Catherine pense que les objets légers flottent dans l’eau alors que les objets lourds coulent. Jacques n’est pas d’accord. Il rappelle à Catherine que de gros navires comme les pétroliers peuvent flotter sur l’eau. Qu’en penses-tu ?
But - Faire une enquête sur la flottabilité des objets
Question - D’après toi, pourquoi certains objets réussissent-ils à flotter dans l’eau alors que d’autres objets coulent au fond de l’eau ?
Matériel
- Bécher ou contenant de verre
- Eau
- Contenant de film 35 mm ou tout autre contenant hermétique
- 25 pièces de 1 cent
- Balance à ressort (250g)
- Balance à plateaux
- Cylindre gradué
- Mesure le volume du contenant et indique la valeur dans ton tableau de résultats.
- Remplis le contenant d’eau. Trouve la masse de celui-ci à l’aide d’une balance à plateaux.
- Inscris la valeur trouvée dans ton tableau.
- Vide le contenant.
- Place quelques pièces de monnaie dans le contenant et place le couvercle en t’assurant qu’il est bien étanche. Trouve la masse (contenant le plus de pièces de monnaie).
- Place le contenant dans l’eau du bécher et indique dans ton tableau s’il flotte ou s’il coule.
- Si le contenant flotte, estime le pourcentage du contenant qui est sous la surface de l’eau. Note ce pourcentage dans ton tableau.
- Si le contenant coule au fond du bécher, utilise une balance à ressort pour mesurer la masse du contenant sous l’eau (le contenant ne doit pas toucher le fond du bécher pendant cette mesure).
- Répète les étapes 4 à 7 en ajoutant une pièce de monnaie à chaque essai.
- Pour chacun de tes essais, calcule la masse volumique (contenant le plus de pièces) en g/cm3. N’oublie pas que 1 ml = 1 cm3.
Résultats
Volume du contenant = _____________cm3
Masse du contenant rempli d’eau =____________g
Les flotteurs
Masse avec pièces de monnaie (g) |
% du contenant sous la surface de l'eau |
Masse volumique (g/cm3) |
Contenants qui coulent au fond
Masse avec pièces de monnaie (g) |
Masse apparente dans l'eau (g) |
Masse volumique (g/cm3) |
Interprétation des résultats
- Comment décrirais-tu la relation entre la masse des contenants qui flottent et le pourcentage du contenant sous l’eau?
- Quelle est la masse volumique du premier contenant qui coule au fond de l’eau. Compare cette masse volumique à celle de l’eau qui est de 1 g/cm3. Que remarques-tu ?
- D’après toi, un objet qui possède une masse volumique supérieure à l’eau peut-il flotter dans l’eau ?
- Examine les résultats des contenants qui coulent au fond du bécher. De combien leur masse est-elle réduite lorsque le contenant est complètement dans l’eau ?
- Le contenant semble ainsi avoir une perte apparente de poids dans l’eau. Il y a donc une force qui pousse le contenant vers le haut. Documente-toi sur le principe d’Archimède pour comprendre d’où vient cette force qui semble pousser le contenant vers le haut.
- Explique maintenant pourquoi un bateau en acier peut flotter sur l’eau même s’il possède une très grande masse.
Guide de l’enseignant
Cette activité est conçue pour le programme de 8e année dans le thème des fluides.
Connaissances
- Analyser quantitativement la masse volumique de diverses substances.
Habiletés
Formulation du problème et planification
- Formuler des questions qui découlent de problèmes pratiques (p. ex. : Quels facteurs affectent le poids de la charge que peut supporter une péniche?)
Production et enregistrement des données
- Utiliser de façon efficace et avec exactitude des instruments de collecte de données (p. ex. : utiliser une balance, un cylindre gradué, etc.).
Analyse et interprétation
- Appliquer des critères donnés à l’évaluation des résultats et des sources de renseignements
Différents objets placés dans un réservoir d'eau vont soit flotter, couler ou rester entre deux eaux. C'est la flottabilité. L'eau exerce une force qui pousse vers le haut, alors que la gravité exerce une force vers le bas (poids de l’objet). Lorsqu'une pierre est déposée dans l'eau, elle déplace une certaine quantité d'eau en même temps que l'eau exerce une certaine pression sur la pierre. Cette pression n'est pas la même; étant donné que le bas de l'objet est plus profond que le haut, les forces agissant au bas sont plus grandes que celles agissant dans le haut. Le résultat est une force poussant vers le haut nommée la force de flottabilité aussi connue sous le nom poussée d’Archimède.
