Masse volumique et poussée d'Archimède : leçon et labo
Mis à jour le 2026-10-02
Ce plan de leçon sur la masse volumique et la poussée d'Archimède utilise un laboratoire virtuel gratuit pour que les élèves répondent à la plus vieille question de la salle de sciences, « Pourquoi certains objets flottent-ils ? », avec des mesures plutôt que des suppositions. Ils calculent la masse volumique à partir de la masse et du volume, comparent des blocs de même masse et de même volume, identifient des matériaux mystère, puis pèsent l'eau qu'un bloc flottant repousse. Tout est prêt à l'emploi : objectifs d'apprentissage, préparation, prédictions, une activité pas à pas avec les mesures que les élèves doivent obtenir, une série de cinq questions pour le lien de la classe, un prolongement sur la poussée et des idées de différenciation. Chaque nombre provient des modèles des simulations elles-mêmes.
La leçon en un coup d'œil
- Niveau : de la 6e à la 3e (11 à 15 ans), physique-chimie. Le prolongement sur la poussée convient à la 4e–2de.
- Durée : une séance de 55 à 60 minutes, plus un prolongement facultatif de 20 minutes.
- Prérequis : la masse en kilogrammes, le volume en litres, la division de nombres décimaux.
- Format : en binômes sur ordinateurs portables, tablettes ou téléphones, ou classe entière avec un seul vidéoprojecteur.
- Simulations : Masse volumique – couler ou flotter. Prolongement : Poussée d'Archimède – laboratoire et formes.
Objectifs d'apprentissage
À la fin de la leçon, les élèves savent :
- Calculer la masse volumique avec D = m/V et l'exprimer en kg/m³.
- Prédire si un bloc flotte ou coule dans l'eau en comparant sa masse volumique à 1 000 kg/m³.
- Expliquer pourquoi la masse seule et le volume seul ne décident pas de la flottaison.
- Identifier un matériau à partir de sa masse volumique mesurée.
- Énoncer qu'un objet flottant déplace une masse d'eau égale à la sienne (principe d'Archimède).
Ce que fait la simulation
La simulation sur la masse volumique comporte trois écrans.
- Intro : un bloc dans une cuve de 100 L. Choisissez un matériau, Mousse (150 kg/m³), Bois (800), Glace (920), Brique (2 000), Aluminium (2 700) ou Fer (7 800), ou Personnalisé. Des curseurs fixent la masse (0,1–30 kg) et le volume (1–10 L). Pour un matériau de la bibliothèque, déplacer un curseur déplace l'autre, de sorte que la masse volumique reste fixe. L'affichage montre D = m/V, « flotte » ou « coule », le volume sous l'eau et le niveau d'eau de la cuve.
- Comparer : quatre blocs, A à D, de même masse, de même volume ou de même masse volumique. Un curseur fixe la valeur commune. Touchez un bloc pour lire sa m, son V et sa D.
- Mystère : cinq blocs sans étiquette. Faites glisser un bloc sur la balance numérique pour lire sa masse, et dans la cuve pour lire son volume d'après le niveau d'eau. Les élèves choisissent ensuite le matériau dans une liste et appuient sur Vérifier. Un tableau de référence des masses volumiques peut être affiché ou masqué.
Quelques détails à connaître avant la classe :
- Les litres et les kilogrammes simplifient le calcul. 1 L d'eau a une masse de 1 kg, donc D en kg/m³ vaut 1 000 × (m en kg) ÷ (V en L).
- Les blocs flottants trompent la cuve. Sur l'écran Mystère, un bloc flottant n'indique qu'une partie de son volume si les élèves ne le maintiennent pas entièrement sous l'eau (étape 4).
- Nouveaux blocs mélange l'écran Mystère. Les réponses de ce plan correspondent aux blocs qui apparaissent à l'ouverture de la simulation.
Matériel et préparation avant la classe
Matériel : un appareil par binôme (ou un vidéoprojecteur), les tableaux ci-dessous sur papier, et une calculatrice.
Préparation (10 minutes, une seule fois) :
- Ouvrez la simulation sur l'écran Intro avec Bois sélectionné. Ce sont les réglages par défaut : un bloc de 4,00 kg et 5,00 L.
- Cliquez sur Partager et créez un lien pour chaque classe, par exemple « Sciences · 6e A ». Laissez Afficher le tableau des masses volumiques de référence activé pour la plupart des classes.
- Facultatif : dans l'onglet Questions, saisissez la série de questions ci-dessous et associez-la au lien. Les deux prédictions verrouillent la simulation tant que chaque élève ne s'est pas engagé. Voir le guide Prédire–Observer–Expliquer pour la démarche.
- Affichez le lien, ou ouvrez-le en mode présentation et montrez le QR code.
