Fabrication de cristaux de sucre

Pour les enseignants : Alignement sur les structures des programmes scolaires

Remarque : Tous les plans de leçons de cette série sont alignés sur les normes nationales pour l’enseignement des sciences (National Science Education Standards), établies par le Conseil national de recherche des Etats-Unis (National Research Council) et approuvées par l’Association nationale des enseignants des sciences des Etats-Unis (National Science Teachers Association), et le cas échéant, sur les normes internationales d’enseignement de la technologie pour l’alphabétisation technologique (International Technology Education Association’s Standards for Technological Literacy) ou sur les principes et normes en matière de mathématiques scolaires établis par le Conseil national américain des enseignants en mathématiques (National Council of Teachers of Mathematics’ Principals and Standards for School Mathematics).
Normes nationales pour l’enseignement des sciences de la maternelle au primaire (4 à 9 ans) NORME DE CONTENU A : Enquête scientifique

Au terme de leurs activités, tous les élèves devraient acquérir :

Les aptitudes nécessaires pour réaliser des enquêtes scientifiques
Une compréhension de l’enquête scientifique
NORME DE CONTENU B : Sciences physiques
Au terme de leurs activités, tous les élèves devraient acquérir une compréhension :
Des propriétés des objets et des matériaux
NORME DE CONTENU E : Science et technologie
Au terme de leurs activités, tous les élèves devraient acquérir :
Des aptitudes de conception technologique
NORME DE CONTENU G : Histoire et nature de la science
Au terme de leurs activités, tous les élèves devraient acquérir une compréhension de :
La science en tant qu’aventure humaine
Normes nationales pour l’enseignement des sciences de la CM2 à la quatrième (10 à 14 ans)
NORME DE CONTENU A : Enquête scientifique
Au terme de leurs activités, tous les élèves devraient acquérir :
Les aptitudes nécessaires pour réaliser des enquêtes scientifiques
Une compréhension de l’enquête scientifique
NORME DE CONTENU B : Sciences physiques
Au terme de leurs activités, tous les élèves devraient acquérir une compréhension :
Des propriétés et des changements de propriétés de la matière
NORME DE CONTENU E : Science et technologie
Au terme des activités effectuées de la CM2 à la quatrième, tous les élèves devraient acquérir :
Des aptitudes de conception technologique
Une compréhension de la science et de la technologie

Pour les enseignants : Alignement sur les structures des programmes scolaires (suite)

Principes et normes en matière de mathématiques scolaires (6 à 18 ans)
Mesure
Comprendre les attributs mesurables des objets, ainsi que les unités, systèmes et procédés de mesure.
Mettre en œuvre les techniques, outils et formules appropriés pour déterminer des mesures.
Connexions
reconnaître et appliquer les mathématiques dans des contextes extérieurs aux mathématiques.
Normes pour l’alphabétisation technologique – Tous âges
La nature de la technologie
Norme 1 : Les élèves acquerront une compréhension des caractéristiques et de la portée de la technologie.
Technologie et société
Norme 6 : Les élèves acquerront une compréhension du rôle de la société dans le développement et l’utilisation de la technologie.

