[Archives 2013] Changements d'état / Cycle de l'eau

Ecole Clémenceau, Grenoble, classe de CE2 de Carole Capecci

Anne et Adrien

Adrien et moi sommes intervenus six après-midis dans cette classe autour du thème des changements d’état de l’eau et du cycle de l’eau. Avec les élèves, nous avons mis en place des expériences pour répondre aux défis que nous leur proposions. 

Séance 1 « Qu’est-ce que je connais de l’eau ? »

Cette question d’introduction permet aux élèves de se rappeler leurs cours des années précédentes et de situer le contexte de nos interventions. Tout d’abord, les élèves ont remplis individuellement le tableau suivant :

Où est-ce que je trouve de l’eau ?	Quelle forme a cette eau ?

Ensuite, nous avons mis en commun l’ensemble des réponses au tableau. L’idée est de faire ressortir deux formes principales aux caractéristiques différentes.

Puis deux bouteilles ont été présentées à la classe : l’une contenant de l’eau liquide, l’autre de l’eau à l’état solide. Ensemble, on en a déduit qu’il existe plusieurs formes d’eau, appelées états de l’eau. Les caractères déjà connus des deux états ont été énoncés par la classe : l’eau solide est froide, dure. Une feuille de papier ne peut pas l’absorber.

      « Comment  fabrique-t-on de la glace (avec le matériel présenté devant vous) ? »

La question est posée en classe entière de manière générale d’abord, puis avec l’idée qu’on va réaliser la fabrication dans la classe avec le matériel présenté. Le matériel en question est constitué d’un bain réfrigérant, de pots de confiture, de tube à essais, d’eau et d'entonnoirs.  Le mélange réfrigérant est composé de sel et de glace. Il a une température de solidification plus basse que la glace seule et peut donc refroidir l’eau liquide. 

Chaque groupe d’élèves a mis au point son protocole d’expérience. Des élèves ont mélangé le mélange réfrigérant à l’eau testée. Evidemment, ils n’ont pas obtenu de glace ! Certains ont choisi un protocole adapté mais n’ont pas eu la patience d’attendre que la glace se forme. Le premier groupe qui a réussi avait mis entonnoir sur le tube. Certains ont voulu les copier et ont mis l’entonnoir également. Certains ont bu un peu de mélange aussi…

Après une mise en commun, nous établissons ensemble un protocole :

 - verser de l’eau dans un tube à essais

 - le placer dans un pot contenant du mélange réfrigérant

 - observer la formation de la glace

 - enlever le mélange réfrigérant du pot

 - attendre que la glace fonde

 - constater qu’on est revenu strictement au point de départ.

Nous les avons aidé à formuler leurs hypothèses en petit groupe , puis à décrire leurs expériences, avec des dessins ou par écrit. Une feuille organisant le travail leur était fourni pour leur faciliter la tâche (ce que je pense avant, schéma de l’expérience que je veux faire, mon expérimentation, ce que je comprends).

A la fin, on établit ensemble ce qu’on peut comprendre de cette expérience : la glace et l’eau liquide sont la même matière sous différentes formes, appelés états de l’eau.

Séance 2  « L’eau liquide et la glace sont la même matière, mais quelles sont leurs différences ? »

Quelques minutes de réflexion individuelle puis en petits groupes autour de cette question ont débuté cette séance. Ils ont listé toutes les différences possibles. Traduits en langage adulte, on obtient 5 paramètres : volume, température, poids, forme (adaptabilité), dureté. On les prévient qu’on en testera ensemble que trois.

L’adaptabilité est vue en classe entière. Nous avions amené une bouteille d’eau congelée. En découpant le plastique, on sort la glace. Elle garde la forme de la bouteille. Si on cherche à la mettre ailleurs ensuite, elle ne  change pas de forme. A l’inverse, l’eau liquide prend systématiquement la forme du récipient qui la contient. 

« Est-ce que l’eau solide prend-elle plus de place que l’eau liquide ? 

On établit également ensemble comment faire pour observer une variation de volume. Le matériel présenté était le même que celui de la séance précédente plus un marqueur. Les élèves trouvèrent rapidement qu’il fallait refaire l’expérience de la semaine précédente en rajoutant une marque (pédagogie : repère essentiel dans une comparaison) au stylo pour vérifier la hauteur dans le tube, et donc le volume. Avant de démarrer toute expérience, nous leur avons demandé d’établir leurs hypothèses. Tous imaginaient l’eau solide plus lourde et plus volumineuse. Ils la conçoivent « encombrante ». Certains n’avaient pas réalisé la bonne expérience la semaine précédente, ce fut l’occasion pour eux de la faire. Ils en étaient ravis!

