Cette page a été réalisée à l'attention des participants du

DéfiSciences
Dans l'air du temps

DéfiSciences 2000-2001
Inspection d'Académie du Finistère

Groupe de Recherche et de Production en Sciences
Mission Pédagogie et Formation

retour acceuil

source principale recommandée pour les notions physiques et une multitude de petites expériences: l'eau, l'air, le temps qu'il fait, guide du maître, col. R. Tavernier, Bordas, 1976

les liens de cette page renvoient à une page d'annexes de formulation plus complète, une page sur l'atmosphère et une page sur les carbonates.

L'air en sciences de la vie et de la terre

niveau 1 // niveau 2 // expériences

Formulations de premier niveau

l'air sensible

l'air pur n'existe pas; l'air est plein de substances odorantes dont certains sont des messages chimiques entre les êtres vivants; l'air peut être pollué

l'air est peu dense et donc peu porteur mais il peut facilement être mis en mouvement

l'air transporte et aide à la dissémination de spores, pollen, fruits et graines de nombreux êtres vivants

l'air porteur et l'air moteur
l'air protecteur - l'air hostile

l'air peut être très chaud ou très froid, il change facilement et vite de température : c'est donc un milieu de vie peu protecteur

dans l'air un être vivant a tendance à perdre son eau

l'air nourricier

certains gaz de l'air sont nécessaire à la vie: la vapeur d'eau, le dioxygène, le dioxyde de carbone; d'autres sont moins utilisés: le diazote et les gaz rares

l'air peuplé

l'air est un milieu de vie pour de nombreux êtres vivants

l'air constructeur de roches

les carbonates sont formés principalement par des êtres vivants à partir du gaz carbonique de l'air

des "obstacles" à surmonter ou des erreurs à corriger:

erreurs
corrections

l'air est visible comme une fumée

la fumée est composée de gaz, parfois incolores (les gaz les plus dangereux comme les gaz soufrés sont souvent incolores) ou colorés, de vapeur d'eau (gaz invisible) et de gouttelettes d'eau (parfois visibles) et de toutes petites particules de cendres (la combustion des pneumatiques provoque le dégagement de fumées noires car ils comportent des composés carbonés ou noir de carbone mélangés lors de leur fabrication aux caoutchouc afin de contrôler leur élasticité).

au dessus de l'eau chaude on voit de la fumée

on voit de la vapeur au-dessus d'une casserole d'eau qui bout

la vapeur d'eau est un gaz incolore mais il peut se condenser en eau. Alors les gouttelettes d'eau en suspension dans l'air peuvent former des nuages d'eau (et non de vapeur d'eau) qui sont alors visibles (les gouttelettes, plus ou moins sphériques diffractent la lumière). Lorsqu'elles ne sont pas visibles les gouttelettes d'eau ont des diamètres inférieures au micromètre (millionième de mètre). Dans un brouillard épais il n'est pas rare d'avoir des gouttelettes de 50 à 60 micromètres de diamètre. Cependant la quantité d'eau contenue dans un brouillard reste faible: quelques dizaines de grammes tout au plus par mètre cube d'air.

l'air est sensible par le vent

le vent correspond effectivement à un mouvement d'une masse d'air mais ce n'est pas parce que l'on a pas conscience de la pression exercée sur nous par l'air, qu'elle n'existe pas (l'air n'est pas "palpable")

l'air est transporté par le sang

ce sont le dioxygène et le dioxyde de carbone seuls qui sont transportés par le sang fixés à un pigment respiratoire; l'hémoglobine pour la quasi totalité des vertébrés

l'air qui entre dans les poumons (inspiré) est riche en dioxygène, et pauvre en dioxyde de carbone;

l'air qui ressort des poumons (expiré) est pauvre en dioxygène et riche en dioxyde de carbone

l'air expiré est toujours riche en dioxygène et est très enrichi en dioxyde de carbone mais il reste encore pauvre par rapport aux autres gaz et notamment le dioxygène (pour des valeurs exactes il faut utiliser les pressions partielles, ce qui est déjà un niveau de formulation assez élaboré)

