Découverte Scientifique – Option classe de seconde - … fin d’année lorsque les élèves vont réaliser un mini-projet. Ils pensent suivre également les élèves en classe

Découverte Scientifique – Option classe de seconde - Lycée Follereau (Belfort) – page 1

Sommaire Aperçu général de l’option : Dialogue entre un père et sa fille sortant de troisième (page 3) Annexe 1 : Les élèves et l'organisation de l'option (page 6) Annexe 2 : Les questions des élèves sur le thème de l'eau au début de l'année (page 7) Annexe 3 : Planning et activités de l'année (page 8) Annexe 4 : La transdisciplinarité (page 30) Annexe 5 : Evolution sur l'année (page 31)

(Organisation des activités et comportement des élèves). Annexe 6 : Evaluation des élèves (page 33) Annexe 7 : Résultats des élèves au sein des disciplines scientifiques et leurs orientations (page 34) Annexe 8 : Perception de l'option par les élèves (page 36) Annexe 9 : Notre vécu à trois (page 38) Conclusion (page 40) Résumé succinct de l’étude (page 41) Mots clés (page 41) Remarque : Ce rapport est conçu de telle sorte qu’il peut être lu à différents niveaux de détails. La lecture du dialogue donne dans un premier temps un aperçu très général de cette option. Des liens sont alors disponibles pour avoir accès à de plus amples informations selon vos envies. Bonne lecture… Pour toute question, vous pouvez contacter par mail un des trois enseignants :

Sciences-Physiques Sciences de la Vie et de la Terre Mathématiques

Adresse électronique d’où est tirée la photo utilisée sur la page de couverture. http://www.citroen.mb.ca/june00/DSphotos/1968_ds.jpg


mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]?subject=Option%20Sciences

http://www.citroen.mb.ca/june00/DSphotos/1968_ds.jpg

Dialogue entre un père et sa fille sortant de troisième. Par une magnifique journée de vacances de février, sur un télésiège, une élève de troisième (F) discute avec son père (P). F : Dis papa, l’an prochain je serai en seconde mais j’aimerais savoir pourquoi tu dis toujours qu’il faut que j’aille en première scientifique par la suite. P : Parce qu’il s’agit de la voie dite royale ! F : Mais première scientifique, cela veut bien dire première scientifique !? Tu ne sais même pas si j’aime les sciences. P : Il me semble que tu racontes toujours avec enthousiasme les expériences que tu fais au collège ! F : Oui mais cela ne suffit certainement pas à faire de moi une scientifique. D’ailleurs que font-ils ces scientifiques ? Quelle est leur démarche ? P : Tout ce que je sais, c’est que le mot « science » cache derrière lui les mathématiques, les sciences de la vie et de la Terre ainsi que les sciences physiques et chimiques. F : Cela en fait des matières ! Crois-tu que j’ai des aptitudes pour réussir dans ces disciplines ? P : Ca ma fille, tu le verras durant ton année de seconde. F : Je sais que j’aurai l’an prochain ces matières et que mes résultats y seront déterminants pour aller en première scientifique mais même si j’y ai de bons résultats, je ne suis pas certaine qu’à la fin de la seconde je saurai comment un scientifique travaille, s’il travaille avec ces trois disciplines en même temps ? Finalement, sans ces informations, je ne sais pas si plus tard je voudrai vraiment faire des sciences. Alors à quoi bon aller en première scientifique si mon projet personnel ne concerne pas les sciences ? P : Ecoute, j’ai entendu dire qu’au lycée Follereau à Belfort, une option a été mise en place et concerne la découverte scientifique. Tu devrais aller te renseigner pour savoir de quoi il s’agit, mais vu son appellation, elle doit certainement donner les réponses aux questions que tu te poses. F : Justement après les vacances, il y a la journée portes ouvertes au lycée Follereau. Quelques semaines plus tard, un samedi midi après la matinée portes ouvertes du lycée Follereau. F : Ca y est papa, j’ai des informations concernant l’option découverte scientifique. Elle consiste à développer notre esprit scientifique et à nous familiariser avec la démarche utilisée en sciences. Un autre but est de susciter en nous l’envie de chercher et d’accroître notre goût pour les activités scientifiques. P : Et concrètement comment cela se passe ? F : On a deux heures par semaine au cours desquelles il y a trois enseignants qui nous encadrent en même temps. Il y a un enseignant de mathématiques, un de sciences de la vie et de la Terre et un de sciences physiques. Les élèves qui y participent sont volontaires. Pour plus de détails sur l’organisation et les élèves concernés (voir annexe 1). P : Trois enseignants en même temps ! Vous devez être nombreux.


F : Non, seulement seize élèves. Il s’agit avant tout de manipuler. On travaille essentiellement par deux. Si les trois enseignants sont là en même temps, c’est pour montrer que les trois disciplines sont utiles et souvent complémentaires pour répondre à une question donnée. Pour plus de détails sur la transdisciplinarité (voir annexe 4). P : Quelle genre de question ? F : Cette année, ils ont travaillé sur le thème de l’eau. Ils ont répertorié en début d’année les questions que se posaient les élèves sur l’eau et ont décidé d’y répondre via différents types de manipulation. Pour plus de détails sur leurs questions (voir annexe 2). P : Et as tu vu une ou deux manipulations qui ont été faites au cours de l’année ? F : Je n’ai pas vu concrètement une manipulation mais un diaporama fait par les élèves de l’option résumait les six premiers mois de l’année. Ils ont commencé par se demander d’où venait l’eau de Belfort. Cela a engendré toute sorte de manipulation. Ils ont utilisé aussi bien l’ordinateur pour, par exemple modéliser une situation concrète, que le matériel traditionnel de sciences de la vie et de la Terre pour analyser la nature d’une roche ou encore de chimie pour déterminer la teneur en calcium de l’eau de Belfort. Ils ont également fait une sortie sur le terrain pour se rendre compte des propriétés des roches présentes dans le coin. Pour plus de détails sur le planning et les activités de l’année (voir annexe 3). P : Vous devez donc voir beaucoup plus de notions que les élèves qui ne font pas cette option. F : Pas forcément. Il ne s’agit pas d’appréhender toute sorte de nouvelles notions mais de rester proches des programmes de seconde des trois disciplines, tout en ouvrant la réflexion sur des applications concrètes ou en approfondissant quelques notions déjà rencontrées pour répondre à des questions précises. P : Donc finalement, vous devez être capable de construire la réponse aux questions posées ? F : Sortant de troisième, cela n’est pas aussi évident. Un des buts est qu’on arrive à cela avant la fin de l’année. Les trois enseignants essaient de nous amener progressivement à cela. Ils nous font donc rédiger un compte-rendu sur l’activité réalisée pendant les deux heures. Pour plus de détails sur l’évolution de l’année (voir annexe 5). P : Les enseignants notent donc ce compte-rendu ! F : Non. Il n’y a pas de notes. Un commentaire sur le bulletin résume notre investissement, notre attitude adoptée pour résoudre un problème et nos facultés à élaborer une démarche scientifique. Pour plus de détails sur l’évaluation (voir annexe 6). P : Et as tu rencontré des élèves qui font cette option et qui t’ont dit ce qu’ils en pensent ? F : Bien évidemment, les avis à l’égard de l’option sont très partagés. Certains en sont tout à fait satisfaits, d’autres moins. Pour plus de détails sur la perception de l’option par les élèves (voir annexe 8). P : Désirent-ils tous s’orienter en première scientifique et en ont ils les moyens ? F : A priori, certains commencent à baisser les bras au sein de l’option. P : Donc ceux-ci ne souhaitent sans doute plus aller en première S ! Peut-être que les résultats des autres disciplines ne leur permettent pas d’envisager un passage dans la filière scientifique ? Pour plus de détails sur les résultats des élèves en sciences et leurs orientations (voir annexe 7). P : Et les enseignants sont-ils satisfaits des apports de cette option ?


F : A l’égard des élèves, ils ont simplement dit qu’ils pourraient tenter d’évaluer les bienfaits de l’option en fin d’année lorsque les élèves vont réaliser un mini-projet. Ils pensent suivre également les élèves en classe de première lors des « Travaux Personnels Encadrés » pour voir s’ils arrivent mieux, que ceux qui n’ont pas suivi l’option, à définir un sujet et à y intégrer deux disciplines. D’autre part, ils pensent déjà à changer quelques éléments de l’option afin de l’améliorer et d’essayer d’observer plus rapidement ses bienfaits sur les élèves qui y ont participé. Pour plus de détails (voir conclusion). P : Pas simple à voir ces bienfaits! F : Non. Mais en tout cas, pour eux, ils trouvent que ça a été une année professionnellement très enrichissante. Pour plus de détails sur l’avis des enseignants (voir annexe 9).

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Annexe 1 : Les élèves et l'organisation de l'option :

Les élèves ont tous l'âge "normal" et suivent dans le lycée (général et technologique) l'option sciences de la vie et de la Terre. Répartition des élèves pour les autres options (le critère LV n'est pas retenu):

1 suit l'option informatique gestion communication (IGC)

2 suivent l'option initiation aux sciences de l'ingénieur (ISI)

6 élèves filles

3 suivent l'option mesures physiques et informatique (MPI)

10 élèves garçons tous suivent l'option initiation aux sciences de l'ingénieur (ISI) IGC : Informatique de Gestion et de Communication ISI : Initiation aux Sciences de l’Ingénieur MPI : Mesures Physiques et Informatique Les élèves qui suivent l'option découverte scientifique sont volontaires et souhaitent, en début d'année, poursuivre des études en première scientifique (1S), soit 1S SVT, soit 1S SI ou 1S sans autre précision. SVT : Sciences de la Vie et de la Terre SI : Sciences de l’Ingénieur Les élèves qui suivent l'option anglais européen dans l'établissement n'ont pas été retenus pour cette option en raison de leur planning chargé et du fait que la grande majorité de ces élèves iront en 1S (l'établissement n'accueille ni les 1°L ni les 1°ES) L : Littéraire ES : Economique et Social L'organisation : - Les élèves sont issus de 3 classes en fonction des options qu'ils suivent . Cette situation a l'avantage de maintenir une certaine hétérogénéité dans les classes. Il peut cependant s'agir d'un handicap pour organiser une sortie qui perturbera alors de nombreux enseignements. Ainsi, une seule sortie a été organisée sur la plage horaire stricte de l'option (2 heures) mais les déplacements en bus urbain et à pied ont occupés 2 fois plus de temps que la sortie proprement dite. - Les séances durent 2 heures (lundi de 15 à 17 heures), elles suivent 1 heure de concertation entre les 3 enseignants, heure qui a été utilisée systématiquement - Les 3 enseignants (de mathématiques, de sciences physiques et de sciences de la vie et de la terre) sont volontaires et ont 2 heures dans leur emploi du temps. Le lycée assume de payer 6 h profs pour seulement 2h élèves !

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Annexe 2 : Les questions des élèves sur le thème de l’eau au début de

l’année. L’eau au sein du fonctionnement de la planète Terre ? Y a-t-il une relation entre évaporation et pression atmosphérique ? L’eau se solidifie à quelle température ? L’ébullition à 100°C ? L’ébullition avec l’altitude ? Liquide, pourquoi ? Liquide, solide, gaz, autre ? Comment expliquer le changement de volume de l’eau qui gèle ? Origine de l’eau ? Absence d’eau possible ? Répercussion sécheresse ? Disparition de l’eau de la Terre ? Présence d’éléments invisibles ? Composition différente des eaux commerciales ? Quel est le traitement de l’eau avant son arrivée au robinet ? Pourquoi l’eau de mer est-elle salée ? D’où vient le sel ? L’eau au sein du fonctionnement de notre corps ? Vivre sans eau ? Maladie à guérir ? à provoquer ? Vertus et inconvénients de l’eau ? La présence de l’eau dans les aliments. Comment expliquer les reflets sur l’eau ? L’eau conduit-elle le courant électrique ? Quel est le fonctionnement des marées ?

