Prenez le temps sur vous Teach article

Traduit par Camille Ducoin. Karen Bultitude présente un ensemble de manipulations simples, amusantes et mémorables pour expliquer les phénomènes météorologiques avec des outils de tous les jours.

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autorisation de Bryngelzon / iStockphoto

Il est de plus en plus important de comprendre notre impact sur l’environnement. La plupart des programmes scolaires en adressent les aspects scientifiques et sociétaux. Avec tout ce que l’on entend sur le changement climatique, il est utile de connaître les phénomènes atmosphériques qui composent le climat.

Les expériences suivantes aideront à en clarifier certains aspects, donnant vie aux concepts de façon attractive et marquante. Elles ont été développées dans le cadre de la campagne ZeroCarbonCityw1 du British Council, pour aider les enseignants et scientifiques du monde entier à expliquer les bases des sciences de l’environnement. Ces expériences peuvent être utilisées de différentes façons: individuellement, pour illustrer un concept pendant un cours; en série, pour un atelier ou une classe de travaux pratiques; ou encore comme projet à réaliser par les élèves. D’autres exemples d’activités liées aux sciences de l’environnement sont disponibles en lignew2.

Un nuage en bouteille

Créez votre propre nuage miniature.

Matériel

  • Une bouteille de 500 ml en plastique transparent, avec bouchon
  • Eau
  • Cuillère à café
  • Allumette

Instructions

  1. Versez à peu près une cuillère à café d’eau dans la bouteille, et agitez en mouvement circulaire.
  2. Craquez l’allumette et vérifiez qu’elle brûle bien, puis laissez-la tomber dans la bouteille.
  3. Mettez vite le bouchon en fermant bien, puis pressez la bouteille dans votre main cinq ou six fois; après quoi vous devriez voir un nuage se former dans la bouteille, et disparaître lorsque vous serrez.
  4. Faites circuler la bouteille dans la classe, en disant aux élèves de serrer et relâcher la bouteille eux-mêmes pour voir le nuage.

Vous pouvez voir en lignew3 une vidéo de cette activité.

Comment ça marche?

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autorisation de Bryngelzon / iStockphoto

Les nuages se forment quand la vapeur d’eau présente dans l’air refroidit, avec l’expansion de la masse d’air montante; elle se condense alors en gouttelettes autour de noyaux de condensations comme des particules de poussière, glace ou sel. Ici, les noyaux de condensation sont fournis par la fumée de l’allumette, qui contient des particules d’hydrocarbures n’ayant pas brûlé. Vous modifiez la température en pressant la bouteille: la quantité d’air contenue est constante, mais le volume diminue, ce qui fait monter légèrement la température. Lorsque vous relâchez la bouteille, le volume augmente, provoquant un léger abaissement de la température. Si l’air contenu dans la bouteille a une humidité élevée (ce qui est assuré par la cuillère d’eau versée au début), cette légère baisse de température est suffisante pour provoquer la condensation de l’eau sur les particules de poussière, formant un nuage.

Liens avec les phénomènes atmosphériques

La prochaine fois que vous verrez un magnifique coucher de soleil sur une zone urbaine, prenez un moment pour penser à ce qui provoque ces belles couleurs: cela vient des petites particules de poussière et autres polluants qui ont été rejetés dans l’atmosphère. Tout comme dans la petite bouteille en plastique, ces particules encouragent la condensation de gouttelettes. Les couleurs viennent de la diffusion des rayons du soleil parmi les nuages ainsi formés. L’impact néfaste de la pollution sur le climat soulève des inquiétudes: la pollution de l’air augmente la formation des nuages, entraînant davantage de pluies dans certaines régions ainsi qu’une augmentation significative des contrastes climatiques (inondations dans certaines zones, sécheresses dans d’autres).

Globe tourbillonnant

Voici une belle et fascinante représentation des effets de la turbulence sur le temps.

Matériel

  • Une petite bouteille en plastique transparent (aussi ronde que possible), avec un bouchon bien étanche
  • Savon liquide contenant du glycol stéarate
  • Colorant alimentaire
  • Eau du robinet

Instructions

  1. Remplissez environ un quart de la bouteille avec le savon liquide, puis ajoutez quelques gouttes de colorant alimentaire.
  2. L’expérience ne fonctionnera pas si le mélange mousse: ouvvrez le robinet de façon à faire couler à peine un filet d’eau, puis remplissez la bouteille avec précaution jusqu’au bord.
  3. Ajustez le bouchon, et agitez la bouteille en mouvement circulaire (avec le bouchon vers le haut). S’il apparaît de la mousse, ouvrez et ajoutez de l’eau de façon à faire sortir la mousse par-dessus bord. Remettez le bouchon en serrant bien.
  4. Remuez la bouteille: vous verrez apparaître des figures de turbulence dans le liquide (raies et tourbillons).

