Planifier l’enquête 13
L’air est notre exemple le plus familier de l’état de la matière que nous appelons gaz. Nous vivons immergés dedans et en dépendons pour rester en vie. Il est également invisible, pas particulièrement tangible, et peut être difficile à étudier. Mais, comme les solides et les liquides, l’air est une matière. Il a du poids (plus que nous ne l’imaginons), il occupe de l’espace et il est composé de particules trop petites et trop dispersées pour être visibles. L’air, un mélange de gaz, partage des propriétés avec la vapeur d’eau, la forme gazeuse de l’eau qui fait partie de l’air. Comprendre l’air nous aide à comprendre la vapeur d’eau.
Évaluation formative
Vos élèves peuvent-ils utiliser des données pour raisonner que l’air est une matière ?
Disponible en ligne sur inquiryproject.terc.edu
Vos élèves peuvent-ils utiliser des données pour raisonner que l’air est de la matière ?
Les entrées des carnets de notes contiennent des preuves que les élèves peuvent utiliser leurs données d’observation pour affirmer que l’air occupe de l’espace et a un poids et qu’il est donc de la matière.
Utilisez ces critères pour guider votre interprétation du travail des élèves :
Dessin annoté de seringues
- Le dessin montre-t-il que l’air est continu d’une seringue à l’autre en passant par le tube de raccordement ?
- L’annotation indique-t-elle que l’élève comprend que si on enlève de l’espace pour l’air dans une seringue, l’air doit aller ailleurs et, par conséquent, crée cet espace en poussant sur le piston de la deuxième seringue ?
Dessin annoté d’un ballon gonflé
- L’élève explique-t-il que lorsque le ballon avec de l’air supplémentaire pousse le plateau de la balance vers le bas, cela prouve qu’il y a une augmentation du poids qui doit provenir de l’air ajouté ?
Les étapes suivantes pourraient être une discussion sur des expériences de la vie quotidienne qui fournissent des preuves similaires que l’air prend de l’espace et a du poids. Par exemple, mettre de l’air dans un pneu pousse le pneu vers l’extérieur car l’air remplit l’espace et augmente le poids.
Les recherches des élèves sur les solides et les liquides ont fourni des preuves que ces matériaux ont un poids et prennent de l’espace et sont donc de la matière. Maintenant, les élèves cherchent des preuves que l’air (un gaz) a du poids et occupe de l’espace et est aussi de la matière. Cette enquête est la première d’une série de quatre dans lesquelles les élèves étudient les propriétés de l’air. Bien que nous puissions nous déplacer librement dans l’air, les élèves établissent que l’air occupe de l’espace lorsqu’ils manipulent un système de seringues couplées. Grâce à une démonstration convaincante de ballons, il est également établi que l’air a un poids.
À la fin de cette enquête, les élèves auront la preuve que l’air occupe de l’espace, a un poids et, par conséquent, est une matière. Les élèves seront initiés à l’idée que l’air est composé de particules trop petites et trop écartées pour être vues.
Objectifs d’apprentissage
- Comprendre que l’air occupe de l’espace, a du poids, et est une matière composée de particules trop petites et trop dispersées pour être vues
| Séquence d’expériences | ||
|---|---|---|
| 1. Posez la question | Toute la classe | 10 Mins | 2. Explorer l’air dans un système fermé | Pairs | 10 Mins |
| Toute la classe | 15 Mins | |
| 4. Donner du sens | Toute la classe | 10 Mins |
Matériel et préparation
Préparation :
- Coupez douze morceaux de 16 pouces de long dans la bobine de tube de 1/4 de pouce en plastique transparent
- Assemblez deux ensembles de ballons doubles de 16 pouces. Un ballon double est un ensemble de deux ballons, avec un ballon inséré dans l’autre ballon. Faire glisser les ballons sur l’extrémité gomme d’un crayon aidera à insérer un ballon dans l’autre.
- Appuyez fermement un bouchon en caoutchouc sur l’extrémité de la pompe à ballons (Voir photo).
- Pratiquez-vous à utiliser la pompe à ballons pour gonfler et nouer un double ballon. Seul le ballon intérieur a besoin d’être noué. Utilisez une main pour presser les ballons contre le bouchon en caoutchouc. De l’autre main, utilisez un mouvement rapide et continu de la poignée de la pompe pour gonfler le double ballon jusqu’à une taille quasi-maximale.
