Comparons différents liquides

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 des solides, des liquides et des gaz ».

Déroulé : Après avoir discuté et observé les différences entre plusieurs liquides, les élèves étudient si - placés dans des conditions identiques - ces derniers coulent à la même vitesse. Ils mettent en place des expériences en ne faisant varier qu'un seul paramètre à la fois. Ils testent ensuite si le même volume de différents liquides a la même masse, et si tous les liquides "grimpent" de la même façon en migrant dans du papier.

Message à emporter : Différents liquides présentent différentes propriétés : masse, vitesse d'écoulement, vitesse d'évaporation... Pour les comparer, il faut mettre en place des protocoles expérimentaux en ne faisant varier qu'un seul paramètre à la fois.

La séquence présentée ci-dessous a pour but de faire connaître aux élèves des caractéristiques de liquides différents. Par exemple : placés dans des conditions identiques, des liquides différents ne coulent pas à la même vitesse, des volumes identiques de liquides différents n’ont pas la même masse, des liquides différents « grimpent » sur le papier avec différentes vitesses. Il s’agit d’apprendre à contrôler les paramètres lors de la mise en place des expériences.

Un déroulement possible de la séquence

Séance 1 : Quelles sont les différences entre divers liquides ?

Objectif : discuter et observer les différences entre les 4 liquides
Matériel : eau, lait, huile, miel.
Des balances simples, des pipettes, des boîtes à pudding de même volume ou des petits béchers, des panneaux en bois, des papiers, des cuvettes, du verre, des serviettes ou des filtres etc.

Phase 1

Montrer aux élèves les quatre liquides qui vont être utilisés au cours de la séance : l’eau, le miel, le lait et l’huile (d’autres liquides peuvent être également choisis). Observer ces liquides, quelles sont les différences d’aspects ? A ce moment-là, les enfants vont utiliser leurs sens, et noter des différences de couleur, d’odeur, de goût etc. (Les élèves observent avec les yeux, le nez mais pas la bouche).
Ici, l’enseignant peut inciter les élèves à étudier les différences et leur demander de les décrire de façon précise. L’enseignant peut noter les découvertes des élèves sur un grand tableau, comme par exemple : l’huile est jaune et visqueuse.

Figure 1

Phase 2

Est-ce que ces quatre liquides  présentent d’autres différences ?

La discussion sur cette question est lancée, les élèves expriment leurs idées et en prennent note. Ici, il faut faire attention à donner aux élèves l’occasion de s’exprimer pleinement, l’enseignant invitant les élèves à préciser leurs idées en les explicitant. Les idées des élèves sont toutes résumées sur un papier. Le côté droit du tableau n’est pas fermé, c’est pour enregistrer les idées du plus grand nombre possible d’élèves. Les élèves ont généralement des opinions différentes sur la vitesse d’écoulement, la densité, la tension superficielle (la description comme « la capacité de grimper » peut être utilisée par les élèves) etc. de ces quatre liquides.

Ci-dessous deux exemples de différences entre les quatre liquides que les élèves ont proposées.

A ce moment, l’enseignant doit aider les élèves à organiser leurs idées, et leur permettre de se recentrer sur les questions scientifiques, par exemple, en montrant que la différence entre les fabricants n’est pas pertinente du point de vue scientifique. Après avoir résumé les questions des élèves, plusieurs sujets propices aux investigations peuvent être mis en œuvre.

Séance 2 : Quel liquide « court » le plus vite ?

Objectif : Il s’agit d’étudier si, placés dans des conditions identiques, les liquides coulent à la même vitesse.
Matériel : des papiers, des planches en bois, des pipettes, des cuvettes et des chiffons ou serviettes.

Phase 1 : L’activité en petit groupe, la conception du projet 

Cette question est l’une des idées des élèves exprimées lors de la séance précédente, on peut choisir de l’étudier ensemble dans la classe.
L’enseignant peut présenter la question : comment peut-on concevoir une expérience pour tester lequel de ces quatre liquides  « court » le plus vite ?
Les différences de vitesse illustrent qu’ils ont des viscosités différentes; pour les élèves de l’école primaire, il est suffisant d’évoquer les différences de vitesse. Les élèves discutent en petit groupe et conçoivent le projet d’expérience ; ils prennent des notes, dessinent, et réfléchissent au matériel dont ils ont besoin.

