FreeLens, FNR
Le défi :
obtenir le plus rapidement possible 200 ml d'eau à partir de 1 kg de glaçons. Les élèves disposent pour ce faire de matériel en tout genre, par exemple un ventilateur, du sel, du métal et bien d'autres choses encore. Certains objets ne sont peut-être là que pour semer la confusion 😉 Deux candidates ont dû relever ce défi épineux lors d'un duel dans la première saison de Take Off.
Un défi de ce type, à l’instar d’une expérience, permet à la fois d'aborder la science de façon interactive et ludique et d'enseigner la méthode scientifique.
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Take Off est une émission scientifique dans laquelle douze jeunes ingénieux ont pour mission de relever des défis complexes. Un candidat est éliminé dans chaque épisode. Lors de la grande finale, le ou la gagnant(e) remporte un prix de 10 000 euros.
L'émission est diffusée sur RTL, RTL Play et YouTube . De brèves vidéos des coulisses du tournage avec les candidats et les présentateurs sont disponibles sur Instagram et TikTok.
Règles :
- La première équipe / personne à recueillir 200 ml d'eau dans l'éprouvette a gagné.
- Toutes les équipes / personnes commencent au même moment.
- Il est interdit de brûler des matériaux qui ne sont pas conçus à cet effet.
- L’éprouvette ne doit pas contenir de glace.
- Facultatif : il est préférable de porter des gants lors de la manipulation des glaçons afin d'éviter tout contact corporel direct.
Nous allons vous montrer comment reproduire ce défi divertissant en rapport avec la physique avec votre groupe d'élèves ou de jeunes.
Vous pouvez visionner l'épisode de Take Off dans lequel les deux candidates doivent relever ce défi en cliquant sur le lien suivant : Take Off Show Luxembourg | Where focus goes, energy flows!⚡️Épisode 2 | s. 1 | (youtube.com) Le duel commence à la minute 22:45.
Informations clés
- Sujet : énergie
- Durée 30-40 minutes (préparation non comprise)
- Niveau de difficulté : débutant
- Compétition : individuellement ou en groupes de maximum quatre personnes.
- Préparation : ++ (un peu complexe)
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Pour une personne ou un groupe:
- 1 éprouvette pour mesurer la quantité d'eau (capacité minimale : 200 ml)
- glaçons (300 g minimum, nous en utilisons 1 kg)
- 1 boîte en plastique / bol
- 1 ventilateur de table
- 1 boîte d'allumettes
- 2 bougies pour chauffe-plat
- 1 boîte de vis et d'écrous
- 1 paquet de sel
Facultatif :
- 1 paire de gants isothermes (pour éviter que les glaçons ne fondent au contact du corps)
- 1 sachet en plastique
- 3 éponges à vaisselle
- 1 planche de bois
- 2 piles
- 1 fil résistif
- 1 rouleau de papier aluminium
- 1 marteau
- Pour le responsable de la mise en œuvre du défi :
- sacs de glaçons ou moules à glaçons
- sac isotherme
- ruban adhésif de couleur
Préparation
- À l'aide de ruban adhésif, marquez un repère sur l’éprouvette à l'endroit souhaité, de manière à ce que l’on puisse identifier facilement quand l’objectif est atteint.
- Procurez-vous le matériel nécessaire.
- Fabriquez une quantité suffisante de glaçons (au moins 300 g pour obtenir 200 ml d'eau fondue).
Déroulement : Enseigner la méthode scientifique à l'aide du Science Challenge
Ce défi peut être réalisé individuellement ou en groupe. Il est essentiel que les participants utilisent tous le même type de matériel et que les règles et les critères pour gagner soient clairs. La difficulté du défi varie en fonction du matériel mis à disposition.
Le défi repose sur les quatre étapes d’enseignement de la méthode scientifique : 1. question, 2. hypothèses, 3. expérience / test 4. conclusion.
Le défi principal réside dans la question. Les élèves formulent leurs hypothèses de manière très intuitive : quelle est la meilleure façon de résoudre le défi ? Quelle est la méthode la plus prometteuse ? Ils doivent ensuite tester cette hypothèse lors de l'expérience ou de la mise en œuvre. Si différents groupes emploient des approches différentes, différentes hypothèses seront testées. Le résultat indique quelle hypothèse était la meilleure.
