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© Magnard, 2017 – Physique Chimie Cycle 4 – Livre du professeur 13 CHAPITRE 1 É

© Magnard, 2017 – Physique Chimie Cycle 4 – Livre du professeur 13 CHAPITRE 1 États et changements d’état p. 12-37 Présentation du chapitre Ce chapitre complète l’approche macroscopique de la matière des cycles précédents en approfondissant l’étude des changements d’états, en construisant la grandeur-quotient masse volumique et en proposant une interprétation microscopique des états de la matière. C’est, en début de cycle, l’occasion d’encourager la curiosité (Activité 1 : quel pourrait bien être le principe d’un « gad- get » qui permet de vérifier le respect de la chaîne du froid ?), de consolider l’habileté expérimentale (Activités 5 et 7 : évolution du volume, de la masse et de la température lors d’un changement détat ) et de développer l’esprit critique (Activité 8 : on dit que les pâtes cuisent plus vite si l’on sale l’eau ; qu’en est-il ?). La grandeur quotient masse volumique est introduite de façon progressive en partant de situations ordinaires. L’idée qu’un plus grand volume correspond à une plus grande quantité de matière est déconstruite par la manipulation d’un verre doseur (Activité 2 : comment cuisiner avec un verre à moutarde ?) ou des expériences de fusion-solidification (Activité 5 : y a-t-il la même quantité de matière après fusion ?). On découvre l’intérêt d’une grandeur caractéristique d’une substance (Activité 3 : comment déterminer la masse volumique d’un matelas ?) qui permet de déterminer la masse d’un échantillon à partir de son volume et inversement. Une dernière activité vient rencontrer une probléma- tique plus citoyenne, celle de la sécurité routière (Activité 4 : peut-on transporter tout ce sable dans la voiture ?). On pourra, tout au long du cycle, intercaler l’une de ces activités d’introduction de la masse volumique ou de ces exer- cices en fonction des besoins. Au fil du cycle, la modélisation des états de la matière se construit en partant de celle de l’état gazeux, un état désor- donné et dispersé (Activité 6 : comment modéliser un gaz ?) pour envisager celles de l’état liquide (désordonné com- pact) et de l’état solide (ordonné compact). Les exercices (24, 25, 32, 37), en particulier l’exercice 8 consacré à cette compétence, permettent de travailler cette représentation particulaire. Réponse à la question d’ouverture du chapitre  Sur cette photographie, on reconnaît les états solide (icebergs) et liquide (mer). On ne voit pas mais on peut supposer que de l’eau est également présente à l’état gazeux (la vapeur d’eau contenue dans l’atmosphère). Activité 1 Comment savoir si des produits surgelés sont consommables ? INVESTIGATION Réponse à la consigne Pour le liquide rouge : de l’eau avec, par exemple, une goutte de colorant alimentaire rouge. Pour le liquide jaune : de l’eau colorée en jaune et salée dont la concentration sera celle de l’eau de mer. Une recherche sur Internet permet de savoir que la concentra- tion de l’eau de mer est d’environ 35 g de sel par litre). Pour le liquide vert : de l’eau colorée en vert et salée. La concentration sera comprise entre 35 et 350 g par litre. Pour le liquide bleu : de l’eau colorée en jaune et salée (concentration proche de 350 g pour 1 L) Remarque : On pourra faire réaliser des solutions de diverses concentrations. Chaque groupe d’élève teste une concentration différente. En début de cycle, on peut partir sur la réalisation de 1 litre de solution dans des bouteilles en plastique, ce qui permet de bien insister sur le fait qu’il ne s’agit pas de partir de 1 litre d’eau dans lequel on essaie de dissoudre, par exemple, 300 g de sel, mais d’obtenir un volume final de 1 litre. Cela oblige à mettre, par exemple, 350 g de sel au fond d’une bouteille avant d’y ajouter de l’eau. On visse le bouchon avant d’agiter. On complète avec de l’eau, le cas échéant (protocole utilisé en chimie avec une fiole jaugée). On cherchera la température de solidification en versant un peu de la solution à tester dans un tube à essai : on place le tube dans un mélange réfrigérant et l’on mesure sa température à l’aide d’une sonde. Commentaires pédagogiques • • Les élèves doivent comprendre le principe du FreezCube : les liquides colorés ont des températures de fusion différentes. • • Ils doivent ensuite se souvenir d’une connaissance du cycle 3 : la température de fusion de l’eau pure est de 0 °C. • • En lisant le document qui donne quelques tempéra- tures de solidification, les élèves infèrent que plus une eau est salée, plus sa température de solidification est basse. Ils doivent donc supposer que la solution verte a une concentration comprise entre celle de l’eau de mer et celle de la solution bleue. 