3.3.2. Description de l'action du gaz lorsque l'on le chauffe

Les gaz ont la propriété de se dilater lorsque l'on les chauffe, c'est-à-dire que leur volume augmente. De plus, cette augmentation de volume est proportionnelle à la température. Les situations de chauffage semblent être plus difficiles à appréhender que les autres pour les élèves (Méheut 1996). De plus, il semble qu'une partie des élèves interprète les phénomènes de dilatation soit en expliquant que l'air chaud monte, soit en expliquant qu'une transformation fait apparaître un nouveau gaz (Séré 1985). Nous avons testé la manière dont les élèves interprètent le phénomène de dilatation dans deux situations. Voici, l'énoncé de la première situation (le numéro avant l'énoncé correspond au numéro de la question dans le questionnaire) :

• « 3- On chauffe une bouteille en fer avec un ballon de baudruche dessus. Au bout d’un certain temps le ballon se gonfle
• 3.1-Expliquez le fait que le ballon se gonfle ?

Le phénomène de dilatation de l'air peut être expliqué du point du savoir à enseigner pour deux niveau :

• niveau macroscopique, lorsque l'on chauffe l'enceinte (constituée par le ballon de baudruche et la bouteille en fer), la température de l'air dans cette enceinte augmente, ce qui augmente simultanément sa pression. Comme la pression à l'intérieur est plus importante que celle qui est à l'extérieur, les parois du ballon vont se déformer, jusqu'à atteindre un certain volume, qui correspond au moment où la force exercée par le gaz à l'intérieur devient équivalente à la force exercée par le gaz à l'extérieur (ces deux forces ne sont pas égales puisque la paroi du ballon intervient aussi).
• niveau microscopique, lorsque l'on chauffe l'enceinte (constituée par le ballon baudruche et la bouteille en fer) et que l'air chauffe, la vitesse moyenne des molécules augmente, ce qui augmente simultanément le nombre de chocs sur les parois à l'intérieur. Le nombre de choc étant plus nombreux à l'intérieur qu'à l'extérieur et comme seules les parois du ballon sont susceptibles de se déformer, le ballon se gonfle jusqu'à ce que les chocs deviennent équivalents des deux côtés de la paroi.

Voici quelques exemples d'explications d'élèves que nous avons regroupées par catégorie :

• Air se dilate : ‘«’ ‘l'air chauffé se dilate et prend donc plus de place, le ballon va alors se gonfler’», ‘«’ ‘il se gonfle car l'air chaud prend plus de place que l'air froid’».
• Pression : ‘«’ ‘la température fait varier la pression de l'air et son volume’»‘«’ ‘l'air se dilate et la pression augmente’».
• Molécules : ‘«’ ‘le ballon se gonfle car avec la chaleur les molécules sont plus excitées et tapent contre les parois’», ‘«’ ‘le ballon se gonfle car les molécules bougent plus vite’», ‘«’ ‘le ballon se gonfle car les molécules d'air s'accélèrent grâce à l'énergie crée par la chaleur’».
• Molécules s'écartent les unes des autres : ‘«’ ‘les molécules d'air prennent plus de place si la température augmente’», ‘«’ ‘les molécules d'air occupent plus d'espaces’», ‘«’ ‘le fait de chauffer dilate les molécules qui prennent plus de place’».
• Air chaud monte : ‘«’ ‘air chaud est plus léger que l'air froid, l'air chaud monte et gonfle le ballon’», ‘«’ ‘le gaz dans la bouteille monte dans le ballon grâce à la chaleur’».
• Apparition : ‘«’ ‘la réaction du fer avec le dioxygène du feu a dû produire un gaz qui a fait gonfler le ballon’», ‘«’ ‘le ballon se gonfle car la bouteille en fer chauffée produit du gaz’», ‘«’ ‘le fer chauffé provoque un gaz qui remplit le ballon’».
• Chaleur agit :‘»’ ‘la chaleur monte et gonfle le ballon’», ‘«’ ‘c'est à cause de la chaleur’».

Nous présentons l'évolution des explications des élèves à travers ces catégories (figure 5.20).

