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100 Av. E. Mounier - 1200 BRUXELLES

D/2009/7362/3/60

Sciences 1er Degré

Version téléchargeable disponible sur : http://www.segec.be/fesec/Programmes

″Fiches de connaissances à

installer″ Livret d’accompagnement

du programme (D/2000/7362/012)

2 FESeC - Sciences - D1 - Fiches des connaissances à installer - D/2009/7362/3/60

REMERCIEMENTS

La FESeC remercie les professeurs qui ont travaillé à l’élaboration de ces fiches.

Georges Baudoux Guy-Michel Jacques Philippe Capelle Bernadette Maquet Nadine De Bruijn Jean-Pierre Masquelier Marie-Agnès Deffrenne Nathalie Matthys Brigitte Degernier Pascale Papleux Nathalie De Gosserie Stéphanie Patte Michel De Permentier Fabienne Sion Michel Gastelblum Dominique Waterloo Marie-Pierre Gillet Bernadette Jacques

Clemy Wolff

La FESeC remercie également les membres de la commission du secteur sciences, les conseillers pédagogiques et les nombreux enseignants qui ont enrichi cette note de leur expérience et de leur regard constructif. La FESeC remercie enfin les personnes qui en ont effectué une relecture attentive.

AVERTISSEMENTS

Les auteurs et la FESeC ont produit cet ouvrage dans le respect des droits d’auteurs. Si toutefois, il devait y avoir une personne qui se sentait lésée, que celle-ci n’hésite pas à contacter le service production de la FESeC.

La FESeC a porté une attention toute particulière au respect de l’environnement dans l’élaboration de cet ouvrage.

Ce document respecte la nouvelle orthographe.

FESeC - Sciences - D1 - Fiches des connaissances à installer - D/2009/7362/3/60 3

Table des matières

Introduction .............................................................................................................................................. 4

Présentation de l’outil .............................................................................................................................. 4

Partie 1 - Les vivants transforment l’énergie ........................................................................................... 5

Fiche 1.1 - Pour se nourrir, la plupart des vivants ont besoin les uns des autres et des substances minérales de leur milieu de vie ........................................................................................................... 7

Fiche 1.2 - La digestion et l’absorption approvisionnent l’organisme en nutriments ........................................... 12

Fiche 1.3 - La plupart des vivants sont incapables de stocker l’oxygène dont ils ont besoin pour vivre. Ils doivent donc avoir des échanges gazeux permanents avec l’air atmosphérique ou dissous dans l’eau ................................................................................................................................................. 14

Fiche 1.4 - Pour utiliser l’énergie nécessaire à leur croissance et à l’exercice de leurs fonctions internes et de leurs activités, la plupart des vivants ont besoin de transporter les nutriments et l’oxygène de l’air ou de l’eau à chacun de leurs organes et d’éliminer des déchets ............................................. 19

Fiche 1.5 - Les espèces se perpétuent par la reproduction asexuée ou sexuée. Lors d’une reproduction sexuée, la fécondation par l’union d’un gamète femelle et d’un gamète mâle produit une cellule-œuf (zygote) qui est à l’origine d’un nouvel individu ........................................................................ 24

Fiche 1.6 - À partir de la puberté l’être humain est capable de se reproduire. La production des gamètes est continue chez l’homme et cyclique chez la femme .......................................................................... 28

Partie 2 - La matière dans tous ses états .............................................................................................. 31

Fiche 2.1 - Imaginer et construire un modèle scientifique pour distinguer les corps purs des mélanges ........... 32

Fiche 2.2 - Distinguer les mélanges homogènes des mélanges hétérogènes. Imaginer et appliquer des techniques de séparation des constituants d’un mélange ................................................................ 34

Fiche 2.3 - Etablir les propriétés des états solides, liquides et gazeux de la matière. Utiliser le modèle moléculaire de la matière pour distinguer les différents états .......................................................... 36

Partie 3 - Sources et transformations d’énergie .................................................................................... 39

Fiche 3.1 - Identifier les modes de transfert de la chaleur dans les différents états de la matière. Déterminer les qualités d’un bon isolant thermique ............................................................................................ 40

Fiche 3.2 - Etablir une relation entre les apports et dégagement de chaleur et les changements d’état de la matière. Distinguer les concepts de chaleur et de température ....................................................... 43

Fiche 3.3 - Relever les principales sources d’énergie électrique et thermique et repérer les transformations des énergies électrique ou thermique en d’autres formes d’énergie ................................................ 46

Fiche 3.4 - Utiliser de bons et de mauvais conducteurs d’électricité dans la construction de circuits électriques ........................................................................................................................................ 48

Partie 4 - Les forces et leurs effets ........................................................................................................ 50

Fiche 4.1 - Mettre des forces en évidence et les classer selon leurs effets perceptibles. Expliquer et illustrer par des exemples le principe des actions réciproques (action-réaction) .......................................... 51

Fiche 4.2 - Mesurer l’intensité d’une force. Préciser les caractéristiques de la force pesanteur et la relation masse-poids ..................................................................................................................................... 54

Fiche 4.3 - Etablir la relation mathématique qui relie la force et la surface pour déterminer une pression ......... 57

Fiche 4.4 - Expliquer que les fluides qui nous entourent exercent une pression sur tous les objets : par exemple, la pression atmosphérique................................................................................................ 59

Annexe - Grandeurs et unités ............................................................................................................... 60

1. Généralités ................................................................................................................................................ 60

2. Les unités de mesure ................................................................................................................................ 60

3. Les grandeurs ............................................................................................................................................ 63

4. Les chiffres significatifs .............................................................................................................................. 64

Eléments de bibliographie ..................................................................................................................... 66


Introduction Le but de ces fiches est d’expliciter les savoirs obligatoires en mettant en évidence les difficultés et les préconceptions des élèves, de montrer les limites à ne pas dépasser et de proposer des activités (y compris les exemples d’outils d’évaluation interréseaux) permettant aux élèves de mobiliser leurs acquis.

Présentation de l’outil L’outil propose des fiches de connaissances regroupées en 4 parties correspondant aux 4 parties du programme1. Partie 1 : Les vivants transforment l’énergie (cf. programme pages 23 à 35) Partie 2 : La matière dans tous ses états (cf. programme pages 36 à 42) Partie 3 : Sources et transformations d’énergie (cf. programme pages 43 à 51) Partie 4 : Les forces et leurs effets (cf. programme pages 52 à 59). Chaque partie reprend d’abord l’objectif général décrit dans le programme puis elle présente un tableau synoptique qui montre le développement de la matière concernée dans le fondamental et à travers les 6 années du secondaire. Viennent ensuite les fiches. Chacune correspond à un thème du programme. Pour chaque fiche, les rubriques suivantes sont reprises :

■ la référence au programme ; ■ une durée minimum proposée (à répartir éventuellement sur les deux années) ; ■ la clarification des concepts-clés obligatoires (concepts qui figurent en caractère gras

dans le programme) et de quelques concepts incontournables. Pour chacun de ces concepts, sont présentés quelques préconceptions et difficultés habituellement rencontrées chez nos élèves puis le niveau d’expertise attendu en grisé dans un cadre et éventuellement, des remarques adressées au professeur ;

■ des exemples d’activités pour expliciter des savoirs, exercer des savoir-faire ou développer des compétences.

■ un commentaire concernant certaines activités mentionnées dans le programme.

Note préalable concernant les classements dichotomiques Classer est une opération essentielle pour le scientifique car elle lui permet de mieux gérer la diversité des vivants ou des phénomènes. Pour réaliser un classement dichotomique 2, il faut déterminer un critère et préciser une caractéristique qui permettra de classer tous les éléments de manière dichotomique selon la présence ou l’absence de cette caractéristique. Le choix du critère doit dépendre du projet de classement. Remarque pour le professeur Les biologistes distinguent 3 types souvent confondus d’activités de classement3 :

■ ranger, activité à laquelle est liée la notion d’ordre (par exemple, on range par ordre croissant) ; ■ trier, activité qui consiste à séparer des objets selon un critère du type « qui a/qui n’a pas » ; ■ classer, activité établissant des regroupements entre des objets afin de former des ensembles qui

reflètent des causes sous-jacentes.

Construire une clé dichotomique est donc une activité que certains biologistes assimilent à un tri. Avec nos élèves du 1er degré, on s’en tiendra à des classements dichotomiques, conformément aux socles de compétences.

1 Il s’agit du programme FESeC « sciences, premier degré » de référence D/2000/7362/012. 2 D’après : Ministère de la Communauté française, Administration générale de l’Enseignement et de la Recherche scientifique, Service général du Pilotage du système éducatif, Evaluation externe en 1re année A de l’enseignement secondaire, Pistes didactiques, Formation scientifique, mars 2004. Cette brochure est téléchargeable à l’adresse : http://www.enseignement.be/@librairie/documents/EVAL/EXT/200310_1S/evalext84.pdf . S’y trouvent, notamment, plus d’informations et des exemples au sujet des classements. 3 Voir la page suivante sur le site de la main à la pâte : http://lamap.inrp.fr/?Page_Id=6&Element_Id=3&DomainScienceType_Id=3&ThemeType_Id=6


Partie 1 - Les vivants transforment l’énergie

Objectif général Observer, émettre des hypothèses, expérimenter, réaliser des recherches et les synthétiser pour expliquer que tous les êtres vivants sont obligés de se nourrir et de respirer (ou de fermenter) pour vivre et se reproduire.

Remarques générales Les élèves ont généralement une représentation erronée de la matière vivante (le lait et les steaks proviennent-ils d’êtres vivants ?). De plus, la vue de l’intérieur d’un corps participe d’une formation à l’émotivité qui devrait aider à ne pas être écœuré quand on se trouve dans une situation d’accident. D’où l’intérêt de pratiquer des dissections4 devant les élèves et d’organiser des sorties « nature » permettant aux élèves de toucher des vivants. La notion de vivant est très difficile pour les élèves. Ainsi, un oiseau mort est-il un être vivant alors qu’il n’est pas vivant ! Un être vivant possède l’ensemble des caractéristiques suivantes : il nait, il se reproduit, il grandit, il échange de la matière avec son environnement, il réagit aux stimuli, il meurt. L’observation des comportements conduit souvent à des interprétations de type finaliste (les antilopes existent dans la savane pour nourrir les lions) ou anthropomorphique (le renard est méchant : il tue les poules du voisin). La nature s’organise grâce à des équilibres et non sur base d’intentions ou de sentiments. Le terme « végétal » utilisé dans ce document s’entend au sens strict. Il renvoie aux organismes synthétisant leur nourriture grâce à la lumière et possédant une paroi cellulosique. Il comprend les plantes vertes et les algues vertes.

4 La pratique de dissections en classe fait l’objet de débats et des mouvements existent promouvant des alternatives aux dissections (cf. le site http://www.dissection.be/fr/home-fr.html).Cette pratique ne peut être envisagée que moyennant certaines précautions comme en témoigne le document français « Risque et sécurité en science de la vie et de la terre et en biologie-écologie » (cf. le site ftp://trf.education.gouv.fr/pub/edutel/syst/ons/risque_securite_SVT.pdf). A noter qu’il est impossible de se procurer des crânes (y compris les yeux) de bovins et d’ovins de plus de 12 mois.


Tableau synoptique

Contenus du fondamental - Distinction entre vivants et non vivants

- Les organes des sens

- Description des appareils tégumentaire, locomoteur, circulatoire, digestif et respiratoire

Contenus du premier degré - L’appareil digestif et ses principales fonctions

- L’appareil respiratoire et les échanges gazeux

- L’appareil circulatoire et sa fonction de circulation

- La reproduction : diversité des modes de reproduction, reproduction humaine

- Mise en relation des appareils et des systèmes

- Diversité du cycle de vie

- Relations alimentaires : chaines alimentaires, réseaux trophiques, cycle de matière, prédation

- Premier classement des êtres vivants5

Contenus de 3e année - La nutrition et la transformation d’énergie chez les autotrophes

- La nutrition et la transformation d’énergie chez les hétérotrophes

- L’équilibre nutritionnel chez l’Homme

- L’interdépendance des vivants entre eux et avec leur milieu

Contenus de 4e année - L’unité du vivant

- La découverte de la cellule au microscope électronique

- La multiplication cellulaire et le cycle cellulaire

- La protection de l’organisme humain

- La diversité du vivant et la classification

Contenus de 5e année - Le système nerveux

- L’homéostasie (la régulation nerveuse et la régulation hormonale, l’intervention des reins)

- Le système reproducteur

Contenus de 6e année - Synthèse sur le métabolisme cellulaire

- La génétique

- L’évolution

- La biodiversité et le développement durable

5 Les socles de compétences (page 43) indiquent qu’il s’agit des principaux embranchements du règne animal et des principales classes de vertébrés.


Fiche 1.1 - Pour se nourrir, la plupart des vivants ont besoin les uns des autres et des substances minérales de leur mili eu de vie

Référence : programme page 25

Durée minimum proposée : 16 périodes Tenir compte des conseils méthodologiques écrits à la page 27 du programme.

Clarification de quelques concepts

L’énergie Dans la vie courante, le mot « énergie » ou l’adjectif « énergique » se rapporte souvent au comportement humain. Il évoque souvent une certaine puissance, une rapidité d’action. Cela explique la difficulté de certains élèves à imaginer des transferts d’énergie se manifestant par des effets peu spectaculaires.

L’énergie est une grandeur physique qui mesure la capacité que possède un système à produire un effet. Par exemple : la chaleur fournie par une buche de bois qui brule, la lumière émise par une ampoule, la production de mouvements par le corps …

Remarque pour le professeur

Le concept d’énergie est particulièrement difficile à définir, alors qu’il nous est si familier. Le physicien Richard Feynman, prix Nobel de physique en 1965, l’a bien exprimé : « Il est important de réaliser que dans la physique d'aujourd'hui, nous n'avons aucune connaissance de ce qu'est l'énergie. Nous n’avons pas de représentation comme quoi l’énergie viendrait en petits paquets d’une certaine quantité. Ce n’est pas ainsi. Cependant des formules permettent de calculer une certaine quantité numérique (…). C'est une chose abstraite en cela qu'elle ne nous donne pas le mécanisme ou les raisons des diverses formules6. ».

La nutrition Même si les termes de nutrition et d’alimentation sont souvent confondus par les élèves, il n’est pas essentiel, à ce niveau, d’en faire la distinction. Remarque pour le professeur

La nutrition recouvre l’ensemble des phénomènes depuis le repérage d’une proie jusqu’à l’assimilation des aliments dans l’organisme vivant.

L’alimentation a un sens plus restrictif : elle concerne l’action de s’approvisionner. Elle désigne également l’ensemble des substances utilisées pour se nourrir.

Comportement alimentaire des animaux Décrire le comportement alimentaire d’un animal, c’est décrire comment il repère ses aliments (intervention des stimuli visuels, olfactifs, gustatifs et auditifs), puis comment il capture et saisit ses aliments. Ce comportement alimentaire peut varier en fonction des saisons par exemple : lorsqu’il y a pénurie des aliments consommés de manière préférentielle, l’animal se contente d’autres produits de la nature.

Chaque espèce a un comportement alimentaire spécifique : les organes des sens, l’appareil locomoteur, l’appareil digestif … se sont adaptés aux types d’aliments disponibles dans son milieu de vie.

6 Extrait du livre de Richard Feynman « Cours de physique, mécanique, tome I » pages 43 & 44, Interéditions, 1979.


Remarques pour le professeur

1. La plupart des herbivores aquatiques se nourrissent en filtrant d’énormes quantités d’eau car les végétaux aquatiques sont généralement constitués de minuscules plantes flottantes. Les herbivores terrestres ont des problèmes nutritifs particuliers : les végétaux terrestres possèdent des tissus de soutien dont il faut briser la paroi. Ces tissus sont constitués principalement de cellulose, difficile à digérer. C’est ainsi que les mammifères herbivores possèdent de très grosses molaires pour broyer les parois des cellules végétales. Ils possèdent également des bactéries capables de digérer la cellulose : comme la nourriture doit être longtemps en contact avec les bactéries, elle transite lentement dans le tube digestif qui peut, chez les ruminants, atteindre une assez grande complexité.

2. Le principal défi des carnivores est d’attraper leur nourriture. Les mammifères carnivores ont un appareil locomoteur adapté à la saisie des proies et des dents (canines) permettant de les tuer et de les déchirer. Les muscles et les os des mâchoires sont puissants, les molaires aiguisées découpent la viande. Le transit des aliments dans le tube digestif est beaucoup plus rapide que chez les herbivores, il n’y a pas de parois cellulaires épaisses à briser.

3. Chez les oiseaux, le bec est adapté au régime alimentaire. Comme ils ne possèdent pas de dents pour broyer les aliments, le gésier accomplit cette fonction chez les oiseaux insectivores et granivores. C’est un sac musculaire qui peut contenir des cailloux avalés par l’oiseau. Certains oiseaux possèdent un organe appelé « jabot », sorte de sac qui remplit deux fonctions liées au stockage des aliments :

■ nourrir les petits ;

■ réduire la fréquence des repas et donc la durée pendant laquelle l’oiseau est vulnérable face aux prédateurs.

4. Il est utile d’aborder l‘alimentation de l’Homme et d’indiquer comment la consommation équilibrée des différentes catégories d’aliments (féculents, fruits, légumes, viandes, poissons …) assurent différents rôles utiles au bon fonctionnement de notre organisme.

Espèce

L’espèce est un ensemble d’êtres vivants qui, en se reproduisant dans des conditions naturelles, peuvent engendrer des individus féconds.

Chaines et réseaux alimentaires (ou trophiques) Certains élèves pensent que les êtres vivants d’un milieu sont indépendants les uns des autres. Ils n’acceptent pas spontanément que les animaux se mangent entre eux. Voici certaines de leurs représentations :

■ tout changement (densité, sex-ratio, localisation) dans la population d’une espèce n’affecte que les espèces directement reliées ;

■ tout changement (densité, sex-ratio, localisation) dans la population d’une espèce n’affecte que les espèces sans importance (c’est le cours normal des choses que les espèces sans importance disparaissent) ;

■ les espèces ont toutes les mêmes besoins et les mêmes rôles ; ■ les espèces du bout de la chaine alimentaire se nourrissent de TOUT ce qui

les précède avec comme conséquence la disparition des espèces mangées ; ■ ce sont les espèces du bout de la chaine alimentaire qui ont le plus d’énergie.

Une chaine alimentaire est une représentation des relations alimentaires au sein d’un milieu de vie. Cette représentation montre une suite d’êtres vivants dans laquelle chacun est mangé par le suivant. Chaque être vivant d’une chaine alimentaire en constitue un maillon. Les producteurs sont les végétaux. Ils fabriquent de la matière organique à partir d’eau, de substances minérales et de dioxyde de carbone grâce à l’énergie apportée par la lumière du Soleil. Ce sont donc les seuls êtres vivants qui ne se nourrissent pas d’autres êtres vivants. Les producteurs représentent le premier maillon de la chaine alimentaire. Les herbivores 7 sont des animaux qui se nourrissent majoritairement de végétaux. Ils représentent le deuxième maillon de la chaine alimentaire : ce sont les consommateurs de premier ordre.

7 Il semblerait plus logique d’utiliser le terme « végétarien », mais ce terme désigne le régime alimentaire des personnes excluant la viande de leur alimentation. On peut également utiliser le terme « phytophage ».