Phase 2 : L’activité collective, l’amélioration du projet 

Demander à chaque groupe d’élèves d’exposer son projet et de lister le matériel dont il aura besoin. Ici, il faut rappeler aux enfants de bien écouter les exposés des autres, de ne pas hésiter à les mettre en question, et de tenir compte des remarques relatives à leur propre projet pour l’améliorer.
Tous les élèves peuvent penser à laisser couler en même temps ces quatre liquides sur une planche, les comparer, regarder ceux qui arrivent le plus tôt à destination.
Mais les contraintes à respecter - faire « partir » ces quatre liquides du même « point de départ » ; en même temps, en même quantité- sont difficiles pour des élèves à anticiper et à contrôler. Il faut donc les inciter à douter, à discuter en commun pour amender leur projet.
Quant au choix du matériau sur lequel on fait couler les liquides, les élèves en ont des idées différentes. Certains choisissent le papier, certains choisissent la planche en bois, d’autres préfèrent une planche en verre.
L’enseignant permet aux élèves de faire de multiples essais et leur donne des conseils pour comparer les résultats de ces expériences.
Certains groupes ont eu une autre idée pour montrer que les 4 liquides ne vont pas à la même vitesse ; par exemple ils mettent 4 gouttes sur un papier avec de la cire et regardent si les gouttes se déplacent ou non de la même façon ou bien prennent 4 pipettes avec la même quantité de liquide dans chacune, laissent tomber les gouttes et observent que les vitesses de chute sur la table sont différentes.
Toutes ces expériences peuvent montrer une différence de viscosité des liquides. Les enseignants doivent encourager les élèves à réfléchir et à mettre leurs idées en pratique.

Phase 3 : L’activité en petit groupe, la mise en œuvre de l’expérience 

L’enseignant doit guider spécialement sur quelques questions : le contrôle de « la variable » expérimentale étudiée est-il explicite pour chaque groupe et est-il effectivement réalisé ? Les opérations sont-elles conformes à la sécurité ? Est-ce que tout le monde  y a participé ?

Les élèves notent ce qu’ils ont vu et comment ils ont fait.
Au cours des expériences, les élèves vont sans cesse se poser de nouvelles questions. Devant des difficultés, l’enseignant doit encourager les élèves à réfléchir et à résoudre les problèmes par eux-mêmes, et à consigner ces difficultés et les solutions apportées.

Phase 4 : Le résumé collectif 

Au cours de l’enseignement, il faut réserver un temps suffisant pour les exposés de chaque groupe sur leurs procédés expérimentaux et les phénomènes qu’ils ont observés. Il est également important de demander aux élèves d’expliquer comment ils ont modifié, adapté leur protocole au cours de l’expérimentation.
Les élèves ont trouvé qu’il n’était pas facile de faire sortir la même quantité de liquide des pipettes. Ils ont trouvé une solution : on met d’abord la même quantité de liquide sur un papier épais (type carton) et puis on le penche; d’autres fabriquent des rigoles sur le papier, qui permettent aux liquides de couler en suivant chacun sa route.

Séance 3 : Le même volume de différents liquides a-t-il le même poids ?

Objectif : Cette séance a pour but d’étudier la masse d’un même volume de plusieurs liquides et de les comparer.
Matériel : des balances, des petits béchers, des boîtes à pudding de même volume

Phase 1 : L’activité collective 

Cette question concerne le concept de densité des liquides, mais il est suffisant de viser la notion suivante : des volumes identiques de liquides différents ont des masses différentes.
Au début, des élèves ont pensé à les soupeser à la main. Suite aux discussions, ils mettent en doute la précision de cette méthode.
Puis, d’après leurs expériences de la vie courante, ils pensent à les comparer par des outils comme la balance : « le côté léger va se lever !»
Selon les besoins des élèves, l’enseignant peut leur fournir des balances simples. Il est alors nécessaire de leur présenter un peu la méthode d’utilisation, par exemple l’ajustement du zéro.
Quel verre peut-on choisir pour contenir des liquides ? Quelle quantité de liquide faut-il mettre dans chaque verre pour la comparaison ? Tous ces sujets peuvent devenir des questions de discussion pour les élèves.

