L’air, ses propriétés – CYCLE 2
(D’après le module « L’air, quelle drôle de matière ? » – La main à la Pâte)
Extrait des programmes relatif à ce thème
Les étapes de la démarche
Les étapes de la démarche d’investigation en Sciences
Fiche élève (à imprimer ou recopier)
Matériel nécessaire (par groupe) :
- 1 bac si possible transparent (saladier, petit aquarium, bac plastique de rangement, etc.),
- de l’eau,
- 1 bouteille plastique d’eau minérale vide avec son bouchon,
- de quoi couper ces bouteilles en deux,
- 1 objet flottant (balle de ping-pong, bouchon en liège, cochonnet de pétanque, etc.)
Vous pourrez, si vous le souhaitez, imprimer certains des documents qui vous sont proposés mais ce n’est pas indispensable.
1re étape : un temps pour découvrir et se questionner… 
de 10 à 15 minutes
La situation déclenchante, qui doit être motivante et susciter la curiosité…
La situation « déclenchante » va, pour ce thème, consister à présenter aux élèves un dispositif constitué d’une demi-bouteille plastique dont on a gardé la partie supérieure munie de son bouchon, d’un bac d’eau et d’un objet flottant (ex. balle de ping-pong).
Poser l’objet flottant sur l’eau et approcher la demi-bouteille jusqu’à la surface en faisant très attention ne de pas l’enfoncer dans l’eau devant l’enfant. Comme sur cette illustration ↓ :
Cette étape est celle qui consiste à faire émerger un questionnement scientifique.
Soumettre alors aux élèves la question suivante :
« Que va-t-il se passer, selon vous, si je pousse la bouteille vers le fond, si je l’enfonce verticalement (de haut en bas) dans l’eau ? »
🖉 Sur la fiche élève, ils notent le titre « L’air » et décrivent dans le cadre qui suit la situation de départ « Je dois imaginer ce qui va se produire au cours d’une expérience. », par exemple.
La présentation du problème à résoudre
Demander aux élèves ensuite de proposer une formulation de la question que vous leur avez posée. Au besoin, aidez-les.
Cette question pourra être du type :
« Que va-t-il se passer quand je vais plonger la demi-bouteille vers le fond du bac d’eau ? »
🖉 Cette question, à laquelle ils doivent proposer une (ou des) réponse(s), est copiée par les élèves sur la fiche élève dans la rubrique « le problème posé ».
2e étape : un temps pour exprimer ses idées 
de 15 à 20 minutes
Les réponses des élèves
Donnez-leur ensuite la consigne suivante :
« 🖉 Représentez, sur votre fiche, dans la rubrique « mes hypothèses », à gauche, la situation de départ que je vous ai présentée, puis, dans la même rubrique, à droite, ce qui va selon vous se passer. »
Après réflexion, ils notent leurs hypothèses 🖉 sur leur feuille.
Lorsque ce travail est terminé, précisez-leur que l’étape suivante permettra de vérifier si leurs hypothèses sont justes ou non.
3e étape : un temps pour chercher… 
de 15 à 20 minutes
L’investigation scientifique
Le contexte a été posé, le problème énoncé par l’adulte (« Que va-t-il se passer au cours de cette expérience ? ») et les hypothèses émises par les élèves. Il est temps maintenant de vérifier ces hypothèses, de les valider ou non…
Les hypothèses émises par les enfants sont rappelées. L’adulte leur explique alors qu’elles doivent être validées, vérifiées, et que, pour cela, il vont maintenant pouvoir disposer du matériel qui va leur permettre de vérifier ce qu’ils ont imaginé.
Par groupes, ils effectuent alors l’expérience et observent le résultat produit.
L’adulte contrôle le travail effectué. Accompagne au besoin les élèves dans leurs manipulations.
(Classe de Mme Lorne, cycle 2, École publique Saint Siméon, Auxerre (89))
Mais qu’est-ce qui peut expliquer ce résultat ? Interrogez-les à ce sujet.
« Ce résultat correspond-il à ce que vous aviez imaginé ? Vous surprend-il ? Comment expliquez-vous ce phénomène ? »
Recueillir les propositions des élèves
1er cas : Ils ont donné l’explication juste. C’est l’air piégé dans la demi-bouteille qui se comprime et pousse l’eau et la balle vers le fond.
2nd cas : L’explication donnée n’est pas juste. Leur proposer alors d’incliner la demi-bouteille quand elle est enfoncée dans l’eau. Ils remarquent alors que des bulles s’en échappent et remontent à la surface. Ils identifient ces bulles comme étant des bulles d’air…
Dans les deux cas, amener les élèves à la conclusion attendue (1er cas présenté ci-dessus), que l’air, ce n’est pas « rien ». Si l’air exerce une poussée sur la surface du liquide, c’est que même s’il n’est pas visible, il est constitué de matière et donc, qu’il possède diverses propriétés.