Les carnivores sont des animaux qui se nourrissent majoritairement d’autres animaux vivants. Ils forment le troisième maillon de la chaine alimentaire : ce sont les consommateurs de deuxième ordre. Dans beaucoup de milieux de vie, on rencontre également des consommateurs de troisième ordre, animaux qui se nourrissent de carnivores. Les omnivores sont des animaux qui se nourrissent d’aliments variés. Ils profitent des ressources qui sont à leur disposition : ce sont des animaux opportunistes. Ils n’ont pas de placée définie dans une chaine alimentaire. Une chaine alimentaire commence toujours par un producteur et se termine par un consommateur. Elle peut posséder jusqu’à 5 maillons. Quand on avance dans une chaine alimentaire, les individus deviennent généralement de plus en plus gros et de moins en moins nombreux. Un réseau alimentaire montre les liens qui existent entre différentes chaines alimentaires. En effet, une même espèce peut occuper des places différentes dans des chaines alimentaires différentes. Cette espèce constitue alors un maillon commun à chacune de ces chaines qui constituent ensemble un réseau alimentaire.


1. Ne pas présenter des chaines alimentaires en s’appuyant sur le sens de la prédation : le chat mange l’oiseau. Il faut indiquer le sens de circulation de la matière : l’oiseau est mangé par le chat.

2. Les détritivores (vautours, lombrics, certains insectes, certains crustacés …) sont des consommateurs de troisième ordre : ils mangent des détritus pour en effectuer une digestion au moins partielle.

3. Une chaine alimentaire n’est pas un cycle.

Proies et prédateurs

Les proies sont des animaux qui ont été chassés pour servir d’aliment à d’autres animaux (prédateurs). Les herbivores sont les proies des carnivores. Les prédateurs sont des animaux qui chassent ce qu’ils mangent (les proies). Les carnivores sont les prédateurs des herbivores. Un carnivore peut être la proie d’un autre carnivore.


Les chaines alimentaires envisagées ici sont généralement désignées comme « chaines de prédateurs ». Il existe également des chaines de parasites dont le dernier maillon est un parasite et des chaines de décomposeurs où le premier maillon est un décomposeur.

Décomposeurs

Les décomposeurs sont des organismes vivants (bactéries, champignons, levures) qui se nourrissent de matière organique morte et qui la transforment pour en extraire les substances minérales remises à la disposition des producteurs. Les décomposeurs agissent à tous les niveaux du réseau alimentaire.


Par cycle de la matière, on désigne le fait que la matière qui constitue les organismes vivants est continuellement remise en circulation. Ce sont les décomposeurs qui assurent cette remise en circulation. Les décomposeurs n’ont donc pas de place dans une chaine alimentaire.


Schéma montrant le cycle de la matière dans la nature

Contrairement à la matière, la circulation de l’énergie est un flux car l’énergie fournie au départ par la lumière du Soleil est consommée partiellement à chaque niveau sans être récupérée.

Schéma montrant le flux d’énergie dans un écosystème

consommateursconsommateursconsommateursconsommateurs producproducproducproducteursteursteursteurs décdécdécdécomposeursomposeursomposeursomposeurs

matière matière matière matière organiqueorganiqueorganiqueorganique

éléments nutritifséléments nutritifséléments nutritifséléments nutritifs

énergie énergie énergie énergie solairesolairesolairesolaire


Exemples d’activités pour …

expliciter des savoirs

- Justifier la place des producteurs dans une chaine alimentaire.

- Justifier l’utilisation du concept de réseau alimentaire.

exercer et maitriser des savoir-faire

- Reconnaitre les proies et les prédateurs dans un contexte.

- Reconnaitre et nommer les maillons d’une chaine alimentaire.

- Elaborer quelques chaines et réseaux alimentaires dans différents milieux de vie.

développer des compétences

- Observer des animaux occupés à se nourrir et décrire leur comportement alimentaire.

- Construire le réseau trophique d’un milieu à partir d’un document ou d’une observation.

- Identifier les conséquences pour les chaines alimentaires et les populations de la disparition d’une espèce.

- Sur base des documents proposés, expliquer la relation entre la diminution des récoltes et le déboisement : voir outil d’évaluation « Adieu la forêt » en sciences pour le 1er degré sur la page http://www.enseignement.be/index.php?page=24515&navi=1806 du site « enseignement.be ».

- Construire une clé dichotomique pour classer six à huit vivants en fonction de leur alimentation.

- Pour une revue scientifique adressée aux jeunes, écrire un article concernant le développement de la population de faucons crécerelles le long des autoroutes : voir séquence « Le faucon crécerelle » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 46-47.

- Concevoir une brochure qui explique le fonctionnement et l’utilité d’un bac à compost : voir séquence « Le compostage » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 48-49.

- Rédiger un texte expliquant le rôle de certaines espèces, et en particulier celui de la loutre, dans l’équilibre écologique du milieu : voir séquence « La nutrition en milieu aquatique» dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 82-83.

- Expliquer les conséquences de l’invasion des coccinelles asiatiques à l’aide des concepts liés aux relations trophiques et de documents d’information.

- Expliquer les méthodes de culture intégrée, dans le cas de la lutte contre des pucerons qui envahissent des rosiers, à l’aide des concepts liés aux relations trophiques et de documents d’information.

- Expliquer l’impact de l’assèchement d’une mare sur les être vivants de ce milieu, à l’aide des concepts liés aux relations trophiques et de documents d’information.

Commentaire concernant une activité proposée dans le programme

Construire une clé dichotomique pour classer six à huit vivants en fonction de leur alimentation Construire une clé dichotomique est une activité que les biologistes assimilent à un tri (voir note préalable page 4). C’est de cette façon que l’on établit une clé de détermination permettant de retrouver le nom d’un être vivant. La construction de clés dichotomiques ne peut généralement pas conduire aux classements scientifiques établis par les biologistes : c’est certainement le cas d’une clé dichotomique construite d’après le comportement alimentaire d’animaux. De plus, cette activité nécessite de choisir les animaux à classer car peu d’espèces animales ont un régime alimentaire unique, la plupart sont opportunistes et se nourrissent de ce qui est disponible dans leur milieu. Voir outil d’accompagnement FESeC D/2001/7362/3094 page 9.


Fiche 1.2 - La digestion et l’absorption approvisio nnent l’organisme en nutriments

Référence : programme pages 26 & 27



Appareil et organisme

Un appareil est un ensemble d’organes fonctionnant ensemble pour contribuer à une même fonction. Un organisme est constitué d’un ensemble d’appareils coordonnés, qui sont donc en relations étroites.


A ce niveau, on considère que les notions d’appareil et de système sont synonymes. Scientifiquement, on parle d’appareil quand on insiste sur le point de vue anatomique et de système si c’est le point de vue physiologique qui est privilégié, avec une approche plus globale.

De l’ingestion à l’absorption Pour certains élèves, les aliments tombent sous l’action de la pesanteur, circulent librement et apportent directement «à manger» aux organes. Pour d’autres, il existe un tuyau pour les liquides (en relation avec l’urine) et un tuyau pour les aliments solides (en relation avec les excréments). Pour les élèves, la transformation des aliments s’explique essentiellement par des actions mécaniques.

L’appareil digestif transforme en 4 étapes fondamentales les aliments destinés à l’organisme : * l’ingestion, introduction des aliments dans le corps ; * la digestion , transformation des aliments en nutriments par des processus chimiques et mécaniques ; * l’absorption, passage des nutriments, de l’eau et de diverses substances du tube digestif dans le sang en vue de la distribution dans toutes les parties du corps ; * la défécation, expulsion hors de l’organisme des substances non absorbées. Dans l’espèce humaine, les aliments sont transformés au cours de leur trajet dans un tube unique et continu fait de différents organes (bouche, œsophage, estomac, intestin). Ce tube assure la digestion mécanique et, par ses mouvements, favorise la digestion chimique. Les processus mécaniques de la digestion sont des mouvements des organes du tube digestif. Ces mouvements assurent le découpage, la progression et le malaxage des aliments. Les processus chimiques de la digestion sont assurés, tout au long du parcours, par les sécrétions des glandes digestives. Ces sécrétions transforment les aliments en nutriments, de nature différente.


1. Lors de la digestion, tous les aliments ne sont pas transformés en nutriments :

■ certains aliments sont déjà des nutriments (glucose, glycérol …) ; ■ d’autres aliments ne sont pas digérables (cellulose, alcool …).

2. Le concept d’assimilation repris dans le programme est difficile à envisager à ce niveau. En effet, c’est la fonction par laquelle un organisme transforme des substances absorbées et les convertit, au niveau cellulaire, en sa propre substance.


3. Les nutriments sont les substances alimentaires assimilées par l’organisme. Certains sont issus de la dégradation des macromolécules organiques (protéines, glucides, lipides) au cours de la digestion. D’autres sont absorbés directement (l’eau, les vitamines et les substances minérales …).

4. Pour les termes suivants (nutriments, sécrétions, glandes), il n’est pas facile à ce niveau de donner une explication scientifiquement rigoureuse. Les élèves devraient comprendre que :

■ lors de la digestion, certains aliments sont transformés en substances de nature différente et susceptibles de passer dans la circulation sanguine, ce sont les nutriments ;

■ dans notre organisme, existent des structures produisant des substances (sécrétions) qui interviennent dans le fonctionnement de l’organisme, ce sont les glandes.

Exemples de glandes digestives

Il y a des glandes digestives annexées au tube digestif (glandes salivaires, foie, pancréas) et d’autres qui tapissent l’intérieur de l’estomac et de l’intestin.

Le pancréas est une structure (organe) qui produit notamment le suc pancréatique qui est déversé dans le duodénum.

Les glandes salivaires sont des structures (organes) qui produisent la salive.

Les glandes stomacales sont des structures qui produisent notamment des enzymes capables de digérer les protéines.



- Faire la distinction entre tube et appareil digestif. - Expliquer l’origine et la nature des matières fécales. - Justifier la nécessaire complémentarité des actions chimiques et mécaniques.

exercer des savoir-faire

- Utiliser un schéma annoté pour expliquer les actions et les transformations dans l’appareil digestif.

- Réaliser une expérience de digestion (pain avec salive, pain avec pancréatine, viande avec acide chlorhydrique et pepsine) : voir outil d’accompagnement FESeC D/2001/7362/3094 page 8.


- Réaliser une ligne du temps qui permette de comprendre rapidement ce que deviennent nos aliments après leur ingestion.

- Répondre à la question « Quand j’ai mangé un steak, frites, salade, suis-je steak, frites, salade ? » en justifiant la réponse.

- Réaliser un rapport d’observation relatif à un vivant récolté dans le sol : voir séquence « Le sol comme milieu de vie » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 50-53.

- Expliquer les conséquences de l’invasion des coccinelles asiatiques à l’aide des concepts liés aux relations trophiques et de documents d’information.

- Expliquer les méthodes de culture intégrée, dans le cas de la lutte contre des pucerons qui envahissent des rosiers, à l’aide des concepts liés aux relations trophiques et de documents d’information.

- Expliquer l’impact de l’assèchement d’une mare sur les être vivants de ce milieu, à l’aide des concepts liés aux relations trophiques et de documents d’information.


Fiche 1.3 - La plupart des vivants sont incapables de stocker l’oxygène dont ils ont besoin pour vivre. Ils doive nt donc avoir des échanges gazeux permanents avec l’air atmosphérique ou dissous dans l’eau




Composition de l’air

L'air est le mélange8 de gaz constituant l'atmosphère terrestre. L'air sec est composé d'environ 78 % (en volume) d’azote, 21 % de d’oxygène, 1 % d'autres gaz dont le dioxyde de carbone9 (0,04 %) et les gaz nobles. La composition de l’air varie avec l’altitude, la température, l’importance de la pollution... Elle change aussi lors de la respiration : l'air rejeté est plus riche en eau et en dioxyde de carbone que l'air inspiré, plus riche en oxygène.

Remarque pour le professeur Les gaz nobles sont, par ordre de décroissance, l’argon (0,9 %, de très loin le plus abondant), le néon, le krypton, le xénon, l’hélium... Il vaut mieux éviter l’appellation « gaz rare » (l’hélium constitue 24 % de la matière de l’univers) ainsi que l’appellation « gaz inerte » puisqu’il existe maintenant des composés chimiques du xénon par exemple.

Mécanisme de la ventilation pulmonaire On peut trouver chez nos élèves certaines des conceptions suivantes concernant la ventilation pulmonaire : l’air entre par le nez et sort par la bouche ; l’air va d’un poumon à l’autre ; l’air va dans tout le corps (courant d’air), il y a un « tuyau » pour l’entrée de l’air, un autre pour la sortie, l’air se transforme en gaz carbonique dans les poumons ; ce sont les poumons qui veulent de l’air ; on inspire de l’oxygène et on expire du gaz carbonique ; lors de la respiration, l’air a exactement la même composition (de l’inspiration à l’expiration)… Le rôle actif des muscles respiratoires n’est pas perçu : pour beaucoup d’élèves, « c’est l’air qui gonfle la poitrine ».

La ventilation pulmonaire désigne le processus qui permet de renouveler les gaz respiratoires en absorbant de l’oxygène et en dégageant du dioxyde de carbone. Lors de l’inspiration, le diaphragme se contracte, ce qui a pour effet de l’abaisser et d’augmenter ainsi le volume de la cage thoracique (et donc des poumons). Cela provoque une entrée d’air dans les poumons. L’air extérieur s’engouffre alors dans les poumons puisque ceux-ci sont en communication avec l’extérieur par les voies respiratoires. Lors de l’expiration, le diaphragme se relâche, ce qui a pour effet de le faire remonter et ainsi de diminuer le volume de la cage thoracique (et donc des poumons). Cela provoque une augmentation de la pression de l’air dans les poumons et donc l’expulsion de la plus grande partie de l’air qui s’y trouve. La capacité pulmonaire est le volume d'air pouvant être expiré10. Elle se mesure avec un spiromètre. Cette capacité peut être augmentée par un développement des muscles du thorax et donc par la pratique régulière de sport. Une bonne capacité pulmonaire favorise une bonne condition physique.

8 Il est utile de préciser que l’air est un gaz homogène, ce qui assure le lien avec la fiche 2.2. 9 Le taux de dioxyde de carbone est passé de 0,028 % au début du XXe siècle à 0,038 % actuellement. 10 La capacité pulmonaire est donc la somme du volume d'air échangé normalement, du volume d'air complémentaire entré lors de l'inspiration forcée et du volume d'air de réserve que l'on peut encore expirer en contractant fortement les muscles respiratoires.



1. Lors de la ventilation pulmonaire, les gaz respiratoires sont renouvelés. Il y a entrée d’air extérieur avec la proportion normale d’oxygène (21 %).Cet air se mélange avec l’air résiduel des poumons. Ensuite, il y a dégagement d’un air avec une proportion élevée de dioxyde de carbone (4,5 %) et une proportion plus faible d’oxygène (16 %). Contrairement à une représentation fréquente des élèves, l’air expiré contient encore une proportion suffisante d’oxygène ce qui permet d’ailleurs de ranimer une personne en détresse respiratoire.

2. Lors d’une inspiration forcée, en plus de la contraction du diaphragme qui chasse les viscères vers le bas et pousse les côtes latéralement, les muscles du thorax se contractent pour soulever les côtes et le sternum et ainsi augmenter davantage le volume de la cage thoracique. En conséquence, un plus grand volume d’air pénètre dans les poumons.

Lors d’une expiration forcée, d’autres muscles se contractent pour écraser davantage la cage thoracique et chasser davantage d’air des poumons.

Pour mettre en évidence ce mécanisme de ventilation pulmonaire, il est possible de réaliser un modèle à l’aide d’un petit matériel. Voir outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06, pages 54 à 56 ou le site http://pedagogie.ac-toulouse.fr/svt/serveur/lycee/perez/pulmo/pulmo.htm ou le document n°3066 « Eveil à l’observation et à la pratique expérimentale en physique - La pression atmosphérique : un jeu d'enfants ? » pages 17 à 21 disponible sur le site « enseignement.be » à la page http://www.enseignement.be/index.php?page=24902&navi=862&rank_page=24902

3. La compréhension du fonctionnement de la ventilation pulmonaire peut se faire en deux temps :

■ les aspects descriptifs en 1re année, ■ les aspects explicatifs en 2e année, au moment où le concept de pression est envisagé.

Modes de respiration Dans le langage courant, la respiration désigne généralement les phénomènes qui ont lieu au niveau des poumons. La respiration est également assimilée à la vie (le souffle, c’est la vie). Respirer est parfois confondu avec sentir.

Les modes de respiration des animaux sont variés : ils sont adaptés à leur milieu de vie. La respiration pulmonaire : les échanges de gaz entre l’air et le sang ont lieu au niveau des poumons. La respiration branchiale : les échanges de gaz entre l’eau et le sang ont lieu au niveau des branchies qui sont les organes de respiration aquatique. La respiration cutanée : les échanges de gaz entre l’air et le sang ont lieu au niveau de la peau nue et humide. La respiration trachéenne : les trachées sont des tubes remplis d’air qui parcourent tout le corps. Les échanges de gaz ont lieu directement entre l’air et les membranes des cellules.


1. La respiration désigne l’ensemble des phénomènes qui permettent la combustion lente des nutriments pour en extraire l’énergie, depuis la ventilation jusqu’aux réactions intracellulaires. En ce qui concerne les différents types d’échanges de gaz entre le milieu extérieur et le milieu intérieur d’un être vivant, l’usage fait que l’on parle pourtant de modes de respiration. Ces modes de respiration sont très différents suivant les milieux de vie.

2. La respiration pulmonaire est caractéristique des vertébrés terrestres (mammifères, reptiles, amphibiens …) et aériens (oiseaux). Quelques vertébrés marins possèdent également des poumons (dauphins, baleines …). L’air entre et sort par les mêmes ouvertures.

3. Chez les poissons et beaucoup d’amphibiens, de mollusques et d’arthropodes aquatiques, les échanges de gaz se font grâce à des branchies, tissus très ramifiés à fine membrane. L’eau entre par une ouverture et sort par une autre. Par rapport à la respiration pulmonaire, cette respiration réclame beaucoup plus d’énergie car l’eau est beaucoup plus lourde et contient moins d’oxygène que l’air.

4. La respiration cutanée est le mode de respiration unique de beaucoup de vers (le lombric par exemple). Elle existe également chez la plupart des vertébrés. Les amphibiens absorbent par la peau 30 % de l’oxygène qui leur est nécessaire et rejettent par cette voie 100 % du dioxyde de carbone. Chez l’Homme, la respiration cutanée intervient pour environ 1 % des échanges gazeux.

5. La respiration trachéenne concerne essentiellement les arthropodes. Elle ne fait pas intervenir le sang. Les trachées se ramifient dans toutes les parties du corps (trachéoles) pour se terminer à proximité de chacune des cellules.




- Distinguer mouvements respiratoires et respiration cellulaire du point de vue de leur fonction.

- Relier organes de systèmes respiratoires et milieux de vie (air ou eau).


- Elaborer un schéma annoté et commenté qui spécifie les lieux des échanges gazeux.

- Elaborer un schéma annoté et commenté qui explique la ventilation pulmonaire chez les humains.


- Réaliser sur un panneau, un tableau comparatif illustré qui permette d’identifier facilement et de comprendre le mode respiratoire des différents animaux de la mare.

- Expliquer scientifiquement et précisément le trajet du dioxygène depuis la pompe d’aquarium jusqu’à l’intérieur du poisson.

- Construire un classement dichotomique de six à huit vivants en fonction de leur mode de respiration.

