Guide 5e - Comment fonctionne le monde ? Energie et energies...

Séquence 1.2 : Des changements sur différentes échelles de temps
Auteurs : Equipe La main à la pâte(plus d'infos)
Résumé :
- On étudie des changements qui se produisent sur des échelles de temps « courtes » : les changements d'état. - Certaines photos ou certains films étudiés lors de la première séquence amèneront peut-être les élèves à penser que « rien ne se passe », qu'il n'y a aucun mouvement, aucun changement (un paysage, une photo de la Lune...). - Une réflexion sur les notions de changement et de temps s'engage : « Peut-on toujours observer le changement ? N'y a-t-il pas des changements qui s'effectuent sur des échelles de temps plus longues ? » - Une étude est alors menée sur les changements qui affectent la surface solide de la Terre.
Publication : 26 février 2013

Séquence 1.2 : Des changements sur différentes échelles de temps

Fil directeur :

  • On étudie des changements qui se produisent sur des échelles de temps « courtes » : les changements d'état.
  • Certaines photos ou certains films étudiés lors de la première séquence amèneront peut-être les élèves à penser que « rien ne se passe », qu'il n'y a aucun mouvement, aucun changement (un paysage, une photo de la Lune...).
  • Une réflexion sur les notions de changement et de temps s'engage : « Peut-on toujours observer le changement ? N'y a-t-il pas des changements qui s'effectuent sur des échelles de temps plus longues ? »
  • Une étude est alors menée sur les changements qui affectent la surface solide de la Terre.

1.2.1. Un changement rapide : transformation de l'eau liquide en glace

En classe de sixième, on a vu que l’eau solide pouvait se transformer en eau liquide. Lors de cette transformation, le volume de l'eau augmente, la masse ne change pas.

Matériel nécessaire : thermomètres, chauffe-ballon, ballon, chronomètre, papier millimétré ou logiciel de traitement numérique type Excel, une cloche + pompe à vide, eau, sel, cyclohexane, mélange réfrigérant, cocotte-minute

 

Situation déclenchante et exemples d’activités

Un petit film ou des photographies présentent un paysage lors de la période hivernale. Les élèves notent leurs observations : des stalactites, des flocons de neige, des flaques, des rivières ou des lacs gelés...
Les termes glace / neige / et eau liquide apparaissent.


Les élèves savent tous généralement que « la glace, c'est de l'eau gelée »[1]. Une question se pose :

Dans quelles circonstances particulières l'eau se transforme-t-elle en glace ?

Les élèves notent individuellement leur prévision. Ils savent généralement que ce changement d'état s'effectue à 0°C. On se propose de le vérifier.

  • Problème : Comment observer la transformation d'eau en glace ?
  • Proposition immédiate des élèves : Mettre de l'eau au congélateur, mais un problème apparaît : « On ne voit rien. » On peut toutefois, si ce problème n'est souligné par personne, laisser les enfants mettre en œuvre cette expérience. On scinde alors la séance en deux phases.
  • Proposition de l'enseignant : Utiliser un mélange réfrigérant (autrefois, avant l'invention des congélateurs reliés au courant électrique, ce procédé était couramment utilisé).

Déroulement de la séance

  • Chaque groupe vient chercher son matériel.
  • Les élèves écrivent sur le cahier d'expériences leur hypothèse de départ et proposent un protocole pour la tester.
  • Ils dessinent individuellement leur dispositif expérimental.
  • Répartition des tâches :
    • Un élève indique le temps toutes les deux minutes et un autre lit la température sur le thermomètre.
    • Tout cela est noté par les deux autres élèves.
    • Celui qui observe signale le moment où l'eau commence à figer et celui où elle l'est complètement.
  • Les élèves construisent, individuellement, la courbe T°/Temps à partir des données qu'ils ont recueillies et notées sur leur cahier d'expériences.
  • Ils effectuent alors un retour sur leurs prévisions.

La solidification de l'eau pure se produit à la température de 0°C. La courbe de solidification présente un palier à 0°C.

L'hiver passé, la glace commence à fondre. On peut se demander si la fusion de l'eau pure s'effectue également à la température constante de 0°C. On réitère le même type d'expérience en faisant cette fois-ci chauffer de la glace pilée dans un tube à essai (plongé dans un ballon contenant de l'eau chaude). Le graphique montrant l'évolution de la température en fonction du temps pourra cette fois-ci être tracé à l'aide d'un tableur.

L'enseignant demande ensuite si les élèves connaissent d'autres états de l'eau. Le terme « vapeur » apparaît et on se propose d'étudier l'ébullition de l'eau. Cette séance pourra être l'occasion d'évaluer les élèves (conception de la manipulation, réalisation de l'expérience et/ou tracé de la courbe à l'aide du tableur ou d'un papier millimétré).

Prolongement de la séance :

Un article relatant par exemple la difficulté des alpinistes à faire cuire les aliments ou à se préparer un thé.

