Guide 6e - De quoi est fait le monde ? Matière et matériaux

Séquence 2.3 : Quelques propriétés de la matière
Auteurs : Equipe La main à la pâte(plus d'infos)
Résumé :
Utiliser la matière à son profit nécessite de s’intéresser aux propriétés intrinsèques de cette matière. Pour cela, on soumet des échantillons de matière à différents tests et les résultats sont consignés dans un tableau, ce qui permet de mieux les comparer. Après avoir analysé un besoin, on en déduit des critères de performance et on choisit le ou les matériaux les plus appropriés. Certaines propriétés permettent la réalisation d’applications particulières.
Publication : 26 février 2013

Séquence 2.3 : Quelques propriétés de la matière

Fil directeur :

Utiliser la matière à son profit nécessite de s’intéresser aux propriétés intrinsèques de cette matière. Pour cela, on soumet des échantillons de matière à différents tests et les résultats sont consignés dans un tableau, ce qui permet de mieux les comparer. Après avoir analysé un besoin, on en déduit des critères de performance et on choisit le ou les matériaux les plus appropriés. Certaines propriétés permettent la réalisation d’applications particulières.

2.3.1. Dureté, viscosité, aptitude à la corrosion, résistance à la rupture, transparence

Matériel nécessaire : échantillons de matériaux différents, si possibles calibrés (petit bloc de granite, de calcaire, os, lame de verre, gypse, plastique, céramique, cuivre, fer, aluminium, etc.), miel, eau, huile et récipients divers, éprouvette graduée, bille de faible diamètre, chronomètres, viscosimètre.

Situation déclenchante et exemples d’activités

On souhaite réaliser un objet technique (une serre par exemple, cf module 1). Pour cela, il est essentiel de choisir des matériaux adaptés. Ce choix s'effectuera en fonction de leurs propriétés. Pour mettre en évidence ces propriétés, on peut faire réfléchir les élèves sur un protocole expérimental.

Cinq propriétés ont été retenues (dureté pour un solide, viscosité pour un liquide, aptitude à la corrosion pour une surface, résistance mécanique à la rupture d'un solide, transparence à la lumière d'un solide, d'un liquide ou d'un gaz), mais il en existe beaucoup d'autres que les élèves peuvent citer (conduction de l'électricité, voir 2.3.2). Ces propriétés feront l'objet de comparaisons.

Pour comparer la dureté des différents matériaux solides proposés, on peut tester « quel matériau raye quel autre matériau ? ». On peut aussi utiliser une machine à mesurer la dureté si l'on en dispose.

Pour estimer la viscosité, les élèves peuvent faire tomber de petites billes d'acier dans des éprouvettes remplies de différents liquides (eau, huile, miel) et chronométrer le temps de chute. Au préalable, les élèves auront établi un pronostic des liquides dans lesquelles la bille tombe le plus vite.

En récupérant les métaux qui ont été enfouis à la séance 1.3.1.a, les élèves pourront observer que certains métaux (acier, cuivre) ont été transformés en surface (corrodés) tandis que d'autres sont intacts (acier inoxydable). On remarquera que le fer n'existe pas en pratique, que ce que nous nommons fer dans la vie courante désigne en réalité des aciers plus ou moins riches en carbone. Il serait donc faux de dire que l'acier ne se corrode pas. Une discussion sur les causes et les hypothèses s'ensuit.

Afin de tester la résistance à la rupture, on peut utiliser des machines de traction (si le collège en est équipé) et comparer les efforts nécessaires pour rompre les différents matériaux. On pourra citer le fil d'araignée qui est un matériau extrêmement performant du point de vue de sa résistance mécanique. Une recherche documentaire pourra montrer que certains gilets pare-balle sont tissés en fil d'araignée.

On pourra imaginer différentes expériences pour tester la transparence ou l'opacité des matériaux proposés. Si l'on s'intéresse à l'atmosphère, on peut comprendre que la couleur du soleil couchant est liée à la présence de particules. [L'angle de diffusion de la lumière est proportionnel à la quatrième puissance de la fréquence. Le bleu (ciel bleu) est diffusé à plus grand angle que le rouge (couleur du soleil couchant).]

A l’issue des ces tests, les élèves établiront un tableau récapitulatif des propriétés identifiées pour chaque type de matériau testé. Ceci permettra de dégager la notion de critère de performance défini par le concepteur : les élèves déduiront du tableau les matériaux répondant au mieux aux performances attendues pour la construction d'une serre.

Notions essentielles :

Le choix des matériaux pour une construction donnée ne s’effectue pas au hasard, il dépend des critères de performances attendues et des propriétés des matériaux.

Piste d'ouverture : un même matériau peut avoir des propriétés différentes selon sa mise en forme (feuille ou rouleau de papier).

L'organisation permet de faire émerger des propriétés nouvelles (tissu, pyramides...)