- Expliquer des phénomènes comme : la mort de poissons dans une eau en manque d’oxygène, la mort des requins et des dauphins pris dans les filets, la mort par asphyxie de personnes dont le torse est enseveli sous des décombres, l’absence de certaines espèces de poissons dans des eaux stagnantes, la différence de composition de l’air d’une classe fermée avec le professeur et les élèves et de l’air extérieur, la présence/absence d’eau dans les poumons d’un noyé.

- Réaliser un modèle de la ventilation pulmonaire et en expliquer le mécanisme : voir séquence « La respiration - ventilation pulmonaire » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 54-56.

- Rédiger une synthèse relative à la ventilation pulmonaire et à la composition de l’air inspiré et de l’air expiré : voir séquence « La ventilation pulmonaire » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 57-59.

- Imaginer et mettre en œuvre un processus expérimental permettant de découvrir le mécanisme de respiration chez la moule : voir séquence « La respiration : quel mécanisme ? » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 60-61.

- Imaginer et mettre en œuvre un processus expérimental qui permette de découvrir si l'air expiré présente ou non une composition différente de celle de l'air inspiré : voir séquence « La respiration - Composition de l’air » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 62-65.

- Etablir un tableau qui présente les différents modes de respiration selon un classement dichotomique : voir séquence « La respiration - Classement dichotomique» dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 66-67.

Commentaire concernant certaines activités proposées dans le programme

1. Déterminer expérimentalement la composition de l ’air L’expérience la plus courante est celle où l’on fait bruler une bougie : elle n’est pas pertinente. Le niveau d’eau monte, en effet, dans le récipient fermé pour occuper environ 20 % de son volume. Mais l’explication de cette expérience ne tient pas uniquement à la disparition de l’oxygène lors de la combustion : elle est également liée à la production de dioxyde de carbone et à la dilatation de l’air chauffé puis à sa contraction qui fait monter le niveau d’eau. Pour une explication complète, voir le site http://www.wikidebrouillard.org/index.php/Bougie_dans_le_bocal Une expérience facile d’oxydation (formation de rouille) d’un tampon à récurer en paille de fer est décrite sur le site


http://sallec4.free.fr/Sallec4fichiers/Troisieme/Corrosion%20fer%20et%20aluminium/Corrosion%20fer%20alu_Cours_1.pdf D’autres expériences existent, basées sur la combustion de magnésium ou de soufre : de telles expériences sont à mener avec précaution, sous hotte, particulièrement celle avec le magnésium dont la combustion dégage une lumière intense (utilisation recommandée de lunettes de protection). On peut également commenter aux élèves l’expérience de Lavoisier : http://phys.free.fr/exlavoi.htm

2. Mettre en évidence la présence de gaz dissous 11 dans l’eau Voici une proposition d’expérience. Les explications fournies permettent à l’enseignant de répondre à d’éventuelles questions mais ne constituent pas une matière à étudier par les élèves. Mettre en évidence la présence de gaz dans l’eau Verser de l’eau du robinet dans un berlin. Chauffer cette eau jusqu’à une température de 50-60 °C. Faire observer par les élèves que des bulles se forment qui montent à la surface de l’eau. Ce sont des bulles de gaz dissous dans l’eau. Certaines bulles ne remontent pas et restent accrochées aux parois du récipient retenues par les mini-aspérités des parois.

3. Construire un classement dichotomique de six à h uit vivants en fonction de leur mode de respiration Construire une clé dichotomique est une activité que les biologistes assimilent à un tri (voir note préalable page 4). C’est de cette façon que l’on établit une clé de détermination permettant de retrouver le nom d’un être vivant. Voir exemple de classement dans un tableau à double entrée de vivants en fonction de leur type de respiration dans l’outil FESeC d’accompagnement D/2001/7362/3094 page11.

4. Sensibiliser aux méfaits de l’inhalation de subs tances toxiques (éther, tabac, colles, monoxyde de carbone, gaz de briquet !) La sensibilisation des élèves aux méfaits de substances toxiques n’est pas une activité de prévention efficace, c’est du moins ce qu’affirment tous les centres de prévention des assuétudes. La drogue fait peur et suscite la fascination. Elle interpelle des valeurs fondamentales pour nous, telles que la vie, la santé, la liberté, la maitrise de soi, l'intégration ... Elle est perçue comme toute puissante et inéluctable. Comment réagir ? La tentation est souvent grande de faire de la prévention par la peur, de centrer le discours sur les drogues et leurs dangers et de tenter de dissuader ainsi les jeunes. La faiblesse de ce type de prévention est qu'elle ne dissuadera ... que ceux qui l'étaient déjà. La prévention fondée sur la peur ressentie par l'adulte peut devenir un levier pour certains adolescents; ceux-là même qui se construisent par opposition, ou ceux qui se donneront pour défi d'oser ce que même les adultes n'osent pas; dès lors, plus l'adulte aura peur, plus ces jeunes se sentiront attirés. La stigmatisation a également un effet pervers : c'est proposer l'identité de toxicomane à un adolescent qui ne l'est pas, mais qui est en recherche d'une identité, si possible en contradiction avec ce qui est attendu de lui, du côté de ses parents ou de la société en général. L'objectif d'un travail de prévention n'est pas tant de lutter contre les substances toxiques - ce qui ne peut qu'être incitatif pour certains jeunes - mais de leur faire concurrence ! Et pour cela, il faut comprendre le sens de la démarche des jeunes qui expérimentent la consommation ou qui consomment de manière sporadique ou régulière. Comprendre ce sens et le reconnaitre ne signifie en rien accepter le comportement; celui-ci doit toujours être sanctionné ! Mais le travail de l'adulte devient d'aider le jeune à prendre distance, à découvrir le sens de son comportement et à lui permettre de mobiliser ses ressources pour trouver des alternatives à la consommation de telles substances tout en respectant le sens recherché. En conclusion, il ne convient pas de sensibiliser les jeunes aux méfaits de l’inhalation de substances toxiques. Toute prévention doit s’inscrire dans le long terme, avec une vision positive et globale de la santé. 11 On ne peut pas parler d’air dissous dans l’eau car la solubilité dans l’eau des gaz qui composent l’air est très différente : le dioxyde de carbone est le gaz le plus soluble (eaux pétillantes), l’oxygène est peu soluble et l’azote pratiquement insoluble.


Pour plus d’information, prendre contact avec un centre de prévention des assuétudes (on trouve leurs adresses sur le site http://www.guidesocial.be). C’est ainsi que l’asbl Nadja (http://www.nadja-asbl.be) à Liège propose une démarche préventive reposant sur 3 principes :

■ le renforcement des compétences des acteurs de première ligne, dont les professeurs, pour lesquels l’asbl propose des formations ;

■ le sens de la consommation de drogues ; ■ l’interaction produit-individu-environnement.

Le professeur soucieux d’informations scientifiques sur ce sujet trouvera des informations pertinentes sur le site canadien http://www.cps.ca/francais/enonces/II/ii97-01.htm#causes ou sur le site belge http://www.infordrogues.be


Fiche 1.4 - Pour utiliser l’énergie nécessaire à le ur croissance et à l’exercice de leurs fonctions internes et de leurs activités, la plupart des vivants ont besoin de transporter les nutriment s et l’oxygène de l’air ou de l’eau à chacun de leurs organes et d ’éliminer des déchets


Durée proposée : 12 périodes Tenir compte des conseils méthodologiques écrits à la page 31 du programme.


Ce chapitre permet de compléter ce qui a été vu précédemment en initiant les élèves à l’existence et aux rôles des cellules et en montrant la nécessaire mise en relation des appareils digestif, respiratoire et circulatoire. Les exemples d’activités proposent quelques tâches mettant en application cette mise en relation des appareils.

La cellule

La cellule est la plus petite entité capable de vie. Tous les êtres vivants sont composés d’une ou de plusieurs cellules (cent mille milliards ou 1011 cellules chez un homme adulte). Dans la cellule, les nutriments sont transformés en substances utiles pour son fonctionnement. En particulier, de l’énergie est extraite de certains nutriments en présence d’oxygène (phénomène appelé respiration cellulaire). Il résulte de cette transformation une production de dioxyde de carbone et de déchets.


1. La taille des cellules, de 1 à 100 micromètres (noté µm ; 1 µm = 0,001 mm), ne permet pas de les observer à l’œil nu puisque l’œil humain ne peut distinguer les objets en dessous de 100 micromètres (0,1 mm). Il est utile de montrer le schéma d’une cellule et de le décrire sommairement. C’est en 3e année que les élèves étudieront la cellule qu’ils verront à l’aide d’un microscope.

2. C’est par un phénomène qui s’apparente à une combustion que de l’énergie est extraite de certains nutriments (glucose) dans la cellule. La mise en évidence de ce phénomène permet de comprendre le rôle principal de l’alimentation et de la respiration.

L’appareil excréteur Pour certains élèves, il existe un tuyau pour les liquides (en relation avec l’urine) et un tuyau pour les aliments solides (en relation avec les excréments).

Le sang transporte les déchets produits par les cellules. Ces déchets sont éliminés par : * les poumons (dioxyde de carbone et eau), * l’urine après filtrage par les reins (substances minérales et eau), * la sueur après filtrage par la peau (substances minérales et eau).


Le terme « excrétion » s’applique seulement aux substances qui traversent des membranes avant de sortir de l’organisme. Les aliments qui transitent dans les voies digestives jusqu’à la sortie de l’organisme, par l’anus, sont dites « évacuées » plutôt que « excrétées ». Il s’agit pourtant de ce qu’on appelle les excréments dans la vie courante !


La circulation sanguine Certains médias peuvent induire chez les élèves des représentations erronées, par exemple quand les globules rouges sont personnalisés « avec des sacs au dos ».

L’appareil circulatoire doit assurer à toutes les cellules de l’organisme un apport continu d’oxygène et de nutriments, mais également se charger de l’élimination du dioxyde de carbone et de tous les déchets qu’elles produisent. L’appareil circulatoire effectue donc les transports de ces substances dans l’organisme. Chez de nombreux vivants, ces transports sont effectués par le sang.


Colorer, dans les schémas, le sang pauvre en oxygène en bleu est une convention. En réalité, il est à peine plus foncé que le sang riche en oxygène.

Le sang : composition et rôle

Environ 5 litres de sang circulent à tout instant dans le corps. C’est un liquide rouge et visqueux. Il assure notamment : * le transport des nutriments de l’intestin aux cellules, * le transport de l’oxygène des poumons aux cellules, * le transport du dioxyde de carbone des cellules aux poumons, * le transport de divers déchets des cellules aux reins.


Le sang a déjà été mentionné plusieurs fois dans les chapitres précédents (le sang véhicule les nutriments, l’oxygène et les déchets de fonctionnement des cellules). Ce chapitre sur la circulation sanguine permet de montrer aisément les nécessaires interactions entre appareils digestif, respiratoire et circulatoire.

Pour plus d’informations sur la composition du sang, voir le site : http://www.ulb.ac.be/inforsciences/quandseraigrand/docs/sang_comp.pdf

L’appareil circulatoire de l’Homme Chez l’Homme, l’intérieur du corps correspond pour certains jeunes élèves à une sorte de sac, «le ventre», où les aliments, l’air, le sang se déplacent dans tous les sens sans être canalisés. Les vaisseaux sanguins sont souvent désignés par le terme de « veines ». Pour beaucoup d’élèves, il est utile de distinguer :

■ sang pur et sang impur, ■ sang oxygéné et sang désoxygéné (le sang qui part des organes contient encore 70 %

d’hémoglobine saturée en oxygène !), ■ petite circulation et grande circulation, ■ sang veineux (pour le sang pauvre en oxygène) et sang artériel (pour le sang riche en

oxygène).

L’appareil circulatoire de l’Homme est un véritable réseau constitué : * de vaisseaux (tuyaux qui parcourent tout le corps) � artères , capillaires , veines , * d’une pompe � le cœur , * du liquide circulant � le sang . Les veines, les artères et les capillaires remplissent chacun des rôles différents. Une artère est un vaisseau contenant le sang allant du cœur aux cellules ou aux poumons. Une veine est un vaisseau contenant le sang allant des cellules ou des poumons vers le cœur. Les capillaires sont les plus petits des vaisseaux sanguins. C’est à leur niveau qu’ont lieu les échanges avec les cellules. L’appareil circulatoire permet au sang d’approvisionner en nutriments et en oxygène toutes les cellules de l’organisme et d’en évacuer les déchets produits par leur activité. Parmi ces déchets, il y a du dioxyde de carbone et de l’eau.



La circulation du sang d’un mammifère comprend la circulation pulmonaire et la circulation systémique.

La circulation pulmonaire permet au sang de se recharger en oxygène dans les poumons grâce à l’artère pulmonaire qui conduit le sang appauvri en oxygène du cœur aux poumons et grâce à la veine pulmonaire qui ramène le sang enrichi vers le cœur.

La circulation systémique assure la circulation du sang dans tout le corps grâce aux artères qui conduisent le sang jusqu’aux cellules et grâce aux veines qui ramènent le sang vers le cœur.

Schéma montrant la circulation du sang dans le corps humain


Le cœur Les battements cardiaques ne sont identifiés que lorsqu’il y a changement de rythme : après un effort, une émotion, on a « le cœur qui bat ». Les expressions construites avec le mot « cœur » perturbent les élèves : « avoir mal au cœur », « un cœur débordant de tendresse », « en avoir le cœur net »…

Le cœur est un muscle creux qui assure le transport du sang grâce à ses contractions. Il est divisé en deux parties : * la partie gauche qui contient le sang riche en dioxygène, * la partie droite qui contient le sang riche en dioxyde de carbone et pauvre en dioxygène. Chaque partie comprend une oreillette en haut et un ventricule en bas communiquant entre eux par une valvule. Les oreillettes se contractent et envoient ainsi le sang dans les ventricules. Ceux-ci se contractent à leur tour et propulsent le sang dans les artères.

Les types de circulation

Le trajet suivi par le sang et la structure de l’appareil circulatoire varient beaucoup dans les différents groupes d’animaux. Caractéristiques des types de circulation : On rencontre les circulations ouvertes ou fermées. * Dans une circulation ouverte, le sang circule partiellement dans des vaisseaux avant d’être déversé dans l’organisme. * Dans une circulation fermée, le sang circule uniquement dans des vaisseaux. Parmi les circulations fermées, il y a les circulations simples ou doubles. * Dans une circulation simple , il y a un seul circuit sanguin. * Dans une circulation double , il y a deux circuits. Le premier part du cœur, va aux organes et revient au cœur ; le second part du cœur, va aux poumons et revient au cœur. Parmi les circulations doubles, il y a les circulations incomplètes ou complètes. * Dans une circulation incomplète , le sang riche en oxygène se mélange au sang pauvre en oxygène au niveau du (ou des) ventricule(s) du cœur. * Dans une circulation complète , il n’y pas mélange du sang pauvre en oxygène avec le sang riche en oxygène.


1. Des schémas sont disponibles sur le site http://homepage.mac.com/ltbo/EvolVie/evolution/sang.htm Ce site permet de mettre les différents types de circulation sanguine en relation avec l’évolution des espèces animales.

2. Le classement des différents types de circulation peut être représenté par une clé dichotomique.

3. Les annélides (vers) et les poissons ont une circulation fermée et simple. Les mollusques, les araignées et les insectes ont une circulation ouverte (le sang des insectes (hémolymphe) a une composition semblable aux autres liquides corporels et n’assure que très partiellement le transport des gaz respiratoires). Les amphibiens et les reptiles ont une circulation fermée, double et incomplète (chez les crocodiliens, les ventricules du cœur sont isolés mais il y a mélange des sangs riche et pauvre en oxygène au niveau des artères aortes). Les mammifères et les oiseaux ont une circulation fermée, double et complète.



- Reconnaitre et caractériser les différents systèmes circulatoires. - Décrire le fonctionnement du cœur et des principaux vaisseaux sanguins. - Expliquer le rôle de la circulation dans le transport des nutriments et du dioxygène et dans

l’élimination des déchets. - Décrire le système circulatoire de différents vivants (vertébrés et invertébrés).


- Sur un schéma, une photo, un dessin … situer et nommer les différents organes, préciser à quels appareils ils appartiennent et expliquer leurs rôles.


- Elaborer un schéma annoté et commenté qui illustre les systèmes circulatoires et les échanges qui ont lieu au niveau des différents organes.


- Comparer l’appareil circulatoire de quelques vivants, vertébrés et invertébrés.

- Construire un classement dichotomique de six à huit vivants en fonction de leur type de circulation.

- Expliquer des phénomènes comme : pour mesurer le taux de glycémie, les malades atteints de diabète prélèvent une goutte de sang au bout d’un doigt ou font faire une analyse d’urine ; chez les animaux qui hibernent, les rythmes cardiaque et respiratoire ralentissent et la température corporelle s’abaisse ; les sportifs font des stages en altitude ; le taux d’alcoolémie peut être vérifié par une prise de sang.

- Réaliser un rapport d’expérimentation après mise au point d’expériences destinées à illustrer l’adaptation du corps humain à des situations de dépense énergétique : voir séquence « La régulation corporelle» dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 68-71.

- Sur un schéma, représenter le circuit réalisé par une goutte de sang, indiquer les lieux d’échange entre le sang et les différents organes et expliquer ce qui se passe à ces différents endroits.

- Rédiger un texte scientifique relatif aux caractéristiques des phoques et des dauphins : voir séquence « Le phoque veau-marin et le grand dauphin » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 84-85.

- Produire un livret illustré qui explique à de jeunes enfants comment la nourriture permet au lapin de survivre quand la température extérieure est très basse : voir séquence « Lapin des villes et lapin des champ » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 88-90.

- Expliquer quels sont les modes d’administration qui permettent à un médicament d’agir en cas de migraines : voir outil d’évaluation « Aux grands maux, les grands remèdes » en sciences pour le 1er degré sur la page http://www.enseignement.be/index.php?page=24515&navi=1806 du site « enseignement.be ».

- Expliquer en quoi le ski nautique est une solution efficace pour remédier à la présence de poissons morts dans les lacs en période de canicule : voir outil d’évaluation « Ski nautique contre poissons morts » en sciences pour le 1er degré sur la page http://www.enseignement.be/index.php?page=24515&navi=1806 du site « enseignement.be ».

Commentaire concernant une activité proposée dans le programme Construire une clé dichotomique de la circulation sanguine chez 6 à 8 vivants Construire une clé dichotomique est une activité que les biologistes assimilent à un tri (voir note préalable page 4). C’est de cette façon que l’on établit une clé de détermination permettant de retrouver le nom d’un être vivant. Voir exemple de classement dichotomique de vivants en fonction du mode de circulation du sang dans l’outil FESeC d’accompagnement D/2001/7362/3094 page 11.


Fiche 1.5 - Les espèces se perpétuent par la reprod uction asexuée ou sexuée. Lors d’une reproduction sexuée, la fécon dation par l’union d’un gamète femelle et d’un gamète mâle pro duit une cellule-œuf (zygote) qui est à l’origine d’un nouve l individu




Modes de reproduction sexuée et asexuée Les représentations des élèves autour de la transmission de la vie sont plus ou moins chargées d’affectivité : elles varient donc s’il s’agit de végétaux, d’animaux ou d’êtres humains. Chez les animaux, le rôle du mâle n’est pas toujours perçu ; chez les plantes à fleurs (pour des élèves, la fleur désigne l’organe à pétales dans son rôle décoratif), des élèves pensent que les grains de pollen en germant donnent de nouvelles plantes. La double contribution mâle + femelle pour la procréation est donc un aspect omis. La procréation, donnant naissance à un nouvel être vivant porteur des caractéristiques de son espèce, est souvent confondue avec la reproduction non sexuée, production d’une copie conforme. Souvent, pour les élèves, il est possible de croiser deux espèces différentes. De plus, le concept d’espèce n’est pas intégré.

