La solidification de l'eau

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 : Décrire les états et la constitution de la matière à l’échelle macroscopique

Disciplines : Sciences et technologie; Physique (Collège)

Message à emporter : Au cours des changements d'état de l'eau, la quantité de matière est conservée. La température de solidification ou de fusion de l'eau est 0°C (dans les conditions de la classe). Le changement d'état est progressif.

Objectifs : - Avoir compris et retenu : la conservation de la matière dans les changements d'état de l'eau - Savoir que la température de solidification ou de fusion de l'eau est 0° Celsius - Percevoir que le changement d'état est progressif.

Termes scientifiques

• température constante
• mélange réfrigérant : terme donné à titre indicatif mais qui marque souvent les élèves car il est « source » d'un phénomène extraordinaire

Compétences attendues

• être capable de lire correctement un thermomètre
• être capable de tracer la courbe temps/ température

Tableau des séances

Situation déclenchante

Au cours de la période hivernale une classe d'environnement partie à la neige observe les stalactites de glace, les flocons de neige, les flaques, les rivières et les lacs gelés...
Les termes glace / neige / et eau liquide apparaissent.
Si les élèves de cycle 3 savent généralement que « la glace, c'est de l'eau gelée », une question se pose :
A quelle température, l'eau se transforme-t-elle en glace ?

Formuler ses prévisions

Sur leur cahier d'expérience, les élèves notent individuellement leur prévision :
« La glace, c'est de l'eau gelée, elle devient dure à ? degrés. »

Mise en commun

• Les élèves annoncent leur prévision.
• Il y a discussion, on argumente.
• On n'a qu'une solution pour savoir qui a raison, on fait une expérience.

Problème

Comment observer la transformation d'eau en glace ?

Proposition immédiate des enfants

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 oeuvre cette expérience. On scinde alors la séance en deux phases.

Proposition du maître

Utiliser un mélange réfrigérant.
- Mettre le mélange réfrigérant dans le bol
- Mettre un peu d'eau dans un petit pot
- Le disposer dans le bol
- Le mélange réfrigérant n'est pas de la « magie ». Cela fonctionne avec le même principe que pour un congélateur.

Remarques :

Comment observer la transformation d'eau en glace ?

• Il faut d'une part que cela soit visible.
• D'autre part, sachant que l'eau va refroidir, il faut avoir recours à un instrument de mesure, le thermomètre.

Expérience

• Chaque groupe vient chercher son matériel.
• Ils mettent en oeuvre le dispositif expérimental à partir des remarques et explications du maître faites lors de la phase précédente.
• Ils notent individuellement le dispositif expérimental sur leur cahier d'expériences.
• 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 relevés sont notés sur le cahier d'expérience.

Construction de la courbe et trace écrite

Déroulement

• Les élèves construisent, individuellement, la courbe T°/Temps à partir de leurs données, sur leur cahier d'expériences.
• Il y a alors un retour sur leurs prévisions

Remarques

• En fonction du niveau de la classe ou des différents groupes, une différenciation aisée consiste à fournir aux élèves la structure des tableaux à remplir et/ ou le repère orthonormé facilitant le tracé de la courbe.
• Soit à la fin de cette phase, soit le lendemain, un court débat est organisé afin de décider ce que l'on devra retenir de l'expérience.

Bibliographie

Sciences et technologie ; Nathan; collection Gulliver, Cycle 3 niveau 1 CE2; (cahier d'activités p.33 à 35 et guide pédagogique p.66 à 70)

Prolongement en science

« Connaissez-vous d'autres d'états de l'eau ? »
Le terme vapeur apparaît alors. On peut diriger les prochaines expériences vers l'évaporation de l'eau.

Prolongement sur le cahier d'expériences

Voir témoignage sur Le compte-rendu d'expériences

Le mot du maître

Organisation matérielle

• Prévoir l'étude de la solidification en janvier.
• Ne pas prendre un thermomètre trop gros ou ayant un réservoir trop haut. Cela nécessite alors une plus grande hauteur d'eau donc une plus grande quantité de mélange réfrigérant, un temps de solidification très long... Même problème avec des récipients trop grands.
• Il s'agit d'une séance relativement simple et aisée à mettre en oeuvre à partir du moment où l'on utilise le matériel adapté. Quand ce n'est pas le cas, et je l'ai vérifié au cours d'une première tentative, cela peut très vite se transformer en cauchemar (temps de solidification infini...)

Problèmes pédagogiques

• Est-ce que finalement « le côté fantastique » lié au mélange réfrigérant ne devient pas prédominant par rapport au concept scientifique travaillé ?
• Les évaluations (fiches d'activités précédemment citées) montrent que :
  - Le concept essentiel (solidification à 0°C ) semble acquis pour 23 des 24 élèves de CE2.
  - Le changement d'état à température constante n'est acquis que par 5 des 24 élèves. Pour les autres, la température diminue donc varie. La phase de changement d'état est perçue comme étant l'ensemble de l'expérience.
  - L'utilisation du mélange réfrigérant a développé une certaine curiosité et un grand plaisir dans la manipulation lié à l'activité scientifique. N'est-ce pas là un des grands fondamentaux de la Main à la pâte ?
• De plus, des compétences méthodologiques comme la lecture de tableaux à double entrée ou l'utilisation du thermomètre sont développées.

Interdisciplinarité

• Cette activité peut être un support intéressant pour un travail en français, surtout dans une situation de communication des expériences réalisées (exemple : bulletin scientifique dans le journal scolaire, expositions...).
• La qualité des comptes rendus réalisés par les élèves laissant souvent à désirer, c'est une occasion rêvée de travailler ce type d'écrit.