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La méthode scientifique a pour point de départ une question. Par exemple : « Comment la lumière influence-t-elle la croissance des plantes ? » Ensuite, le chercheur formule une hypothèse, c'est-à-dire une explication provisoire possible, par exemple : « Les plantes poussent mieux en pleine lumière, car elles peuvent utiliser la photosynthèse pour fabriquer de la nourriture. » L'hypothèse est ensuite testée à l’aide d’expériences ou d’observations afin de vérifier si elle est correcte ou non. Dans ce cas précis, le chercheur testerait l'hypothèse en prenant deux groupes de plantes, une qu’il placerait en pleine lumière et une qu’il disposerait dans le noir. Il observerait ensuite la croissance des deux groupes de plantes sur une période donnée avant de comparer les résultats. Sur la base des résultats, le chercheur tire des conclusions qui peuvent soit confirmer, soit infirmer l'hypothèse : après avoir analysé les données, il constate que les plantes exposées à la lumière ont mieux poussé que celles qui étaient plongées dans l’obscurité. L’hypothèse selon laquelle la lumière favorise la croissance des plantes est confirmée.
1. Formuler une question : le responsable du défi énonce la question : quelle est la méthode la plus rapide pour faire fondre de la glace ?
2. Formuler des hypothèses : les groupes disposent de 3 à 5 minutes pour examiner le matériel disponible. Les élèves réfléchissent à la manière dont ils pourraient remporter ce défi, c’est-à-dire à la méthode la plus rapide pour faire fondre les glaçons. Ils réfléchissent donc à différentes hypothèses.
3. Réaliser des tests : dans un défi, la phase de test pour vérifier les hypothèses correspond à la compétition. Le responsable donne le coup d’envoi et surveille le niveau d'eau dans les éprouvettes des différentes équipes. Dès que l'une des équipes atteint l'objectif fixé, le responsable annonce les gagnants.
4. Conclusion / explication : le responsable discute à présent avec les candidats de la ou des méthodes les plus adaptées. Pour quelles raisons sont-elles efficaces ? Pourquoi les gagnants ont-ils été plus rapides que les autres candidats ? Pourquoi les autres méthodes étaient-elles moins efficaces ? Le cas échéant, les groupes peuvent aussi tester une autre méthode lors d'un deuxième tour afin de s'améliorer.
Fusion de la glace – propriétés physiques
Pour fondre, la glace nécessite plus d'énergie qu'on ne pourrait le penser de prime abord. En effet, il faut à peu près la même quantité d'énergie pour faire fondre 1 g de glace que pour chauffer 1 g d'eau de 0 à 80 °C, soit 334 kJ/g ou 80 kcal/g. Différentes méthodes peuvent être utilisées ou combinées pour apporter le plus rapidement possible cette énergie aux glaçons :
- Augmentation de la surface de contact avec l'air chaud : à température ambiante, l'air ambiant peut être utilisé pour la fusion. Mais ce processus prend du temps. Il est accéléré lorsqu’on broie les glaçons et qu’on augmente la surface de contact avec l'air ambiant.
- Ventilateur : à l’aide d'un ventilateur, on peut diffuser en permanence de l'air « chaud » (environ 22°°C) sur les glaçons. Lorsque les glaçons fondent, l'humidité de l'air ambiant environnant augmente directement. Lorsque cet air est saturé, le processus d'évaporation prend plus de temps. Les glaçons fondent plus rapidement si de l'air frais, c'est-à-dire de l'air non saturé, est diffusé dessus de façon permanente.
- Incorporation de métal : le métal est un bon conducteur de chaleur et peut donc transmettre plus rapidement de la chaleur aux glaçons, ce qui accélère la fusion.
- Apport de chaleur : il est possible de fabriquer un récipient en aluminium rempli de glaçons et de le chauffer au-dessus d'une bougie ou de chauffer les glaçons à l’aide d'un fil thermique et d'une pile.
- Ajout de sel : le sel fait fondre la glace en abaissant la température de congélation de l'eau. Une solution saline saturée ne gèle qu'à environ -21 °C.
- Combinaison de différentes méthodes : c'est probablement en combinant toutes les méthodes ou plusieurs d’entre elles que l'on parvient à faire fondre les glaçons le plus rapidement.
Auteurs: Lucie Zeches, Joseph Rodesch (FNR)
Editeurs: Jean-Paul Bertemes, Michèle Weber (FNR)
Traduction: Nadia Taouil (T9n)
Voici d'autres défis Take Off à reproduire : (lien YouTube vidéos pédagogiques)
Dans notre rubrique « Pour enseignants et parents » – « Idées pour l’enseignement des sciences à l’école fondamentale », vous trouverez également quelques défis en rapport avec la science et une série d'expériences que vous pouvez facilement reproduire en classe, avec des plans de cours complets.
Dans notre rubrique « Expérimenter », vous trouverez aussi de nombreuses expériences à réaliser soi-même.