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Annexe 3 : Activités de l'année Dans cet annexe, le planning vous est indiqué dans un premier temps. Il est alors suivi de quelques exemples d’activités proposées aux élèves. 8 septembre 3 heures de concertation sans les élèves

15 septembre Présentation de l'option (proviseur adjoint et enseignants). Présentation du thème proposé : l'eau. Recherche individuelle de questions relatives à ce thème. Problème de la flottabilité du glaçon à titre d'exemple (non définitivement résolu)

22 septembre Origine de l'eau de Belfort : discussion, les puits de Sermamagny, localisation géographique (amont de la ville, vallée de la Savoureuse) et géologique (alluvions). Propriétés des alluvions (perméabilité : observation; porosité : évaluation quantitative); Evaluation des réserves potentielles de la nappe approche quantitative simplifiée (surface des alluvions : échelle de la carte)

29 octobre Origine de l'eau à Belfort, évaluation des réserves de la nappe : surface des alluvions (calque,... pesée du calque; évaluation volume). Conclusion : insuffisance des apports. Origine de l'eau de Belfort : dosage du calcium : présentation

6 octobre Origine de l'eau de Belfort : dosage du calcium: dans eau de pluie, dans une eau minérale (témoins) dans l'eau du lycée, dans l'eau de Giromagny, de Mathay (vallée du Doubs en aval de Belfort). Conclusion : mélange des eaux de la Savoureuse et du Doubs

13 octobre Utilisation Excel : présentation logiciel avec 2 exemples (du tableur au grapheur) résultats du dosage de Ca2+ Eau de Giromagny: Consommation...(Excel)

20 octobre Evaluation option : attente élèves Bilan Eau de Giromagny (discussion) Modèle mathématique porosité (début)

27 octobre Modèle mathématique (Excel) suite

10 novembre Modèle mathématique (Excel) suite et en partie fin

17 novembre Modèle mathématique fin (Problème de récupération de -gros- fichier Star-Office) Bilan évaluation Origine des substances dissoutes dans l'eau : aspects géologiques (début) : comparaisons des compositions ioniques des eaux de rivières en pays calcaire et granitique

24 novembre Origine des substances dissoutes : aspects chimiques caractérisation des ions Ca2+ et CO32- :

témoins...... (chimie)

1 décembre origine des substances dissoutes : du carbonate de calcium aux ions calcium et hydrogénocarbonates (chimie)


8 décembre Sortie géologique : perte, gouffre, grotte, calcaires diaclasés

15 décembre Origine des substances dissoutes : granite, % des divers minéraux (logiciel Mesurim). Conclusion : relation sous-sol et substances dissoutes; limites. Adresse relative au mode d’emploi de MESURIM : http://artic.ac-besancon.fr/svt/act_ped/svt_lyc/prem/premiere.htm

4 janvier Eau et substances dissoutes : Comparaisons des compositions chimiques (eau du robinet, eaux en bouteille) et normes de potabilité. Divers types d'eaux (sur calcaire, granite), relations avec la carte géologique de France. Exercice sur les sources : Présentation Courbes de niveau : modèle en carton (début)

11 janvier Courbes de niveau : modèle en carton et utilisation d'Excel : Entrée des altitudes de points à partir d'une carte topographique simplifiée et reconstitution (après mutualisation des entrées des 8 groupes élèves) : carte et relief 3D (surface, 3D)

19 janvier Exercice sur les sources à la limite des grès (II) et des grès et argiles (I). Réalisation d'une coupe, étude des grès (loupe binoculaire) Conclusion : conditions géologiques à la présence d'une source

26 janvier Physique : 3 états de l'eau : liquide-solide : liquide-solide-liquide. Réalisation de mesures et tracés de graphes Eau , eau salée. Problème du salage des routes en hiver

2 février 3 états de l'eau Liquide, gaz

9 février Préparation journée portes ouvertes : Présentation: exemple, définition du contenu réalisé par chaque groupe et familiarisation avec logiciel de Présentation (Powerpoint)

16 février Réalisation de 3-4 diapositives Pp par groupe

Congés

8 mars Présentation de l'ensemble des diapositives Pp et critique C.R. des travaux relatifs aux 3 états Utilisation de diagramme relatif aux 3 états; utilisation en sc. physiques et sciences de la Terre (Terre, Mars, Lune)

15 mars Etats de l'eau (liquide-gaz) : utilisation du logiciel Scilab : initiation à la programmation : réalisation par groupes : simulation du déplacement des molécules en phase gazeuse

22 mars Etats de l'eau : Logiciel Scilab :suite Logiciel Titus : images d'Antarctique : glace de banquise (début : notion de pixels)

29 mars Etats de l'eau : logiciel Scilab : visualisation des résultats après mutualisation des travaux élèves (température et agitation moléculaire...) Logiciel Titus: comparaison image été-hiver de l'Antactique; évaluation quantitative : surface, volume d'eau impliqué.

5 avril Définition des projets élèves à réaliser avant la fin de l'année : Question, manipulation, présentation orale Accès internet

12 avril congés (lundi de Pâques

Congés de printemps

3 mai Travail sur les projets : manipulations par groupes , accès internet


http://artic.ac-besancon.fr/svt/act_ped/svt_lyc/prem/premiere.htm

10 mai Travail sur les projets : manipulations par groupes , accès internet suite

17 mai Travail sur les projets : suite

24 mai Présentation orale : - glace et fusion : variations de volumes - rétention d'eau et sols - mirages - hydroélectricité - station d'épuration - électrolyse de l'eau - "bombe à eau" - volcanisme explosif

31 mai congés : lundi de Pentecôte

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Comment déterminer la teneur en calcium d’une eau? Introduction : Lors de la séance précédente, vous avez estimé la quantité d’eau de pluie reçue par la vallée de la savoureuse en une année. D’autre part, cette quantité, comparée à la consommation annuelle de Belfort (et ses environs) montre qu’il existe nécessairement un autre moyen pour approvisionner ces communes ! La ville de Belfort est en fait branchée sur le réseau de Mathay qui pompe l’eau du Doubs. En cette année de sécheresse, l’eau de Belfort (celle du lycée) provient-elle de Mathay, autrement dit du Doubs, ou bien des restes de la nappe phréatique de la Savoureuse ? Pour répondre à cette question, on se propose de déterminer la teneur (exprimée en milligramme par litre, unité notée mg/L ou encore mg.L-1) en calcium de diverses eaux. On dit alors qu’on effectue un dosage du calcium. I. Principe général. On possède une solution qui contient de l’acide éthylène diamine tétracétique (EDTA). (Sa teneur vaut 372 mg.L-1). Le calcium réagit avec l’EDTA, c’est-à-dire que l’EDTA permet de faire disparaître la calcium. On va alors chercher le volume (noté V) d’EDTA nécessaire pour faire disparaître tout le calcium contenu dans une eau. D’autre part, on dispose d’un ‘‘indicateur de calcium’’ appelé réactif de Patton–Reader. Celui-ci, rouge en présence de calcium, vire au bleu lorsqu’il n’y a plus de calcium II. Nom de la verrerie utilisée en chimie.

20 mL

Pipettes jaugées à un

ou à deux traits

d j

20 mL

C’est la graduation qui est en face du bas de la courbure de la solution qui doit être

i

Propipette

100

80

60

40

20

Bécher

Méthode pour prélever une Eprouvette

graduée Erlenmeyer

Burette graduée

Verrerie de plus en plus précise


III. Mode opératoire :

Placer un bêcher ‘‘poubelle’’ sous la burette graduée. Rincer la burette à l’eau distillée. Y introduire de l’EDTA à l’aide d’un autre bêcher. Ajuster le niveau d’EDTA de telle sorte qu’il soit face

à la graduation zéro .

Dans un erlenmeyer, introduire : 50mL d’eau à tester prélevée en deux fois à l’aide d’une pipette jaugée de 25mL.

Attention ! Ne pas oublier d’utiliser une propipette. 5mL de soude (nécessaire pour que l’ensemble fonctionne) prélevée à l’aide d’une éprouvette

graduée. 4 gouttes d’indicateur coloré.

Placer un agitateur magnétique sous la burette puis y déposer l’erlenmeyer. Y Introduire un barreau aimanté. L’agitation doit être réglée de telle sorte que les parois de l’erlenmeyer ne soient pas éclaboussées. ☺ A vous de jouer ! Réaliser le dosage du calcium des

Comme on ne connaît pas le volume d’EDTA qu’il faut verser pour faire disparaître tout le calcium, on réalise deux dosages

Eau de Mathay Eau du lycée Fol

Indiquer les volumes mesurés d

Eau testée

V (m

Eau de Mathay

Eau du lycée Follereau

Savoureuse Giromagny

Savoureuse lycée Courbet

IV. Exploitation :

La teneur de l’eau en calcium, noexprimé en millilitre, par la relatioL’utiliser pour déterminer la teneu

Comment serait-il possible d’est

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Premier dosage : On verse l’EDTA millilitre par millilitre. On trouve alors un encadrement pour V.

Par exemple 12mL < V < 13mL Deuxième dosage: On ne verse plus l’EDTA millilitre par millilitre.

On va être à la fois plus rapide et plus précis ! D’après l’exemple ci-dessus, on procèderait commececi : Verser rapidement 11mL d’EDTA

(ou 10mL si on veut être très prudent !), puis continuer à verser l’EDTA goutte à goutte, afin de déterminer à la goutte près le volume V. On lit alors par exemple: V = 12,3mL

eaux suivantes : Eau de la Savoureuse prélevée à Giromagny

lereau Eau de la Savoureuse prélevée près du lycée Courbet

ans le tableau suivant.

L) Moyenne des

groupes pour le volume

t ( mg.L-1 )

Moyenne des groupes

pour la teneur

tée t , exprimée en mg.L-1, est reliée au volume versé V d’EDTA, n suivante : t = 8 . V r de l’eau en calcium. Indiquer les résultats dans le tableau. imer la précision des mesures effectuées ?

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– Option classe de seconde - Lycée Follereau (Belfort) – page 12

MODELISATION DE LA POROSITE DES ALLUVIONS

: travail sur le tableur ; : appel pour validation (après vérification) ; : travail mathématique sur feuille.

- Le texte entre « » doit être tapé tel quel dans les cellules du tableur. - Comme le tableur ne distingue pas les majuscules des minuscules dans les noms de cellule et en-têtes de colonnes, on fera précéder les variables mathématiques minuscules par un tiret bas ; par exemple "a" sera transcrit "_a".

Les alluvions seront modélisés par des petites boules de différents diamètres entassées dans un très grand volume. Pour faciliter le travail, on découpe ce volume en une somme de très fines tranches horizontales (quelque chose comme un tas de crêpes !) : figure 1. Ainsi, on fera de la géométrie plane qui est bien plus simple que la géométrie dans l'espace1

Calculer la porosité, c'est calculer le rapport entre la surface non-hachurée et la surface totale pour chacune des tranches de notre volume. Comme chaque tranche comporte des milliards de "traces" de petites boules qui sont réparties au hasard, on va procéder par simulation aléatoire.

Le plan du travail sera donc le suivant : - "triangulation" de la tranche (figure 2) ; - tirage aléatoire de 3 boules contiguës ; - calcul des caractéristiques du triangle associé ;

- répétition de l'étape précédente pour obtenir une valeur statistique de la porosité.

figure 1

figure 2 1. Tirage aléatoire

a) Tirage de trois boules contiguës (grains alluvionnaires)

Les diamètres des différents éléments qui composent les alluvions ne sont pas répartis uniformément : il y a beaucoup plus de petits grains de sable que de gros galets. Pour simplifier, on va supposer qu'on est en présence de boules de trois dimensions (sable, gravier, galet).

Dans le tableur, cellules A1, B1 et C1, écrire les titres «sable», «gravier», «galet». En dessous choisir des diamètres pour ces trois constituants des alluvions (l'unité n'a pas d'importance car le résultat final sera exprimé sous forme de rapport). Encore en dessous, porter les proportions, exprimés en pourcentage (à vous de choisir).

