Activité éclaire-moi

Matériel requis
Pour cette activité, l’enseignant doit préparer autant de matériel qu’il y a d’équipes de quatre. Par exemple, s’il y a 6 équipes de quatre personnes, l’enseignant préparera 6 boîtes de travail.
Pour l’activité, l’enseignant dépose dans chacune des boîtes de la pâte à modeler (environ 500 grammes), une fourchette, un sac d’épicerie en plastique et une assiette d’aluminium. 

Mise en situation
Afin de faire appel à leurs connaissances et à leur participation, l’enseignant demande aux élèves de lui dire de vive voix ce qu’est un éclair. Les enfants répondent au mieux de leur connaissance. Un échange est maintenant engagé entre les élèves sur leurs conceptions spontanées. Par la suite, l’enseignant leur demande comment l’éclair se forme. Quelle en est sa cause ? À ce moment, l’échange se poursuit et une confrontation des idées peut survenir. Cet échange permet à l’enseignant de vérifier les connaissances des élèves qu’il a devant lui. 

Déroulement
À la suite de cette discussion, l’enseignant explique le phénomène des éclairs. Il leur mentionne que l’orage se produit lorsqu’une quantité d’air chaud et humide monte rapidement dans le ciel et se refroidit. À ce moment, des cumulonimbus se forment (nuages). Le déplacement de l’air à l’intérieur du nuage occasionne la production de charges positives au sommet du nuage et des charges négatives à sa base. Bien sûr, l’enseignant peut démontrer le tout en utilisant un matériel visuel (carton, dessin au tableau). Pour équilibrer les charges contenues dans le nuage, un échange se crée. Nous parlons ici d’un échange à l’intérieur d’un même nuage, mais il peut survenir entre deux nuages ou encore entre le sol et un nuage. L’étincelle qu’on remarque, c’est l’éclair. Ce dernier est le résultat de l’échange des charges positives et négatives. La décharge occasionnée produit un bruit : le tonnerre. En effet, puisque l’air devient chaud et se dilate, le tonnerre s’en suit. Il est à noter qu’il y a toujours un bruit lorsqu’il y a un éclair qui se produit. Si on ne l’entend pas, c’est à cause que l’éclair s’est produit à une distance supérieure à ce qu’on peut entendre. 

Pour démontrer l’échange de charges et le bruit qui en résulte, l’enseignant donne à ses élèves les boîtes de travail préalablement préparées. Voici ce que l’enseignant explique aux enfants pour réaliser l’expérience. Il leur mentionne que ceux-ci vont créer un éclair. Pour ce faire, ils doivent suivre à la lettre ce que l’enseignant leur dicte. L’enseignant peut avoir écrit la démarche au tableau ou sur une feuille pour permettre aux enfants de suivre adéquatement la méthode à suivre pour réussir l’expérience. Mais avant de commencer l’expérience, l’enseignant tente d’obscurcir le plus possible sa classe en fermant les lumières et les rideaux. Cela permettra aux enfants de mieux voir l’étincelle. Voici les étapes à suivre.
1. Pressez la pâte à modeler dans l’assiette d’aluminium. La pâte sert de poignée pour qu’on ne puisse toucher directement à l’assiette. Il est important de ne pas toucher à l’assiette avec les mains lors de l’expérience.
2. Posez l’assiette sur le sac de plastique et, à l’aide de la pâte à modeler, frottez l’assiette sur le sac en lui faisant faire des mouvements circulaires (cercles).
3. Soulevez l’assiette au moyen de la pâte à modeler.
4. Approchez délicatement la fourchette de l’assiette sans lui toucher. Une étincelle jaillira à partir de l’assiette en direction de la fourchette. « C’est l’électricité statique qui en se déchargeant crée une étincelle. » (Kelly, 1991, p.30)

Il est à noter que l’étincelle n’est pas éblouissante, mais l’enfant la sentira et entendra un son. 
À la suite de cette activité, l’enseignant invite les enfants à partager ce qu’ils ont vécu et appris au cours de l’activité (objectivation).

