Comment refroidir rapidement de l’eau chaude ?

Objectif : Etudier la «transmission de la chaleur » à l’aide d’outils (thermomètres) de la vie quotidienne.

Matériel : des verres, de l’eau chaude (à 45°C) et des thermomètres

Avant l’activité, l’enseignant a disposé de nombreux verres d’eau chaude (à environ 45°C) dans la classe, il laisse les enfants deviner ce qui arrivera à l’eau chaude laissée à l’air libre dans la pièce. Tous les enfants expriment explicitement que l’eau chaude du verre va refroidir. Certains enfants disent même « l’eau chaude se refroidit lentement. »  Après que tous les enfants aient exprimé leur propre jugement, l’enseignant poursuit le questionnement : « Comment sais-tu que l’eau chaude refroidit lentement ? Quels moyens peux-tu proposer pour prouver que l’eau chaude refroidit lentement ? »
Un enfant dit : « on peut le sentir avec la main ! », deux autres proposent d’utiliser un thermomètre.

Phase 1

L’enseignant propose tout d’abord aux enfants d’observer l’eau chaude en s’appuyant sur les questions posées : la plupart des enfants sentent le changement de l’eau avec la main, deux garçons qui avaient mentionné le thermomètre le demandent à l’enseignant et ils ont tous deux choisi le thermomètre en verre avec une graduation.
Pour prouver que « l’eau chaude se refroidit », l’enseignant encourage les enfants à noter par écrit les méthodes qu’ils ont utilisées et observe en même temps le procédé expérimental des deux garçons.

Phase 2

Au cours des échanges sur les méthodes expérimentales, l’enseignant conduit consciemment les enfants à discuter de  la méthode de ces deux garçons. Le thermomètre devient le centre de la discussion.

Au cours de la discussion « le thermomètre peut-il vraiment nous dire que l’eau chaude refroidit lentement ? », les deux garçons qui utilisent le thermomètre donnent leurs arguments. Ils disent : « je vois que la température baisse peu à peu à partir de 45°C », « je vois que la ligne rouge dans le thermomètre descend pas à pas ». Leurs descriptions convainquent enfin tous les enfants qui acceptent « qu’il est plus précis d’utiliser le thermomètre que la main ».
« Comment utiliser un thermomètre avec la graduation ? » C’est le bon moment pour l’enseignant  pour apprendre aux enfants à utiliser correctement le thermomètre et à connaître ses fonctions.
Les enfants découvrent qu’ « avec la main, on sent que le verre est moins chaud , que la température a baissé mais sans plus alors que le thermomètre indique la température de façon précise ».

L’enseignant apprend aux enfants à utiliser correctement le thermomètre, il encourage le garçon qui sait déjà utiliser le thermomètre à apprendre à sa camarade comment lire les indications du thermomètre.

Phase 3

Tous les enfants commencent leur expérience en essayant d’utiliser le thermomètre. Pendant ce temps, un élève écrit sur son cahier des notes « 1, 2, 3, 4, 5, 6……10 », il se prépare à noter la température à dix moments différents; un autre fixe le regard sur le thermomètre en suivant la variation de température en permanence ……
A la fin de cette activité, les enfants ont découvert que la température de l’eau du verre a vraiment baissé.
Ici au cours de l’utilisation du thermomètre, l’enfant connaît naturellement « la température de l’air », « la température de l’eau du début », « le température de l’eau à la  fin de l’expérience », un enfant a même calculé la variation de la température de l’eau.
Indiquons que, pendant l’utilisation d’un thermomètre de laboratoire, l’enseignant a découvert quelques problèmes, par exemple : le thermomètre en verre est fragile, deux ont été cassés lors  des expériences. Pour assurer la sécurité des enfants, ainsi que pour prendre soin des appareils expérimentaux, l’enseignant pose, après l’activité,  la question « comment prendre soin du thermomètre ? ». Un enfant répond « on peut fabriquer un support », ainsi les enfants sont amenés par l’enseignant à chercher des boîtes de pâte dentifrice avec lesquelles ils fabriquent des supports.

Phase 4

Objectif : Imaginer l’expérience et percevoir la « transmission de la chaleur » au cours de cette expérience.
L’’enseignant tire de l’activité précédente la question : « Où la « chaleur » de l’eau du verre est-elle partie ? »
Dès que la question est posée, elle suscite l’intérêt des enfants. Certains répondent tout de suite : « la chaleur de l’eau est entrée dans l’air », et cette proposition est approuvée par tous les enfants. Ainsi, ils ont suggéré de dessiner ce qu’ils ont pensé et de le décrire ensuite  sans timidité aux autres.
Dans les échanges, l’enseignant découvre qu’il y a encore de nombreux enfants qui pensent sentir avec la main. Ils mettent la main au dessus du verre, ils sentent facilement que la chaleur arrive sur la main.
Les notes d’un enfant sont approuvées par ses camarades quand il dit que « l’air chaud du verre est tout parti vers les nuages, s’il y a beaucoup d’air chaud ensemble il pleuvra ! »

En analysant les descriptions des enfants l’enseignant prend conscience que sous l’influence des lectures les connaissances des enfants se limitent à l’évaporation de l’eau, il décide ainsi de continuer le questionnement et d’aborder de plus près la question de la chaleur   .
 « Où la « chaleur » de l’eau du verre est-elle partie ? » l’enseignant pose la question et touche le verre avec la main en même temps. Cette suggestion comportementale engage les enfants à observer le verre avec plus d’attention, et à apercevoir des phénomènes divers de « la transmission de la chaleur ».
Effectivement, les enfants commencent à prêter attention à ce verre d’eau placé devant eux, ils le touchent de-ci, de-là. A ce moment, l’enseignant les encourage encore une fois à noter par écrit leurs observations.