Nommer ces six cellules «taille_sable», «taille_gravier», «taille_galet», «fréq_sable», «fréq_gravier», «fréq_galet». Pour choisir aléatoirement les rayons des boules, tout en respectant les proportions choisies, on divise l'intervalle [0, 1] en trois parties de longueurs proportionnelles aux trois pourcentages.

Par exemple si on a le tableau suivant :

Sable Gravier Galet

Taille 1 10 100

Fréquence 70 % 25 % 5 %

on divise [0, 1] comme suit : Gravier Sable

0 0,95 0,70

Galet

1


1 La conjecture de Kepler, posée en 1611, affirme que l'empilement (de sphères identiques) "cubique à face centrée" dit en boulets de canon, est le plus serré, avec une densité de π / 18 . Ce résultat a été démontré seulement en 1998 par Thomas Hales en 282 pages et de longs calculs sur ordinateurs.

Puis, on tire un nombre au hasard entre 0 et 1 avec la fonction ALEA() du tableur : si ce nombre est compris entre 0 et 0,70 , il représente un sable, si le nombre tiré est compris entre 0,70 et 0,95 , il s'agit d'un gravier, enfin s'il est compris entre 0,95 et 1 c'est un galet. Dans le tableur cela se traduit par la formule : « = SI(x < fréq_sable ; taille_sable ; SI(x < fréq_sable + fréq_gravier ; taille_gravier ; taille galet) » où x est le résultat d'un appel à la fonction ALEA() (plus exactement, la référence à une cellule contenant la formule «=ALEA()»).

Cellules B10, D10 et F10, écrire «ra», «rb», «rc» : ce sont les rayons des trois boules qui apparaissent sur notre triangle. En dessous en A11 «=ALEA()» et en B11 «= SI(A11 < fréq_sable ; taille_sable ; SI(A11 < fréq_sable + fréq_gravier ; taille_gravier ; taille galet) ». Recopier A11 + B11 jusqu'en F11.

Vérifier que tout fonctionne comme vous le souhaitez en effectuant plusieurs tirages, par appui sur la touche F9 du clavier.

b) Tirage des hauteurs relatives

Les centres des trois boules peuvent être au dessus ou en dessous de la tranche. On note Ha, Hb, Hc les hauteurs relatives des trois centres par rapport à la tranche.

Pour Ha , par exemple, toute valeur comprise entre –Ra et Ra est

également possible. On va donc pouvoir utiliser la fonction ALEA(), quitte à lui faire subir une transformation affine pour obtenir un résultat dans l'intervalle [– Ra , Ra] :

ALEA() étant compris entre 0 et 1 , 2 ALEA() est compris entre 0 et 2 , 2 ALEA() – 1 est compris entre – 1 et 1, et finalement Ra

(2 ALEA() – 1) est compris entre – Ra et Ra.

Dans les cellules G10, H10, I10, écrire les titres «ha», «hb», «hc». En G11, écrire la formule «=ra*(2*ALEA()–1)». Idem en H11 et I11.

ollereau (Belfort) – page 14

Vérifier par appui sur la touche F9.

2. Calcul des caractéristiques du triangle

On suppose qu'on est toujours dans le cas de la figure 4 où les boules du triangle se touchent quelque part.

Exprimer ra en fonction de Ra et Ha. Donner des formules analogues

pour rb et rc.

Exprimer c = AB en fonction de Ra, Rb , Ha

, Hb . Par analogie, ea = BC et b = CA.

xprimer

Ajouter six nouvelles colonnes avec les titres «_ra», «_rb», «_rc», «_a»,«_b»,«_c». En dessous écrire les formules.

Pour valider les formules que vous avez tapées dans le tableur, vous devez les tester sur au moins un exemple. Pour cela, recopiez vos 6 formules sur la ligne 12 (mêmes colonnes) et remplissez en vis à vis les colonnes Ra, Rb, Rc, Ha, Hb et Hc en choisissant trois rayons identiques et trois hauteurs identiques (essayer plusieurs valeurs remarquables pour ces dernières).

Si tout est conforme, effacez la ligne 12.

3. Calcul de la porosité a) Calcul de la surface du triangle

Découverte Scientifique – Option classe de seconde - Lycée F

Ha Rb

Rc

figure 3

Ra

A

A rb

ra

ha Rb

Ra

figure 4

rc

La formule de Héron2 donne la surface S d'un triangle en fonction des longueurs a, b, c de ses côtés :

( )( )(S p p a p b p c)= − − −

où p représente le demi-périmètre.

En P10, Q10 et R10, écrire les titres «_p», «s_2» et «s». En dessous ligne 11, écrire la formule du demi-périmètre : «=(a+b+c)/2», la formule donnant S 2, puis S . S 2 servira à faire un test pour éliminer les triangles impossibles.

Vérifier en procédant comme dans la partie 2. : recopier P11, Q11, R11 sur la ligne 12 et donner à a, b, c (ligne 12) des valeurs remarquables.

b) Calcul des angles

La formule d'Al Kashi3 permet de calculer le cosinus des angles d'un triangle en fonction de ses côtés : a2 = b2 + c2 – 2 b c cos(A).

De plus, le tableur, comme la calculatrice, permet de déterminer la mesure d'un angle connaissant son cosinus à l'aide de la fonction ACOS(). Cette fonction donne une réponse dans une unité particulière, le radian, que vous pouvez convertir en degrés grâce à la fonction DEGRES().

En utilisant cette fonction acos() et la formule d'Al Kashi, exprimer les angles du triangle ABC en fonction des côtés a, b, c.

Dans les cellules S10, T10 et U10 écrire les titres «a», «b», «c» et en dessous écrire les formules obtenues précédemment (en convertissant les réponses en degrés).

Vérifier : recopier S11, T11, U11 et donner à a, b, c (ligne 12) des valeurs remarquables.

c) Calcul de la surface du triangle recouverte par les disques

Exprimer les surfaces Sa, Sb, Sc de chacun des trois secteurs circulaires en fonctions des angles A, B, C et des rayons ra, rb, rc.

ligne 10, mettre les titres «sa», «sb», «sc», «si» et en dessous mettre les formules ad hoc (Si est la surface interstitielle).

Vérifier : recopier V11 à Y11 et donner à ra, rb, rc A, B, C (ligne 12) des valeurs remarquables.

d) Porosité de la tranche

Recopier 1000 fois au moins la ligne 11 pour avoir un échantillon suffisamment représentatif des triangles de la tranche. Ligne 6, faire la somme (avec la condition S 2 > 0) de toutes les surfaces des triangles et de toutes les surfaces interstitielles : «= SOMME.SI(S_2 ; ">0" ; S)» et «= SOMME.SI(S_2 ; ">0" ; Si)»

Calculer la porosité de la tranche à partir de cet échantillon de triangles. Comme cette tranche a été obtenue de façon aléatoire, il y a tout lieu de penser qu'elle est représentative de l'ensemble des tranches et donc qu'elle fournit une bonne approximation de la porosité des alluvions.

Conclure.

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2 Formule établie par Archimède il y a 2300 ans et qui a longtemps été attribuée à Héron, un autre mathématicien de l'école d'Alexandrie qui a vécu trois cents ans après Archimède. 3 Cette formule, due sous sa forme algébrique à Al Kashi - mathématicien iranien du XIVème siècle, astronome à Samarcande, en Ouzbékistan - et encore appelée formule de Pythagore généralisée, se trouve déjà sous une forme purement géométrique (exprimée en termes d'égalité de surfaces et sans cosinus) dans les éléments d'Euclide (encore un mathématicien de l'école d'Alexandrie, à peine plus vieux qu'Archimède). Son écriture actuelle est due à F. Viete, mathématicien Français du XVIème siècle.


figure 5

B

C

A rb

ra

rc

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Quelle est l'origine des substances contenues dans l'eau (des rivières) ? Rappel : L'eau de la Savoureuse est plus riche en calcium à Belfort (46mg.L-1) qu'à Giromagny (24mg.L-1). L'eau du Doubs est beaucoup plus riche en calcium (78mg.L-1). L'eau de pluie est dépourvue de calcium Hypothèse : Le sous sol cède certaines substances qui passent à l'état dissout dans l'eau Conséquence : La composition de l'eau est fonction du sous sol; les quantités de substances dissoutes sont variables. Par exemple : en Lorraine : quantités de substances dissoutes en mg.L-1 dans deux rivières:

calcium hydrogénocarbonate potassium sodium silice nitrates

Moselotte : sous sol analogue à celui de la

Savoureuse

6

20

9

7

1

6

Durbion : sous sol analogue à celui du

Doubs

56

177

3

2

0,2

6

Comparez les valeurs Nature des roches du sous sol : - Comparez les alluvions de la Savoureuse et celles du Doubs - Etude des roches :

Travail de chimie calcaire : granite : à la loupe binoculaire : réalisez un schéma légendé pour mettre en évidence les

minéraux du granite (le quartz : gris transparent, le feldspath : blanc, le "mica" : noir) Utilisation du logiciel Mesurim pour évaluer la quantité de chaque minéral:

Ouvrir le fichier : granite poli. Choix : Afficher le codage des couleurs : en déplaçant le curseur sur un type de minéral repérer les valeurs limites pour chaque minéral (et pour chaque canal). Notez les résultats obtenus dans un tableau. Choix : Outil de mesure : surface: Utilisez les résultats notés dans le tableau pour évaluer la quantité (en %) de chaque minéral (en cochant les cases adéquates...). Complétez le tableau de mesures en écrivant ces pourcentages.

-Renseignements complémentaires : Substances minérales contenues dans quelques roches:

calcaires et roches associées granite et roches associées

calcaire argiles et divers (rares) quartz feldspath "mica" divers (rares)

substance carbonate de calcium

alumino -silicates, carbonate de magnésium, chlorure de sodium, sulfate de sodium.

silice alumino-silicate de potassium, de sodium.

alumino-silicate de calcium, fer, magnésium.

fluorures, sulfates

Mettez en relation l'ensemble des résultats et renseignements pour expliquer la composition chimique de la Savoureuse (ou de la Moselotte) et du Doubs (ou de la Durbion).

Montrez que cette étude géologique n'explique que partiellement la composition des eaux. Conséquences :A partir du tableau relatif aux eaux embouteillées et à la Savoureuse : - Qualités des eaux et substances dissoutes : montrez en utilisant les normes de potabilité que - L'eau de Belfort est potable en justifiant - Une des eaux embouteillées -au choix- est potable en justifiant - Une des eaux embouteillées -au choix- n'est pas potable (en justifiant)


- Qualité des eaux et nature du sous-sol : en application des résultats obtenus, déduisez la nature du sous sol à l'origine des eaux : "Cristalline", Perrier, Saint Yorre, Quézac.. Justifiez Vérification des localisations de ces sources sur la carte géologique de la France.

Origine des substances contenues dans l'eau (suite) : Travail de chimie a) Description du calcaire.

Ion Ion

Le nom scientifique du calcaire est carbonate de calcium. Sa formule est CaCO3. Macroscopiquement, c’est un solide blanc. C’est lui qui constitue la craie ! Microscopiquement, comme son nom l’indique, il est constitué de deux espèces chimiques ; il s’agit de deux ions : les ions calcium de formule Ca2+ d’une part et les ions carbonate de formule CO3

2- d’autre part. Le carbonate de calcium est donc un solide constitué d’ions positifs et d’ions négatifs (qui s’attirent mutuellement). On parle alors de solide ionique. Ces ions, lorsqu’ils sont présents dans une eau, peuvent être identifiés à l’aide de tests d’identification également appelé tests caractéristiques. b) Découverte des tests caractéristiques. Remarques préliminaires : Dans les tubes à essais dont vous disposez, avoir quelques millilitres d’une solution revient à avoir une hauteur de quelques centimètres de cette solution. Verser quelques gouttes signifie verser 2-3 gouttes (mais souvent, une goutte suffit à avoir une observation) Protocoles des différents tests à réaliser. Test N°1 : Introduire quelques millilitres de solution à tester dans un tube à essais . Y verser quelques gouttes de solution d’oxalate d’ammonium. Test N°2: Introduire quelques millilitres de solution à tester dans un tube à essais . Y verser quelques gouttes de solution de nitrate d’argent. Le test s’arrête là si aucune observation n’est faîte. Dans le cas contraire, placer votre tube à essais à la lumière et observer. Il peut être utile de comparer le contenu du tube à essais placé à la lumière avec un autre ayant le même contenu mais n’étant pas placé à la lumière, qui sert alors de témoin.

