L'air et les pollutions de l'air (séquence 1)

Discipline
Sciences et technologie
Niveaux
CM1, CM2.
Auteur
S. LARONZE
Objectif
IO du 19 juin 2008
BO du 5 janvier 2012

Sciences expérimentales et technologie/La matière/L'air et les pollutions de l'air
- Identifier par l’expérimentation des propriétés qui confèrent à l’air un caractère matériel.
- Caractériser diverses formes de pollution de l’air.
- Identifier différentes sources de pollution de l’air.
- Maîtriser le vocabulaire suivant : matière, gaz, compressible, résistant, pesant, vent, pollution, qualité de l’air, poussière.

Sciences expérimentales et technologie/Environnement et développement durable/L'air et les pollutions de l'air
- Mobiliser ses connaissances dans les différents domaines et disciplines et rechercher des solutions alternatives pour agir sur la pollution de l’air.
- Maîtriser le vocabulaire suivant : réchauffement climatique, effet de serre.

Sciences expérimentales et technologie/Les objets techniques/Objets mécaniques, transmission de mouvements
- Concevoir et expérimenter un dispositif technique pour soulever ou déplacer un objet.
- Maîtriser le vocabulaire suivant : poulie, courroie, transmission. Le vocabulaire est à adapter selon le dispositif produit.
Relation avec les programmes

Ancien Socle commun (2007)

  • Respecter des consignes simples, en autonomie
  • Etre persévérant dans toutes les activités
  • S’impliquer dans un projet individuel ou collectif
  • Pratiquer une démarche d’investigation : savoir observer, questionner
  • Manipuler et expérimenter, formuler une hypothèse et la tester, argumenter, mettre à l’essai plusieurs pistes de solutions
  • Exprimer et exploiter les résultats d’une mesure ou d’une recherche en utilisant un vocabulaire scientifique à l’écrit et à l’oral
  • La matière
  • Les objets techniques
  • Mobiliser ses connaissances pour comprendre quelques questions liées à l’environnement et au développement durable et agir en conséquence
Dates
Créée le 25 février 2014
Modifiée le 28 février 2014
Statistiques
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Licence
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Il s'agit de la séquence 1 d'un module constitué de 3 séquences :
- Séquence 1 : Mise en évidence de la matérialité de l’air et de quelques propriétés physiques.
- Séquence 2 : La course à la voile : le Vendée Globe
- Séquence 3 : La pollution de l'air

Ce module pourra être prolongé plus tard par ...
- une séquence sur "l'énergie éolienne" dans le domaine "L'énergie/exemples simples de sources d'énergie."
- une séquence sur "la respiration" dans le domaine "le fonctionnement du corps humain et la santé".
(cf BO 5 janvier 2012)

Déroulement des séances

1

Questionnement initial à propos de l’air pour faire émerger les représentations initiales des enfants : qu’est-ce que l’air ? A quoi cela sert ? Est-ce qu’on peut le voir ?

Dernière mise à jour le 25 février 2014
Discipline / domaine
Sciences et technologie
Objectif
- Les élèves décrivent leurs représentations de l'air,
- L'enseignant fait le point sur les connaissances et compétences des élèves afin de déterminer la progression à suivre.
Durée
40 minutes (4 phases)
Matériel
- papier affiche
(pour noter les idées et les questions des élèves, il faut en effet pouvoir conserver une trace écrite des questions des élèves auxquelles on répondra au cours des séances suivantes)
Informations théoriques
Vocabulaire : air, vent, gaz, vide.
Remarques
Vue d’ensemble :
Destinée à introduire le thème de l'air, cette première séance est une discussion collective autour de l'air. Elle permet à l'enseignant de recueillir les représentations des élèves autour de trois axes principaux :
- l'existence de l'air et la façon dont il est possible de l'appréhender avec ses sens,
- la nature de l'air,
- les questions que les élèves se posent sur ce composant.

1. Etablir l'existence de l'air et chercher des arguments qui démontrent sa présence.

collectif | 10 min. | découverte

Déroulement: sous forme de débat collectif

L'enseignant annonce :

Q1 : « Nous allons travailler sur l’air. Où pouvons-nous en trouver ? »

Les élèves peuvent répondre qu'on trouve l'air dans la classe ou bien dehors ou dans le ciel…

Certains n'auront aucune idée sinon le vent.