Conclusion
Finalement, l’enseignant informe les enfants sur la foudre. En effet, lors de nos entrevues, nous avons remarqué que les enfants ne savaient pas faire la différence entre la foudre et l’éclair. La foudre est un éclair qui frappe soit le sol, soit un objet. Celle-ci cherche le chemin le plus court pour aller vers le sol, c’est pourquoi, elle touche plus souvent les arbres et les toits des maisons. Pour se protéger de la foudre l’humain a inventé le paratonnerre. Ce dernier est formé d’une lamelle de métal qui part du point le plus élevé d’un édifice et se dirige vers le sol. Cet outil de protection permet d’attirer la foudre en un même et seul endroit pour envoyer l’électricité dégagée vers la terre. Ainsi les maisons et édifices ne sont pas endommagés. L’enseignant peut ajouter que L’Empire State Building ne possède pas de paratonnerre et qu’il est touché plus de 500 fois dans une même année! Il dispose néanmoins d’un moyen de protection pour que l’édifice ne s’effondre pas. Enfin, il serait bon de mentionner, à titre d’information, qu’il y a plus de 16 millions d’orages dans une année sur la Terre et qu’il en existe 1800 en ce moment même.

Comme piste pour de futures notions, l’enseignant peut travailler sur les éléments conducteurs (métal, aluminium) et non conducteur (bois, verre, caoutchouc). Nous n’en avons pas parlé dans cette activité puisque les enfants auraient pu se sentir dépasser devant tant d’information en un même temps. Cependant, nous croyons qu’un tour d’horizon avec eux sur le sujet pourrait s’avérer fort intéressant dans une activité ultérieure.

Par ces activités, l’enfant aura appris à mieux comprendre le phénomène des orages et en particulier celui des éclairs. Il aura également construit ses connaissances par le biais d’une activité dynamique et dans laquelle il a pu observer la création d’un éclair. Nous croyons que l’enfant comprendra mieux un phénomène en le vivant, en le construisant et en le voyant. C’est pour nous, une sorte de construction du savoir. Nous nous devons de non seulement leur faire apprendre de nouvelles notions par une méthode constructiviste, c’est à dire par le questionnement et l’action, mais aussi, nous nous devons de tenir compte de leurs connaissances antérieures. Puisque leurs conceptions se sont bâties et intégrées à la suite d’expériences, il s’avérera, je crois, difficile de les modifier ou de les éliminer. L’humain a, nous pensons, une certaine barrière avant de croire ou de transformer ces conceptions spontanées. On ne change pas les mentalités, les conceptions d’un enfant et même d’un adulte dans le temps de le dire. Chaque transformation de ces connaissances nécessite un travail cognitif fort difficile mais nécessaire. La personne qui reçoit une nouvelle information doit en construire le sens avant de l’intégrer. C’est pourquoi nous pensons que si l’enfant vit une expérience dans laquelle il constatera les phénomènes réels, il changera plus facilement ses conceptions antérieures erronées. 

Nuage dans une bouteille

(tiré du livre La météo, le petit chercheur)
Tu te demandes comment se forment les nuages? Avec cette expérience, tu pourras comprendre le phénomène.

Matériel:

• de l'eau froide;
• des allumettes;
• une paille;
• de la pâte à modeler;
• des ciseaux;
• une bouteille avec son bouchon.

Marche à suivre:
1. Percer le bouchon de la bouteille à l'aide des ciseaux;
2. Introduire la paille dans le trou du  bouchon et la fixer à l'aide de la pâte à modeler;
3. Verser un peu d'eau dans la bouteille et la secouer avant de la vider;
4. Enflammer une allumette. L'éteindre et  mettre le bout brûlant dans le goulot de la bouteille pour que la fumée entre à l'intérieur. 
5. Revisser rapidement le bouchon de la bouteille et souffler dans la paille aussi fort que possible. (La pression augmente à l'intérieur.)
Arrêter de souffler et boucher la paille pour empêcher l'air de sortir. (En relâchant la paille, la pression retombe et l'air devient plus froid.) 
6. Relâcher la paille. Au moment où l'air s'échappe de la bouteille, un nuage se forme à l'intérieur. (La vapeur se condense dans la bouteille en fines goutellettes qui s'accrochent aux particules de fumée et forment ainsi un nuage.)

Les nuages se forment en altitudes où la pression atmosphérique et la température sont plus basses. Les goutellettes gèlent à l'occasion et retombent en cristaux de neige. 

L'air chaud monte et l'air froid descend
Un élément très important dans la formation d'un orage est sans aucun doute la convection. En d'autres termes, les masses d'air chaud et d'air froid sont à la base de la création d'un orage. 

