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GMSIE : Vision sous marine

jeudi 7 mars 2019, par MSLP-Dijon (Webmestre)

Pourquoi voit-on les objets plus gros lorsque l’on fait de la plongée sous-marine ?
Ce sujet est proposé en sciences-physiques-chimie pour des élèves de première dans le cadre de la certification intermédiaire du BEP ou en situation d’évaluation formative. Il s’inscrit dans les thèmes HS2 (thème : « Les liquides d’usage courant : que contiennent-ils et quels risques peuvent-ils présenter ? ») et SL1 (thème « Comment dévier la lumière ? »).

Objectifs

- Préparer expérimentalement une solution aqueuse de chlorure de sodium de concentration molaire voisine de celle d’un échantillon d’eau de mer.

- Réaliser l’expérience de réfraction d’une source lumineuse traversant cette solution afin de comparer les valeurs des angles incidents et réfléchis.

- Répondre à la problématique principale du sujet en lien avec les différents résultats obtenus.

Au fil du sujet, les élèves doivent mobiliser leurs compétences et leurs connaissances en chimie et en optique afin de recueillir les différentes données conduisant à la réponse à la problématique posée. La rigueur accompagnant les calculs et le respect des règles de sécurité lors des manipulations sont indispensables à la réussite du sujet.

 

Contenu du sujet

Le sujet est organisé en deux parties distinctes et cohérentes.

- La première partie du sujet consiste à préparer une solution aqueuse de chlorure de sodium de concentration molaire définie et voisine de celle rencontrée dans l’eau de mer. Pour ce faire, les élèves doivent déterminer la masse de composé solide nécessaire en utilisant les formules ressources rappelées dans l’énoncé.

- La seconde partie du sujet permet d’étudier la problématique de grossissement des objets observés sous l’eau lors d’une plongée. Les élèves étudient la réfraction de la lumière traversant l’eau salée préparée précédemment. Ils doivent alors mesurer expérimentalement l’angle réfracté associé à un angle incident défini par l’énoncé et comparer ces deux valeurs. Une seconde situation impliquant un angle incident différent de l’expérience précédente conduit au calcul de la mesure de l’angle réfracté en utilisant la loi de la réfraction de Descartes.

Les élèves peuvent répondre à la problématique en s’appuyant sur ces différents résultats d’angles de réfraction.

 

Prérequis

- Le calcul de la masse molaire moléculaire d’un composé chimique défini.

- La connaissance des différentes grandeurs chimiques intervenant dans la préparation d’une solution aqueuse (masse molaire moléculaire, quantité de matière, volume).

- La préparation expérimentale d’une solution aqueuse titrée et la connaissance du matériel de verrerie utile.

- L’expérience de réfraction d’une source lumineuse traversant une cuve contenant un liquide et la mesure des différents angles mis en jeux.

- La notion d’indice de réfraction d’un milieu transparent et homogène.

 

Connaissances

- Savoir établir et appliquer la formule permettant de calculer la masse de composé chimique solide connaissant le volume de la solution à préparer et sa concentration molaire.

- Connaître les lois de la réflexion et de la réfraction.

- Savoir que la réfringence d’un milieu est liée à la valeur de son indice de réfraction.

 

Les plus du sujet

- Le sujet traité fait référence à une question simple de la vie quotidienne : « pourquoi voit-on les objets plus gros lorsque l’on fait de la plongée sous-marine ? » L’activité met en œuvre une réelle démarche structurée où des notions de chimie et de sciences-physiques issues du programme d’enseignement de sciences de seconde et de première se mêlent étroitement.

- Au cours de cette investigation, l’aspect expérimental et l’aspect calculatoire sont d’égale importance pour la réponse à la problématique.

- Le sujet intègre un protocole de secours pour les élèves en difficulté et un barème détaillé des compétences évaluées.

 

Pour aller plus loin

- La plongée sous-marine est un sport passionnant non dénué de risques. Le lien ci-dessous apporte un éclairage sur la notion de paliers de décompression, obligatoires en plongée profonde. Les données chiffrées et les représentations graphiques mentionnés ouvrent de nombreuses perspectives pour des exploitations pédagogiques en mathématiques.

http://plongee.amiral.free.fr/formation/niveau2/tablesniv2.htm

- James Cameron, le célèbre réalisateur de cinéma aux succès planétaires tels que « Titanic » et « Avatar » a entrepris la vertigineuse exploration de la fosse des Mariannes dans un sous-marin atypique… Les dangers des profondeurs et de la pression sous-marines sont illustrées de manière spectaculaires dans le lien vidéo ( en VO sous-titrée Anglais of course ☺ ! ) :

https://www.youtube.com/watch?v=Y2tm40uMhDI

Un travail en pluridisciplinarité avec l’enseignant d’anglais est un terrain propice à l’exploitation de ce support. Les unités de mesures de profondeur mentionnées dans la vidéo peuvent faire l’objet d’un travail en mathématiques dans le cadre de l’étude de la proportionnalité entre les unités de mesure pieds/mètres. Cette séquence peut également constituer un point d’entrée au thème T5 du programme de sciences des classes de Première/Terminale : « Comment se déplacer dans un fluide » ?

- Quelques données chiffrées en lien avec la salinité de l’eau de mer sont disponibles dans les pages web ci-dessous. Elles peuvent être utiles pour des amorcer des activités en mathématiques ou en chimie :

http://doc.lerm.fr/salinite-leau-mer/

https://www.techno-science.net/definition/1200.html