Le soleil éclaire et chauffe : défi 1
« Comment chauffer de l’eau grâce au soleil ? »
Objectifs :
Défi : « Comment faire chauffer de l’eau, avec une température la plus élevée possible, en utilisant uniquement le soleil et du matériel à disposition ? »
Défi facile à relever : l’eau chauffera toujours, mais ce qui est le plus intéressant dans cette expérimentation, ce sont les conditions ou paramètres qui sont les plus pertinents pour élever au maximum la température.
Matériel à disposition :
Dispositif : les élèves travaillent par groupe de 3. Pourquoi ? le matériel requiert un travail de groupe. Le nombre trois, impair, permet de se mettre d’accord en cas de conflit. Le binôme est conseillé dans des classes difficiles.
Consigne : dessinez et expliquez comment vous allez vous y prendre pour relever le défi. Vous notez ce qu’il vous faut sur une feuille A4, avec des feutres, en vous appliquant pour pouvoir mettre en commun.(Protocole expérimental) 20 minutes
Mise en commun : lors de celle-ci, le groupe-classe élimine souvent les propositions erronées. Ne subsistent que des hypothèses et des protocoles à expérimenter.
Mise en place des expériences : dans la cour ou dans une salle avec un projecteur. Il est intéressant d’avoir un appareil photo numérique pour garder une trace des expériences.
Mesurer la température de l’eau au début et ne pas omettre de la noter sur le protocole expérimental.
Réponses possibles à ce défi : quelques paramètres qui seront à tester par la suite
Synthèse : la construire avec les élèves. Cela permet d’évaluer la séance et ce qu’il en reste. Quelques idées :
Proposition : Le soleil est une source de chaleur, il permet de chauffer de l’eau. Pour que l’eau soit la plus chaude possible, plusieurs paramètres (conditions) semblent avoir de l’importance : la quantité d’eau, le nombre de miroirs utilisés, la taille, la couleur, le matériau et le bouchage du contenant utilisé, la distance par rapport à la source de chaleur … (et autres paramètres identifiés)
Plusieurs séances sont possibles pour tester les paramètres apparus ou qui vont apparaître au fur et à mesure. Pour chaque paramètre à tester il est intéressant de mettre au moins deux groupes d’élèves sur le même paramètre. Cela rallonge la séquence mais d’un point de vue scientifique, c’est plus conforme à la réalité. Deux groupes qui vont tester dans les mêmes conditions n’obtiendront peut-être pas tout à fait les mêmes résultats qu’il faudra bien sûr comparer : on aura alors une démarche proche de la rigueur scientifique.
« Quel dispositif pour améliorer la concentration des rayons ? »
Paramètre : nombre de miroirs utilisés.
Dispositif : deux groupes de trois.
Consigne : vous avez à tester le paramètre : « nombre de miroirs », quelle est votre hypothèse ?
Réponses possibles : «plus il y a de miroirs, plus l’eau chauffera. » ou « moins il y a de miroirs, plus l’eau chauffera. »
Quels protocoles allez-vous mettre en place ?
Réponses possibles : un groupe peut utiliser trois et cinq miroirs et l’autre deux et six miroirs ou plus. Chaque groupe doit avoir deux dispositifs afin de comparer l’effet « nombre de miroirs ». C’est grâce à cette comparaison que l’on pourra confirmer ou infirmer les hypothèses.
La disposition de ces miroirs aura aussi un effet sur l’augmentation de la température : apparaîtra ainsi un autre paramètre « la disposition des miroirs et le foyer du dispositif »
Investigation et mise en commun : comparaison des températures relevées pour un même temps donné.
Les réponses peuvent se présenter sous forme de tableau : ne pas imposer cette disposition car elle viendra d’elle-même.
Synthèse : ce qu’il faut retenir de cette séance
Plus il y a de miroirs utilisés plus l’eau chauffera.
C’est la concentration de la lumière du soleil à travers les miroirs qui augmentera la température de l’eau. La disposition des miroirs peut aussi avoir de l’importance. Il faut que les rayons se concentrent sur le contenant et que celui-ci soit placé au centre de cette concentration appelé foyer.
« La quantité d’eau a-t-elle une importance ? »
Présentation du paramètre à tester : vous avez dit que la quantité d’eau avait une importance et votre hypothèse est la suivante : « moins il y a d’eau plus celle-ci sera chaude ».
Consigne : quel protocole allez-vous mettre en place pour tester cette hypothèse ?