 

Formulations de deuxième niveau

formulations - obstacles
exemples

l'air est peu dense ("léger") par rapport à l'eau

l'air est peu porteur

se déplacer dans l'air nécessite de diminuer sa masse et d'augmenter sa surface portante (ailes faites de membranes, de plumes....)

voler (activement): l'aile d'insecte, l'aile des oiseaux, l'aile des chauves-souris... et l'adaptation au vol

voler (passivement): quelques grains et de pollen, fruits et graines dispersés par le vent

L'immense espace aérien a été colonisé. Il n'est pas rare de rencontrer des martinets dormants à 1000 ou 2000m d'altitude (voir le dernier n° de la Hulotte, n°78, p.39). Le transport des pollen et graines par le vent, des chauves-souris, les oiseaux, les insectes, leur permet de passer les barrières des océans.

l'air transporte cependant des particules qui ont un grand rôle en géologie (dunes, loess...)

l'air peut être facilement mis en mouvement

en milieu aérien, on observe deux types d'appareils respiratoires: les trachées qui amènent l'air venant de multiples orifices, directement aux organes, les poumons qui amènent l'air venant d'un seul orifice à une surface d'échange fortement irriguée

appareils respiratoires en milieu aérien: les trachées, les poumons dans la série des vertébrés

l'air conduit les sons (et les ultra-sons) moins vite que l'eau mais les atténue moins

(les sons se propagent à 331,45 mètres par seconde dans l'air alors qu'ils atteignent 1500 m/s dans l'eau)

j'entends: l'oreille humaine, l'écholocation, je parle : les cordes vocales

l'air laisse facilement passer la lumière

(les vitesses de déplacement de la lumière dans l'air et dans le vide (299.792,458 km/s) sont presque égales mais la première n'est pas une constante)

je vois: l'œil humain

l'air peu être très chaud et très froid, sa température varie très facilement et très vite (on dit qu'il présente un faible volant thermique ou une faible inertie... par comparaison avec l'eau)

les animaux qui vivent en milieu aérien se protègent du chaud et du froid

quelques comportements vis-à-vis du froid et du chaud

l'air, emprisonné dans de petites cavités, est un bon isolant thermique

les fourrures

Les organismes qui se déplacent dans l'air peuvent présenter une protection mécanique contre les chocs. D'une façon générale, les carapaces sont plus rares en milieu aquatique qu'en milieu aérien, même si ce paramètre, n'étant que secondaire, n'est pas déterminant à lui seul.

l'air est sec...mais parfois humide... c'est un milieu de vie très pauvre en eau par rapport aux autres milieux de vie (eau, sol, êtres vivants).

l'air sec est hostile à la vie

les organismes transportés par l'air sec sont des formes de résistance (spores, pollen, graines...)

Les organismes d'une part se protègent des pertes d'eau (peau avec kératine imperméable, carapaces et autres cuticules.... mais aussi formes enroulées comme la feuille d'oyat...) et d'autres font des réserves (cactées).

l'air est peuplé : quelques expériences

l'air humide empêche les pertes d'eau mais rend difficile les échanges gazeux respiratoires

certaines plantes (épiphytes) puisent leur eau directement dans l'air humide

quelques plantes tropicales épiphytes

l'échange des gaz (dioxygène et gaz carbonique) entre le sang et l'air humide est chaud des alvéoles au sein des poumons, dépend des pressions partielles des gaz.

mécanisme des échanges gazeux pulmonaires, volumes respiratoires (voir je respire)

l'air est riche en dioxygène

l'air qui entre dans les poumons est riche en dioxygène; l'air qui en ressort est toujours riche en dioxygène

l'air ne pénètre pas dans l'organisme: seuls le dioxygène et le dioxyde de carbone sont échangés entre le milieu extérieur (internalisé) et le milieu intérieur

mécanismes de transport des gaz par l'hémoglobine

Au début des temps géologiques, l'atmosphère primitive ne renfermait probablement pas de dioxygène. Le dioxygène a été produit par les êtres vivants.

