Plan de séance sur les états de la matière
Mis à jour le 2026-10-02
Ce plan de séance sur les états de la matière utilise une simulation de particules gratuite pour répondre à la question qui se cache derrière toute activité de chauffage et de refroidissement : que font réellement les particules ? Les élèves chauffent un solide jusqu'à sa fusion puis son ébullition, regardent les particules quitter leur réseau, comparent quatre substances et découvrent pourquoi l'eau demande bien plus de chaleur que le néon. Vous trouverez les objectifs, la préparation, les prédictions, un déroulé pas à pas avec les valeurs que les élèves doivent voir, un jeu de cinq questions pour le lien de la classe, un prolongement sur la courbe de chauffage et des pistes de différenciation. Chaque nombre ci-dessous provient du code du modèle des simulations elles-mêmes.
La séance en un coup d'œil
- Niveau : de la 6e à la 3e (11–15 ans, grades 6–9 aux États-Unis). La partie sur le potentiel d'interaction convient aussi de la 2de à la terminale.
- Durée : une séance de 50–60 minutes, plus un prolongement facultatif de 15 minutes.
- Prérequis : solides, liquides et gaz de la vie courante ; la température. Aucune équation n'est nécessaire.
- Organisation : binômes sur ordinateurs portables ou tablettes, ou classe entière avec un seul projecteur.
- Simulation : États de la matière – solides, liquides, gaz et changements d'état. Prolongement : États de la matière – modèle particulaire lors du chauffage et du refroidissement.
Objectifs d'apprentissage
À la fin de la séance, les élèves savent :
- Décrire l'agencement et le mouvement des particules dans un solide, un liquide et un gaz.
- Expliquer la fusion et l'ébullition comme des particules qui gagnent assez d'énergie pour vaincre leur attraction.
- Relier la force de l'attraction entre particules à la hauteur de la température d'ébullition d'une substance.
- Prédire comment la compression d'un gaz chaud change sa pression.
- (Prolongement) Expliquer pourquoi la température reste constante sur une courbe de chauffage pendant la fusion ou l'ébullition d'une substance.
Ce que fait la simulation
Chaque particule se déplace sous l'effet de vraies forces : attraction à distance, répulsion de près (le modèle de Lennard-Jones). Rien n'est animé à l'avance. Vous choisissez le néon, l'argon, le dioxygène ou l'eau ; l'argon est la substance par défaut.
Elle compte trois écrans :
- États : un récipient fermé de 80 particules, qui démarre à l'état solide. Faites glisser le curseur Chauffer / refroidir vers Chaud ou Froid, ou utilisez les boutons rapides Solide, Liquide et Gaz. +10 particules et −10 particules changent la quantité, jusqu'à 100. La température s'affiche en kelvins au-dessus de la boîte, et une ligne d'état décrit l'état : « Les particules vibrent sur place autour de positions fixes — solide. »
- Changements d'état : 40 particules sous un piston. Faites glisser la barre grise pour comprimer ou détendre, pompez davantage de particules (jusqu'à 120), et chauffez ou refroidissez. Une jauge indique la pression en atm, et un petit diagramme de phases marque l'état courant.
- Potentiel d'interaction : les courbes d'énergie des quatre substances sur un même graphique. Faites glisser Distance r de 200 à 900 pm pour lire l'énergie potentielle U entre deux particules. La ligne d'état donne le fond du puits pour la substance choisie.
Trois détails du modèle valent d'être connus avant le cours :
- L'étiquette d'état découle de la température. L'argon est étiqueté liquide à partir d'environ 42 K et gaz à partir d'environ 78 K. Ces seuils sont mis à l'échelle à partir de l'attraction de chaque substance : ils classent bien les substances, mais ne correspondent pas aux vraies températures de fusion et d'ébullition. L'argon réel fond à 84 K et bout à 87 K. Dites aux élèves de faire davantage confiance aux particules qu'à l'étiquette.
- La température fluctue. Elle provient de la vitesse des particules : elle saute de plusieurs kelvins même chauffage éteint, et l'étiquette peut osciller près d'un changement d'état. Considérez les valeurs comme approximatives.
- L'eau est dessinée comme une seule particule ronde. Son attraction plus forte remplace la liaison hydrogène. C'est une bonne question du type « qu'est-ce que le modèle laisse de côté ? ».
Matériel et préparation avant le cours
Matériel : un appareil par binôme (ou un projecteur), le tableau de relevés ci-dessous sur papier, et un rappel : 0 °C vaut 273 K.
