ARTheque - STEF - ENS Cachan | Quelques thèmes de sciences physiques abordés dans le cadre de l'ESE : le témoignage des expérimentateurs

TEMOIGNAGES DES EXPERIMENTATEURS

Quelques thèmes de Sciences Physiques abordés dans

le cadre de L'E.S.E.

en

cycle

d·observshon

DoUOoDnaiIEII

E'

QxpûrignCQ

pOch.gogiOUQ

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~.IIY

Thème 1

Thème

2

Thème 3

Thème 4

Thëne 5

Thème 6

Introduction

Sëparatf on des

constituants

dun

mël anqe

A -

Compte rendu d'une visite

à

l'LN.S.C.R.

.B -

Etude

du

thème en travaux

prat

iques

L

1

eau dans l a Ra ture

Coul

eur

des

sel

ut

lons.-

Application

à

l'abso

'

rption

de

1

a l umi ère par

1

a chl orophyll e.

Optique et Géométri e

lè

,re

équ; pe : La l umi ère

A - Partie physique

B - Partie Mathématique

2ème équipe

Réflexions et axes de symê

tr-ie

A - Partie Physique

B - Partie Mathématique

Le planeur

A - Construction d'un planeur tout Balsa

B - Etude en Physique

Le jeu électrique: questions - réponses.

Pages

3

4

4

12

19

22

27

.28 28

37

44

44

49

55 55 59

67

Madame BREZILLON (Physique) - Lycée de Bréquigny - Rennes

Madame CORNEe (Mathématique) - C.E.S. des Gayeulles - Rennes

Madame DANION (Chimie) - Université de Rennes

Monsieur GALLIER (Physique) - Université de Rennes

Madame GUILLO (T.M.E.) - Lycée de Bréquigny - Rennes

Monsieur HERMANT (T.M.E.) - C.E.S. des Gayeulles - Rennes

Monsieur HERMON (T.M

.E.)

- Lycée de Bréquigny - Rennes

Madame LANCIEN (Physique) - Lycée de Bréquigny - Rennes

Madame LE COCH

EC

(Biologie) - Lycée de Bréquigny

~

Rennes

Madame LEVEILLE

Y

(Mathématique) Lycée de Brêquigny - Rennes

Madame PERON (Physique) - C.E.S. des Gayeulles - Rennes

Monsieur PRIOL (Physique)-Université de Rennes

INTROnUêTI'ON

Nous avons regroupé dans ce fascicule une partie du travail mené dans

.

l'Académie de RENNES par les

ëqutpes

uLS.E.

n

_{au cours des deux années}

1974-1

975

et

1975-1g76.

Ce livret est destiné avant tout aux professeurs (et

plu

s

spëcte

l

eme nt

à

ceux de PHYSIQUE) qui auront à mettre en app1 i ca

tion

à

la rentrée 1977 les nouveaux progranmes du premier cycle. C'est pourquoi

nous a

vons

voulu faire figure

r

dans chaque étude une liste détaillée du

matériel qu' el1 e né

cessi te

ainsi parfoi s que 1es références

bibliographi-ques uti

li

sées, afi n de faci 1iter au maximum 1e travail des ensei gnants.

l'LS.E. étant d'abord la pratique de l'interdisciplinarité, il nlest

.

pas surprenant que tous les contenus présentés aient une dimension

inter-disci

'p

linaire.

Les rapprochements sont opérés

entre

PHYSIQUE et BIOLOGIE

pour

l

a

raison très simple que dans l'LS.L (et c'est vrai aussi pour les

.

nouv~aux

programmes) les SCIENCES PHYSIQUES prennent comme champ d'étude

pri

V'i l êg:i:ê

le milieu naturel environnant qui

est

altSsi celui du biologiste.

I

l

y

a donc nécessairement convergence au niveau des thèmes étudiés.

Puis viennent les thèmes cotmlUns PHYSLQUE - MATHEMATIQUES, qui sont

vus essentiellement conme un éclairage des mêmes concepts par les deux

'

di

s

c

i

pl

i

nes .

Enfin deux exemples d'e coordination T

.M.E. -

PHYSIQUE où dans un cas

l

a PHYSIQUE vient épa

uler

l'exploitation du trava

,;l

effeçtué en T.M.L,

grâ

-ceà

u

ne

schématisation, une modélisation permettant d'isoler les

fac-teurs déterm

inants

propres

'-à

l'obj

,et

(planeur)' réal isé et ainsi d'analy

·ser

s

on c

ompor t ement , où dans l'autre cas, ces

T.K.E.

donnent à la PHYSIQUE

l'occasion d'une appMcation plus complexe d'une étude antérieure.

SEPARATION DES CONSTITUANTS DIUN MELANGE

Classe de 5ème

A - CQng)tes rendus dlune visite à lIE.N.S.C.R.

Ces comptes rendus ont été rédigés entièrement à parti r des notes (non retouchées) des 18 élèves de cha.que groupe; les notions

les ,p.1 us access lbles seront reprises en classe au cours de séances de

carbone, oxygène, chlore, hydrogène, phosphore, 5

-Compte rendu du groupe 1

Nous sommes allés visiter, ·l e 1er décembre 1975, l'ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DE CHIMIE DE RENNES. Nous avons été accueillis dans une salle de cours par une personne (enseignant sans doute), qui nous a dit que l'E .N.S.C.R. formait des ingénieurs chimistes.

Il nous a demandé ce qu'était pour nous un ingénieur. Après quelques réponses, nous avons déduit que l'ingénieur est une personne apte à diri-ger un travail ou même, à l'occasion, à innover un travail. Pour exercer ce métier, il faut 5 années d'études après le bac, dont 2 années de Mathé-ma t i que s Supérieures et 3 années d'Ecole d'Ingénieurs.

Ce monsieur nous a demandé des noms de produits chimiques, et nous nous sommes a~erçus que beaucoup de produits étaient faits à partir de 'pr odu i t s chimiques: médicaments, tissus, colorants, plastiques, (disques),

détergents, in s e c t i c i de s , engrais, dérivés du pétrole, (bitume, essence, fuel, gaz), malheureusement aussi, certains aliments et boissons. Puis il nous a questionné sur nos connaissances et nous lui avons demandé combie~· il y avait d'atomes différents et parmi ceux là, les plus importants; il nous répondit qu'il y avait 125 atomes différents dont les principaux sont

- en chimie organique azote.

- en chimie minérale fer, soufre, cuivre, or, uranium, aluminium, nickel, sodium, potassium, magnésium, francium.

Il nous a ensuite montré quelques atomes à l 'aide de petites boules assemb~ées ; ces boules montraient une molécule d'eau (H

20 : 2 atomes d'hydrogène et 1 atome d'oxygène).

Cette explication concrête nous fit bien comprendre les atomes et les molécules : une molécule es·t un assemblage de deux ou plusieurs atomes.

Avant de commencer la visite, il nous fit rappeler quelques expériences que nous avions réalisées : bruler le soufre et le fer, etc •..

2 -

LA VISITE

a) - Salle de travaux pratiques des étudiants (Bromatologie)

Nous avons commencé la visite par un atelier de T.P. de chimie minérale où les étudiants devaient séparer, re cue i l l i r puis peser le fer et le nickel d'une solution d'un sel de nickel et d'un sel de fer. Leur manipulation avait commencé à 9 H 30 et devait prendre fin vers 19 H.

Ils avaient séparé le fer du nickel, l'avaient lavé, l'avaient recuilli sur du papier, avaient mis le tout dans une sorte de coquetier placé dans une étuve, puis ils ont laissé sécher. Une fois sec, il s auraient pu le pe-ser tout de suite sur la balance, mais un peu de fer pe-serait resté sur le pa-pier, alors ils ont pris une méthode ingénieuse: ils ont mis le coquetier dans un four qui chauffe jusqu'à 1000° afin de bruler le papier et ainsi il ne reste que le fer dans le coque t i e r . Comme ils avaient déjà pesé le coque-tier, ils ont pesé le tout (fer dans le coquetier) et ils ont fait la sous-traction, c'e st- à-d ir e l 'ens emble moins le coquetier .

ceci fait ils mélangent le nickel à de l'eau bouillante et le versent dans un entonnoir puis un filtre. Le nickel reste sur le filtre mais l'eau.,

aspirée Par une pompe à vide (pompe à eau), coule dans le bécher. Ensuite ils mettent le nickel dans un four et font pour le nickel comme pour le fer.