On conclut ensemble qu’il y a autant d’eau au début et à la fin ce qui signifie qu’il n’y apas de pertes lors de ces transformations. On remarque également que l’eau solide prend plus de place que l’eau liquide.

Séance 3  « Est-ce que l’eau solide pèse plus ou moins lourd que l’eau liquide ? »

Après un retour sur ce qu’on avait vu la dernière fois, nous avons attaqué la question du poids. Nous avions ramené deux balances de Roberval en plus du matériel précédent. Pour aller un peu plus rapidement que la dernière fois, nous avions déjà gelé l’eau dans les tubes à essais.  Avant de démarrer toute expérience, nous leur avons demandé d’établir leurs hypothèses. Pour faciliter cette tâche, nous avions prévu des feuilles contenant déjà les schéma  ci-dessous. Tous étaient persuadés que l’eau solide était plus lourde.

Ils ont ensuite réalisé cette expérience par petits groupes de 4. Il est alors apparu clairement que l’eau solide était plus volumineuse… et plus lourde ! Six groupes avec le même résultat ! Nous leur avons fait part de notre étonnement. Nous en avons déduit qu’il était probable qu’en voulant réchauffer la glace dans le tube à essai, ils avaient fait tomber quelques gouttes d’eau par terre et donc faussé la mesure. Nous avons convenu avec eux de ramener la fois suivante (à la séance 4) un pot de confiture fermé, contenant de la glace, qui resterait posé sur la balance Roberval  jusqu’à ce que l’eau devienne liquide.

Séance 4  «  Vapeur ? »

Cette fois, pas de question, seulement des observations. Répartis en petits groupe, ils devaient faire deux des trois expériences suivantes. Comme tout le monde ne fait pas toutes les expériences, il est important qu’ils écrivent et/ou dessinent ce qu’ils observent de manière à le transmettre (pédagogie : observation doit être transmissible)

1) Quand je souffle sur ma main, qu’est-ce que je sens ? Qu’est-ce que je vois ? Quand je souffle dehors, est-ce que quelque chose apparaît ? Qu’est-ce que ça devient ? (Merci l’hiver rigoureux.)

2) Quand je souffle sur un miroir ou sur la fenêtre, qu’est-ce que j’observe sur la surface du miroir ? Est-ce humide ?

3) J’ai une bouteille pleine d’eau froide. Qu’est-ce qui apparaît sur la surface de la bouteille ? est-ce que ça revient si je l’enlève ? D’où provient cette eau ? Et si je vide la bouteille, est-ce que la buée apparaît à nouveau ?

Pendant la mise en commun, les élèves dressent des hypothèses d’explication des phénomènes observés (pédagogie : hypothèse peut être faite à partir d’observation et doit alors être confirmée). Toutes ces expériences permettent aux élèves de sentir qu’il existe des choses invisibles, qu’on peut sentir autrement. L’air n’est donc pas vide. De l’eau liquide peut venir de l’air. Il y a donc de l’eau dans l’air.  L’eau sous cette forme est invisible. C’est un gaz. On dit que l’eau est sous forme vapeur.

Pour vérifier ces hypothèses, on va essayer la séance prochaine d’enclencher le phénomène inverse. A la place de révéler l’eau sous forme vapeur, on va transformer de l’eau liquide en eau vapeur. On passe de la condensation à l’évaporation.
 Comme prévu la séance précédente, nous avions ramené un pot de confiture fermé rempli de glace que nous avons laissé sur la balance Roberval. Pour qu'il soit clair que l'eau liquide a exactement la même masse que l'eau solide, nous avions rempli le pot avec beaucoup d'eau. Du coup, la glace n'était pas encore fondu lorsque nous avons fini cette séance. Nous avons alors décidé de laisser le pot sur la balance. Ils devaient nous dire le résultat de la pesée la séance suivante.

