Démonstration par l`enseignante ou l`enseignant – Convection

SNC2D/SNC2P Changements climatiques/Changements climatiques Démonstration par l’enseignante ou l’enseignant – Convection Sujets Durée convection
différence de température
atmosphère
hydrosphère
préparation : 5 min
activité : 5 min
Attentes particulières SNC2D A1.1 Repérer un problème de nature scientifique, poser des questions s’y rattachant et formuler
une hypothèse.
A1.8 Évaluer la fiabilité des données empiriques (p. ex., identifier les sources d’erreur et
d’incertitude dans les mesures) ou de l’information recueillie ou la solution à un problème.
A1.9 Analyser et synthétiser les données empiriques ou l’information recueillie (p. ex., traiter les
données, choisir les unités SI appropriées, appliquer des techniques de conversion,
sélectionner des citations, développer les idées principales et secondaires).
A1.11 Présenter des données empiriques, des renseignements recueillis au cours d’une recherche
documentaire ou les étapes de la résolution d’un problème dans une forme appropriée (p. ex.,
diagramme, tableau, graphique).
A1.12 Communiquer ses méthodes de recherche, ses idées et ses résultats en utilisant un mode
de production attendu (p. ex., rapport de laboratoire, page Web, vidéo, exposé oral, exposé
écrit).
D1.1 Nommer les principales composantes du système climatique (p. ex., Soleil, océans,
atmosphère, eau, sol) et décrire leur rôle dans le maintien de l’équilibre climatique (p. ex., le
Soleil est une source d’énergie; l’atmosphère assure la protection de la Terre; les courants
océaniques assurent la distribution de chaleur; le sol absorbe ou réfléchit l’énergie solaire).
D1.5 Expliquer l’influence des composés d’azote et de carbone (p. ex., CO2, N2O, CaCO3) sur
les transferts de chaleur entre l’atmosphère et l’hydrosphère.
D2.3 Modéliser l’influence des courants océaniques et des trois états de l’eau sur la dynamique
du climat (p. ex., la fonte partielle de la neige et de la glace accélère le processus du
réchauffement de la planète parce que leur albédo est plus élevé que celui des autres types de
surface). [ER]
D2.6 Communiquer oralement et par écrit dans différents contextes en se servant des termes
justes dont : effet de serre, gaz à effet de serre, réchauffement planétaire, cycle du carbone,
cycle de l’azote, déforestation, indicateur, pergélisol. [C]
SNC2P A1.1 Repérer un problème de nature scientifique, poser des questions s’y rattachant et formuler
une hypothèse.
A1.8 Évaluer la fiabilité des données empiriques (p. ex., identifier les sources d’erreur et
d’incertitude dans les mesures) ou de l’information recueillie ou la solution à un problème.
A1.9 Analyser et synthétiser les données empiriques ou l'information recueillie (p. ex., traiter les
données, choisir les unités SI appropriées, appliquer des techniques de conversion,
sélectionner des citations, développer les idées principales et secondaires)
A1.11 Présenter des données empiriques, des renseignements recueillis au cours d’une recherche
documentaire ou les étapes de la résolution d’un problème dans une forme appropriée (p. ex.,
diagramme, tableau, graphique).
A1.12 Communiquer ses méthodes de recherche, ses idées et ses résultats en utilisant un mode
de production attendu (p. ex., rapport de laboratoire, page Web, vidéo, exposé oral, exposé
écrit).
D1.1 Décrire le rôle des principales composantes du système climatique (p. ex., le Soleil est une
source d’énergie thermique; les courants océaniques assurent une distribution de la chaleur;
le sol réfléchit ou absorbe l’énergie solaire).
D2.6 Communiquer oralement et par écrit dans différents contextes en se servant des termes
justes dont : effet de serre, gaz à effet de serre, réchauffement planétaire, indicateur, cycle du
carbone, cycle de l’azote, déforestation. [C]
Introduction Cette démonstration illustre comment la convection se produit dans l’atmosphère et
l’hydrosphère en montrant ce qui se passe lorsqu’un fluide chaud entre en contact avec un fluide
froid. En simulant la réaction résultant de la rencontre d’une masse d’air chaud et d’une masse
d’air froid, la démonstration aide à comprendre pourquoi/comment l’océan influence le climat.
L’océan participe au climat en absorbant l’énergie du Soleil dans les eaux de surface, qui se
réchauffent et restent au-dessus des eaux profondes plus froides. La plus grande absorption
d’énergie se produit près de l’équateur. Sous l’effet des vents et des courants océaniques, l’eau
chaude se déplace vers des latitudes différentes (nord et sud) et perd de l’énergie au contact de
l’atmosphère plus froid et de l’eau plus froide environnante. À mesure que l’eau devient plus
froide et plus dense, elle finit par descendre, faisant remonter les couches d’eau qui se trouvent
en dessous, et le cycle recommence. Il s’agit du phénomène de la convection océanique. L’air
étant un fluide, un processus similaire se produit dans l’atmosphère; cette démonstration illustre
donc aussi la convection atmosphérique.
Matériel lunettes de protection
sarrau ou tablier de laboratoire
gants de protection thermique
plaque chauffante
bécher de 1 L
eau
thermomètre
colorant alimentaire rouge dans un flacon
compte-gouttes
4 bouteilles en plastique identiques (0,5 litre
environ) avec une ouverture de 4 cm
fiche ou carte à jouer
colorant alimentaire bleu dans un flacon
compte-gouttes
Consignes de sécurité •
Attention aux brûlures lorsque vous utilisez de l’eau chaude.