Archimède, un savant de l’Antiquité, se rendit compte que, lorsqu'un objet est immergé, il déplace une quantité d'eau de même volume que celui de l'objet. Une balle placée dans un réservoir d'eau déplace une quantité d'eau égale à son volume. Archimède trouva une relation entre la force de flottabilité et l'eau déplacée. Cette relation est le principe d'Archimède : la grandeur de la force de flottabilité d'un objet le poussant vers le haut est égale au poids de la quantité d'eau déplacée par l'objet. Les objets flottent seulement quand leur poids, qui les pousse vers le bas, est inférieur à la force de flottabilité, qui les pousse vers le haut. Lorsque l’élève ajoute des pièces de monnaie, le poids total (contenant le plus de pièces) augmente et l’objet doit déplacer plus d’eau pour flotter. Un plus grand pourcentage du volume se trouve sous la surface de l’eau.
Le poids d'un objet dense, comme un bloc d'acier, est plus important que la poussée et donc, l'objet coule. La forme joue aussi un rôle dans la détermination de la flottabilité. Une masse ayant une forme de boule va couler au fond de l'eau, tandis qu'un objet plus plat, va flotter.
Le poids de la boule est plus élevé que la force de flottaison puisque la quantité d'eau déplacée est minime. Un objet plus plat, comme un bol, déplace plus d'eau, La force de flottabilité augmente et l'objet flotte. Varier la forme d'un objet fait varier la quantité d'eau déplacée et sa capacité à flotter.
Une boule d’acier va couler mais si on lui donne la forme d’un bateau, il pourra déplacer plus d’eau et subir une force vers le haut qui lui permettra de flotter. C’est ce que l’élève doit arriver à comprendre.
1- Matériel
- Cuvette à eau
- Verre
- Eau colorée
- Morceau de papier essuie-tout
Que faire?
- Fais une grosse boule avec le morceau de papier essuie-tout.
- Place le papier dans un verre de façon à ce que le papier reste dans le fond du verre.
- Remplis une cuvette d’eau.
Questions
Hypothèse Qu’arrive-t-il si on plonge, à l’envers dans de l’eau, un verre qui contient un morceau de papier au fond ? Pourquoi?
Essaie-le
Observations
Justification Comment peux-tu expliquer tes observations ?
Est-ce que l’air exerce une pression sur les objets?
2- Matériel
- Verre rempli d’eau
- Morceau de carton
- Cuvette
Que faire?
- Remplis un verre avec de l’eau jusqu’au bord.
- Place le morceau de carton sur l’ouverture du verre.
- Tiens le verre d'une main et renverse le verre tout en tenant le morceau de carton de l’autre main. Assure-toi d’être au-dessus d’une cuvette ou d’un évier.
Questions
- Hypothèse Qu’arrive-t-il à l’eau dans le verre lorsqu’on tourne le verre, l'ouvertrure en bas, si tu enlèves ta main qui retient le carton ? Pourquoi?
Essaie-le
Observations
Justification Comment peux-tu expliquer ce que tu observes ?
Qu’arrivera-t-il à la règle ?
3-Matériel
- Règle de 30 centimètres
- Page de journal
Que faire?
- Place la règle de 30 centimètres sur une table ou un comptoir de manière à ce qu’une partie de la règle (environ le tiers) dépasse le bord de la table.
- Donne un coup avec l'aide de ta main sur la partie de la règle qui ne repose pas sur la table.
- Place un morceau de papier journal sur la section de la règle qui repose sur la table.
- Donne encore un coup sur la partie de la règle qui dépasse.
Questions
- Hypothèse Qu’arrive-t-il à la règle si tu lui donnes un coup alors qu’elle est partiellement recouverte d’une feuille de papier journal ? Pourquoi ?
Essaie-le
Observations
Inférence Comment peux-tu expliquer ce que tu observes ?
Va plus loin
Fais une recherche sur les instruments utilisés pour mesurer la pression atmosphérique.
Guide de l’enseignant
Les élèves ne se rendent pas toujours compte que l’air occupe de l’espace et qu’il est composé de particules de différents gaz qui exercent une pression sur les parois de leur contenant. La notion de pression atmosphérique n'est pas familière pour plusieurs élèves.
Cette séquence de trois expériences devrait précéder l’apprentissage du principe de Bernoulli et du vol en 5e année. Elle peut aussi être introduite au module de météorologie en 5e année pour mieux faire saisir la notion de pression atmosphérique. Elle peut aussi être utilisée pour amorcer l’étude des gaz en 6e année.
Il est recommandé, avant d’amorcer cette série d’expériences, de faire ressortir les conceptions préalables des élèves à propos des gaz en les questionnant :
De quoi est fait l’air ?
Est-ce que l’air occupe de l’espace ?
Est-ce que l’air est en mouvement dans la pièce ? Est-ce que l’air nous frappe ?
Que veut dire le mot pression ? Donne des exemples où une pression est appliquée ?
Résultats d’apprentissage spécifiques
Connaissances
- Décrire des situations démontrant qu’un gaz occupe de l’espace et exerce une pression.