Enfin un détail, la balance est très précise, au 1/10 de mg, soit 4 chiffres après la virgule. Cette balance est sur une plaque de marbre qui est sur du sable, qui est sur une plaque de liège, qui est sur un bloc de hé,ton de 300 kg, afin d'éviter les vibrations.

b) - Résonance Magnétique Nucléaire

Nous sommes ensuite entrés dans une salle où nous avons "admiré" un appareil à R.M .N ~ très compliqué et coütant 300.000 F, il sert, je crois, pour les protons.

Une dame nous explique avec des mots compliqués le système de l'appareil qu'elle utilisait, à savoir de quoi est fait un produit; on fait en somme la photographie de la molécule.

Dans un mince tube en verre, on met un produit (si ce produit n'est pas un liquide, il faut le dissoudre), puis on le place dans Une machine qui s'appelle,un électroaimant, je crois, et qui est refroidie Par un circuit d'eau. On appuie sur un bouton et le tube à essais se met à tourner très vite. Cette machine est reliée à une autre machine qui fait des graphiques. Le tracé sur la feuille indique différents petits pics qui indiquent les sortes de produits qu'il y a dans le tube. Bref, cette machine sert à voir si les produits découverts sont purs ou pas et de savoir ce que c'est.

~)

- Chromatographie

.

Nous avons ~nsuite visité la chromatographie. Un monsieur nous a briève-ment, mais clairement expliqué que la chromatographie est l'une des techni-ques qui sert à séparer deux ou plusieurs produits. Cela consiste à savoir

(en les séParant) combien il y a de produits dans une solution et en quelle quantiëé.

A l'aide d'une seringue bien rincée, il injecte dans une colonne conte-nant du gel de silice, quelques dixièmes de millilitre d'un produit et, une fois le tube dans le chromatographe, une courbe se dessine plus loin. Puis il rince l'aiguille, prend l'autre produit, les mélange et recommence. On

doit obtenir un pic par prodùit sur le graphique. Chaque sorte de produit a sa place car ils descendent tous à une vitesse bien déterminée et comme le pic ne se forme que quand le produit est passé ; il suffit de compter les carreaux qui séparent' le pic du coumencement du graphe, les pics qui repré-sentent tous un produit différent sont plus ou moins hauts selon la quantité. REMARQUE - Nous sommes également passés dans une salle de micro-analyse. Cette salle est climatisée et humidifiée jour et nuit; on doit y être seul. Il y a des balances qui pèsent au 1/500 de milligramme.

d) - Salle de Génie Chimique

Notre accompagnateur nous emmène maintenant dans une immense salle où règnent d'immenses appareils (dans l'OUest, il n'y a que 2 sailles comme celle là, à RENNES et SAINT NAZAIRE). On y fai.t des expërLences au niveau

intermédiaire entre l'étude et le laboratoire et le travail en usine l'échelle est beaucoup plus élevée, on passe de quelques millilitres à

7

-Dans l'un d'eux, on met beaucoup de petits cylindres de yerre,.on en-voie un gaz et l'on s' aperçoit que le gaz se sépare au fur et à mesure qu'il passe par les cylindres. Dans un autre, quand la machine siest mise -en marche, de petites billes de verre sont montées -en haut du tube, soule-vées par la pression de l'eau car il y avait un tuyau qui aspirait de l'eau dans un bac •

.

e) - Laboratoire des eaux

Nous avons parcouru cet étage, en voyant simplement dans une salle, des expériences pour dépolluer l'eau. Dans des tuyaux passait de l'eau sale pleine de bactéries.

a) - Salle de T.P.

Ce que nous avons préféré, c'est voir les étudiants travailler. Ce qui m'a étonné aussi c'est le travail des étudiants; il parait pourtant assez facile à réaliser. Alors pourquoi ont-ils mis une journée' pour faire ce travail ? Je me demande également ce qu'ils pouvaient bien écrire sur leurs feuilles car ne n' a i vu aucun calcul, à moins qu'ils commentent leurs expériences.

b) ~ R.M.N.

Je ne' vois pas, pour la R.M.N. ce que faisait la dame, une fois qu'elle a fait son graphique et déterminer le produit, que peut-elle faire? D'au-tant plus qu'elle n'a même pas un produit à analyser tous les jours. Peut être est-elle chercheuse, elle aussi, le reste du temps.

c) - Génie Chimique.

La salle ressemble à une salle de Physique. Enfin :

- Je ne savais pas qu'il y avait tant d'appareils pour étudier les produits chimiques.

- Je ne m'imaginais pas du tout la chimie comme cela.

- Je croyais que c'était des salles dans lesquelles il y avait plein de verrerie, mais j'ai été surpris de voir ces machines électriques.

- J'ai remarqué également que tous, étudiants, chercheurs, travail-la:i.ent sur de petites quanti tés et n'étaient pas pres sés et que le monsieur de la chromatographie était très soigneux.

- Je trouve que le nam d'ingénieur est bien choisi car, à mon avis, il faut être un génie pour trouver la forme des atomes avec des graphiques l t ,

Eompte rendu du groupe 2

Le 1er décembre 1975, nous sommes allés à l'ECOLE NATIONALE SUPERIEURE DE CHIMIE DE RENNES, nous étions accompagnés de deux de nos professeurs, nous avons commencé notre visite à-14 H. Nous sommes d'abord allés dans une salle où un professeur de chimie nous a parlé de la chimie (qu'il ne faut pas confondre avec la physique). Nous avons retenu que la chimie sert à fa-briquer différentes choses : colorants, détergents, plastiques, médicaments divers, textiles, stabilisants, insecticides, engrais ~ qu'elle permet de tirer des centaines de produits du pétrole brut : des produits légers (gaz) des produits lourds (liquides) essence, fuel.

Ensuite, nous avons appris que cette école formait des ingénieurs chi-mistes ; pour devenir ingénieur chimiste, il faut, après le baccalauréat, 5 ans de spécialisation dans cette école ; les ingénieurs travaillent en usine ou en laboratoire ; ils font des recherches et quand ils trouvent quelque chose d'intéressant, on fabrique le produit en importante quantité en usine.

Enfin, il nous a posé des questions sur ce que nous savions en chimie; nous avons alors fait appel à nos souvenirs de l'an dernier, nous avions quelques notions sur les atomes et les molécules. Il nous a rappelé qu'il y avait 125 atomes, les principaux étant

- én

chimie organique : le carbone, l'azote, le phosphore, le chlore, l'oxygène.

- en chimie minérale : le fer, le soufre, le radium, l'or, l'argent, le magnésium, l'uranium, le nickel, le sodium, le potassium, le cuivre, l'aluminium.

Nous avons alors posé quelques questions et appris que certains atomes durent 1/10 de seconde ~ ils proviennent de la radioactivité ~ que sur la lune, il y a, à peu près les mêmes atomes que sur la terre, mais pas dans les mêmes proportions; que dans l'espace, il y a peu d'atomes (à part les autres planètes, c'est presque le vide) ~ qu'on ne peut pas voir les atomes au microscope car ils sont trop petits. Enfin, pour illustrer la notion d'atome et de molécule, il nous a construit des molécules composées avec des boules rouges qui représentaient les atomes d'hydrogène et les bleues les atomes d'oxygène et les noires les atomes de carbone.

Voici une molécule d'eau

Une molécule de gaz butane

a)

~ Elle a commencé par le

laboratoire de Résonance Magnétique

Nu-cléaire.