L’expérience terminée, il faut en rédiger sur la fiche un court compte rendu.
« 🖉 Complétez maintenant les rubriques « mes recherches » et « les résultats obtenus ». Représentez ce qui s’est réellement déroulé lors de l’expérience, par un dessin. Vous pouvez compléter en expliquant avec un court texte ce que tu avez observé. »
4e étape (jour 4) : un temps pour conclure… 
de 20 à 30 minutes
La synthèse des nouvelles connaissances
L’étape de la vérification expérimentale terminée, il faut faire le bilan de ce que l’on a appris, confronter les résultats obtenus et les hypothèses, et élaborer un savoir mémorisable.
La conclusion (élaborée avec les enfants) est à noter sur la fiche élèves 🖉. Voici quelques éléments qui vous aideront à la rédiger :
- La balle descend au fond du bac tout en restant à la surface de l’eau.
- Elle semble « poussée » vers le fond par quelque chose d’invisible : c’est de l’air.
- L’air est invisible, incolore et inodore.
- Il est présent partout autour de nous.
- L’une de ses propriétés est qu’il se comprime (la même quantité d’air prend moins de place). C’est le cas dans cette expérience, lorsqu’il se retrouve piégé dans la demi-bouteille.
- L’air peut également exercer une force (ici, il pousse l’eau et la balle vers le fond du bac).
- L’air ce n’est pas « rien » puisque, comme les autres matières, il a des propriétés (il a une masse, occupe un volume, peut exercer une force, etc.). L’air, c’est de la matière.
A la fin de cette progression, il est indispensable de reprendre la fiche élève et passer en revue avec eux les différentes étapes qui ont jalonné leur réflexion.
Expérimentation suivante
env. 1h
Il s’agit ici de reproduire la progression de la première expérience en proposant aux élèves une nouvelle problématique qui permet d’évaluer leur compréhension du phénomène observé.
Pour cela, vous pouvez imprimer la fiche suivante ou leur demander de la recopier :
1. Leur demander de vous rappeler l’expérience menée précédemment et à quelles conclusions vous êtes parvenus.
2. Leur soumettre le nouveau problème à résoudre :
« Lors de l’expérience précédente, la demi-bouteille a entraîné l’eau et la balle au fond du bac. Voici une nouvelle question à laquelle vous allez devoir répondre : Si, lorsque la balle est au fond de l’eau, je dévisse le bouchon de la demi-bouteille, que se passe-t-il ? »
3. Les élèves complètent les différentes rubriques tout au long de la progression de cette nouvelle investigation.
4. Ils copient la question qu’ils auront reformulée avec votre aide. Elle pourra être du type : « Que se passe-t-il maintenant si je dévisse le bouchon de la demi-bouteille quand la balle est au fond de l’eau ? »
5. Ils représentent leur(s) hypothèse(s) en réponse à cette question dans la rubrique « Ce que je pense ».
6. Ils vérifient en expérimentant avec le matériel. Puis, représentent le résultat obtenu dans la rubrique suivante « Ce qui se passe ».
7. Enfin, et avec votre aide, ils formulent une nouvelle conclusion. Elle pourra être du type : « Lorsque j’ai dévissé le bouchon, l’eau et la balle sont remontées dans la demi-bouteille. L’air comprimé qui les repoussait au fond s’est échappé et ils ont pu reprendre leur place. »
Faites la démonstration que de l’air s’échappe de la demi-bouteille lorsqu’on l’enfonce dans l’eau en fixant sur le bouchon un ballon de baudruche ou en plongeant préalablement le goulot de la bouteille dans de l’eau savonneuse. L’un et l’autre se gonflent au fur et à mesure que l’on enfonce la bouteille dans l’eau.
(Classe de Mme Lorne, cycle 2, École publique Saint Siméon, Auxerre (89))
Si vous souhaitez aller plus loin…
D’autres expériences simples permettant de démontrer la matérialité de l’air :
Une vidéo présentant quelques pistes supplémentaires de travail sur l’air et des apports théoriques.
Un défi à proposer en réinvestissement (C3 mais adaptable aisément pour le cycle 2) :
(Extrait de : L’air, Cycle 3, Bruno Hennoque, Éditions SCEREN)
Démontrer expérimentalement une autre propriété de l’air : il se transvase
Démontrer expérimentalement une autre propriété de l’air : il a une masse