La reproduction est l'ensemble des processus par lesquels une espèce se perpétue, en produisant de nouveaux individus. La reproduction des êtres vivants se réalise de manière sexuée (procréation) ou asexuée (reproduction non sexuée au sens strict). Dans la reproduction asexuée , le nouvel être vivant obtenu est la copie conforme de son unique parent. Dans tous les cas, un morceau de l'organisme "parent" se détache et reconstitue un nouvel organisme. La procréation ou reproduction sexuée conduit à un nouvel être différent de ses deux parents. La procréation ne peut avoir lieu qu’au sein d’une même espèce et nécessite la rencontre d'individus mâle et femelle ou, seulement de cellules mâle et femelle.


Les champignons et les bactéries ont un mode de reproduction asexuée. Il peut s’agir aussi du bourgeonnement de nouveaux individus à partir de l’organisme parental, comme chez l’hydre et chez certaines méduses. Lorsque les nouveaux individus restent unis à l’organisme d’origine, il se forme une colonie, comme chez les coraux.

La reproduction asexuée peut aussi résulter du fractionnement de l’organisme en plusieurs parties, comme chez certains vers.

Une reproduction asexuée existe encore chez certains végétaux, elle se fait à partir d’un fragment de végétal (boutures, marcottes, bulbes, tubercules…). Un bouturage peut aisément être réalisé en classe.

Les cycles de vie Les descriptions des cycles de la nature entretiennent souvent la confusion entre cycle de vie et cycle saisonnier. La notion de cycle de vie n’est envisageable qu’au niveau de l’espèce, elle ne doit pas être utilisée pour l’individu, car elle ne rend pas compte du fait que la vie de l’individu est caractérisée par un début et une fin (ce n’est donc pas un éternel recommencement). La mort, trop souvent cachée, est souvent présentée comme un accident de parcours alors qu’elle est le terme inéluctable de l’existence d’un organisme vivant. Les élèves sont plus sensibles aux histoires individuelles des êtres vivants qu’aux étapes des cycles de vie.


Chaque être vivant change au cours du temps. Le développement de la plupart d’entre eux présente une succession de phases : naissance, développement et croissance, âge adulte, vieillissement, mort. Les phases d’un cycle de vie sont généralement commandées par des changements qui sont des réponses à des stimulations issues du milieu extérieur ou stimuli comme par exemple, un changement de température ou de luminosité.


1. Privilégier l’observation directe et régulière du développement d’animaux (petits élevages) et de végétaux (cultures en classe, jardin de l’école). De cette façon, les élèves prennent mieux conscience de l’existence de phases dans un cycle de vie.

2. La croissance correspond à une augmentation irréversible des dimensions et de la masse. Chez l’adulte (animal et humain), la croissance s’arrête autour de la maturité sexuelle (des exceptions existent chez certains mollusques et crustacés).Les arbres ont une croissance qui se poursuit toute leur vie ; elle peut être discontinue, saisonnière dans les zones à saisons marquées.

3. Un stimulus (au pluriel, stimuli) désigne tout ce qui est de nature à déterminer une réaction chez un organisme vivant : un son (stimulus auditif), un stimulus visuel (image ou lumière), une source de chaleur (stimulus thermique), la sensation de gravité, un évènement, un choc électrique, une odeur …

La reproduction sexuée L’expression « petite graine », utilisée parfois avec les jeunes élèves pour désigner le spermatozoïde peut créer des confusions, puisque la graine chez les végétaux est déjà elle-même le produit d’une fécondation. Dans le langage courant, l’œuf désigne généralement uniquement l’œuf d’oiseau, notamment l’œuf de poule qui, en l’absence de coq dans l’élevage, n’est en fait qu’un ovule avec ses réserves nutritives.

La fécondation est l’étape de la reproduction sexuée consistant en la fusion d’une cellule reproductrice mâle et avec une cellule reproductrice femelle en une cellule unique appelée zygote . Les cellules reproductrices s’appellent des gamètes.

La reproduction sexuée des plantes à fleurs

Dans les fleurs, se trouvent deux types de pièces, appelées étamine et pistil, qui produisent les cellules reproductrices respectivement mâles et femelles. Les étamines produisent les grains de pollen qui sont transportés d’une fleur à une autre : c’est la pollinisation. La fécondation se produit quand des grains de pollen ont été déposés à l’extrémité du pistil. Une fois déposé, le grain de pollen germe et produit un tube qui s’enfonce dans le pistil. Ce tube véhicule le gamète mâle jusqu’au gamète femelle, au fond du pistil. Il y a alors fécondation et formation d’une graine qui contient le zygote et des réserves. L’organe qui contient les graines s’appelle un fruit.


Les plantes à fleur sont caractérisées par la formation de graines à l’issue de la fécondation. On les divise en gymnospermes et angiospermes. Les gymnospermes (gymno = nu ; sperme = semence, graine) sont des plantes ligneuses vivaces (arbres, arbustes et lianes) caractérisées par des graines nues, c’est-à-dire non incluses dans un fruit. Les angiospermes (angio = capsule ; sperme = semence, graine) sont les plantes à fleur proprement dites et sont caractérisées par leurs ovules enclos dans un organe spécialisé appelé carpelle. L'ensemble des carpelles est appelé ovaire. À la suite de la fécondation, les ovules se transforment en graines et sont enfermées dans un fruit résultant de la transformation de l'ovaire.


La reproduction sexuée des animaux

Chez les animaux, les gamètes femelles sont appelées ovules et les gamètes mâles, spermatozoïdes . La fécondation donne naissance à un zygote. Chez beaucoup d’espèces animales (arthropodes, grenouilles, poissons, oiseaux), la femelle pond un œuf dans le milieu extérieur. Cet œuf contient le zygote issu de la fécondation ainsi que les réserves nécessaires à son développement. C’est l’oviparisme . A la naissance , lorsque les petits sortent de l'œuf, c'est l'éclosion . Les œufs libèrent soit une larve, soit un jeune qui ressemble à l’adulte. Chez les mammifères, le zygote se développe à l’intérieur de l’organisme maternel. Il devient embryon : des échanges nutritifs et respiratoires ont lieu entre l’embryon et la mère. C’est le viviparisme .


Chez quelques animaux (quelques espèces de poissons comme les requins ou les guppys, certains amphibiens et reptiles), le zygote se développe dans un œuf qui n’est pas pondu à l’extérieur mais qui se développe à l’intérieur de la femelle en consommant les réserves qu’il contient. C’est l’ovoviviparisme.

Croissance continue et croissance discontinue

La plupart des animaux connaissent une croissance continue . Le petit ressemble à l’adulte et se développe progressivement. Chez les mammifères, l’embryon est l’organisme en développement depuis la première division du zygote jusqu’au stade où les principaux organes sont formés. A ce stade, l’organisme porte le nom de fœtus . La nidation consiste pour l’embryon à s’implanter dans l’utérus et à y développer un organe, le placenta . L’embryon est raccordé au placenta par le cordon ombilical. Par l’intermédiaire du placenta et du cordon ombilical, la mère fournit à l’embryon tous les éléments dont il a besoin pour se développer (nutriments, oxygène…) et le débarrasse des déchets (gaz carbonique…). Les échanges se font à travers les parois des vaisseaux sanguins sans que la circulation sanguine de l’embryon et celle de la mère se mélangent. A la naissance , lorsque les petits sortent du ventre de leur mère, c'est la mise bas . L'allaitement est la capacité qu'ont les mammifères de nourrir leur progéniture grâce au lait que les femelles produisent. L’appellation « mammifère » est d’origine latine et signifie « porteur de mamelles ». D’autres animaux (des insectes, les crustacés) connaissent une croissance discontinue. Leur croissance passe donc par différentes étapes. Si, lors d’un passage entre deux étapes, l’animal change complètement d’aspect et de mode de vie, on parle de métamorphose . C’est le cas des insectes quand ils passent de l’état de larve à l’état adulte. Si l’animal se développe en se débarrassant de sa carapace pour en sécréter une nouvelle, plus grande, on parle de mue . C’est le cas des crustacés.


Il est conseillé de constituer un lexique au fur et à mesure de la découverte de mots nouveaux. Le vocabulaire scientifique lié à la fonction de reproduction est relativement complexe. Chaque mot a un sens précis et ne doit pas être appris pour lui-même mais pour décrire exactement le concept qu'il représente.




- Décrire, à partir de documents vidéo, le cycle de reproduction d’un vivant non abordé en classe.


- Noter, à partir d’observations réalisées régulièrement, le développement d’une plante cultivée en classe ou d’un animal élevé en classe.


- Construire un classement dichotomique critérié reprenant les différents types de reproduction.

- A partir de différents documents, dégager les caractéristiques principales de la reproduction chez des vivants sexués pour répondre à une question.

- A partir de différents documents, construire le cycle de vie de quelques vivants pour répondre à une question.

- Ecrire une lettre à un journal pour expliquer si des chenilles risquent de revenir (ou pas) dévorer ce qui reste des plants de pommes de terre : voir séquence « Le sphinx Tête-de-mort » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 72-74.

- Placer sur une ligne du temps et à commenter les images des étapes du cycle de vie de la libellule : voir séquence « Le cycle de vie de la libellule » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 75-76.

- Rédiger un rapport illustré par des schémas concernant le cycle de vie du ténébrion : voir séquence « Le cycle de vie des insectes coléoptères » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 77-79.

- Etablir un tableau comparatif des différents modes de reproduction de vertébrés en utilisant les critères de comparaison définis par la classe : voir séquence « La reproduction sexuée des vertébrés » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 80-81.

- Expliquer, à l’aide des concepts liés au cycle de vie et de documents d’information, pourquoi les huîtres sont toujours présentes dans nos mers et dans nos assiettes, malgré le peu d’adultes qui arrivent à maturité et la consommation que nous en faisons.

Commentaire concernant une activité proposée dans le programme Construire un classement dichotomique critérié reprenant les différents types de reproduction Construire un classement dichotomique est une activité que les biologistes assimilent à un tri (voir note préalable page 4). C’est de cette façon que l’on établit une clé de détermination permettant de retrouver le nom d’un être vivant.


Fiche 1.6 - À partir de la puberté l’être humain es t capable de se reproduire. La production des gamètes est continue chez l’homme et cyclique chez la femme


Durée minimum proposée : 7 périodes

Tenir compte des conseils méthodologiques écrits à la page 35 du programme.

Remarque préalable La reproduction humaine est un sujet délicat mais les connaissances de base sont maintenant maitrisées. Cela permet donc un réinvestissement de ces connaissances. L’enjeu principal est de répondre aux questionnements des élèves. Une discussion menée avec la classe semble difficile à cause des nombreux blocages culturels, affectifs … Le professeur peut proposer de poser les questions par écrit de manière anonyme. L’énoncé des questions permet, au passage, de se rendre compte si les connaissances liées à la reproduction sont bien acquises. C’est le professeur de sciences qui répond aux questions des élèves qui auront trait à la puberté, aux règles, au développement de l’embryon, à l’allaitement, à la sexualité. Pour des questions qui sortent du cadre scientifique, il est prudent de faire appel à un centre de planning familial (comme le sips à Liège, http://www.sips.be) ou au centre PMS de l’école. Il n’empêche que le professeur de sciences peut également véhiculer à travers son cours sur ce sujet, la nécessité du respect et de sentiments profonds …

La procréation humaine Les représentations des élèves autour de la transmission de la vie sont plus ou moins chargées d’affectivité particulièrement lorsqu’il s’agit de reproduction humaine. Certains élèves pensent que la «petite graine» donnée par le père à la mère contient un bébé en miniature que la mère va se contenter de faire grandir pendant la grossesse. Concernant les appareils reproducteurs féminin et masculin , les organes, notés en gras ci-dessous, seront visualisés sur des schémas.

La procréation humaine est l'ensemble des processus par lesquels l’espèce humaine se perpétue, en produisant de nouveaux individus. Elle se réalise de manière sexuée. Le nouvel être humain présente des ressemblances avec ses deux parents, mais il est unique. Les différents processus sont : * la production et l’émission de spermatozoïdes par l’homme, * la production et l’émission d’ovules par la femme, * le rapport sexuel, * la fécondation, * la nidation, * la grossesse, * l’accouchement. Les ovules (gamètes femelles) sont produits par les ovaires . Chez une femme pubère, un seul ovule est produit tous les 28 jours environ. L’ovule est expulsé de l’ovaire qui est ensuite capté par une trompe de Fallope où a généralement lieu la fécondation. Cette activité de production d’ovules dure de la puberté à la ménopause (arrêt du fonctionnement des ovaires) qui survient aux alentours de 55 ans. Les spermatozoïdes (gamètes mâles) sont produits par les testicules . Ce sont des cellules très mobiles qui se déplacent grâce aux ondulations de leur flagelle. Chez un homme pubère, des millions de spermatozoïdes sont produits chaque jour. Ils sont stockés dans l’épididyme , lieu de leur maturation.


Le sperme émis lors de l’éjaculation est un liquide blanc dans lequel baignent les spermatozoïdes. Le liquide est produit par les vésicules séminales et la prostate , il est mélangé aux spermatozoïdes lors de leur trajet dans les voies génitales (canaux déférents ). Cette activité de production de spermatozoïdes dure de la puberté à la fin de la vie. Le rapport sexuel : les préliminaires de l’acte sexuel (caresses) permettent l’érection du pénis (il s’allonge, grossit et durcit sous l’effet d’un afflux de sang) et la lubrification du vagin . Ces deux circonstances facilitent l’introduction du pénis dans le vagin. Lors de l’éjaculation, les canaux déférents de l’homme se contractent brusquement et expulsent le sperme dans l’urètre et finalement dans le vagin de la femme. La fécondation : les spermatozoïdes mobiles traversent le col de l’utérus et remontent vers les trompes de Fallope. Sur 300 millions de spermatozoïdes émis lors de l’éjaculation, 2 à 3 millions parviennent dans l’utérus , 100 à 200 sont présents autour de l’ovule et un seul féconde l’ovule. Le futur bébé reste neuf mois dans le ventre de sa mère : c’est la grossesse. Au moment de l’accouchement , le bébé quitte le corps de sa mère.

Evolution sexuelle des adolescents

À la puberté, le corps change chez les filles et les garçons. Les caractères sexuels secondaires apparaissent : seins, pilosité, modification du ton de la voix…. Chez les filles, les ovaires commencent à libérer un ovule à chaque cycle menstruel (environ toutes les quatre semaines). Si l’ovule n’est pas fécondé, la muqueuse qui s’est formée à l’intérieur de l’utérus et qui doit servir à une éventuelle nidation est expulsée lors des règles, ce qui explique l’écoulement de sang. Chez les garçons, les premières éjaculations marquent la maturité des organes génitaux et la fabrication des spermatozoïdes.


1. Il ne faut pas confondre les termes « adolescence » et « puberté ».

L’adolescence est la période de la vie d’un individu au cours de laquelle il passe de l’état d’enfant à celui d’adulte. C’est une phase de maturation avec des aspects biologiques, psychoaffectifs, sociaux, économiques et culturels. L’adolescence prend fin entre 20 et 25 ans.

La puberté est la période de la vie qui marque le début de l’adolescence. Elle se caractérise par des changements biologiques qui aboutissent à la capacité de reproduction.

2. On distingue les caractères sexuels primaires des caractères sexuels secondaires.

Les caractères sexuels primaires désignent l’ensemble des organes génitaux et des glandes annexes qui interviennent dans la reproduction. Ils sont formés dès le développement embryonnaire.

Les caractères sexuels secondaires désignent les caractéristiques morphologiques, anatomiques, fonctionnelles et comportementales qui distinguent les femmes des hommes. Ils apparaissent généralement au moment de la puberté.

3. Lorsqu’il est question des stimulations permettant l’éjaculation de l’homme, le professeur peut saisir l’occasion de parler des stimuli. Un stimulus (au pluriel, stimuli) désigne tout ce qui est de nature à déterminer une réaction chez un organisme vivant : un son (stimulus auditif), un stimulus visuel (image ou lumière), une source de chaleur (stimulus thermique), la sensation de gravité, un évènement, un choc électrique, une odeur …

4. Le professeur pourra évoquer l’utilité de se protéger d’une éventuelle grossesse ou de maladies sexuellement transmissibles (SIDA).




- Sur des schémas, situer et nommer les principales parties de l’appareil reproducteur de l’homme et de la femme et préciser le rôle de chacune d’elles lors de la procréation, de la nidation et du développement de l’embryon et du fœtus.


- Consulter une personne ressource (médecin, psychologue…) à propos de questions liées à la procréation, la grossesse et l’accouchement, la contraception, les MST, les maladies héréditaires…


- Dans le cadre d'une campagne d'information destinée aux adolescents sur le sujet de la sexualité, tu es chargé d'écrire un article qui explique clairement dans quelle mesure un rapport sexuel peut entrainer une grossesse : voir séquence « La reproduction humaine » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 86-87.


Partie 2 - La matière dans tous ses états

Objectif général Face à la variété des formes de la matière inanimée présente dans l’environnement, imaginer des critères permettant de faire un inventaire de ces formes, de les classer, de les organiser en vue d’en communiquer une image sensée et cohérente. Comme le suggère le programme (page 36), cette partie doit être abordée en 1re année.

Tableau synoptique

Contenus du fondamental - Les 3 états de la matière

- Description des changements d’état

- Les états de l’eau : températures des changements d’état

- L’évaporation et les facteurs qui l’influencent

Contenus du premier degré - Modèle des corps purs et des mélanges

- Mélanges homogènes et mélanges hétérogènes : techniques de séparation

- Propriétés et modèles des états de la matière

Contenus de 3e année - Structure macroscopique de la matière : types de mélanges, méthodes de séparation, solvant, solution, soluté

- De la molécule à l’atome et à l’ion

- La réaction chimique

Contenus de 4e année - La masse des atomes et des ions

- Structure électronique des atomes

- Les liaisons chimiques

- Manifestations de l’énergie thermique : changements d’état

- Modèle microscopique des états de la matière


Fiche 2.1 - Imaginer et construire un modèle scient ifique pour distinguer les corps purs des mélanges



Tenir compte des conseils méthodologiques écrits à la page 38 du programme. Clarification de quelques concepts

Molécule

La matière est formée de corpuscules très petits (de l’ordre de 10-9 m) qu’on appelle molécules : elles peuvent être comparées à de petites billes.


1. Dans la matière, les molécules sont présentes en nombre excessivement élevé (il y a 6.1023 molécules d’eau dans 18 g d’eau !). Chaque molécule prise individuellement ne possède pas les propriétés de la matière à laquelle elle appartient : ce sont les interactions entre molécules qui confèrent ses propriétés à la matière.

2. C’est en deuxième année que le cours de mathématiques aborde les puissances entières de 10 et l’écriture scientifique d’un nombre.

Corps pur, mélange

Un corps pur est de la matière formée de molécules identiques. Un mélange est de la matière constituée de plusieurs types de molécules. Un mélange est constitué d’au moins deux corps purs.


La notion de « corps pur » est un concept : aucune substance existant dans la nature n’est un corps pur.

Modèle

Un modèle est une représentation simplifiée de la réalité qui aide à expliquer les phénomènes connus et à en prévoir d’autres. Un modèle n’est jamais définitif, il est complété et transformé suite aux découvertes scientifiques.