Dans une salle, il y avait une dame qui travaillait devant une

machine très compliquée d'où sortaient des graphiques. Dans ce laboratoire, on cherche à détecter l 'importance de l'hydrogène dans un produit inconnu. Pour celà, on place un tube à essais contenant le produit inconnu (il faut que le produit so it liqui d e s'il est fourni sous forme de poudre, il faut

- 9

-un solvant) dans -un appareil qui tourne à vive allure, 30 à 4(}-.-tôurs par seconde, près d'un électroaimant. La machine ne doit pas être à plus de 200 _{(il y a un circuit d'eau qui la refroidit) . Pendant que le tube tourne,}

grâce à une seconde machine, on relève des graphes avec des pics plus ou moins hauts. La dame les déchiffre et sait combien de produits il y a et en quelle quantité.

- la première courbe a pour but de savoir la position de la molécule (hydrogène) ,

- la 2ème courbe a pour but de calculer le nombre de molécules d'hy-drogène : (plus il y a d'hyd'hy-drogène dans ce produit, plus le pic inscrit

sur la feuille est grand).

b) - La Chromatogr

aphie

Elle permet de savoir combien il y a de produits dans un liquide. En effet, elle sert à séparer les constituants d'un mélange (mais elle peut aussi servir à mesurer la dose d'un tel produit) (On peut aussi faire une chromatographie des gaz) .

Un chimiste a préparé un mélange de deux produits; à l'aide d'une seringue, il a mis un tout petit peu du mélange dans un tube très fin où il avait tassé un produit X (poudre blanche). Ainsi, c'est relativement facile d'avoir les deux produits, l'un arrivant plus tôt que l'autre en bas. Comme

dans l'autre sall~sont inscrits sur un graphique,

Mais ces courbes ne veulent pas dire la même chose : suivant la place de chaque pic, les chimistes savent à quels produits ils ont à faire. Ils savent également la quantité de chaque produit grâce à la surface de chaque pic.

c)

-

Laboratoire des eau

x

Nous sommes allés ensuite voir un mini centre d'épuration que les étu-diants avaient bâti. Nous avons vu ensuite une grande salle où différents appareils à eau étaient construits. Dans l 'un d'eux il y avait de petites billes de verre; quelqu'un tournait une grosse vis et quelques secondes après, les billes, poussées 'p ar l'eau, se soulevaient; dès que l'on refer-mait l'apPareil, les billes de verre redescendaient.

d) - Hall de

~énie

Chimique

Nous sommes descendus dans un très grand hall, assez impress'ionnant,

plein de très grands tubes en verre ; là, presque tout est en verre, cer-taines machines compor taient de grands tubes isolés par du coton. Il y avait une machine servant pour les études sur les fluides (pour connaltre le débit de l'eau) ; un tube plein d'eau et contenant quelques petites billes vertes; lorsqu'on faisait marcher la machine, l'eau montait à une vitesse variant selon la hauteur à laquelle on avait tiré la manette ; les billes étaient entrainées avec l'eau.

Cette salle permettait aux chimistes de faire des expériences avec de

e) - Salle de

tr

avaux pratique

s

Nous avons visité un laboratoire où les étudiants travaillaient. Ils devaient séparer le fer et le nickel d'une solution liquide et les peser. Mais comme ils sont pleins d'eau il faut enlever l'eau car on ne peut pas peser le fer mouillé sans compter le poids de l'eau. On recueille le fer dans un filtre et on le met à sécher dans un four spécial qui chauffe à 300-400° et qui a des trous pour l'aération, afin d'évaporer l'eau. Puis on met le tout (fer et papier) dans un autre four pour bruler le papier filtre ; le four en brique spéciale peut résister à de très hautes tempé-ratures (2000°) ; au fond, il y a une sonde, qui est un thermomètre spécial.

Ensuite, les étudiants mettaient un réactif spécial pour le nickel, qui produisait un précipité rouge qui tombait au fond du bécher. Le préci-pité était lavé à l'eau distillée. Ils ve r s a i e nt dans une petite boite à double fond, celui du dessus étant pourvu de trous, l'eau passait sans le nickel. Le nickel mouillé va être mis à sécher dans un autre four. Pour peser le fer et le nickel, on utilise une balance fragile et très précise ; la balance n'a qu'un plateau, elle est pourtant très précise car elle pèse au 1/10000 de g. Elle est isolée de la table pour qu'on ne puisse pas faire bouger le plateau de la balance en s'appuyant sur la table.

H.lr bu.

("d~l/cJu. ~s. \~ ~2'o1c.dl&O,~)

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3 --- NOS IMPRESSIONS

1. Sur la présentation de la visite:

Ce qui m'a plu dans cette visite c'est l'entretien du début, j'ai com-pris la différence entre la chimie, qui est Fabriquer, et la physique, qui est Observer.

Je n'envisageais pas l'Ecole de Chimie comme celà. Je voyais des salles avec des professeurs sans toutes ces machines.

C'était une visite int é r e s s ant e et très instructive. 2. Sur la visite :

a) - La R.M.N. :.c'est dommage que certaines choses soient mal expli-quées et trop comp;iexpli-quées pour nous. La R.M.N. est une histoire de protons, si j'ai bien compris, mais je n'ai rien retenu.

La machine qui analysait un produit m'a semblé assez compliquée. J'ai été étonné par le prix des machines.

c) - Laboratoire des eaux : Je regrette que lors de notre passage dans le laboratoire des eaux le professeur ne nous ait pas parlé davantage de ce sujet qui nous intéresse.

d) - Hâll de Génie ~himique : Cela m'a beaucoup impressionné, surtout les installations pour les expériences ; je n"auxaLs pas cru que c'était aussi grand.

- Il

-Cela m'a plu, surtout lorsqu'on a mis en marche les billes pour trouver le débit. Toute la grande salle aussi m'a impressionné car les appareils de manipulation m'ont paru gigantesques.

e) - Salle de travaux pratiques: Les experlences des étudiants m'ont plu car la personne qui présentait les expériences et animait l'entretien parlait simplement afin que nous comprenions.

Les balances qui se trouvaient dans la salle de T.P. m'ont surprise aussi car il faut qu'elles soient très isolées de tout ce qui pourrait les faire trembler.

B - Etude du thème en travaux pratiques

REMARQUES PRELIMINAIRES

1. Ce thème se présente comme une interdisciplinarité BIOLOGIE - PHY-SIQUE/CHIMIE "élargie".

Au départ l'idée était de réaliser une interdisciplinarité ponctuelle en réalisant une séparation : celle des constituants de la chlorophylle brute. Mais le manque de support, c'est-à-dire de connaissances, sur le problème des séparations en chimie, a conduit à un échec au niveau de l'interprétation des faits (d0nt l'observation est pourlant très simple).

J'ai donc décidé de reprendre cette extraction comme un'exemnl e (parmi d'autres) des méthodes de séparation des constituants d'un mélange.

2. L'étude de ce thème se situe aussitôt après la visite de l'Ecole Na-tionale Supérieure de Chimie de Rennes i les élèves étaient donc "en

con-dition" et, au support expérimental "artisanal" qui leur était proposé en classe, ils ont pu juxtaposer des méthodes expérimentales plus élaborées ce qui leur a révélé une chimie aux dimensions qu'ils ne soupçonnaient pas (du travail sur de micro-quantités de produits~en analyse, au travail sur des macro-quantités de produits en "génie chimique", chimie semi-in-dustrielle) •

- MATERIEL :

Produits : soufre en fleur poudre de fer eau distillée huile de table. sel marin

-nitrate.de potassium benzène acétOne alcool éthylique à 80 % Sable de Fontainebleau éther de pétrole éther sulfurique paillettès d'iode papier Whatinann papier filtre Bureau 1 support 1 ampoule à décanter 1 bécher Matériel par groupe 2 verres à pied 2 béchers 1 entonnoir 1 ballon 100 cc (à col droit et long)

4 tubes à essais (dans support) {pour contenir doses de sel)

3 tubes à essais (pour contenir doses de ni-trate de potassium) 1 support avec 6 tubes à

essais vides 1 support à entonnoir 1 tube à dégazement 1 thermomètre 0-100 1 aimant 1 éprouvette graduée 1 bec bunsen + support +

toile métallique 1 balance Roberval .