Préparation (10 minutes, une seule fois) :
- Ouvrez la simulation. Les valeurs par défaut sont l'écran États, l'argon, 80 particules, au départ à l'état solide.
- Cliquez sur Partager et créez un lien pour chaque classe, par exemple « Sciences · Groupe 3 ». Le lien verrouille ces valeurs de départ.
- Facultatif : dans l'onglet Questions, saisissez le jeu de questions ci-dessous et associez-le au lien.
- Publiez le lien, ou ouvrez-le en mode Présenter et affichez le QR code pour que les élèves rejoignent sur leur propre appareil.
Déroulé de la séance
1. Accroche et prédictions (7 minutes)
Montrez un glaçon et demandez : « Les molécules d'eau de cette glace et celles de la vapeur sont identiques. Alors, qu'est-ce qui est différent ? » Recueillez quelques réponses. Les élèves s'engagent ensuite sur deux prédictions, sur papier ou sur le lien :
- P1. « Quand un solide fond, ses particules… grossissent / quittent leurs positions fixes et glissent les unes sur les autres, toujours proches / s'éloignent beaucoup et remplissent le récipient / cessent de bouger. »
- P2. « Le néon, l'argon, le dioxygène et l'eau démarrent tous à l'état solide. Lequel faut-il chauffer à la température la plus haute avant qu'il devienne un gaz ? »
Attendez-vous à « les particules grossissent » chez certains élèves pour P1. Ne corrigez personne pour l'instant.
2. Solide, liquide, gaz (12 minutes)
Sur l'écran États, les binômes règlent le chauffage à environ 30 % et regardent l'argon se réchauffer à partir d'environ 25 K. Ils mettent en pause avec Pause chaque fois que la ligne d'état change et écrivent une phrase sur le mouvement :
| Argon | Température (environ) | Ce que font les particules |
|---|---|---|
| Solide | en dessous de 42 K | vibrent autour de places fixes selon un motif régulier |
| Liquide | 42–78 K | glissent les unes sur les autres mais restent groupées au fond |
| Gaz | au-dessus de 78 K | volent librement et heurtent chaque paroi |
Continuez à chauffer. Au-dessus d'environ 239 K, le couvercle s'ouvre tout seul et des particules s'échappent ; l'affichage les compte. Le chauffage s'arrête à environ 359 K. Refroidissez ensuite la boîte et regardez le gaz se condenser et le solide se reformer.
Demandez : « Une particule a-t-elle grossi ? » Non. Seuls le mouvement et l'espacement ont changé. Vérifiez P1 maintenant.
3. Même chauffage, substances différentes (10 minutes)
Choisir une substance relance la boîte à l'état solide. Les binômes chauffent chaque substance à partir du solide et notent la température à laquelle la ligne d'état indique gaz pour la première fois :
| Substance | Étiquetée liquide à partir de | Étiquetée gaz à partir de | Profondeur du puits de potentiel |
|---|---|---|---|
| Néon | environ 13 K | environ 23 K | 3,10 meV |
| Dioxygène | environ 39 K | environ 73 K | 9,70 meV |
| Argon | environ 42 K | environ 78 K | 10,30 meV |
| Eau | environ 138 K | environ 256 K | 34,00 meV |
Laissez la dernière colonne vide sur la copie des élèves ; elle vient de l'étape 4. Le néon passe en premier, l'eau en dernier, de loin. Vérifiez P2.
Remarque : le vrai dioxygène bout à 90 K, juste au-dessus des 87 K de l'argon : le modèle intervertit donc ces deux substances. Les bons élèves aiment le repérer.
4. Potentiel d'interaction : pourquoi les températures d'ébullition diffèrent (10 minutes)
Ouvrez Potentiel d'interaction. Les quatre courbes partagent un même graphique. L'affichage démarre sur « argon · r = 380 pm · U = −10,28 meV ». Les élèves font glisser Distance r pour trouver le point le plus bas de chaque courbe :
| Substance | Fond du puits | U au fond |
|---|---|---|
| Néon | 308 pm | −3,10 meV |
| Argon | 383 pm | −10,30 meV |
| Dioxygène | 388 pm | −9,70 meV |
| Eau | 354 pm | −34,00 meV |
Questions à poser :
- « Que devient U quand vous éloignez les particules au-delà du fond du puits ? » Il remonte vers zéro : elles s'attirent, et il faut fournir un travail pour les séparer.
- « Et quand vous les rapprochez ? » U grimpe en flèche : elles se repoussent.