Comment ça marche?

En agitant la bouteille circulairement, vous mettez en mouvement le mélange d’eau et de savon. Le glycol stéarate rend les trajectoires des flux visibles: ainsi vous pouvez voir dans quelles directions se déplacent différentes parties du mélange. Les lignes régulières qui se forment dans le liquide indiquent un flux laminaire, ce qui a lieu si le mouvement est lent. Si vous agitez le liquide plus vite, ou que vous changez brusquement de direction, les lignes observées deviennent plus complexes: c’est le flot turbulent.

Lien avec les phénomènes atmosphériques

L’atmosphère terrestre est une sorte de fluide qui se déplace à peu près comme le liquide du globe tourbillonnant. Les vents interagissent avec l’atmosphère en rotation, créant des schémas de circulation complexes. Comprendre la circulation globale de l’atmosphère est fondamental pour plusieurs domaines des recherches sur le changement climatique: par exemple, pour comprendre et réduire les effets des ouragans et de la pollution.

Sachet de thé fusée

Voici une bonne représentation visuelle des courants ascentants d’air chaud.

Matériel

  • Sachet de thé ordinaire
  • Allumettes
  • Soucoupe ou assiette

Instructions

  1. Démontez le sachet de thé, en retirant le cordon et en vidant le contenu (le thé). Ouvrez le sachet de façon à en faire un long cylindre de papier.
  2. Faites tenir le sachet ouvert à la verticale sur la soucoupe ou sur l’assiette.
  3. Allumez le haut du sachet avec l’allumette.
  4. Observez pendant que la flamme consume le sachet: juste avant qu’elle n’ atteigne la soucoupe, le sachet décolle. La flamme s’éteind, mais le sachet continue de s’élever.

Les clés du succès

  • Cette expérience marche mieux dans une pièce sans courant d’air, à l’écart des fenêtres et de la climatisation.
  • Assurez-vous d’utiliser le bon type de sachet: il doit se déplier de façon à former un cylindre allongé. En général, les sachets de thé sans cordon ne fonctionnent pas.​

Comment ça marche?

En brûlant, le sachet réchauffe l’air qui se trouve juste au-dessus. L’air chaud monte, c’est donc ce que fait l’air au-dessus du sachet: il s’installe un courant d’air chaud ascendant. Quand le sachet de thé a brûlé suffisamment, le courant d’air ascendant parvient à vaincre la force de gravité qui maintenait le sachet posé sur la soucoupe, et c’est le décollage.

Lien avec les phénomènes atmosphériques

Les courants ascendants sont à la base de plusieurs phénomènes météorologiques. Le soleil réchauffe la terre, provoquant l’ascension de l’air chaud. Les orages sont des systèmes de courants ascendants géants, et la formation des vortex associés aux tornades et ouragans est aussi basée sur les courants ascendants. Avec le réchauffement global, on s’attend à une augmentation des orages.

Une tornade apprivoisée

Voici une bonne façon de visualiser la formation des tornades.

Matériel

  • Deux grandes bouteilles vides (~2 l) pour boisson sucrée (elles doivent avoir des cols arrondis)
  • Un adaptateur nommé ‘tornado tube’ (en vente dans beaucoup de centres et musées scientifiques, ou en lignew4). Si vous ne trouvez pas d’adaptateur, essayez de placer une rondelle en métal ou en caoutchouc rigide entre les deux bouteilles en faisant tenir le tout avec du scotch. L’idée est de relier les deux bouteilles de façon à ce que l’eau puisse couler de l’une à l’autre tandis qu’elles restent rigides (voir images à gauche et ci-dessous).
  • Eau

Instructions

  1. Remplissez d’eau l’une des bouteilles, jusqu’à la moitié environ.
  2. Introduisez l’adaptateur ‘tornado tube’ dans la bouteille vide.
  3. Retournez la bouteille vide et introduisez l’autre extrémité du ‘tornado tube’ dans la bouteille remplie d’eau.
  4. Retournez le tout.
  5. Saisissez le haut et le milieu de l’installation et agitez-la d’un mouvement circulaire, dans le sens des aiguilles d’une montre ou l’inverse.
  6. Une fois le vortex (tourbillon) formé dans la bouteille du haut, cessez de tourner: vous devrier voir le vortex s’étendre à travers le liquide, et se maintenir tant qu’il y a de l’eau dans la bouteille supérieure.

Vous pouvez voir en lignew5 une vidéo de cette activité.