CONTENU

13

-(durée 8 heures)

1 QU'EST CE QU'UN MELANGE?

- eau de mare : - exemple de mélange hé~é~~ène . séparation par décentation . séparation par filtration

- eau minérale : - notion de mélange ~~~ène, de ~o~s~i~u~..n~.

REMARQUE -

Cette question a déjà été vue en 6ème, nous avons donc passé

rapidement. C'était, en somme, une "introduction".

2 - - - POSSIBILITES DE MELANGES

En partant des différents états de la matière, les élèves cherchent les possibilités et l'on ne retient dans un tableau que celles qui nous intéressent (le tableau est volontairement restrictif). Ils trouvent :

Solide-Solide : rappel soufre + Fer (1) Solide-Liquide

Solide~Gaz : on l'écarte, tr~p compliqué Liquide-liquide

Liquide-Gaz : (2)

Gaz-Gaz: exemple l'air (3)

Solide Liquide Gaz

Solide hétérogène hétérogène

; K

Liquide hétérogène '1 hétérogène hétérogène

1 i _{homogène homogène} Gaz

X·

·

1

hétérogène homogène (4)

REMARQUE - 1.

déjà exPérimenté en 6ème, les élèves ont déjà entendu parler

de m4lange puis de

'

combinaison.

2. Dejà vu également en 6ème dans une expérience : "gag dissous

dans l'eau". Ils avaient été assez surpris lorsqu'ils avaient constaté que

l'eau du robinet contenait des gag dissous. Ils

se

souvenaient donc bien

qu'il s'agissait d'un mélange homogène.

J. Bien que le sujet n'ait pas encore été

.

t r ai t é ils savent

que l'ail' n'est qu'un mélange d'oxygène et de ..• gag carbonique pour

la

plupart (cette fausse affirmation existe toujours au niveau de

la

JèmeJ.

4.

Nous reviendrons à la fin

sur

ce tableau pour, soit le

com-pléter, soit, éventuellement

Le -corr-iqe»,

A.l - Solide-solide

3 - - SEPARATION DES CONSTITUANTS D'UN MELANGE

A - Mélange hétérogène (on s'aide du tableau précédent)

P'~;­

~

FIo",."

s..I-..

.

r

P.,"lr..

Jt~.

REMARQUE - 1.

Les éZève

s

savent d'avance que Z'aimant attire Ze fer et

proposent donc cette méthode.

2.

On

Z

a

r

etient comme Z'un des moyens de séparation (dans Ze

seuZ cas où Ze

méZ

ange contient du fer ou Z'un de ses composés).

On

déci-de déci-de ne pas envisager d'autres procédés pZus généraux, on se contentera

de ce

~a2..

Ea!.tic!!:..Zie!:.:

.

F:I~,

...

.

»~"",.T;".Ii>JJ:::';:'..'

FIL"''''l;••

REMARQUE -

Déjà

vu~

mais cette partie permet aux éZèves

de

reprendre contact

avec Ze

sché~

et

ta

manipuZation de chimie

puisqu~

c'est Ze premier thème

chimie de cette année de 5ème.

A.3 - ~igu~d~-~i~u!de au bureau, les élèves voient une ampoule à décanter.

- ~i~ide-Ga~ on décide de ne pas envisager ce cas.

B - Mélange homogène. mélange Ldqu Lde e-s oLdd e Solide : sel marin

Liquide ': eaU distillée

15

-4 mots nouveaux le solide à dissoudre s'appellera SOLUTE

le liquide sera le SOLVANT et le résultat de la DISSOLU-TION s'appellera la SOLUDISSOLU-TION.

B.2 - ~ùt ~e_l~ ~a~.iE.u.!..a!ion

l'eau a des limites.

Chercher si la dissolution du sel dans

B.2.1 • Est-elle rapide?

4 doses de 5 g de sel marin.

On ajoute successivement les doses (quand le dernier cristal de la dose précédente a

dis-saire à la dissolution. Le ballon a col long et étroit facilite la manipulation (en agitant) et évite l'évaporation. On note

~~'f\

i

~

thojf

~h~

Suc. .

~~" d,'s7ï'/It'c..

paru) on mesure chaque fois le temps née

es-séance 1 20 g +1 dose 'V 15 mn = 10 g +1 dose 'V 9 mn 5 g 1 dose 'V 4 mn

___________________________fFin

de la 15 g +1 dose =

DONC: plus la solution est riche en sel, plus le sel qu'on ajoute est dif-ficile à dissoudre.

REMARQUE - La

séance reste inachevée,

La

4ème dose n'ayant pu être

complète-ment dissoute. On bouche donc soigneusecomplète-ment

\les

ballons.

B.2.2 • Quelles sont ses limites?

on utilise la solution précédente qui, du mardi au jeudi aurait da per-mettre d'obtenir une dissolution complète si •.• la limite SATURATION

n'exis-tait pas.

a). En suivant les suggestions des élèves, on chauffe. L'observation restera ~~l~t~t~v~ donc difficilement objective dans ce cas précis.

b). Pour ramener une certaine objectivité, ort compare l'expérience précédente à la même expérience faite avec du nitrate de potassium

(3 doses pour 50 cm3 d'eau suffisent pour ob-tenir la saturation à la température ambiante). On en déduit: l'élévation de la température permet la dissolution du "résidu" de nitrate de potassium d'une solution saturée, mais ne ; "

permet pas celle d'une quantité approximativement égale du "résidu" de sel marin restant qu fond de la solution saturée de ce sel.

Les élèves réclament alors une conclusion quan!i!a!ive et ils en pro-posent la méthode (seule la double pesée leur sera imposée).

c). Détermination de la "solubilité" du sel marin.

3

50 cm d'eau distillée; on sait que :

15 g 20 g

sel marin dissolution

sel marin

pas de dissolution

On ajoute des doses de 1 g pour atteindre la saturation. On trouve 17 g/SO cm3 : dissolution _{18 g/SOcm3 : saturation}

On traduit 34 %

<

S

<

36 %

avec quelques

diffi-On en déduit la solubilité.

On utilise la solution saturée du (a) mais qu'on a transvasée

cuités pour le sel restant, dans un bécher. Pour la pesée, on sèche, avec du papier fil-(sauf la double pesée)