Certaines autres pensent au thermomètre encore une fois, ils croient que la température du thermomètre va augmenter en le mettant à côté.
Un  enfant dessine une table, il explique que «la table brûlante» indique que « la chaleur est arrivée dans la table ! ». Les lignes sous le verre montrent la direction de la transmission de la chaleur.

Un enfant conseille de reverser l’eau du verre dans la bouteille, puis de vérifier que ce verre sans eau est encore brûlant, il trouve que celui-ci est la meilleure preuve de la transmission de la chaleur. Ici l’enfant a dessiné aussi une main tremblante, elle montre que la main a une sensation de brûlure.

Dans cette activité l’enseignant aide les enfants à connaître globalement les phénomènes de « la transmission de la chaleur » consciemment par le questionnement « Où la « chaleur » de l’eau du verre est-elle partie ? » Pendant les échanges, l’enseignant demande continuellement aux enfants : « « la chaleur » est-elle vraiment sortie ? », « comment sais-tu que « la chaleur » est sortie ? » pour guider les enfants à exprimer leurs sensations personnelles d’une manière précise.

Objectifs : Décrire les caractéristiques des objets de la vie courante, enquêter sur les façons d’ accélérer la transmission de la chaleur, imaginer une expérience pour refroidir rapidement l’eau chaude.

Pour l’enseignant, avant cette activité il faut d’abord analyser attentivement les expériences réalisées par les enfants dans la vie de tous les jours. Ils sont familiers de beaucoup de moyens de « refroidir rapidement de l’eau ». Ainsi, l’enseignant pose la question : « dans la vie de tous les jours est ce qu’il y a des moyens de refroidir rapidement de l’eau chaude ? » pour encourager les enfants à observer et noter ces moyens avant la classe.

Phase 1

L’activité commence, tout le monde montre ses notes d’observation. Comme prévu, il y  a de nombreux moyens courants. Par exemple :

Papa a mis beaucoup de glace dans le verre pour «refroidir l’eau chaude rapidement ».

Maman prend un autre verre vide et verse l’eau chaude de l’un à l’autre sans cesse entre ces deux verres pour « refroidir l’eau chaude rapidement ».

Maman met le verre d’eau sur le rebord d’une fenêtre, « laisse le vent souffler sur l’eau ! ».

Mamie met l’eau dans le réfrigérateur, ainsi l’eau refroidira. 

Pendant que les enfants sont conduits à échanger leurs méthodes pour « refroidir l’eau chaude rapidement », l’ enseignant demande systématiquement aux enfants : « quels sont les résultats apportés par l’emploi de ces méthodes ? » pour que les enfants puissent connaître quelques méthodes ordinaires, exprimer et également décrire ces phénomènes courants dans leur vie.

Phase 2

« Comment te prépareras-tu à faire refroidir rapidement de l’eau chaude ? » L’enseignant pose cette question pour stimuler les enfants à établir une proposition.
Les enfants commencent à noter par écrit les fruits de leur imagination :Chaque enfant conçoit ses protocoles d’expérience.

Un enfant propose deux protocoles d’expérience :

Première proposition : souffler sur le verre d’eau peut faire refroidir rapidement l’eau chaude.
Deuxième proposition: mettre le verre d’eau dans une cuvette contenant beaucoup d’eau froide,  puis l’eau chaude dans le verre, elle refroidira rapidement.

Un autre enfant rédige aussi deux propositions :

1-Allumer le conditionneur d’air dans la classe, le faire souffler le vent froid, il permettra à l’eau chaude de refroidir rapidement.

2- Remuer l’eau avec une cuillère permet aussi d’accélérer le refroidissement.

Après ces propositions, l’enseignant incite les enfants à parler de leur propre protocole. Il les note au tableau et fait un bilan de la classe. Les enfants ont proposé quinze protocoles.

Néanmoins, pendant les échanges un de ces protocoles soulève une discussion : un enfant propose d’utiliser le micro-ondes pour refroidir rapidement l’eau chaude. Mais les camarades ne sont pas d’accord, ils donnent pour raison « le micro-ondes est fait pour réchauffer, non pas pour refroidir ! ». Ce propos n’a pas convaincu cet enfant, il propose d’essayer lui-même à la maison.
Le lendemain, cet enfant est d’accord pour effacer son propre protocole, ayant renoncé à son idée de départ.
Par ailleurs, l’enseignant encourage encore les enfants à préparer les matériels divers pour leurs expériences. Ainsi les jours suivants, les enfants s’affairent à leurs préparations et attendent l’activité prochaine.