Réaliser ces deux premiers tests. Indiquer vos observations dans le tableau suivant puis faire vérifier.

Solution à tester Test

Solution de chlorure de calcium

Solution de nitrate de calcium

Solution de chlorure de sodium

Solution de nitrate de sodium

N°1

N°2

Test N°3 : Introduire quelques millilitres de solution à tester dans un tube à essais . Y introduire deux gouttes de solution d’acide sulfurique concentré (à manipuler avec prudence : gants et lunettes !)

cée Follereau (Belfort) – Page 17

Le test s’arrête là si aucune observation n’est faîte. Si un dégagement gazeux est observé, alors il faut identifier ce gaz. Pour cela, il faut en quelques sorte le collecter. Recommencer alors comme ceci : Introduire quelques millilitres d’eau de chaux dans un tube à essais. Introduire quelques millilitres de solution à tester dans un autre tube à essais. Incliner ce tube à essais. Y introduire deux gouttes de solution d’acide sulfurique concentré en les faisant glisser sur les parois, ceci afin d’avoir le temps d’adapter un tube coudé avant que la majeure partie du gaz ne s’échappe. Faire barboter ldu tube coudé dans dans le tube à essais contenant de l’eau de chaux. (Voir schémcontre)

’extrémité a ci-

Goutte d’acide sulfurique

Solution à tester

Eau de

Tube coudé

Test N°4 : Introduire quelques millilitres de solution à tester dans un tube à essais . Y verser quelques gouttes de phénolphtaléine.

Découverte Scientifique – Option en seconde - Ly

Réaliser ces deux autres tests. Indiquer vos observations dans le tableau suivant puis faire vérifier.

Solution à tester Test

Solution d’hydrogénocarbonate de sodium

Solution de carbonate de sodium

Solution de chlorurede sodium

Solution d’hydroxydede sodium

N°3

N°4

Nettoyer et rincer l’ensemble de vos tubes à essais avec l’eau du robinet. Lors d’une prochaine utilisation, rincer les parois du tube à essais avec de l’eau distillée.

Conclusions (A faire sur feuille). b1) Pourquoi tant d’expériences ? Y en a t’il qui n’était pas utile de faire ? Justifier. b2) Décrire ce qu’il faut effectuer et observer pour prouver la présence de l’ion calcium dans une eau ? b3) Décrire ce qu’il faut effectuer et observer pour prouver la présence de l’ion carbonate dans une eau? b4) Décrire ce qu’il faut effectuer et observer pour prouver la présence de l’ion hydrogénocarbonate dans une eau? b5) Quand un test peut-il être qualifié de caractéristique ? Décrire un test et une observation qui ne serait pas caractéristique. Remarque : Les solutions qui vous ont été proposées ont été choisies afin que vous puissiez découvrir ces tests. Il s’agit de solutions connues par le chimiste, en témoigne le nom précis qu’elles portent. Les tests étant maintenant connus, le chimiste les utilise sur des solutions inconnues (par exemple, une eau qu’il souhaite analyser). c) Est-ce l’eau qui dissout le calcaire ? (Les réponses et justifications seront notées sur votre feuille) D’une manière générale, l’eau a la faculté de séparer les ions positifs et négatifs qui coexistent dans un solide ionique. On dit alors, d’une part que l’eau dissout le solide , et d’autre part que le solide est soluble dans l’eau. 1ère étape.

Prendre quatre tubes à essais. Introduire quelques millilitres d’eau distillée dans chaque tube à essais. Tube n°1 : Introduire une pointe de spatule (càd très petite quantité) de chlorure de sodium (sel de cuisine). Tube n°2, n°3 et n°4 : Introduire une pointe de spatule de carbonate de calcium (craie) dans chaque tube. Dans la suite, le tube n°4 ne sera plus manipulé mais servira de témoin pour les tubes n°2 et 3. (Témoin = référence de départ). Agiter les tubes n°2 et 3. Les replacer sur le portoir et les laisser reposer. Dans la suite, le tube n°3 ne sera plus manipulé. Attention : Le tube n°4 joue effectivement son rôle de témoin s’il est identique aux tubes n°2 et 3 !

Noter vos observations. L’eau dissout elle le chlorure de sodium (sel) ? le carbonate de calcium ? Justifier. L’observation visuelle réalisée permet-elle de conclure sans problème ?

Si oui, dire pourquoi. Passer alors à la deuxième étape. Si non, comment peut-on procéder pour répondre plus rigoureusement à la question ? Réaliser alors votre proposition.

2ème étape.

Dans l’eau minérale correspondant à l’étiquette que vous aviez amenée lors d’une séance précédente, Coller cette étiquette. Les ions calcium sont-ils présents ?

Les ions carbonate sont-ils présents ? Est-ce cohérent avec la conclusion faîte à l’étape 1? Justifier.

3ème étape.

Reprendre le tube à essais contenant l’eau et le carbonate de calcium introduit. A l’aide d’une paille (ou pipette), souffler dans ce tube à essais.

Qu’introduisez-vous, d’un point de vue chimique, dans la solution contenue dans le tube à essais lorsque vous soufflez dedans.

Qu’observez-vous ? (Penser au tube témoin !)

Découverte Scientifique – Option en seconde - Lycée Follereau (Belfort) – Page 18

Les ions carbonate sont-ils présents dans la solution obtenue ? Ecrire ce que vous devez réaliser et observer pour répondre à cette question. Faire vérifier par le professeur. Réalisez alors votre manipulation. Notez vos observations et conclure.

En consultant de nouveau l’étiquette de votre eau minérale, devinez quel ion intéressant (pour notre étude du jour !) est sans doute présent dans la solution obtenue.

Ecrire ce que vous devez réaliser et observer pour identifier la présence de cet ion. Faire vérifier par le professeur. Réalisez alors votre manipulation. Notez vos observations et conclure.

Conclure pour le paragraphe c) si cela est possible.

Si d’autres expériences sont nécessaires pour conclure ou pour vérifier votre conclusion, indiquer lesquelles. Les réaliser et commenter. Bilan personnel : Ai-je été attentif à la démarche effectuée pour découvrir les tests caractéristiques ?

Ai-je été attentif à la démarche effectuée pour répondre à la question ‘‘Est-ce l’eau qui dissout le calcaire ?’’ ? Ultérieurement, une telle question peut vous être posée, mais ce sera à vous de construire la démarche pour y répondre.

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Quels sont les facteurs géologiques nécessaires à la présence d'une source ?

Définition : Une source est une nappe qui arrive à l'air libre (sur une pente). La source peut être captée pour l'utilisation de l'eau; dans le cas contraire elle est à l'origine d'un écoulement en surface (ruissellement) à la naissance de ruisseau, rivière... Hypothèse : Enumérez les facteurs géologiques nécessaires à la présence d'une source A) A titre d'exemple : étude partielle de la carte géologique de Lure au 1/20 000 (édition 1970):

1- Utilisez les courbes de niveau (ensemble des points situés à la
même altitude) pour définir la localisation géographique des sources du Nord de la Forêt de Granges. 2- Définissez la localisation géologique des sources en relation avec les hypothèses formulées. 3- Comparez la représentation sur la carte des courbes de niveau et des limites de couches géologiques. Déduisez quelle est la disposition géologique des couches étudiées. 4- Représentez schématiquement la carrière de grès située à
proximité de Faymont (image ci-contre). En quoi les renseignements fournis confortent-ils la conclusion 3- ? 5- Le long de la ligne "orange" , en réalisant des projections orthogonales sur la feuille de papier millimétré:

-réalisez une coupe mettant en évidence le relief (utilisation des courbes de niveau) -complétez cette coupe en représentant les couches géologiques impliquées

-indiquez légendes et titre. 6- En guise de conclusion, déduisez à titre d'hypothèse les propriétés des roches étudiées vis à vis de l'eau. B) Etude des roches : 1- Etudiez un échantillon de grès : oeil nu, loupe. Tirez des conclusions en relation avec le problème étudié. 2- La carte topographique (au 1/40 000, édition 1998) montre la présence de nombreux étangs (surfaces bleues). Ils sont artificiels (creusés par l'homme). Localisez géologiquement ces étangs (en utilisant la carte géologique). Tirez une conclusion en relation avec le problème étudié. Conclusion : Mettez en relation les renseignements acquis § A et B avec les hypothèses formulées en introduction pour déduire des conditions géologiques à la présence de sources.

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L’eau dans tous ses états !

I. Activité préliminaire.

Indiquer quelles sont vos connaissances ou intuitions en cochant des cases parmi les propositions fournies ci-dessous. La solidification est le passage d’un corps de l’état solide à liquide. de l’état liquide à vapeur. de l’état liquide à solide. de l’état vapeur à liquide. La fusion est le passage d’un corps de l’état solide à liquide. de l’état liquide à vapeur. de l’état liquide à solide. de l’état vapeur à liquide. La vaporisation est le passage d’un corps de l’état solide à liquide. de l’état liquide à vapeur. de l’état liquide à solide. de l’état vapeur à liquide. La condensation est le passage d’un corps de l’état solide à liquide. de l’état liquide à vapeur. de l’état liquide à solide. de l’état vapeur à liquide. L’eau se solidifie à une température supérieure à 0°C

à 0°C inférieure à 0°C cela dépend (réponse à détailler si elle est choisie) …………………

………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………

Lors de la transformation de l'eau de l’état liquide à l’état solide, la température diminue régulièrement augmente régulièrement

reste constante L’eau liquide et la glace ne peuvent pas coexister.

peuvent coexister sous certaines conditions de température (A préciser) …………………………………………………………………………………..

Autre(réponse à détailler si elle est choisie) ………………………………… …………………………………………………………………………………..

La transformation de 1 ou 2 mL d'eau de l’état liquide à l’état solide se fait en quelques secondes

en quelques minutes en plusieurs dizaines de minutes en plusieurs heures cela dépend (réponse à détailler si elle est choisie) ………………………………………….. ………………...………………………………………………………………………………… ………………...………………………………………………………………………………… L’eau se vaporise à une température supérieure à 100°C

à 100°C inférieure à 100°C cela dépend (réponse à détailler si elle est choisie) …………………

………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………

L’eau bout à une température supérieure à 100°C à 100°C inférieure à 100°C cela dépend (réponse à détailler si elle est choisie) …………………

………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………

La vaporisation et l’ébullition sont en fait deux termes désignant le même phénomène. Vrai Faux

L’eau liquide, la glace et la vapeur d’eau ne peuvent pas coexister.


peuvent coexister sous certaines conditions (A préciser)

………………………………………………………………….. Autre(réponse à détailler si elle est choisie)

………………………………………………………………….. Rendre cette feuille.

L’eau dans tous ses états ! La structure de cette activité, indiquée en caractère gras, devra être reportée sur votre feuille. Travailler avec une feuille double. II. Le gel, le verglas : la transformation de l’eau liquide en eau solide (glace).

Tube à essais

Thermomètre Manipulation 1.

Prendre un tube à essai rempli avec environ un millilitre d’eau. Bécher 250mL Y plonger un thermomètre. Mettre le tube à essai dans le mélange réfrigérant constitué de glace pilée et de sel (Cinq généreuses spatules de sel).

Mélange glace pilée + sel

Noter l'évolution de la température en fonction du temps. (On peut par exemple procéder à un relevé toutes les 30 secondes et durant ………………………………………).