c:lh-

~,

~~~~~~~~ tre le sel restant dans le filtre en papier.

-iljifA'

~1~ttkL.

~l

-

t d l '

~

h '1

Q ï ~l.J --r.es e eves proposen e e sec er comme ~ s

f '...

n~1

l'ont vu faire à l'E.N.S.C.R. : par chauffage.

REMARQUE -

Cette

seco~de méthode a donné lieu

à

des remarques très

intéres-santes:

e

n effet,

"

a priori, les élèves savaient que m

<

5

g ;

or,

les 13

groupes ont t

rouvé

m de l'ordre de

8 à

10 g••. et ont trouvé la raison.

Mal-gré toutes mes précautions, du mardi au jeudi, une partie de l'eau s'était

évaporée.

.

Une expérience faite au bureau avec une solution saturée

frai che

leur a,

d'une part prouvé qu'ils avaient raison, d'autre part, donné la vàleur :

m

=

3 g.

On choisit de distiller de l'encre, les ~ groupes disposent d'encres de 4 couleurs différentes.

- 1

7

-Les élèves prouvent qu'ils avaient le sou-venir de leurs expériences de 6èmepu isque

le thermomètre indiquant co nstamment 100°C

ils ont déduit que le distillat était de l ' e a u.

~

i!Jill~ .

r-~-~~E~~~ 1 REMARQUE - 1.

Un

e

d

iscus si on t

rè s

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-s

ante les a amenés

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Ui

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i on vo

isine s

?"

B.4. 1 • a) réalisation de mé l ang e s à 2 co nsti t uant s liquides

On recherche les liquides mi s c i b l e s (1) et lès non miscibles (0) en les te s t a nt 2 à2. On dresse alors le tabl e au :

\. E B ethe r benz è ne Alc . alcool éthylique Ace acétone ED eau distillée E B Alc Ace ED .,- -- . ._ --- -

-

-

-- ---,..

-

-E

-

1 1 1 0 B 1

-

0 1 0 Alc 1 0

-

1 1 -, Ace 1 1 1

-

1 ED 0 0 1 1

-REMARQUE - 1.

Ce

tte

mani

pulation

pour simp

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'el l e

soi t~

n

écessi-t

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nutieuse

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2

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et t e man

ipu lation

a

po

ur but

d

e

p

r épar er l

'interp ré t at ion de

l

a suit

e.

b)séparatioQdes constituants de la chlorophylle brute :

.JJt )q,,~~.hs.

, ....

Ir~

~r)d\~d~~M~QUE - 1.

C'est

l

a parti

e

inter

discipli-II l"""''''"t~f1'''na ùr e

b

i o

loqie-ch

i mie

~

l

' expér ience est

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b

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prin

cipe

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sé-lection~

j

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fait réaliser

l

'e xpér i ence

(s

éparation

des

c

onsti t uant s d'un mélange

par

di

sso lution

sélec

tive)

en ajoutant du

b

enzène

à

l'e

au

iodée~ l' iode ~

peu s

oluble

dans l

'eau

se d

issout

dan

s

le

benz ène ~

m

ais

les élèves la rejettent malgré eux car elle ne s'intègre pas dans le cadre

(ils

,

ne la ressentent pas comme un outil leur

permett~t

de comprendre la

séparation sélective chlorophylle pure, xantophylZe)

.

B.4.2 • Si on dispose de peu de produit - Chromatographie

a) principe :

Le liquide m.onte dans le papier par capil-larité, mais les deux constituants

chloro-S1I~' .1 1. phylle pure et xa_ntophylle ne montent pas

1+--.1./,"<J~f\

a1<P""f

.

dtlAI.'.p~lI"

b'J -

à la même vitesse.

-r7n;;;i.-::/Foli/::-/'.7,,-,

-b) rôle de l'éluant

Le mé~ange sépaFe les deux taches jaune et verte sur le papier.

·Le mélange s'appelle l'éluant,

( ,. ..' ~')~:\l(.)'

~':;'d'

t'r''''''e.t"...

(terme !'lOft indispensable)

h~...I~~I. t~~\lc.~ ~ ~~lA'litA~~ ~""t:f5'>(..

+

2.~t : ...{, ',_

..,.,...,...,.,.,"~~~~"blJtlae;l\,,: S·",.

REMARQUE - 1.

Cette partie que j'avais décidé de ne pas aborder après l'échec

de la première tentative ponctuelle "extraction de la chlorophylle" a été

d'autant mieux reçue cette fois que les élèves avaient eu l'occasion de voir

Ufle chromatographie sur colo"nne

à

t'E.N.S.C.R. avec sortie d'un

chromatogram-me.

L'explication qui leur avait alors été fournie (et le déroulement de

l'expérience) leur a permis, d'une part de comprendre ce qu'ils voyaient

et d'autre part de

-comprendre,

bien évidemment ce qu'ils faisaient en classe.

Le rapide sondage que j'ai pu faire, après coup,sur les indications

fournies par un chromatogramme (analyse du produit injecté, tant qualitative

que quantitative) m'a montré que tout, sur ce point, était clair dans leur

esprit. J'en remercie ici, bien sincèrement, le chercheur de l'E.N.S.C.R.

qui a assuré cette partie de la visite.

2. Je ne reviens pas ici sur le tableau qui a servi de point de départ

et sur lequel nous sommes revenus en conclusion.

CONCLUSION - Un thème

a~réable,

qui a flatté uh goDt pour la chimie, qui a

révélé chez les enfants un effort de réflexion sérieux. Il

y

avait, certes,

même beaucoup de choses

à

faire sur ce thème, mais il aurait été dommage de

L1EAU DANS LA NATURE

Ce thème s ' i n s c r i t dans l'étude de l'environnement naturel.

Importance vitale de l'eau. Le cycle de l'eau, ses différents

états, ses propriétés (pouvoir dissolvant ~relation av e c la

biologie). Notion de mélange. Notion de changement d'état.

Première séance

. Observation de diapositives montrant glace, neige, torrents, nuages, mer ...

• Expérience faite par les élèves

le bécher est chauffé avec les mains

l

ld

f

cube de glace eau liquide

(le pas~age de l'état solide à l'état liquide, et mftme l'inverse, est fami-lier aux enfants et ne leur pose pas de problèmes. La suite est plus diffi-cile

- Deuxième séance

, Si on continue de chauffer l'eau, que devient-elle?

Expérience ils évaporent à sec le contenu du bécher. L'eau existe-t-elle

Il faudra y revenir. Ce qui se passe:

le mystère de l'état gazeux n'est pas élucidé pour autant.

encore alors qu'on ne la voit plus? OUi répond la majorité (idée de la

conservation de la matière - on signale alors que le sens de la vue n'est

pas toujours sUffi~ant). Peut-on la faire réapparaître?

"Sur les vitres de la cuisine quand on fait bouillir de l'eau". Il faut alors leur proposer la condensation sur un verre sec

b1~·

'L

~J

M

Eau liquide chauffée suffisamment ~ Gaz, ya p e u r d'eau invisible

" eau liquide ou "buée" (:_ _ refroidi

;. 20

-Conclusion :

Que la même substance revêt des aspects différents est admis par les enfants, mais comment s'imaginent-ils les gaz? aussi ai-je demandé dans un test postérieur à ces expériences de me donner des exemples de gaz: outre des exemples corrects, il y en a d'autres, tel que le cham-pagne : les "bulles" sont enfin visibles 1

- Un trimestre plus tard:

:n:

Que~tient

l' eau

~

turellL

ou traitée

l

(1

s~n

ces)

- Observation de 7 échantillons: eau de mer, eau de pluie, eau de rivière, 2 eaux minérales (Vichy et Volvic) qualifiées d'eau de sou r c e ,

~au de ville et eau de dégivrage de réfrigérateur. (Il a fallu se limiter et imposer le dernier échantillon non réclamé par les él èv e s 1)

Tests utilisés :

aspect, ordeur, gont, proposés par les élèves "réactifs" proposés par le professeur.

Pourquoi des différences dans ces tests ? Les élèves trouvent : • L'eau contient des solides dissous (sel de l'eau de mer ou de l'eau de Vichy isolé par évaporation à sec)

On vérifie ensuite la solubilité en ajoutant de l'eau au résidu solide. • mais aussi des solides insolubles (particules terreuses dans l'eau de

ri-Expérience au bureau vière)

• elle contient des gaz (bulles dans l'eau de Vichy et dans un verre d'eau ordinaire si elle y est ver-sée depuis un moment.

h

tlJ

On recommence avec de l'eau déjà bouillie: aucun gaz.

