Atomisme (2) – Chaleur

Température, chaleur et controverses historiques

thermscope galilée

Thermomètres à spirale (XVIIe siècle, copies)

thermometres

Echelles thermométriques de l’Accademia del Cimento (fondée à Florence en 1657 par Léopold de Médicis et le Grand-duc de Toscane Ferdinand II de Médicis).


Les querelles scientifiques sur les questions de l’atomisme, donc l’existence des atomes, ont durée 100 ans, tout au long du XIXe siècle. En chimie d’abord, avec la ferme opposition des « équivalentistes » pour lesquels on doit s’en tenir strictement à l’expérience : « si j’en étais le maître, j’effacerais le mot atome de la science, persuadé qu’il va plus loin que l’expérience ; et jamais en chimie nous ne devons aller plus loin que l’expérience » (DUMAS Jean-Baptiste).

En physique également le positivisme dominant fait que le modèle atomique à du mal à voir le jour. Au siècle précédent deux conceptions s’opposaient déjà sur la conception de la chaleur : le substancialisme (chaleur = calorique) et le mécanisme (chaleur = mouvement d’agitation). Maxwell et Boltzmann vont pourtant développer une modélisation mathématisée de la structure moléculaire des gaz, la théorie cinétique, qui finira par s’imposer et constituera les bases de la physique statistique.


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Consigne 1 individuellemen(5 min)

Situation : un morceau de fer et un morceau de bois sont placés côte à côte sur une table ; vous touchez de la main successivement le morceau de fer et le morceau de bois. Que constatez-vous ? Formulez par écrit vos observations.

fer-bois
Lecture du document :[température.pdf] température


Consigne 2 en groupe (45 min)

Interprétation de la situation initiale : comparer les écrits précédents et rédiger une explication avec schémas sur une affiche, en utilisant les termes température, énergie thermique et chaleur.

Affichage et présentation de plusieurs affiches.

Animation tableau et discussion. Mise au point de la distinction entre température, énergie thermique et chaleur.

 

Les deux objets ont la même température (égale à la température ambiante) pourtant le morceau de fer paraît plus « froid » que le morceau de bois. La sensation n’est pas due seulement à la différence de température entre la main et l’objet. Elle est liée au transfert d’énergie thermique (chaleur) qui résulte de cette différence de température. Ce transfert est plus important dans le cas du fer car il a une meilleure conductivité thermique que le bois.

 


Consigne 3 individuellement(30 min)

Controverses historiques : chacun reçoit un texte (ou un groupe de texte) avec pour mission d’en extraire l’idée principale et de la présenter très brièvement.

Textes :

[anti-atomisme.pdf] anti-atomisme

[atomisme.pdf] atomisme

[boltzmann 1.pdf] boltzmann 1

 [boltzmann 2.pdf] boltzmann 2

[boltzmann 3.pdf] boltzmann 3

[calorique 1.pdf] calorique 1

 [calorique 2.pdf] calorique 2

[energetisme.pdf] energetisme 

[mecanisme.pdf] mecanisme

[positivisme 1.pdf] positivisme 1

[positivisme 2.pdf] positivisme 2

[substancialisme.pdf] substancialisme

 Animation tableau pour la reprise des propositions et la synthèse des polémiques historiques autour des concepts d’atome (ou molécules) et de chaleur.

Les oppositions majeures :

Chaleur = fluide calorique (substancialisme) / mouvement moléculaires (mécanisme)

Atomisme (matière) / énergétisme (énergie)

Atomisme / positivisme (seule l’expérience importe) et phénoménisme.

 


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textes


Atomisme (1) – Zéro absolu

Lois des gaz et Zéro Absolu

800px-1783_balloonj

Description de la montgolfière de 1783 des frères Montgolfier : partie supérieures ornée de fleurs de lys avec en dessous les douze signes du zodiaque en couleur d’or sur un fond peint bleu azur, au milieu des chiffres de Louis XVI, les deux L entrelacés, quatre fois répétés et entremêlés de soleils éclatants et le bas garni de mascarons, de guirlandes et d’aigles à ailes déployée. Michel Faure, Les frères Montgolfier et la conquête de l’air, Edisud, 1983, p. 89      https://fr.wikipedia.org/wiki/Fr%C3%A8res_Montgolfier

 


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Consigne 1 individuellement (5 min)

 

Les gaz (l’air par exemple) sont compressibles : schématiser la structure d’un gaz au niveau microscopique.