14 © Magnard, 2017 – Physique Chimie Cycle 4 – Livre du professeur Activité 2 Comment cuisiner avec un verre à moutarde ? Réponse aux questions 1. Les deux unités utilisées sont le millilitre (mL) et le gramme (g). Le volume est la grandeur associée au milli- litre et la masse au gramme. 2. Le volume est la grandeur qui a toujours la même valeur quand on remplit le verre à ras bord. Quel que soit l’ingrédient, le volume occupé est la capacité du verre. 3. Un verre rempli à ras bord contient 150 g de riz. Pour réaliser sa recette, Nicolas a besoin de 300 g (soit 2 × 150 g) de riz. Nicolas doit donc remplir 2 fois le verre à ras bord. 4. Un verre rempli à ras bord contient soit 100 g de farine soit 140 g de sucre. Donc 100 g de sucre ne suffisent pas pour remplir un verre alors que 100 g de farine occupent la totalité de la capacité du verre. Donc 100 g de farine occupent davantage de place que 100 g de sucre. 5. Il est plus exact de dire que le verre permet d’évaluer la quantité d’ingrédient et non qu’il la mesure pour plu- sieurs raisons : • • il n’y a pas de graduations sur le côté du verre, donc si l’on veut 50 g de farine, on doit remplir le verre à moitié, mais il est difficile d’obtenir une quantité exacte ; • • selon que l’on tasse ou non les ingrédients, on n’obtien- dra pas la même quantité ; • • un même aliment peut avoir une granulométrie diffé- rente (sucre en poudre ou cristallisé, riz rond ou long etc.). Autant de facteurs qui rendent impossible une mesure précise. Activité 3 Comment déterminer la masse volumique d’un solide ? INVESTIGATION Réponse à la consigne • • La qualité de la mousse est liée à une grandeur dont la valeur est exprimée en g/cm3. Il s’agit de l’unité en laquelle peut s’exprimer une masse volumique. • • Il faut donc connaître la masse volumique de la mousse pour pouvoir dire quelle est sa qualité. • • Pour déterminer la masse volumique ρ de la mousse, on peut partir d’un échantillon du matériau dont on mesurera la masse m et le volume V ce qui permettra de calculer ρ. • • En comparant la valeur de ρ aux valeurs du document, on pourra dire quelle gamme Zora a choisie. Commentaires pédagogiques • • On trouve la mousse nécessaire à l’activité dans des magasins de tissus d’ameublement. À défaut, on peut utiliser certaines éponges du commerce dont l’aspect est voisin de celui de la mousse photographiée. Détermination du volume de l’échantillon • • Le matériel proposé peut inviter à une mesure par déplacement d’eau en utilisant le vase à débordement. On peut laisser les élèves essayer mais ils risquent de constater que le morceau de mousse flotte (certaines qualités n’absorbent pas l’eau), ou bien qu’il s’imbibe d’eau. Dans ce dernier cas, on constatera que l’eau déborde très peu. On peut ajouter au matériel un rouleau de film plastique avec lequel on peut envelopper la mousse, prévoir de l’imperméabilisant, etc. Si la mousse n’absorbe pas immédiatement l’eau (c’est le cas de cer- taines qualités) ou si on l’a enveloppée de film plastique, il faut l’enfoncer avec, par exemple, une pointe de crayon et déduire le volume du crayon du résultat final. Tout cela permet d’engager une véritable démarche expérimentale et de discuter les méthodes. • • Le plus simple semble ici cependant de tailler avec le cutter un morceau de mousse de forme simple, un cube ou un parallélépipède, et d’utiliser la règle pour en mesu- rer les dimensions L, , et h caractéristiques. On calcule ensuite V = L × , × h. Détermination de la masse de l’échantillon • • La balance permet de mesurer la masse m de l’échantil- lon. On remarquera que l’échelle des qualités de mousse suggère qu’on ne découpe pas un morceau trop petit dont la masse serait difficile à déterminer : on peut ame- ner les élèves à remarquer que 0,02 g/cm3 signifie qu’un dé de 1 cm de côté pèse 0,02 g. • • Si l’échantillon a été mouillé, on notera que la valeur de la masse mesurée est erronée… Activité 4 Peut-on uploads/Geographie/ldp-phych-c4-02.pdf