Histoire des sciences
Classe de quatrième
A. De l'air qui nous entoure à la molécule
Programme [Histoire des sciences : de l'évolution du modèle moléculaire à la réalité de la
molécule]
Connaissances du
L’air est un mélange de gaz.
primaire ou pré requis.
Connaissances : savoir que la matière se présente sous une multitude de formes.
Capacités : être capable de pratiquer une démarche scientifique : savoir observer,
questionner, formuler une hypothèse et la valider, argumenter,
Socle commun. modéliser de façon élémentaire.
Attitudes : – le sens de l’observation ;
– la curiosité pour la découverte des causes des phénomènes naturels,
l’imagination raisonnée, l’ouverture d’esprit ;
– percevoir la différence entre réalité et simulation.
VOLUME ET MASSE DE L’AIR
Un gaz est compressible.
Interpréter une expérience par la matérialité de l’air.
Mettre en évidence le caractère compressible d'un gaz.
Utiliser un capteur de pression.
Connaissances et
capacités disciplinaires UNE DESCRIPTION MOLECULAIRE POUR COMPRENDRE
visées. Un modèle particulaire pour interpréter la compressibilité d’un gaz.
Argumenter en utilisant la notion de molécules pour interpréter :
- la compressibilité d’un gaz ;
- la non compressibilité de l’eau.
Percevoir les différences entre réalité et simulation.
Activité 1 : Etude de document
Une nouvelle représentation de la matière.
Cinq siècles avant J.-C., deux philosophes grecs, Démocrite et Leucippe, émettent l’hypothèse que les
propriétés de la matière peuvent s’expliquer simplement par l’existence de particules très petites donc
invisibles qu’ils nomment « atomes » (du grec "a-tomos" : "insécable").
Mais cette « théorie particulaire » ne s’appuie sur aucune preuve
expérimentale et sombre vite dans l’oubli. Durant plusieurs siècles, les
chimistes s’ingénient à expliquer les phénomènes observés grâce à la théorie
des quatre éléments développée par Aristote au 4e siècle avant J.-C.
Il faut attendre le 17e siècle pour que des
scientifiques s’intéressent à nouveau à la théorie
particulaire. En 1661, Robert Boyle, un savant anglais
qui s’appuie beaucoup sur l’expérimentation en
laboratoire, remet en question la théorie des quatre
éléments qui prévaut encore à l’époque en suggérant
que la matière est constituée d’ « atomes », c’est-à-dire
Robert Boyle de particules insécables. Robert Boyle dans son
(1627 - 1691) laboratoire
Plus tard, en 1738, un physicien suisse, Daniel Bernoulli, va plus loin dans
la description des gaz en considérant qu’ils sont formés de particules distinctes,
séparées les unes des autres. Ce modèle sera ensuite amélioré en supposant que
ces particules sont indéformables.
Mais il faudra encore plus d’un siècle et les travaux d’autres scientifiques,
pour que la théorie particulaire s’impose enfin à la communauté scientifique.
Daniel
Questions : Bernoulli
1. Quels sont les quatre éléments décrits par Aristote ? (1700 - 1782)
2. Quelles sont les deux théories qui s’opposent pour décrire la matière ? Quand sont-elles apparues
respectivement ?
3. Pendant combien de siècles la théorie des quatre éléments a-t-elle prévalue dans la communauté
scientifique ?
4. Comment Bernoulli décrit-il les gaz ?
Activité 2 : Réalisation d’une expérience : compression de l’air contenu dans une seringue
Expérience élèves :
Les élèves manipulent une seringue dont ils bouchent l’embout avec le doigt.
- Que se passe-t-il lorsqu’ils poussent sur le piston ?
- Peut-on pousser le piston jusqu’au bout de la seringue ?
Observations :
Les élèves doivent décrire ce qui a changé et ce qui n’a pas changé pour le gaz contenu dans la seringue,
lorsque le piston est poussé.
Points importants à faire émerger :
- Le volume de gaz (l’espace occupé) diminue.
- Les particules qui composent le gaz n’ont pas changé.
- Il y a toujours la même quantité de particules.
- Le gaz ne peut pas « se tasser » entièrement car les particules qui le composent sont
indéformables.
Activité 3 : Modélisation du gaz enfermé dans la seringue
Le professeur rappelle le modèle particulaire décrit par Bernoulli.
En utilisant ce modèle, les élèves doivent représenter les particules qui composent l’air dans les deux cas
ci-dessous :
Position initiale Position finale
Il est précisé aux élèves que la représentation devra rendre compte des observations expérimentales.
Les élèves peuvent travailler par groupe afin de faciliter la discussion et présenter leur travail à l’ensemble de
la classe sur un transparent par exemple.
Exploitation des résultats :
Discussion sur les différentes propositions, confrontation entre les modélisations et les observations
expérimentales.
On aboutit au niveau de représentation suivant :
Un gaz est constitué d’un ensemble de particules indéformables, séparées, qui
occupent tout l’espace offert.
Quand le piston est poussé :
- les particules se rapprochent,
- leur nombre ne varie pas.
Ce premier modèle pourra ensuite être enrichi par le professeur : les particules d’un gaz sont séparées par le
vide.
Activité 4 : Mesure de la pression et modélisation
Introduction à la mesure de pression :
En 1662, à partir de ses expérimentations sur les gaz, Robert Boyle
énonce la loi de compressibilité des gaz qui porte aujourd’hui son nom :
« Le volume d'un gaz est inversement proportionnel à la pression qu'il
exerce » .
Comment vérifier que la pression exercée par l’air
augmente lorsque le volume qu’il occupe diminue ?
Dessin d’une pompe à air
utilisée par Robert Boyle
Expérience élèves :
Les élèves relient la seringue à un manomètre et mesurent la pression exercée
par l’air à l’intérieur de la seringue lorsque le piston est poussé.
Observations :
Vérification de la loi de compressibilité de Boyle : la pression du gaz
augmente quand son volume diminue.
Remarque : il n’est pas question ici de vérifier la loi « P x V = constante » .
Utilisation du modèle particulaire :
Etablir une corrélation entre la pression et le « tassement » des particules.
Réinvestissement
- La masse de l’air dépend de la quantité de particules.
- Mise en évidence et explication de la non compressibilité de l’eau : les élèves manipulent la seringue pleine
d’eau et proposent un schéma pour expliquer la non compressibilité de l’eau.