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Patrice Raffarin, professeur sciences physiques à l"IUFM de Poitiers - stage IUFM Niort janvier 2009

L"EXISTENCE DE L"AIR

Patrice Raffarin, professeur sciences physiques à l"IUFM de Poitiers

Nous avons choisi pour traiter ce thème, une situation de départ ayant plutôt un caractère

technologique. En effet nous l"aborderons au travers d"objets utilisant ou produisant de l"air en

mouvement. Il s"agit de proposer ici un complément à la séquence présentée dans les documents

d"accompagnement des programmes du cycle 2 intitulée " L"air est-il de la matière ? ».

Il vous sera indispensable de travailler ce document où les activités proposées ont pour objectif de

faire percevoir les propriétés physiques de l"air afin de lui donner un statut de matière. Au-delà de la

prise de conscience de son existence, il s"agit de mener à la découverte de propriétés physiques

communes aux matières à l"état gazeux. Ces propriétés seront précisées et enrichies au cycle 3.

I - Analyse du document 1

Cette planche de photographies distribuée, il est demandé aux enfants d"effectuer un travail de

classement entre les divers objets présentés. Les propositions obtenues sont les suivantes :

Parmi tous ces objets on distingue :

ceux qui sont dehors / ceux qui sont dedans ; ceux qui sont électriques / ceux qui sont poussés par le vent ; ceux qui font du vent / ceux qui ont besoin du vent pour se déplacer ; ceux qui vont vite / ceux qui ne vont pas vite ; ceux qui font de l"air / ceux qui aspirent / ceux qui se déplacent.

Patrice Raffarin, professeur sciences physiques à l"IUFM de Poitiers - stage IUFM Niort janvier 2009

A - Analyse scientifique et technique

Le document présente des photographies d"objets ayant un lien avec l"air lors de leurs usages, et plus

précisément avec l"air en mouvement. Il nous permet de constater qu"il est possible de faire deux

analyses.

1. L"air peut être mis en mouvement :

- artificiellement : à l"aide de différents appareils, tels que l"aspirateur, le sèche cheveux ou le

ventilateur. Il convient de préciser qu"il s"agit d"un abus de langage lorsque l"on dit qu"ils " font du

vent».

- naturellement : c"est le vent. L"atmosphère de la Terre étant réchauffée par le rayonnement solaire

de manière très inégale, il en résulte l"apparition de masses d"air chaud et de masses d"air froid qui

entrent en interaction et produisent des déplacements d"air.

2. Le vent peut mettre en mouvement un objet

En effet l"air est une matière, et comme toute matière en mouvement, les molécules qui le composent

possèdent une énergie cinétique, capable de déplacer un objet.

B - Quelques données scientifiques :

Invisible mais toujours présent :

Vous prenez un gobelet transparent et vous introduisez à l"intérieur un mouchoir en papier. Vous

renversez le gobelet en vous assurant que le mouchoir est bien calé au fond. Vous l"immergez ensuite verticalement dans une bassine remplie d"eau. Lorsque vous ressortez le gobelet, le mouchoir est toujours sec.

La composition de l"air atmosphérique

La composition chimique de l"atmosphère comprend pour l"essentiel, de l"azote (78%), de l"oxygène

(21%), de l"hydrogène (0,00005 %), des gaz rares (Argon, Néon, Hélium, krypton, xénon,...) et, dans

les basses couches, de la vapeur d"eau et du dioxyde de carbone. Comme tous les gaz, l"air n"a pas de volume propre et occupe tout l"espace offert par un contenant.

Jusqu"à certaines limites, il est compressible et extensible. Il peut être liquéfié à -200 °C.

Patrice Raffarin, professeur sciences physiques à l"IUFM de Poitiers - stage IUFM Niort janvier 2009 Le modèle moléculaire de l"air

L"air est un mélange de molécules appartenant à plusieurs corps purs. Pour simplifier, nous pouvons

dire que l"air contient, en volume, 4/5 de diazote et 1/5 de dioxygène. Nous obtenons ainsi 4

molécules de diazote pour 1 molécule de dioxygène. Le dioxygène est un corps pur donc toutes les

molécules sont identiques. Il en est de même pour le diazote et pour les autres constituants de l"air.