Déroulé de la leçon
1. Accroche et prédictions (7 minutes)
Projetez l'écran Intro. Faites glisser le bloc de bois sous l'eau et lâchez-le : il remonte en ballottant et se stabilise avec 80 % sous l'eau. Les élèves s'engagent ensuite sur deux prédictions, sur papier ou sur le lien :
- P1. « Un bloc de bois flotte avec 80 % de son volume sous l'eau. Vous le coupez en deux. Comment flotte le demi-bloc ? »
- P2. « Un bloc de 4,0 kg flotte dans l'eau. Combien de litres d'eau repousse-t-il ? »
Beaucoup d'élèves s'attendent à ce que la petite moitié flotte plus haut, « parce qu'elle est plus légère ». Peu ont un nombre pour P2. Ne corrigez encore personne.
2. La masse volumique sur l'écran Intro (12 minutes)
Les binômes choisissent chaque matériau, règlent le curseur de volume sur 2,0 L et recopient l'affichage. Les trois dernières colonnes sont pour vous ; laissez-les vides sur la copie des élèves.
| Matériau | V (L) | m (kg) | D (kg/m³) | Flotte ou coule | Sous l'eau | Niveau de la cuve |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Mousse | 2,00 | 0,30 | 150 | flotte | 0,30 L (15 %) | 100,3 L |
| Bois | 2,00 | 1,60 | 800 | flotte | 1,60 L (80 %) | 101,6 L |
| Glace | 2,00 | 1,84 | 920 | flotte | 1,84 L (92 %) | 101,8 L |
| Brique | 2,00 | 4,00 | 2 000 | coule | 2,00 L (100 %) | 102,0 L |
| Aluminium | 2,00 | 5,40 | 2 700 | coule | 2,00 L (100 %) | 102,0 L |
| Fer | 2,00 | 15,60 | 7 800 | coule | 2,00 L (100 %) | 102,0 L |
Demandez aux binômes deux régularités. Bonnes réponses : « Tout ce qui est sous 1 000 kg/m³ flotte » et « Pour un bloc flottant, les litres sous l'eau sont égaux à ses kilogrammes ; pour un bloc qui coule, ils sont égaux à son volume. »
Vérifiez maintenant P1. Choisissez Bois et faites passer le curseur de volume de 4,0 L à 1,0 L. La masse suit (3,20 kg, puis 0,80 kg), la masse volumique reste à 800 kg/m³, et le bloc flotte à chaque fois avec 80 % sous l'eau. Couper un bloc ne change pas ce dont il est fait.
3. Même masse, même volume, même masse volumique (10 minutes)
Passez à l'écran Comparer. Gardez Même masse à 1,5 kg et touchez chaque bloc.
| Bloc | m (kg) | V (L) | D (kg/m³) | Résultat |
|---|---|---|---|---|
| A | 1,50 | 5,00 | 300 | flotte |
| B | 1,50 | 1,88 | 800 | flotte |
| C | 1,50 | 0,56 | 2 700 | coule |
| D | 1,50 | 0,19 | 7 800 | coule |
Même masse, et pourtant deux flottent et deux coulent. Appuyez sur Même volume (4,0 L) : les masses deviennent 1,20, 3,20, 10,80 et 31,20 kg, et A et B flottent toujours. Enfin, appuyez sur Même masse volumique et réglez 800 kg/m³ : les quatre flottent, gros ou petits. Réglez 1 500 kg/m³ : les quatre coulent.
La conclusion s'impose d'elle-même : ni la masse ni le volume ne décident, c'est la masse volumique. Le guide de référence utilise cet écran comme démonstration de classe entière si vous voulez une version plus courte.
4. Identifier les blocs mystère (12 minutes)
Passez à l'écran Mystère. Les binômes pèsent chaque bloc sur la balance, mesurent son volume dans la cuve, calculent D et choisissent le matériau. Le corrigé pour les blocs qui apparaissent à l'ouverture de la simulation :
| Bloc | m (kg) | V (L) | D (kg/m³) | Matériau |
|---|---|---|---|---|
| A | 7,80 | 1,00 | 7 800 | Fer |
| B | 23,40 | 3,00 | 7 800 | Fer |
| C | 10,80 | 4,00 | 2 700 | Aluminium |
| D | 4,00 | 5,00 | 800 | Bois |
| E | 17,80 | 2,00 | 8 900 | Cuivre |
Observez le bloc D. Lâché dans la cuve, il flotte et affiche « 4,00 L (partiel) », ce qui donne 1 000 kg/m³ et aucune correspondance dans le tableau. Les binômes qui le poussent entièrement sous l'eau en le maintenant lisent « 5,00 L (plein) » et obtiennent 800 kg/m³. C'est un vrai savoir-faire de laboratoire : un objet flottant demande un lest ou une poussée pour mesurer son volume. Remarquez aussi que A et B sont tous deux en fer, avec des masses très différentes.
