L'Énigme du Thé Glacé : Propriétés et Changements d'État
La clarté des raisonnements et la qualité de la rédaction interviendront pour une part importante dans l'appréciation des copies. L'usage de la calculatrice est autorisé. Les résultats finaux doivent être soulignés ou encadrés. Les phrases de conclusion sont obligatoires.
EXERCICE 1 : Connaissances Théoriques (6 pts)
Répondez aux questions suivantes de manière concise. Vos définitions doivent être précises et utiliser le vocabulaire scientifique vu en classe.
Rappeler la définition scientifique de ce qu'est la forme propre d'un objet. Lequel des états de la matière (solide, liquide ou gaz) possède une forme propre ?
Comment nomme-t-on scientifiquement le passage de l'état liquide à l'état gazeux ? Donnez un exemple de la vie quotidienne où ce phénomène se produit.
« Un gaz possède un volume propre, c'est-à-dire qu'il prend toujours la même place. »
Vrai ou Faux ? Justifiez votre réponse en une phrase décrivant le comportement d'un gaz dans une seringue.
Expliquer avec vos propres mots ce qu'est la surface libre d'un liquide au repos. Quelle est sa principale caractéristique ?
EXERCICE 2 : Le Mystère du Thé Glacé (14 pts)
En plein cœur du mois de juillet, la chaleur est accablante. Léo, passionné de sciences, décide de se préparer une boisson rafraîchissante. Il place un unique, mais très gros glaçon, à l'intérieur d'un grand bécher vide posé sur une balance électronique ultra-précise.
Pour éviter que la poussière ou les insectes ne tombent dans son récipient, il scelle hermétiquement le bécher avec un film plastique étirable. Léo relève alors la masse totale affichée par la balance à l'instant initial (T=0).
Il part ensuite jouer dans le jardin. À son retour, deux heures plus tard, le glaçon a totalement disparu, laissant place à de l'eau liquide au fond du bécher. Léo observe de nouveau l'indication de sa balance ainsi que le niveau de l'eau dans le récipient.
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L'eau est une substance tout à fait exceptionnelle dans l'univers. Contrairement à la quasi-totalité des autres matières connues, l'eau prend plus de place lorsqu'elle est à l'état solide qu'à l'état liquide.
En effet, lors de sa solidification, l'organisation de ses particules crée de vastes espaces vides, augmentant ainsi son volume de près de 10% ! Cependant, la quantité de matière (et donc la masse) reste strictement identique.
Les valeurs suivantes sont nécessaires pour répondre avec précision aux questions du problème de Léo.
- Masse du bécher vide en verre : \( m_{\text{bécher}} = 120,0 \text{ g} \)
- Masse du film plastique : \( m_{\text{film}} = 5,0 \text{ g} \)
C. Travail à réaliser :
Question 1 : Observation de l'expérience
APPÀ l'aide du Document 1, identifier sous quel état physique se trouve l'eau dans l'état initial, puis dans l'état final. Relever ensuite la masse totale indiquée par la balance au début de l'expérience.
Question 2 : Détermination de la masse
REAEn utilisant les données de l'énoncé (Partie B) et l'observation du Document 1, calculer la masse du glaçon seul placé par Léo dans le bécher.
Votre démarche et votre calcul doivent être détaillés sur la copie.
Question 3 : Analyse des variations
ANA / VALEn observant attentivement l'état final sur le Document 1, que pouvez-vous affirmer concernant :
- L'évolution de la masse lors de la fonte du glaçon ?
- L'évolution du volume occupé par l'eau lors de cette même fonte ?
Justifiez chacune de vos affirmations par une observation tirée du schéma.
Question 4 : Situation de la vie quotidienne
COMLe lendemain, Léo décide de placer une bouteille en verre remplie d'eau à ras bord et fermée par un bouchon dans son congélateur. En s'appuyant sur les découvertes du Document 2, expliquer ce qui risque d'arriver à la bouteille en verre et pourquoi.