Les découvertes scientifiques sont celles que les élèves feront dans la suite de leur formation mais aussi celles des équipes de chercheurs. Les modèles installés au premier degré seront affinés, modifiés ou remplacés par des modèles plus performants.



- Expliquer les notions de corps pur et de mélange à l’aide de modèles utilisés en classe.


- Schématiser quelques exemples de mélanges de la vie courante (la fumée, l’air, l’eau salée, solution d’eau sucrée) en utilisant le modèle de molécule.

- Parmi des représentations moléculaires, identifier les mélanges et les corps purs.



- Après avoir réalisé l’expérience « Mesurer le volume d’une tasse de café chaud. Y ajouter un peu de sucre, mélanger et mesurer à nouveau le volume », la décrire et l’expliquer à l’aide d’un modèle moléculaire.

- Après avoir réalisé l’expérience « Mélanger 100 ml d’eau et 100 ml d’alcool et constater que le volume total est inférieur à 200 ml », la décrire et l’expliquer à l’aide d’un modèle moléculaire.

- Après avoir réalisé l’expérience « Mélanger 100 ml d’eau et 100 ml d’alcool » la décrire et l’expliquer à l’aide d’un modèle moléculaire. Dans ce cas, le professeur attend que ses élèves constatent la diminution de volume.

- Parmi plusieurs gobelets remplis de liquides variés, identifier le gobelet d’eau parmi les potions proposées, en expliquant les raisons de votre choix. Ensuite, vous représenterez par un schéma la matière « eau » qui est dans le gobelet : voir séquence « Les potions magiques (1) » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 91-94.


Fiche 2.2 - Distinguer les mélanges homogènes des m élanges hétérogènes. Imaginer et appliquer des techniques d e séparation des constituants d’un mélange





Mélange homogène, mélange hétérogène La conservation de la masse lors d’une dissolution n’est pas perçue par les élèves. Les élèves confondent souvent eau potable, eau propre, eau transparente ...

Lors d’un mélange ou d’une dissolution, la masse se conserve. Un mélange homogène est un mélange dont on ne distingue pas les constituants à l’œil nu. Un mélange hétérogène est un mélange dont on distingue les constituants à l’œil nu.

Méthodes de séparation des constituants d’un mélang e

Décantation : méthode consistant à séparer les constituants d’un mélange hétérogène composé d’un solide et d’un liquide ou de liquides non miscibles. La méthode consiste à laisser reposer ce mélange. Ainsi, les matières les plus denses12 se déposent dans le fond du récipient. Distillation : méthode consistant à séparer par chauffage les constituants d’un mélange homogène de liquides. Le mélange est chauffé lentement jusqu’à ébullition. C’est le constituant dont la température d’ébullition est la plus basse qui se vaporise le premier. La vapeur est ensuite condensée, ce qui permet de récupérer ce constituant sous forme liquide. Filtration : méthode consistant à séparer un mélange hétérogène composé d’un solide et d’un liquide. Dans ce cas, le solide est retenu par un filtre.


1. Il existe d’autres méthodes de séparation (tamisage, aimantation …) ; seules sont reprises ici celles qui sont obligatoires d’après le programme.

2. Les notions d’ébullition, de vaporisation, de condensation … sont utilisées ici pour expliciter les méthodes de séparation. La définition scientifique de ces notions est installée en 2e année (voir fiche 3.2).



- Associer différents mélanges proposés à la technique de séparation adéquate.


- Schématiser la filtration d’un mélange d’eau et de sable à l’aide du modèle moléculaire.

- Réaliser un mélange d’eau et de sucre. Mesurer la masse des constituants avant et la comparer avec la masse du mélange obtenu.

12 C’est ce terme « denses » qui est utilisé ici (à la place de masse volumique) car il peut être compris intuitivement par les élèves : la masse volumique est vue après dans le cours (voir fiche 2.3).



- Imaginer des procédures expérimentales et les réaliser (filtration, décantation…) pour obtenir une eau limpide à partir d’eau récoltée dans la nature (eau boueuse, eau de rivière, eau de mare, eau de mer…).

- Dégazer une eau pétillante.

- Identifier et expliquer, à partir de documents (texte descriptif et/ou schémas), les différentes techniques de séparation utilisées dans une station d’épuration.

- Modéliser, à l’aide d’un schéma, chacune des potions proposées. Ces modèles seront affichés près des potions pour aider chaque invité à éviter les breuvages "empoisonnés". Ensuite, et à l’aide ces représentations, vous réaliserez un classement de ces mélanges : voir séquence « Les potions magiques (2) » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 95-99.

- Réaliser une affiche et un rapport d’expérimentation concernant les différences entre eau pure, eau non potable, eau potable et eau boueuse : voir séquence « Les mélanges et les techniques de séparation» dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 100-102.


Fiche 2.3 - Etablir les propriétés des états solide s, liquides et gazeux de la matière. Utiliser le modèle moléculair e de la matière pour distinguer les différents états





Caractéristiques des solides, des liquides et des g az Pour les élèves, solide s’oppose souvent à fragile ou mou et non à liquide ou gazeux. Ils considèrent que glace, eau et vapeur d’eau sont trois matières différentes. Cette représentation est renforcée par le vocabulaire usuel (sous chacun de ses états, l’eau porte un nom différent) et par certaines habitudes pédagogiques qui consistent à présenter l’eau comme le prototype de l’état liquide alors que l’air est présenté comme le prototype de l’état gazeux. L’appellation « eau gazeuse » ne désigne pas l’eau à l’état gazeux mais de l’eau dans laquelle est dissous du dioxyde de carbone. Les élèves ont du mal, généralement, à admettre l’existence de quelque chose d’invisible. Cette difficulté se manifeste dans le cas des gaz et tout particulièrement dans celui de la vapeur d’eau. Il est difficile pour eux d’imaginer un verre « vide » rempli d’air. Le gaz est encore souvent associé au combustible utilisé comme moyen de chauffage domestique.

Un solide a une forme propre et occupe toujours un volume de même valeur. Un solide est pratiquement incompressible. Un liquide n’a pas de forme propre, il prend la forme du récipient qui le contient. Un liquide occupe toujours un volume de même valeur. La surface d’un liquide qui est en contact avec l’air est appelée « surface libre » du liquide. Les liquides au repos ont une surface libre plane et horizontale. Un liquide est pratiquement incompressible. Un gaz n’a pas de forme propre. Il prend la forme du récipient qui le contient. Un gaz occupe tout l’espace disponible. Un gaz est compressible. Unité SI de volume : m³


1. On dit d’un corps qu’il a une forme propre et qu’il occupe un volume de même valeur si ces caractéristiques restent identiques quand le corps est placé dans n’importe quel récipient sans qu’on exerce de force sur lui. Par contre, un corps est déformable si on peut modifier sa forme sous l’action d’une force et il est compressible si on peut diminuer son volume sous l’action d’une force.

2. Pour les scientifiques, un solide pulvérisé correspond à un état intermédiaire entre le solide et le liquide. Il prend la forme du récipient qui le contient. La surface libre d’un solide pulvérisé n’est pas naturellement horizontale.

3. Un liquide peut contenir un gaz sans que nous puissions l’observer : par exemple, une eau gazeuse. Idem avec un solide dissous : par exemple, de l’eau sucrée.


Modèles moléculaires des solides, des liquides et d es gaz

Dans un solide , les molécules ne se déplacent pas13 et les distances entre molécules sont petites. Les molécules d’un solide sont jointives. Dans un liquide , les molécules se déplacent en roulant les unes sur les autres et les distances entre molécules sont petites. Les molécules sont proches les unes des autres. Dans un gaz , les molécules se déplacent et les distances entre molécules sont grandes. Les molécules sont fortement éloignées les unes des autres.


1. Il est utile de construire ces modèles (microscopiques) avec les élèves en partant des caractéristiques des solides, liquides et gaz (propriétés macroscopiques) puis de montrer que ces modèles permettent d’expliquer d’autres propriétés (compressibilité, conduction électrique, conduction thermique …).

2. Les forces de cohésion entre molécules d’un corps sont très intenses dans les solides, faibles dans les liquides et quasi inexistantes dans les gaz.

Masse volumique Pour beaucoup d’élèves, la masse volumique n’est pas caractéristique d’un objet : ils associent souvent la « grosseur » de l’objet à la masse de l’objet. Pour eux, ce qui est gros est forcément lourd. Dans le langage courant, on confond masse et poids. En sciences, les deux mots ont une signification bien différente (voir fiche 4.2).

La masse m est une grandeur physique que l’on mesure avec une balance à fléau ou trébuchet. Unité SI de masse : kg Tout corps pur a des caractéristiques spécifiques, dont la masse volumique. La masse volumique ρ d’une substance est le rapport de la masse m de cette substance à son volume V. Unité SI de masse volumique : kg/m3


1. La masse ne peut pas être définie à ce niveau, en tous cas pas comme quantité de matière (l’unité SI de quantité de matière est la mole). La balance à fléau permet de comparer la masse de deux corps.

2. Les physiciens définissent la masse comme une grandeur mesurant l’inertie d’un corps, sa résistance à toute modification de son mouvement. Ne pas aborder cette définition à ce niveau.

3. On peut considérer, à ce niveau, que la balance à fléau est un appareil de mesure de la masse. Cependant ce n’est pas exact : si les deux plateaux de la balance sont en équilibre, c’est parce que les deux objets placés dessus sont attirés de la même façon vers la Terre, donc que leurs poids sont égaux. Bien sûr, les masses sont égales puisqu’il y a une relation de proportionnalité (au facteur g près) entre le poids et la masse d’un objet.

4. Il est important que les élèves identifient la masse volumique (et non la masse ou le volume) comme caractéristique d’un corps. Quelques exercices de calcul de masse volumique pourront être proposés (par exemple, à partir de mesures de masses et de volumes).

5. En ce qui concerne les liens avec le cours de mathématiques :

■ les changements d’unité (tableaux de correspondance entre des unités de mesure des grandeurs) sont envisagés dans l’enseignement fondamental ;

■ les grandeurs directement proportionnelles (tableaux de proportionnalité) sont étudiées en 1ère

année (les grandeurs inversement proportionnelles ne sont pas étudiées) ; ■ les opérations pratiquées sur les expressions littérales du type a= b/c sont envisagées en 2e année.

Elles représentent une difficulté pour certains élèves, même si les fractions numériques sont étudiées en 1ère année.

13 Mais les molécules d’un solide s’agitent, vibrent (agitation thermique), tout comme celles d’un liquide ou d’un gaz.




- Comparer la masse et le volume de 20 g de sucre et 20 g de polystyrène ou d’ouate.

- En partant des propriétés des solides, liquides et gaz, construire des modèles qui rendent compte de ces propriétés.


- Identifier la portée maximale et minimale d’une balance afin de bien choisir l’instrument à utiliser.

- Identifier l’échelle graduée d’une éprouvette graduée, la plus petite graduation.

- Effectuer une mesure à l’aide d’une balance ou d’une éprouvette graduée. Exprimer les résultats des mesures dans un tableau en utilisant des unités de masse et de volume et en les transformant dans les unités SI.

- Effectuer correctement la mesure de la masse et du volume d’un corps solide ou liquide. Identifier un procédé pour mesurer la masse et le volume pour chacun des états et effectuer les mesures nécessaires.

- Elaborer un classement dichotomique basé sur les propriétés des différents états de la matière.

- Lire le volume de liquide contenu dans différents récipients représentés sur un schéma.

- Choisir l’instrument gradué adéquat pour mesurer différents volumes.


- Manipuler (transvaser, saisir, étaler…) différentes matières contenues dans des récipients : sable, jus de pommes, farine, grains de café, sucre, bois, huile, eau, plasticine … Caractériser la forme de chacun de ces échantillons (forme variable, forme invariable).

- Réaliser une fiche reprenant les différentes caractéristiques de la matière que le candidat devra trouver : voir séquence « Questions pour un champion » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 103-105.

- Réaliser un tableau présentant le classement dichotomique des matériaux : voir séquence « Classement des matériaux» dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 106-108.

- Rédiger un rapport d’expérimentation décrivant la méthode mise au point pour déterminer la masse d’un litre d’air : voir séquence « Détermination de la masse d’un litre d’air » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 109-110.

- Rédiger un rapport des manipulations et mesures réalisées pour répondre à des questions à propos de l’utilisation d’une remorque : voir séquence « Transport d’un bloc de granit » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 111-112.

- Rédiger un rapport d’expérimentation structuré suite à différentes expériences concernant les changements d’état de l’eau : voir séquence « Eau et glace » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 113-116.

- Vérifier si une figurine en pâte à modeler contient on non un objet : voir séquence « Vérification de l’homogénéité d’un échantillon solide » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 117-118.

- Présenter un modèle pour chaque état de la matière permettant d’expliquer les propriétés d’un échantillon : voir séquence « Classement des matériaux» dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages. 119-120.


Partie 3 - Sources et transformations d’énergie

Objectif général Face à divers phénomènes physiques ou biologiques, relatifs à la production, la consommation, la conservation ou l’échange de chaleur ou d’électricité, se poser des questions, formuler une énigme, observer et expérimenter, communiquer et synthétiser les connaissances nouvelles en utilisant des langages variés. Comme le suggère le programme (page 43), cette partie doit être abordée en 2e année.

Tableau synoptique

Contenus du fondamental - Dilatation et contraction

- Circuit électrique simple

- Bons et mauvais conducteurs de l’électricité

Contenus du premier degré - Modes de transfert de la chaleur

- Caractéristiques d’un bon isolant thermique

- Relation entre transferts de chaleur et changements d’état

- Distinction entre chaleur et température

- Formes et transformations d’énergie

- Circuits électriques : utilisation de bons et de mauvais conducteurs

Contenus de 3e année - La lumière comme forme d’énergie

- Electrostatique : électrisation par frottement, isolant, conducteur

Contenus de 4e année - Travail, puissance, énergie, principe de conservation de l’énergie, énergie potentielle, énergie cinétique

- Manifestations de l’énergie thermique : dilatation des solides ou des liquides, température absolue, variation de température, changements d’état

- Energie thermique, chaleur et température : modélisation microscopique des états de la matière

- Electrocinétique :

■ circuit électrique, générateur, récepteur, intensité de courant, tension électrique

■ énergie et puissance électriques ■ loi des courants et des tensions pour des

récepteurs en série et en parallèle ■ résistance électrique, loi d’Ohm, loi de Joule ■ sécurité électrique

Contenus du 3e degré - Chimie : calorimétrie, réactions endothermiques et exothermiques, enthalpie, entropie

- Physique : énergie nucléaire, transformations d’énergie, rendements


Fiche 3.1 - Identifier les modes de transfert de la chaleur dans les différents états de la matière. Déterminer les qual ités d’un bon isolant thermique





Energie thermique, conduction, convection, rayonnem ent, transfert d’énergie thermique Au premier degré, on s’en tiendra à identifier les sources et les formes d’énergie. Et ne seront envisagées que les sources et les formes d’énergie citées ci-dessous.

L’énergie thermique (ou calorifique) est l’énergie liée à l’agitation des molécules d’un corps. Plus les molécules sont agitées, plus le corps contient d’énergie thermique. L’énergie thermique peut être échangée de trois façons différentes. Dans la conduction et la convection, il y a transfert d’énergie thermique. Dans la conduction , la matière ne se déplace pas mais constitue le support permettant le transfert d’énergie thermique. La conduction est généralement associée à l’état solide14. Cependant, tous les solides ne sont pas bons conducteurs d’énergie thermique. Les molécules jointives d’un solide se transmettent leurs mouvements d’agitation de proche en proche tout en ne se déplaçant pas. Dans la convection , la matière se déplace en transférant de l’énergie thermique. Les liquides et les gaz sont des convecteurs thermiques. Les molécules d’un fluide (liquide ou gaz), en se déplaçant, transmettent leurs mouvements d’agitation à d’autres régions du fluide. L’énergie thermique peut également être échangée dans le vide ou dans la matière par l’intermédiaire du rayonnement . Tout corps émet des ondes dont la quantité et la nature dépend de ses propriétés et de sa température : c’est le rayonnement. Ces ondes, reçues par un autre corps, peuvent y provoquer de l’agitation moléculaire et donc augmenter son énergie thermique.


1. De l’énergie peut être échangée entre deux systèmes de plusieurs façons différentes. Trois modes d’échange sont liés à l’énergie thermique (conduction, convection et rayonnement). Un 4e mode d’échange est lié à l’énergie mécanique, c’est le travail.

Nous faisons le choix de ne pas utiliser le mot « chaleur » et de n’utiliser que le concept d’ « énergie thermique ». Pour les physiciens, la chaleur est de l’énergie thermique qui est transférée d’un corps à un autre lorsque ces deux corps sont en contact et qu’ils sont à des températures différentes. La chaleur n’est donc pas une grandeur physique qui s’accumule dans un corps ! C’est de l’énergie thermique transférée par conduction ou par convection.

2. La nature des ondes (ondes radio, UV, IR …) émise par un corps dépend de ses propriétés et de sa température : c’est le rayonnement. Une bouteille d’eau exposée au Soleil voit sa température augmenter rapidement. Le rayonnement (ondes électromagnétiques) émis par le Soleil est converti, dans l’eau, en agitation des molécules.

14 Cette restriction à l’état solide est réservée à la conduction thermique : un liquide peut, en effet, être conducteur d’électricité.


3. Comme indiqué dans la fiche 1.1, nous considérons, à ce niveau, que l’énergie est une grandeur physique qui mesure la capacité que possède un système à produire un effet.

Cette grandeur physique possède quelques propriétés fondamentales :

■ elle se conserve, c’est-à-dire qu’elle ne peut ni apparaitre, ni disparaitre dans un système isolé ; ■ elle peut se transformer d’une forme en une autre ; ■ elle peut être échangée d’un système à un autre ; ■ au cours de ses transformations, elle se dégrade, c’est-à-dire qu’elle devient de moins en moins

utilisable (c’est donc sa qualité et non sa quantité qui est affectée).

4. On peut caractériser l’énergie de plusieurs façons différentes suivant le point de vue que l’on adopte.

Pour les scientifiques, il existe deux types principaux d’énergie : l’énergie cinétique (liée à la vitesse des particules ou du système) et l’énergie potentielle (liée à la position des particules ou du système).

L’expression « source15 d’énergie » désigne l’objet ou le phénomène au sein duquel se produit une transformation d’énergie. Exemples :

■ le Soleil ■ le vent ■ l’eau ■ la biomasse ■ le charbon, le pétrole, le méthane ■ l’atome ■ le moteur à combustion ■ …

Les scientifiques distinguent plusieurs formes d’énergie :

■ l’énergie électrique (ou électromagnétique) ■ l’énergie chimique ■ l’énergie nucléaire ■ l’énergie thermique (ou calorifique) ■ l’énergie solaire ■ l’énergie (mécanique) éolienne ■ l’énergie (mécanique) hydraulique ■ …

De l’énergie stockée ou transformée peut être caractérisée de plusieurs façons. Exemples :

■ Le Soleil stocke de l’énergie nucléaire potentielle et libère de l’énergie solaire. ■ La chute d’eau est une source d’énergie cinétique hydraulique. ■ …

5. Les notions de chaud et froid sont subjectives et imprécises. Ces notions sont à mettre en relation avec la température d’un corps, pas avec la chaleur ou l’énergie thermique !

La température d’un corps traduit le niveau d’agitation moyenne des particules dans ce corps. Grâce à la température, le physicien se forge une idée sur l’état d’agitation des particules qui composent un corps.