Enfin certains élèves pensent immédiatement à la respiration : « il y a de l'air partout sinon, on ne pourrait pas respirer ».

L'enseignant note toutes les idées puis continue la discussion en interrogeant : 

Q2 : « Comment peut-on avoir la preuve de ce que vous dites car je ne vois rien dans la classe ou dehors ? »

Notes pédagogiques : Cette nouvelle question permet d'aborder l'idée de l'argumentation (recherche de preuves) et focalise sur l'approche du monde par les sens. Cette question peut aider les élèves à penser au vent (qui est de l'air en mouvement).

- « Est-il possible de sentir l’air ? »

Au niveau du toucher (sentir l'air sur sa peau) et aussi au niveau de l'odorat (l'air transporte des molécules odorantes qui sont mélangées à l'air et que nous respirons).

- « Est-ce que l’on peut entendre l’air ? »

Les élèves n'auront peut-être jamais pensé que le vent qui souffle produit du bruit.

- « Peut-on voir de l’air ? »

Non, l'air est un gaz invisible. Néanmoins, les élèves peuvent penser à des phénomènes comme le brouillard, les fumées ou encore la poussière qui sont des particules en suspension dans l’air et qui peuvent alors matérialiser les mouvements de l’air.

2. La nature physique de l'air.

collectif | 10 min. | découverte

L'enseignant peut relancer la discussion en demandant :

Q1 :« Nous avons déjà dit beaucoup de choses à propos de l'air mais je me demande  : qu’est-ce que l’air ? »

L'enseignant cherche ici à savoir si les élèves savent que l'air est un gaz. Il peut donc ajouter :

 - « Quelle est la différence entre l’air et le vide ».

Remarques pédagogiques : En effet, ils confondent l'air et le vide puisque l'air est invisible. Beaucoup d'élèves pensent qu'il n'y a rien dans la bouteille vidée de son contenu liquide - on parle alors à tort de« bouteille vide ».

Les élèves ont la plupart du temps des réponses finalistes : « l'air ça sert à respirer ».

Généralement, ils ne connaissent pas du tout les gaz et ne savent donc pas que l'air est un mélange de gaz.

Parfois, certains élèves ont l'intuition qu'il s'agit d'un gaz car ils comparent l'air à la fumée sans pouvoir distinctement appréhender les différences.

L'enseignant peut alors continuer sur ce sujet en demandant :

Q2 : «Qu’est-ce que vous connaissez comme gaz ?».

On peut s'attendre aux réponses suivantes : la vapeur d'eau (« ce qui sort de la casserole quand on fait bouillir de l'eau »), le gaz de ville ou bien encore les gaz d'échappement.

3. Questionnement de la classe sur l'air

collectif | 10 min. | recherche

Pour terminer l’enseignant demande aux élèves : « Quelles questions vous posez vous à propos de l’air ? »

Il note les questions sur une affiche sous le titre :  « Ce que nous voulons savoir sur l’air »

4. Pour aller plus loin ...

collectif | 10 min. | recherche
  • Recherche d'expressions contenant le mot « air » :

Courant d'air ; trou d'air ; avoir l'air heureux ; tête en l'air ; « tu ne manques pas d'air » ; avoir l'air de rien ; en plein air ; vivre au grand air ; prendre un bol d'air ; aller prendre l'air ; brasser de l'air.

  • Recherche de moyens de transports utilisant l'air :

- Les voiliers (avec leur voile et le vent)

- Les avions (principe de réaction)

- Les montgolfières (voir air chaud)

  • Recherche des sports et loisirs qui utilisent l'air :

Les parachutes ; les parapentes ; les deltaplanes ; les cerfs-volants.