Propriétés et Changements d'État
CORRECTION EXERCICE 1 (Théorie - 6 pts)
Réponse attendue : Un objet possède une forme propre s'il conserve sa forme quel que soit le récipient dans lequel on le place. Il ne s'écoule pas. C'est l'état solide qui possède une forme propre.
- [0,75 pt] pour la définition correcte de la forme propre (ne s'adapte pas au récipient).
- [0,75 pt] pour l'identification claire de l'état "Solide".
Réponse attendue : Le passage de l'état liquide à l'état gazeux s'appelle la vaporisation (ou ébullition/évaporation selon le contexte accepté en 6ème).
Exemple du quotidien : L'eau qui bout dans une casserole pour cuire des pâtes ou l'eau d'une flaque qui sèche au soleil.
- [1,00 pt] si le terme "Vaporisation" (ou ébullition) est correctement cité.
- [0,50 pt] pour un exemple cohérent et issu du quotidien.
Réponse attendue : C'est FAUX. Un gaz n'a pas de volume propre. Il est expansible et compressible. Dans une seringue bouchée, si on pousse le piston, le gaz se comprime et occupe un volume plus petit ; si on tire, il prend un volume plus grand.
- [0,50 pt] pour avoir identifié que l'affirmation est fausse.
- [1,00 pt] pour l'explication correcte via la notion de compressibilité ou de remplissage total du récipient (exemple seringue).
Réponse attendue : La surface libre d'un liquide est la surface du liquide qui est en contact avec l'air (ou le gaz au-dessus). Sa principale caractéristique est qu'elle est toujours plane et horizontale lorsque le liquide est au repos.
- [0,75 pt] pour la définition (surface de séparation liquide/air).
- [0,75 pt] pour la propriété : "plane et horizontale au repos".
CORRECTION EXERCICE 2 (Problème - 14 pts)
L'élève doit démontrer sa capacité à s'approprier les informations d'un schéma scientifique. Il doit repérer la nature du contenu (glaçon vs eau) et lire correctement la valeur numérique affichée sur la balance virtuelle.
🧠 Raisonnement Type Attendu :En observant le Document 1, l'élève déduit immédiatement que l'état initial représente l'eau sous sa forme solide (le glaçon). L'état final, après l'attente de deux heures, représente l'eau sous sa forme liquide.
En lisant l'écran vert de la balance sur le premier schéma, l'élève relève rigoureusement la masse avec son unité.
- État initial = Solide.
- État final = Liquide.
- Masse lue à l'instant initial : \(m_{\text{initiale}} = 185,0 \text{ g}\).
Critères d'attribution des points
- L'élève identifie correctement l'état Solide (initial) et Liquide (final). [2,0 pts]
- La valeur de la masse est lue sans erreur et l'unité (g) est bien précisée. [1,0 pt]
L'élève doit isoler mathématiquement la grandeur cherchée (la masse du glaçon) en soustrayant de la masse totale mesurée par la balance (le système complet) les masses parasites : celle du bécher et celle du film plastique.
🧠 Raisonnement Type Attendu :Dans un premier temps, l'élève pose le principe selon lequel la masse totale lue sur la balance est la somme des masses de tous les objets posés dessus. Il en déduit que pour obtenir la masse du glaçon seul, il faut procéder à une soustraction.
Par conséquent, il retire de \(185,0 \text{ g}\) la masse du verre (\(120,0 \text{ g}\)) et celle du film (\(5,0 \text{ g}\)).
1. Expression littérale et Calcul de la masse du glaçon :
L'élève pose son équation en utilisant les symboles corrects, remplace par les valeurs, et conclut.
Phrase de conclusion attendue : "La masse du glaçon introduit par Léo au début de l'expérience est de 60 grammes."
Critères d'attribution des points
- La démarche est posée clairement (Soustraction totale moins récipients). [1,5 pts]
- Le calcul est numériquement exact (\(60,0\)). [1,5 pts]
- Le résultat est mis en valeur avec une unité valide et une phrase réponse. [1,0 pt]
Il s'agit du cœur de l'apprentissage du cycle 3. L'élève doit observer de manière critique deux grandeurs distinctes (masse et volume) et valider le principe fondamental selon lequel, lors d'un changement d'état, la matière ne disparaît pas, bien que sa forme ou son volume changent.