Mise en situation
Tout d'abord, la première notion à distinguer avec les enfants est la direction des masses d'air. Pour les sensibiliser à cette notion, l'enseignant leur pose des questions générales. 

• Les courants d'air montent-ils?
• Descendent-ils?
• Les courants d'airs vont-ils toujours dans la même direction?

Expérience:
Matériel:

• ampoule (100 watts de préférence)
• serpentin
• bâton à bout pointu ou fil et aiguille

Résultat:
Le serpentin tournera sur lui-même

Cause:
L'ampoule réchauffe l'air. L'air chaud monte et fait tourner le serpentin.

Explication de la corrélation convection-orage
La preuve étant faite que l'air chaud monte, il faudrait maintenant explique le pourquoi aux enfants. Tout d'abord que l'air chaud est plus léger que l'air froid et donc l'air chaud "flotte" au-dessus de l'air froid. La mongolfière en est un bel exemple. Celle-ci est une boule d'air chaud qui monte. Les enfants, et même les adultes, se poseront alors la question suivante: Si l'air chaud monte, alors pourquoi fait-il si froid dans de hautes altitudes? La réponse est bien simple. L'air chaud, en montant, se refroidit. En montant, les molécules de vapeur d'eau comprise dans l'air chaud se condensent pour former les nuages. 

Nous savons pourquoi l'air chaud est celui qui est ascendant, mais quel lien avec la formation d'un nuage? Le temps change à l'endroit où une masse d'air chaud rencontre une masse d'air froid. On appelle front cette zone de rencontre des deux masses d'air. Si, lors de son déplacement, l'air chaud remplace l'air froid, on verra qu'un front chaud s'est créé.  L'air chaud étant plus léger, il s'élèvera lentement au-dessus de l'air froid. Des nuages vont se former et la pluie suivra. Par contre, si c'est l'air froid qui vient remplacer l'air chaud, on se retrouvera en présence d'un front froid. C'est ce front qui est à l'origine de la création d'un orage. Dans ce cas, l'air froid prend place sous l'air chaud qu'il force à s'élever. En s'élevant rapidement, l'air se refoit plus vite. Cela entraîne également une condensation plus rapide et par le fait même, les nuages se formeront plus prestement. Ceux-ci seront sombres et ils laisseront tomber de grosses gouttes de pluie ou de grêle. Voilà un scénario idéal pour qu'un orage éclate.

La danse de la pluie

Matériel:

• un vaporisateur rempli d'eau;
• de la pâte à modeler;
• un plateau de métal.

Marche à suivre:
1. Fais tenir le plateau de métal en équilibre sur une table à l'aide de la pâte à modeler que tu fixeras à la base du plateau.
2. Arrose le plateau d'une fine pulvérisation. Quelques gouttes d'eau adhèrent au plateau mais d'autres se rejoignent et glissent vers le bas. 

Les petites gouttes s'accrochent avant de grossir lorsque d'autres gouttes les touchent. 
Lorsqu'une grosse goutte est suffisamment lourde pour glisser vers le bas, elle attrappe d'autres gouttes au passage.

Lorsque le temps est pluvieux, nous pouvons remarquer des nuages gris pleins d'eau. Les minuscules gouttes d'eau en suspension dans le nuage se regroupent en une masse de gouttes plus grosses jusqu'à ce que celles-ci deviennent si lourdes qu'elles tombent...et voilà la pluie!

Une pluie de couleurs

Matériel:

• un bocal d'eau;
• du carton noir;
• du carton blanc.

Marche à suivre:
1. Mettre une table au soleil. Poser le carton noir dessus et le bocal sur le carton.
2. Placer le carton blanc sur le côté du bocal. Le tenir de telle sorte que le côté du carton qui te fait face soit dans l'ombre. Un arc-en-ciel apparaîtra.

Quand les rayons du soleil traversent la courbe du volume d'eau, ils prennent les différentes couleurs de l'arc-en-ciel réfléchies par le carton.
Tu peux voir des arcs-en-ciel lors d'une averse ou d'un orage si le soleil est derrière toi. Chaque goutte de pluie divide la lumière du soleil en plusieurs couleurs qu'elle te  renvoie. Les arcs-en-ciel sont courbes parce les gouttes d'eau sont rondes.

Les couleurs d'un arc-en-ciel sont toujours dans le même ordre: rouge à l'extérieur, puis l'orange, le jaune, le vert, le bleu, l'indigo et le violet.