Ces molécules bougent continuellement. Elles se déplacent à grande vitesse, s"entrechoquent et

heurtent les parois du récipient qui les contient : ces mouvements et chocs sont responsables de l"existence de la pression atmosphérique. Mise en évidence de la pression atmosphérique

Vous remplissez un verre d"eau, bien à ras bord, et vous posez à la surface de l"eau une feuille de

papier. Vous retournez le verre (au-dessus d"un évier pour les maladroits...), l"eau ne tombe pas. La

pression de l"air exercée sur la feuille compense le poids de l"eau.

L"air atmosphérique exerce une pression sur les objets, c"est-à-dire une force égale au poids d"une

colonne d"air partant du sol et allant jusqu"au sommet de l"atmosphère. En conséquence cette

pression atmosphérique décroît avec l"altitude. La pression atmosphérique se mesure avec un

baromètre dont les modèles sont très variés. L"unité légale pour mesurer la pression atmosphérique

est le pascal dont le symbole est Pa. Nous utilisons souvent l"hectopascal, hPa, et même parfois le

millibar, mbar.

1 hPa = 100 Pa = 1 mbar

Au niveau de la mer, la pression atmosphérique normale est de 1013 hPa, mais les conditions

climatiques (dépression ou anticyclone) font qu"elle peut, sous nos latitudes, osciller entre 950 et

1050 hPa.

Le caractère pesant de l"air :

L"air est une matière à l"état gazeux. L"air est pesant, dans des conditions de pression normale et à

une température de 0°C, sa masse est de 1,2 g par litre. Le volume et la pression de l"air peuvent varier : Nous enfermons de l"air dans une seringue reliée à un manomètre. Lorsque nous poussons le piston, le volume d"air emprisonné diminue tandis que la pression augmente. L"air est comprimé.

Nous tirons à présent sur le piston, le volume de l"air augmente tandis que la pression diminue. L"air

est détendu.

C - Quelles activités de classe ?

Patrice Raffarin, professeur sciences physiques à l"IUFM de Poitiers - stage IUFM Niort janvier 2009 Il a été demandé aux enfants d"effectuer un travail de classement entre les divers objets proposés. Au

vue du nombre des propositions, on peut penser que l"enseignant(e) a choisi de mettre en oeuvre un travail de groupe.

Cette tâche s"est apparemment effectuée sans contrainte, ni sur le nombre de familles à créer, ni sur

les critères de regroupement. Ce travail à partir d"une collection d"objets doit permettre de mettre en

évidence les caractéristiques qui les rapprochent ou les opposent. L"exploitation des résultats obtenus est toujours un travail délicat pour l"enseignant (e).

Il s"agit de prendre réellement en compte les propositions des enfants mais aussi de faire émerger de

ce travail un résultat qui permette une progression dans la séquence.

Il se peut que les classements proposés surprennent l"enseignant(e). Même s"ils peuvent, de prime

abord, sembler saugrenus, ils ont un sens pour les enfants. Aucun ne peut être écarté arbitrairement,

mais bien sûr tous ne pouvant pas être retenus, il s"agira de sélectionner avec les élèves, ceux qui

apparaissent comme les plus pertinents par rapport à la situation proposée.

La première tâche de l"enseignant(e) sera donc une demande de présentation et d"explicitation orale

par chaque groupe devant la classe du classement proposé. Il s"agira d"évoquer les critères retenus et

de préciser les motivations de ce choix. Les propositions seront écrites au tableau, visibles de tous. Il

s"en suivra un échange entre les différents groupes ou chacun présentera des arguments qui permettront à la classe de retenir ou non la proposition.

Le travail de l"enseignant(e) sera un travail de régulation des débats et de recentrage de la discussion

sur le thème proposé. Il sera intéressant lors de ce travail de disposer de l"objet dans la classe ou bien d"une grande photographie afin de concentrer l"attention des enfants sur un seul et même objet. Des propositions seront sans doute rapidement écartées.