- Parfaitement équilibrer une balance à double plateau qui a un double ballon non gonflé dans chaque plateau.
Note : Si vous ne pouvez pas utiliser de ballons en latex dans votre classe, consultez la vidéo Ballons sur une balance à plateau en ligne sur inquiryproject.terc.edu, Programme d’études de 5e année, Liens rapides vers les ressources ou Enquête 13.
Pour la classe :
- Afficher la question d’enquête dans un endroit où tous les élèves peuvent la voir.
- Fiche de pointage 2 (voir les liens rapides des ressources)
- 1 balance à double plateau, parfaitement équilibrée avec un ballon double non gonflé dans chaque plateau
- 1 pompe à ballon avec un bouchon en caoutchouc inséré sur l’extrémité
- 2 ensembles de ballons doubles de 16 po
- Les ballons sur une vidéo de balance à plateau
Pour chaque groupe :
- 2 longueurs de 16po de tube 1/4 po en plastique transparent
- 4 seringues de 12cc
Dessin conceptuel
Le dessin conceptuel L’air a du poids est généralement utilisé comme évaluation formative à la fin de cette enquête.
Pages de cahier de notes
Présenter la question
Révision
Révision de certaines des idées importantes sur la glace, l’eau et les particules.
- Lorsqu’un récipient d’eau gèle, ou qu’un récipient de glace fond, le poids reste le même.
- Nous utilisons le poids pour mesurer et suivre la quantité de matière.
- Lorsque l’eau gèle, son volume augmente.
- Lorsque la glace fond, son volume diminue.
- Lorsque l’eau gèle ou la glace fond, les propriétés changent mais pas la matière.
- La glace et l’eau sont des états différents de la même matière.
- La condensation se forme à partir de la vapeur d’eau dans l’air.
- La condensation est l’inverse du processus d’évaporation.
- Les scientifiques pensent que toute la matière est constituée de particules trop petites pour être vues.
- Dans la glace, les particules sont verrouillées ensemble, même lorsqu’elles vibrent, et conservent leur forme.
- Dans l’eau, les particules glissent les unes sur les autres et entrent en collision, et prennent la forme de son contenant.
Demandez aux élèves s’ils souhaitent faire des ajouts ou des modifications.
Lancer le nouveau brin
Expliquer que les élèves sont sur le point de passer quatre cours de sciences à étudier l’air. Lorsque les particules sont agglutinées, nous pouvons voir la matière et utiliser nos outils de classe pour mesurer le poids et le volume. Lorsque les petites particules sont éparpillées, nous ne pouvons pas les voir. La vapeur d’eau est un exemple de matière dont les minuscules particules sont éparpillées de sorte que nous ne pouvons pas les voir. L’air est un autre exemple. L’air est en fait un mélange et la vapeur d’eau fait partie de l’air.
La question d’investigation d’aujourd’hui est :
L’air est-il de la matière ?
Les élèves ont mesuré le poids et le volume de matières solides et liquides, et ont établi qu’il s’agissait de matière. Aujourd’hui, les élèves utilisent quelques nouveaux outils alors qu’ils recherchent des preuves pour déterminer si l’air est ou non de la matière.
Explorer l’air dans un système fermé
Avant de distribuer les tubes et les seringues, rappelez aux élèves que si l’air est de la matière, il doit prendre de la place. Une question se pose :
Quelles sont les positions des élèves ? Assurez-vous d’entendre des élèves ayant des positions de chaque côté de la question. Demandez aux élèves de formuler une affirmation et de fournir les preuves ou le raisonnement sur lesquels leur affirmation est fondée.
Donnez à chaque paire d’élèves deux seringues et une longueur de 16 pouces de tube en plastique transparent, pour mettre en place le système suivant :
- Régler le piston de chaque seringue au milieu de son cylindre (la ligne des 6 cc).
- Pousser une extrémité du tube en plastique transparent sur le bout de chaque seringue.
Décrire cette mise en place comme un système.
- Les 2 seringues, le tube et l’air.
- Comme le système à 2 bouteilles, les seringues connectées forment un système fermé. Rien ne peut entrer ou sortir une fois que le système a été mis en place.
- L’extérieur de la tubulure et des seringues.
