3.3 Action du gaz

Les gaz ont comme propriété de base d'agir sur tous les objets avec lesquels ils sont en contact. La physique rend compte de cette action à l'aide de la grandeur pression. Cette grandeur permet de quantifier l'action d'un gaz, notamment dans les situations où cette action n'est pas perceptible par nos sens. Le fait que les gaz agissent en permanence sur les objets, et cela dans toutes les situations, est loin d'être une évidence pour les élèves. En effet, il semble que pour la plupart des élèves (12-16 ans) l'air atmosphérique n'agit pas. De plus, pour des élèves de l'école primaire (Borghi et al.1988), ainsi que ceux du collège (Séré 1985), l'air n'agit que lorsqu'il est en mouvement. On constate aussi que pour les élèves, l'air enfermé semble avoir des propriétés différentes de l'air libre (De Berg 1992). De plus, les gaz enfermés n'agissent que lorsqu'une action est exercée sur eux et dans ce cas, il semblerait que les gaz n'agissent que dans une seule direction (vers le haut quand on les chauffe, dans la direction du mouvement lorsque l'on les comprime) (Séré 1985).

Dans le but de suivre l'évolution des élèves sur l'action du gaz et en nous basant sur ces résultats, nous avons élaboré des questions visant à tester (1) si pour les élèves l'air agit et (2) si, lorsqu'il agit, les élèves privilégient une direction. Pour cela, nous avons utilisé deux situations mettant en jeu de l'air enfermé dans une pompe à vélo, la première se déroule sans action sur le piston (ce qui favorise le fait que l'air n'agit pas puisque rien ne se passe) et la seconde lorsque l'on pousse dessus (ce qui favorise le fait que l'air agit). De plus, la seconde situation favorise l'action de l'air dans la direction du mouvement du piston. Voici l'énoncé des deux questions (le numéro avant l'énoncé correspond au numéro de la question dans le questionnaire) :

Réponse attendue par la physique :

Le tableau 5.18 donne les pourcentages de réponses concernant l'évolution de la direction de l'action de l'air entre la situation où l'on enferme de l'air dans une pompe à vélo et celle où l'on appuie sur le piston de cette pompe. La catégorie «pas de modification» signifie que les élèves répondent que l'air agit sur les parois ABCD dans les deux situations.

Tableau 5.18 : Modifications de la direction de l'air en fonction de l'action sur le piston d'une pompe à vélo
 Évolution de l'action du gaz suite à une compression Total
en %

Nombre d'élèves 		Avant
95		 Après
86
Pas de modification 27 69
Aucun puis ABCD 13 7
Aucun puis B 5 1
Aucun puis D et B 1 1
Aucun puis D 1 1
ABCD puis D 25 5
ABCD puis B 4 7
D puis ABCD 2 0
D puis B 3 0
B puis D 1 1
Autres 17 8

Ce tableau donne les réponses des élèves concernant les parois sur lesquelles l'air agit dans la pompe sans action sur le piston puis dans la pompe lorsque l'on appuie sur le piston. Par exemple, ‘«’ ‘aucun puis D’» signifie que l'air n'agit sur aucune paroi dans la première situation (pompe sans action) et qu'il agit uniquement sur la paroi D dans la seconde (pompe avec action).

Avant l'enseignement, environ 20 % (somme des réponses ‘«’ ‘aucun’» dans le tableau) des élèves considèrent que l'air n'agit pas lorsqu'il n'y a pas d'action sur le piston. Nous retrouvons ainsi, les résultats de Séré (1985), mais dans une proportion beaucoup plus faible. De plus, 6 % (somme des réponses B et D dans la situation ‘«’ ‘pompe sans action’») des élèves pensent que l'air agira plus sur une paroi lorsqu'il n'y a aucune action sur le piston. Concernant la direction de l'action de l'air, il semble qu'avant l'enseignement sur les gaz, seulement 27 % des élèves envisagent que l'air agit sur toutes les parois pour les deux situations. Lorsque l'on pousse sur le piston, 40 % (somme des réponses B ou D dans la situation ‘«’ ‘pompe avec action’ ‘»’) des élèves considèrent que l'air agira plus dans une direction. De plus, cette direction est la même que celle du déplacement du piston, retrouvant ainsi certains résultats de Séré (1985).

À la suite de l'enseignement, 10 % des élèves pensent toujours que l'air n'agit pas lorsqu'il n'y a pas d'action sur le piston (somme des réponse ‘«’ ‘aucun’» dans le tableau) et 69 % des élèves pensent que l'air agit sur toutes les parois pour les deux situations (réponse pas de modification), ce qui représente une évolution d'environ 40 %. Lorsque l'on pousse sur le piston, on trouve que 16 % (somme des réponses B ou D dans la situation ‘«’ ‘pompe avec action’ ‘»’) des élèves continuent de penser que l'air agira plus dans la direction du mouvement du piston.

À la suite de ces résultats, il semble que la séquence d'enseignement favorise les réponses où l'air agit partout tout en diminuant celles où l'air agit dans une seule direction. Cette forte évolution semble être liée au fait que la séquence a lourdement insisté sur ce point et que les deux situations proposées par le questionnaire sont très proches de celles de la partie 2 mettant en jeu la compression de l'air dans une seringue.

Ces résultats sur l'action du gaz nous conduisent à aller plus loin, en analysant comment les élèves décrivent l'action du gaz, et plus particulièrement comment cette description évolue à la suite de l'enseignement. Pour cela, nous avons utilisé les situations suivantes : pompe à vélo sans action, pompe à vélo avec action sur le piston, ballon de football que l'on dégonfle, ballon de baudruche posé sur une bouteille en fer que l'on chauffe et balles de ping-pong cabossées que l'on jette dans de l'eau bouillante. Nous présentons dans un premier temps, les résultats obtenus dans les situations utilisant la pompe à vélo et le ballon de football et dans un second temps ceux qui sont obtenus pour les situations de chauffage (ballon de baudruche et balle de ping-pong).