Quels sont ces gaz? Les élèves pensent aux constituants de l'air, en-trainés par l'eau de pluie et citent oxygène, gar carbonique (ils ont étudié quelques temps au paravant les combustions dans l'air) à ce stade, les élè-ves conçoivent plus facilement que des gaz puissent exister dans un liquide,

ru.

Commen.!.. purifier ~ ea~? (1 séance) la séparer des gaz, solides dissous ou non qu'elle contient?

Montage de distillation au bureau intérêt considérable des élèves qui reconnaissent les changements d'état étudiés au début de l'année: ébullition (1), puis condensation (2), difficulté non prévue : la double circulation d'eau: réfrigérant et eau à purifier prête à confusion.

A l'issue de ce t t e étude, les él èv e s sont convaincus qu'un mélange Deu t avoir même aspect en tout point eau de mer limpide par exemple.

]Y .

Absorpti<?n_d~1._~ lumi~re.J2...ar_Ies_solut~ons (classe de Sème)

Expérience au bureau montrant la décomposition de la lumière blanche par un prisme - observation des couleurs obtenues. On interpose une solu -tion de sulfate de cuivre : seule la lumière bleue passe : la solution absorbe toutes les "couleurs" sauf le bleu. Et l'eau limpide? les avis sont partagés: dans l'expérience réalisée, elle laisse "passer" toutes les couleurs mais "c'est moins brillant" sur l'écran: les élèves pensent que "ça doit dépendre de l'épaisseur du flacon, des impuretés dans l'eau"

écran

laire interposés entre prisme et puis flacons à section

rectangu-r~'Ut1ij

,"'i': 1

:~~

s.\....Il'l\ \J,("S04

(N.&

.

Cette expérience peut servir de base à d'autres thème-s (optique»)

'!t

lampe à filament de tungstène dans boite noire ; ou lampe à iode ; lanterne de projecteur de diapositives par exemple.

Comment la mer absorbe-t-elle "les différentes couleurs" de la lumière solaire, suivant la profondeur? Faute d'expérience possible, nous dessi-nons un diagramme publié dans Alpha Sciences (nO 81, 9/9/75, p. 95) très explicite.

Prolongements possibles à cette étude. :

- dissolution dans l'eau (solides et liquides) - visite d'usine de traitement des eaux

COULEUR DES SOLUT10NS

APPLICATION A L'ABSORPTION DE LA LUMIERE PAR

LA CHLOROPHYLLE

1 - Couleur des solutions

10)

-

Expér ience

(faite au bureau)

a) - On choisit des solutions de différentes couleurs

BLEUE, solution de sulfate de cuivre,

• ORANGE, solution de bichromate de potassium, • ROUGE, solution de Rouge de Crésol,

VERTE, solution alcoolique de chlorophylle, préparée en écrasant des feuilles vertes, avec du sable, dans de l'alcool à 90°, et en filtrant.

b) - On interpose successivement sur le trajet de la lumière blanche décomposée par un prisme, une cuve remplie de chaque solution colorée.

2°) - Observations

La solution n'absorbe pas la couleur qui est la sienne, en lumière blanche.

Les élèves complètent la grille polycopiée figurée ci-après, en hachu-rant les régions sombres du spectre.

~

violet bleu ver't jaune orangé rouge

Solution ... rouge orangée ...~~.~ bleue

.

verte

23

-3

0

) .-

Remarques

Nous devons insister sur le fai~ que la couleur que nous percevons dé-pend de la substance dissoute, mais aussi de la couleur de la lumière qui éclaire la solution.

II - Application à llabsorption de la lumière par la chlorophylle

A) -

Intensité des échanges gazeux chlorophylliens

1

0

) -

Expérience

'Lor s ~e l'étude de la nutrition des végétaux verts, les élèves ont constaté qu'une Elodée/placée dans l'eau et exposée à la lumière, dégage ,des bulles d'oxygène au niveau des feuilles et de la tige sectionnée.

Une élodée est éclairée ~n lumiêre blanche, puis en lumière successi-vement rouge, verte et,b l eu e , à l'aide d'écrans colorés sel~, le dispositif schématisé ci-dessous et polycopié pour les élèves, qui ont annoté les cro-quis au cou,rs dé la manipulation.

/\ ./ 2'C\.CLl."

'\

U.:(.;

;

\

l

'

\

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.

' t,'.I J

c:tt

Les élèves comptent, en un temps donné, le nombre de bulles d'oxygène

s'échappant par une section fraiche de la tige de l'Elodée.

2

0

) -

Résultats

Voici les valeurs recueillies par un groupe d'élèves

Lumière Nombre de bulles d'oxygène en 4mn blanche 40 rouge 24 verte 6 bleue 18

D'après les résultats obtenus, nous en déduisons:

• que les plantes vertes utilisent surtout l'énergie apporté e par les radiations rouges,

• que le blanc est la somme de plusieurs couleurs.

3

0 ) -

Remarques

a) Les Elodées doivent être placées préalablement à 20-22° afin d'avoir un dégagement gazeux suffisant

b) Les élèves doivent compter les bulles s'échappant de la même sec-tion de tige au cours des différentes expériences, et non de plusieurs ra-meaux feuillés, comme certains envisageaient de le faire.

c) Les bulles d'oxygène doivent avoir la même grosseur tout au long de la mesure.

d) La lampe qui éclaire le dispositif chauffe, et finit par élever la température de l'eau, ce qui,modifie l'intensité du dégagement gazeux.

e) Le flUx lumineux reçu par la plante est plus faible avec les écrans colorés, ce qui entraine des modifications dans le dégagement d'oxygène.

f ) Le nombre de bulles dégagées dans ces expér i en ce s dépend doncde nombreux

facteurs : température, couleur, flux lumineux. Les élèves ont-ils bien sépa-ré toutes ces variables ?

B) -

Localisation des algues sur le rocher

A l'aide d'un polycopié, les élèves analysent la représentation schéma-tique de l'absorption des radiations par l'eau de mer, et celle de la répar-tition des algues sur le rocher; l'étude des algues a été faite précédemment.

- 25 -

.

- Représentation schématique de l'absorption des radiations par l'eau de mer (Alpha, novembre 1975).

G;

~ f>.

30

Àlo 110 12.0 1)0 ~'w ~Ço ~o .J~ ..(~tl )~o. $.JJO

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J.J.r; L~ l~o

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~ Yl\~tw

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1

/

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- Répartition des algues sur un rocher de Bretagne.

L'interprétation leur est aisée: l'eau de mer absorbe rapidement les radiations rouges, les algues vertes utilisant essentiellement le rouge se localisent en haut du rocher.

Ceci complète l'interprétation de la zonation des algues établie en fonction de la résistance à l'émersion à marée basse (variation de température, de sature, d'humidité").

Ce thème a été illustré par la projection de diapositives sur la couleur qui ont complété cette étude.

BIBLIOGRAPHIE

- "L'eau, l'air, le temps qu'il fait" Collection Tavernier (Bordas) .

- Encyclopédie Alpha "Les Sciences" (Eyrollest.

27

-OPTIQUE ET GEOMETRIE

Nous présentons dans ce chapitre le travai.l réalisé par les professeurs de MATHEMATIQUES et de PHYSIQUE de deux équipes différentes, à propos de l'étude de concepts intervenant dans les deux disciplines.

Cette démarche répond à la nécessité d'introduire plusieurs rep r é s e n -tations d'un concept donné afin qu'il n'y ait pas confusi.on entre le con-cept et une de ses représentations trop privilégiées, ainsi que sur le fait qu'un concept n'est assimilé par l'enfant que lorsque ce dernier es t capa-ble de l'utiliser dans des situations variées.

Elle présente l'avantage d'apporter aux mathématiques des exemples concrets, provenant de la vie courante et qùi montrent aux enfants l'inté-rêt de telle ou telle notion, et d'être acquise par une méthode expérimen-tale, à partir de manipulations avec des objets (miroirs, etc •.• )

Nous notons bien évidemment l'utilisation du même langage, le paral-lélisme entre les différents paragraphes de l'étude. Ce qui peut paraître abstrait et difficile chez les enfants lors d'une étude de mathématique pure (en particulier la projection d'objets tridimensionnels sur un plan) est observé concrêtement et expérimentalement en physique. Ces concepts