2

Mise en évidence de la matérialité (présence) de l’air par 3 expériences classiques

Dernière mise à jour le 28 février 2014
Discipline / domaine
Sciences et technologie
Objectif
Objectifs notionnels :
- Par la mise en évidence de la présence de l’air, faire prendre conscience que l’air est de la matière comme un solide ou un liquide.
- Le caractère pesant de l’air.
Objectifs transversaux (démarche scientifique) :
- Emettre des hypothèses
- Expérimenter
- Débattre
- Rendre compte des expériences
- Dessiner un schéma d’expérience
Durée
120 minutes (10 phases)
Matériel
- expérience 1 : balance de Roberval, 1 ballon de foot gonflé à bloc, 1 petit tournevis.
- expérience 2 : morceaux de sucre, eau, 2 récipients, balance de Roberval.
- appareil photo numérique pour compte-rendu sur le blog de classe.
Dans les CDDP, vous trouverez une caisse "La main à la pâte"avec du matériel pour effectuer vos expériences sur "l'air".
Remarques
Remarques préalables : d’après les pédagogues scientifiques, il est assez vain d’espérer que les élèves puissent trouver tout seuls un protocole pour mettre en évidence que l’air est pesant. Il leur semble préférable, ce qui n’est pas en contradiction avec une démarche expérimentale, de leur présenter la situation expérimentale suivante :

1. Expérience 1a / MISE EN SITUATION DE RECHERCHE (Mise en évidence du caractère pesant de l’air : Un ballon de football gonflé puis dégonflé est pesé)

collectif | 10 min. | découverte

Situation de départ : Apporter un sac en plastique vide en classe. Demander ce que l’on peut trouver dans un sac «vide».

Débattre sur le sens du mot vide : Est-ce que "vide" veut dire ici que l’on ne voit plus rien dans le sac ?

Émettre des hypothèses sur le fait que quelque chose d’invisible pourrait exister dans le sac.

 

En introduction aux 3 grandes expériences, proposer deux expériences simples a et b qui prouvent l’existence de l’air :

1. expérience a : Refermer le sac en plastique (bien hermétiquement) et demander aux élèves de l’aplatir.

Remarquer que l’on ne peut le faire car l’air enfermé dans le sac résiste.

2. expérience b : Plonger le sac fermé dans une bassine d’eau. Puis percer le sac avec une épingle. On voit sortir des bulles d’air du trou.

Grâce à cette expérience, on a rendu l’air visible sous forme de bulles qui contiennent de l'air.

Si le temps, relater le déroulement et les résultats de ces deux expériences sur la fiche élève :

1) Comment prouver que l’air existe ?

Je décris l’expérience 1 : ........................................................................................................................

Je note mes conclusions : l’air enfermé dans un sac en plastique montre une certaine résistance.

2) Comment rendre l’air visible ?

Je décris l’expérience 2 : ......................................................................................................................

Je note mes conclusions : l’air est invisible, mais je peux le rendre visible dans l’eau.

Expérience 1a :

Q : « Voici un ballon gonflé. Vous savez sans doute ce qu’il contient ? (de l’air)

Comment pourrait-on mettre en évidence la présence de l’air dans ce ballon ? »

 

Consigne 1 : Nous allons réaliser une expérience collectivement.

1. Placer un ballon gonflé à bloc sur un plateau de la balance.

2. Faire l’équilibre (noter la masse du ballon gonflé).

3. Dégonfler en partie le ballon (avec un petit tournevis).

4. Replacer le ballon dégonflé sur le plateau de la balance.

5. Faire l’équilibre (noter la masse du ballon dégonflé).

2. Expérience 1a / RECHERCHE

binômes | 15 min. | recherche

1/ Un seul groupe de deux élèves vient peser le ballon gonflé puis le ballon dégonflé pour toute la classe. (remarque : d'autres groupes pourront venir réaliser d'autres pesées, si la classe dispose de temps !)

Demander  aux élèves :

· Que constatez-vous ? (observation)

· Proposer une explication pour cette expérience.(explication écrite ou schéma)

2/ Ensuite, tous les autres groupes de 2, par écrit sur papier, font le calcul de la masse d'air perdue.

3. Expérience 1a / MISE EN COMMUN

collectif | 5 min. | mise en commun / institutionnalisation

Une collecte orale des réponses (calculs de la masse d'air perdue) est organisée.

4. Expérience 1a / MISE EN COMMUN

collectif | 15 min. | mise en commun / institutionnalisation

Trace écrite : orale puis écrite pour mémorisation collective.

· Titre: « L’air est pesant »

· Ecrire le protocole de l’expérience. (cf consigne 1) + schéma.

· Observation: Le ballon dégonflé pèse moins que le ballon gonflé (__ g  - __g = __ g).