🧠 Raisonnement Type Attendu :Pour la masse, l'élève regarde attentivement les cadrans des deux balances. Il constate que la balance affiche \(185,0 \text{ g}\) au début, et toujours \(185,0 \text{ g}\) à la fin. Il en déduit l'égalité formelle des masses.
2. Vérification mathématique de la conservation :
L'élève conclut : "Lors d'un changement d'état (ici la fusion), la masse se conserve."
Pour le volume, l'élève compare le niveau atteint par le glaçon solide (marquage rouge en pointillés supérieurs) avec le niveau atteint par l'eau liquide (surface libre en bleu). Il observe que la ligne rouge finale est plus basse que la ligne rouge initiale. Par conséquent, il conclut que le volume occupé a diminué lors de la fusion du glaçon.
Critères d'attribution des points
- L'élève affirme que la masse reste constante. [1,0 pt]
- La justification de la masse est correcte (lecture des \(185,0 \text{ g}\) sur les deux balances). [1,0 pt]
- L'élève affirme que le volume a diminué. [1,0 pt]
- La justification du volume est basée sur le schéma (baisse du niveau par rapport aux pointillés). [1,0 pt]
Cette question ouverte vise à évaluer la capacité de l'élève à transférer une connaissance lue dans un document (augmentation du volume de l'eau lors du gel) à une situation réelle et dangereuse du quotidien (l'explosion d'une bouteille).
🧠 Raisonnement Type Attendu :D'après la lecture experte du Document 2, l'élève sait que l'eau augmente son volume d'environ 10% lorsqu'elle passe à l'état solide (solidification dans le congélateur).
En second lieu, l'élève doit raisonner sur le contenant : la bouteille en verre est un solide qui a une forme propre et qui ne se déforme pas (le verre est rigide). De plus, l'énoncé précise qu'elle est "remplie à ras bord et fermée".
Conclusion parfaite : Puisque la bouteille est pleine, l'eau liquide qui va geler va chercher à prendre plus de place. Le récipient en verre étant fermé et rigide, il ne pourra pas se déformer pour laisser la place à la glace. La pression va augmenter de manière extrême et la bouteille en verre va exploser / se briser.
Critères d'attribution des points
- L'élève mentionne l'augmentation du volume de l'eau lors du gel (tiré du Doc 2). [1,0 pt]
- Le lien avec l'impossibilité de déformer le verre plein est établi. [1,0 pt]
- La conclusion finale (la bouteille casse) est claire et bien rédigée. [1,0 pt]
SCHÉMA BILAN DES CHANGEMENTS D'ÉTAT
Ce schéma résume les attentes académiques pour un élève en fin de séquence sur les états de la matière. Il peut être distribué comme correction visuelle finale.
📊 Bilan et Grille de Compétences
Cette grille permet d'évaluer l'acquisition globale des compétences scientifiques du Socle Commun à l'issue de cet examen.
| Domaine | Description de la compétence dans le contexte du sujet | NA | ECA | A | A+ |
|---|---|---|---|---|---|
| S'APPROPRIER (APP) | Restituer les définitions de cours exactes (Ex 1) et extraire de manière juste des informations issues d'un schéma complexe (Ex 2. Q1). | ||||
| ANALYSER (ANA) | Être capable de dissocier les notions de masse et de volume lors de l'étude d'un phénomène de changement d'état (Ex 2. Q3). | ||||
| RÉALISER (REA) | Appliquer une soustraction mathématique logique pour isoler la masse d'un système partiel, sans erreur et avec unités (Ex 2. Q2). | ||||
| VALIDER (VAL) | Valider formellement la loi de conservation de la masse au cours d'une fusion et démentir une affirmation fausse sur les gaz. | ||||
| COMMUNIQUER (COM) | Rédiger des phrases de conclusion structurées et argumentées, capables de lier théorie (propriétés des solides) et vie réelle (bouteille qui casse). |
Légende : NA (Non Atteint), ECA (En Cours d'Acquisition), A (Atteint), A+ (Expert / Dépassé).