La température d’une seule particule ne signifie pas grand chose pour le physicien : il ne s’intéresse qu’à l’agitation de l’ensemble des particules qui composent le corps.

Bons conducteurs de l’énergie thermique, isolants t hermiques, caractéristiques d’un bon isolant thermique Une conception classique chez les enfants est que « la laine réchauffe ». Or la laine ne réchauffe pas mais elle conserve bien l’énergie thermique.

Un corps conducteur thermique permet le transfert d’énergie thermique par conduction. Un isolant thermique est un corps qui ne permet pas le transfert d’énergie thermique par conduction.

15 Puisque l’énergie est une grandeur qui se conserve (et qui ne peut donc pas apparaître !), il serait plus correct de parler de transformateur d’énergie plutôt que de source d’énergie.



1. Faire remarquer aux élèves qu’aucun corps n’est parfaitement conducteur ou parfaitement isolant ! La laine, comme le bois, sont de bons isolants thermiques mais n’isolent pas parfaitement. Le métal, lui, est généralement un très bon conducteur thermique.

2. Voici deux propositions d’expériences simples à réaliser :

■ placer des glaçons identiques dans différentes conditions (sur une assiette, dans un verre d’eau, sur une plaque de métal, sur une planche en bois, emballé dans de la laine, dans du papier aluminium,…). Lequel fondra le plus vite ? Le plus lentement ? Pourquoi ?

■ toucher le dessus en bois de la table et le pied en métal de la table. Quelles sensations éprouve-t-on ? Pourquoi ?

3. A propos des isolants thermiques, la laine et la flanelle utilisées pour la confection des vêtements ne sont pas chaudes par elles-mêmes ; elles empêchent seulement les transferts d’énergie thermique entre le corps et le milieu extérieur. La mauvaise conductibilité de l’air emprisonné dans les matières filamenteuses, les poils, le duvet… explique l’emploi que l’on fait des fourrures et des édredons pour se préserver du froid. On rencontre d’autres exemples d’application de l’isolation thermique dans la vie courante : la boite frigo, la bouteille thermos, le double vitrage …

4. A propos de la convection, la masse volumique d’un liquide ou d’un gaz diminue quand on les chauffe. Dans un liquide ou dans un gaz dont la température n’est pas uniforme, les parties les plus chaudes (dont la masse volumique est plus petite) tendent à s’élever, les particules les plus froides tendent à descendre ; il se produit des courants de convection qui favorisent l’égalisation de la température.



- Représenter le sens du transfert d’énergie thermique dans des exemples.

- Expliquer le principe de tirage des cheminées, l’intérêt des fenêtres à double vitrage, le rassemblement des pingouins sur la banquise lors des tempêtes de neige, l’utilisation de maniques pour prendre des casseroles.


- Comparer expérimentalement la conductivité thermique de différents matériaux.


- Imaginer un dispositif expérimental simple, le construire et réaliser l’expérimentation mettant en évidence que : ■ un solide est meilleur conducteur d’énergie thermique qu’un liquide ; ■ un liquide est convecteur d’énergie thermique ; ■ un liquide est un mauvais conducteur d’énergie thermique ; ■ l’air transporte de l’énergie thermique en se déplaçant.

- Tu es nommé « Conseiller-Energie » pour une entreprise générale de construction. Cette entreprise favorise le chauffage solaire. Réaliser une expérience pour répondre aux deux questions suivantes : quel matériau et quelle couleur choisiras-tu pour le serpentin d’un panneau solaire afin d’avoir le liquide (l’eau) le plus chaud possible ? : voir outil d’évaluation « Un chauffage solaire efficace » en sciences pour le 1er degré sur la page http://www.enseignement.be/index.php?page=24515&navi=1806 du site « enseignement.be ».


Fiche 3.2 - Etablir une relation entre les apports et dégagement de chaleur et les changements d’état de la matière. Di stinguer les concepts de chaleur et de température



Classification de quelques concepts

Variable

Une variable est une caractéristique qui peut varier. Lors d’une étude expérimentale, il faut d’abord identifier les variables susceptibles d’influencer le phénomène étudié. Puis l’expérimentateur va étudier l’influence d’une variable sur ce phénomène en gardant constantes les autres variables.


Par exemple, le phénomène étudié est l’évolution de la température d’un liquide chauffé. Les variables susceptibles d’influencer le phénomène sont, entre autres, la durée, le débit d’énergie thermique, la masse de matière chauffée, la pression. L’expérimentateur va étudier l’influence de la variable « durée » en fixant les valeurs des autres variables.

La variable dont on étudie l’influence, ici la durée, est la variable indépendante. Le phénomène étudié, ici la température, est la variable dépendante. Les variables dont on fixe les valeurs sont les variables contrôlées.

Changements d’état, fusion, solidification, vaporis ation (ébullition et évaporation) condensation, liquéfaction Pour les élèves, il peut y avoir confusion entre le phénomène de fusion et de dissolution. Dans le langage courant, on dit que le sucre fond dans le café alors qu’il s’y dissout. Lorsque l’eau s’évapore, certains élèves pensent qu’elle se transforme en air. Lors de l’ébullition, de grosses bulles de vapeur d’eau se forment dans le liquide, remontent à la surface et s’échappent. De nombreux élèves pensent que ce sont des bulles d’air. Au-dessus de l’eau en ébullition, apparait un brouillard constitué de gouttelettes d’eau résultant de la condensation de la vapeur d’eau au contact de l’air froid. Certains élèves parlent de « fumée » alors que la fumée comporte de petites particules solides. Certains parlent de « vapeurs » alors que la vapeur est un gaz invisible. Enfin, certains parlent de « buée » alors que la buée désigne les gouttelettes d’eau qui se déposent sur un objet froid.

Un changement d’état est le passage d’un état physique de la matière à un autre suite à une augmentation ou une diminution d’énergie thermique. Lors de tout changement d’état, il y a conservation de la masse . La fusion est le passage de l’état solide à l’état liquide suite à un apport d’énergie thermique. La solidification est le passage de l’état liquide à l’état solide suite à une perte de d’énergie thermique. La condensation (liquéfaction) est le passage de l’état gazeux à l’état liquide suite à une perte d’énergie thermique. La vaporisation est le passage de l’état liquide à l’état gazeux. Elle peut se faire par évaporation ou par ébullition : a. l’évaporation est une vaporisation qui se produit à la surface libre du liquide à toute température ; b. l’ébullition est une vaporisation qui se produit au sein même du liquide à une température déterminée.



1. La mise en évidence de la conservation de la masse lors de la fusion de la glace nécessite d’essuyer la buée qui se forme sur les parois extérieures du récipient.

2. Sous une pression déterminée, les changements d’état d’un corps pur se produisent à une température qui est parfaitement déterminée pour un corps donné. Cependant, lorsqu’on mesure la température de l’eau à l’école, il est rare de trouver 100 °C : la température d’ébullition est influencée par les substances dissoutes dans l’eau et par la pression atmosphérique du lieu.

3. A propos des changements d’états solide /gaz : le passage direct de l’état solide à l’état gazeux porte le nom de sublimation, le passage direct de l’état gazeux à l’état solide porte le nom de sublimation inverse ou de condensation. Ces changements d’état n’ont lieu que pour des conditions particulières de température et de pression : l’apparition de gelée blanche lors de certains matins d’hiver est un exemple de changement d’état gaz/solide.

4. Généralement, les changements d’état sont des phénomènes réversibles. Quand un corps est passé de l’état solide à l’état liquide grâce à un apport d’énergie thermique, la transformation inverse a lieu avec une émission d’énergie thermique. Ce phénomène n’est pas réversible si le corps est modifié lors du changement d’état : c’est le cas du sucre qui se transforme en caramel.

5. En ce qui concerne les liens avec le cours de mathématiques, la présentation de données numériques dans un tableau puis dans un graphique est une matière de 2e année.

Echelle thermométrique, thermomètre Celsius, chaleu r, température, palier Les notions de chaud et froid sont subjectives et imprécises. Ces notions sont à mettre en relation avec la température d’un corps. Le 0 °C n’est pas le « départ des températures » c omme le disent certains élèves …puisqu’il existe des températures négatives. Ce n’est qu’un point de repère (température de fusion de la glace), les mesures étant effectuées à une altitude correspondant au niveau de la mer.

La température est une grandeur qui indique de manière objective si un corps est plus ou moins chaud ou froid. Le thermomètre est un instrument permettant de mesurer16 une température. Echelle thermométrique : échelle graduée permettant de mesurer la température d’un corps. L’échelle Celsius : dans cette échelle de mesure, le zéro correspond à la température de la glace fondante et le niveau 100 correspond à la température d'ébullition de l'eau à la pression atmosphérique normale. Les paliers de température . Pour un corps pur, les changements d’état ont lieu à une température précise. Pendant toute la durée du changement d’état, la température ne varie pas malgré l’apport ou la perte continue d’énergie thermique. Cette température constante se traduit par un palier (ligne horizontale) sur le graphique de l’évolution de la température au cours du temps.


1. Très souvent, les graphiques de changements d’état sont utilisés pour expliquer la différence entre énergie thermique et température.

Quand on chauffe un corps pur solide, par exemple, on lui transfère de l’énergie thermique. Sur le graphique d’évolution de la température au cours du temps, on identifie plusieurs secteurs dans la courbe obtenue :

■ des secteurs où la courbe est croissante : ils traduisent le fait que l’énergie fournie est utilisée pour augmenter l’agitation des particules du corps, sa température augmente ;

■ des secteurs où la courbe est horizontale : ils traduisent le fait que l’énergie fournie est utilisée pour briser la structure du cristal (transformation solide → liquide) ou pour écarter les particules du corps (transformation liquide → gaz).

16 Les scientifiques considèrent que la température est une grandeur repérable plutôt que mesurable. En effet, on dit qu’une grandeur est mesurable si l’on peut donner un sens à l’addition de deux mesures de cette grandeur. Or, ce n’est pas le cas de la température : quand on mélange deux liquides dont les températures sont différentes, la température du mélange n’est pas égale à la somme des températures des deux liquides. A ce niveau, identifier la température comme une grandeur repérable n’est pas indispensable.


2. Un peu d’histoire des sciences

Au XIXe siècle, la chaleur est assimilée à un « fluide » qui s’écoule d’un corps chaud vers un corps froid: c’est le calorique. Ce n'est qu'à la fin du XIXe siècle que la chaleur est définie comme un transfert d’agitation thermique des particules. Un système dont les particules sont statistiquement plus agitées présente une température d'équilibre plus élevée. La température est donc une grandeur macroscopique qui est le reflet du niveau d’agitation des particules à l'échelle microscopique. Quand on met en présence deux corps à des températures différentes, les particules les plus agitées du corps chaud transmettent leur énergie cinétique aux particules moins agitées du corps froid. Le bilan de ces transferts d'énergie correspond à l’énergie thermique échangée entre ces deux corps.

Anders Celsius est un astronome suédois né en 1701, dans une famille d’astronomes. A l’âge de 29 ans, il est nommé professeur d’astronomie dans sa ville d’Uppsala. Son travail d’astronome l’amène à effectuer des mesures géographiques et, par exemple, à confirmer la théorie de Newton selon laquelle la Terre est aplatie aux pôles.

En 1742, pour ses observations géographiques, il construit un thermomètre dont le point 0 correspond au point d’ébullition de l’eau et le point 100 à son point de congélation (solidification).

Celsius meurt prématurément de tuberculose en 1744.

On pense généralement que c’est son collègue d’Uppsala, le célèbre naturaliste suédois Carolus Linnaeus (Carl von Linné, 1707-1778) qui inversa l’échelle du thermomètre inventé par Celsius.

On a longtemps parlé de degré centigrade (noté °C) puisque l’échelle de température est divisée en 100 unités. En 1948, la IXe Conférence des Poids et Mesures adopte le degré Celsius (noté °C) comme unité de température. En 1960, lors de l’adoption du SI d’unités, c’est le kelvin (K) qui est devenu l’unité SI de température.



- Sur un graphique représentant l’évolution de la température lors de la fusion ou lors de la solidification de l’eau salée, identifier le changement d’état illustré, lister le matériel nécessaire pour réaliser l’expérience. Par quel élément ce graphique montre-t-il que l’eau salée est un mélange ? Peut-on obtenir de l’eau salée à 5 °C ?


- Connaissant les températures de fusion et d’ébullition de certaines matières, prévoir leur état physique pour certaines températures précisées.

- Classer, dans l’ordre chronologique, des schémas montrant différents stades observés lors de la fusion de la glace. Associer chaque stade à une température donnée.

- A partir de résultats expérimentaux, dresser le graphique cartésien de la température de fusion d’une matière en fonction du temps. Mettre en évidence les 3 zones particulières du graphique et y rattacher les états de la matière concernés.


- Préparer une crème glacée et rédiger le rapport de votre expérience : voir séquence « La solidification » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 121-124.

- Reproduire expérimentalement un changement d’état et rédiger un rapport complet de l’expérience réalisée : voir séquence « Les changements d’état » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 page 125.

- Rédiger un texte scientifique, illustré d’un graphique cartésien, expliquant le phénomène observé, à savoir le fait que la température d’un verre d’eau contenant des glaçons se maintient à 0 °C pendant plusieurs minutes, alors q ue ce verre d’eau est sur une terrasse exposée en plein soleil et que c’est l’été : voir séquence « Une eau fraiche en été au soleil » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 page 126.

- Imaginer et mettre en œuvre un protocole expérimental pour quantifier ce qui se passe au moment de la fusion des glaçons : voir séquence « Les changements d’état de la matière » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 149-151.


Fiche 3.3 - Relever les principales sources d’énerg ie électrique et thermique et repérer les transformations des énergi es électrique ou thermique en d’autres formes d’énergie




Energie Les élèves comprennent difficilement que les transferts d’énergie peuvent se manifester par de faibles effets comme c’est le cas d’une pile pour entretenir le mouvement d’une montre.

Une source d’énergie désigne l’objet ou le phénomène au sein duquel se produit une transformation d’énergie. Le Soleil et le moteur à combustion sont des sources d’énergie. On distingue généralement les formes d’énergie primaires et les formes d’énergie secondaires. Une forme d’énergie primaire est une forme d’énergie disponible dans la nature : l’énergie solaire, l’énergie du vent, les énergies fossiles sont des formes d’énergie primaires. Une forme d’énergie secondaire est une forme d’énergie obtenue après transformation d’une autre forme d’énergie : l’énergie électrique est un exemple de forme d’énergie secondaire. L’énergie thermique est l’énergie liée à l’agitation des molécules d’un corps. L’énergie électrique est l’énergie liée à un courant électrique. Tout dispositif technique en fonctionnement est le siège de transformations d’énergie au cours desquelles l’énergie se conserve.


1. Puisque l’énergie est une grandeur qui se conserve, il serait plus correct de parler de ressource d’énergie plutôt que de source. Pour la même raison, on parle de transformation d’énergie plutôt que de production d’énergie.

2. Les transformations d’énergie sont généralement, contrairement aux changements d’état, des phénomènes irréversibles. En effet, les transformations d’énergie s’accompagnent généralement d’une production d’énergie thermique, forme d’énergie dégradée qui ne peut être récupérée que partiellement. A ce niveau, il faut s’en tenir à pouvoir distinguer un phénomène réversible (la transformation peut se faire dans les deux sens) d’un phénomène irréversible (une fois que la transformation a eu lieu, on ne peut pas revenir « en arrière »).



- Rechercher des sources d’énergie capables de fournir : ■ de l’énergie thermique, ■ de l’électricité, ■ de la lumière.

- Relever les transformations d’énergie dans différents appareils électriques (dynamo d’une bicyclette, radiateur électrique, fer à gaufres, baladeur, ventilateur, ordinateur, récepteur de télévision …).



- Construire un dispositif simple pour réaliser une transformation d’énergie à partir d’un ensemble d’éléments : une pile, un petit moteur type « Lego », un transformateur, un électro-aimant …


- Ecrire un article scientifique, à destination des élèves de l’école. Cet article traite de la question de l’épuisement ou non de nos ressources énergétiques en utilisant ce critère « épuisement » pour classer ces ressources : voir séquence « L’énergie sur notre planète » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 129-133.

- Associer une série de phénomènes avec les transformations d’énergie qui les accompagnent : voir séquence « Fonctionner grâce à un apport d’énergie » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 134-137.

- Ecrire, à destination des familles, une charte d’utilisation raisonnable des ressources énergétiques par les ménages (qui permette d’éviter, si possible, les pénuries d’énergie) : voir séquence « Les ressources d’énergie sur notre planète» dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 138-141.


Fiche 3.4 - Utiliser de bons et de mauvais conducte urs d’électricité dans la construction de circuits électriques




Le circuit électrique Pour un élève, le circuit électrique représenté par un rectangle n’a pas de sens. Quand il observe sa lampe de chevet, il voit une prise et un fil : il pense donc qu’il y a un seul câble électrique à l’intérieur des cordons d’alimentation des appareils électriques. Le mot « courant » peut avoir plusieurs sens : comme adjectif (une situation courante), comme verbe (en courant, je suis tombée), comme substantif (un courant d’air, le courant d’une rivière…). En ce qui concerne le courant électrique, les élèves pensent qu’il peut être produit sans rien consommer : caractère mystérieux et magique des centrales nucléaires, eau se « transformant » en courant électrique dans les centrales hydrauliques, prises de courant « donnant du courant » dès qu’elles sont installées dans une pièce sans même être reliées au réseau … Les élèves pensent qu’une pile est une fabrique à électrons. En réalité, une pile est le siège d’une réaction chimique qui produit de l’énergie qui va provoquer une mise en mouvement des électrons présents dans le circuit électrique. Pour les élèves, le courant se propage très vite dans un circuit électrique. La preuve : j’allume et la lampe brille instantanément. Même si la nuance est difficile à comprendre pour les élèves, il est important pour l’enseignant de percevoir la différence entre la (faible) vitesse de déplacement des électrons et la vitesse (élevée) de transmission de l’information. Dans un fil plein d’électrons, l’information se déplace très vite (de l’ordre de 270 000 km/s) suite aux chocs de proche en proche entre électrons. Le mouvement de translation des électrons le long du fil se fait, lui, à une vitesse moyenne de l’ordre de 0,4 mm/s ! Les élèves pensent que l’intensité d’un courant électrique est plus petite après passage dans un élément du circuit qu’avant cet élément (modèle de l’usure) : le courant est consommé en quelque sorte. Quant à l’interrupteur, pour les élèves, il doit se trouver avant l’ampoule, sinon il ne sert à rien. Cette conception provient du fait que le courant électrique est arrêté par l’interrupteur.

Un courant électrique est constitué par la circulation de charges électriques. Un circuit électrique est un ensemble d’éléments qui sont le siège d’un courant électrique : il y a circulation de charges électriques. Il se compose toujours d’un générateur électrique (une pile), de fils conducteurs, d’un ou plusieurs récepteurs et d’un interrupteur. Un circuit électrique est fermé lorsque les éléments qui constituent le circuit forment une chaine continue. Dans ce cas, les charges électriques peuvent circuler. Un circuit électrique est ouvert lorsque les éléments qui constituent le circuit ne forment plus une chaine continue. Dans ce cas, les charges électriques ne peuvent pas circuler : il n’y a pas de courant électrique. L’interrupteur est un dispositif, placé dans le circuit électrique, permettant d’ouvrir ou de fermer le circuit électrique. Un bon conducteur est un matériau dans lequel les charges électriques peuvent circuler : c’est le cas des métaux en général (le cuivre, le fer, l’or...). L’eau courante est aussi un relativement bon conducteur électrique. Un isolant électrique est un matériau dans lequel les charges électriques circulent difficilement : c’est le cas des plastiques, du caoutchouc, du verre, du bois et de l’air sec.