· Explication: Lorsqu’on a dégonflé le ballon, de l’air s’est échappé. Le ballon contient moins d’air donc pèse moins.

· Conclusion: L’air a un poids (les scientifiques disent une masse), l’air pèse.

5. Expérience 1b / MISE EN SITUATION DE RECHERCHE (Mise en évidence de la matérialité de l’air )

collectif | 10 min. | découverte

Expérience 1b :

Q : « Puisque l’air pèse, a un poids, peut-on dire que l’air est de la matière comme les solides et comme les liquides ? »

Consigne 2 : Nous allons réaliser la même expérience, collectivement, avec d’abord des morceaux de sucre (solide) puis ensuite avec de l’eau (liquide).

1. Placer le récipient contenant les morceaux de sucre (ensuite l’eau) sur un plateau de la balance.

2. Faire l’équilibre (noter la masse).

3. Vider le récipient.

4. Replacer le récipient vide sur le plateau de la balance.

5. Faire l’équilibre (noter la masse).

6. Expérience 1b / RECHERCHE

binômes | 15 min. | recherche

1/ Un seul groupe de deux élèves vient peser le récipient + sucre (récipient + eau) puis le récipient vide pour toute la classe. (remarque : d'autres groupes pourront venir réaliser d'autres pesées, si la classe dispose de temps !)

Demander  aux élèves :

· Que constatez-vous ? (observation)

· Proposer une explication pour cette expérience.(explication écrite ou schéma)

2/ Ensuite, tous les autres groupes de 2, par écrit sur papier, font le calcul de la masse de sucre (d'eau) perdue.

7. Expérience 1b / MISE EN COMMUN

collectif | 5 min. | mise en commun / institutionnalisation

Une collecte orale des réponses (calculs de la masse de sucre (d'eau) perdue) est organisée.

8. Expérience 1b / MISE EN COMMUN

collectif | 15 min. | mise en commun / institutionnalisation

Trace écrite : orale puis écritepour mémorisation collective.

· Titre : « L’air est de la matière »

· « Nous avons refait deux fois la 1ère expérience avec d’abord des morceaux de sucre dans un récipient puis de l’eau dans un autre récipient. »

· Observation : Le 1er récipient vide pèse moins que lorsqu'il contient les morceaux de sucre (__ g - __g = __ g). Le 2e récipient vide pèse moins que losqu'il contient de l’eau (__ g - __g = __ g).

· Explication: Lorsqu’on enlève un solide (sucre) ou un liquide (eau) d’un récipient, le récipient  pèse moins.

· Conclusion: Un solide a un poids, un liquide a un poids, l’air a un poids.(les scientifiques disent une masse).

                              Nous savons qu’un solide est de la matière, qu’un liquide est de la matière.

                              L’air est aussi de la matière mais invisible.

9. Expérience 2 / RECHERCHE et CONCLUSION (Mise en évidence de la matérialité de l’air : Un mouchoir coincé au fond d’un verre plongé à l’envers dans une cuvette reste sec)

collectif | 15 min. | découverte

Matériel : pour la deuxième expérience, tu vas utiliser un gobelet, un récipient rempli d'eau, un morceau de papier ou de coton et de la pâte à fixer ou du scotch.

Réaliser collectivement l'expérience présentée : C :  "Introduire le gobelet en entier dans l'eau en le maintenant verticalement."

- Voir le fichier "Schéma expérience 2" ci-joint.

 

Trace écrite : compléter la "fiche élève expérience 2" (cf pièce jointe)

Le gobelet ne se remplit pas d’eau qui ne mouille pas le papier, car il est rempli d’air ; celui-ci empêche l’eau de rentrer.

Si on penche le gobelet, l’air s’échappe et l’eau peut remplir le gobelet et mouiller le papier.

10. Expérience 3 / RECHERCHE et CONCLUSION (Mise en évidence de la matérialité de l’air : Peut-on transvaser de l'air d'un verre plein d'air dans un verre plein d'eau ?)

collectif | 15 min. | découverte

Matériel : Pour la troisième expérience tu vas utiliser deux gobelets et un récipient rempli d'eau.

Réaliser collectivement l'expérience présentée.

C : Plonge un gobelet dans l'eau et retourne le. Plonge un deuxième gobelet de manière à

garder l'air emprisonné à l'intérieur (ne le penche pas).