- « Combien de fois le puits de l'eau est-il plus profond que celui du néon ? » 34,00 ÷ 3,10 ≈ 11. Un puits plus profond demande plus d'énergie pour écarter les particules : la température d'ébullition est donc plus haute.
Cochez Marquer la distance moyenne de l'écran États pendant que l'écran États contient un solide. Le repère tombe près du fond du puits : dans un solide, les particules se placent à peu près là où attraction et répulsion s'équilibrent.
5. Changements d'état : comprimer le gaz (8 minutes)
Ouvrez Changements d'état. Il a ses propres 40 particules, qui démarrent à l'état solide : chauffez-les donc jusqu'à ce qu'elles remplissent la boîte. Les binômes abaissent lentement le piston et regardent la jauge. La pression monte parce que les particules heurtent plus souvent les parois. Ils chauffent ensuite avec le piston en bas. Au-dessus d'environ 59 atm, le récipient éclate avec « 💥 Éclaté — surpression ! », et Réinitialiser l'écran en remet un neuf. Laissez deux minutes de manipulation libre, puis demandez : « Pourquoi un gaz chaud fait-il éclater le récipient plus tôt qu'un gaz froid ? »
6. Bilan de sortie (5 minutes)
Utilisez les questions 3 à 5 du jeu ci-dessous. Ouvrez ensuite Voir les réponses et montrez côte à côte les colonnes Prédiction et Après pour P1 et P2. Le guide de l'évaluation formative montre comment lire ces colonnes d'une classe à l'autre.
Jeu de questions pour cette séance
Saisissez-les dans l'onglet Questions de la simulation. Consignes pour les élèves suggérées : « Commencez sur l'écran États. Choisir une substance relance la boîte à l'état solide. Les températures fluctuent : lisez-les comme approximatives. »
1. Choix multiple · Avant, comme prédiction · Reposer la question après la simulation
- Question : « Quand un solide fond, que deviennent ses particules ? »
- Options : Elles grossissent / Elles quittent leurs positions fixes et glissent les unes sur les autres, toujours proches (correcte) / Elles s'éloignent beaucoup et remplissent le récipient / Elles cessent de bouger
- Explication : « Les particules gardent la même taille. Le chauffage les fait aller plus vite jusqu'à ce qu'elles quittent le motif régulier. Dans un liquide, elles se touchent et s'attirent encore, mais peuvent glisser les unes sur les autres. S'étaler pour remplir le récipient, c'est ce qui se passe quand le liquide bout. »
2. Choix multiple · Avant, comme prédiction · Reposer la question après la simulation
- Question : « Le néon, l'argon, le dioxygène et l'eau démarrent tous à l'état solide. Lequel faut-il chauffer à la température la plus haute avant qu'il devienne un gaz ? »
- Options : le néon / l'argon / le dioxygène / l'eau (correcte)
- Explication : « Les particules d'eau s'attirent bien plus fortement que les autres. Son puits de potentiel est profond de 34,00 meV contre 3,10 meV pour le néon. Il faut plus d'énergie pour écarter les particules : l'eau devient donc un gaz à une température bien plus élevée. »
3. Nombre · Après la simulation
- Question : « Sur l'écran Potentiel d'interaction, trouvez le fond du puits pour l'eau et pour le néon. Combien de fois le puits de l'eau est-il plus profond ? »
- Réponse : 11, marge d'erreur ± 0,5
- Explication : « Le fond du puits de l'eau est à U = −34,00 meV et celui du néon à U = −3,10 meV. 34,00 ÷ 3,10 ≈ 11. L'attraction entre particules d'eau est environ onze fois plus forte dans ce modèle. »
4. Choix multiple · Après la simulation
- Question : « Sur l'écran Changements d'état, vous enfoncez le piston sur un gaz chaud. Que devient la pression ? »
- Options : Elle diminue / Elle reste la même / Elle augmente, et le récipient peut éclater (correcte) / Elle tombe à zéro
- Explication : « Les mêmes particules ont maintenant moins de place : elles heurtent plus souvent les parois et la pression monte. Un gaz chaud pousse plus fort parce que ses particules vont plus vite. Au-dessus d'environ 59 atm, le récipient de la simulation éclate. »
5. Réponse courte · Après la simulation
- Question : « Utilisez le modèle particulaire pour expliquer pourquoi l'eau bout à une température plus haute que le néon. »
- Réponses acceptées (facultatif) : laissez vide et lisez les réponses vous-même.