1. Dans un circuit électrique, ce sont les charges électriques (électrons) qui circulent engendrant par là un courant électrique. Strictement, il ne faudrait donc pas parler de circulation d’un courant électrique.

2. Faire remarquer aux élèves qu’aucun corps n’est parfaitement conducteur ou parfaitement isolant ! Le caoutchouc est un bon isolant électrique mais n’isole pas parfaitement. Le métal, lui, est généralement un bon conducteur électrique mais ne conduit pas parfaitement : le fait qu’il s’échauffe quand il est traversé par un courant électrique en est la preuve !

3. En sciences, il est important de faire la distinction entre dessin et schéma. Le dessin est personnel : chacun va dessiner un objet en mettant en évidence des aspects différents. Le schéma obéit à certaines conventions reconnues par tous : le schéma peut ainsi être compris de tous de la même manière. En électricité, on utilise des symboles normalisés pour schématiser un circuit électrique : il est important d’y initier les élèves.

De tels symboles normalisés peuvent être trouvés sur Internet, par exemple sur le site http://e.guimberteau.free.fr/Site/5/B08%201.gif.

4. A moins que les élèves n’évoquent le concept d’électron en parlant des courants électriques, il n’est pas souhaitable de l’évoquer à ce niveau.

5. Les phénomènes électriques ne sont pas visibles à l’œil nu. Les premières explications que l’on propose s’appuient très souvent sur une analogie. Toute analogie a ses limites. L’analogie hydraulique, la plus souvent utilisée, présente certains défauts :

■ elle est souvent présentée comme un modèle « ouvert » (réservoir, rivière) qui empêche de raisonner en fonction d’un tout (système) : les perturbations de l’aval n’ont pas d’effet en amont (or, par exemple, l’ajout d’un élément dans un circuit électrique modifie l’intensité du courant dans tout le circuit) ;

■ elle peut laisser croire qu’un courant peut être engendré alors que le circuit est ouvert ; ■ elle peut faire penser que le courant s’affaiblit en traversant une 1ère résistance puis une 2e …

D’autres analogies peuvent être proposées :

■ l’analogie « chaine de vélo » (le circuit électrique est comparé à une chaine de vélo, les maillons de la chaine sont censés représenter les porteurs de charge électrique) ;

■ l’analogie du « train » (c’est le train jouet qui circule sur un circuit fermé et dont la longueur est telle que le train occupe toute la longueur du circuit) ;

■ l’analogie « transport du charbon » (des camions qui transportent du charbon se suivent ; chaque camion qui arrive à destination y déverse sa charge de charbon, puis repart à vide vers le lieu de production du charbon et ainsi de suite) ;

■ l’analogie « skieurs » (le circuit électrique est comparé à une piste de ski descendue puis remontée à l’aide du remonte-pente).



- Justifier pourquoi les oiseaux perchés sur un fil électrique ne se font pas électrocuter.


- Schématiser un circuit électrique d’un appareil non analysé en classe mais de difficulté équivalente.


- Observer des montages de circuit électrique présentant deux ou plusieurs « pannes ». Emettre des hypothèses quant à la cause de la panne et manipuler afin de vérifier les hypothèses.

- Construire un jeu électrique type « électro » ou « queue de cochon ».

- Réparer une lampe de poche : voir séquence « La lampe de poche » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 127-128.


Partie 4 - Les forces et leurs effets

Objectif général A partir de l’observation des effets de forces diverses, se poser des questions, trouver des pistes de recherche, expérimenter, consulter des documents et des personnes ressources, classer, synthétiser et formaliser les concepts de force et de pression. Comme le suggère le programme (page 52), cette partie doit être abordée en 2e année.

Tableau synoptique

Contenus du fondamental

Contenus du premier degré - Mise en évidence et classement de forces selon leurs effets perceptibles

- Principe des actions réciproques

- Mesure de l’intensité d’une force (unité SI)

- Caractéristiques de la force pesanteur et relation masse-poids

- La pression (relation force/surface)

- La pression atmosphérique

Contenus de 3e année - Définition, représentation et unité SI de force

- Principe des actions réciproques

- Mesure de l’intensité d’une force

- Equilibre statique d’un objet soumis à des forces concourantes

- Equilibre statique d’un objet soumis à des forces parallèles appliquées en des points différents

Contenus de 4e année - Mouvements et forces : principe d’inertie

- Le travail d’une force et la puissance d’une machine

- Force pressante, pression, unité SI

- Lois de l’hydrostatique

- Principe d’Archimède

- Phénomène d’osmose (biologie)

Contenus du 3e degré - Dynamique : les trois lois de newton, forces de frottement

- Loi de la gravitation universelle

- Force électrique, force magnétique


Fiche 4.1 - Mettre des forces en évidence et les cl asser selon leurs effets perceptibles. Expliquer et illustrer par des exemples le principe des actions réciproques (action-réaction)



Clarification de quelques concepts Les efforts et les forces sont, pour les élèves, exercés par les muscles et produisent de la fatigue. Le fait qu’un objet inerte puisse exercer une force sur un autre objet nécessite donc une transposition difficile. Les élèves pensent que seuls les objets vivants peuvent exercer une force. Pourquoi un ballon lancé en l’air retombe-t-il ? « C’est comme ça ! Ce qui est sûr, c’est qu’il est monté parce que je l’ai lancé ». Définir une force n’est pas chose aisée car il s’agit d’une notion abstraite, dont on ne peut pas toujours percevoir les effets. Les élèves confondent les notions de vitesse et de force : ils vont donc avoir tendance à toujours tracer le vecteur force parallèlement à la vitesse de l’objet.

Une force est toute cause capable de produire une déformation ou une modification du mouvement d’un objet. On représente une force par une flèche et on la désigne par le symbole A/B que l’on va lire : force que l’objet A exerce sur l’objet B. Il existe des exemples de forces où l’effet produit n’est pas visible (quand on appuie sur un mur, par exemple). Quand une personne A pousse sur un objet B posé sur une table, elle exerce une force A/B. La personne et l’objet sont en interaction : l’objet B exerce sur la personne A une force B/A. Les deux forces A/B et B/A sont appelées actions réciproques.

Schéma montrant les actions réciproques s’exerçant quand une personne A pousse sur un objet B. Remarques pour le professeur

1. A ce stade, pour représenter une force, on va tenir compte des éléments suivants :

■ il y a un objet qui exerce la force et un objet qui la subit ; ■ c’est l’effet de la force que l’on va représenter et cet effet s’exerce sur l’objet qui subit la force.

La représentation la plus simple semble être un segment fléché (qu’on appellera vecteur par la suite)

surmonté d’un symbole du type A/B. Il est important de signaler que le point d’origine du segment fléché doit toujours appartenir au corps qui subit la force. Le segment fléché représente la droite d’action17 et le sens de la force (ces deux dernières caractéristiques ne doivent pas être précisées).

17 Droite d’action (ou ligne d’action) plutôt que direction car ce mot est ambigu dans la langue française : il désigne bien souvent le sens d’un mouvement.

�

F B/A

�

F A/B

A B

X X


Bien entendu, ce segment fléché a une certaine longueur qui représente l’intensité (ou la valeur) de la force : nous découvrirons cette caractéristique dans le thème suivant18.

2. Introduire la notion de vecteur au 1er degré est autorisé mais pas obligatoire. C’est, de toute façon, l’objet du cours de physique en 3e année (les programmes de mathématiques ne l’envisagent qu’en 4e année…). On peut donc s’en tenir à la représentation d’une force par un segment fléché et il ne faut pas détailler les caractéristiques de ce segment.

3. Il peut être utile de montrer aux élèves des exemples de forces agissant à distance (force exercée par un aimant, force de la pesanteur) qui permettent de montrer que la force agissant sur un objet et la vitesse de cet objet ne sont pas nécessairement parallèles.

4. Proposer aux élèves de représenter une force sur un schéma montrant une situation particulière nécessite de clarifier ce qu’il y a lieu de représenter par exemple, en précisant de représenter la force que tel objet exerce sur tel autre objet.

5. Le principe des actions réciproques est difficile à comprendre et à appliquer. L’idée qu’une force est

toujours interaction entre deux objets et le symbole A/B vont aider à sa compréhension. A ce niveau, il s’agit de montrer à travers divers exemples qu’entre deux objets en interaction, s’exercent toujours deux forces représentées par des segments fléchés

■ dont les points d’origine sont situés sur les deux objets ; ■ dont la droite d’action est la même ; ■ dont le sens (désigné par la flèche) est opposé ; ■ dont la longueur est la même.

Pour les élèves, il s’agit de représenter ces deux forces par des segments fléchés de même longueur, situés sur la même ligne, de sens opposés et dont les origines sont situées sur les deux objets.

6. L’exemple d’application du principe des actions réciproques habituellement cité est celui du ballon de baudruche gonflé qui s’échappe une fois lâché. La difficulté d’identifier les deux objets et les deux actions amènent à penser que l’exemple est mal choisi : il s’explique plus aisément par le non équilibre des forces ou par la conservation de la quantité de mouvement !

7. Pourquoi ne parle-t-on plus du principe de l’action-réaction ? Parce que ce n’est pas exact : lorsqu’un objet exerce une force sur un autre, il n’y a pas réaction du 2e objet suite à l’action du 1er ; les deux actions sont simultanées et l’une n’est généralement pas la cause de l’autre.

8. Est-ce ce principe qui fait qu’un objet est en équilibre quand il est soumis à l’action de deux forces ? Non. Les actions réciproques entre un objet A et un objet B s’exercent chacune sur un objet différent19. Deux forces qui s’exercent sur des objets différents ne peuvent pas se compenser. Un objet posé sur une table est en équilibre parce que deux autres objets exercent sur lui des forces qui se compensent :

■ la force que la Terre exerce sur l’objet (son poids) ; ■ la force que la table exerce sur l’objet pour le soutenir.



- Exprimer ses représentions par rapport au concept de « force ».

- Trouver un ensemble de verbes qui précisent l’action de forces.


- Trouver des critères permettant de trier des verbes.

- Utiliser un classement dichotomique des effets des forces.

- A partir de situations proposées, déterminer les effets et les causes des forces mises en œuvre.

- A partir de la lecture d’un document, dégager les verbes ou les expressions qui désignent des forces.

- A partir de situations (dessin, photos), rédiger un texte qui illustre les effets d’une force.

- A partir de manipulations simples, de documents ou de courtes séquences vidéo, identifier différents types de force.

18 Cette notion d’intensité d’une force peut évidemment être envisagée à ce moment. Nous avons simplement souhaité respecter les thèmes du programme. 19 Il faut faire particulièrement attention à cette caractéristique lorsque les deux objets en interaction sont en contact : le schéma doit montrer clairement que les deux points d’application sont chacun situés sur un objet différent.


- Identifier les forces mises en jeu dans l’équilibre d’un objet pour conclure à son équilibre ou à son non-équilibre.

- Mettre en évidence les effets observés d’une action exercée par un objet sur un autre objet.

- Identifier et classer les effets de forces variées, parmi lesquelles se trouveront des forces s’exerçant à distance.

- Identifier les forces qui agissent sur un objet (glaçon) lorsqu’il est plongé dans différents liquides (eau, vinaigre…).


- Prévoir le mouvement et décrire l’origine de la force d’un objet (fusée, jet-ski,…) ou d’un animal (pieuvre, coquillage,…) qui se déplace en propulsant de l’air ou de l’eau vers l’arrière.

- Schématiser des forces en action dans des situations d’actions réciproques par exemple, les forces de rames sur l’eau ou les forces exercées par une personne contre un mur.

- Schématiser les forces en action à l’extrémité d’un ressort lorsqu’un objet y est suspendu : voir séquence « Forces en action lors de l’élongation d’un ressort » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 142-143.


Fiche 4.2 - Mesurer l’intensité d’une force. Précis er les caractéristiques de la force pesanteur et la relati on masse-poids




La masse d’un corps Le vocabulaire courant confond masse et poids : cette confusion provient de l’utilisation du mot « peser » (peser un objet quand on mesure sa masse à l’aide d’une balance à fléau).

La masse est une grandeur physique que l’on mesure avec une balance à fléau ou trébuchet. Le kilogramme est l’unité SI de masse (symbole : kg). Un kilogramme vaut 1000 grammes. La balance à fléau ou trébuchet est l’instrument permettant de mesurer la masse d’un objet.


1. Un litre d’eau pure à 4 °C a une masse de 1 kg.

2. A propos de la masse et de la balance, voir remarques 1, 2 et 3 de la fiche 2.3.

Le poids d’un corps

Le poids d’un corps sur Terre est la force d’attraction exercée par la Terre sur cet objet.


1. Le poids d’un corps et sa masse sont deux grandeurs directement proportionnelles : la constante de proportionnalité, notée g, dépend de l’endroit où on se trouve (corps céleste, altitude, latitude).

2. Les caractéristiques de la force-pesanteur agissant sur un corps sont :

■ le point d’application ou centre de gravité (c’est le centre du corps dans le cas d’un corps homogène ;

■ la droite d’action, verticale ; ■ le sens, vers le bas ; ■ l’intensité, poids du corps exprimés en newtons.

A ce niveau, on peut s’en tenir à la représentation de la force-pesanteur par un segment fléché et il ne faut pas détailler les caractéristiques de ce segment.


L’intensité d’une force

Toute force possède une intensité . L’intensité d’une force correspond à la longueur du segment fléché qui représente la force. Le dynamomètre est l’instrument permettant de mesurer l’intensité d’une force. Le newton est l’unité SI d’intensité de force (symbole : N). 1 newton est la force d’attraction exercée par la Terre sur un objet dont la masse vaut approximativement 100 grammes.


1. Les élèves savent maintenant que la longueur du segment fléché qui représente la force correspond à l’intensité de la force. Il est utile de revenir sur quelques exemples de force afin d’en compléter la représentation. Le segment fléché, représentant une force subie par un objet, a les caractéristiques suivantes :

■ il est tracé à partir d’un point qui est le point d’application de la force (ce point appartient toujours à l’objet qui subit la force) ;

■ il a un support qui représente la droite d’action20 et le sens de la force (ne pas préciser ces deux caractéristiques) ;

■ il a une certaine longueur qui représente l’intensité (ou la valeur) de la force. Pour tracer la longueur de cette flèche, il faut connaitre l’intensité de la force et utiliser une échelle de proportionnalité.

La flèche est surmontée d’un symbole qui indique qu’il s’agit d’une force qu’un objet exerce sur un autre.

Le symbole est le suivant : A/B. C’est une force qui représente l’action de l’objet A sur l’objet B ; le symbole est surmonté d’une flèche : en effet, le symbole sans flèche FA/B représente généralement l’intensité (la valeur) de la force.

2. On peut également revenir sur le principe des actions réciproques pour préciser que les deux forces concernées sont représentées par des segments fléchés :

■ dont les points d’origine sont situés sur les deux objets ; ■ dont la droite d’action est la même ; ■ dont le sens (désigné par la flèche) est opposé ; ■ dont la longueur est la même.

Les deux forces ainsi représentées sont dites « directement opposées ».

Pour les élèves, il s’agit de représenter ces deux forces par des segments fléchés de même longueur, situés sur la même ligne, de sens opposés et dont les origines sont situées sur les deux objets.

3. Le nom donné à l’unité de force est le newton en l’honneur de Isaac Newton qui est sans doute le plus grand physicien de tous les temps. Isaac Newton est anglais, né en 1642 et mort en 1727 à Londres. On connait en général de sa vie l'épisode sans doute légendaire de la pomme qui lui aurait suggéré la théorie de la gravitation. On situe cet épisode à l’année 1665, durant laquelle a sévi une terrible peste à Londres qui a forcé Newton à retourner dans sa région natale. Et c’est durant cette année, annus mirabilis de la physique, que Newton a fait ses plus belles découvertes en mathématiques, en physique, en optique …

4. Le principe d’Archimède ne doit être vu au 1er degré que sous ses aspects qualitatifs : pour un objet plongé dans un liquide, il s’agit d’une force verticale et orientée vers le haut exercée par le liquide sur l’objet. On peut également comparer les intensités respectives du poids de l’objet et de la poussée d’Archimède qu’il subit pour déterminer si l’objet flotte, coule ou remonte à la surface.

20 Ligne d’action (ou droite d’action) plutôt que direction car ce mot est ambigu dans la langue française : il désigne bien souvent le sens d’un mouvement.




- Communiquer ses représentations concernant Newton.


- Analyser un document concernant le poids d’un objet sur la Terre et sur la Lune.

- Observer que, suivant qu’un objet suspendu à un dynamomètre est dans l’air ou dans l’eau, la valeur indiquée par le dynamomètre est différente. Cette valeur ne correspond pas au poids exact de l’objet. Emettre des hypothèses susceptibles d’expliquer ce phénomène.


- Construire un dynamomètre.

- Imaginer une expérience permettant d’établir la relation entre masse et poids d’un objet.

- Avec du matériel simple, construire des objets qui illustrent les 3 situations possibles quand ils sont plongés dans un liquide : l’objet flotte, l’objet coule, l’objet remonte à la surface.

Commentaire concernant deux activités proposées dans le programme

Imaginer une procédure expérimentale simple pour mo ntrer que la masse d’un objet qui ne flotte pas sur l’eau est identique dans l’air et da ns l’eau Il faudrait imaginer une procédure qui permette de mesurer le poids apparents de l’objet dans l’air et dans l’eau pour en déduire, à partir des relations mathématiques, la constance de la masse. C’est trop difficile à ce niveau.

Imaginer et construire un instrument de mesure du p oids et l’utiliser pour vérifier que la valeur mesurée du poids d’un objet est différente dans l’a ir et dans l’eau. Outre que l’expression utilisée est ambigüe (la valeur du poids d’un objet ne varie évidemment pas suivant qu’il est dans l’air ou dans l’eau, c’est son poids apparent qui varie !), cette activité est trop difficile à ce niveau.


Fiche 4.3 - Etablir la relation mathématique qui re lie la force et la surface pour déterminer une pression 21

Référence : programme page 57



La force pressante

Quand un objet est posé sur une table, il exerce sur la table une force O/T répartie sur toute la surface de contact entre les deux objets. Si cette force est perpendiculaire à la surface, on parle de force pressante .

La surface

La surface désigne la couche superficielle d’un objet et donc sa partie extérieure. La valeur d’une surface s’appelle l’aire et son unité SI est le m2.

La pression

L’effet d’une force pressante sur un objet dépend de l’intensité de cette force et de l’aire de la surface de contact. La pression est la grandeur physique qui rend compte de l’effet d’une force pressante sur un objet.


1. L’effet d’une force pressante n’est pas toujours observable. Pour découvrir la relation mathématique de la pression, il faut prendre des exemples où l’effet est observable : des exemples où la force pressante provoque une déformation de l’objet sur lequel elle s’exerce. Ce sera le cas par exemple si l’objet est du sable, de la farine, une éponge mouillée …

2. La relation p = ne peut pas être déduite des résultats expérimentaux à ce niveau car les élèves ont vu, au cours de mathématiques, la proportion directe mais pas la proportion inverse.