La première " ceux qui sont dehors / ceux qui sont dedans » n"a pas vraiment de sens dans la mesure

ou si tous les objets ne peuvent pas être utilisés à l"intérieur, tous peuvent l"être à l"extérieur. De

même il sera facile de mettre en évidence que parmi les objets présentés l"aspirateur et le sèche-

cheveux n"ont aucun mouvement apparent et donc que la distinction entre " ceux qui vont vite / ceux qui vont pas vite » ne peut être retenue. On pourra aussi durant cette phase effectuer des regroupements entre certaines propositions qui pourraient apparaître dans plusieurs groupes sous une formulation différente.

C"est le cas pour " ceux qui ont besoin du vent pour se déplacer, ceux qui sont poussés par le vent,

ceux qui se déplacent ».

Le classement " ceux qui font de l"air / ceux qui aspirent / ceux qui se déplacent est très intéressant.

Il permet de mettre en évidence deux axes.

• La perception du déplacement de l"air

Pour l"élève, le sèche-cheveux, le ventilateur sont des objets " électriques » qui " font de l"air ». Il est

du rôle de l"enseignant(e) d"amener l"enfant vers l"utilisation d"un langage plus rigoureux et de lui faire

prendre conscience que l"air était déjà présent dans la classe et que ces appareils n"ont fait que le

mettre en mouvement en le soufflant ou en l"aspirant. L"utilisation de ces deux appareils dans la classe sera sans doute nécessaire pour permettre à l"enfant de percevoir concrètement ces

phénomènes. Un petit morceau de papier disposé à l"entrée puis à la sortie d"air du sèche-cheveux ou

de l"aspirateur permettra de visualiser le sens du déplacement de l"air dans l"un et l"autre cas. Il est à

noter qu"il serait souhaitable d"appuyer ce travail sur un relevé des conceptions initiales des enfants

sur la circulation de l"air dans ces appareils.

Patrice Raffarin, professeur sciences physiques à l"IUFM de Poitiers - stage IUFM Niort janvier 2009 C"est à ce moment là qu"il sera judicieux de faire l"analogie avec le vent qui est, lui aussi, de l"air en

mouvement. • La distinction de la cause du vent et ses effets

Il apparaît que certains élèves ont pris conscience que certains objets sont producteurs des

mouvements d"air alors que d"autres n"en sont que des utilisateurs. La proposition apparaissant donc comme la plus pertinente et sur laquelle nous amènerons les

enfants à travailler sera : " ceux qui font du vent / ceux qui ont besoin du vent pour se déplacer ».

Un important travail de vocabulaire portera sur la distinction des différents mouvements observables

sur les photos : tirer, pousser, tourner, etc.

Ainsi on tentera de généraliser la notion découverte et la structuration faite avec les enfants pourrait

être la suivante.

Certains appareils peuvent mettre de l"air en mouvement en le soufflant ou en l"aspirant.

Le vent est de l"air en mouvement.

Le vent peut être utilisé pour déplacer un objet, le pousser ou le faire tourner. 220

II - Analyse du document 2

A - Analyse scientifique et technique

Ce document a pour but de permettre aux élèves de découvrir les caractéristiques d"une girouette. En

se positionnant face au vent, la pointe de la flèche permet de repérer sa direction. Cette opération

sera rendue possible par la présence d"une rose des vents, ce qui n"est pas le cas ici. Contrairement à la manche à air, la girouette ne permet pas de connaître la force du vent. Elle pourra donc, si cela est utile, être couplée à l"utilisation d"un anémomètre.

Afin de se positionner dans le sens du vent, la pression exercée par ce dernier ne doit pas être

symétrique par rapport à l"axe de rotation. En effet, si cela était le cas, elle s"orienterait

perpendiculairement à celui- ci. Il faut donc une répartition inégale des surfaces d"appui de l"air en

mouvement.

Patrice Raffarin, professeur sciences physiques à l"IUFM de Poitiers - stage IUFM Niort janvier 2009 Les girouettes utilisées en extérieur, pour des raisons de résistance aux intempéries mais aussi

d"esthétique, sont généralement réalisées en acier. Le déséquilibre des surfaces par rapport à l"axe

entraînant un déséquilibre des masses, il peut se produire un phénomène d"arc-boutement qui

provoquera de réels problèmes de fonctionnement.

