TP virtuel sur la photosynthèse : intensité lumineuse

Ce TP virtuel sur la photosynthèse correspond au TP obligatoire d'AQA GCSE sur l'intensité lumineuse et la vitesse de la photosynthèse, et accompagne l'investigation sur la photosynthèse d'AP Biology. Les élèves placent un brin d'élodée sous une lampe, comptent les bulles d'oxygène à sept niveaux de lumière et tracent la vitesse en fonction de l'intensité lumineuse. Ils mettent ensuite la lumière au maximum et augmentent le CO₂ pour trouver le facteur limitant. Ils repartent avec une courbe de vitesse et une idée claire des facteurs limitants. Tous les nombres ci-dessous ont été lus dans la simulation.

Liens avec les programmes

• AQA GCSE Biology : point 4.4.1.2 du programme, vitesse de la photosynthèse, et son TP obligatoire sur l'effet de l'intensité lumineuse sur la vitesse de la photosynthèse avec une plante aquatique. L'étape sur le CO₂ couvre les facteurs limitants (niveau higher tier).
• AP Biology : Unit 3 (Cellular Energetics), topic 3.5, photosynthèse (ENE-1), et l'investigation AP sur la photosynthèse. Le TP AP chronomètre des disques de feuille qui remontent à la surface ; cette simulation compte plutôt des bulles d'oxygène, avec les mêmes variables.
• NGSS : HS-LS1-5 (standard américain), comment la photosynthèse transforme l'énergie lumineuse en énergie chimique stockée.
• Simulic n'est pas affilié au College Board ni à AQA, et n'est pas approuvé par eux.

Avant le TP (5 min)

Demandez : « Le CO₂ reste à 0,04 % et l'eau à 25 °C. Quand la lumière passe de 0 % à 100 %, comment le rythme des bulles va-t-il évoluer ? » Les élèves choisissent une droite, une hausse rapide qui se stabilise, un pic puis une chute, ou aucun changement, et écrivent une raison. Sur un lien de classe, c'est la question 1 ; la simulation se débloque une fois qu'ils ont répondu.

Protocole dans la simulation

La lumière est donnée en pourcentage de la pleine puissance de la lampe, pas en distance en cm. Rapprocher la lampe augmente la lumière, comme dans le TP réel, et le curseur Lumière suit. La simulation ne chauffe pas l'eau : la température a son propre curseur.

1. Réglez CO₂ = 0,04 % et Température = 25 °C avec les curseurs sous l'image. Choisissez Selon la lumière.
2. Réglez Lumière sur 10 %. Appuyez sur Réinitialiser, attendez 30 secondes et lisez « Compté : … bulles en … s ». Doublez le nombre pour obtenir des bulles par minute.
3. Notez la vitesse affichée à côté des boutons : « Intensité de la photosynthèse ≈ … bulles/min ».
4. Recommencez pour chaque niveau de lumière du tableau. À 0 %, aucune bulle ne se forme.
5. Test du facteur limitant. Réglez la lumière sur 100 %. Donnez au CO₂ chaque valeur du second tableau et notez la vitesse.
6. Contrôle de la température. Réglez la lumière sur 60 % et le CO₂ sur 0,04 %. Notez la vitesse à 20, 25 et 30 °C.
7. Tracez les bulles par minute en fonction de l'intensité lumineuse.

Lumière (%)	0	10	20	40	60	80	100
Bulles comptées en 30 s
Bulles par minute (nombre × 2)
Vitesse affichée (bulles/min)

CO₂ à 100 % de lumière (%)	0,02	0,04	0,06	0,08	0,10
Vitesse affichée (bulles/min)

Résultats attendus

Avec le CO₂ à 0,04 % et 25 °C, la vitesse affichée est de 0, 21, 33, 45, 52, 56 et 59 bulles/min à 0, 10, 20, 40, 60, 80 et 100 % de lumière. Les premiers 10 % de lumière ajoutent 21 bulles/min ; les 20 derniers % n'en ajoutent que 3. La courbe monte vite, puis se stabilise.

Les comptages varient, car les bulles se forment au hasard. Lors d'un test de 30 secondes à 60 % de lumière, le compteur a indiqué 27 bulles (54 par minute) pour 52 attendues. Deux comptages et une moyenne rapprochent les élèves de la courbe.