Eau

ATTENTION : Le niveau d’eau dans le tube à essai doit être nettement en dessous du niveau du mélange

réfrigérant. Le tube à essai doit rester constamment plongé dans le mélange réfrigérant. Cependant, pour voir l’état physique sous lequel l’eau y est présente, on le sortira «légèrement et très brièvement ». Quand le thermomètre commence à être pris dans la glace, il faut veiller à ne plus le bouger pour ne pas briser ni la glace, ni le thermomètre !

Noter les résultats et l'aspect physique du mélange dans un tableau. Tracer la représentation graphique de l'évolution de la température en fonction du temps. Y reporter

l'aspect physique du mélange Noter vos observations.

Et si on laissait fondre notre glaçon ? Autrement dit, que dire du passage de l’état solide à l’état liquide ? Manipulation 2.

Pour répondre à cette question, retirer du mélange réfrigérant, le tube à essais contenant la glace et le thermomètre puis le placer sur un portoir (vérifier la stabilité !).

De manière qualitative, vérifier que : • la température augmente jusqu’à 0°C en quelques secondes, les premières gouttes d’eau liquide

apparaissent alors. • La température reste à 0°C pendant plusieurs dizaines de minutes, jusqu’à ce que la glace ait

entièrement fondu. • La température augmente alors de nouveau rapidement jusqu’à atteindre la valeur de la température de

la salle.

On se contentera de jeter quelques coups d’œil de temps en temps pour vérifier ces trois affirmations, tout en s’occupant de la suite… Interprétation des deux manipulations.


D’une manière générale, si deux corps sont en contact, le corps chaud cède de la chaleur au corps froid, le corps chaud se refroidissant (éventuellement) et le corps froid se réchauffant (éventuellement). A noter qu’un corps chaud n’est pas forcément chaud comme on peut l’entendre mais il est chaud vis-à-vis d’un autre corps… Idem pour le corps froid…

En vous appuyant sur ce commentaire, essayer d’interpréter, en terme d’échange de chaleur entre deux corps, d’une part les diminutions ou augmentations de température observées, d’autre part les phases où la température reste constante (palier de température), pour les deux transformations suivantes. Interprétation du passage de l’eau liquide à l’eau solide.

Rédiger une réponse sur votre feuille. Interprétation du passage de l’eau solide à l’eau liquide.

Rédiger une réponse sur votre feuille. Manipulation 3. En ce qui concerne le mélange réfrigérant, le sel a été introduit à la glace car ce mélange a la propriété d’être plus froid que la glace seule.

Proposer sur votre feuille une expérience simple prouvant cette affirmation. Réaliser cette expérience. Noter vos observations.

Manipulation 4 : Le salage des routes : Pourquoi utiliser du sel ?

Faire une hypothèse à ce sujet. Proposer sur votre feuille une expérience et les observations à faire pour valider ou non cette hypothèse. Montrer au professeur votre proposition. Réaliser l’expérience. Noter vos observations. Conclure.

III. L’hiver, lorsqu’il fait froid, les étendues d’eau fument ! la transformation de l’eau liquide en eau vapeur. Manipulation 5 : Plonger un morceau de bois (ou verre …) dans le bêcher se trouvant sur la plaque électrique chauffante sur la paillasse du bureau et contenant une eau à 80°C. Laisser le quelques minutes. Le ressortir. Ouvrir (un peu !) une fenêtre et placer (sans le lâcher !) le morceau de bois à l’extérieur. Observer.

Noter vos observations. Interpréter. Conclure.

IV. Pourquoi est-il difficile d’obtenir des œufs durs en très haute montagne ? A partir d’une certaine altitude, les alpinistes ne peuvent plus faire cuire d’œufs durs, bien que l’eau dans laquelle les œufs sont immergés bout. A quoi cela est-il dû ? Manipulation 6 : Mettre un peu d’eau dans un ballon, puis le chauffer. Attendre que l’eau arrive à ébullition. La laisser bouillir quelques instants. Fixer une pince sur le ballon. Le retirer. Le poser sur son valet en le tenant toujours avec la pince. Boucher le ballon. Observer l’eau. Le passer sous l’eau froide. Observer de nouveau.


Noter vos observations. Quelle grandeur physique (à l’intérieur du ballon fermé) est modifiée lorsque l’on place le ballon sous l’eau froide ?

Proposer sur votre feuille le nom de cette grandeur physique ainsi qu’une expérience permettant de le prouver. Indiquer le matériel nécessaire.

Montrer au professeur votre proposition pour validation. Réaliser l’expérience. Noter vos observations. Conclure pour le paragraphe III.

V. Diagramme présentant les trois états de l’eau. (Voir annexe 4)

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MODELISATION DU DEPLACEMENT DES MOLECULES EN PHASE GAZEUSE

On considère une enceinte dans laquelle se déplacent n molécules. Le but de ce TD est d'écrire un programme informatique pour simuler les déplacements et les chocs des molécules entre elles et contre les parois. Dans un second temps, on pourra faire varier la température extérieure et la pression exercée sur le gaz par l'intermédiaire d'un piston supportant une masse correspondant à un poids P. Chaque groupe sera chargé d'écrire une fonction particulière (voir liste des fonctions en annexe 1). Les différentes fonctions seront ensuite rassemblées dans le programme maître. Votre travail se déroulera de la façon suivante :

prise en main du logiciel SciLab ; étude mathématique de la fonction à construire ; écriture de l'algorithme dans l'éditeur de texte de SciLab ; chargement de l'algorithme dans SciLab et débuggage syntaxique ; vérification mathématique minutieuse de la fonction créée.

Il faut être certain que la fonction fait exactement ce qu'on attend qu'elle fasse. Une fois que tous les sous-programmes sont intégrés au programme maître, il est beaucoup plus difficile de localiser la source des erreurs. Les étapes du programme principal (algorithme « choc à choc ») sont les suivantes :

Pour chaque molécule, détermination de la date du prochain choc contre une paroi : CHOC_PAROI. Pour chaque couple de molécules, recherche d'un choc éventuel et calcul de la date en cas de réponse positive :

CHOC_MOLECULES ; tri des réponses obtenues pour déterminer la date t0 du premier choc qui aura lieu (soit contre une paroi, soit entre deux

molécules) : TRI ; affichage du déplacement des n molécules jusqu'à la date du premier choc : AFFICHAGE ; calcul de l'état du système immédiatement après le choc : pour chaque molécule, calcul de la position à la date t0 : POSITION (traité en exemple à la fin du document) pour chaque molécule qui rebondit sur la paroi, détermination de la vitesse après le choc : REBOND_PAROI ; Pour chaque couple de molécules qui s'entrechoquent, détermination des vitesses après le choc : REBOND_MOLECULES ;

En plus de ces procédures, on utilisera une fonction DEGRE2 pour résoudre les équations du second degré , une fonction VARIABLES_GLOBALES pour calculer les macro-variables physiques du système (pression et température) et une fonction HAUTEUR_PISTON pour calculer la hauteur du piston après une modification du poids de celui-ci. HYPOTHÈSES PHYSIQUES

les molécules sont assimilées à des sphères dures ; entre deux chocs , les molécules se déplacent à vitesse constante ; leur trajectoire est donc un segment de droite ; les chocs sont élastiques. Les chocs sur une paroi se traduisent par une symétrisation du vecteur vitesse par rapport à la paroi ; les

chocs entre molécules se traduisent par une symétrisation de vecteurs vitesses (*1) par rapport à la tangente commune aux deux sphères ;

la température est proportionnelle à la moyenne des énergies cinétiques(*2) des n molécules ; la pression exercée sur chaque paroi est la somme des impulsions(*3) reçues par la paroi, suite aux chocs des molécules, par

unité de surface et par unité de temps. (*1) Il s'agit des vitesses des molécules pour un observateur qui serait situé juste au milieu, entre les deux. (*2) L'énergie cinétique d'un point de masse m, se déplaçant à la vitesse v est 1/2mv². (*3) L'impulsion donnée par un point de masse m percutant une paroi est m �(v) où �(v) représente la différence des vecteurs vitesse avant et après le choc. LE LOGICIEL SCILAB Dans ce qui suit, les lignes commençant par une invite (->) doivent être tapées directement dans la fenêtre d'exécution du logiciel. Les autres instructions sont à écrire dans l'éditeur de texte puis à charger dans SciLab. Affectation : x=(4*5+1)^2/3*sqrt(4)

y=x/100; -> x=3 y,y+1,y+2 -> y=x+2 x=7 -> x=3; Enregistrer, charger dans SciLab -> y=x+2, x=10 Fonctions -> A=[10,20,30] Utiliser l'éditeur -> A(1), A(2), A(3) function y=f(x) -> B=[10,20,30;3,4,5] y=x^2 -> B(2,2) endfunction -> size(B),size(B, »r »),size(B, »c » »)

Utilisation de l'éditeur de texte pour écrire une suite de Enregistrer, charger dans SciLab commandes : -> f(3),f(4),f(x),x

Tests Lancer l'éditeur (menu EDITOR), utiliser l'éditeur taper :


function y=g(x) y=0 if x==3 then end y=100 endfunction elseif x> 3 then Enregistrer, charger dans scilab y= 1000 -> g(2), g(3), g(4) else Argument(s) : vx, vy : vitesse de la molécule ;

paroi : nom (numéro) de la paroi ; LE PROGRAMME Valeur : v : matrice 1 x 3 v = [vitesse horizontale après le choc, vitesse verticale, impulsion].

Les constantes et variables ci-dessous peuvent être utilisées, en lecture, dans tous les sous-programmes.

Où impulsion est l'impulsion exercée sur le piston, sinon 0. Constantes Commentaires : L'impulsion mémorisée permet le calcul de la pression interne sur le piston.

Nord=1, Est=2, Sud=3, Ouest=4. Nombres de molécules : Nb_mol ;

REBOND_MOLECULES Rayon des molécules : R_mol ; Description : v = REBOND_MOLECULES (x1, y1, vx1, vy1, x2, y2, vx2, vy2)

Variables globales Hauteur du piston : H_piston.

Argument(s) : x1, y1, x2, y2 : positions des deux molécules étudiées ;

Poids du piston et température extérieure : Param_ext Positions et vitesses des molécules : Etat

vx1, vy1, vx2, vy2 : vitesses des deux molécules ; Pression et température intérieure : Etat_glo Valeur : v : matrice 1 x 4 Toutes les fonctions sont notées en majuscules, les variables

globales avec une majuscule en première lettre, les variables locales en

v = [vx1, vy1, vx2, vy2] nouvelles valeurs des composantes des vitesses après le choc. minuscules. Commentaires : tout ce passe comme si les deux molécules rebondissaient sur leur plan médiateur. Si

CHOC_PAROI Description : choc = CHOC_PAROI (x, y, vx, vy)

v1 et v2 sont les vitesses des deux molécules avant le choc et I leur milieu, celui se

Argument(s) : x, y : position de la molécule étudiée ; vx, vy : vitesse de la molécule ;

déplace à la vitesse v I = (v1+v2)/2. Pour déterminer la vitesse v2' de la deuxième molécule après le choc, on

Valeur : choc : matrice 1x2 choc = [ description de la paroi, instant du 1° choc de la molécule sur une des parois]. imagine un observateur situé sur ce plan P au futur point

d'impact (et oui, il faut faire parfois des sacrifices, Commentaires : L'enceinte a pour dimension 10 x h x d où h est la hauteur du piston et d le diamètre des molécules Il faut mais c'est pour la science !), c'est à dire au point I. Il voit alors

venir sur lui la molécule 2 avec une vitesse calculer les dates des chocs contre les parois et retourner la première d'entre elles avec le numéro de la paroi v2 – v I , rebondir et repartir avec une vitesse symétrique v2' – v

I. correspondante. Pour calculer le symétrique d'un vecteur v par rapport à un plan caractérisé par son vecteur normal(*), n ,

Exemple : choc = [ Ouest, 1.31 ] : dans 1,31 unités de temps la molécule va percuter la paroi ouest.

vous utiliserez la fonction SYM : w = SYM(n, v). CHOC_MOLECULES (*) Vecteur normal au plan P : vecteur perpendiculaire et de longueur 1.

