Énergie, c’est donc de cela qu’il s’agit. Nous sommes en 11CO, sciences, examen cantonal à la fin de l’année. Pour l’édition 2016, on nous prévoit une partie théorique, évidemment, mais aussi comme il y a deux ans, un examen pratique, avec la présentation d’une expérience tirée au sort. Parmi les sujets planifiés, il y en a un sur l’énergie.
Expérience de l’examen d’État
Soyons francs, telle qu’elle est présentée, l’expérience ne m’attire pas vraiment. Beaucoup d’énergie (si j’ose dire) pour pas grand-chose… En résumé :
L’élève doit comparer la puissance de chauffe d’une bougie et d’un brûleur à gaz. Pour cela, il a de l’eau à disposition, il doit mesurer le temps qu’il faut pour que 50 ml d’eau augmente de 10°C, avec la bougie ou le gaz, et calculer le rapport de ces durées afin de connaître le rapport entre les deux puissances de chauffage.
Faire tout ça pour se rendre compte que le brûleur à gaz est plus puissant que la bougie, ce n’est pas super motivant pour moi, et je risque de manquer d’enthousiasme. Mais ce n’est pas non plus une expérience dénuée de sens. Ne la jetons pas tout de suite aux oubliettes !
Qu’en faire, puisque les élèves seront peut-être interrogés là-dessus d’ici à quelques mois ? L’adapter. Et voici comment.
Expérience modifiée
Je garde l’idée de base, c’est-à-dire comparer les puissances de chauffe d’une bougie et d’un brûleur, mais je rajoute un paramètre : la matière chauffée. Je pourrai ainsi comparer non seulement la puissance de ma source d’énergie, mais aussi la différence d’énergie nécessaire pour chauffer deux matières. Nous avons utilisé la chaleur massique dans des calculs, ici, nous l’appréhenderons plus concrètement.
En créant 4 groupes d’élèves, la classe obtiend les 4 mesures voulues :
- eau + bougie
- eau + gaz
- huile + bougie
- huile + gaz
Il ne s’agit pas ici d’atteindre le point d’ébullition, mais simplement d’augmenter de 10°C la température du liquide. Pas de souci d’huile bouillante sur le feu…
Déroulement
Chaque groupe doit, en plus de gérer le matériel :
- mesurer 100 ml de liquide (eau ou huile)
- mesurer constamment la température
- mesurer le temps pour augmenter de 10°C
Ainsi, nous avons ces 4 mesures de temps (j’indique ce qui a été mesuré lors du cours) :
| Temps pour augmenter de 10°C (secondes) | ||
| 100 ml d’eau | 100 ml d’huile | |
| bougie | 246 | 159 |
| brûleur à gaz | 72 | 94 |
Interprétation
- Si on lit les colonnes du tableau, c’est exactement l’expérience prévue pour l’examen cantonal : on divise les deux temps et on obtient l’inverse du rapport entre les deux puissances (E=P·t). En effet, l’énergie pour chauffer 100 ml d’eau de 10°C est identique quel que soit le moyen de chauffage utilisé. En plus court : moins ça met de temps, plus c’est puissant (proportionnalité inverse).
- Si on lit les lignes du tableau, on peut comparer la quantité d’énergie qu’il faut selon la matière : on divise à nouveau les deux temps et on obtient cette fois-ci le rapport entre les deux quantités d’énergie nécessaires, et donc entre les chaleurs massiques des deux matières. En bref : plus ça met de temps, plus la chaleur massique est grande (proportionnalité directe).
Pour le point 1, nous calculons que le brûleur est environ 3.5 fois plus puissant que les bougies (nous avons utilisé 3 bougies à réchaud). Du moins pour la première colonne. Dans la deuxième, il n’est que 1.7 fois plus puissant. Il a fallu utiliser deux brûleurs pour réaliser l’expérience en même temps, et leurs robinets n’étaient sûrement pas ouverts de la même façon. C’est d’ailleurs ma faute, j’avais essayé d’avoir la même flamme, mais j’ai lamentablement échoué !
Pour le point 2, nous n’utiliserons pas les valeurs du gaz puisque les brûleurs ne sont pas identiques contrairement aux bougies. Avec la première ligne, nous calculons que la chaleur massique de l’eau est environ 1.55 fois plus grande que celle de l’huile. Ce n’est pas si faux : ceau=4185 J/°C/kg et chuile=2000 J/°C/kg.
Conclusion
Évidemment, ces calculs sont totalement biaisés parce qu’il a fallu chauffer la grille sur laquelle est posé le bécher et le bécher lui-même avant le liquide. Donc penser comparer ainsi les chaleurs massiques est un peu prétentieux de ma part ! C’est pourquoi nous n’obtenons pas un rapport très proche de la réalité (il aurait dû être de 2.1), mais ce n’est finalement pas si grave que ça, du moment que les élèves en sont conscients.
À partir de cette expérience, j’ai demandé à chaque élève de rédiger un rapport. Pour cela, ils ont reçu un plan de l’expérience et un barème de ce qui est demandé. Nous avons, de plus, bien expliqué l’expérience et les résultats en classe. Je ne demande donc qu’un compte-rendu écrit, et non pas une grande réflexion. Le document distribué est disponible comme d’habitude ci-dessous !
J’ai donc fait d’une pierre trois coups :
- réalisé l’expérience pour se préparer à l’examen cantonal ;
- rappelé (et « matérialisé ») la notion de chaleur massique ;
- évalué la rédaction d’un rapport d’expérience.
Le troisième point n’est pas à négliger, en 11CO je manque parfois de temps pour des évaluations notées. Souvent, je ne peux faire qu’une seule note à la fin d’un chapitre, ce qui n’en fait pas beaucoup sur un semestre.
