Objectif lié : MSN 35

MSN 36 — Analyser des phénomènes naturels et des technologies à l'aide de démarches caractéristiques des sciences expérimentales…

  • 8
    …en organisant des prises de mesures et en formalisant les résultats d'une expérience
  • 7
    …en proposant des explications et en les confrontant à celles de ses pairs et aux informations de médias variés
  • 6
    …en choisissant et en utilisant des instruments d'observation et de mesure
  • 5
    …en définissant des stratégies d'exploration et d'expérimentation en lien avec les hypothèses émises
  • 4
    …en confrontant les hypothèses émises à des résultats expérimentaux
  • 3
    …en utilisant un modèle pour expliquer et/ou prévoir un phénomène naturel ou le fonctionnement d'un objet technique
  • 2
    …en acquérant les connaissances nécessaires en physique et en chimie
  • 1
    …en formulant des hypothèses

Le choix des contenus a été effectué pour les raisons suivantes :

  • une perception correcte des phénomènes de la vie quotidienne nécessite une base de connaissances scientifiques, notamment sur les thèmes de la matière, de la mécanique, de l'électricité, de l'énergie et des couleurs. Dans cette perspective, les grandeurs étudiées sont : la masse, le volume, la température, la pression, la longueur, le temps, la vitesse, l'accélération, la force, le courant, la tension, la puissance, l'énergie;
  • les thèmes Matière et Électricité sont de bonnes occasions pour mettre l'élève en situation d'interpréter et/ou de prévoir les conséquences d'une modification à l'échelle microscopique sur la réalité macroscopique, et inversement, à l'aide d'un modèle simple;
  • l'ensemble des thèmes permettent de travailler sur les représentations intuitives des élèves pour les enrichir et les dépasser. Ils permettent également de travailler sur la différence entre réalité et modèles;
  • les thèmes Matière, Électricité et Énergie permettent de mettre l'élève devant une logique de conservation de la masse et de l'énergie;
  • les thèmes Électricité et Énergie permettent de mettre l'élève devant une logique de fonctionnement systémique. Il est proposé de traiter de la dynamique d'un circuit électrique simple sous l'œil d'une chaîne de transformations et transferts de l'énergie;
  • l'ensemble des thèmes traités permettent d'établir des liens avec d'autres domaines ou disciplines, notamment, la dynamique du climat, les dangers de l'électricité, le développement durable,…
Progression des apprentissages Attentes fondamentales Indications pédagogiques
9e année 10e année 11e année Au cours, mais au plus tard à la fin du cycle, l'élève… Ressources, indices, obstacles. Notes personnelles
Précisions cantonales :

Les étapes de la démarche scientifique présentée ci-dessous correspondent à un ordre qui s'applique au modèle courant d'un compte-rendu scientifique. Dans sa mise en œuvre, cet ordre n'est pas respecté et fait, en réalité, l'objet de multiples allers-retours entre questionnement – hypothèse – constat – récolte et analyse de données – observation – expérimentation – élaboration d'un modèle explicatif…

Utilisation de la démarche scientifique

Observations, questionnements, identification de facteurs pertinents et leurs éventuelles corrélations, susceptibles de caractériser le phénomène étudié

Transposition des éléments d'un phénomène (forme propre d'un solide, chute d'un corps, couleur perçue d'un objet, brillance d'une lampe,…) ou d'un objet technique (thermomètre, balance romaine, bouilloire à eau,…) dans le cadre des modèles (logiques, numériques ou analogiques) étudiés préalablement

face à une situation, énonce une hypothèse pertinente / des hypothèses pertinentes (Niv 2)

imagine une expérimentation qui ne fait varier qu'un facteur à la fois

prépare et/ou réalise un protocole d'observations, de mesures et de calculs pour un problème à deux facteurs dépendants (mesure de température de l'eau en fonction du temps de chauffage, distance en fonction du temps,…)

structure et présente les résultats, en utilisant les arrondis et unités adéquats, dans un tableau / une représentation graphique (diagramme cartésien, en colonne, circulaire) (Niv 2)

discute, débat, de la validité des hypothèses émises (sur la base de modèles tels que le modèle moléculaire) en regard de résultats expérimentaux et de leur précision

rend compte d'une tâche scientifique oralement ou par écrit, confronte son avis à celui de ses pairs ou de spécialistes (documentaires, articles,…), argumente son point de vue

L'utilisation de la démarche scientifique ainsi décrite est destinée à s'appliquer aux Progressions d'apprentissage des champs:

  • Matière
  • Optique
  • Mécanique
  • Électricité
  • Énergie

Privilégier les situations-problèmes pour faire émerger des questions et les formuler sous forme d'hypothèses

Liens MSN 33 – Fonctions et algèbre – Diagrammes

Favoriser un véritable débat scientifique dans la classe pour montrer aux élèves que la science est tout autant un processus qu'une liste de connaissances à acquérir

Préparation d'un protocole d'observations, de mesures et de calculs

Élaboration d'un dispositif permettant d'effectuer les observations et les mesures prévues