À 100 % de lumière, augmenter le CO₂ donne 41, 59, 69, 75 et 80 bulles/min à 0,02 ; 0,04 ; 0,06 ; 0,08 et 0,10 %. À forte lumière, c'est donc maintenant le CO₂ qui est le facteur limitant. Avec la lumière à 60 %, la vitesse est de 33 bulles/min à 20 °C, 52 à 25 °C et 61 à 30 °C : un petit changement de température a un grand effet.

Questions pour les élèves

1. Prédiction : quand la lumière passe de 0 % à 100 % (CO₂ 0,04 %, 25 °C), comment le rythme des bulles va-t-il évoluer ?
2. Dans l'expérience sur l'intensité lumineuse, quelles sont les variables contrôlées ?
3. CO₂ 0,04 %, 25 °C, lumière 40 %. Quelle est la vitesse en bulles par minute ?
4. À 100 % de lumière et 25 °C, de combien la vitesse augmente-t-elle quand le CO₂ passe de 0,04 % à 0,08 % ?
5. Une vraie lampe chauffe aussi l'eau. Utilisez la simulation pour expliquer pourquoi c'est important, et proposez une amélioration.

Réponses pour l'enseignant :

1. Elle monte vite au début, puis se stabilise.
2. La concentration en CO₂ et la température.
3. 45 bulles/min (accepté à ± 1).
4. 59 → 75, soit une hausse de 16 bulles/min (accepté à ± 1).
5. De 25 °C à 30 °C, la vitesse passe de 52 à 61 bulles/min. Une lampe qui chauffe l'eau change deux variables à la fois. Utilisez une LED ou un écran thermique rempli d'eau, et contrôlez la température avec un thermomètre.

Idées fausses fréquentes

• « Plus de lumière donne toujours proportionnellement plus de bulles. » Doubler la lumière de 40 % à 80 % ne fait passer la vitesse que de 45 à 56.
• « Les bulles sont du dioxyde de carbone. » Ce sont des bulles de dioxygène, un produit de la photosynthèse.
• « Quand la courbe se stabilise, la plante est à son maximum. » À 100 % de lumière, plus de CO₂ fait passer la vitesse de 59 à 80.

Prolongement

• Courbe de température. Choisissez Selon la température et esquissez la courbe à pleine lumière. La vitesse culmine vers 30 °C et s'annule au-delà de 45 °C. Demandez pourquoi la forme diffère de celle de la courbe de lumière.
• Loi de l'inverse du carré (GCSE). Dans le TP réel, placer la lampe à une distance deux fois plus grande divise l'intensité lumineuse par quatre. Les élèves utilisent leur courbe pour prédire la vitesse au quart de la pleine lumière, puis règlent la lumière sur 25 % pour vérifier : la vitesse affichée est de 37 bulles/min.

Questions fréquentes

Pourquoi la simulation donne-t-elle la lumière en pourcentage plutôt qu'en distance ?

Les vraies lampes sont toutes différentes : une distance en cm ne correspondrait pas à un vrai luxmètre. Le pourcentage, c'est la lumière qui atteint la plante. Les élèves peuvent quand même rapprocher ou éloigner la lampe, comme au laboratoire.

Les élèves doivent-ils compter les bulles ou utiliser la vitesse affichée ?

Les deux. Compter entraîne le geste expérimental et montre pourquoi les répétitions comptent. Les questions utilisent la vitesse affichée, pour que chaque élève obtienne la même valeur.

Puis-je fixer les valeurs de départ pour ma classe ?

Oui. Dans la page de partage, créez un lien et réglez la lumière, le CO₂ et la température dans les valeurs de départ. Les élèves peuvent toujours bouger les curseurs : rappelez donc les réglages dans vos consignes.

Voir aussi

Intensité de la photosynthèse – lumière, CO₂, température et point de compensation Activité enzymatique selon la température, le pH, la concentration en substrat et les inhibiteurs

Le guide du plan de séance 5E utilise cette simulation pour une séance d'investigation complète. Pour construire vos propres tableaux et vérifications numériques, voir créer une activité de laboratoire virtuel.