Pour un second tour, ou un corrigé différent par classe, appuyez sur Nouveaux blocs. Deux des cinq nouveaux blocs sont toujours du même matériau.
5. Vérification de sortie (5 minutes)
Utilisez les questions 3 à 5 de la série ci-dessous. Ouvrez ensuite Voir les réponses et montrez côte à côte les colonnes Prédiction et Après pour P1 et P2.
Série de questions pour cette leçon
Saisissez-les dans l'onglet Questions de la simulation. Consignes pour les élèves suggérées : « Utilisez d'abord l'écran Intro. Lisez m, V et D dans l'affichage sous les curseurs. Écrivez les masses volumiques en kg/m³. »
1. Choix multiple · Avant, comme prédiction · Reposer après la simulation
- Question : « Un bloc de bois flotte avec 80 % de son volume sous l'eau. Vous le coupez en deux. Comment flotte le demi-bloc ? »
- Options : Plus haut, avec moins de 80 % sous l'eau / Pareil, avec 80 % sous l'eau (correct) / Plus bas, avec plus de 80 % sous l'eau / Il coule
- Explication : « Couper le bloc divise par deux sa masse et son volume, donc la masse volumique reste à 800 kg/m³. La fraction sous l'eau est la masse volumique du bloc divisée par celle de l'eau : 800 ÷ 1 000 = 80 %. Sur l'écran Intro, un bloc de bois de 4 L et un de 1 L flottent tous deux à 80 % sous l'eau. »
2. Nombre · Avant, comme prédiction · Reposer après la simulation
- Question : « Un bloc de 4,0 kg flotte dans l'eau. Combien de litres d'eau repousse-t-il ? »
- Réponse : 4,0, marge d'erreur ± 0,1, unité L
- Explication : « Un bloc flottant s'enfonce jusqu'à ce que l'eau qu'il repousse pèse autant que lui. 4,0 kg d'eau ont un volume de 4,0 L. La taille du bloc n'a pas d'importance, tant qu'il flotte : le bloc de bois de 5 L de l'écran Intro a 4,00 L sous l'eau. »
3. Nombre · Après la simulation
- Question : « Un bloc a une masse de 17,80 kg et un volume de 2,00 L. Quelle est sa masse volumique ? »
- Réponse : 8900, marge d'erreur ± 100, unité kg/m³
- Explication : « D = m/V = 17,80 kg ÷ 2,00 L = 8,9 kg par litre. Un litre vaut 0,001 m³, donc D = 8 900 kg/m³. Le tableau de référence de l'écran Mystère l'associe au cuivre, et il coule parce que 8 900 est supérieur à 1 000. »
4. Choix multiple · Après la simulation
- Question : « Sur l'écran Comparer avec Même masse, les blocs A et B flottent et les blocs C et D coulent. Pourquoi ? »
- Options : A et B sont plus gros, donc plus légers / A et B ont une masse volumique inférieure à 1 000 kg/m³ (correct) / C et D sont plus lourds / L'eau est plus profonde sous C et D
- Explication : « Les quatre blocs ont la même masse, 1,5 kg : la masse ne peut donc pas être la raison. A (300 kg/m³) et B (800 kg/m³) sont moins denses que l'eau et flottent. C (2 700) et D (7 800) sont plus denses que l'eau et coulent. »
5. Réponse courte · Après la simulation
- Question : « Sur l'écran Mystère, un bloc flottant a donné une masse volumique de 1 000 kg/m³. Qu'est-ce qui n'a pas marché, et comment corriger ? »
- Réponses acceptées (facultatif) : *partie*
- Réponse modèle : « Le bloc flottait, donc seule une partie était sous l'eau et la cuve indiquait un volume trop petit. La masse volumique paraissait alors plus grande qu'elle n'est. Poussez le bloc entièrement sous l'eau en le maintenant et lisez le volume complet : 5,00 L au lieu de 4,00 L donne 800 kg/m³, du bois. »
Les questions 1 et 2 sont les prédictions, reposées après la simulation pour que les élèves puissent comparer. Le guide de l'évaluation formative explique comment lire les résultats entre classes.
Prolongement : le principe d'Archimède dans le labo de poussée
Le labo de poussée ajoute les forces. Sur son écran Laboratoire, des curseurs fixent la masse volumique du liquide (300–3 000 kg/m³), la pesanteur (avec les boutons Lune, Terre et Jupiter), et la masse et le volume du pavé. Un bécher à côté de la cuve recueille exactement le volume de liquide que le pavé déplace, et l'affichage donne la poussée F_A et le poids P en newtons.