 

Problème du continu ou discontinu : si « c’est plein » on peut difficilement envisager la compressibilité. Donc l’hypothèse de la structure « molécules séparées en mouvement » semble intéressante.


Consigne 2 en groupe (40 min)

 

Comparer les schémas précédents et s’accorder sur un modèle commun.

 

Produire une affiche à partir des problématiques suivantes :

problematiques

 

Présentation des affiches et discussion : mise au point d’un modèle cohérent.

 

On suppose que la pression est due aux chocs des molécules sur les parois du récipient : si le volume diminue la pression augmente (à température constante) car les molécules sont plus proches et les chocs sur les parois sont plus nombreux donc la pression augmente. A volume constant si la température augmente la pression augmente ; en effet les molécules ont des mouvements plus rapides donc les chocs sur les parois sont plus nombreux et plus violents.


Consigne 3 individuellement et comparaison en groupe(30 min)

 

Traduire mathématiquement les relations précédentes.

 

Animation tableau pour recueillir et discuter les propositions.

 


Consigne 4 individuellement (30 min)

 

Lecture de documents :

[mariotte.pdf] mariotte

[gay-lussac charles.pdf] gay-lussac charles

[loi des gaz.pdf] lois des gaz 

 

Comparaison avec les formulations proposées précédemment.

 Montrer que la loi des gaz parfaits est cohérente avec les divers énoncés de lois.

 

mariotte

 

Synthèse magistrale (on souligne en particulier le problème de la définition de la température dans la loi des gaz parfaits).

 Complément de lecture : [avogadro.pdf] avogadro

 

avogadro


Consigne 5 en groupe (1h30)

 

Travaux expérimentaux : vérification de la loi de Gay-Lussac et détermination du « zéro absolu ». Élaborer et mettre en œuvre le protocole à partir du matériel fourni ; traiter les résultats sous tableur et déterminer le « zéro absolu ».

 

protocole

 

Lecture du document : [zero-absolu.pdf] zero-absolu  et élaboration du rapport expérimental par écrit.


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La couleur d’une orange (2)

1 conf

Les documents proposés sont des supports pour une conférence présentée en Andorre le lundi 6 novembre 2017. Il s’agit d’un contenu vulgarisé, accessible au grand public et évidemment non exhaustif  sur l’interprétation de la couleur du point de vue des sciences physiques.

On montre que, contrairement au sens commun, la couleur n’est pas la propriété de l’orange mais résulte d’un processus. On en développe les éléments principaux, avec quelques détours historiques et des approches très succinctes des mécanismes quantiques.  

 


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 Un objet a t-il une couleur quand on ne le regarde pas ? À cette question du philosophe, le physicien répond que non seulement un objet n’a pas de couleur quand on ne le regarde pas, mais qu’il n’en a pas plus quand on le regarde. La couleur n’est pas une pellicule posée sur l’objet, c’est une sensation construite dans le cerveau de l’observateur. De surcroît, une couleur n’est jamais isolée : elle est toujours vue dans un environnement qui en altère la perception. Les peintres savent depuis longtemps que des couleurs juxtaposées seront perçues différemment, et ils jouent des « concordances » ou « dissonances » colorées.

   http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/doschim/decouv/couleurs

 


La lumière qui rentre dans l’œil va engendrer une cascade de phénomènes physico-chimiques, qui finissent par envoyer dans la conscience tout à fait autre chose que la lumière entrante. La  couleur ce n’est pas la longueur d’onde. La couleur est le résultat d’une élaboration complexe, et appartient par ses propriétés à un espace mental tout à fait différent de l’espace physique. 

Simon Diner Art et science de la couleur.

 


Diaporama principal de la conférence

couleur.pptm  (disponible à l’adresse indiquée plus haut)

Aperçu en .pdf : couleur  et texte de la conférence en .docx :  texte conférence

Notes : les premières diapositives  (blanche, rouge, verte, bleue, orange) servent à éclairer, dans l’obscurité, le panneau ci-dessous afin d’observer les variations de couleur. 

