neige, plus il fait
froid.
Acquisition de connaissance recherchée : La neige est un
" isolant ".
Protocole expérimental : Avec un thermomètre électronique à sonde,
on mesure la température en surface de la neige, au milieu de la couche et au
niveau du sol sous la couche de neige.
Les résultats variant fortement d’une équipe à l’autre ont permis de
rappeler la nécessité de bien définir les paramètres d’une expérience car
on n’avait pas tenu compte si l’on était au soleil ou non, s’il fallait
enfoncer complètement la sonde ou non, s’il fallait la recouvrir de neige….
Les premiers résultats étaient les suivants :
Sur la neige : de –4.6° à –0.3°
Au milieu de la couche : de –2° à –0.1°
Au niveau du sol : de –1.2° à 0.1°
Le groupe-classe a défini les conditions de relevés de températures et on
a obtenu :
Sur la neige : de – 4° à –3°
Au milieu de la couche : de –1.5° à –1°
Au niveau du sol : 0°
" C’est pour ça que les Inuits font des
igloos ! "
" C’est pour ça que les gens perdus en montagne s’enfouissent
sous la neige ! "
Qu’est-ce qui fond plus vite, la neige tassée ou la neige non tassée ?
Conception initiale : C’est la neige non tassée qui va fondre plus
vite.
Acquisition de connaissance recherchée : Plus la neige est en contact
avec l’air, plus vite, elle va fondre.
Protocole expérimental 1 : Deux gobelets semblables sont remplis de
neige. On tasse la neige dans un gobelet. On observe.
La neige tassée fond beaucoup plus lentement.
" Ca va pas, m’sieur, parce que le volume n’est pas le même
alors forcément, la neige non tassée fond plus vite "
Protocole expérimental 2 : Deux gobelets semblables sont remplis à
ras-bord de neige tassée pour l’un, non tassée pour l’autre.
On observe que, là encore, la neige non tassée fond plus vite.
" C’est pour ça qu’on passe la dameuse, pour tasser la neige
et la conserver "
Qu’est-ce qui pèse plus lourd, la neige ou son eau de fonte ?
Conception initiale : L’eau sera plus lourde. Les
enfants ne font pas la liaison avec les expériences 1 et 2.
Acquisition de connaissance recherchée : La neige, c’est
de l’eau avec beaucoup d’air et le poids de l’air est négligeable.
Protocole expérimental 1 : Un gobelet rempli de neige
est fermé par du " cello-frais ". Il est pesé. On laisse
fondre la neige. Puis il est à nouveau pesé. On obtient à chaque fois 36 g,
poids du gobelet plastique compris.
Protocole expérimental 2 : On recommence avec de la
neige tassée. Le résultat est le même avec 63 g.
Les enfants constatent également que très vite se forment
sur le " cello-frais " des gouttelettes dues à l’évaporation.
Où " va " l’eau du glaçon quand celui-ci fond dans un verre déjà rempli d’eau ?
Conception initiale : L’eau du glaçon se répand
uniformément dans le gobelet.
Acquisition de connaissance recherchée : L’eau froide
est plus dense que l’eau chaude.
Protocole expérimental 1 : Du sirop est mélangé à de
l’eau puis placé au congélateur. Le cube de glace
" coloré " est ensuite mis dans un gobelet transparent
rempli d’eau. On remarque tout-de-suite que la glaçon tombe au fond. Il est
plus lourd que d'habitude. Puis on constate que le sirop se liquéfie d’abord et tombe au fond
du gobelet. Puis le glaçon fond. Mais on n’observe pas de mouvement apparent
de l’eau.
" Le sirop est plus lourd que l’eau mais c’est
pas ça qu’on veut voir. "
Protocole expérimental 2 : Un élève propose un
" colorant " plus léger ; l’encre de son stylo
plume. On essaie donc à nouveau mais là encore, la densité entre l’encre et
l’eau est trop différente, l’encre s’échappant d’abord du glaçon.
