Le glaçon qui coule

J’ai trouvé cette activité, je ne sais plus sur quel site, je n’en ai donc pas la paternité. Mais elle est tellement intéressante que je n’hésite pas à la présenter ici. Une activité presque idéale :

• simple à mettre en place
• rapide à faire en classe
• permet de poser des hypothèses…
• … et de travailler le raisonnement déductif
• apporte des connaissances aux élèves
• vraiment plaisante
• presque magique

Si après ça vous ne lisez pas cet article jusqu’au bout, j’arrête tout.

Thème : masse volumique

Comme le titre le laisse sous-entendre, on parle de flottaison, et donc de masse volumique. L’idée est de comparer la masse volumique de l’eau et de l’huile, à l’état liquide et solide. Ce n’est pas évident pour les élèves que les matières ne se comportent pas comme l’eau, qui augmente de volume en gelant. Cette expérience casse donc cette représentation erronée.

Matériel et mise en place

Je présente l’expérience aux élèves de la façon suivante :

• je mets un glaçon d’eau dans l’eau, vous savez qu’il flotte, et si je le mets dans de l’huile ?
• même question, mais cette fois-ci avec un glaçon d’huile, dans de l’eau puis dans de l’huile.

Les élèves posent leurs hypothèses, qu’ils pourront éventuellement modifier au fur et à mesure de l’expérience. Ils savent généralement que l’huile flotte sur l’eau, et utilisent souvent cette connaissance pour dire que le glaçon d’huile flotte sur l’eau. Ils pensent souvent que ce dernier flotte aussi sur l’huile (pourquoi un glaçon coulerait-il ?). En bref : un glaçon, ça flotte.

Peu de matériel à préparer, mais il faut s’y prendre un peu en avance pour que les glaçons soient gelés. L’huile gèle sans problème, par contre, elle fond assez rapidement. Ne pas sortir les glaçons trop en avance !

Vu que l’huile diminue de volume, il faut bien remplir le bac à glaçons, sinon ils fondront rapidement et il n’en restera pas beaucoup. Pour « tromper » les élèves, mettre éventuellement moins d’eau que d’huile, comme ça les glaçons auront plus ou moins le même volume au sortir du congélateur.

Réalisation de l’expérience

Je le fais dans cet ordre-là :

1. glace d’eau dans l’eau
2. glace d’huile dans l’eau
3. glace d’huile dans l’huile
4. glace d’eau dans l’huile

Plus l’expérience avance, plus les résultats sont inattendus. Les élèves sont donc surpris et captivés :

1. flotte donc \(\rho_{glace d’eau} < \rho_{eau}\), on le savait déjà
2. flotte donc \(\rho_{glace d’huile} < \rho_{eau}\), logique vu qu’un glaçon ça flotte…
3. coule donc \(\rho_{glace d’huile} > \rho_{huile}\), oups, un glaçon ça ne flotte pas forcément !
4. j’hésite à spoiler l’expérience… Bon d’accord, voilà le résultat : le glaçon ne coule pas ni ne flotte ! \(\rho_{glace d’eau} = \rho_{huile}\)

Évidemment, ça va dépendre un peu de l’huile choisie. Mais j’ai réalisé cette expérience à diverses reprises, avec diverses huiles, et le résultat était assez similaire. Le glaçon s’arrête à la hauteur à laquelle je le mets. Au début, les élèves croient qu’il flotte, puis je le pousse à mi-hauteur et il y reste. C’est vraiment magique.

Résumé en un croquis (désolé, je n’ai pas pris de photo durant l’activité) :

Déductions

Voir flotter ou couler des glaçons, c’est bien, en retirer quelque chose, c’est mieux ! En vrac, cette expérience apporte ceci :

• classement des masses volumiques (la glace d’huile est la plus grande, l’huile et la glace d’eau les plus petites)
• l’eau augmente de volume en gelant (\(\rho\) diminue) tandis que l’huile fait le contraire. En général, les matières se comportent comme l’huile, et ça les élèves ne le savent pas.
• lorsque le glaçon d’eau est en suspension dans l’huile, il fond et les gouttes d’eau coulent au fond du récipient. L’augmentation de la masse volumique se passe sous les yeux émerveillés des élèves… et du prof : c’est vraiment joli à voir !
• la masse volumique dépend de l’état de la matière, et donc de la température (dilatation), c’est pourquoi on standardise la verrerie de laboratoire (graduation pour une température de 20°C)

Pour aller plus loin

On pourrait imaginer aussi ajouter une troisième matière : l’eau salée. Mais pour la geler, ça nécessite de ne pas mettre trop de sel et d’avoir un bon congélateur… Ou alors utiliser simplement l’eau salée sous forme liquide, et ajouter deux récipients pour tester les glaces d’eau et d’huile dans l’eau salée (ça devrait mieux flotter).