Choix, réglage et utilisation d'un instrument de mesure (balance, chronomètre, thermomètre, récipient gradué, double-mètre, dynamomètre, baromètre,…)

Observation expérimentale d'un phénomène en variant un seul facteur à la fois

Sensibilisation à l'influence du nombre de mesures sur la précision des résultats

Structuration et présentation des résultats (arrondis et unités adéquats) sous forme de liste, de tableau ou de graphique

Analyse (par écrit ou oralement) de la pertinence, de la cohérence et de la complétude d'une expérience (hypothèses, conditions d'expérience, résultats expérimentaux [en tenant compte de leur précision], analyses, utilisation d'un modèle, conclusions)

Utilisation d'un langage spécifique : vocabulaire, symboles, règles de structuration (rapport, schéma,…)

Respect des règles du débat scientifique (écoute de l'autre, respect des idées d'autrui, remise en question de ses propres idées,…)

Utilisation de ressources externes de nature variée (articles, films, tables numériques,…)

Matière

Appropriation de la modélisation de la matière comme constituée de molécules et d'atomes (éléments, espèces chimiques)

Représentation des quelques espèces chimiques simples de la vie quotidienne à l'aide d'une écriture symbolique (O2, H2O, CO2,…)

Comparaison des dimensions des particules élémentaires à l'Univers (proton, neutron, électron, atome, molécule, homme, Terre, système solaire, galaxies, Univers)

Définition de la masse (quantité de matière) et du volume (espace occupé par les molécules)

Caractérisation des substances par leur masse volumique

Caractérisation des états (solide, liquide, gaz) de la matière par leurs propriétés macroscopiques et représentation de ces trois états à l'aide d'un modèle décliné à l'échelle des molécules

Caractérisation des substances par leurs températures de changement d'état (eau, métaux, roches,…)

Mémorisation de la composition de l'air

Utilisation d'un modèle moléculaire pour interpréter, en termes d'agitation moléculaire et de liaison intermoléculaire, le changement de température et le changement d'état physique et pour donner du sens à quelques phénomènes et grandeurs physiques : température, dilatation, variation de pression des gaz, évaporation, et faire le lien avec des phénomènes atmosphériques

Différenciation des transformations physiques et des transformations chimiques à l'échelle macroscopique et microscopique (changement d'état, distillation, électrolyse de l'eau, pyrolyse du sucre,…)

Modélisation des transformations chimiques par des réactions chimiques (équation chimique) en se limitant principalement aux éléments carbone, hydrogène et oxygène

Compréhension du principe de conservation de la matière par celle des atomes en utilisant le modèle de la réaction chimique, pour des cas simples, en se limitant à quelques combustions (carbone, hydrogène, méthane, fer,…)

représente la matière par des molécules et des atomes

classe «atome», «molécule», «Homme», «Terre», «système solaire», «galaxies», «Univers» sur une échelle de dimension et
en donne un ordre de grandeur (Niv 2)

identifie une substance à partir de mesures de masse et de volume

utilise un modèle moléculaire pour interpréter les caractéristiques des états de la matière

utilise un modèle moléculaire pour interpréter ou prévoir l'évolution de phénomènes physiques : dilatation, diffusion dans les liquides et les gaz, changement de température

distingue les transformations physiques (changement d'état) des transformations chimiques (combustion)

rend compte de la conservation de la matière par celle des atomes, sans utiliser le modèle de la réaction chimique, pour le cas de l'électrolyse de l'eau, de combustions simples, en se limitant aux éléments carbone, oxygène, hydrogène et fer

utilise le modèle de la réaction chimique pour rendre compte de la conservation de la matière (Niv 2)

L'accent est porté sur :

  • l'acquisition d'un modèle moléculaire pour prévoir et expliquer des phénomènes observés à l'échelle humaine
  • l'étude de phénomènes permettant de distinguer les substances entre elles
  • le fait d'habituer l'élève à distinguer les transformations chimiques des transformations physiques de la matière
  • le fait d'obliger l'élève à des passages fréquents du champ empirique au champ théorique pour l'amener à distinguer la réalité du modèle

Le choix de se limiter aux éléments carbone, oxygène, hydrogène et fer est nécessaire afin de limiter la complexité des situations traitées tout en restant suffisamment représentatif de la réalité physico-chimique des matières qui nous entourent

Optique

Interprétation de la couleur perçue d'un objet à l'aide du modèle trichromique en établissant des liens avec l'arc-en-ciel et les mélanges de couleurs en peinture

sait que la couleur perçue d'un objet est due à la réflexion de rayons lumineux

L'élève expérimente lui-même la part objective et la part subjective de ce qu'il perçoit de la couleur d'un objet et est ainsi amené à différencier clairement la réalité physique de la représentation mentale (la couleur comme propriété de l'objet et les mélanges de pigments en peinture) qu'il se fait de la situation

Mécanique

Définition de la vitesse par mesure et calcul, et approche intuitive de l'accélération