quelques éléments de nutrition des êtres vivants: source de matière et d'énergie

l'air est pauvre en dioxyde de carbone

une plante perd beaucoup d'eau pour absorber peu de dioxyde de carbone

la teneur en dioxyde de carbone de l'air augmente ainsi que la température moyenne de l'air : c'est l'effet de serre

structure de l'atmosphère, effet de serre

le dioxyde de carbone de l'atmosphère se dissous dans l'eau: c'est ce carbone qui est à l'origine de la formation des calcaires (voir page sur les carbonates)

les équilibres des carbonates en solution

l'air n'est pas si inodore que cela

l'air contient un grand nombre de molécules naturelles qui sont des signaux de communication (messages chimiques) entre les êtres vivants : l'air pur n'existe pas (mélange de gaz parfaits)

composition chimique de l'air

l'olfaction

l'air peut être pollué

quelques polluants de la basse et de la haute atmosphère

Expériences

Des idées d'expériences - observations
concepts associés à travailler

la course de véhicules roulants

les enfants doivent construire des voitures avec des éléments Lego - plan libre - but: réaliser un véhicule qui roule, glisse.... sur un plan incliné puis le PLUS LOIN possible

résistance de l'air, frottements

le vol plané

les enfants construisent des maquettes d'objets planant (voir aussi plus bas des idées d'avions en papier) avec une feuille A4 uniquement; le but étant que la maquette plane le PLUS LONGTEMPS possible, une fois lâchée d'une hauteur fixe: par exemple 2 m
Remarque: si l'on souhaite associer une étude sur le vol chez les êtres vivants, on ne se limitera pas à la décoration des feuilles de papier (dessins d'ailes de papillons ou de plumes ou formes d'écureuil volant...) mais on aura intérêt à rechercher dans des ouvrages de la bibliothèque (la hulotte par exemple) des données plus scientifiques afin de signaler, au minimum, les caractéristiques du vol des êtres vivants (données anatomiques, physiologiques, comportementales...), qui, tout en s'appuyant sur les contraintes physiques du milieu, s'y adaptent de façon extraordinaire et en font un milieu de vie, peuplé d'une grande diversité biologique.

résistance de l'air, gravité

le vol passif

les enfants récoltent des objets naturels dans la nature qui ont été transportés par le vent ou qui servent à transporter des organismes dans l'air (plumes, feuilles mortes, graines ailées....). Une étude comparative permet de les classer par exemple en fonction de deux paramètres: leur masse (peut être difficile à évaluer dans le cas de graines ou de fruits-graines très petits: on peut alors utiliser leurs dimensions....) et la distance qu'ils parcourent par exemple lâchés à un mètre de hauteur dans un flux d'air généré par un sèche-cheveux fixe. Des observations complémentaires à la loupe binoculaire peuvent permettre de compléter la notion de surface portante par exemple.

résistance de l'air, gravité, portance

éclairer une fumée dans l'obscurité

Dans l'obscurité, avec une lampe on peut éclairer une fumée (de cigarette par exemple, c'est l'occasion de parler des particules toxiques de la fumée de cigarette...). On note bien que la lumière n'éclaire pas l'air (de façon visible) mais que le faisceau lumineux passe à travers l'air.

composition de l'air (molécules de gaz invisibles et particules visibles diffractant la lumière)

filtrer l'air - observer de la poussière

avec une pompe à vélo montée en pompe aspirante (piston inversé, voir Tavernier, ancienne édition sur l'eau, l'air, p 173 et s.), un embout souple monté sur un entonnoir recouvert de papier filtre, on peut recueillir une suffisament grande quantité de poussière pour que l'on puisse l'observer dans une goutte d'eau sous le microscope (gratter le papier filtre au-dessus de la lame, ajouter la goutte d'eau): on distingue des fibres (celulose, laine, fibres synthétiques....), des acariens (arthropodes à 4 paires de pattes), des grains de pollen et autres spores difficilement identifiables. Mis en culture sur un bouillon de gélose, on obtient de nombreuses bactéries.
On peut aussi observer de la poussière récoltée dans le fond de la classe avec une balayette ou dans un sac d'aspirateur.