Réalise la manipulation du schéma n°3.

- Voir le fichier "Schéma expérience 3" ci-joint.

 

Trace écrite : compléter la "fiche élève expérience 3" (cf pièce jointe)

Tu sais maintenant que l'air est présent et qu'il occupe de la place.

Remarques : 1. On constate que l’air se déplace sous forme de bulles d’air dans l’eau et qu’il possède un certain volume. On pourra expliquer à la

fin de la manipulation que la cloche des plongeurs fonctionne exactement comme dans l’expérience. Ainsi, les plongeurs peuvent plus facilement

travailler sous l’eau sans manquer d’air.

2. Expérience possible si la classe possède suffisament de matériel: partager la classe en petits groupes de quatre élèves.

Donner à chacun une grande bassine remplie d’eau et deux verres. Proposer de chercher une solution pour transvaser l’air présent dans le verre 1 dans le verre 2 plein d'eau.

Manipuler ; noter les trouvailles.

Manipulation à effectuer : On plonge dans la bassine les deux verres, l'un rempli d'eau et l'autre rempli d'air (plonger ce dernier verticalement pour

pouvoir emprisonner de l'air). Rappeler que l’air se déplace dans l’eau sous forme de bulles et que ces bulles se déplacent verticalement. Pencher

alors légèrement le verre rempli d’air endirection du verre rempli d’eau (lui-même penché vers l’autre verre). Les bulles d’air vont alors progressivement

chasser l’eau et remplir le verre avec de l’air.

3

Quelques propriétés physiques de l'air.

Dernière mise à jour le 28 février 2014
Discipline / domaine
Sciences et technologie
Objectif
- Découvrir la composition de l'air par une recherche documentaire (Vikidia, Wikipédia ...)
- Mettre en évidence, par l'observation, que l'air n'a pas de couleur, pas d'odeur, pas de forme mais peut être bruyant et peut se déplacer (vent).
- Montrer, par l'expérience, que l'air chauffé monte, l'air froid descend.
- Montrer, par l'expérience, que l'air chauffé se dilate.
- Montrer, par l'expérience, que l'air sert à la combustion.
- Montrer, par l'expérience, que l'air exerce une poussée (une force).
- Construire et propulser une fusée à air.

Objectifs transversaux (démarche scientifique) :
- Emettre des hypothèses
- Expérimenter
- Débattre
- Rendre compte des expériences
- Dessiner un schéma d’expérience
Durée
130 minutes (6 phases)
Matériel
- Salle informatique pour les recherches documentaires.
- ballon de baudruche
- papier de soie (dans boîtes à chaussures)
- Fiche doc air + Fiches élève n° 1, 2 (+ corrections 1, 2)
- Vidéos d'expériences sur l'air sur le site http://www.canal-u.tv

1. Découvrir la composition de l'air par une recherche documentaire (Vikidia, Wikipédia ...)

binômes | 20 min. | recherche

Q : "De quels gaz est composé l'air ?"

C : "Chercher sur le site Vikidia (ou autres sites ...) et prendre des notes avec le logiciel Word (ou autre ...)." (cf objectifs B2i)

en fin de phase 1,

- Mise en commun des recherches, validation,

- Trace écrite institutionnelle.

Selon la qualité des recherches, proposer ou non la fiche doc air.

2. Mise en évidence, par l'observation, que l'air n'a pas de couleur, pas d'odeur, pas de forme mais peut être bruyant et peut se déplacer (vent).

collectif | 20 min. | découverte

Q : L'air a-t-il une couleur ? Non, l'air est un gaz qui ne se voit pas, on dit un gaz incolore.

Q : L'air a-t-il une odeur ? Non, l'air est un gaz qui ne sent rien, on dit un gaz inodore.

pourtant, il est bien présent tout autour de nous.

Q : L'air a-t-il une forme particulière ? Non, il prend la forme du récipient dans lequel il est.

Q : Peut-on entendre l'air ? Oui, pour l'entendre on peut souffler dans un ballon de baudruche et laisser sortir l'air lentement (faire l'expérience).

Q : L'air peut-il se déplacer ? Oui, quand l'air se déplace, on appelle cela le vent. (cf séquence 2)

Fiche élève :

1) J’observe l’air qui m’entoure et je note ci-dessous certaines de ses caractéristiques.

a) La couleur de l’air :

b) L’odeur de l’air :

c) La forme de l’air :

2) Je note ci-dessous de quelle façon on peut entendre le bruit de l’air ...