Description : choc = CHOC_MOLECULES (x1, y1, vx1, vy1, x2, y2, vx2, vy2)

DEGRE2 Argument(s) : x1, y1, x2, y2 : positions des deux molécules étudiées ; Description : x = DEGRE2 (a, b, c)

Argument(s) : a, b, c : réels ; vx1, vy1, vx2, vy2 : vitesses des deux molécules ; Valeur : x : plus petite solution positive, si elle existe, de l'équation ax²+bx+c=0 ; sinon 0.

Valeur : choc = [ <instant du choc entre les 2 molécules>]. Commentaires : L'évolution de la distance entre les deux molécules permet de déterminer si elles vont se percuter ou non. Si oui,

Commentaires : On trouve facilement sur internet la méthode de résolution de cette équation du 2nd degré. Traiter tous les cas de il faut renvoyer la date du choc, sinon on renvoie 0. figure. Exemple : choc = [1.31] signifie que dans 1,31 unités de

temps les deux molécules vont se percuter. VARIABLES_GLOBALES Description : etat_glo = VARIABLES_GLOBALES(impulsion, duree, etat_glo)

choc = [ 0 ] signifie que les deux molécules étudiées ne se percuteront pas.

Argument(s) : impulsion = nouvelle impulsion, à ajouter aux précédentes ;

TRI Description : date = TRI (chocs)

durée = temps écoulé depuis le calcul précédent. A ajouter à la durée totale.

Argument(s) : chocs : matrice de l'ensemble des dates des chocs potentiels.

etat_glo = [impulsion totale, duree totale, pression sur le piston, température interne] où :

Valeur : date : première (plus petite) date figurant dans la matrice des chocs.

impulsion totale = somme des impulsions reçues par le piston depuis la remise à zéro ;

Commentaires : Pour répéter plusieurs fois la même opération, utiliser l'instruction for i=1:n ; ....... ; end

duree totale = temps écoulé depuis la remise à zéro ; qui signifie : pour i variant de 1 jusqu'à n, faire ..., fin. Valeur : etat_glo. REBOND_PAROI

Description : v = REBOND_PAROI (vx, vy, paroi) Découverte Scientifique – Option en seconde - Lycée Follereau (Belfort) – Page 26

vx, vy : vitesse de la molécule Commentaires : - la température est proportionnelle à la

moyenne des « énergies cinétiques » (Ec = 1/2mv²) des différentes

t_choc : date du choc Valeur : m = position au moment du choc (matrice 1x2 ). Commentaires : Les molécules se déplacent à vitesse (vectorielle) constante entre deux chocs. Leurs trajectoires sont donc des segments de droite.

molécules. Comme on suppose ici que toutes les molécules sont identiques et de masse unité, la température intérieure sera donc modélisée par la moyenne des carrés des vitesses des molécules. Ces vitesses sont

Analyse mathématique disponibles dans les colonnes 3 (pour les abscisses) et 4 (pour les ordonnées) de la matrice Etat. chaque ligne de Si M0 est la position de la molécule à l'instant 0 et si V est sa

vitesse vectorielle, sa position à l'instant t = t_choc, est M(t) = M0 + t *

cette matrice correspond à une molécule différente. - la pression interne est la somme des impulsions dues aux chocs rapportée à l'unité de surface et à l'unité de V.

Soit, en coordonnées cartésiennes, x(t) = x0 + t*Vx temps. y(t) = y0 + t*Vy En trait plein, les

vitesses, vues depuis I, avec (x(t), y(t)) coordonnées du point M(t), avant le choc, en (x0, y0) coordonnées du point M0, pointillé, les vitesses (Vx, Vy) coordonnées du vecteur vitesse V, après le choc. Traduction algorithmique HAUTEUR_PISTON function m = POSITION(x, y, vx, vy, t_choc) Description : h2 = HAUTEUR_PISTON (h1, p1, poids) // calcul de la position de la molécule à la date t_choc Argument(s) : h1 = hauteur du piston avant modification ; x = x + vx * t_choc p1 = pression interne avant modification ; y = y + vy * t_choc poids = poids total du piston après modification. // écriture de la valeur à retourner Valeur : h2 : hauteur du piston pour laquelle la pression

intérieure (due au chocs des molécules) équilibre exactement la

m=[x,y] endfunction

pression due au poids du piston. Commentaires : si on augmente la masse du piston, la pression exercée par celui-ci sur le gaz va être supérieure à la pression

Encore un peu plus de détails ci-dessous.

intérieure due aux chocs des molécules contre la paroi interne du piston. Par conséquent, le piston va descendre

function choc=CHOC_PAROI(x,y,vx,vy) jusqu'à une nouvelle position d'équilibre qu'il faut calculer. La

pression interne est égale à la somme des // Horizontalement : EMILIE, JUSTINE // à t = 0, la molécule est en x avec une vitesse vx ; les abscisses des parois sont 0 et 10. impulsions crées par les chocs des molécules rapportée à

l'unité de surface et à l'unité de temps. La surface du if vx <0 then choc1=[Ouest,(R_mol-x)/vx] piston ne peut pas varier et, si on suppose que la température ne varie pas donc que globalement les vitesses des elseif vx > 0 then choc1=...........................

else choc1=[0,0] molécules demeurent les mêmes, alors les impulsions seront identiques quelques soient la hauteur du piston. end

// Verticalement : GAËLLE, STÉPHANIE Finalement, lorsque la hauteur du piston diminue, seule la fréquence des chocs va être modifiée. Intuitivement, // à t = 0, la molécule est en y avec une vitesse vy ; les

ordonnées des parois sont 0 et H_piston. on sent bien en effet que plus l'enceinte sera petite, plus les chocs sur les parois seront fréquents. Pour le if vy <0 then choc2=[Sud,(R_mol-y)/vy]

elseif vy > 0 then choc2=........................... mesurer plus précisément, considérer une molécule quittant la paroi Nord (le piston) sous un angle � et else choc2=[0,0]

end effectuant 1, 2 ou 3 rebonds avant de revenir sur cette même paroi. A chaque rebond, il y a une symétrie par // Il reste à déterminer quel est le premier choc non nul

if choc1(2) == 0 then choc=choc2. rapport à une des parois. Si on ne fait pas ses symétries, on ne modifie pas la distance parcourue puisque les elseif choc2(2) == 0 then choc =choc1

elseif choc1(2) < choc2(2) then choc = choc1 symétries conservent les distances. Avantage : on obtient un déplacement de la molécule en ligne droite (faire else choc = choc2

end quelques figures). Il est alors facile de calculer la distance totale parcourue par la molécule entre deux rebonds endfunction

function t_choc=CHOC_MOLECULES(x1,y1,vx1,vy1,x2,y2,vx2,vy2) // GEOFFREY, REMI

sur le piston en fonction de la hauteur h de celui-ci et de l'angle �. De là, on peut en déduire comment va être modifiée la fréquence des chocs si, par exemple, la hauteur du piston est divisée par deux. Comme la fréquence dx=x1-x2

dy=y1-y2 des chocs est, d'après ce qui a été dit plus haut, proportionnelle à la pression interne, on obtient la relation entre dvx=vx1-vx2

dvy=vy1-vy2 la pression interne et la hauteur h du piston. Cela permet finalement de calculer la hauteur d'équilibre pour une a=...........................

b=........................... pression extérieure donnée. c=........................... POSITION t=DEGRE2(a,b,c) Description : m = POSITION (x, y, vx, vy, t_choc) end Argument(s) : x, y : position de la molécule avant le choc ;

Découverte Scientifique – Option en seconde - Lycée Follereau (Belfort) – Page 27 endfunction

function w=REBOND_PAROI(vx,vy,paroi) // TONY, MATHIEU if paroi==Est vx=........................... vy=........................... elseif paroi == Sud vx=........................... vy=........................... // VINCENT, SEBASTIEN elseif paroi == Ouest vx=........................... vy=........................... elseif paroi==Nord vx=........................... vy=........................... // l'impulsion est le produit de la masse de la molécule (=1) // par la différence des vitesses avant/après le choc. // Elle permet de calculer la pression exercée par les molécules sur la paroi Nord (le piston). impulsion=............... end w=[vx,vy,impulsion] endfunction function v=REBOND_MOLECULES(x1,y1,vx1,vy1,x2,y2,vx2,vy2,r) //Molécule 1 JEAN-BAPTISTE, JORDAN // vitesse du point I vx_I = .......................... vy_I = .......................... // vitesse relative de la molécule1 par rapport au point I (avant le choc) vx1_I=.......................... vy1_I=.......................... // vecteur orthogonal au plan tangent( utilisé pour définir la symétrie) nx = .......................... ny = .......................... // à l'aide d'une symétrie, on obtient lavitesse relative de la molécule1 // par rapport au point I après le choc et on en extrait ses 2 coordonnées v1_I = SYM(nx, ny, vx1_I, vy1_I) vx1_I= v_I(1) vy1_I= v_I(2)

// vitesse absolue de la molécule1 après le choc vx1 = .......................... vy1 = .......................... //Molécule 2 FRANÇOIS, ALEXIS // vitesse du point I vx_I = .......................... vy_I = .......................... // vitesse relative de la molécule2 par rapport au point I (avant le choc) vx2_I=.......................... vy2_I=.......................... // vecteur orthogonal au plan tangent( utilisé pour définir la symétrie) nx = .......................... ny = .......................... // à l'aide d'une symétrie, on obtient lavitesse relative de la molécule2 // par rapport au point I après le choc et on en extrait ses 2 coordonnées v2_I = SYM(nx, ny, vx1_I, vy1_I) vx2_I= v_I(1) vy2_I= v_I(2) // vitesse absolue de la molécule1 après le choc vx2 = .......................... vy2 = .......................... // valeur renvoyée par la fonction v=[vx1, vy1, vx2, vy2] endfunction AMANDINE, MAEVA function x=DEGRE2(a,b,c) // Remarque 1 : le coefficient a transmis par Rémi et Geoffrey est toujours positif ou nul. // Remarque 2 : si il y a 2 solutions strictement positives,vous renverrez la plus petite des 2, // sinon, dans tous les autres cas, vous renverrez 0. Donc x = 0 est la valeur par défaut. x = 0 if a > 0 then delta=........................... if delta > 0 then x1 = ........................... x2 = ...........................

if ........................... x = ........................... else x = ...........................

end end end endfunction

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Quels volumes de banquise se forment- fondent chaque année en Antarctique ? Quelles sont les conséquences planétaires ?

Le continent antarctique a une superficie équivalente à celle de l'Europe. Les images utilisées couvrent un ensemble de 6000 Km sur 7500 Km. Pour un canal, le satellite mesure des valeurs numériques correspondent à des radiations réfléchies Observation d'une image d'été et d'une image d'hiver (Utilisation du logiciel TITUS Win) Image Choisir l'image (avant de valider le choix : cocher garder actif) ANTMO2 : février 88, le continent étant masqué (les précipitations sous forme de neige y sont faibles) Image Choisir un canal : cliquer sur le seul disponible puis valider Réaliser le même travail pour : ANTMO9 : septembre 88, le continent étant masqué Réaliser sur le même écran l'affichage juxtaposé des 2 images été et hiver. Affichage Mosaïque verticale Travail sur les pixels une image étant active (une seule des 2 .....) Zoom maxi en cliquant sur le bouton + Analyser Valeurs numériques Extraction numérique du fichier donne un tableau de valeurs numériques (à déplacer) Chaque carré correspond à un pixel ( 25 Kmx 25 Km) Mettez en relation l'aspect de l'image et le contenu du tableau pour tirer une conclusion Fermer le tableau et reprendre zoom 1 pour l'image. Comparaison des 2 images masquées d'été et d'hiver (à juxtaposer) pour évaluer les volumes d'eau impliqués dans la formation de la banquise et sa fonte. Une image ( prendre soin de cocher garder actif avant de valider) et son canal étant choisis : Analyser Découper l'histogramme (16 classes possibles correspondant à 16 couleurs) Manuel : on répartit les pixels en quelques classes caractérisées par une gamme de valeurs numériques et repérées par une couleur. On se déplace dans l'histogramme avec , le bouton" délimiter" permet de valider une classe de pixels (information relative à l'effectif des pixels et à la couleur attribuée dans la partie droite de l'écran). Noter les effectifs de classes et la couleur choisie dans le tableau ci-dessous. Puis réaliser la visualisation de l'image sur un demi-écran en cliquant sur le bouton (à 2 yeux) En été

objet limites de classes (valeur) couleur effectif (nb de pixels)

continent + erreurs 0 à 79 (noir) non pris en compte

eau 80 à 128

glace et eau 129 à 167

glace âgée au dessus de 167 Réalisez le même travail pour l'image d'hiver qui sera visualisée sur l'autre demi écran

objet limites de classes (valeur) couleur nombre de pixels

continent + erreurs 0 à 79 (noir) non pris en compte

eau 80 à 114

glace et eau 115 à 155

glace jeune 156 à 187

glace âgée au dessus de 187 L'exercice est réussi quand les 2 fenêtres sont juxtaposées avec des couleurs comparables.... Evaluez , par le calcul, la surface qui fond - qui est prise en glace chaque année. Comparez avec la surface de la France (550 000 km2) Evaluez le volume concerné, sachant que la banquise a une épaisseur moyenne de 1m. Quelles sont les conséquences planétaires ?


