Augmentation du volume de l'eau au cours de la solidification

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Sylvie Szarzynski
Augmentation du volume de l'eau au cours de la solidification

Comment et faut-il expliquer l'augmentation du volume d'eau au cours de la solidification?
(J'ai fait repérer aux enfants le niveau de l'eau d'un bocal, mettre celui-ci au congélateur et observer.)

Jean-michel Rolando

La manière dont vous formulez votre question montre que vous avez conscience que ce n'est peut être pas judicieux de s'attacher à ce changement de volume avec des élèves de l'école primaire (même en CM2). Je vais répondre en deux temps. Dans un premier je vais indiquer pourquoi cela me semble prématuré. Puis, dans un second temps, je vais tâcher de fournir quelques pistes pour tenter malgré tout d'avancer...
1. L'objectif prioritaire à l'école, dans le domaine de la matière, est de construire l'idée de conservation. À travers des manifestations diverses et des transformations multiples, la matière se conserve. Ce n'est pas une évidence tant qu'on n'a pas un mode de pensée adulte (et encore...). Par exemple, l'air, invisible, incolore, inodore est une matière comme une autre qui possède toutes les propriétés générales de la matière (l'air est pesant, il peut se déplacer,...). On pourrait dire la même chose de la vapeur d'eau. Je commence par ces exemples, qui concernent les gaz, pour expliquer que la conservation de la matière est une idée qui doit se construire contre les perceptions immédiates (voir sur ce sujet un développement plus détaillé daté du 3/01/2000)
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Ainsi, les différentes transformations étudiées à l'école doivent l'être avec le souci d'aider les élèves à construire cette idée de conservation : montrer que l'air existe, qu'il se transvase, qu'il peut prendre la place de l'eau contenue dans une bouteille... ; montrer que le sucre ou le sel qu'on dissout dans l'eau ne disparaît pas, qu'on peut le récupérer, que la masse se conserve au cours de la dissolution...
En revanche, je reste réservé quant aux transformations qui semblent nier la conservation et que les élèves n'ont pas les moyens d'interpréter. Ainsi, je crains qu'il y ait plus d'inconvénients que d'avantages à aborder les changements de volume par exemple lors de la solidification de l'eau ou encore lors de la compressibilité de l'air (expérience classique réalisée avec une seringue dont on enfonce le piston). Je serais encore plus affirmatif à propos des réactions chimiques (combustion de la bougie). Lorsqu'ils seront au collège, les élèves apprendront à utiliser un modèle particulaire de la matière (fondé sur les atomes, les molécules, les ions). Ils disposeront ainsi de l'outil intellectuel approprié pour comprendre que les particules peuvent être plus ou moins proches les unes des autres (donc la matière peut occuper un volume plus ou moins important) tout en étant en nombre constant (donc la quantité de matière ne change pas).
Une dernière raison de me montrer réservé est qu'à l'école, les élèves ne différencient pas clairement la masse et le volume. L'examen des manuels de mathématiques montre d'ailleurs que la plupart des auteurs ne semblent pas chercher à construire ces grandeurs. Les notions de masse et de volume n'interviennent que comme prétexte à des exercices de maniement des systèmes d'unités.
2. Alors que faire ?
En premier lieu, je crois important, en fin d'école primaire, d'aborder la distinction entre masse et volume en traitant du fond de la question et pas uniquement des unités. J'ai eu l'occasion de travailler avec des enseignants de cycle 3 sur cette question. L'un des travaux est en ligne à l'adresse suivante.http://gdes74.edres74.ac-grenoble.fr/article.php3?id_article=130.

Il s'inspire d'une activité proposée par un mathématicien (Brousseau) dont le principe est d'étalonner un verre doseur de cuisine (dont les graduations ont été effacées) avec différentes substances (riz, sel, farine, sucre, eau, ...). Les élèves constatent qu'une même masse de différentes substances n'occupe pas la même place (le même volume). De même, la même hauteur de différentes substances (le même volume) ne pèse pas pareil. Je vous incite à vous reporter à l'article pour voir le détail des séances réalisées.
Par des activités de cet ordre, les élèves vont progressivement construire ces deux grandeurs (je dis bien progressivement ; il ne faut pas croire que tout est simple). Je crois que cette étape (qui est toujours négligée tant à l'école qu'au collège) est fondamentale.
J'en viens à ma conclusion... Lorsque les élèves commencent à se représenter masse et volume comme deux grandeurs différentes qu'ils ne mélangent pas (trop...), il devient peut-être possible de reprendre la congélation de l'eau en demandant de réfléchir à ce qui change (ou pas) entre "avant" et "après". Il faudra alors repérer objectivement le changement de volume (ce qui est facile) et la constance de la masse (ce qui est plus difficile). Conseil pour ce dernier point : attention à la condensation d'eau venant de l'air ambiant, qui se dépose sur les parois extérieures du récipient contenant la glace, et qui l'alourdit au point de fausser la pesée (il suffit de l'essuyer pour retrouver une mesure fiable). La conclusion : avant et après la congélation il y a toujours autant d'eau (la masse est la même) mais elle n'occupe pas le même volume (la même place). Bon travail et n'hésitez pas à vous lancer sur "masse et volume", c'est passionnant...