(projection, homothéthie ••• ) intervenant dans la vie courante (ombre, ap-pareil photo, projecteur de diapo) perdent, pour l'enfant, leur caractère gratuit.

Cela doit permettre de,l e s aider à mieux les comprendre, à susciter leur intérêt, à les motiver.

Premi ère Equi pe

LA LUMIERE

CLASSES DE 6ème et 5ème

A - Partie Physique

1 - ETUDE DES OMBRES D'OBJETS OPAQUES, DONNEES PAR UN FAISCEAU

LUMINEUX

Première séance

· Point de départ possible (il

y

en a d'autres

!)

- lors d'une projection de diapositives sur l'écran fixé derrière le bureau, il a fallu débarrasser celui-ci des objets (supports, bec bunsen ••• ) dont

t'ombre portée

gênait l'observation du document.

- Tous les enfants connaissent le jeu des "ombres chinoises".

· Matériel

Les élèves doivent suggérer tirer les rideaux.

source de lumière et écran, salle obscure

Prévoir lampes de poche, écrans blancs avec cales, lanterne ou projecteur.

Manipulation

Il s'agit

- d'observer l'ombre portée sur un écran (figure plane) en plaçant devant la source de lumière un objet

opaque,

plan ou spatial,

- de rechercher~andl'ombre est.la plus nette,

·"1.

- de faire un ~chéma pour rendre compte de l'expérience et essayer d'ex-pliquer la forme ,e t les dimensions de l'ombre portée.

· Résul tats

Les élèves annoncent que la lumière "butant" sur l'obstacle opaque, le contourne pour attèindre l'écran; ils le montrent avec les mains, mais il faut leur suggérer le rayon rectiligne (pour la schématisation) muni d'une flèche indiquant le sens de propagation de la lumière.

Les difficultés apparaissent : le dessin : "vue en perspective" est compliqué. Il faut schématiser, on propose une "coupe" (cf en biologie ou

29

-plan d'une maison)

Les bords de l'ombre portée ne sont pas nets, remarquent les enfants il s'agit de la "pénombre". Cette zone diminue quand on rapproche l'objet de l'écran, ou que l'on diminue les dimensions de la source lumineuse.

Deuxième séance

Afin d'unifier les recherches, on se limite alors à l'utilisation de

faisceaux paraZZèZes

réalisés grâce au projecteur de diapositives ou à une

lanterne (type Gariel). On dispose de

b~-tonnets concrétisant des segments) asso-ciables par des articulations souples, avec lesquels on peut ainsi "réaliser" des triangles, des carrés ••• (portions de plan) puis des cubes, des tétraèdres ••• Le point est concrétisé par l'intersection de deux b~toimets. pi~ct c.rocod~1e

b8.

tol\ncr \ i • I4n·,,~ "

On choisit de se limiter au cas le plus simple :

écran perpendicuZaire au

fais-cèau Zumineux

(cf projection orthogonale

sur un plan en mathématiques). S'il lui est 'pa r a l l è l e , on n'observe pas d'ombre portée.

Résultats

(exploités en mathématiques)

L'ombre. d'un point est un point (une tache)

d'un bâtonnet est un point ou un trait sombre, au maximum aussi long que l'objet.

Problème: comment placer le b~tonnet par rapport à l'écran pour que son ombre soit une

tachJ~)ou

au contraire un trait de même longueur ?(!)

1

I

-UAOM

-L_

u

-

t.e.('()r\ - _ . -~ )

r

'

>-

rQ.~e..

_ou

_~ o w\1c'\.LpO'llea. CUJ,.S~~ ~",de

>-~

~

-

~

>-

1 1 ( -1 )

_{<"2. )}

"

Comment placer le triangle de 3 batonnets, par rapport à

l'écran, pour que so n ombre portée soit réduite à un trait (1) ou au con-traire soit un triangle de même forme et mêmes dimensions (2) ?

(2. )

1

euo.n

>

>

(1)

Peut-on, avèc une seule ombre portée, prévoir la forme de l'objet plan opaque utilisé? Et s'il faut au moins deux ombres portées sur deux écrans distincts, comment doivent-ils être placés ?

(On met ainsi en évidence des directions privilégiées dans l'espace qui sont relatives à celle du,faisceau lumineux et à la position de l'écran: droites parallèles, plans parallèles, droites parallèles à un plan).

Troisième séance

Après quelques t~tonnements, on décide d'utiliser deux écrans culaires, donc deux faisceaux lumineux parallèles, respectivement perpendi-culaires (donc deux projecteurs montés ainsi (voir figure page suivante». Les élèves sont disposés à peu près sur l'arc de cercle représenté. L'un d'eux, en

A,

manipule le fil F pour donner à l'objet opaque toutes les orien-tations possibles.

On retrouve alors, mais simultanés, les cas (1) et (2) de la séance précédente.

\ \ \ \ \ \ \

,

"

_"

31

-• p

Schéma dans un plan horizontal F : fil de suspension de l'objet fixé à la potence non représentée. Les deux écrans sont verticaux.

Analyse d'un objet

à

trois dimensions

On observe les deUx ombres d'un cube, d'un tétraèdre, d'un octaèdre confectionnés à l'aide des b~tonnets.

Synthèse

Sur une fiche polycopiée on donne les ombres d'un même "solide" sur E

1

et E

2• L'exercice consiste à retrouver quel est ce "solide" et à rechercher

la correspondance objet - image.

Exemple

Ombre (1)

A

'e'

It"

e"

'$)" l'\1f

D'H' Sil F"

-

~"

C

ombr e (2)

Réponse - cube (vu en perspective)

Les élèves ayant terminé les premiers la fiche correctement "fabriquent" d'autres ombres que leurs camar,ades devront résoudre.

2 - LA REFLEXION DE LA LUMIERE PAR UN MIROIR PLAN

(cf symétrie - axes de symétrie - composée de deux symétries mesure des secteurs angulaires en mathématique) .

Première séance

introduite par le problème technique suivant: dans la salle de classe, le plan du tableau est perpendiculaire à celui des fenêtres (1,2,3,4). Il renvoie la lumière dans les yeux des élèves qui parlent de "faux-jour" et demandent que l'on tire les stores. Mais suivant la place de l'élève dans la salle, ce n'est pas le même store qu'il faut tirer (et suivant l'heure de la journée 1). Tous sont d'accord sur le fait que la surface du tableau renvoie là lumière, mais dans quelle direction précise? On compare avec le rebond d'une balle et on décide d'expérimenter de façon plus précise avec des glaces de poche ou des lames de verre assez minces.

. Premier problème :

Un miroir à la main, les"élèves se préoccupent plus de ce qu'ils "voient" "dedans" ou "à travers" qu'à la marche d'un pinceau lumineux et nous recher-chons d'abord l'image donnée par un miroir plan.

Voir à la fois par transparence et réflexion est indispensable pour lo-caliser l'image et la comparer à l'objet, et les élèves utilisent un fragment de vitre et des épingles. (Cache nécessaire pour limiter la lumière directe

33

-• Résultats :

Les élèves voient une épingle "fantôme" aussi grande que la vraie dont ils peuvent localiser le pied p' à l'aide d'une deuxième épingle bien réelle, qu'ils voient cette fois par transparence. Ils étudient alors la position de p' par rapport à P et le trait x y et comparent entre-eux leurs résultats.

La symétrie par rapport à x y est alors établie pour un point. Comme ensemble de points, on considère que l'épingle, couchée sur la feuille de papier matérialise un segment. Son image est encore repérée par une deuxième épingle, que l' on',doit coucher elle aussi.

• Exercice d'é,valuation :

Rechercher les le~tres de l'alphabet (capitales) possèdant un axe de symétrie. Vérifier cette symétrie en posant, perpendiculairement à leur plan, un miroir le long de cet axe de symétrie supposé. Certaines lettres se trouvent avoir 2 et même une infinité (lettre

6)

d'axes de symétrie.

Séances suivantes

Peut -on lire un texte après réflexion? non. Et celui· porté par un buvard ayant épongé une phrase écrite normalement ? oui. Les élèves ont alors à leur disposition deux glaces de poche, qu'ils doivent utiliser, perpendiculairement

à leurs livres ou cahiers.

~ Ils signalent tout de suite qu'on obtient plusieurs images, tantôt à

"l'endroit", tantôt à "l'envers" (-math: composée de deux symétries) Fig.l

• Que devient l'image quand on fait tourner le miroir autour d'un axe vertical (comme la porte d'une armoire à glace) ? (fig. 2)