L’expérience a été déclarée " ratée " par
les élèves à la recherche d’un colorant proche en densité de l’eau du
robinet. (N.B. Les colorants alimentaires présentent le même défaut, après
essai).
Est-ce qu’un glaçon, en fondant, fera déborder un gobelet rempli d’eau à ras-bord ?
Conception initiale : Oui, le glaçon fondu fera
déborder le verre.
N.B. les élèves ne font pas la liaison avec les
expériences 1, 2 et 6.
Acquisition de connaissance recherchée : La glace, de
densité inférieure à l’eau liquide, occupe moins de place ; ne fera
donc pas déborder le gobelet et on devrait même constater une baisse du niveau
de l’eau.
Protocole expérimental : Un glaçon est posé dans un
verre rempli à ras-bord d’eau placé sur une table bien sèche. On laisse
fondre le glaçon et on constate que l’eau n’a pas débordée.
Pas convaincus, les élèves proposent de refaire l’expérience
mais avec 3 glaçons puis avec un gros glaçon.
Les gobelets ne débordent toujours pas. La baisse de niveau
peu évidente ne sera relevée ni par les élèves ni par le maître qui
rappellera à ce moment les expériences 2 et 6.
" Ah, bah, ouais, on aurait dû le
savoir "
Comment représenter un cristal de neige pour aborder les termes d’atome et de molécule ?
Acquisition de connaissance recherchée : vocabulaire
scientifique (atome, molécule), initiation aux constituants de la matière.
" Protocole expérimental " : Là, il s’agit d’une
information "scientifique" apportée par le maître qui a illustré son discours d’une
manipulation trouvée sur le site http://www.cheminst.ca/ncw/experiments
. Les atomes d’hydrogène sont représentés par des chamallows verts et les
atomes d’oxygène par des chamallows bleus. Ils sont reliés par des
cure-dents. L’enseignant aborde alors les termes d’atome et de molécule et
explique en le construisant qu’un cristal de neige a forcément une structure
hexagonale puisque les atomes constituant les molécules (H2O) ne peuvent s’attacher
les uns aux autres d’une manière arbitraire. Les élèves ont surtout retenu
qu’ils pouvaient manger les chamallows après !
Quand la neige fond, c’est sur le bord du gobelet. Voyons ce que ça donne sur le thermomètre !
Conception initiale : La neige en contact avec le bord du gobelet
" absorbe " la chaleur ambiante.
Protocole expérimental : On prend la température au milieu du bloc de
neige et sur les bords à l’intérieur du gobelet avec un thermomètre à
sonde toutes les 3 mn et on obtient une température constante de –0.2° au
milieu du bloc alors qu’au bord la température évolue : -0.1°, 2.3°,
8° puis 8.4°.
Pour finir ; un défi : Quelle équipe va faire fondre son gobelet de neige plus vite que les autres ?
Conditions du défi : Chaque équipe a un gobelet rempli de neige.
Chaque gobelet contient la même quantité de neige vérifiée par pesage. Il est interdit de toucher
la neige avec les mains. Il est interdit de sortir de la classe.
Conception initiale : Les élèves ont rangé dans l’ordre suivant les
6 propositions retenues par chacune des équipes après d’âpres discussions.
Les mains autour et dessus le gobelet.
Cette option avait été choisie par tous les groupes de manière spontanée et
il a fallu les obliger à proposer d'autres solutions
Remuer la neige avec une paire de ciseaux.
Cette option a été proposée par le maître après que tous les groupes sauf
un aient choisi une méthode.
Etaler la neige sur un plateau.
Souffler sur la neige.
Exposer le gobelet au soleil. Pas de photo.
Mettre du sel
(N.B. L’expérience sel-glace avait déjà été menée en
classe quelques semaines auparavant).
Les résultats ont été :
Les gobelets ne sont pas dans le bon ordre !
Faute de temps, le défi inverse n’a pu être mené. De retour en Normandie, " Quelle équipe conservera son glaçon plus longtemps que les autres ?" sera une bonne occasion de revenir sur toutes les notions abordées en classe de neige où " on n’a pas fait classe, on a fait des expériences ! "