 

Quelques définitions :

dureté : capacité d'un matériau mesurée par la profondeur d'une empreinte (un matériau dur peut parfaitement se déformer facilement dans certaines conditions).

viscosité : grandeur représentant la difficulté d'écoulement d'un fluide (un fluide très visqueux s'écoule lentement). Elle est liée aux forces de frottements au sein du fluide.

traction : il y a traction lorsque les efforts appliqués sont de même intensité et de sens opposés (par exemple en tirant sur les deux extrémités d'une tige).

fragile : qui casse facilement

transparence : capacité d'un corps à laisser passer plus ou moins la lumière. La transparence dépend généralement de la couleur (longueur d'onde) de celle-ci.

2.3.2. Masse, volume, et masse volumique

Matériel nécessaire : verrerie graduée, liquides différents (huile, eau, vinaigre, alcool, etc .), balances, différents échantillons de matériaux solides (bois, plastiques, carton, aluminium, cuivre, acier, …) homogènes et de même volume.

Situation déclenchante et exemples d’activités

Une comparaison deux à deux entre les échantillons de matériaux solides sera réalisée à l’aide de la balance type Roberval. Les résultats sont consignés soigneusement (avec schémas) sur le cahier d’expériences (ou de laboratoire) et chaque groupe doit ensuite ranger les solides par masse croissante.

Des mesures de volume (éprouvette graduée), de masse (balance) sont aussi effectuées. Un tableau de résultats est rempli au fur et à mesure (éventuellement dans un tableur).

La notion de masse volumique sera alors introduite.

Les élèves cherchent à identifier, avec des liquides pris deux par deux, quel est celui qui flotte sur l’autre. Une confrontation des résultats est organisée en classe entière.

Enfin, on examine la flottabilité de volumes pleins de même forme dans différents liquides.

Notions essentielles :

Pour des objets du même matériau, taille et volume peuvent être différents. La masse volumique est une grandeur intéressante, car elle caractérise un matériau.

Les expériences menées ont permis de ranger par masse volumique croissante les matières liquides suivantes : alcool<huile<eau.

C'est le rapport de la masse volumique du solide à celle du liquide qui détermine sa flottabilité.

 

2.3.3. Conducteur électrique ou isolant ?

Matériel nécessaire : pile ou générateur, ampoule, fil, interrupteur...

Situation déclenchante et exemples d’activités

Commençons par tester les connaissances des élèves : peuvent-ils allumer une ampoule avec une pile et deux fils électriques ? Ceci permet d'introduire la notion de circuit fermé. On pourra leur demander comment le courant électrique circule dans leur circuit. Une de leurs réponses pourrait être que deux courants partent des deux bornes de la pile et se rejoignent dans la lampe en émettant de la lumière. Pour tester cette hypothèse, il faut proposer une expérience avec trois lampes en série. Si l'hypothèse est vraie, alors seule la lampe centrale devrait s'éclairer.

Après cette expérience, les élèves doivent avoir pris conscience que le courant circule dans un circuit fermé. Comment fait-on pour rajouter un interrupteur ? Quelle installation peut-on imaginer pour éclairer la serre ? A-t-on besoin d’un autre système électrique pour la serre ? Si oui, lequel ? Et comment peut-on le mettre en œuvre ?

Ensuite, on demande aux élèves d’imaginer une façon de tester si un matériau conduit ou non l'électricité. Les résultats des expériences seront consignés dans un tableau.

Notions essentielles :

Certains matériaux sont conducteurs de l’électricité, d’autres sont isolants.

Pour que le courant électrique puisse circuler, il faut un circuit fermé composé de matériaux conducteurs. Pour réaliser un circuit électrique il faut, au minimum, un générateur, des fils et un élément électrique sur lequel on veut agir (une lampe, un ventilateur, un moteur, …) auquel un associe généralement un interrupteur.

La sécurité, dans l'usage de l'électricité, est liée à la conduction de celle-ci. Une règle essentielle: éviter d'être traversé par un courant électrique!

2.3.4. D'étranges états de la matière

Matériel nécessaire : sable fin, maïzena, eau, récipients.

Situation déclenchante et exemples d’activités

Un tas de sable semble avoir une forme propre. Que se passe-t-il si on penche son support ? Il se comporte alors comme un liquide.

Un mélange[1] de maïzena (80%) et d'eau (20%) se comporte comme un liquide si on lui laisse le temps. Par contre, en cas de choc bref, il se comporte plutôt comme un solide.

Notions essentielles : Certains états d'organisation de la matière lui confèrent des propriétés qui ressemblent tantôt à celles d'un solide, tantôt à celles d'un liquide.

Ces situations peuvent être utiles (béton, château de sable) ou dangereuses (sables mouvants).

A l'issue de cette séquence, une évaluation pourra être faite sous la forme d'un défi : l'enseignant dispose d'un objet « mystère ». Les élèves devront retrouver le matériau de cet objet en ne connaissant que quelques-une de ses propriétés.



[1]Ce mélange doit être remué très doucement

 

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