Dans ce document, un enseignant rapporte le déroulé d’une séquence d’activités qu’il a menée en classe - réactions des élèves, difficultés rencontrées, conseils aux autres enseignants... Ces témoignages peuvent être utiles à la fois dans le cadre de la préparation d’une séquence ou activité de classe, ou servir de matière aux enseignants pour construire leurs propres activités de classe.
Notions et connaissances travaillées : Quelques propriétés de la matière; Décrire le fonctionnement d’objets techniques, leurs fonctions et leurs constitutions
Termes scientifiques : horizontal, surface libre
Disciplines : Sciences et technologie; Technologie et Physique (Collège)
Message à emporter : Un liquide remplissant plusieurs récipients - reliés entre eux à leur base - s'équilibre à la même hauteur dans chacun d'eux : c'est le principe des vases communicants. Ce principe est à la base d'objets techniques comme le niveau de maçon, ou l'écluse.
Objectifs : De connaissance : - Définition de l'horizontalité (la surface libre d'un liquide au repos est horizontale ) - Les surfaces libres d'un liquide placé dans des vases qui communiquent entre eux sont dans un même plan horizontal. De démarche : - Imaginer un dispositif expérimental susceptible de répondre aux questions que l'on se pose en s'appuyant sur des observations, des mesures, des schémas. De savoir faire : - Fabriquer le dispositif expérimental, fabriquer un niveau de maçon (niveau à bulle ou niveau à réservoir).
Difficultés pour les élèves
- Concevoir que la propriété des surfaces libres dans un même plan horizontal impose que l'eau puisse circuler dans le tuyau qui relie les deux vases. Pour la majorité des élèves « L'eau ne peut pas monter toute seule dans le tuyau. »
- Lorsque les élèves arrivent à le concevoir, ils associent le niveau de l'eau dans chaque vase aux positions respectives des deux récipients.
Déroulement de la séance 1
Cette séance peut être conduite avec un seul dispositif expérimental mais il est préférable de fonctionner avec un dispositif par groupe de 3 ou 4 élèves (dans ce dernier cas travailler dans la cour !)
Présentation de la situation
L'enseignant présente le dispositif aux élèves, veille à ce que chacun repère le vase noté A et le vase noté B (une étiquette évitera les confusions), fait remarquer que ce dispositif est représenté (mais sans que les niveaux d'eau soient représentés) sur les trois premiers croquis de la feuille polycopiée remise à chaque élève.
Cette feuille pourra prendre place dans le cahier d'expériences et sera complétée au fur et à mesure par les prévisions des élèves sur différentes situations.
Démarche pédagogique
C'est la même pour chacune des quatre situations proposées successivement aux élèves.
Présenter l'action qui va être réalisée en utilisant le croquis correspondant.
« Vous allez verser de l'eau dans le vase A situé comme indiqué sur le croquis de la situation 1. D'après vous que va-t-il se passer ? Dessinez le niveau de l'eau dans le dispositif. »
Après que chaque élève ait fait sa prévision sur son cahier d'expériences, l'enseignant organise une confrontation des différentes prévisions, chaque élève pouvant argumenter, sans qu'il porte de jugement sur les différentes prévisions.
L'enseignant invite les élèves à réaliser l'expérience.
Il demande le résultat et si tout le monde est d'accord.
Il organise une confrontation avec les prévisions initiales notées sur les cahiers d'expériences.
Enfin il fait formuler par les élèves le résultat expérimental observé.
La répétition de cette démarche pour chacune des quatre situations va confronter les élèves aux difficultés conceptuelles présentées ci-dessus. Dans la quatrième situation les élèves imaginent difficilement que l'eau puisse remonter « seule » au niveau de la surface de l'eau dans le vase A (principe du jet d'eau)
Exemple fiche de prévisions remplie par un élève
Le rôle du débat avant/après est de leur permettre de franchir progressivement ces difficultés en confrontant leurs prévisions et leurs arguments à ceux de leurs camarades. C'est à l'issue de cette phase de discussion entre les élèves que, sous la responsabilité de l'enseignant, la trace écrite sera élaborée en commun.
Séances 2, 3, ... : étude d'un objet technique
Différents appareils utilisent cette propriété des vases communicants et peuvent faire l'objet d'une activité de réinvestissement. Suivant les cas il peut s'agir :
- De répondre « techniquement » à une question concrète : « Comment vider une petite piscine gonflable ? »
- De concevoir et construire individuellement un objet plus élaboré comme le niveau de maçon (niveau à bulle ou niveau à réservoirs)
Niveau de maçon
Après construction, avant la première utilisation, il faut poser le niveau sur une surface horizontale et repérer par deux traits la position de la bulle (avec un feutre ou du scotch de couleur) Ensuite il suffira de le poser sur une surface d'inclinaison inconnue et de comparer la position de la bulle avec les deux traits.
Niveau à réservoir
Le niveau à réservoir sert à vérifier que deux surfaces, distantes de plusieurs mètres, sont sur la même horizontale en se basant sur la propriété des vases communicants : les surfaces libres des deux réservoirs sont sur la même horizontale.
- De découvrir, à travers des documents, un objet technique élaboré comme l'écluse. Cette étude peut se faire à travers une recherche documentaire.
- un exemplaire du matériel représenté ci-dessous pour chaque groupe d'élève. Ce dispositif peut être réalisé par les élèves après que la classe se sera mise d'accord sur le protocole expérimental qu'il conviendra de mettre oeuvre.
- deux bouteilles en plastique transparent (type eau gazeuse), sciées au tiers de leur longueur à partir du bas, reliées par un tuyau souple et transparent également (tuyau d'arrosage diamètre intérieur 19 mm). Pour introduire facilement le tuyau dans le goulot de la bouteille il est possible de le ramollir avec de l'eau chaude. L'étanchéité est assurée si nécessaire par du ruban type téflon ou de l'araldite.
- une bassine contenant trois à quatre litres d'eau et un pichet pour verser cette eau dans le dispositif.
- une fiche polycopiée par élève portant les schémas des quatre expériences sur laquelle il devra indiquer ses prévisions (voir un exemple de fiche remplie par un élève en bas de cette page)
ATTENTION : pour la quatrième situation (vase B enlevé) il faut impérativement réduire le diamètre de l'orifice du tuyau (bouchon percé) pour obtenir un véritable jet d'eau et laisser aux élèves le temps d'observer que le jet remonte au niveau de la surface libre de l'eau dans le vase A.