3. La pression est un nombre (c’est une grandeur scalaire), on ne peut donc pas la représenter par un segment fléché.

Le pascal

Le pascal est l’unité SI de pression (symbole : Pa). 1 pascal est la pression exercée par une force pressante d’intensité 1 N sur une surface dont l’aire vaut 1 m2.

21 Il faudrait écrire : établir la relation mathématique qui relie l’intensité de la force à l’aire de la surface.




- Communiquer ses représentations concernant le concept de pression.


- Construire un dispositif expérimental permettant de mesurer une déformation et d’identifier les paramètres l’influençant.

- Sur base de mesures de déformations, tirer des conclusions et élaborer la loi donnant la pression en fonction de la force pressante et de l’aire de la surface de contact (uniquement en apprentissage).

- Résoudre des problèmes simples et concrets, nécessitant par exemple un changement d’unités sans avoir besoin de manipuler la formule à utiliser.

- Décrire scientifiquement, des applications technologiques où l’on est amené à devoir diminuer ou augmenter des pressions.


- Expliquer qui choisir pour se rendre de l’autre côté d’un bourbier : la jeune fille légère qui chausse du 35 ou le grand sportif musclé qui chausse du 45.

- Imaginer et réaliser un dispositif expérimental qui met en évidence les variables qui influencent la valeur d’une pression.

- Pourquoi les pilotes dégonflent-ils leurs pneus chaque fois qu’ils gravissent une dune de sable ? Justifie scientifiquement ta réponse : voir outil d’évaluation « la traversée du désert » en sciences pour le 1er degré sur la page http://www.enseignement.be/index.php?page=24515&navi=1806 du site « enseignement.be ».

- Expliquer, à l’aide d’une expérience et des concepts liés à la pression, comment délimiter une zone de baignade à l’aide de tonneaux de différents diamètres.


Fiche 4.4 - Expliquer que les fluides qui nous ento urent exercent une pression sur tous les objets : par exemple, la pression atmosphérique




La pression atmosphérique Pour les élèves, l’air existe mais bien souvent, il n’a pas le statut de matière puisqu’on ne le voit pas et qu’il n’est pas palpable. Ils ne conçoivent donc pas aisément que l’air soit pesant.

La pression atmosphérique est la pression que l'air exerce sur tout corps en contact avec lui.

L’hectopascal

L’hectopascal est l’unité usuelle de pression atmosphérique (symbole : hPa). 1 hPa est une pression de 100 pascals.


1. Il est utile de faire percevoir aux élèves ce que représente une pression de 100 hPa.

2. Un grand nombre d’expériences et défis concernant la pression atmosphérique sont proposés dans le document n°3066 « Eveil à l’observation et à la prat ique expérimentale en physique - La pression atmosphérique : un jeu d'enfants ? » disponible sur le site « enseignement.be » à la page http://www.enseignement.be/index.php?page=24902&navi=862&rank_page=24902.



- Mesurer la pression atmosphérique à l’aide d’un baromètre pendant plusieurs jours consécutifs puis construire un graphique mettant sa variation en évidence.


- Réaliser une expérience mettant en évidence l’existence de la pression atmosphérique et réaliser un rapport illustré par des schémas.

- Expliquer avec ses mots l’expression « la nature a horreur du vide ». développer des compétences

- Décrire et expliquer une expérience mettant en évidence la pression atmosphérique, par exemple l’expérience au cours de laquelle une bouteille en plastique ou une cannette22 est écrasée après qu’on l’ait chauffée.

- Imaginer et réaliser une expérience qui permette de transporter, au fond de la classe, une bouteille remplie d’eau et retournée sans y mettre de bouchon : voir séquence « La pression atmosphérique » dans l’outil d’accompagnement FESeC D/2005/7362/3/06 pages 144-145.

- Tu es en possession d’une carte météo d’Europe. Sur base des informations qu’elle te donne, complète la carte du temps en Belgique au même moment. Explique ton raisonnement : voir outil d’évaluation « Quel temps ? » en sciences pour le 1er degré sur le site « enseignement.be ».

22 Chauffer la bouteille ou la cannette consiste ici à les remplir d’eau très chaude.


Annexe - Grandeurs et unités

1. Généralités

Une grandeur est une caractéristique que l’on peut mesurer. La valeur d’une grandeur s’exprime par le produit de deux facteurs :

■ l’un est l’unité (une grandeur de même nature prise comme unité) ; ■ l’autre est la valeur numérique (le nombre de fois que l’unité est contenue dans la

grandeur). Exemple : quand on mesure la longueur d’une table avec un mètre-ruban, on exprime que la longueur de la table est égale à un nombre multiplié par l’unité de longueur ou L = 1,23 m.

■ L est le symbole de la grandeur mesurée, la longueur de la table, ■ 1,23 est la valeur numérique de la grandeur, ■ m est le symbole de l’unité de la grandeur mesurée.

2. Les unités de mesure

En 1960, la Conférence générale des poids et mesures adopte le système international d’unités (en abrégé SI). Il existe trois catégories d’unités SI (des unités de base, des unités dérivées et des unités tolérées) auxquelles il faut ajouter les préfixes (multiples et sous-multiples).

2.1 Les unités de base du SI Elles sont données ici à titre indicatif : au premier degré, seules seront envisagées les unités SI de longueur, de masse et de durée.

GGrraannddeeuurrss eett uunniittééss ddee bbaassee dduu SSII

Grandeur physique Unité fondamentale du SI

Nom Symbole23 Nom Symbole

longueur L mètre m

masse m kilogramme kg

temps, durée t seconde s

courant électrique I ampère A

température thermodynamique T kelvin K

quantité de matière n mole mol

intensité lumineuse Iv candela cd

Chaque unité est définie de manière précise : ainsi le mètre est-il la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 de seconde !

23 Les symboles des grandeurs physiques ne sont pas définis par des conventions internationales : voir chapitre 3.


2.2 Les unités dérivées du SI Ce sont des unités que l’on peut exprimer en fonction des unités de base.

EExxeemmpplleess dd’’uunniittééss ddéérriivvééeess

Grandeur physique dérivée Unité dérivée du SI

Nom Symbole24 Nom Symbole

aire A mètre carré m2

volume V mètre cube m3

vitesse v mètre par seconde m/s

force F newton N

pression p pascal Pa

énergie E joule J

température Celsius t degré Celsius °C

masse volumique ρ kilogramme par mètre cube kg/m3

Le symbole F est écrit en gras car c’est le symbole d’une grandeur vectorielle.

2.3 Les unités tolérées

GGrraannddeeuurrss eett uunniittééss ttoolléérrééeess

Grandeur physique Unité

Nom Symbole25 Nom Symbole Valeur en unités SI

temps t minute

heure

jour

min

h

d

1 min = 60 s

1 h = 60 min = 3600 s

1 d = 24 h = 86 400 s

volume V litre L 1 L = 10-3 m3

masse m tonne t 1 t = 103 kg

Des unités de pression comme le bar ou l’atmosphère ou de quantité de chaleur comme la calorie sont déconseillées dans le cadre du SI.

24 Les symboles des grandeurs physiques ne sont pas définis par des conventions internationales. Ils seront mieux définis dans le chapitre 3. 25 Idem.


2.4 Multiples et sous-multiples des unités SI

PPrrééffiixxeess SSII

Multiples Préfixe Symbole Sous-multiples Préfixe Symbole

10 déca da 10-1 déci d

102 hecto h 10-2 centi c

103 kilo k 10-3 milli m

106 méga M 10-6 micro µ

109 giga G 10-9 nano n

2.5 Règles d’écriture des unités

2.5.1 Règles d’écriture des noms d’unités 1. Les noms d’unités sont des noms communs : ils s’écrivent donc en lettres minuscules, même s’ils

dérivent de noms de scientifiques. Il existe un cas particulier pour le nom de l’unité °C qui s’écrit degré Celsius. Exemple : l’unité de pression est le pascal

2. Les noms d’unités prennent la marque du pluriel.

Exemples : une aire de 32 mètres carrés, une température de 15 degrés Celsius 3. Pour une unité composée par le quotient de deux unités, le nom est formé en intercalant le mot

« par » entre les noms des unités. Dans ce cas, seul le premier nom prend la marque du pluriel. Exemple : une masse volumique de 8,6 kilogrammes par mètre cube

2.5.2 Règles d’écriture des symboles d’unités 1. Les symboles d’unités sont imprimés en caractères droits. 2. Les symboles d’unités sont imprimés en minuscules sauf

■ si le symbole de la 1re lettre est une majuscule (le nom de l’unité dérive d’un nom propre) ;

■ dans le cas du litre pour lequel le symbole recommandé est L. Exemple : p = 200 000 Pa

3. Les symboles d’unités sont invariables au pluriel.

Exemple : L = 75 cm ; p = 25 mbar 4. Les symboles d’unités ne sont jamais suivis d’un point, sauf à la fin d’une phrase.

Exemple : « Sa longueur est de 75 cm. » et non pas « Il a 75 cm. de long ». 5. Les symboles d’unités ne peuvent pas être modifiés. Ainsi, on ne peut pas utiliser sec (pour s ou

seconde) ; cc (pour cm3 ou centimètre cube) ; hrs (pour h ou heures) … 6. Les symboles d’unités ne peuvent pas être utilisés sans valeurs numériques.

Exemple : « il y a 106 mm dans 1 km » et non pas « il y a plusieurs mm dans un km »

2.5.3 Règle d’écriture des préfixes 1. Les symboles des préfixes sont toujours imprimés en caractères droits et ils sont directement

attachés aux symboles des unités, formant ainsi un nouveau symbole. Exemple : mL (millilitre)

2. Aucun préfixe ne peut être attaché au symbole du kilogramme.


3. Les grandeurs

3.1 Grandeurs de base et grandeurs dérivées Le système SI est fondé sur sept grandeurs de base : la longueur, la masse, le temps, le courant électrique, la température, la quantité de matière et l’intensité lumineuse. Seules, les grandeurs soulignées seront envisagées au premier degré. Parmi les grandeurs dérivées, on trouve : l’aire, le volume, la vitesse, la force, la pression, l’énergie, la masse volumique.

3.2 Règles pour l’écriture des symboles des grandeurs 1. Les symboles des grandeurs consistent généralement en une seule lettre de l’alphabet grec ou

latin. Ce symbole peut être accompagné d’indices ou d’exposants. 2. Les symboles de grandeurs sont toujours imprimés en caractère italique26. 3. Les symboles des grandeurs vectorielles sont imprimés en caractère italique gras ou surmontés

d’une flèche. 4. L’usage des symboles n’est pas standardisé. Il est recommandé d’adopter les pratiques en vigueur

dans la région ou le pays où l’on se trouve. 5. Les constantes sont habituellement des grandeurs physiques : leur symbole est donc imprimé en

caractère italique.

SSyymmbboolleess ggéénnéérraalleemmeenntt uuttiilliissééss ddaannss nnoottrree rrééggiioonn

Grandeur physique Symbole Unité SI

coordonnées cartésiennes d'espace x y z m

longueur L m

largeur b m

hauteur h m

distance d m

épaisseur d m

rayon r m

diamètre d, D m

aire A m2

volume V m3

angle plan α -

temps t s

intervalle de temps, durée t, ∆t s

vitesse v m s-1

26 Cette caractéristique n’est pas en vigueur dans les classes. Par contre, il est recommandé de l’adopter pour l’écriture d’un manuel.


SSyymmbboolleess ggéénnéérraalleemmeenntt uuttiilliissééss ddaannss nnoottrree rrééggiioonn

Grandeur physique Symbole Unité SI

masse m kg

masse volumique ρ kg m-3

densité d -

force F N

poids G N

pression p Pa

énergie E J

puissance P W

chaleur Q J

température Celsius t θ °C

3.3 Règles pour l’expression des grandeurs Rappel : la valeur d’une grandeur est exprimée par le produit d’un nombre et d’une unité. Le nombre figurant devant l’unité est la valeur numérique de la grandeur exprimée dans cette unité. 1. La valeur d’une grandeur est exprimée dans une seule unité. Exception pour les valeurs d’angles

ou de temps. Exemple : L = 10,234 m et non pas L = 10 m 23 cm 4 mm

2. Un espace est toujours laissé entre la valeur numérique et le symbole de l’unité.

Exemple : il faut écrire t = 30,2 °C (et non pas t = 30,2°C ou t = 30,2° C) Exception : symboles des unités degré, minute et seconde pour l’angle plan. Exemple : α = 30°22’8’’ où α est le symbole de la grandeur « angle plan ».

4. Les chiffres significatifs

L’action de mesurer est très différente de celle de compter, bien que les deux relient des nombres à des grandeurs. Nous pouvons compter le nombre de billes dans un bocal et le connaître exactement, mais nous ne pouvons pas mesurer exactement la hauteur du bocal. La mesure exacte n’existe pas. Toute mesure est faite avec une certaine précision qui dépend de la précision de l’instrument.

Chiffres significatifs Avec une latte dont les graduations sont distantes de 1 mm, on va réaliser des mesures au mm près. La valeur de la longueur d’un objet sera par exemple : L = 4,1 cm. Ce résultat comporte 2 chiffres significatifs. Un résultat tel que 0,041 m ou 0,000 041 km aurait également 2 chiffres significatifs. Ils indiquent tous que la mesure est précise au mm près. Changer d’unité n’a donc aucune influence sur la précision de la mesure. Les zéros à gauche des premiers chiffres différents de zéro ne sont pas des chiffres significatifs : ils indiquent seulement la position de la virgule. Par contre, avec un instrument de mesure plus précis (un micromètre par exemple), on pourrait obtenir le résultat de mesure suivant : L = 4,120 cm indiquant une mesure précise au 1/1000 de cm près. Le zéro indique cette fois la précision de la mesure. Cette valeur présente 4 chiffres significatifs.


Les zéros à droite des chiffres significatifs sont à compter parmi les chiffres significatifs. Par exemple, on sait que la distance de la Terre au Soleil est de 146 millions de kilomètres : écrire cette distance 146 000 000 km, avec 9 chiffres significatifs, n’a pas de sens car on ne connaît pas cette distance au kilomètre près. Pour écrire cette distance en utilisant seulement les chiffres significatifs, on utilise généralement la notation scientifique : 1,46 108 km.

Détermination des chiffres significatifs Le résultat d’un calcul effectué avec une calculatrice fait souvent apparaître un très grand nombre de chiffres. Il n’est généralement pas opportun de reprendre tous ces chiffres pour exprimer le résultat du calcul car ils ne peuvent pas être tous significatifs.

Dans le cas d’une multiplication ou d’une division Le résultat d’une multiplication ou d’une division est arrondi de façon à avoir autant de chiffres significatifs que le facteur qui en comporte le moins. Exemple : l’aire d’une surface dont les côtés mesurent 0,91 m et 1,51 m sera : A = 1,4 m2 avec 2 chiffres significatifs (car la mesure 0,91 m ne comporte que 2 chiffres significatifs). Remarque : il faut ici appliquer les règles d’arrondi. Quand le dernier chiffre enlevé est supérieur ou égal à 5, on augmente le premier chiffre conservé d’une unité. Dans ce cas-ci, le résultat de la multiplication (1,3741 m2) est donc arrondi à 1,4 m2.

Dans le cas d’une addition ou d’une soustraction Le résultat d’une addition ou d’une soustraction est arrondi de façon à avoir autant de décimales (nombres de chiffres derrière la virgule) que le terme qui en comporte le moins. Pour cela, il faut que les termes soient exprimés dans la même unité. Exemple : additionner deux masses de 120 kg et de 40,0 kg, le résultat est m = 160 kg.


Eléments de bibliographie

Préconceptions d’élèves Etude sur les conceptions des élèves : http://www.pistes.org/ (Québec) Liste de fausses conceptions : http://bdp.ge.ch/webphys/enseigner/situations/html/listefaussesconceptions.html (Genève) . Fiches connaissances cycles 2 et 3, CNDP http://www.cndp.fr/archivage/valid/38285/38285-5692-5495.pdf.

Partie 1 (biologie) DAJOZ R., Précis d’écologie, Gauthiers-Villars, 1975. LECOINTRE G., Comprendre et enseigner la classification du vivant, Belin, 2004. RAMADE F, Eléments d’écologie, Ecologie appliquée, McGraw-Hill, 1982.

Parties 2, 3 & 4 (physique) CALLE C., Supercordes et autres ficelles, Dunod, 2004. HECHT E., Physique, De Boeck, 2003.

Les sciences sur les sites français La main à la pâte, http://www.lamap.fr/. La main à la pâte au collège, http://science-techno-college.net/. En France, chaque académie possède son propre site sur lequel elle publie des ressources variées tant en biologie (SVT) qu’en physique-chimie. C’est le cas, par exemple, de l’académie de Créteil :

■ pour les SVT au collège : http://svt.ac-creteil.fr/; ■ pour la physique-chimie au collège : http://spcfa.ac-creteil.fr/spip.php?rubrique11.

Les sciences sur le site « enseignement.be » Outils d’évaluation en sciences au 1er degré, http://www.enseignement.be/index.php?page=24515&navi=1806 Les évaluations externes non certificatives - éveil/sciences (octobre 2003 - 1re secondaire) http://www.enseignement.be/index.php?page=25186. Développement d'outils de diagnostic et de remédiation immédiate au travers d'activités scientifiques au premier degré de l'enseignement secondaire (électricité et transformations d’énergie), Université de Mons-Hainaut, http://www.enseignement.be/index.php?page=26044&id_fiche=5324&dummy=26164. Les activités scientifiques expérimentales, asbl Hypothèse, http://www.enseignement.be/index.php?page=26044&id_fiche=4996&dummy=24898. Eveil à l'observation et à la pratique expérimentale en physique (électricité, pression), Université de Mons-Hainaut, http://www.enseignement.be/index.php?page=26044&id_fiche=1097&dummy=24902.

Grandeurs DELSATE P., Grandeurs, unités et symboles en chimie et physique, 2005 (non publié). DUPONT B., TROTTIGNON J.-P., Lexique des unités et grandeurs, Nathan technique, 2003. HOMANN K.H., Abbreviated list of quantities, units and symbols in physical chemistry, IUPAC. TAYLOR B. N., Guide for the Use of the International System of Units (SI), NIST, 1995. TERCELIN X., Travail sur les grandeurs et unités, 2006 (non publié). Le système international d’unités (SI), Bureau international des poids et mesures, 1998.

Manuels de référence Nouveau manuel de l’Unesco pour l’enseignement des sciences, 1974, Unesco, http://unesdoc.unesco.org/images/0000/000056/005641F.pdf. TAVERNIER R., L’enfant s’interroge sur son corps. Bordas Collection Tavernier pédagogie, 1976. TAVERNIER R., L’air, l’eau, le temps qu’il fait, Bordas Collection Tavernier pédagogie, 1992.


Manuels de sciences (manuels agréés en Communauté française) BERTRAND S., MOLS J., Je construis mes apprentissages en sciences au premier degré, Fiches outils 1ère, De Boeck Education, 2007. BERTRAND S., MOLS J., Je construis mes apprentissages en sciences au premier degré, Fiches outils 2ème, De Boeck Education, 2006. BERTRAND S., MOLS J., Je construis mes apprentissages en sciences au premier degré, Guide pédagogique, De Boeck Education, 2007. BERTRAND S., MOLS J., Je construis mes apprentissages en sciences au premier degré, Manuel 1ère/2ème, De Boeck Education, 2008. CUCHE L., DELSAUT A., Sciences en questions, Livre élève 1ère, Didier-Hatier, 2009. CUCHE L., DELSAUT A., Sciences en questions, Livre élève 2ème, Didier-Hatier, 2009.

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