14 conf

Les diapositives 23 et 26 comportent des animations flash (couleurs_ecran.swf et couleurs et filtres.swf) qui sont utilisables directement dans le diaporama, à condition que les fichiers soient dans le même dossier et si les contrôles sont activés.

D’autres diaporamas sont disponibles dans le dossier diapos complémentaires.

Interview Alliance Franco-andorrane – Ràdio Nacional d’Andorra : 


Extraits du diaporama principal

2 conf

15 conf

3 conf

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5 conf

6 conf

7 conf

13 conf8 conf

9 conf

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11 conf

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Maria Skłodowska Curie

 

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Le rouge à lèvres au thorium et radium (1930)


Des rayons uraniques au Radium.

 

marie

Le 10 décembre 1903, Marie Skłodowska Curie reçoit avec son mari Pierre Curie et Henri Becquerel, le prix Nobel de physique « en reconnaissance de leurs services rendus, par leur recherche commune sur le phénomène des radiations découvert par le professeur Henri Becquerel ». Elle est la première femme à recevoir un prix Nobel.

Le 10 décembre 1911, elle reçoit son second Prix Nobel « en reconnaissance des services pour l’avancement de la chimie par la découverte de nouveaux éléments : le radium et le polonium, par l’étude de leur nature et de leurs composés ».

 c05541

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Maria Skłodowska   et  Pierre Curie.


Le travail proposé porte sur les travaux de Marie Curie : l’étude de la radioactivité de l’uranium et du thorium et la découverte du radium et du polonium. Il est utilisable en classe de Première S (support ou prolongement de cours ou encore accompagnement…). Il peut donner lieu à une activité de groupe et / ou individuelle.


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Le document principal [marie.pdf] marie comporte les consignes de travail et des liens (accessibles lorsque le document est téléchargé) vers les documents annexes ou animations .

Extraits

uranium thorium

elements

extraction

Documents annexes : cristal ; flamme ; rayonnements

Animations et vidéos : voir à l’adresse DOCS (dossier marie curie)

et un montage vidéo : [marie.mpg]


Autres documents disponibles : histoire atome ; solvay ; stucture atome

atome

660px-Solvay_conference_1927

5e Congrès Solvay, octobre 1927, sur le thème « Électrons et photons ». Une seule femme : Marie Curie.


Creme-Alpha-Radium-no-date

A propos de l’histoire des cosmétiques radioactifs, un article de Cécile Raynal et Thierry Lefebvre  

http://www.observatoiredescosmetiques.com/pro/actualite/leffet-miroir/tho-radia-lhistoire-dune-gamme-au-dela-de-la-cosmetique-2436


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doc2

docs3


Air

air et eau

L’étude de l’air permet de construire et exploiter le modèle atomique et moléculaire de la matière. On a subdivisé le chantier en 7 étapes (de une heure à une heure et demie chacune). Pour chacune d’elle les consignes de travail donnent lieu, d’abord, à un travail individuel (par écrit), puis une production en groupe (sous forme d’affiche à présenter par exemple). Enfin une mise en commun en classe entière (des hypothèses, des résultats et des nouvelles questions) est réalisée sous forme d’animation tableau. Les apports magistraux de l’enseignant cristallisent alors les savoirs, aux moments opportuns.

 mouvements moleculaires


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Air-1 Présence de l’air et pression de l’air : [air-1.pdf]    air-1

Il s’agit d’interpréter l’expérience de Magdebourg et au exemple pour dégager l’idée de pression de l’air. Document complémentaire : [atmosphère.pdf]

 

 guericke

hemisphères

observations


Air-2 Mesure de la masse volumique de l’air : [air-2.pdf]   air-2

Elaboration d’un protocole (deux options sont possibles) puis réalisation et traitement des résultats.

 mesure

 


Air-3 Lavoisier et la composition de l’air :[air-3.pdf]     air-3

Analyse de document pour dégager les idées principales : l’air est un mélange de deux gaz. On peut compléter avec observation de la combustion dans dioxygène pur (si on dispose d’une bouteille ou si on le produit avec permanganate). On peut aussi utiliser la réaction d’oxydation du fer à froid (préparée une semaine à l’avance).

 lavoisier1

lavoisier

lavoisier2

 


Air-4 Structure de l’air : [air-4.pdf]    air-4

Compressibilité ; structure moléculaire ; comparaison avec liquide et solide ; corps pur et mélange.