- Réponse modèle : « Bouillir signifie que les particules vont assez vite pour échapper à l'attraction de leurs voisines. Les particules d'eau s'attirent beaucoup plus fortement que celles du néon (un puits de potentiel plus profond) : elles doivent donc aller plus vite, c'est-à-dire à une température plus haute, avant de se libérer. »
Les questions 1 et 2 sont les prédictions, reposées après la simulation. Pour en savoir plus sur l'écriture de questions de ce type, voir bien écrire les questions d'un laboratoire virtuel.
Prolongement : la courbe de chauffage
La seconde simulation montre ce qu'enregistre un thermomètre pendant un changement d'état. Elle est plus simple, utilise les °C et convient de la 6e à la 5e.
Elle s'ouvre sur de l'eau à 20 °C et commence aussitôt à chauffer, à 15 °C par seconde. Les élèves regardent ensemble les particules et le graphique température–temps :
- Après environ 5,3 secondes, l'eau atteint 100 °C.
- Le graphique reste plat à 100 °C pendant 2,5 secondes, pendant que les particules passent à l'état gazeux une à une.
- Puis la température remonte.
Appuyez sur Refroidir pour le faire tourner à l'envers : liquéfaction à 100 °C, puis solidification à 0 °C, chacune avec son propre palier. Appuyez sur Maintenir sur le palier et demandez : « Le chauffage était allumé tout le temps. Où est passée l'énergie ? » Elle a servi à écarter les particules, pas à les faire aller plus vite.
Utilisez ensuite le curseur T : pour comparer les quatre substances à la même température :
| Substance | Fusion | Ébullition | État à −50 °C | État à −200 °C |
|---|---|---|---|---|
| Eau | 0 °C | 100 °C | solide | solide |
| Éthanol | −114 °C | 78 °C | liquide | solide |
| Mercure | −39 °C | 357 °C | solide | solide |
| Dioxygène | −219 °C | −183 °C | gaz | liquide |
Une limite à discuter : les deux paliers durent 2,5 secondes pour chaque substance. L'eau réelle demande environ sept fois plus d'énergie pour bouillir que pour fondre : son palier d'ébullition devrait donc être bien plus long.
Différenciation
Soutien :
- N'utilisez que l'argon et l'eau sur l'écran États, et les boutons Solide, Liquide et Gaz plutôt que le curseur.
- Donnez des débuts de phrases : « Dans le solide, les particules… Quand je l'ai chauffé, elles… »
- Commencez par la simulation de la courbe de chauffage, qui utilise les °C et nomme chaque changement d'état.
Approfondissement :
- Expliquer pourquoi la température fluctue même chauffage éteint.
- Comparer les étiquettes du modèle aux vraies températures d'ébullition (néon 27 K, argon 87 K, dioxygène 90 K, eau 373 K). Qu'est-ce que le modèle reproduit bien, et qu'est-ce qu'il ne reproduit pas ?
Élèves allophones : la simulation existe en six langues. Créez un second lien dans la langue de l'élève pour que les libellés lui soient familiers pendant que la discussion se déroule en français.
Correspondance avec les référentiels
Cette séance correspond à la norme américaine NGSS MS-PS1-4 : élaborer un modèle qui prédit et décrit les changements de mouvement des particules, de température et d'état d'une substance pure quand de l'énergie thermique est apportée ou retirée. Elle s'inscrit dans le thème du modèle particulaire du GCSE Combined Science britannique et dans un cours de chimie d'initiation au lycée.
Pour d'autres activités de chimie, voir idées de séances de chimie interactives. Pour des routines comme le travail en binôme et les démonstrations au projecteur, voir utiliser les simulations interactives en classe. Pour mener les étapes 1 et 2 comme un cycle Prédire–Observer–Expliquer complet, voir Prédire–Observer–Expliquer avec des simulations.
Questions fréquentes
Pourquoi la simulation utilise-t-elle les kelvins ?
Le mouvement des particules dépend de la température absolue, et les substances de la simulation changent d'état bien en dessous de 0 °C. Donnez aux élèves la règle « kelvin = °C + 273 ». Le prolongement sur la courbe de chauffage utilise les °C si votre classe n'est pas prête.
Pourquoi les particules restent-elles au fond de la boîte ?
La simulation ajoute un peu de pesanteur : un liquide se dépose donc comme un vrai. Le gaz, lui, remplit toujours tout le récipient.
Les élèves peuvent-ils utiliser des téléphones ?
Oui. Les élèves ouvrent le lien sans compte, et les curseurs, les boutons et le piston fonctionnent sur écran tactile. L'eau demande le plus de calculs : sur un ancien téléphone, elle peut donc tourner un peu plus lentement.