Objectif : tester par expérimentation les moyens de refroidir rapidement l’eau chaude connus dans la vie quotidienne, et savoir comment accélérer « le transmission de la chaleur » à travers des échanges.

Phase 1

Avant l’expérience, l’enseignant présente le matériel préparé par certains enfants. Par exemple, quelqu’un a besoin de galets, il en a apporté du  « laboratoire » ; quelqu’un a apporté un petit ventilateur et un éventail, il veut les essayer : un autre a apporté aussi des serviettes…..
L’enseignant présente également le matériel qu’il a préparé pour les enfants, y compris un réfrigérateur, de la glace, des verres vides, et des cuvettes etc.

L’activité commence, l’enseignant encourage les enfants à réaliser des expériences selon leurs protocoles établis.
« Ça marche ? Comme ça ! » L’enfant essaye de mettre un verre d’eau dans un petit seau contenant beaucoup d’eau froide.

« Je refroidis un verre d’eau chaude avec une serviette froide. » 

« J’essaye le ventilateur, quel est le résultat ? »
 L’enfant met en œuvre son protocole consciencieusement.

Ici au cours des expériences, l’enseignant doit être très attentif à  ce que fait chaque enfant, à savoir s’il a réalisé l’expérience prévue par lui selon son protocole ? s’il a trouvé le matériel dont il a besoin ? s’il a changé son protocole original ? s’il est en difficulté et a besoin d’aide ? Il demande continuellement aux enfants : « Qu’est-ce que tu as découvert ? Pourquoi fais-tu comme ça ? Quel est ton résultat ? »

Phase 2

Les expérimentations se terminent. Commence alors la mise en commun. L’enseignant demande « Comment as-tu fait pour refroidir rapidement l’eau chaude ? quelle méthode as-tu utilisée? », «  Qu’as-tu obtenu ? ».

Certains suggèrent de tourner avec une cuillère, d’autres sont capables de dire qu’ «après avoir mis un glaçon, la température a diminué jusqu’à 0°C » 

En faisant un bilan des présentations, les enfants approuvent unanimement que : « Alors, dans la vie quotidienne il y a vraiment beaucoup de moyens de refroidir l’eau chaude rapidement ».
Un enfant utilise un éventail et constate que la température est de 26°C

Un des enfants note son expérience :  il souffle avec sa bouche et la température de l’eau atteint alors 27°C.

Un des enfants met beaucoup d’eau froide dans son propre verre. Alors « l’eau chaude refroidit rapidement et atteint 19°C ».

Phase 3

En rappelant régulièrement aux enfants de prendre en note leurs observations, l’enseignant prend des verres d’eau déjà refroidis naturellement, qui ont été laissés de côté depuis le début, et les encourage à mesurer leur température. Un enfant donne la température de l’eau, 29°C,  après le refroidissement à l’air libre. Ensuite beaucoup d’enfants commencent à mesurer la température de leur propre verre et la comparent avec celle du verre de l’enseignant ; ils déterminent ainsi par leur propre méthode que « l’eau chaude a refroidi rapidement ».

Sécurité

Il est important que la température de l’eau ne soit pas trop élevée.
Si un enfant casse un thermomètre, retirer les débris de verre et lui indiquer comment procéder pour le manipuler sans le casser.
Parfois les enfants mettent leur main au-dessus du verre d’eau chaude. Lorsque la température de l’eau est trop élevée, cela peut être dangereux car l’enfant risque de se brûler.

Points importants et difficultés rencontrées

C’est un vrai défi pour un enfant de six ans d’utiliser un thermomètre. Il est important de les aider à l’utiliser correctement car, dans cette expérience, un thermomètre est un outil indispensable.
Avec l’aide de l’enseignant les enfants sont capables de sentir puis de vérifier la variation de température de l’eau et en même temps de découvrir différentes façons de transmettre la chaleur. Néanmoins, il ne faut pas utiliser avec les enfants les termes suivants : « différence de température », «  transmission de chaleur », « conduction », « convection », « rayonnement ».
Face aux questions que les enfants posent durant les expériences, comme par exemple, « en hiver, quand on souffle sur les mains, les mains deviennent chaudes, pourquoi ici en soufflant sur l’eau, on refroidit l’eau chaude ? », « pourquoi pendant l’expérience, quand on met beaucoup de glaçons, la température atteint 0°C, mais remonte à 5°C après que les glaçons  ont fondu », « pourquoi on peut faire refroidir rapidement l’eau chaude quand on l’agite en tournant avec un objet ? », l’enseignant doit déterminer celles pour lesquelles les enfants pourront trouver une réponse, et celles pour lesquelles les réponses leur sont inaccessibles. La difficulté est, pour les questions trop difficiles, de trouver un moyen de ne pas étouffer la curiosité des enfants et la motivation des enseignants.