Marche à suivre Portez l’EPP approprié : lunettes de protection, sarrau ou tablier de laboratoire, gants de
protection thermique.
1.
À l’aide de la plaque chauffante et du bécher, chauffez 1 litre d’eau à 50 °C environ.
2.
Versez l’eau chaude dans deux des quatre bouteilles et ajoutez-y quelques gouttes de
colorant alimentaire rouge.
3.
Remplissez les deux autres bouteilles avec de l’eau froide du robinet et ajoutez-y quelques
gouttes de colorant alimentaire bleu.
4.
Placez une fiche sur le dessus d’une bouteille d’eau chaude.
5.
En tenant la carte fermement, inversez la bouteille d’eau chaude et placez-la sur la
bouteille contenant l’eau froide.
6.
Prédire / Expliquer
Les élèves appliquent la méthode Réfléchir-partager-discuter (voir la section
« Suggestions/conseils pour l’enseignante ou l’enseignant ») :
• Réfléchir : Que crois-tu qu’il se produira lorsqu’on retirera la carte d’entre les
deux bouteilles? Pourquoi?
• Partager : Échange tes idées sur la question avec un ou une camarade.
• Discuter : Participe à une brève discussion en groupe sur la prédiction.
Demandez aux élèves de justifier leurs prédictions à partir de leurs connaissances sur l’état
de la matière, la théorie cinétique moléculaire et tout autre concept pertinent.
7.
Observer
En tenant les bouteilles ensemble au niveau des goulots, retirez soigneusement la fiche.
Observez ce qui se produit.
8.
Expliquer
Demandez aux élèves d’expliquer leurs observations en s’aidant de leurs connaissances sur
la densité, la théorie cinétique moléculaire et tout autre concept pertinent.
9.
Refaites les étapes 4 à 8 avec les bouteilles restantes d’eau chaude et froide, mais cette fois
en plaçant la bouteille d’eau froide sur le dessus et la bouteille d’eau chaude, en dessous.
10. Demandez aux élèves comment, dans les océans et l’atmosphère, les couches d’air chaud et
froid peuvent se mélanger – ou rester séparées.
Nettoyage L’eau et le colorant alimentaire peuvent être versés dans l’évier. Les bouteilles peuvent être
rangées en vue d’un usage futur ou mises au recyclage.
Qu’est-­‐ce qui se produit? Lorsque la bouteille remplie d’eau chaude est placée par-dessus la bouteille d’eau froide, il ne se
produit aucun mélange. Le phénomène sera visible parce que les couleurs rouge et bleue
resteront séparées : aucune couleur violette ne se formera.
Lorsque la bouteille d’eau froide est placée sur la bouteille d’eau chaude, l’eau qui se trouve à la
jonction des deux températures se mélangera. Le phénomène sera visible du fait que les couleurs
rouge et bleue se mélangeront pour produire du violet.
Comment ça fonctionne? L’eau froide est plus dense que l’eau chaude. Lorsque la bouteille d’eau chaude est placée sur la
bouteille d’eau froide, la couche d’eau chaude moins dense se trouve déjà au-dessus de la couche
d’eau froide plus dense. Il ne se produit aucun mélange.
Lorsque la bouteille d’eau froide est placée sur la bouteille d’eau chaude, l’eau froide plus dense
descend, forçant l’eau chaude moins dense à remonter. On peut alors observer le phénomène de
mélange parce que l’eau chaude (rouge) et l’eau froide (bleue) produisent une eau de couleur
violette au point de rencontre.
Suggestions/conseils pour l’enseignante ou l’enseignant 1.
2.
3.
4.
5.
Vous pouvez utiliser des bouteilles vides de 20 oz de boisson pour sportif ou d’eau
vitaminée.
Plus la différence de température entre l’eau chaude et l’eau froide sera grande, plus la
démonstration sera concluante. L’eau tiède du robinet ne donnera peut-être pas de bons
résultats.
Il peut être sage de réaliser cette démonstration au-dessus d’un évier, d’une bassine en
plastique ou d’une grande serviette, en cas de déversement.
Normalement, dans l’atmosphère, la température baisse à mesure qu’on s’élève en altitude.
Cette démonstration illustre une inversion de température dans l’atmosphère, lorsqu’une
couche d’air chaud emprisonne une couche d’air plus froid près du sol, empêchant un
mélange. Le phénomène d’inversion est plus visible en hiver, réduisant la qualité de l’air et
provoquant parfois de la pluie verglaçante.
Réfléchir-partager-discuter : Selon cette approche d’apprentissage, chaque élève réfléchit
individuellement à un concept, à une question ou à une prédiction, puis échange ses idées
avec un ou une camarade. On peut faire suivre cette étape d’une discussion générale ou en
petits groupes. On utilise cette stratégie dans la démonstration pour :
• exploiter les connaissances que les élèves ont acquises antérieurement;
• réfléchir d’abord aux idées et concepts puis échanger avec d’autres élèves;
• contrôler le temps de réflexion et de discussion des élèves;
• faire participer tous les élèves à la justification et à la validation des prédictions.
Ressources supplémentaires 1. Compte rendu détaillé de la démonstration avec illustrations http://www.stevespanglerscience.com/experiment/colorful-convection-currents (en
anglais seulement)
2. Information au sujet des inversions de température http://www.wrh.noaa.gov/slc/climate/TemperatureInversions.php (en anglais seulement)