Le pavé par défaut fait 5 kg et 5 L, exactement aussi dense que l'eau, donc l'affichage indique « suspendu ». Faites suivre aux binômes cette séquence, en laissant le pavé se stabiliser à chaque fois :
| Réglage | État | Bécher | F_A (N) | P (N) |
|---|---|---|---|---|
| m = 4,0 kg, V = 5,0 L, eau, Terre | flotte | 4,00 L | 39,20 | 39,20 |
| même pavé, Lune | flotte | 4,00 L | 6,40 | 6,40 |
| même pavé, Jupiter | flotte | 4,00 L | 99,20 | 99,20 |
| même pavé, liquide 1 600 kg/m³, Terre | flotte | 2,50 L | 39,20 | 39,20 |
| m = 10,0 kg, V = 5,0 L, eau, Terre | coule | 5,00 L | 49,00 | 98,00 |
Questions à poser :
- « Pourquoi F_A et P sont-ils égaux pour tout bloc flottant ? » Flotter signifie que les forces s'équilibrent, donc la poussée est égale au poids.
- « Pourquoi le pavé ne flotte-t-il pas plus haut sur la Lune ? » La pesanteur réduit le poids et la poussée dans le même rapport, donc les mêmes 4,00 L d'eau équilibrent toujours le pavé.
- « Le pavé qui coule repose sur une balance au fond de la cuve. Que lit-elle ? » 49,0 N : le poids moins la poussée, 98,00 − 49,00. Demandez ce que ressent un plongeur qui soulève une pierre sous l'eau.
Pour un compte rendu de TP complet, consultez comment créer une activité de laboratoire virtuel.
Différenciation
Soutien :
- N'utilisez que Mousse, Bois, Brique et Fer à l'étape 2, et donnez le tableau avec les matériaux déjà remplis.
- Sur l'écran Mystère, gardez le tableau de référence affiché et ne faites que les blocs A, C et E.
- Donnez des amorces de phrases : « Le bloc flotte parce que sa masse volumique est… » et « La masse seule ne décide pas parce que… »
- Associez les élèves pour que l'un fasse glisser les blocs et l'autre note, puis échangez.
Approfondissement :
- Utilisez Personnalisé sur l'écran Intro pour fabriquer un bloc qui flotte exactement à moitié sous l'eau (par exemple 2,5 kg et 5,0 L, 500 kg/m³), puis expliquez la règle.
- Prédire les masses de l'étape 3 « Même volume » avant d'appuyer sur le bouton.
- Dans le labo de poussée, trouver le liquide le plus léger du curseur dans lequel le pavé de 4,0 kg et 5,0 L flotte encore (810 kg/m³ ; à 800 kg/m³ il est suspendu), et expliquer pourquoi il coule à 700 kg/m³.
Élèves allophones : les simulations sont disponibles en six langues. Créez un second lien dans la langue de l'élève pour que les libellés lui soient familiers pendant que la discussion reste en français.
Lien avec les référentiels
Cette leçon s'inscrit dans l'unité sur la masse volumique de la physique-chimie du collège et dans les thèmes de masse volumique et de poussée du GCSE Physics (Royaume-Uni). Les NGSS (normes américaines) n'ont pas d'attente de performance dédiée à la masse volumique ou à la flottabilité, donc nous n'en revendiquons aucune. La leçon mobilise en revanche trois pratiques des NGSS : planifier et mener des investigations, analyser et interpréter des données, et utiliser les mathématiques et la pensée computationnelle.
Pour d'autres idées de physique, consultez des idées de leçons de physique interactives. Les enseignants de chimie qui utilisent la masse volumique pour identifier des substances trouveront des activités voisines dans des idées de leçons de chimie interactives.
Questions fréquentes
Pourquoi la simulation utilise-t-elle des litres et pas des centimètres cubes ?
Les litres gardent des nombres simples et se relient directement aux kilogrammes d'eau. Convertissez pour les élèves qui ont besoin de cm³ : 1 L = 1 000 cm³, et 1 000 kg/m³ = 1 g/cm³.
Pourquoi un bloc à exactement 1 000 kg/m³ se comporte-t-il bizarrement ?
Un bloc exactement aussi dense que l'eau n'a aucune raison de monter ou de descendre, donc le résultat dépend de l'endroit où vous le lâchez. Évitez ce cas dans la leçon principale. Le labo de poussée l'indique comme « suspendu ».
Les élèves peuvent-ils faire cette leçon sur téléphone ?
Oui. Les élèves ouvrent le lien sans compte. Les curseurs fonctionnent bien sur les écrans tactiles ; le glissement de l'écran Mystère est plus facile sur tablette ou ordinateur portable.