Chronique

Les savoirs enseignants - Science et technologie

Regard sur l’activité « Ça flotte ou ça coule »_

Une activité couramment réalisée en science et technologie consiste à demander aux élèves de prédire si une substance ou un objet peut flotter sur l’eau. Toutefois, la pratique nous a permis de constater que cette acti-vité devient plus ardue lorsque l’on tente d’y greffer certains principes scientifiques. Afin de s’y lancer col-lectivement avec plus d’aisance, cette chronique se penchera donc sur les concepts scientifiques ainsi que sur les différentes pistes de travail pour traiter de la chose en salle de classe. _

« Le léger flotte tandis que le lourd coule » : une conception répandueIl est commun pour les élèves de faire appel à la pesanteur apparente d’un objet comme critère de flottabilité. Pour plusieurs, tous les objets lourds

couleraient en quelque sorte et, inver-sement, tous les objets légers flotteraient (Allen, 2014). Or, force est de reconnaitre que cette conception est trop simpliste, car tantôt des objets légers et lourds cou-leront, tantôt ils flotteront._

Afin de travailler cette conception, il est d’abord intéressant d’éveiller les élèves à la relative notion de ce qui est léger ou lourd. En fait, ce qui est léger ou lourd pour les uns ne l’est pas nécessairement pour les autres. Pour effectuer cette caté-gorisation, il serait nécessaire de déter-miner un point de référence commun, mais celui-ci est dans la réalité variable d’une personne à l’autre. Il serait donc pertinent d’amener une activité où l’on s’intéresserait à ce premier aspect sub-jectif de la conception où l’on pourrait proposer aux élèves de considérer dif-férents objets de masses différentes et

de les catégoriser comme étant légers ou lourds. La mise en commun des résul-tats de chacun rendrait manifeste que la pesanteur des objets est quelque chose de bien relatif. _

Alors, si l’on ne peut se fier à nos per-ceptions pour faire des prédictions suf-fisamment fiables, la question de savoir comment le faire avec justesse demeure entière. Pour bien comprendre dans quelle(s) condition(s) une substance ou un objet peut flotter, il est essentiel de se référer au concept de masse volumique._

La masse volumique : un savoir incontournablePar définition, la masse volumique, dont le symbole est ρ (rhô), est une propriété caractéristique qui représente la quan-tité de matière (masse) qui se trouve dans un espace (un volume) donné (la masse volumique, S.D.). Plus sim-plement, il s’agit d’un rapport entre la masse d’une substance et son volume. Ce rapport est exprimé en g/ml pour un liquide et en g/cm3 pour un solide ou un gaz. Par exemple, l’or et le liège possèdent respectivement une masse volumique de 19,3 g/cm3 et de 0,24 g/cm3. Cela signifie qu’un objet fait d’or possè-dera une masse beaucoup plus impor-tante (environ 80 fois) qu’un objet fait de liège si les deux objets occupent le même espace (le même volume)._

Dans notre cas de figure, c’est-à-dire pour prédire si un objet flotte ou coule, il s’agit de comparer la masse

Ugo Collard FortinChargé de cours de didactique des sciences/technologieUniversité du Québec à Chicoutimiugo.collard-fortin@uqac.ca

Marc-André BrassardEnseignant en sciences/technologie et superviseur chez AllôprofCentre Allôprof Sciences/mathématiquesmabrassard@alloprof.qc.ca

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volumique de la substance avec celle de l’eau (ρ = 1 g/ml). Ainsi, tout ce qui pos-sède une masse volumique supérieure (p. ex. l’or ou le fer) à celle de l’eau cou-lera et, inversement, tout ce qui y est inférieur flottera (p. ex. le liège ou le bois). Une expérience intéressante à ce sujet consiste à verser à l’intérieur d’un cylindre gradué différentes substances (préalablement colorées) possédant des masses volumiques différentes telles que le sirop de maïs (1,38 g/ml), l’eau et l’huile (0,92 g/ml)1. À l’instar d’une vinaigrette qui se sépare en couches après un certain temps, cette dernière expérience permet de rendre compte de manière très concrète la façon dont ces substances agissent lorsqu’elles sont réunies (voir figure 1). _

Il en va de même pour expliquer com-ment des objets lourds, tel qu’un bateau fait d’acier, peuvent flotter. En fait, il faut simplement considérer l’espace occupé (le volume) par l’objet dans son ensemble. Imaginons une bille d’acier (ρ = 8 g/ml) possédant une masse de 8 g que nous plaçons dans un récipient d’eau. Celle-ci coulera bien évidemment

au fond, car sa masse volumique est supérieure à celle de l’eau. Imaginons maintenant que nous façonnions cette même bille d’acier de façon à creuser en son centre une cavité. Cette action aura pour effet d’augmenter considéra-blement l’espace occupé par celle-ci sans pour autant modifier sa masse initiale (toujours de 8 g). Cela aura donc pour effet de diminuer la masse volumique de la bille dans son ensemble et, dès lors

que cette diminution passe le point où elle devient inférieure à celle de l’eau, alors l’objet flottera. Ce principe, qui consiste à insérer beaucoup d’espaces vides (augmenter le volume), est donc ce qui permet aux immenses paquebots de flotter sur l’eau. _

Afin de bien s’approprier ce dernier aspect, il est possible d’utiliser l’activité flotte ou coule en y introduisant des objets ou des matériaux dont l’immer-sion dans l’eau amènera des résultats surprenants ou contre-intuitifs. Allen (2014) suggère qu’il pourrait y avoir

différents objets légers qui à la fois coulent (p. ex. un clou) et flottent (p. ex. un ballon de baudruche) de même que des objets lourds qui à la fois coulent (p. ex. une roche) et flottent (p. ex. un thermos à café). Aussi, pour expérimen-ter l’effet du changement de volume sur la flottabilité, il est possible d’utiliser de la pâte à modeler qui a priori (sous forme de boule) coulera et, ensuite, flottera en la remodelant (en lui don-

nant un grand volume). Enfin, il existe des applications numériques comme Algodoo qui permettent de jouer avec différentes variables (p. ex. le volume, la masse, le matériau, la forme) et d’obser-ver les effets de la modification de ces variables sur la flottabilité. _

Références

_ Allen, M. (2014). Misconceptions in primary science. Oxford, Royaume-Uni : Oxford University Press.

_ Allôprof. (s.d.). La masse volumique. Repéré à : http://www.alloprof.qc.ca/BV/Pages/s1017.aspx

Ainsi, tout ce qui possède une masse volumique supérieure (p. ex. l’or ou le fer) à celle de l’eau coulera et, inversement, tout ce qui y est inférieur flottera (p. ex. le liège ou le bois).

Fig. 1 : Superposition de liquides : Le sirop de maïs (en vert), plus dense que l’eau (en jaune), se dépo-sera au fond du cylindre alors que l’huile (en rouge), moins dense que l’eau, demeurera en surface.

http://www.alloprof.qc.ca/BV/Pages/s1017.aspxhttp://www.alloprof.qc.ca/BV/Pages/s1017.aspx

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