l'air est peuplé (organismes vivants ou formes de résistance transportées) et pollué (résidus de l'activité humaine...)

le transport d'un son par l'air

Différentes configurations peuvent être testées pour lesquelles on obtient des vitesses de propagation (non mesurables facilement) et des atténuations de l'intensité du son différentes. Par exemple:
* trajet rectiligne sans obstacle (enfant émetteur-bruiteur et enfant récepteur-oreilles l'un en face de l'autre)
* trajet rectiligne avec cloison (enfant émetteur-bruiteur et enfant récepteur-oreilles de par et d'autre du mur de séparation de deux classes) sans communication directe par l'air (les deux portes sont fermées), avec communication (les portes sont ouvertes)... mêmes expériences avec des sons graves et des sons aigus
Pour s'affranchir de la subjectivité de l'intensité du son on peut utiliser un magnétophone...

le transport des sons par l'air est rapide et l'air atténue peu les sons; le son peut contourner un obstacle (surtout sons graves)

le transport d'une odeur par l'air

les élèves sont placés selon les rayons de cercles concentriques de plus en plus éloignés d'un flacon odorant (essence de rose, de mandarine... ou autre parfum pour pâtisserie...) que l'on débouche à un instant donné; les temps d'arrivée sont notés par un enfant testeur (qui lève la main dès qu'il sent l'odeur - qui doit rester inconnue au départ, seules étant validées les réponses des enfants ayant reconnu l'odeur) et un enfant observateur qui note avec un chronomètre le moment où son camarade lève le bras. Dans un grande pièce bien fermée sans mouvement de convection trop nets on peut arriver à des vitesses de plusieurs mètres par seconde. Avec des courants d'air on a bien sûr des vitesses encore plus rapides. Le problème de ces expériences est qu'il ne faut pas rater l'unique essai possible (on peut faire des répétitions sans déboucher le flacon).
Ce genre d'expérience peut être doublé par un travail sur un texte historique sur la perception des odeurs par la femelle du Bombyx du mûrier (Fabre).

diffusion dans les gaz (solubilité)

former des dunes éoliennes

Verser 1 kg de sable (diamètre voisin de 0,01 mm) en un tas allongé (dune droite) au centre d'une surface lisse. Dirigez le flux d'air d'un sèche-cheveux perpendiculairement au tas.
On observe d'abord que les grains du sommet du tas sautent, puis roulent ou glissent pour former peu à peu une flèche...puis une dune longitudinale, allongée dans la direction du vent.
Pour former une dune transversale ("en croissant" ou barkhane) on utilise le même matériel mais il faut en plus placer un obstacle à l'arrière de la dune (côté sous le vent): une cale en bois, un boîte d'allumettes lestée (1 ou 2cm de hauteur maximum et celle-ci ne doit pas dépasser le sommet du tas de sable). On peut aussi placer plusieurs obstacles successifs.

transport de particules par le vent

(La terre, 50 expériences pour découvrir notre planète, André Prost, p 8-11, Belin, 1999)

observer et classer des grains de sable

si l'on dispose d'une loupe binoculaire il est assez facile d'observer et de classer des grains de sable en fonction de leur origine. Les émoussés mats (usure par les chocs des grains entre eux) étant considérés comme caractéristiques d'un transport éolien (par le vent). A comparer avec des sables fluviatiles (transportés par les eaux de rivière:non émoussés luisants) et ceux transportés par la mer (émoussés luisants).

dunes, sédimentation, transport par le vent

former des vagues et de la houle

avec un sèche-cheveux dont le souffle est orienté le plus parallèlement possible à la surface d'un grand récipient d'eau, on voit se former des vaguelettes.
On peut visualiser le mouvement de la surface de l'eau à l'aide de petits copeaux de liège pour bien montrer que l'eau se soulève et retombe verticalement. La houle ne déplace pas les particules en surface comme peuvent le faire les courants. La propagation d'une crête est une illusion d'optique.