Les clés du succès

  • Si le vortex ne se forme pas tout de suite, essayez de réduire l’amplitude et d’augmenter la vitesse de vos cercles. Vérifiez que les bouteilles restent verticales et que vos cercles sont centrés sur l’axe du dispositif (une erreur courante consiste à tordre le système autour du point de jonction entre les bouteilles).
  • Remplacez les bouteilles si elles se déforment trop: elles doivent être arrondies pour produire un bon vortex.
  • Les problèmes de fuites sont courants. Essayez de mettre du film extensible ou du film adhésif en téflon (PTFE, polytétrafluoroéthylène) autour des bouteilles pour mieux fixer l’adaptateur.

Comment ça marche?

Cette expérience produit un vortex similaire à ceux qui sont observés dans les cyclones, tornades et tourbillons. Tandis que l’eau tourne dans la bouteille, il se forme un courant vers le bas dû à l’eau qui s’écoule dans la bouteille inférieure à travers l’ouverture. La petite rotation initiale produite en faisant tourner les bouteilles accélère à mesure que l’eau descend à travers l’ouverture. Avec l’accélération de la rotation, il se forme un vortex.

Construction d’une tornade approvisée avec une rondelle au lieu d’un adaptateur spécial
Image reproduite avec l’aimable autorisation de Nicola Graf

iens avec les phénomènes atmosphériques

L’un des effets prévisibles du changement climatique est le réchauffement global: des températures plus élevées signifient que des orages se forment plus facilement, et les tornades se forment dans les orages, là où l’air commence à se mouvoir en cercle. Les courants ascendants et descendants à l’intérieur de l’orage forcent la colonne d’air en rotation à s’étirer verticalement, ce qui crée la tornade. Un nombre croissant d’orages causera donc probablement une formation accrue d’ouragans et tornades à travers le monde.

 

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Web References

Resources

Author(s)

Dr Karen Bultitude enseigne à l’Université de l’Ouest de l’Angleterre, à Bristol. Elle a présenté les expériences décrites dans cette article dans plusieurs pays (Russie, Bulgarie, Latvie, Costa Rica, Grèce), où elle a également transmis leur usage à des enseignants et scientifiques. Elle est membre du consortium distribuant les répertoires STEMw6 (Sciences, Technologie, Ingénierie et Mathématiques), une initiative du gouvernement du Royaume-Uni pour fournir aux enseignants une vue d’ensemble complète et des repères fiables afin de développer et enrichir ces activités au niveau national.


Review

Cet article décrit des expériences de physique amusantes en lien avec les sciences de l’environnement et plus particulièrement les phénomènes météorologiques, faciles à réaliser en classe car peu encombrantes.

Les présentations proposées sont simples, peu coûteuses et attrayantes, sans demander de matériel spécifique; elles peuvent être présentées à des élèves de tous âges, et s’adaptent à différents niveaux.

Je recommande cet article aux enseignants de sciences de l’école primaire jusqu’au lycée. Les expériences peuvent servir d’entrée en matière pour aborder différents sujets du programme de physique ou des sciences de la terre: les états de la matière, les transitions de phases, les gaz, la dynamique des fluides; l’atmosphère terrestre (température, pression, humidité, nuages, circulation des fluides, cyclones et tornades); la pollution de l’air et le changement climatique.

Questions de compréhension:

  1. Parmi les objet suivants, lequel n’est pas un exemple de noyau de condensation:

a) une particule de poussière b) une molécule de gaz c) un cristal de glace d) une particule de sel

  1. Les courants ascendants sont:

a) des courants d’air chaud descendant b) des courants d’air froid montant c) des courants d’air froid descendant d) des courants d’air chaud montant

Cet article est aussi utile pour les activités interdisciplinaires impliquant science et langage.

Activité Sujets correspondants dans le programme de science Niveau scolaire
Un nuage en bouteille Le cycle de l’eau Primaire/secondaire
États de la matière et transitions de phases (transferts de chaleur, thermodynamique, liaisons chimiques) Primaire/secondaire
Physique de l’eau (capacité calorifique, chaleur de fusion, chaleur de vaporisation) Secondaire
Physique de l’atmosphère: humidité (absolue et relative), température (gradient de chaleur adiabatique), pression, point de condensation, nuages (formation et classification) Secondaire
Globe tourbillonnant et tornade apprivoisée Rotation de la Terre et force de Coriolis (courants océaniques) Secondaire (sciences de la terre)
Ocean currents, atmospheric currents and energy exchanges on Earth
Circulation générale de l’atmosphère, vents, cyclones et anticyclones
Cyclones: ouragans, tornades, cyclones tropicaux
  Énergie, chaleur et température Secondaire
Transfert de chaleur et thermodynamique
Physique des gaz
Densité
Physique de l’atmosphère
Dynamique des fluides

 


Giulia Realdon, Italie




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