 

 

structure

dalton turner

atomes dalton 2


Air-5 Modèle de l’air : [air-5.pdf]    air-5

A partir de l’idée de structure moléculaire on précise la composition de l’air et on interprète la pression et la température.

 

modele

 

 


Air-6 Structures et classement : [air-6.pdf]   air-6

Corps simples et composés ; corps purs et mélanges.

 

classement

air eau

 


Air-7 Etats physiques : [air-7.pdf]   air-7

Il s’agit d’interpréter les effets de la température et de la pression (au niveau moléculaire). Et pour finir on interroge les limites du classement solide – liquide – gaz.

 

etats2

etatstemperature


Compléments: 

Diapos : [atome.pptx] ; simulation : [eau.mov].


 

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Tout se transforme

 portraitMarie-Anne Paulze et Antoine Laurent Lavoisier en 1788 par David  

Metropolitan Museum of Art de New York.

 

 


« Rien ne naît ni ne périt, mais des choses déjà existantes se combinent, puis se séparent de nouveau »Anaxagore. (500 – 428 av. J.C.).

 

[…] car rien ne se crée, ni dans les opérations de l’art, ni dans celles de la nature, et l’on peut poser en principe que, dans toute opération, il y a une égale quantité de matière avant et après l’opération ; que la qualité et la quantité des principes est la même, et qu’il n’y a que des changements, des modifications. 

C’est sur ce principe qu’est fondé tout l’art de faire des expériences en Chimie : on est obligé de supposer dans toutes une véritable égalité ou équation entre les principes du corps qu’on examine, & ceux qu’on en retire par l’analyse. Ainsi puisque du moût de raisin donne du gaz acide carbonique & de l’alkool, je puis dire que le moût de raisin = acide carbonique + alkool

[…] En effet, comme je l’ai déjà indiqué au commencement de cet article, je puis considérer les matières mises à fermenter et le résultat obtenu après la fermentation comme une équation algébrique ; et, en supposant successivement chacun des éléments de cette équation inconnus, j’en puis tirer une valeur et rectifier ainsi l’expérience par le calcul, et le calcul par l’expérience. J’ai souvent profité de cette méthode pour corriger les premiers résultats de mes expériences, et pour me guider dans les précautions à prendre pour les recommencerLavoisier « Traité élémentaire de chimie » – 1789.

 

http://www.cnrs.fr    Le laboratoire de l’Arsenal. A partir de 1776 Lavoisier, devenu régisseur des poudres et salpêtres, occupe de somptueux appartements dans l’hôtel des Régisseurs situé au Petit Arsenal, non loin de la Bastille. Il y aménage sous les combles un vaste laboratoire, l’un des mieux équipés d’Europe. Sa fortune personnelle et ses traitements de fermier général et de régisseur lui procurent l’argent nécessaire à l’achat d’instruments très fiables qu’il fait construire sur mesure par les meilleurs artisans : gazomètres, balances de précision, séries de poids, baromètres. Ces instruments vont lui permettre de faire des mesures très fines, de peser les éléments mis en jeu avant et après chaque expérience, et d’arriver ainsi à la confirmation de la loi de la conservation de la matièreLavoisier, le parcours d’un scientifique révolutionnaire.

 

[…] les faux jugemens que nous portons, n’intéressent ni notre existence, ni notre bien-être ; aucun intérêt physique ne nous oblige de nous rectifier : l’imagination au contraire qui tend à nous porter continuellement au-delà du vrai ; l’amour-propre & la confiance en nous-mêmes, qu’il sait si bien nous inspirer, nous sollicitent à tirer des conséquences qui ne dérivent pas immédiatement des faits : en sorte que nous sommes en quelque façon intéressés à nous séduire nous-mêmes. Il n’est donc pas étonnant que dans les sciences physiques en général, on ait souvent supposé au lieu de conclure ; que les suppositions transmises d’âge en âge, soient devenues de plus en plus imposantes par le poids des autorités qu’elles ont acquises, & qu’elles ayent enfin été adoptées & regardées comme des vérités fondamentales, même par de très-bons esprits. Lavoisier – Discours préliminaire « Traité élémentaire de chimie » – p. V – 1789.