Vous avez l’habitude du matériel utilisé, listez-le, décrivez votre protocole expérimental.
Dispositif : groupes de trois élèves
Investigation et mise en commun : vérifier si chaque groupe propose bien deux volumes d’eau à comparer, s’il respecte les même conditions d’expérimentation (lieu de celle-ci, nombre de miroirs utilisés …) c’est à dire s’ils font bien varier un seul paramètre.
Synthèse : ce qu’il faut retenir de cette séance
Moins il y a d’eau à chauffer, plus la température de celle-ci augmente.
« Température et couleurs des contenants utilisés »
Objectif notionnel : la lumière est réfléchie par les couleurs claires et particulièrement le blanc et absorbée par les couleurs sombres et particulièrement le noir.
Présentation : vous avez dit que la couleur du contenant avait une importance. Ecrivez l’hypothèse que vous émettez.
Dispositif : Travail d’abord individuel (chacun écrit son hypothèse afin de se sentir impliqué dans l’expérimentation) puis regroupement par trois en fonction des couleurs choisies.
Protocole expérimental à décider en commun car s’il faut tester les couleurs, il faut aussi que les autres conditions soient les mêmes pour tous.
On décide donc d’un même volume d’eau (10 cl dans un bocal, moins dans un tube à essai)
Nombre de miroirs : 3 pour chaque groupe
Même lieu, même temps d’exposition …
Investigation et mise en commun sous forme de tableau, comparaison
Conclusion : la température la plus élevée est celle du pot noir, celle du pot blanc est la plus basse.
Pourquoi cela ?
Réponses possibles : la couleur blanche réfléchit la lumière alors que le noir l’absorbe. Plus la couleur est claire plus elle réfléchit la lumière, donc elle empêche la chaleur de « rentrer ».
On peut faire référence aux teintes des habits d’été et à celles d’hiver, aux couleurs des maisons dans les pays chauds.
« Le bouchage du contenant a-t-il une influence ? »
Présentation du paramètre, du dispositif et de la consigne :
vous avez évoqué qu’un pot bouché aurait une température supérieure à un pot ouvert. Vous avez du matériel à disposition. Par groupe de trois, vérifiez votre hypothèse. Notez vos résultats.
Intérêt de la séance : on évalue si la notion de paramètre est bien acquise. Les conditions d’expérimentations doivent être identiques avec uniquement deux contenants : l’un doit être bouché et l’autre pas.
Investigation et mise en commun : notre objectif étant de vérifier si tous les groupes ont intégré la démarche, le résultat de l’expérimentation ne sera pas d’une grande importance mais par contre les conditions doivent être toutes respectées.
Prolongement : Construction d’un objet technologique.
Construction possible d’un four solaire
Utilisation du four : faire cuire un œuf au plat ou dur.
« comment conserver la chaleur le plus longtemps possible ? »
Objectif notionnel :
certains matériaux conservent la chaleur plus que d’autres car ils sont isolants.
Présentation du défi :
Jusqu’à maintenant, nous avons fait chauffer de l’eau et nous avons remarqué que certaines propriétés des matériaux permettaient de chauffer plus ou moins celle-ci. Aujourd’hui, nous allons disposer tous d’eau chaude et nous allons essayer de conserver sa chaleur le plus longtemps possible.
Dispositif, consigne :
D’abord individuellement, réfléchissez à ce défi, imaginez une hypothèse et un protocole expérimental pour la vérifier (dessin et/ou écrits)
Puis mise en commun par trois
Réponses possibles : proposition de matériaux : la laine, le polystyrène, l’aluminium …
Investigation et mise en commun
Synthèse :
le polystyrène est le matériau qui permet de garder la chaleur le plus longtemps possible.
Faire référence à l’isolation des maisons.
Réinvestissement possible : « Comment conserver un glaçon le plus longtemps possible ? »
Même démarche que précédemment.
Utiliser l’électricité produite à partir du soleil. Défi 2 :
« Comment allumer une diode avec des cellules photovoltaïques ? »
Objectifs : utiliser des cellules photovoltaïques à la place des piles.
Pré-requis : Séquence électricité
Comment allumer une lampe avec une pile ?
Comment allumer une lampe loin de la pile (notion de circuit) ?
Comment allumer deux lampes loin de la pile (circuit parallèle et série) ?
Prolongement : Construction d’un objet technologique.
Construction d’un quiz solaire
Construction de voitures solaires