• Que devient l'image quand on recule ou que l'on avance le miroir pa-rallèlement à lui-même (fig. 3) - (cf mat~ : rotation; translation).

Les élèves travaillent sur une feuille de papier horizontale sur laquelle ils ont dessiné une lettre et ils font subir à la vitre-miroir les différents

déplacements, son plan restant vertical.

3 - LES TRANSFORMATIONS OPTIQUES QUI "AGRANDISSENT"

ou

"DIMINUENT"

1. Ombres portées données par un faisceau lumineux divergent issu d'une source sensiblement ponctuelle.

Introduction

L'observation des ombres (cf I) accompagnées le plus souvent de "pénom-bre", nous avait conduits à utiliser des diaphragme s en iri s de plus en pl u s-petits

pour améliorer la netteté du contour observé sur l'écran.

A la ques~ion : comment agrandir cette ombre, les élèves, intuitivement,

proposent de reculèr l'écran, ou d'approcher l'objet opaque de la source de lumière. Nous vérifions expérimentalement .

. Expérience faite au bureau

Math (homothétie)

Ee.t.al"l

Om~

fqt.te:

(f~)

Observations

Sur la forme: à quelle condition l'ombre portée est-elle circulaire? Sur les dimensions: l'Olllbre "grandit" quand on écarte l'écran ou que l'on rapproche le disque de la source, ou les deux à la fois. (Nous restons dans le domaine du qual'itatif) .

2. Comment l'objectif du projecteur de diapositives agran-d i t - i l l'image?

Comment l'objectif de l'appareil photographique diminue-t-i l l ' image?

. Expériences

réalisées avec des lentilles convergentes

_7t

des écrans de carton recou-verts de papier millimétré. Dans un premier temps (étude qualitative) l'objet est une diapositive fortement éclairée par une lampe. Dans un deuxième temps,

35

-on se limite à une fente rectiligne dont les dimensions, ainsi que celles de ses images, sont plus faciles à mesurer (étude quantitative) .

a) - l'image est renversée, plus grande, égale ou plus petite que l'objet, suivant les positions objet-Ientille-écran.

b) - la hauteur de l'image est 2 fois, 3 fois plus grande que celle de la fente objet ou 2 fois, 3 fois plus petite quand la distance lentille-écran est 2 fois, 3 fois plus gran~e ou plus petite que la dis-tance lentille-fente·.ob j e t .

Problème pratique rencontré quelle est la position la plus favorable (maximum de netteté) pour l'écran? Elle n'est pas toujours nettement déter~

minée. (Math. - homothétie).

3. Recherche du type de lentille à choisir pour une meilleure vision des objets (loupe).

- Les élèves disposent d'un ensemble de lentilles cyclindriques et sphé-riques, convergentes ou divergentes et regardent; à travers, les lettres de leur cahier. Le choix est clair pour l'ensemble et ils désignent les lentil-les convergentes (ellentil-les "grossissent") et sphériques (ellentil-les ne déforment pas)

(les conditions de l'expérience: lettres manuscrites centrées sur l'axe op -tique, permettent de ne pas avoir d'aberrations de sphéricité) puis nous es-"déformations" données par les lentilles cylindriques sayons de préciser les

,

Cl

Q

-

0

[j

.

.

"

( 1 1 ,. l' , " ( 1 1 1 : ! 1, ' , ,1 ,. 1 l, ,.

observation d'un carré dessiné sur le cahier. A travers la lentille cylindri-que, il parait rectangulaire dans certains cas, et si deux lentilles cylin-driques sont "croisées" : on voit un carré plus grand que le carré objet.

Certains élèves observent que ce n'est plus un carré mais un losange

Exercice de contrôle :

Observation de cercles transformés en cercles plus petits ou plus grands ou en ellipses variées. Il faut alors indiquer pour la lentille utilisée : le type et/si besoin es~son orientation par rapport à l'ellipse observée.

o

~

dess,

Y\:

sU.r

le. c:o.h'u

-

--"

1 (

"

,

'\ \ 1 J 1

,,---,

,

) ~

..

-"",

----,

\ 1 / ...", / (

"

Exercice final :

Prévoir les formes et dimensions (agrandies ou diminuées) de l'image donnée,par une association de lentilles(accolées).

BIBLIOGRAPHIE

- FLEURY MATHIEU, "Lumière" (Eyrolles).

- 3

7

-B -

P~rtie

Mathématique

1 --

-

Projection orthogonale sur un plan

Physique : ombres portées avec faisceaux lumineux para~lèles.

2 --

,-

Symétrie orthogonale par rapport

à

un axe

Physique la réflexion de la lumière

2.1

Réflexion sur un miroir (voir schéma en physique)

Image d'un point (matérialisé par la pointe d'une épingle piquée sur une feuille de papier. Recherche de l'image. Sa position est repérée par une 2ème épingle.

A' est l'image de A dans la symétrie ortho-gonale d'axe (t.) ou encore A' est le

symé-1

trique de A par rapport à (t.).

Image d'un segment (matérialisé par une épingle posée à plat sur une feuille de papier).

• Image d'une figure quelconque (ensemble de points).

Par pliage autour de (t.) on constate la superposition de l'objet et de son image.

A l'aide d'un papier calque on constate aussi qu'un objet et son image sont "superposables par une rotation autour de t. •

• Symétrique du symétrique d'un point.

Exercice Recherche d'un axe de symétrie.

On constate que certaines figures et leurs images par symétrie sont à la fois superpo-sables par glissement et par retournement: elles ont un axe de symétrie (c'est le cas de la lettre" A").

Plaçant un miroir sur la droite (t.), l'image de la lettre "A" est elle même :

A l'aide d'un miroir (ou non) rechercher le s axes de symétrie - des lettres majuscules d'imprimerie,

d'un carré, - d'un rectangle, - d'un segment, - d'un cercle,

- d'un secteur angulaire. Applications :

Confection d'une équerre en papier

un arc de cercle étant donné, recherche du centre du cercle qui contient cet arc

- construction de la médiatrice d'un segment i

- construction de la bissectrice d'un secteur angulaire, - construction d'un rapporteur.

2.2 -- Composée de deux symétries

Réflexion sur deux miroirs

La composée de deux symétries est étudiée sur des exercices. On peut obtenir

• une rotation autour de

°

(liaison en physique avec la réflexion sur deux miroirs dont les traces sont portées par des droites sécantes)

• ou une translation (les traces des miroirs sont parallèles). Les élèves constatent qu'un objet et son image sont superposables par glissement lorsqu'il s'agit d'une rotation ou d'une translation.

Exercices : ils sont effectués sur quadrillage. Exercice 1 (Translation)

Sur un

quadri11a~e,

't (a , b ) désigne l'application, appelée translation, qui déplace tout point de "a" carreaux dans le sens horizontal (vers la droite si a 0, vers la gauche si a 0) et de "b" carreaux dans le sens

Placer le "motif Nil au centre du quadrillage. On désigne par t la translation t(4,5)' par t' la translation t(~4,5)'

1°) - Déterminer l'image puis l'antécédent du motif N : (tot)ot, tot ot ot etc •••

vertical (vers le haut si b

~

(moti

f

\\~/)

par t, tot,

0, vers le bas si b 0) •

39

-2°) - Engendrer toute la feuille avec le motif .donné en pre-nant les images, puis .l e s antécédents par t, t ' , tot, t'ot', totot, t'ot'ot',

...

,

les dessins obtenus en 1). ( principe de la·décoration de nombreux papiers peints)

3°) - Pour deux dessins quelconques obtenus, déterminer la translation qui fait passer de l'un à l'autre.

(b )

Exercice 2 Exercice 3 Exercice 4

,

(A )

,

(il)

On désigne'par s~ la symétrie orthogonale d'axe (~).

L'image de A par s~ est A' L'image de AI par S est A"

~' S~,oS~"

On note A A"

1°) - Placer les images de A, B, C, D, E, F, D, H par S~, puis S~,OS~.

Dessiner l'image du motif donné par s~,os~

2°) - Que peut-on dire des points A, 0, A" ?

B, 0, B" ? C, 0, C" ? etc •••

définition d'une symétrie point) .

1°) - Refaire le 1° ) de l'exercice précédent avec les droites (xOx') et (yOy').

2°) - Comparer les longueurs OA et OA", OB et OB", OC et OC" ; comparer les mesures des secteurs angulaires AOA", BOB",

cac",

etc •••

à celle de xOy.

Refaire la premiêre question de 2 en prenant