 

 rien ne se

Traité élémentaire de chimie – Lavoisier – 1789

 

19885cnam

Grande balance de précision utilisée par Lavoisier

(Photo CNAM – Musée des Arts et Métiers)


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_____________________________

 

 

On propose ici 6 extraits du Traité élémentaire de chimie de Lavoisier pour 6 travaux de vérification. Les consignes de travail sont précisées en tête des documents. Le contenu est accessible dès la classe de seconde (équations de réaction, calculs avec les masses molaires…).

combustion-1 

combustion-2 

combustion-3

eau-1

eau-2

eau-3

 

planche2

Traité élémentaire de chimie – Lavoisier – 1789


Extraits.

 

combustion1

combustion12p4o10phosphorehttp://www.chim.lu/ch0060.php

planche3
Traité élémentaire de chimie - Lavoisier - 1789


eau1

 


eau3

eau32

 


A voir absolument

 

CNRS : http://www.cnrs.fr/cw/dossiers/doslavoisier/index.htm

 

musée

 

 

En apprenant aux chimistes l’usage de la balance, du thermomètre, du baromètre et du calorimètre […] Lavoisier leur a ouvert des routes inconnues qui conduisent sûrement à la vérité. Pasteur, Éloge de Lavoisier, 1836.

 

 


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De phlogistique en calorique

 flamme

 

Le phlogistique (du grec phlogiston = brûlé) est ce supposé principe igné qu’a introduit le chimiste et médecin allemand Georges E. Stahl (1660-1734) pour rendre compte des phénomènes de combustion dans le cadre de la théorie des quatre éléments. Selon lui, tous les corps combustibles, minéraux, végétaux ou animaux, contiennent du phlogistique. Quand on chauffe un morceau de métal, par exemple, du phlogistique s’échappe, on produit une « chaux » métallique. Que l’on chauffe à son tour cette chaux, on réintroduit du phlogistique et on retrouve le métal. Cette théorie connut un succès considérable au XVIIIe siècle (au point que Kant place nommément Stahl au même rang que Thalès, Galilée et Torricelli (1608-1647) dans sa fameuse Préface à la seconde édition (1787) de la Critique de la raison pure). Elle a pesé sur I ‘interprétation que le chimiste et philosophe anglais Joseph Priestley (1733-1804) donne de ses expériences sur la combustion lorsqu’il désigne I‘oxygène sous l’appellation d’«air déphlogistiqué ». Elle a été rayée de l’histoire de la chimie par Lavoisier qui dénonce pour finir en 1785, le « phlogistique » comme un être imaginaire. La philosophie des sciences : « Que sais-je ? » n° 3624 Par Dominique Lecourt.

 

air

 

Lavoisier commence à s’interroger sur le rôle du phlogistique en explorant la calcination, en 1772. Il s’attaque à un problème connu depuis longtemps mais récemment discuté par Guyton de Morveau : si, comme on le pense alors, la calcination des métaux (que nous appelons oxydation) est une libération du phlogistique contenu dans les métaux, il est difficile de comprendre l’augmentation de poids des métaux calcinés. Guyton suggérait que le phlogistique étant plus léger que l’air, sa présence dans une substance la fait paraître plus légère. […] Lavoisier tente une autre explication après deux expériences : il fait brûler du soufre, puis du phosphore dans des vaisseaux fermés et constate, grâce à des pesées minutieuses avant et après la réaction, du tout et de chaque partie séparément, que le poids total est conservé, que celui du vaisseau demeure inchangé et que celui du soufre et du phosphore a augmenté. Il en conclut : « Cette augmentation de poids vient d’une quantité prodigieuse d’air qui se fixe pendant la combustion et qui se combine avec les vapeurs.» Convaincu de l’importance révolutionnaire de cette expérience, et soucieux d’affermir son interprétation, Lavoisier remet un pli cacheté à l’Académie le 1er novembre 1772 pour s’assurer la priorité d’une découverte qu’il juge « l’une des plus intéressantes de celles qui aient été faites depuis Stahl ». Bernadette Bensaude-Vincent, Isabelle Stengers, Histoire de la chimie, Paris, La Découverte, 2013, chapitre 14.