Fabrication de cristaux de sucre

Pour les enseignants : Ressource aux enseignants

But de la leçon
Cette leçon s’intéresse à la notion d’aire de surface et à la façon dont les cristaux créés à partir de différents sucres changent de forme en fonction de la grosseur des grains de sucre. Les élèves explorent les notions d’aire de surface et de nanostructure, puis travaillent en équipes pour réaliser des expériences pratiques, notamment le développement de cristaux à partir de différents échantillons de sucre.
Objectifs de la leçon
Etudier les nanostructures.
Etudier les cristaux.
Etudier la notion d’aire de surface.
Apprendre le travail d’équipe et la résolution des problèmes en groupes.
Matériaux
Fiche de ressource aux élèves
Feuilles de travail des élèves
Microscope ou vidéomicroscope à utiliser en classe
Expérience de dissolution : Un jeu de matériaux par équipe :
o Deux verres ordinaires ou gradués, propres et résistants à la chaleur, d’une capacité d’au moins 950 ml (qui peuvent aussi être utilisés pour l’expérience de cristallisation), eau tiède, 1 cuillerée à café de sucre cristallisé, 1 cuillerée à café de sucre glace
Expérience de cristallisation : Un jeu de matériaux par équipe :
o Deux verres ordinaires ou gradués, propres et résistants à la chaleur, d’une capacité d’au moins 950 ml, 2 morceaux de ficelle de coton fin 1,5 fois plus longs que la hauteur des verres, 2 crayons ou bâtonnets, poids à accrocher à la ficelle (rondelle, vis), 600 g de sucre cristallisé, 300 g de sucre glace, 500 ml d’eau très chaude (manipulée par un adulte)
Marche à suivre
1. Montrez aux élèves les divers documents de référence à leur disposition. Ces documents peuvent être lus en classe ou donnés à lire à la maison la veille.
2. Expérience de dissolution :
a. Les élèves versent 250 ml d’eau tiède dans chacun des deux verres.
b. Ils ajoutent une cuillerée à café de sucre glace dans un verre et une cuillerée à café de sucre cristallisé dans l’autre.
c. Ils observent lequel se dissout le plus vite et répondent aux questions concernant l’impact de l’aire de surface sur les résultats
Fabrication de cristaux de sucre
Elaboré par IEEE dans le cadre de TryEngineering
Marche à suivre (suite)
3. Expérience de cristallisation :
a. L’enseignant (ou un adulte) verse d’abord 250 ml d’eau très chaude dans chacun des deux verres.
b. Les élèves ajoutent 600 g de sucre cristallisé et 300 g de sucre glace dans des verres individuels et mélangent pour dissoudre le sucre : l’eau apparaît parfaitement claire une fois que le sucre est dissous. Un autre moyen de dissoudre le sucre consiste à faire bouillir l’eau ; les solutions doivent alors être préparées par un adulte.
c. Faites tremper la ficelle dans l’eau sucrée et attachez une extrémité au crayon de sorte que l’autre extrémité pende verticalement dans la solution sucrée. Un poids (rondelle, vis) peut être ajouté pour s’assurer que la ficelle reste droite. Vous pouvez également préparer les ficelles à l’avance, en les faisant tremper dans les solutions sucrées, puis en les laissant sécher. Dans ce cas, des cristaux commencent à se former sur la ficelle avant qu’elle ne soit placée dans les solutions sucrées, ce qui peut accélérer la cristallisation dans la mesure où les cristaux de départ laissent la place à la formation de nouveaux cristaux.
d. Pendant quatre à sept jours, observez quotidiennement l’évolution des solutions dans chaque verre.
e. Consignez vos observations.
f. Examinez au microscope les cristaux qui se sont formés et consignez vos observations dans le tableau fourni.
4. Evaluation – Les élèves remplissent leurs fiches d’évaluation/de réflexion
Temps nécessaire
Deux ou trois sessions de 45 minutes, sur une période 7 jours.
Conseils
• Il est préférable d’utiliser de l’eau bouillie plutôt que de l’eau chaude du robinet ; cette manipulation doit être faite par un adulte.
• Si vous ne disposez pas d’un microscope, un vidéomicroscope peut également être utilisé et raccordé à un moniteur ou un écran d’ordinateur. Exemples : microscopes numériques EyeClops ou Carson zPix.

Fabrication de cristaux de sucre pour les élèves

Qu’est-ce que la nanotechnologie ?

Imaginez que vous puissiez observer le passage d’un globule rouge dans votre veine. Ou des atomes de sodium et de chlore suffisamment proches pour échanger des électrons et former un cristal de sel. Ou encore les vibrations des molécules au fur et à mesure que la température monte dans une casserole d’eau. Grâce au développement et au perfectionnement des instruments d’optique ces dernières décennies, il est aujourd’hui possible d’observer les situations décrites précédemment. La capacité à observer, à mesurer et même à manipuler les matériaux à l’échelle moléculaire ou atomique est appelée « nanotechnologie » ou « nanoscience ». A l’échelle nanométrique, tout objet observé est visible à un milliardième de sa taille normale.

Les chercheurs et ingénieurs apposent le préfixe « nano », par exemple aux mètres (longueur), secondes (temps), litres (volume) et grammes (masse), afin de représenter des quantités extrêmement petites. Le préfixe « nano » est le plus souvent appliqué à l’échelle de longueur et l’on parle alors de nanomètres (nm). Chaque atome possède un diamètre inférieur à 1 nm, en sachant qu’il faudrait aligner environ 10 atomes d’hydrogène pour obtenir une ligne d’1 nm de long. Il existe d’autres atomes plus grands que les atomes d’hydrogène, mais dont le diamètre est encore plus petit qu’1 nanomètre. Un virus type mesure environ 100 nm de diamètre et une bactérie, environ 1 000 nm de long. Les nouveaux instruments d’optique qui nous ont permis d’observer l’univers autrefois invisible de la nanoéchelle sont le microscope à forces atomiques et le microscope électronique à balayage.

Microscope électronique à balayage
Le microscope électronique à balayage est un type de microscope électronique particulier qui produit des images de la surface d’un échantillon en balayant celle-ci ligne par ligne au moyen d’un puissant faisceau d’électrons. Le balayage ligne par ligne consiste à découper une image en une série de bandes (en général, horizontales) appelées « lignes de balayage ». Les électrons entrent en interaction avec les atomes de l’échantillon et produisent des signaux qui renvoient des informations sur la forme et la composition de la surface et même sur sa capacité à conduire l’électricité. L’image de droite est celle de pollen provenant de diverses plantes communes, grossi environ 500 fois. Elle a été prise à l’aide d’un microscope électronique à balayage au centre de microscopie électronique à balayage de Dartmouth College, aux Etats-Unis (www.dartmouth.edu/~emlab/gallery).