Les élèves explorent le système. Il ne faut pas plus d’une minute ou deux aux élèves pour explorer le fonctionnement du système. Il s’agit de les laisser expérimenter une situation dans laquelle l’air prend clairement de l’espace.
- Que se passe-t-il lorsque vous poussez un piston très lentement sans toucher l’autre piston ?
- Que se passe-t-il lorsque vous poussez un piston très rapidement sans toucher l’autre piston ?
- Vous trouvez des preuves que l’air prend de l’espace ?
Recueillez les seringues pendant que les élèves écrivent une réponse à la page dans leur cahier de sciences.
Peser des ballons
Le poids de l’air
Si vous écopez une tasse d’eau d’un grand pot, vous pouvez sentir son poids. Si vous reversez cette eau dans le pot, vous ne vous attendez pas à ce que ce poids fasse couler l’eau au fond du pot et qu’elle y reste, comme s’il s’agissait d’une pierre. L’eau de la tasse se mélangera au reste de l’eau et dérivera à travers celle-ci comme si elle était en apesanteur, car elle a la même densité que l’eau du pot.
Pour la même raison, toute quantité spécifique d’air dans l’atmosphère semble être en apesanteur. Cependant, l’air a un poids. La pression atmosphérique, dont nous entendons parler dans les bulletins météorologiques, résulte du poids de l’air. Comme nous vivons avec la pression de l’air tout autour de nous, et même à l’intérieur de nous (par exemple, dans nos poumons), nous ne la ressentons pas. Même les balances ne ressentent pas le poids de l’air, car elles sont complètement entourées par la pression de l’air.
Une façon de démontrer qu’un échantillon d’air a du poids est de le rendre plus dense que l’air environnant. Dans ce cas, l’échantillon s’enfonce dans l’atmosphère. L’air froid est plus dense que l’air chaud ; davantage de particules sont entassées dans chaque centimètre cube. Ouvrez la porte du congélateur et vous sentirez l’air froid se répandre vers le sol. L’air comprimé est plus dense que l’air non comprimé ; plus de particules sont tassées dans chaque centimètre cube.
Pourquoi un double ballon ?
Un ballon résiste à l’étirement, donc lorsqu’il est gonflé, il comprime les particules d’air plus près les unes des autres, rendant cet air plus dense que l’air non comprimé de la pièce. Un double ballon offre encore plus de résistance à être gonflé, et comprime les particules d’air encore plus près les unes des autres, rendant l’air enfermé suffisamment dense pour qu’une quantité de la taille d’un ballon fasse pencher la balance de la casserole.
Les élèves n’ont peut-être pas besoin de ces informations. La démonstration parle d’elle-même.
Rappellez aux élèves que si l’air est une matière, il doit avoir un poids. Une question s’impose :
- Non, on ne peut pas sentir l’air et il ne s’inscrit pas sur une balance.
- Oui, car mon ballon de foot semble plus lourd après que je l’ai gonflé d’air.
Quelles positions les élèves adoptent-ils ? Assurez-vous d’entendre les élèves ayant des positions de chaque côté de la question. Demandez aux élèves de faire une affirmation et de fournir les preuves ou le raisonnement sur lesquels leur affirmation est basée.
Montrez aux élèves les doubles ballons non gonflés placés de chaque côté de la balance à double plateau. Faites remarquer que les deux côtés s’équilibrent et qu’il y a donc des poids égaux des deux côtés. Ensuite, demandez aux élèves d’imaginer que les ballons d’un côté de la balance sont gonflés.
- Que va-t-on observer si l’air ne pèse rien ?
- Que va-t-on observer si l’air a un poids ?
Utiliser la pompe à ballons (avec le bouchon en caoutchouc) pour gonfler un ensemble de ballons doublés à sa taille maximale. L’utilisation d’une pompe à ballons pour gonfler un ballon évite d’ajouter l’humidité de vos poumons dans le ballon, ce qui permet d’établir le fait que l’air « sec » a un poids.
Fixez l’ouverture du ballon intérieur et remettez le double ballon gonflé dans la balance à double plateau. Le plateau avec le double ballon gonflé se déplace vers le bas.
Avons-nous la preuve que l’air a un poids ?
Les élèves notent leurs réponses sur la page de leur cahier de sciences.