  • On laissera quelques minutes aux élèves afin de noter les questions qu'ils se posent après lecture de ce texte.
  • Le professeur réalise alors l'ébullition de l'eau sous pression réduite.
  • La température d'ébullition de l'eau dépend donc de la pression : elle diminue lorsque la pression diminue.
  • Cette séance pourra éventuellement donner l'occasion d'échanger autour du principe de la cocotte-minute.

On pourra également se demander si les changements d'état de tous les corps nécessitent de chauffer et s'ils s'effectuent tous aux mêmes températures. Chaque groupe d'élève travaillera sur différents corps purs ou mélange (cyclohexane, éthanol, eau salée...).

Notions essentielles :

L'augmentation de la température d'un corps pur nécessite un apport de chaleur (une forme d'énergie). Les changements d’état d’un corps pur mettent en jeu des transferts d'énergie. Un palier de température apparaît lors du changement d’état d'un corps pur. Cette température de changement d'état dépend du corps pur considéré.

Le changement d'état d'un mélange ne s'effectue pas à température constante.

1.2.2. Un changement lent : histoire d'un paysage

Le monde minéral, inerte en apparence, est régi par des lois géométriques et possède une activité cachée intense. La formation des montagnes, des sols, des paysages sur notre planète se produit sur de très longues échelles de temps. Il en est de même des autres planètes. Si nous pouvions en être les témoins, si le million d’années, l’unité de temps en géologie, était ramenée à la minute, nos paysages se mettraient en mouvement, onduleraient, se soulèveraient, se déplaceraient, se briseraient!

Situation déclenchante

Une sortie initiale, réalisée dans un environnement proche, permet de rendre concrets les objets géologiques et de les présenter dans leurs dimensions réelles. A l'origine des démarches d’investigation, cette sortie doit susciter l’intérêt des élèves dans la mesure où les activités ultérieures se présenteront comme des enquêtes sur le passé de la Terre.

La relation entre l'érosion et l’évolution des paysages se construit progressivement. L’idée de changements qui se produisent au cours de durées géologiques très longues permet d'enrichir le concept de temps. Cette approche du temps en géologie amène à s’interroger sur les paysages anciens et conduit, par le raisonnement, à la reconstitution de certains éléments du passé.

Exemples d’activités :

1) L'altération des roches sous l'action de l'eau

  • On introduit un fragment de granite altéré dans une éprouvette remplie d’eau.
  • Ce granite altéré et fissuré est ensuite à plusieurs reprises introduit et sorti d’un congélateur.
  • Puis on compare la composition d'une eau de pluie et d'une eau de ruissellement.
  • On teste la présence de certaines espèces chimiques du granite (les ions calcium par exemple) en solution dans l'eau.

2) Le transport des particules par les eaux de ruissellement et la sédimentation

L’eau circulant à la surface de la Terre représente moins de 1% de la totalité de l’eau terrestre. Néanmoins c’est le principal agent (avec le vent) de transport sédimentaire. Le relief contrôle la circulation de l’eau, mais en retour, l’écoulement peut transporter des sédiments et modifier le relief (on parle de problèmes couplés pour décrire une telle situation).

Que peut-on observer ?

Parmi tous les effets de couplage, on retient la formation de méandres d’une rivière sur laquelle des observations sont aisément faites à l’aide de cartes ou d’observations directes.

Que cherche-t-on à faire ?

Concevoir et faire fonctionner un modèle analogique conduisant à la formation de méandres sur un plan incliné. On cherche à identifier les actions mises en jeu.

Quel matériel ?

Une planche rigide et rugueuse posée sur un plan incliné (une vingtaine de degrés) et sur laquelle on dépose une couche mince uniforme de sable (quelques épaisseurs de grains).

Une plaque de verre lisse de la même taille.

Une alimentation en eau permettant de contrôler un faible débit continu sur la partie haute du plan.

Le tout doit être posé sur un évier, avec un récipient pour collecter le mélange grains-sable qui s’écoule en bas de la planche.

Que peut-on observer ?

Regarder le transport sinueux de l’eau au fur et à mesure que l’eau s’écoule en commençant par un débit continu le plus faible possible et en comparant avec le cas d’une plaque lisse et rugueuse. On peut obtenir des méandres dans les deux situations. L’effet de l'érosion n’est visible naturellement que dans le premier cas.

Un ensemble de petits grains mis en suspension homogène dans un liquide moins dense (par exemple du sable dans l’eau) sédimente. Si les grains sont tous identiques, ils chutent à la même vitesse de sédimentation Vs. Cette vitesse est égale à celle d’une particule seule V0 tant que la concentration C de grains est assez faible (moins de 5 %). Elle diminue au fur et à mesure que la concentration augmente par suite des effets d’encombrement entre grains ainsi que de la nécessité pour du liquide pur de remonter pour laisser leur place aux grains qui descendent.

La vitesse de sédimentation d’une suspension diluée dépend de la masse de la particule. Pour des particules de même nature et le même liquide, elle augmente comme le carré de leur diamètre.

Remarque : On peut faire une analogie féconde en comparant les phénomènes de sédimentation et ceux du trafic sur autoroute. Si la concentration, ou la densité de véhicules (le nombre de voitures qui passent en un endroit donné par heure), est trop élevée, le flux de véhicules diminue au-dessus d’un seuil alors même que leur densité augmente. C’est ce phénomène qui est à l’origine des bouchons d’autoroute.