Il faut donc veiller à ce que la girouette soit de forme dissymétrique tout en étant équilibrée.

B - La situation de départ et le questionnement Plusieurs situations de départ peuvent être envisagées.

1. Un questionnement par rapport à une observation

Dans l"environnement proche de la classe, il sera sans doute aisé de repérer une girouette. On pourra

dès lors, amener les enfants à s"interroger sur la fonction de cet objet et par la suite à son principe de

fonctionnement.

2. Un prototype invalide

Les girouettes A et B ne possèdent pas les conditions énoncées précédemment. En effet, la

dissymétrie du premier modèle n"est pas suffisante, alors que l"équilibre des masses n"est pas

respecté dans le second. Leur utilisation dans la classe, avec un sèche-cheveux ou un ventilateur

donnera des résultats très surprenants pour les élèves. En effet, leurs représentations du bon

fonctionnement de cet objet sont essentiellement liées à la présence d"une pointe sur l"une ou l"autre

des parties de la flèche. La surprise est totale lorsque le modèle A s"oriente perpendiculairement au

vent et suscite de nombreuses interrogations.

3. Un prototype valide ou un objet du commerce

La girouette C est la seule en état de fonctionner convenablement. Elle pourrait être présentée aux

élèves qui pourraient l"utiliser librement. L"observation des éléments de carton disposés à l"avant et

l"arrière de l"axe amenant un questionnement quant à leur utilité. Le même travail est possible à partir d"une girouette du commerce.

4. Les dessins

Si l"enseignant(e) choisit de mettre à la disposition des enfants ce document dans sa globalité, c"est

qu"il veut faire fabriquer ces 3 modèles par la classe. Le travail se fera alors par groupes, chacun étant

chargé de la réalisation d"un type de girouette, mais c"est en classe entière qu"il faudra tester les

objets afin d"en vérifier le fonctionnement.

Avant d"entamer ce travail de comparaison, l"enseignant(e) et les élèves auront dû se mettre d"accord

sur les critères permettant de reconnaître le bon fonctionnement d"une girouette.

5. Un questionnement par rapport à un texte à caractère scientifique

Un relevé météo peut permettre d"introduire la nécessité d"instruments permettant de relever les

directions des vents. Dès lors, on peut envisager avec les élèves divers systèmes, du plus simple au

plus complexe, utiles à cette tâche. Naturellement l"idée de la girouette apparaîtra. L"enseignant(e) se

saisira de cette occasion pour amener les élèves sur une réflexion plus approfondie sur son utilisation.

Un travail identique serait possible avec une carte des vents.

6. Un album

Patrice Raffarin, professeur sciences physiques à l"IUFM de Poitiers - stage IUFM Niort janvier 2009 De nombreux livres accessibles aux enfants de l"école primaire s"inspirent du thème du vent.

Ils offrent une excellente situation de départ. L"intérêt de ce travail étant de parvenir avec les enfants à

faire la part de l"écrit qui relève de l"imagination de l"auteur et celle qui relève d"une réalité scientifique.

Ce travail devra, bien entendu, être lié à des objectifs dans le domaine de la maîtrise du langage.

C - Les hypothèses et l"investigation

Il paraît peu probable que les enfants parviennent immédiatement à formuler explicitement des

hypothèses relatives aux notions de répartition inégale des surfaces et d"équilibre des masses. Celles-

ci apparaîtront au cours de la fabrication et des essais des différentes productions.

L"investigation sera donc menée sous la forme d"une réalisation matérielle où la consigne sera de

produire une girouette remplissant parfaitement sa fonction. C"est par un travail de tâtonnement,

d"essais erreurs que les élèves pourront y parvenir. Il s"agira d"expérimenter pour découvrir.

Toutefois cette investigation ne saurait être convenablement menée sans une démarche rigoureuse.

En effet, l"élève est amené à agir sur différents paramètres et il est important qu"il puisse clairement

différencier en fin de séquence ceux qui ont une importance de ceux qui n"en ont pas. Il doit donc

repérer avant chaque expérimentation le paramètre sur lequel il va agir, même s"il n"est pas encore

capable d"anticiper le résultat. Le cahier d"expériences revêt dans cette démarche une importance particulière.