Faire du sens
Note : les élèves peuvent prétendre que l’air a du poids et prend de la place uniquement lorsqu’il est dans un récipient. Est-il logique que le poids et le volume disparaissent une fois que le système fermé est ouvert ? Le poids et le volume de l’air sont plus faciles à percevoir et à mesurer lorsqu’il est dans un système fermé et c’est pourquoi nous avons utilisé les ballons dans cette enquête.
Objectif de la discussion
L’objectif de cette discussion est d’aider les élèves à donner un sens aux résultats des expériences d’aujourd’hui, qui fournissent la preuve que l’air a du poids et prend de l’espace. Les élèves peuvent avoir l’impression que les résultats d’aujourd’hui sont en conflit avec d’autres expériences qu’ils ont eues avec l’air. Orientez la discussion sur la question d’enquête : L’air est-il une matière ?
Engagez les élèves sur la question centrale ?
L’air est-il une matière ou non ?
- L’air occupe-t-il de l’espace ? Quelles sont vos preuves ?
- L’air a-t-il un poids ? Quelles sont vos preuves ?
Affirmation ou position : L’air occupe l’espace :
- Lorsque je prends une très grande bouffée d’air, ma poitrine se dilate.
- Un ballon gonflé prend plus de place qu’un ballon non gonflé.
Affirmation ou position : L’air ne prend pas de place :
- Je peux marcher dans l’air. (On peut aussi marcher dans l’eau, mais on est d’accord pour dire que l’eau prend de l’espace.)
- Lorsqu’une salle de classe est « remplie » d’air, comment peut-il y avoir de la place pour que les élèves y entrent ? (Contrairement aux seringues, la salle de classe est un système ouvert ; lorsque les élèves entrent, ils poussent une partie de l’air vers l’extérieur.)
Argument ou position : L’air a un poids :
- Lorsque nous avons ajouté de l’air à un ensemble de ballons, la balance est descendue du côté du ballon gonflé.
Claim ou position : L’air n’a pas de poids :
- Les balances n’enregistrent pas le poids de l’air.
- Nous ne pouvons pas sentir le poids même s’il y en a beaucoup au-dessus de nous.
Résumez la discussion et récapitulez l’enquête
Résumez les arguments pour chaque position. Voyez s’il y a un consensus pour l’argument selon lequel l’air prend de l’espace et a du poids, et donc, est de la matière.
Penser que l’air est de la matière, ce qui le place dans la même catégorie que le sable, le gravier et l’eau dans les mini-lacs, peut nécessiter un ajustement de notre pensée.
Rappeler aux élèves le sel dissous. Il est facile de penser que le sel est une matière, mais même après que les particules de sel soient devenues trop petites et trop écartées pour être vues, le sel a conservé son poids et il occupe toujours de l’espace : il a maintenu sa classification en tant que matière. C’est peut-être le lien le plus fort que les élèves peuvent établir entre l’air et une autre substance qu’ils acceptent comme matière.
Répétez le concept selon lequel l’air a un poids et occupe de l’espace, et est donc de la matière. La raison pour laquelle nous ne pouvons pas voir l’air est que les particules sont minuscules à une échelle difficile à imaginer et qu’elles sont très dispersées. Par une journée venteuse, nous avons plus de facilité à détecter la présence de l’air.
L’air a du poids Dessin animé conceptuel
Découvrez les dessins animés conceptuels dans la section Dessins animés conceptuels disponible dans la barre latérale.en cliquant sur l’onglet Évaluation en haut de la page d’accueil du programme de 5e année.
Ce dessin animé est conçu pour sonder les idées des élèves sur le poids comme propriété de l’air. Trois personnages de bande dessinée offrent des explications sur la raison pour laquelle il est plus difficile de frapper un ballon de football dégonflé qu’un ballon rempli d’air. Demandez aux élèves de vous suivre pendant que vous lisez à haute voix les questions et les instructions du dessin animé. Rappelez-leur de répondre aux avantages et aux inconvénients de chaque idée. Les réponses des élèves vous donneront un aperçu de leur compréhension des preuves que l’air a un poids et est une matière. Cette évaluation vous aidera à décider si la classe dans son ensemble ou les individus sont prêts à passer à autre chose ou s’ils bénéficieraient d’une révision ou d’une expérience supplémentaire avec les activités de la classe.