La partie supérieure du liquide limpide surmonte la suspension homogène de la partie inférieure qui devient de plus en plus concentrée au fur et à mesure que la sédimentation progresse. Dans le même temps l’épaisseur de sédiment qui se forme au fond du récipient augmente au fur et à mesure que la sédimentation progresse.

 

Un effet très spectaculaire, que l’on observe si on met la suspension dans un tube à essai qu’on secoue préalablement pour former une suspension homogène sur toute la hauteur, consiste à incliner le tube contenant la suspension homogénéisée d’une dizaine de degrés par rapport à la verticale. La sédimentation est alors beaucoup plus rapide. Ceci est dû au fait que les grains qui tombent et le liquide qui remonte utilisent des chemins différents (penser à la façon d’améliorer le trafic en séparant les deux sens de circulation pour des passants circulant dans des directions opposées).

  • Que peut-on mesurer ?
  • Mesurer la vitesse à laquelle le front descend.
  • Quel matériel ?
  • Un cristallisoir ou un grand tube à essai.
  • Des grains bien triés de quelques centaines de micromètres (du sable fin). Les grains doivent préalablement avoir été mouillés pour éviter que de l’air reste entre eux.
  • Quel déroulement ?

Pour mesurer de la vitesse du front on peut éclairer le tube par le coté et projeter l’ombre du front sur un papier millimétré.

Attention : Il est délicat de préparer une suspension homogène tout en maintenant le liquide au repos. En effet tout déplacement du liquide induit un effet qui se superpose à la vitesse de sédimentation des grains.

Dans la plupart des situations où on s’intéresse à la sédimentation et aux sédiments, les grains qui sédimentent ont des tailles très différentes. C’est le cas d’un sol, où de plus la nature chimique des constituants est très variable. Ils sont formés d’empilements de plaquettes de quelques nanomètres d’épaisseur et de quelques micromètres de taille dans le cas des argiles. Les limons ont une granulométrie de 5 à 50 micromètres. Les grains de sable ont des tailles de 50 à 30 micromètres. En général un sol contient un mélange de ces trois constituants principaux dont la vitesse de sédimentation diminue lorsque leur taille augmente. On aura aussi des composants organiques (sol noir) dus à la décomposition des végétaux en surface.

  • Que peut-on observer ?
  • Observer un sédiment dans un endroit calme d’un ruisseau et le fait qu’il est composé de couches superposées de grains de taille différente, les plus gros étant situés à la base.
  • Observer le dépôt de sable à l’amont de certaines mares : le même phénomène se retrouve, mais à une échelle centimétrique.

Que cherche-t-on à faire ?

  • Observer la formation d’un sédiment à partir d’une suspension d’un échantillon de sol dispersé dans de l’eau. On pourra aussi en modifier la composition.

Quel matériel ?

  • Des pots de confitures à bords droits avec leur couvercle.
  • Des échantillons de sol.

Quel déroulement ?

  • On remplit au tiers le récipient du mélange solide et on complète par de l’eau.
  • Observer le dégagement de bulles d’air piégées entre les grains.

Que voit-on ?

  • Après avoir secoué, on laisse reposer la suspension en observant les diverses étapes.
  • Chute des petits cailloux au fond.
  • Sédimentation progressive. Au bout d’une heure on peut observer la couche de sable (éventuellement plusieurs couches) superposée de la couche de limon.
  • Suivant la nature des argiles, on aura une couche supérieure d’argile (la boue).
  • Des argiles peuvent rester longtemps en suspension et rendre l’eau trouble. Dans ce cas, on peut faire floculer les particules qui forment des agrégats plus gros dont la vitesse de sédimentation est suffisante pour former le dépôt argileux . C’est ce que réalise l’eau salée à l’embouchure des fleuves ou ce que l’on fait dans les piscines avec du sulfate d’alumine.

L’eau peut rester colorée à cause de molécules organiques provenant des couches supérieures du sol. On observe aussi des résidus organiques en surface.

Par ailleurs, pourrait être envisagée une activité concernant le vieillissement des bâtiments (propriétés des matériaux, durée de vie), en lien avec le programme d'histoire de 6e/5e : altération des roches, pluies acides...

Notions essentielles :

Le modelé du paysage s'explique en partie par l'action de l'eau sur les roches. La reconstitution des paysages anciens est rendue possible par l'application du principe d'actualisme (on suppose que des processus qui ont existé dans le passé s'exercent encore de nos jours, les mêmes causes produisant les mêmes effets) .

L'altération des roches provient en partie de l'alternance de gel et dégel (changements d'état de l'eau). La formation des sédiments résulte de mouvements d'eau et de particules minérales. Ces changements variés qui se produisent à la surface de la Terre sur des échelles de temps longs nécessitent donc aussi de l'énergie.



[1]  Le cycle de l'eau a déjà été étudié en classe de sixième. Se référer au document De quoi est fait le monde ? Matière et matériaux...

 

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