N.B. Ne pas conserver les modifications apportées aux images en quittant le logiciel....

Retour au planning Retour au sommaire Annexe 4 : La transdisciplinarité.

La transdisciplinarité se trouve à différents niveaux :

Au sein des raisonnements pour une grande partie. Sur une question quelconque posée au sein du thème de l’eau, la réponse faisant intervenir des activités liées

au diverses disciplines scientifiques (au moins deux). A l’intérieur même d’un activité comme le montre la fiche ci-dessous concernant le diagramme d’état de

l’eau. En effet, l’enseignant de mathématiques joue un rôle dans l’explication de l’échelle du graphique (fonction log …), celui de sciences physiques dans l’explication du contenu physique et celui de sciences de la vie et de la Terre dans une utilisation concrète du graphique.

Diagramme présentant les trois états de l’eau.

Exemples de questions posées, les problèmes des échelles des axes venant progressivement.

En ce qui concerne la ligne qui délimite les états solide et liquide, les deux diagrammes d’état de l’eau sont-ils contradictoires ? Justifier.

En vous appuyant sur le diagramme de droite, dire sous quel état l’eau est présente, pour les points A, A’, A’’ ? pour les points B, B’ ? pour les points C, C’ ? pour les points D, D’ ? pour les points E, E’ ? pour le point B’’ ? pour le point O ?

Que faut-il donc systématiquement préciser lorsque l’on veut indiquer la température d’un changement d’état, si on veut que notre indication ait un sens ? Le tableau ci-dessous présente les températures et pressions atmosphériques à la surface de deux planètes et de la Lune. Planète Température en surface (°C) Pression atmosphérique (Pa) Terre De –90 à + 50

Moyenne : Environ 15 Environ 105

Mars De –140 à +20 Moyenne : Environ -30

Environ 500

Lune De –180 à +120 0 (Pas d’atmosphère) Utilisez le graphique et le tableau pour déduire sous quel(s) état(s) peut se trouver l’eau sur Terre, sur Mars,

sur la Lune. Retour au dialogue


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Annexe 5 : Evolution sur l’année

(Organisation des activités et comportement des élèves). Découpage de l’option sur l’année en trois parties : Il était prévu de procéder en trois parties découpées approximativement comme les trois trimestres de l’année scolaire.

i plus

• La troisième partie offre à l’élève la possibilité de réaliser un « mini-projet ». Il se pose une question (une petite !) et élabore la démarche pour y répondre. Les contraintes imposées sont de faire intervenir deux disciplines et au moins une expérience. Le thème de l’eau n’est à priorimposé.

• La seconde partie propose des TP plus ouverts où certaine étape du protocole doivent être élaborées, la question de départ étant toujours fournie aux élèves.

• La première consiste à réaliser des TP guidés où la question est donnée et le protocole entièrement décrit. Il doit être mis en application puis analysé.

Choix des TP. Dans le choix des TP à proposer, la principale difficulté est de faire intervenir les trois disciplines en même temps. Les faire intervenir sur une question assez large qui entraîne plusieurs TP est un peu plus aisé bien que pas toujours évident. C’est pourquoi le thème de l’eau, après la première réflexion, avait été retenu. Il semblait se prêter correctement à l’intervention des trois disciplines avec des liens entre activités donc à la réalisation d’un projet d’ensemble cohérent. Globalement, pour chaque TP de 2h, une matière parmi les trois était dominante, les autres intervenant mais dans une moindre proportion, un découpage à part égal étant très difficile. Comportement des élèves. Pendant la première période, aucun souci à noter quant à l’enthousiasme face à une manipulation quelle qu’elle soit. En revanche, la partie analyse du protocole (Pourquoi fait-on cela ? Qu’apporte cette expérience à la question posée ? Certaines expériences réalisées étaient elles inutiles ? Est-il possible de faire autrement ?…) est négligée voire ignorée. Lors de la seconde phase, toujours aucun problème pour agir mais la réflexion leur fait toujours peur. La réflexion nécessaire avant l’action les « fatigue ». A priori, ils aimeraient faire des sciences avec uniquement des manipulations !… On sent une lassitude naître, lassitude à mettre sans doute en relation avec des choix d’orientation qu’effectuent les élèves au second trimestre. Lors de la troisième étape de notre progression, un regain de motivation a vu le jour. La « totale » liberté laissée pour la réflexion en est peut-être la cause mais on observe tout de même un investissement très différent selon les groupes. A noter que pris par le temps (une fois n’est pas coutume !) - certaines activités de la deuxième partie ayant été plus longues que prévu - il n’a pas été laissé le temps aux élèves de définir leur propre question lors de cette


troisième phase de l’année. Certaines questions bien ciblées auxquelles une réponse peut être donnée en quelques semaines leurs ont été proposées. Le choix d’autres questions restant possibles à condition qu’elles soient définies rapidement et qu’une réponse puisse être établie en quelques semaines. On note maintenant plus de temps passé à réfléchir qu’à agir. On remarque néanmoins la présence chez certains élèves de fausse réflexion avec des « semblants de recherche »… C’est sur cette partie qu’on peut essayer d’estimer les progrès réalisés. Mais il est difficile d’évaluer les progrès chez un élève qui a « abandonné » et qui s’investit superficiellement. En tout état de cause, cette partie a été très bénéfique chez les élèves motivés même s’il s’agit d’élèves ayant eu pas mal de difficultés auparavant.

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Annexe 6 : Evaluation des élèves. Là se trouve une des tâches les plus délicates rencontrées cette année. N’ayant pas de savoirs à tester, on a du mal de faire cette évaluation. Le caractère très facultatif de cette option fait qu’il n’y a rien d’exigible ! On rappelle que les élèves sont volontaires et que le choix de ne pas mettre de notes avait été décidé, afin de ne pas leur mettre la pression. Finalement, l’absence de notes les a plutôt perturbés en début d’année où ils étaient demandeurs de cette notation chiffrée. Cependant, ils s’y sont habitués en cours d’année. La raison de cette accommodation est différente selon les élèves. Pour une partie, il s’agit là d’une bonne raison de ne pas travailler (à la maison), pour d’autres cette absence de notation a souligné l’importance de l’apprentissage de la méthodologie plutôt que des connaissances brutes. Vis-à-vis de l’attitude générale du groupe, l’absence de notes n’a pas été un problème pour la première moitié de l’année mais en a été un pour la seconde. En effet, l’option, sans notes, a moins d’importance au conseil de classe et donc elle peut être négligée sans que cela ait des conséquences en terme de moyenne… On peut tout de même se demander à ce stade si c’est l’absence de notes qui a entraîné un moindre investissement ou si c’est plutôt les choix d’orientation effectués au cours du second trimestre. On voulait évaluer en quelques sortes des savoirs faire expérimentaux mais cela reste très difficile puisque les activités successives ne font pas intervenir les mêmes gestes. Alors comment évaluer les progrès ? On s’est donc limité à l’évaluation de l’investissement (envie de chercher) et à sa qualité, notamment la qualité de la réflexion scientifique mise en jeu. Le troisième trimestre a vu le jour d’une note évaluant pour une partie l’investissement annuel et pour une autre, la réflexion, la présentation et les manipulations effectuées lors du mini-projet. Pour terminer, on signalera que dans les discussions avec certains collègues, le fait de ne pas mettre de notes est synonyme d’absence de travail de la part des enseignants qui encadrent cette option ! Absence de notes ne signifie pas absence d’évaluation… Quand cesserons nous d’être prisonniers des chiffres pour évaluer ?

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Annexe 7 : Résultats des élèves au sein des disciplines scientifiques et leurs orientations.

Moyennes annuelles en mathématiques des élèves et de leurs classes

02468

101214161820

élèv

e 1

élèv

e 2

élèv

e 3

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e 4

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e 5

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e 6

Cla

sse

1à6

élèv

e 7

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élèv

e 9

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e 10

élèv

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Cla

sse

7à13

élèv

e 14

élèv

e 15

élèv

e 16

Cla

sse

14à1

6

Moyennes annuelles en SVT des élèves et de leurs classes

02468

1012141618

élèv

e 1

élèv

e 3

élèv

e 5

Cla

sse

1à6

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élèv

e 12

Cla

sse

7à13

élèv

e 15

Cla

sse

14à1

6


Moyennes annuelles en sciences physiques des élèves et de leurs classes

02468

1012141618

élèv

e 1

élèv

e 3

élèv

e 5

Cla

sse

1à6

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e 8

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e 10

élèv

e 12

Cla

sse

7à13

élèv

e 15

Cla

sse

14à1

6

Orientation en fin de seconde Dix élèves sur les seize estiment pouvoir aller en première S. Les orientations effectives sont les suivantes.

Première S : 8 Première STL : 1 Première STI : 2 Première ES ou STL (élève devant choisir) : 1 Première STT : 1 Redoublement : 3

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Annexe 8 : Perception de l’option par les élèves. A l’unanimité, les élèves pensent avoir mieux compris ce qu’est la démarche scientifique. Treize estiment que l’approche de l’activité scientifique a été différente de ce qu’ils ont vu par ailleurs. Dix estiment que l’on a montré comment se font les sciences de façon plus détaillée que ce qui est fait en tronc commun. En ce qui concerne la présence des trois enseignants, elle est jugée utile par treize des élèves du groupe, les trois autres ne se prononçant pas. En justification sont citées bien évidemment le fait d’être aidé plus rapidement, les connaissances différentes des enseignants, mais aussi leurs approches différentes d’une même question, des approches très souvent complémentaires. Enfin signalons surtout qu’ils estiment que c’est cette présence qui leur a mieux fait comprendre le lien entre les trois disciplines. Ainsi l’objectif initial du développement de l’esprit scientifique peut être considéré comme atteint. Il s’agit bien d’un développement, ce dernier n’étant bien évidemment pas achevé. Le lien fait maintenant entre les disciplines est le témoin de ce développement. On pourrait également considérer l’objectif de familiarisation avec la démarche scientifique atteint puisqu’ils pensent tous avoir mieux compris ce qu’elle est. Mais les activités de fin d’année montrent une réflexion pas toujours très élaborée. Ainsi, la compréhension de cette démarche est un fait, son application en est un autre. D’autre part, susciter l’envie de chercher, de se poser des questions était un autre but. Celui-ci est atteint pour seulement dix élèves. Un échec ? Peut-être pas, mais il est difficile d’en juger. Une première réponse serait de dire que six élèves n’ont plus cette envie. Est-ce dû à ce qu’ils ont fait au sein de l’option ? Est-ce dû à leurs résultats dans les disciplines scientifiques ? Quoiqu’il en soit, le bilan serait vraiment positif s’ils avaient tous gardé cette envie de chercher même s’ils ne vont pas dans la filière scientifique suite à leurs mauvais résultats dans les matières du tronc commun. Citons deux cas, l’un étant positif, l’autre plutôt négatif (vis-à-vis de l’option). *Une élève garde une très bonne impression de ce que sont les sciences mais va en première ES (mauvais résultats en mathématiques et sciences physiques). *Un élève a d’excellents résultats dans les disciplines scientifiques mais a choisi d’aller en première STI alors qu’il demandait une première S au second trimestre (Changement de vœu par peur du travail à fournir en première S ???). N’aurions-nous pas pu (dû) motiver cet élève ? Paradoxalement le goût de l’activité scientifique reste présent chez des élèves n’ayant pas forcément cette envie de chercher. L’explication réside dans le fait que pour eux, l’action, la manipulation est l’élément essentiel de cette activité, la réflexion étant d’un autre domaine. Explications possibles : Certaines réflexions trop difficiles ont entraîné une chute de la motivation ; Le travail progressif sur la mise en place de ces réflexions n’a pas été mené aussi bien que cela avait été prévu.