Constitué des bilans intermédiaires nécessaires après chaque expérimentation, il sera la mémoire du

cheminement de l"enfant.

Bien entendu, les notions découvertes devront être structurées et formulées clairement dans ce

cahier. Elles porteront essentiellement sur la relation entre la surface qui est opposée au vent et son

effet sur la rotation.

III - Analyse du document 3

Patrice Raffarin, professeur sciences physiques à l"IUFM de Poitiers - stage IUFM Niort janvier 2009

Ce travail doit nous permettre, en évolution par rapport à celui mené précédemment, de mettre en

évidence que l"air existe partout même s"il n"est pas toujours perceptible. En effet si les enfants

prennent très tôt, au travers du vent, conscience de l"existence de l"air en mouvement, ils ont

beaucoup de difficulté à accepter sa présence lorsqu"il est immobile, notamment dans les lieux clos.

Le document présenté est une fiche technique. Sa fonction est d"indiquer aux enfants la chronologie

des différentes étapes de la réalisation du parachute. Des dessins guident l"élève à chaque opération.

Y figure aussi le matériel nécessaire à sa réalisation. Un travail dans le domaine de la maîtrise de la langue permettra de faire un rapprochement de ce document avec les textes à caractères prescriptifs.

A - Analyse scientifique et technique

Fonction d"un parachute : le parachute est un objet destiné à ralentir la chute d"une personne ou d"un

objet tombant d"une grande hauteur. • Constitution

Un parachute est composé d"une grande toile, nommée voilure, qui prendra lors de son utilisation, la

forme d"une coupole. La masse soutenue y est reliée par des cordelettes nommées suspentes. • Principe de fonctionnement

La masse soumise à la pesanteur est attirée vers le sol. L"air prisonnier de la voilure exerce sur celle-

ci une force résistante qui s"oppose à ce mouvement. Le bilan des forces conduit rapidement à un état

d"équilibre où la vitesse de chute devient pratiquement constante. Cet objet permet de vérifier que l"air, même immobile, peut s"opposer à un mouvement. Il est une preuve de l"existence et de la matérialité de l"air.

B - Quelles activités en classe ?

Situation de départ

La situation proposée est la réalisation d"un objet à partir d"une fiche de fabrication.

Le but de ce travail est de permettre à l"élève de réaliser en autonomie un objet proposé par

l"enseignant(e). Les consignes le guident fortement et ne lui laissent pas prendre d"initiatives dans la

chronologie des opérations.

L"intérêt est de mettre tous les élèves en situation de réussite, afin de pouvoir par la suite exploiter

l"objet fini. La fabrication n"étant qu"un prétexte motivant à la découverte et l"acquisition de nouvelles

notions scientifiques ou technologiques, il ne peut s"agir que d"une situation de départ ne pouvant se

suffire.

C - Déroulement de la fabrication

Cette fiche pourra être distribuée telle quelle aux enfants, mais une lecture commune pourra en être

faite. Il serait opportun de profiter de cette phase pour introduire, à l"aide du dictionnaire, les termes

techniques adaptés désignant chacun des éléments du parachute. Le rôle de l"enseignant(e) est bien

entendu d"avoir prévu tous les matériaux et outillages nécessaires. Il les distribuera aux enfants ou

bien leur permettra de se déplacer pour se les procurer. Dans ce cas, il devra organiser leurs déplacements afin de garder dans la classe une ambiance de travail convenable. Une solution

possible est de nommer divers responsables, pour les matières et les outils, qui seront chargés de la

distribution et éventuellement de la récupération de ces derniers.

Patrice Raffarin, professeur sciences physiques à l"IUFM de Poitiers - stage IUFM Niort janvier 2009 Durant la fabrication, il veillera à ce qu"aucun élève ne se trouve en situation de blocage et aidera à la

réalisation des étapes plus délicates.

Dans le cas d"un travail de groupes, il devra être vigilant à un partage équilibré des tâches.

Le rôle de l"enseignant(e) tout au long de la fabrication ne doit pas être passif. Il doit profiter de

l"occasion qui lui est donnée pour observer les élèves travailler en autonomie. Ainsi certaines attitudes pourront être repérées et évaluées. On peut citer : - aptitude au travail de groupe ; - capacité à respecter des consignes ; - autonomie dans son travail.