Séance 5  « Comment puis-je mettre de l’eau dans l’air ? »

Avant de démarrer cette séance, on fait un retour sur l’expérience mise en place la semaine dernière : «L’eau solide pèse-t-elle plus ou moins lourd que l’eau liquide ? ». Il s'agit alors de vérifier que l’eau liquide est plus légère que l’eau solide. Et bien, oui ! Alors soit les bases de la physique et de la chimie actuelle sont à revoir. « Rien ne se crée, rien en se perd, tout se transforme » est à modifier ; soit il y a eu un souci (imprécision de la balance…), soit certains ont tellement voulu avoir raison qu’ils ont aidé à ce que ça le soit ! En tout cas, on leur a fait part de notre étonnement, sans bien pouvoir  y changer quelque chose. Tant pis ! Ce sont les risques de ce type d’enseignement !

La séance elle-même commence par une expérience bien connue de tous. On met de l’eau dans une bouilloire et l’eau s’évapore. Elle part dans l’air.

Ensuite, les élèves réfléchissent à  5 situations de la vie quotidienne présentées sur une feuille. Dans chaque cas, il y a un élément qui contient de l’eau liquide et cet élément sèche. Lorsque l’élément passe de l’état mouillé à l’état sec, que devient l’eau ?  Comment a-t-on fait dans chacun des cas pour mettre de l’eau dans l’air ?

On en déduit qu’il y a deux paramètres essentiels : la chaleur et le vent. Nous rajoutons la taille de la surface.

« Quel facteur est le plus efficace ? »

Pour répondre à cette question, les élèves avaient à leur disposition des gobelets et des petits récipients (plus grande surface), les radiateurs de la classe, un ventilateur et un sèche-cheveux . Chaque petit groupe choisissait l’expérience qu’il souhaitait réaliser.

Ensemble, on a établit à l’oral les critères de chaque protocole :

-          un seul facteur à la fois devait être testé.

-          il fallait comparer les temps mis pour la même quantité d’eau dans deux situations : une situation permet de tester, l’autre sert de témoin.

Nous aurions souhaité pouvoir comparer les facteurs entre eux. Pour cela, il aurait fallu que tous ait la même quantité d’eau au départ. Mais nous n’avons pu réussi à nous organiser suffisamment tôt pour cela. Nous avons mis en place les expériences. Chaque groupe devait relever au cours de la semaine la hauteur de l’eau dans ses récipients, et vérifier ainsi l’impact du facteur testé.

Séance 6 Bilan, le cycle de l’eau

On a commencé par un retour sur l’expérience mise en place de la semaine précédente. Malheureusement, certaines expériences n’avaient pas assez d’eau pour observer une différence. Tout s’était évaporé dans le premier jour ! Le ventilateur avait été débranché pendant la semaine. L’eau ne s’était donc absolument pas évaporée, alors que l’agitation de l’air est censé être le système le plus efficace ! Nous avons quand même pu faire un bilan. Les élèves ont attesté de l’efficacité de ces trois facteurs.

Ensuite, nous avons réalisé devant eux une modélisation du cycle de l’eau : dans une boîte fermée en plexiglas, un plan incliné (montagne) + de l’eau liquide en bas (lac). Le soleil chauffe au dessus (lampe 100 Watts). Le sommet de la montagne est glacé (glace dans une casserole). Comme il faut attendre bien 45 minutes pour voir apparaitre les premières gouttes de pluie, nous avons visionné une cassette sur le cycle de l’eau empruntée par la maîtresse.

De retour en classe, nous avons dessiné ensemble le cycle de l’eau au tableau en rappelant les noms des états et des transitions vues au cours de ces séances. Le soleil chauffe l’eau du lac qui s’évapore. L’eau évaporée se condense dans l’atmosphère plus froide (ici glacier) : il pleut. Etc etc… Nous avons également tracé une échelle de température. A l’aide de questions simples telles « Dans les expériences précédentes, on dit que l’eau s’est évaporée, qu’est-ce que cela signifie ? D’où provenait l’eau sur les parois de la bouteille ? Que devient l’eau liquide qu’on refroidit ? Que se passe-t-il si on la réchauffe ?... » , nous avons vérifié que l’essentiel des notions était compris.

Puis les élèves ont tour à tour observé la modélisation du cycle.

Enfin, pour expliquer que tous les autres matériaux peuvent connaître ces trois états mais à des températures différentes,  nous avions ramené de l’azote liquide. Versé sur le sol, l’azote liquide se transforme instantanément en vapeur. Pour finir sur une touche un peu plus spectaculaire aussi !