- Regrouper des objets et des substances en solide, liquide ou gaz, selon leurs propriétés.
Habiletés :
- Suivre les procédés.
- Faire des observations et recueillir des données sur une question ou un problème donné.
- Tirer une conclusion à partir des données fournies par des recherches et des observations personnelles, et qui répond à la question initiale.
- Déterminer des outils, des instruments et du matériel pour effectuer ses recherches (p. ex. : déterminer des instruments tels le thermomètre, le pluviomètre, l’anémomètre et le baromètre).
Concepts scientifiques
Première expérience
L’élève devrait se rendre compte que le papier essuie-tout ne se mouille pas parce que l’eau ne vient pas en contact avec le papier étant donné la présence de l’air qui occupe un volume dans le verre.
Deuxième expérience
C’est la pression exercée par l’air qui prévient la chute du morceau de carton. En effet, une plus grande surface du carton est soumise à la pression de l’air autant sur la face inférieure du carton que sur la face supérieure. La pression exercée par l’air est plus forte que la pression exercée par la colonne d’eau dans le verre qui repose sur la face supérieure du carton.
Troisième expérience
Si on place un morceau de papier journal sur la règle, on augmente la surface qui est soumise à la pression de l’air. Par conséquent, même si on applique un bon coup à la règle, celle-ci sera retenue par la pression que l’air exerce sur le papier journal et non par le poids ou la masse du papier journal comme pourraient le croire certains élèves.
Huit activités touchant au principe de Bernoulli sont présentées dans le document ci-dessous
Question
Qu’est-ce qui va se produire quand tu approches le dos d’une cuillère près d’un filet d’eau qui sort d’un robinet. Pourquoi ?
Essaie-le
- Tiens une petite cuillère entre le pouce et l’index.
- Ouvre un robinet afin que l’eau forme un jet régulier.
- Approche lentement le dos de la cuillère près du filet d’eau.
Observations - Note tes observations.
Justification - Comment fais-tu pour expliquer ce qui s’est produit?
Va plus loin
Prédis ce qui va se produire sur un rideau de douche, lorsque tu laisses couler l’eau du pommeau de douche. Explique ton raisonnement.
En admettant que l’air et l’eau sont des fluides, prédis la direction vers laquelle va se diriger le rideau d’une fenêtre si on ouvre cette fenêtre.
Guide de l’enseignant
Cette activité peut être utilisée pour introduire le principe de Bernoulli dans le thème du vol en 5e année ou en tant qu'activité d’intégration.
La cuillère semble être aspirée par le jet d'eau, alors que la majorité des élèves s’attend à ce qu'elle soit repoussée par le jet qui frappe sa surface bombée.
Cet effet s’explique grâce au principe de Bernoulli qui s’énonce comme suit : lorsque que la vitesse d’un fluide augmente, la pression exercée par le fluide diminue. Le filet d’eau voyage rapidement et met l’air en mouvement à proximité. L’air qui voyage sur la surface courbée de la cuillère, exerce donc une pression moindre sur cette surface courbée que la pression exercée par l’air sur l’autre côté de la cuillère. La cuillère est alors aspirée dans le filet. On constate donc l’effet d’une différence de pression.
Il en va de même pour l’air qui circule sur la surface courbée d’une aile d’avion. L’air qui frappe l’aile en mouvement, voyage plus rapidement sur la surface supérieure courbée de l’aile et exerce une pression moindre que l’air qui circule sur la face inférieure de l’aile.
Si on suit la même ligne de pensée, un rideau de douche sera aspiré vers l’intérieur de la douche puisque l’eau qui coule met l’air en mouvement dans la douche. On observe le même phénomène sur un rideau de fenêtre lorsqu’on ouvre la fenêtre (circulation des courants d’air à l’extérieur de la fenêtre).
Pour avoir accès à plusieurs de ces activités pédagogiques, tu dois avoir le logiciel Adobe Reader. Tu peux te procurer gratuitement ce logiciel en cliquant sur le site suivant :
1-Activités pédagogiques du site TFO : Le Canada dans l’espace.
Présente des activités pédagogiques pour faire découvrir les propriétés de l’air et les principes du vol des cerfs-volants, fusées et avions.
2-Activités pédagogiques de l’agence de l’efficacité énergétique du Québec
Ce site contient des activités de laboratoire sur les thèmes suivants :
- l’effet de serre
- l’énergie solaire
- les isolants
- le système de chauffage d’une école
http://www.aee.gouv.qc.ca/jeunesse/eure/activites/activites.jsp
3-Le coin de Rafale (Développement durable, Environnement et Parcs Québec)
Propose des activités sur le réchauffement de la planète.
http://www.menv.gouv.qc.ca/jeunesse/chronique/2004/0411-chang_clim.htm