dynamique des fluides: ondes

(La terre, 50 expériences pour découvrir notre planète, André Prost, p 14-15, Belin, 1999)

bulles d'air et bulles de gaz carbonique

bulles et composition de l'air

éruption volcanique de type explosif

l'observation de l'ouverture brutale d'une bouteille de boisson gazeuse fortement secouée auparavant permet de voir les principales étapes d'une éruption volcanique avec une composante explosive:
- (on peut ouvrir la bouteille, la reboucher avec un bouchon à ouverture rapide puis la secouer); avant d'ouvrir, l'eau et le gaz (dioxyde de carbone) sont mélangés et seule l'eau est visible, même si une certaine quantité de gaz se trouve près du bouchon (à haute pression !)
- dès l'ouverture (moins d'une seconde) une grande quantité de gaz est libérée (décompression car on passe de 3 atmosphères au minimum (plus si la bouteille a bien été secouée) à une atmosphère). Il y a donc exsolution, c'est-à-dire départ du gaz qui se sépare de l'eau, et dont les bulles grossissent à toute vitesse.
- une partie du liquide est projetée en l'air avec les bulles de gaz qui éclatent brutalement

solubilité du dioxyde de carbone dans l'eau, explosion et dégazage, volcanisme explosif

(La terre, 50 expériences pour découvrir notre planète, André Prost, p 104-105, Belin, 1999)

on peut aussi utiliser un modèle plus classique en primaire mais qui est basé sur le même principe: pour fabriquer des bulles de dioxyde de carbone on utilise le vinaigre en le faisant agir sur du bicarbonate de sodium. Pour obtenir une augmentation de pression on utilise des petits tubes de pellicules photos fermés. Pour simuler les produits volcaniques on utilise de la confiture (lave) ou de la farine (cendres).
Dans un tube à pellicule photo vide on place (au fond, pas plus de la moitié de la hauteur du tube) du vinaigre et de la confiture (ou de la farine) mélangés. Dans le couvercle on place le bicarbonate. On referme le tube que l'on a placé en extérieur si possible. Lorsque la pression atteint un seuil critique le bouchon saute et des projections variées sont observées....

volcanisme explosif

les petits débrouillards

crème chantilly

la fabrication de la crème chantilly par les enfants, même en cycle 1, peut être l'occasion d'un apprentissage sur l'air et sur la formation des bulles. Fabriquer de la crème chantilly c'est emprisonner le maximum de bulles d'air dans la crème. Pour cela on utilise une crème liquide (fleurette ou crème épaisse à laquelle on ajoute un peu de lait) et un fouet à main. A la température ambiante les bulles sont instables et crèvent. Il est donc nécessaire de placer le saladier dans lequel on aura mis la crème, pendant environ 15 min au congélateur, pour rafraîchir la crème. Elle monte ensuite très facilement. A la fin on ajoute du sucre.

bulles et cuisine

(Hervé This, La casserole des enfants, Belin, 1998, p30)

déformer un bidon métallique sans effort

une expérience classique consiste à retirer l'air d'un bidon métallique ce qui provoque son effondrement sur lui-même du fait de l'importance de la valeur de la pression atmosphérique. Voici deux protocoles dont l'un est plus parlant pour les SVT:
* on adapte sur le bouchon à vis du bidon une valve de chambre à air limée et montée à l'envers (voir Tavernier, l'eau, l'air, le temps qu'il fait, p 173 et s). On enlève l'air à l'aide d'une pompe à bicyclette montée en pompe aspirante (mêmes références). Le bidon s'effrondre progressivement sur lui-même.
* on place un demi-verre d'eau dans un bidon métallique bien propre. On chauffe jusqu'à atteindre l'ébullition bien stabilisée pour que la vapeur d'eau chasse l'air du bidon. On referme alors le bidon en arrêtant le chauffage. Lors du refroidissement le bidon se déforme fortement (la pression partielle de vapeur d'eau est devenue presque égale à la pression atmosphérique à l'intérieur du bidon; lors du refroidissement, l'eau se condense et la pression à l'intérieur du bidon s'abaisse fortement jusqu'à revenir à la valeur de la pression initiale très inférieure à la pression atmosphérique).