Phase 2 : L’activité en petit groupe 

Dans les activités en petit groupe, certains groupes choisissent la boîte pour le pudding pour contenir le même volume de liquide, certains choisissent un petit bécher gradué en plastique. Ici, il vaut mieux que l’enseignant ne fournisse pas de grand béchers en verre, parce que leur poids est toujours différent et cela influencerait le résultat de l’expérience.
Les enseignants doivent surveiller les groupes et aider les élèves en difficulté. En même temps, ils doivent dire aux élèves d’être très précis parce que, même s’il reste par exemple un tout petit peu de liquide sur le plateau de la balance, cela peut avoir une influence sur le résultat de l’expérience.
Pendant l’activité en groupe, certains groupes pensent qu’ils peuvent mélanger plusieurs liquides, celui qui est au dessus étant plus léger que celui qui est au dessous/ Là, on risque d’aborder la miscibilité des liquides et des notions scientifiques plus compliquées et il est donc préférable d’étudier cette question plus tard..

Phase 3 : Le résumé collectif 

Les élèves doivent décrire l’expérience réalisée par de leur propre groupe, en accordant une attention particulière aux difficultés qu’ils ont rencontrées et à leur façon de  les résoudre. Pour les questions délicates, toute la classe peut participer à leur résolution. Quand les élèves demandent à refaire une expérience, on peut le leur permettre.

Basée sur les exposés des petits groupes, on peut construire une conclusion après une discussion de la classe en commun.

Séance 4 : Qui « grimpe » le plus haut sur un papier ?

Objectif : Il s’agit d’étudier la vitesse d’avancée de ces différents liquides sur un même papier, et d’apprendre de façon plus approfondie les méthodes de contrôle des paramètres.
Matériel : des serviettes ou des filtres, des pipettes, des béchers de même volume, etc.

Phase 1 : L’activité collective 

L’enseignant peut demander d’abord aux élèves ce qu’ils pensent de la capacité à  « grimper » de ces liquides différents ?
Dans leur vie quotidienne, les élèves ont pu voir vu le phénomène de linge trempé dans l’eau quand ils se lavent le visage. Le phénomène capillaire se manifeste par l’ascension d’un liquide dans un textile dont la partie inférieure est immergée.

Phase 2 : L’activité en petit groupe 

On peut d’abord discuter en petit groupe, chercher comment établir une expérience pour comparer la « capacité à grimper » en s’aidant du matériel disponible.
Riches de leurs expériences précédentes, les élèves devraient faire plus attention que les fois précédentes à contrôler les conditions expérimentales (même point de départ, dépôt simultané, même quantité de liquide dans le bécher, etc.).
(Certains groupes peuvent établir d’autres projets, par exemple, ne pas tremper la serviette dans le liquide mais étaler les serviettes à plat, et évaluer le déplacement de la même quantité de liquide. L’enseignant peut encourager les élèves à essayer cette méthode.)

Phase 3 : La mise en œuvre de l’expérience 

Les élèves vont encore rencontrer beaucoup de difficultés au cours de la mise en œuvre de leurs projets. L’enseignant doit les aider à les surmonter. Par exemple, certains mettent la serviette dans l’eau et la lâchent, ainsi la serviette est trempée totalement et on ne peut pas observer le résultat de l’expérience. Les groupes qui déploient la serviette voient des phénomènes très nets ; les élèves se réjouissent du résultat obtenu.

Phase 4 : Le résumé collectif 

Lors des échanges qui suivent, les élèves doivent décrire les faits observés, constatés et faire part de leurs opinions sur ces faits.

L’organisation du temps et du contenu
On conseille de réaliser cette séquence en 4-5 séances. L’ordre des trois dernières séances pouvant être ajusté, et programmé de façon flexible pour choisir les sujets qui intéressent les élèves. Parmi ceux qui intéressent les élèves, il faut choisir ceux qui mettent en œuvre du matériel facile à trouver et à manipuler.

Prolongements
Les questions comme les concepts de viscosité, de densité, de tension superficielle etc. peuvent être traités plus tard au collège. Les questions posées par les élèves qui concernent la vitesse d’évaporation, la température de solidification peuvent être traitées plus tard ou bien à la maison avec les parents.