phlogistique2

 « […] de nombreuses études portant sur les conceptions spontanées des élèves à propos des phénomènes naturels montrent à quel point celles-ci résistent à l’enseignement. Ainsi de nombreux élèves, tout en ayant fait des études en science, n’en continuent pas moins d’utiliser des conceptions substantialistes de la chaleur dans leurs raisonnements, ce qui les mène à des impasses en particulier lorsqu’il s’agit de distinguer le concept de chaleur de celui de température. En théorie cinétique, par exemple, la chaleur n’est pas une chose que I’on peut percevoir mais bien un concept qui permet d’interpréter les perceptions de manière différente. La réalité de la physique s’écarte donc de l’expérience sensorielle et, pour la bien comprendre, il faut abandonner I‘idée si bienancrée dans nos esprits qu’il est possible, grâce à l’appareil sensoriel, d’avoir un accès direct à une réalité en soi, prête à être comprise. En tant que pédagogues, on ne peut penser que les conceptions spontanées des élèves vont évoluer grâce aux seules évidences expérimentales et langagières qu’on leur fournit. » Jacques Désautels, Marie Larochelle. Qu’est-ce que le savoir scientifique ? Les presses de l’Université Laval ; p. 44-45.

 

chymie 

 


Le travail proposé interroge l’idée de chaleur et son évolution historique, entre conceptions substantialistes et mécanistes : phlogistique, calorique, ou mouvements moléculaires ? Nous sommes fin XVIIIe – début XIXe siècle ; quatre protagonistes incarnent les polémiques scientifiques de l’époque :

 

Pierre Joseph Macquer (1718 1784)

Hippolyte Amblard ( ? – 1845 – ?)

Antoine Laurent de Lavoisier (1743 1794)

Pierre Simon de Laplace (1749 – 1827)

 


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Consigne 1 individuel (15 minutes)

Qu’est-ce que la chaleur ? Faire un schéma légendé et expliquer brièvement par écrit (sur feuille A4).

Les feuilles sont affichées, observées et comparées. Animation tableau pour extraire les propositions.

 

Consigne 2 en groupe de quatre au moins (60 minutes)

Chaque groupe représente l’un des 4 personnages évoqués plus haut et reçoit un ensemble de documents. Il s’agit d’exploiter les documents pour présenter les arguments du personnage en question. Une affiche synthétique sera réalisée pour servir de support à un jeu de rôle qui suivra.

Répartition des documents :

documents

Consigne préalable : compte tenu du volume de documents disponibles il convient de se les répartir, à charge pour chacun d’en faire les extractions nécessaires, qui seront alors communiquées aux autres membres du groupe. Puis réalisation des affiches.

 

Extraits.

bacon0

bacon2


traite de chimie

lavoisier


antioxyde1

antioxide1


 

Jeu de rôle avec le support des affiches de chaque groupe (le professeur peut diriger la distribution de parole, solliciter les interventions, inviter à préciser, etc.).

Discussion : sur les contenus et sur le déroulement du travail.

Magistral en situation : substantialisme et mécanicisme (chaleur « substance » ou mouvement) ; le modèle actuel (température et agitation thermique ; énergie interne ; transferts d’énergie thermique, conduction, convection, rayonnement…

Diapos : [thermique.pptx]

 

Voir aussi sur ce site : Mouvement brownien

https://jcmarot.com/2017/01/04/mouvement-brownien/

 

 


Des animations sur le web :

 

F. Godbout https://sites.google.com/site/stsecondaire/5e-secondaire/th-cinetique-gaz

 

Jérôme RANDON ; Laboratoire des Sciences Analytiques ; Université Claude Bernard-Lyon I

http://www.unice.fr/cdiec

http://www.unice.fr/cdiec/animations/cinetique/d_v_m_orange.swf

http://www.unice.fr/cdiec/animations/cinetique/d_v_t_orange.swf

 

Chauvet F., Duprez C., Rouzé F. ; SEMM Université Lille I

http://www.epi.asso.fr/logiciel/catal/7219.htm

 

T. Davies http://clemspcreims.free.fr/Simulation/conduction.swf

 

Hachette http://www.lerepairedessciences.fr/terminale_S/5energie/chap17/transferts%20thermiques.swf

 


 

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