Représentation des forces à l'aide de flèches

Reconnaissance des forces : de pesanteur, motrices, de frottement, de soutien, d'Archimède. Interprétation de situations de la vie quotidienne (objet posé sur une table, voiture qui accélère, déplacement d'un ascenseur,…) à l'aide de la 1re loi de Newton en se limitant au cas où les actions sur l'objet sont parallèles et/ou perpendiculaires entre elles et au mouvement

Mesure de la force de pesanteur et distinction entre poids et masse

utilise les notions de vitesse et d'accélération pour décrire un mouvement rectiligne

connaît la notion de force (motrice, de frottement, de soutien et de pesanteur)

différencie les notions de force et de vitesse

utilise la notion de force (dans des cas de force motrice, de force de frottement, de force de soutien et de force de pesanteur) et la 1re loi de Newton pour interpréter et/ou prévoir les variations de vitesse d'un objet en mouvement rectiligne dans des cas où les actions agissant sur l'objet sont parallèles et/ou perpendiculaires au mouvement (Niv 2)

L'accent est porté sur le dépassement des représentations intuitives :

  • que l'état naturel d'un corps est l'état de repos,
  • qu'un mouvement peut être modifié sans qu'une force n'agisse (action du frottement, par exemple) et
  • que la masse est confondue avec le poids (force de pesanteur)

La notion de référentiel n'est pas étudiée en soi, mais est abordée d'une manière intuitive

Limites :

  • la représentation graphique des mouvements n'est pas étudiée ;
  • on ne traite que de situations d'actions agissant exclusivement sur un objet et non sur un système d'objets dépendants ;
  • on ne traite également que de situations dont les actions sont perpendiculaires entre elles et, s'il y a mouvement, dont la vitesse est colinéaire aux actions qui agissent sur l'objet considéré

Électricité

Compréhension du principe de réseaux électriques (d'un appareil, d'une maison, ou de grande distribution) par :

  • l'expérimentation du fonctionnement d'un circuit électrique à un ou deux récepteurs en variant l'intensité du courant, la résistance des récepteurs ou la tension pour mettre en évidence la relation qui les unit
  • la distinction entre matériaux isolants et conducteurs
  • l'expérimentation permettant l'identification de la puissance d'un récepteur au produit du courant qui le traverse par la tension à ses bornes et en lien avec l'énergie électrique
  • la prise de connaissance d'éléments électriques d'un circuit d'une habitation (prises électriques, interrupteurs, fusibles, disjoncteur,…) et la compréhension d'un court-circuit et/ou d'une surcharge
  • la reconnaissance des risques d'électrocution et d'incendie liés à un appareil ou à une installation électrique défectueuse, à une haute tension ou à la foudre
  • la modélisation d'un circuit électrique par une chaîne de transferts et de transformations de l'énergie

décrit un circuit électrique en termes de transfert et/ou de transformation d'énergie

repère une situation potentiellement dangereuse et adopte un comportement adéquat

L'accent est porté sur la reconnaissance de situations potentiellement dangereuses en travaillant :

  • sur le dépassement de la représentation intuitive qui veut que le générateur soit seul responsable de l'établissement du courant électrique (aspect systémique du circuit)
  • sur l'utilisation d'un modèle circulatoire du courant pour prévoir et expliquer des phénomènes observés à l'échelle humaine
  • sur la compréhension du circuit électrique comme chaîne restreinte de transferts et de transformations de l'énergie (dont l'être humain peut être l'un des composants)

Énergie

Reconnaissances des différentes formes d'énergie : cinétique, potentielle de gravitation, chimique (combustion de matières courantes), thermique, électrique, rayonnement

Identification de différentes sources d'énergie : rayonnement solaire, géothermie, éolienne, hydraulique, pile, hydrocarbures, charbon, uranium, animale ou végétale,…

Discussion sur le caractère renouvelable ou non des sources d'énergie (production, utilisation, régénération, recyclage,…)

Application du principe de conservation à des situations de la vie quotidienne modélisées par des chaînes de transformations et transferts (lampe à incandescence, lampe économique, frigo,…)

Quantification de l'énergie électrique (à l'aide d'un énergie-mètre) et de l'énergie thermique (mesures de masse et de température)

Calcul et comparaison de rendements (de chauffage de l'eau par différents appareils,…) en lien avec l'impact sur l'environnement

rend compte de la conservation de l'énergie, des enchaînements de transformations et transferts de l'énergie de phénomènes et objets techniques courants (moteurs, dispositif d'éclairage, de chauffage et d'isolation,…) en considérant les formes d'énergie étudiées

compare les rendements énergétiques d'objets techniques courants en se limitant à des transferts d'énergie (Niv 1)

calcule les rendements énergétiques d'objets techniques courants en se limitant à des transformations d'énergie électrique-thermique (frigo, chauffe-eau électrique) (Niv 2)

repère les pertes d'énergie (en lien avec le rendement) et en identifie l'impact sur l'environnement

L'accent est porté sur la modélisation des chaînes de transfert et de transformation de l'énergie (au sens interdisciplinaire)