pression atmosphérique et pression partielle

mettre en évidence le dioxyde de carbone

* l'eau de chaux est le moyen le plus connu mais on peut aussi utiliser l'eau de baryte :
- pour l'eau de baryte on dissous de l'hydroxide de barium ou de l'oxyde de barium dans de l'eau jusqu'à saturation (arrêt de la dissolution: la poudre ne se dissous plus et reste au fond malgré une forte agitation). Laisser reposer plusieurs heures. Filtrer. Conserver dans un flacon à l'abri de l'air. Donne un précipité blanc (carbonate de baryum) en présence de CO2.
- pour l'eau de chaux, même protocole que pour l'eau de baryte mais en utilisant de l'hydroxyde de calcium ou de l'oxyde de calcium. Donne un précipité blanc de carbonate de calcium en présence de CO2.
Cette fois ces deux réactions sont assez caractéristiques du CO2 mais il existe cependant des difficultés à leur utilisation. Il n'est pas rare qu'une eau de chaux "éventée" présente un précipité au fond qui n'est pas de CaCO3 mais un résidu lié à la saturation du produit utilisé pour la fabrication de l'eau de chaux. Il faut donc utiliser une eau de chaux "fraîchement préparée". Ensuite si on fait buller lentement du CO2 dans de l'eau de chaux, un précipité s'observe mais de façon transitoire. Si l'on agite fortement le flacon, le précipité disparaît. Pour plus de détails sur les réactions en jeu avec les carbonates, voir une petite page sur la géochimie des carbonates.
* on peut aussi "utiliser" un animal comme un insecte qui cesse toute activité mais ne meurt pas dans une atmosphère de dioxyde de carbone presque pur. Placé à nouveau à l'air libre, il reprend une activité normale en une dizaine de minutes. Le dioxyde de carbone n'est pas un gaz mortel mais un insecte ne peut pas y vivre normalement.
* le bleu de bromothymol (BBT) est un colorant qui, de bleu en équilibre avec l'air libre, vire au jaune en présence d'une atmosphère riche en CO2. En fait cet outil est assez difficile à manier car le BBT est un indicateur de pH (acidité) qui vire du jaune au bleu entre 6,0 et 7,6 unités pH; c'est donc la dissolution du CO2 dans l'eau qui donne des ions acides: HCO3- et CO32- qui est ainsi mesurée; il n'y a pas de spécificité de la réaction vis-à-vis du CO2 : on peut ajouter une goutte de jus de citron pour faire passer le bleu au jaune. On peut aussi utiliser le rouge de crésol qui passe de l'orange au pourpre entre 7,0 et 8,8 unités pH. Mais aussi le rouge neutre qui passe du rouge au jaune orangé entre 6,8 et 8,0; ou encore le rouge de phénol qui passe du jaune au rouge entre 6,6 et 8,2.

mise en évidence du dioxyde de carbone

l'eau, l'air, le temps qu'il fait, guide du maître Tavernier, p 211-213

Travaux pratiques de biologie, Didier Pol, Bordas, 1994, p 221-223

Voir page sur les carbonates

l'air est peuplé

l'air contient de nombreux organismes vivants de toute petite taille (microscopiques) en suspension ("poussières") : spores de champignons, spores bactériennes. Pour les observer il suffit de laisser un milieu riche en matière organique à l'air libre (on peut le faire bouillir longuement pour détruire toute trace de vie avant l'expérience - on peut effectuer un contrôle visuel qui n'est pas une preuve mais l'absence d'organisme vivant mobile observable au microscope est un fait) : au bout de quelques jours le liquide se trouble et dégage une mauvaise odeur ; observé au microscope on peut y voir d'innombrables bactéries et certains unicellulaires. C'est bien l'air qui les transporte. Cette expérience peut aussi se faire en utilisant des compte-rendu historiques d'expériences de Spallanzani et de Rédi ou de Réaumur sur la génération spontanée.

cellule : unité du vivant, forme de résistance, dispersion, milieu de culture, génération spontanée

niveau 1 // niveau 2 // expériences