En effet, la succession des séances avec un intervenant principal différent nous a contraint à imposer un rythme peut-être trop important au début de l’année, ne laissant peut-être pas assez de temps aux élèves sur les parties réflexion. Avec du recul on constate que la seconde partie de l’année avec ces travaux plus ouverts, n’était peut-être pas si ouverte que ça ! Le niveau des élèves étant très différent, cela a entraîné des rythmes très différents. Les plus lents n’avaient alors pas le temps de bien comprendre ou/et alors les plus rapides ne voulaient pas toujours se lancer dans une réflexion plus approfondie (ou activité supplémentaire) et préféraient attendre et alors se lassaient d’attendre. Il est donc envisagé d’éviter de mettre tout le monde face à la même activité et d’aller plus rapidement à « l’individualité » Concernant le thème de l’eau, la moitié des élèves ont trouvé cela ennuyeux au bout d’un certain temps alors qu’il s’agissait d’un prétexte d’initiation scientifique, ce thème se prêtant assez bien à des activités qui non seulement faisaient intervenir les trois disciplines mais étaient de plus liées les unes aux autres pour une bonne partie. Signalons enfin que seuls trois élèves attribuent un bilan global négatif à leur vécu au sein de l’option. Voyons cela comme un encouragements puisque huit des participants à l’option ne continuent pas dans la filière scientifique. Il y en a donc cinq qui ne vont pas dans cette filière qui ont su tirer profit de leur passage en découverte scientifique !...

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Annexe 9 : Notre vécu à trois. L’avis du professeur de sciences physiques. Habitué à m’entretenir avec des collègues de ma discipline sur des problèmes ponctuels, je l’étais beaucoup moins à l’égard des collègues des autres disciplines scientifiques. Ainsi travailler avec un collègue de mathématiques et un de sciences de la vie et de la Terre était nouveau pour moi. Pas de problème pour se concerter sur telle ou telle activité mais alors il n’est pas évident de « faire cours » devant eux. Pas évident au début et ceci d’autant plus qu’un a priori venait me contrarier : ils sont nécessairement plus expérimentés que moi du fait de leur âge plus avancé ! Mais finalement je me suis très vite habitué à leur présence. C’est une expérience très enrichissante que ce soit au niveau des connaissances (scientifiques, culturelles) que j’ai découvertes (ou redécouvertes) en travaillant les activités proposées par mes collègues, ou des pratiques mises en jeu au sein de deux autres disciplines, pratiques qu’il est bon de connaître pour continuer la transdisciplinarité même quand on est seul dans son cours de sciences physiques. Quelquefois, on pense que l’activité qu’on a préparée pour les élèves est au point, et ce, jusqu’à ce qu’on la leur fasse faire et où l’on découvre des petits problèmes. On l’améliore alors par la suite. La concertation des collègues au cours de l’élaboration de mes activités a permis de les améliorer (les activités !) avant même de les présenter aux élèves. Là est incontestablement un atout majeur dans l’efficacité pédagogique. Je ne pense pas qu’une concertation avec des collègues de ma discipline aurait été aussi efficace puisqu’au sein d’une discipline, on a très souvent la même vision des « choses » tandis que les collègues non experts dans notre discipline discernent mieux les problèmes que peuvent rencontrer les élèves. Je vous invite donc, cher lecteur, à en faire de même. Le point de vue de l’enseignant de SVT : En début d’année, je connaissais peu les collègues de mathématiques et de sciences physiques impliqués en « découverte scientifique ». Il n’était donc pas évident que nous pourrions travailler ensemble. Je n’ai pas perçu de conflits en cours d’année ni pour les préparations des interventions en cours d’heure de concertation, ni par les échanges de courriels relatifs aux projets d’intervention ni en cours de co-interventions. Ces dernières ont été systématiques et se sont déroulées dans un climat de bonne entente. Il m’a paru très intéressant de pouvoir ainsi connaître un peu les pratiques des deux autres disciplines.

- Les échanges ont été fructueux. Par exemple, sur un document qui paraissait « classique » en SVT : le graphe relatif aux 3 états de l’eau (pression- température) a montré que nous n’utilisions pas toujours le même langage dans les cours traditionnels (problème d’échelles).

- L’utilisation fréquente des TICE m’a aussi personnellement enrichi : découverte du logiciel Scilab et aussi une meilleure connaissance du tableur

- Le fait de connaître les élèves dans une situation qui était différente de celle du cours classique et aussi de celle des TPE est également un aspect, professionnellement, enrichissant.

Il semble que le bon fonctionnement en cours d’année de l’équipe ait été favorisé par : - L’heure de concertation prévue dans l’emploi du temps (juste avant l’intervention avec les

élèves) Cette heure a été systématiquement utilisée. - Le fait que chacun des 3 enseignants soit utilisateur des TICE


Le mot de l’enseignant de mathématiques. La collaboration avec les collègues des autres disciplines scientifiques et les interventions conjointes, permet de bien cerner les différents modes de pensée qui sont utilisés et attendus des élèves : on est parfois surpris d'être fort mal à l'aise face à un travail demandé à un élève de seconde. Cela permet de mesurer les difficultés que peuvent rencontrer les élèves à zapper d'un cours à l'autre tout au long d'une journée d'école et lève le voile sur leur réticence fréquente à emprunter les ponts qu'on leur propose (lorsque je propose une activité à support issu des sciences physiques, je le fais à la manière du prof de maths qui n'est pas la même que celle de mon collègue). Inversement, on est gêné de ne pas être immédiatement compris par les collègues : mon discours n'est-il pas limpide ? D'après les réponses au questionnaire bilan, il semble que les élèves aient apprécié d'avoir "en temps réel" les réponses, différentes, des trois enseignants à la même question. Concernant les contenus, nous étions d'accord pour opposer au cloisonnement disciplinaire proposé par l'institution scolaire une approche plus globale des savoirs. C'est pourquoi, en mathématiques, l'accent a été mis sur les démarches de modélisation et de simulation qui montrent bien l'intérêt de travailler en équipe pluridisciplinaire. Mais ces démarches demandent souvent des outils que ne possède pas un élève sortant de collège. Résultat, l'activité de recherche mathématique proprement dite a été assez réduite ainsi que, par manque de temps, la phase finale de vérification des résultats. Enfin, il me paraît intéressant de signaler que l'option a mis en évidence d'autres liens disciplinaires : les recherches de documents scientifiques sur la toile nécessitent souvent une connaissance minimale de la langue anglaise et surtout, les comptes rendus d'activité demandés systématiquement aux élèves ont fait apparaître leurs lacunes dans la maîtrise du français ...

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Conclusion. Cette année de découverte scientifique a sans doute été trop axée sur la découverte du raisonnement, de la réflexion scientifique. A priori, cette approche arrive un peu trop tôt dans leur cursus scolaire. A la vue de leur bon investissement face aux manipulations, il semblerait qu’il faille rester plus « mains à la pâte » et être plus modeste sur les réflexions mises en jeu. Afin de mieux gérer l’hétérogénéité du niveau et des goûts des élèves, il faut éviter de les mettre tous face à la même activité et aller plus rapidement à « l’individualité ». Ainsi, l’an prochain, le découpage de l’année se fera sans doute en trois parties : Une partie de présentation, d’approche des sciences. Une autre où les élèves devront construire une réponse à une question donnée par les enseignants (projet préétabli) Un troisième au cours de laquelle l’élève devra définir un projet. Les choix d’orientation de fin de second trimestre ayant engendré une baisse de motivation, le début du grand projet devrait se faire à cette période pour accentuer l’investissement des élèves. Parlons d’un autre responsable de la baisse de motivation, le thème de l’eau. Ce thème avait été choisi afin de faire de la transdisciplinarité dans l’activité. Du fait de l’apparition au bout d’un certain temps d’un ennui face à un thème imposé, il peut être plus simple de voir la transdisciplinarité dans les raisonnements mis en jeu au sein des trois disciplines, les thèmes abordés étant alors très divers. Mais alors n’oublions pas qu’il faut rester modeste dans ces raisonnements. Pour motiver davantage les élèves pour les sciences il semblerait qu’il faille être plus sur le terrain, avec des professionnels. Les élèves doivent voir que les gestes, les raisonnements du lycée se retrouveront (peuvent se retrouver) plus tard dans la vie professionnelle. Pour favoriser ces sorties, un choix d’activités plus ciblées doit être fait pour qu’elles s’y prêtent plus. Mais un premier bémol, il n’y a pas beaucoup de scientifiques dans le coin ! Le choix des activités permettant de rencontrer un scientifique est donc limité. Un second bémol, les élèves faisant partie de trois classes, la sortie doit tenir sur les deux heures de l’option sous peine de perturber les cours des enseignants de ces trois classes ! Nous envisageons de mettre des notes aux élèves (une par période) pour maintenir un peu plus de pression, vers la fin de l'année notamment, et permettre une reconnaissance du travail effectué (lors des conseils de classe). En dernier lieu, rappelons que les élèves estiment positive l’action de l’option sur eux. Est-ce vraiment le cas ? Le suivi de ces élèves en classe de première au cours de l’élaboration de leur Travail Personnel Encadré (TPE) peut sans doute apporter des éléments de réponse à cette question. En effet, en les comparant aux autres élèves sur divers points tels que la rapidité de définir un sujet, la facilité d’y incorporer deux disciplines, la présence des maths, la qualité de la réflexion…, des effets positifs de cette option pourront peut-être être identifiés. Mais pour que les conclusions soient probantes, il faut que l’échantillon d’étude soit représentatif ! Ils étaient que seize au départ. La moitié d’entre eux seulement fera des TPE l’an prochain compte tenu des diverses orientations. Une réponse sérieuse ne pourra donc voir le jour que si l’action et l’étude qui vous ont été décrits dans ce rapport sont renouvelées sur plusieurs années… Tout ce qui a été dit ne peut donc être assimilé à un bilan final de cette option mais seulement à un rapport d’étape puisque nous aurons à priori la chance de continuer l’an prochain. Affaire à suivre…



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Résumé succinct de l’étude

Sujet : Compte rendu d'une option scientifique facultative ouverte au Lycée FOLLEREAU (90) en 2003-2004. Objectif : accroître le recrutement des premières scientifiques et, au delà, d'attirer les jeunes vers des carrières scientifiques. Niveau : seconde (option SVT) Modalités : 2 heures de cours par semaine pour les 16 élèves sélectionnés sur dossier. Intervention de 3 enseignants (mathématiques, physique-chimie, sciences de la Vie et de la Terre)

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Mots clés. Chimie, Démarche scientifique, Interdisciplinarité, Mathématiques, Option sciences, Physique, Sciences de la Vie et de la Terre, Seconde.

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Documents

Découverte Scientifique – Option classe de seconde - … fin d’année lorsque les élèves vont réaliser un mini-projet. Ils pensent suivre également les élèves en classe