Ce graphique montre qu'avant l'enseignement, la plupart des explications sont du type l'air chaud monte (32 %) ou du type il y a une apparition de gaz (28 %). L'utilisation de ‘«’ ‘l'air chaud monte’ ‘»’ par les élèves illustre parfaitement l'exemple d'une connaissance quotidienne utilisée hors de son domaine de validité. En effet, cette connaissance fonctionne très bien pour interpréter les phénomènes se déroulant à l'air libre, elle est d'ailleurs couramment utilisée par la météo (où le front d'air chaud passe au-dessus de l'air froid), cependant elle devient inadaptée lorsque l'on enferme du gaz dans une enceinte. De même, l'utilisation de l'apparition d'un gaz par les élèves peut être interprétée par le besoin d'augmenter la quantité de gaz pour qu'il puisse agir. Dans de nombreuses situations quotidiennes, notamment lorsque l'on gonfle un ballon de baudruche ou un pneu de vélo, on augmente la quantité de gaz, et donc le volume des objets augmente. Il semble possible que les élèves utilisent un raisonnement analogue, c'est-à-dire que pour que le ballon se gonfle, il faut que la quantité de gaz augmente, pour cela il y a un gaz qui apparaît. Après l'enseignement, il apparaît que ces deux types d'explications diminuent (d'environ 10 % pour l'air chaud monte et 20 % pour l'apparition du gaz) et que les explications décrivant la dilatation de l'air augmentent d'environ 17 %. Cependant, l'air se dilate et l'air chaud monte, se trouvent au même niveau (environ 20 %) après l'enseignement. De plus, très peu d'explications utilisent la pression (environ 5 %) ou l'agitation des molécules (environ 10 %), et cela bien que ces deux concepts ont été traités durant la séquence d'enseignement sur les gaz. Il est intéressant de remarquer que les explications dans lesquelles les molécules s'écartent les unes des autres, bien que très peu nombreuses (environ 2 % avant l'enseignement), augmentent après l'enseignement jusqu'à 6 %. Ce type de raisonnement revient à affecter aux molécules la propriété macroscopique de l'air de prendre plus de place. Ceci permet d'expliquer le fait que le ballon se gonfle. La catégorie ‘«’ ‘la chaleur agit’» témoigne qu'un tout petit nombre d'élèves utilise l'action de la chaleur plutôt que celle de l'air pour expliquer le fait que le ballon se gonfle.

Nous avons proposé une seconde situation, dont voici l'énoncé :

• « 6- On jette dans de l’eau très chaude deux balles de ping-pong cabossées, l’une des deux balles est trouée (balle 2).

• 6.1- Au bout d’un certain temps, à votre avis :
• • la balle 1 retrouve sa forme normale
  • la balle 1 reste cabossée
  • je ne sais pas

• Expliquez votre choix
• 6.2- Au bout d’un certain temps, à votre avis :
• • la balle 2 retrouve sa forme normale
  • la balle 2 reste cabossée
  • je ne sais pas

• Expliquez votre choix »

Les réponses attendues du point de vue du savoir à enseigner sont que la balle sans trou retrouve sa forme initiale et la balle trouée reste cabossée car l'air va s'échapper par le trou. Les catégories d'explications sont les mêmes que celles qui sont énoncées pour la situation précédente.

Voici, les réponses données par les élèves sur le fait que les balles retrouvent ou non leurs formes initiales (figure 5.21)

Le graphique (figure 5.21) montre qu'un nombre important (environ 20 %) d'élèves ne réponde pas à cette question, ce qui peut s'expliquer par le fait que cette situation est peu familière, voire inconnue pour eux. En revanche, plus de 50 % des élèves prévoient correctement la modification de la forme des balles de ping-pong.

Parmi les réponses soutenant que la balle trouée retrouve sa forme normale (de l'ordre de 20 %) et que la balle sans trou restera cabossée, on trouve un petit nombre d'explications utilisant le fait que quelque chose va rentrer dans la balle pour agir et lui redonner sa forme normale. Ce quelque chose peut être du gaz, de l'air ou de l'eau chaude. Ce type d'explications utilise le raisonnement causal ‘«’ ‘plus-plus’» (diSessa 1987) entre la quantité et l'action du gaz, c'est-à-dire que plus la quantité de gaz augmente (cause), plus son action sur les parois sera importante (effet).

Le graphique (figure 5.22) présente le type d'explications fournies par les élèves justifiant que la balle de ping-pong sans trou retrouve sa forme normale (soit environ 55 % des élèves avant enseignement).

La figure 5.22 montre que cette situation, contrairement à celle du ballon de baudruche posé sur une bouteille en fer, mobilise très peu les explications utilisant ‘«’ ‘l'air chaud monte’» ou celles employant ‘«’ ‘l'apparition de gaz’». On trouve, plutôt des explications utilisant ‘«’ ‘la dilatation de l'air’», le fait que ‘«’ ‘la chaleur agit’» ou ‘«’ ‘qu'ils ont déjà fait l'expérience’». Après l'enseignement, on constate une augmentation concernant essentiellement les explications du type ‘«’ ‘l'air se dilate’». On trouve aussi une légère augmentation des explications utilisant ‘«’ ‘la pression’» et ‘«’ ‘l'agitation des molécules’». Cependant, cette augmentation est trop faible pour être significative.

En conclusion, il apparaît qu'avant l'enseignement la majorité des explications des élèves sont de type ‘«’ ‘l'air chaud monte’» ou ‘«’ ‘apparition de gaz’» pour la situation du ballon de baudruche posé sur une bouteille en fer. Pour la situation des balles de ping-pong, on trouve essentiellement des explications du type ‘«’ ‘l'air se dilate’», ‘«’ ‘la chaleur agit’» ou ‘«’ ‘les élèves ont déjà fait l'expérience’». Après l'enseignement, on constate principalement une augmentation des explications du type ‘«’ ‘l'air se dilate’», on trouve une augmentation des explications utilisant ‘«’ ‘la pression’» et ‘«’ ‘l'agitation des molécules’», cependant elle est trop faible pour pouvoir être considérée comme significative.