D - Exploiter l"objet

1. Essayer et observer pour faire naître le questionnement

Lorsque cette fabrication sera menée à bien, l"élève doit découvrir le fonctionnement de l"objet en

l"utilisant librement. Il fera différents essais sans contraintes particulières. Il s"en suivra alors un échange au cours duquel chacun pourra exposer diverses observations recueillies.

Le modèle proposé n"étant que peu performant, les remarques porteront sur le manque d"efficacité du

parachute pour ralentir la chute de l"objet suspendu.

Le questionnement pourrait alors être le suivant : quelles modifications pourrions-nous apporter au

parachute pour ralentir sa chute ? Il s"agira donc d"expérimenter pour résoudre une situation problème.

2. Émettre des hypothèses

Le principal problème pour les élèves est désormais d"isoler les différents paramètres qui pourraient

influer sur le bon fonctionnement du parachute. Sa vision de l"objet est globale et ce n"est qu"avec

l"aide de l"enseignant(e) qu"il pourra affiner son regard et proposer d"intervenir isolément sur un ou

plusieurs éléments constitutifs du parachute. Les hypothèses ainsi émises pourraient porter sur la modification de : - la nature du matériau utilisé ; - le nombre de bandes constituant la voilure ; - leur taille ; - la longueur des suspentes ; - la masse de l"objet suspendu.

3. Mener l"investigation

L"investigation sera menée sous la forme d"une nouvelle réalisation matérielle.

Des nouveaux groupes de travail pourront être constitués, chacun ayant en charge la validation d"une

hypothèse. L"enseignant(e) devra insister sur le fait qu"il ne faut modifier qu"un élément à la fois,

condition indispensable à l"obtention de résultats exploitables.

Les modalités des tests devront être définies avec les enfants. Elles recouvrent à la fois la procédure

de mise en oeuvre des essais et les critères d"appréciation retenus pour valider ou non l"hypothèse

émise.

Patrice Raffarin, professeur sciences physiques à l"IUFM de Poitiers - stage IUFM Niort janvier 2009 Avant d"entamer cette phase, la classe devra décider de la manière la plus pertinente de recueillir les

résultats obtenus. On pourrait imaginer dans notre cas un tableau à double entrée permettant de noter

en fonction du type de modification, le gain à chacun des critères d"appréciation proposés.

4. Structuration des connaissances et généralisation

On pourra constater que la modification de la taille ou du nombre de bandes constituant la voilure du

parachute entraîne une évolution dans son comportement. Il sera facile de constater que, plus la

surface totale est importante, plus sa chute est ralentie. La réalisation d"un parachute avec un sac en plastique étant de loin la plus efficace.

La généralisation, en liaison avec le travail réalisé précédemment, pourrait être :

• l"air freine la chute du parachute. L"air peut s"opposer à un mouvement ; • plus on augmente la surface de la toile du parachute, plus celui-ci est freiné.

5. Prolongements

Dans une même démarche expérimentale, sans objectif très ambitieux, il serait possible de

sensibiliser les enfants à la notion d"aérodynamisme. Des situations problèmes simples telle que la

comparaison de la chute d"une feuille de papier à laquelle on aura donné des formes différentes

(dépliée, roulée, volume pointu, ...) permettront de constater de manière qualitative des différences

sensibles.

On amènera ainsi l"enfant à réfléchir et à s"interroger sur les conséquences du choix de la forme des

objets se déplaçant dans l"air. Celles-ci sont choisies pour lui offrir une résistance moindre et c"est

ainsi que l"on parvient à économiser une part de l"énergie nécessaire à les mettre en mouvement.

III - Faisons le point :

De quoi est composé l"air ?

Pouvez-vous citer quelques propriétés physiques de l"air ?

Recherchez un album pour enfants où des notions sur l"air sont abordées et réfléchissez à son

utilisation dans une démarche d"investigation.

Quelle(s) expérience(s) mettre en oeuvre pour sensibiliser les enfants au caractère pesant de l"air ?

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