3. - Montrer, par l'expérience, que l'air chauffé monte, l'air froid descend.

collectif | 20 min. | recherche

1ère Expérience : coller une feuille de papier de soie (on en trouve dans les boîtes à chaussures) au dessus d’un radiateur en fonctionnement (ou faire fonctionner un carillon des anges).

Q : Que devient une feuille de papier de soie placée au dessus d'un radiateur qui chauffe ?

  • Hypothèses
  • Expérience
  • Observation
  • bilan
  • Explication

R : Le papier de soie monte car il est entraîné par l'air chaud qui monte.

2e Expérience : coller une feuille de papier de soie en haut d'un chambranle de porte ouverte et tenir une autre feuille près du seuil de la porte. Il faut que la classe soit chauffée pour réaliser cette expérience.

Q : Que deviennent ces deux feuilles de papier de soie ?

  • Hypothèses
  • Expérience
  • Observation
  • bilan
  • Explication

R : Le papier de soie collé en haut du châssis sort de la classe  car il est entraîné par l'air chaud qui monte et le papier près du seuil rentre en classe car entraîné par l'air froid qui descend.

Montrer 2 vidéos trouvées sur le site http://www.canal-u.tv

  • actionner un moulin grâce à de la chaleur
  • l'air chaud est plus léger

 

Expériences supplémentaires sur les mouvements de l'air :

- Munis-toi de deux thermomètres et relève la température de la classe au niveau du plafond et au niveau du sol (cette expérience marche mieux si le chauffage de la classe est activé). Note tes résultats dans un tableau que tu représenteras ci-dessous : La température au plafond est plus élevée qu'au niveau du sol.

- Allume un bâton d'encens et observe le mouvement de la fumée. Représente ce mouvement sur un schéma. Essaye d'expliquer ce que tu as observé. La  fumée  monte  car l'air au sommet du bâton d'encens est chaud. Puis la fumée se disperse et une partie redescend car l'air s'est refroidit.

Je retiens : Quand on chauffe l'air, il s'élève.

4. Montrer, par l'expérience, que l'air chauffé se dilate.

collectif | 20 min. | recherche

Expérience : lorsqu’on trempe une bouteille surmontée d’un ballon de baudruche dans de l’eau chaude, celui-ci se gonfle.

Q : Que se passe-t-il quand on chauffe l'air dans la bouteille ?

C : Réalise cette expérience, observe le phénomène et complète le schéma n°2.

Représente le ballon sur le schéma n°2.

Décris et essaye d'expliquer ce que tu as observé. Tu emploieras le verbe «se dilater». (cf fiche élève n°1)

 

  • Hypothèses
  • Expérience
  • Observation
  • bilan
  • Explication

R : Le ballon se gonfle légèrement. L'air qui se trouve dans la bouteille a chauffé quand la bouteille a été plongée dans l'eau chaude. Or l'air chaud occupe plus de place que l'air froid. On dit qu'il se dilate. Comme cet air ne pouvait pas sortir, il a gonflé le ballon. (cf fiche élève n°1 correction)

5. Montrer, par l'expérience, que l'air sert à la combustion.

collectif | 20 min. | recherche

Expérience : une bougie s’éteint si on la recouvre d’un bocal. Il n’y a plus assez d’air pour entretenir la combustion.

C: Pour brûler, la flamme de la bougie utilise un gaz présent dans l'air : l'oxygène. Sans oxygène, la bougie s'éteint.

Pour t'en convaincre réalise cette petite expérience. (cf fiche élève n°2)

Place le vase sur la bougie et observe ce qui se passe. Représente un schéma ci-dessous.

 

  • Hypothèses
  • Expérience
  • Observation
  • bilan
  • Explication

R : Quand on pose le vase par dessus la bougie l'air ne peut plus se renouveler. Ainsi, au bout de quelques instants il n'y a plus d'oxygène dans le vase et la bougie s'éteint. (cf fiche élève n°2 correction)

6. Montrer, par l'expérience, que l'air exerce une poussée (une force).

collectif | 30 min. | recherche

... en préparation ...