Sciences et technologie · CE2 · Matière et mouvement : les secrets de l'eau · 1er Trimestre

Changements d'état de l'eau: Fusion et Solidification

Les élèves observent et expliquent les processus de fusion et de solidification de l'eau, en mesurant les températures associées.

• Programmes Officiels
• MEN: Cycle 3 - Observer et interpréter les changements d'état de l'eau
• MEN: Cycle 3 - Mesurer la température lors des changements d'état

À propos de ce thème

La fusion et la solidification sont les deux premiers changements d'état étudiés au CE2 dans le cadre du programme de l'Éducation Nationale. Les élèves observent qu'en chauffant de la glace, elle se transforme en eau liquide (fusion), et qu'en refroidissant de l'eau, elle redevient solide (solidification). L'accent est mis sur la mesure de la température à chaque étape, ce qui introduit la notion de palier thermique : la température reste stable à 0°C pendant toute la durée du changement d'état.

Ce sujet lie étroitement sciences et mathématiques. Les élèves relèvent des températures toutes les minutes, reportent les valeurs sur un graphique et constatent visuellement le plateau à 0°C. Cette démarche expérimentale rigoureuse les prépare à la lecture de courbes et au raisonnement quantitatif.

L'approche active est particulièrement efficace ici, car le palier de température est contre-intuitif. Les élèves s'attendent à ce que la température baisse sans arrêt. Seule la mesure directe, répétée et discutée en groupe, permet de dépasser cette attente et de construire un savoir solide.

Questions clés

1. Expliquez le processus de fusion et de solidification de l'eau.
2. Analysez l'impact de la température sur les changements d'état de l'eau.
3. Prédisez ce qui se passe lorsque la glace est chauffée ou l'eau est refroidie.

Objectifs d'apprentissage

• Expliquer le processus de fusion de la glace en eau liquide en identifiant le rôle de la température.
• Décrire le processus de solidification de l'eau en glace en identifiant le rôle de la température.
• Comparer les observations de température pendant la fusion et la solidification pour identifier un palier thermique.
• Calculer la durée de chaque changement d'état à partir de relevés de température effectués à intervalles réguliers.
• Représenter graphiquement l'évolution de la température au cours des changements d'état de l'eau.

Avant de commencer

Les états de la matière : solide, liquide, gaz

Pourquoi : Les élèves doivent connaître les trois états de la matière pour comprendre les transformations entre solide et liquide.

Utilisation du thermomètre

Pourquoi : La mesure précise de la température est fondamentale pour observer et comprendre les paliers thermiques.

Vocabulaire clé

Fusion	Transformation de l'eau de l'état solide (glace) à l'état liquide par augmentation de la température.
Solidification	Transformation de l'eau de l'état liquide à l'état solide (glace) par diminution de la température.
Palier thermique	Période pendant laquelle la température reste constante malgré l'apport ou le retrait de chaleur, comme lors d'un changement d'état.
Thermomètre	Instrument utilisé pour mesurer la température, essentiel pour observer les changements d'état de l'eau.

Attention à ces idées reçues

Idée reçue courante

La température continue de baisser tant qu'il reste de la glace dans le verre.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Les élèves imaginent une descente continue. Le relevé régulier de la température montre un plateau stable à 0°C pendant toute la coexistence eau-glace. Ce constat, issu de leur propre mesure, est bien plus convaincant qu'une affirmation de l'enseignant.

Idée reçue courante

L'eau gèle à des températures différentes selon le récipient.

Ce qu'il faut enseigner à la place

Certains élèves pensent que la taille ou la forme du contenant change la température de solidification. En comparant les résultats de plusieurs groupes avec des récipients différents, la classe constate que le point de solidification reste à 0°C.

Idées d'apprentissage actif

Investigation collaborative : La course de la fonte

Chaque groupe reçoit un glaçon identique et un thermomètre. Ils relèvent la température toutes les deux minutes et tracent la courbe au tableau. La comparaison des courbes entre groupes permet de vérifier la reproductibilité du palier à 0°C.

40 min·Petits groupes

Penser-Partager-Présenter: La température s'arrête-t-elle vraiment ?

Après l'expérience, l'enseignant demande : « La température a-t-elle arrêté de descendre ou de monter à un moment ? » Chaque élève consulte sa courbe, en discute avec son voisin, puis les binômes partagent leur conclusion avec la classe.

15 min·Binômes

Rotation par ateliers: Fusion et solidification

Trois ateliers : fondre un glaçon en le tenant dans ses mains et mesurer la durée, placer un petit pot d'eau au congélateur (observation différée), et trier des images de situations de fusion/solidification dans la nature (verglas, fonte des neiges, stalactites de glace).

45 min·Petits groupes

Liens avec le monde réel

• Les glaciers fondent en été, un phénomène de fusion observé par les glaciologues qui étudient l'impact du réchauffement climatique sur ces masses d'eau.
• La fabrication de glaçons pour les boissons est un exemple quotidien de solidification. Les réfrigérateurs abaissent la température de l'eau jusqu'à ce qu'elle gèle.
• Les météorologues utilisent des thermomètres pour suivre les températures et prévoir les gelées qui peuvent entraîner la solidification de l'eau sur les routes, nécessitant l'intervention des agents d'entretien hivernal.

Idées d'évaluation

Billet de sortie

Demandez aux élèves de dessiner deux schémas : un montrant la fusion de la glace et un autre la solidification de l'eau. Ils doivent légender chaque schéma avec le nom du changement d'état et indiquer la température observée (0°C).

Question de discussion

Présentez aux élèves un graphique montrant l'évolution de la température de l'eau lors d'un changement d'état. Posez les questions : 'Que se passe-t-il entre la minute 5 et la minute 10 ? Comment expliquez-vous que la température ne change pas ? Quel nom donne-t-on à ce phénomène ?'

Vérification rapide

Pendant l'expérience, demandez à quelques élèves de lire la température affichée par le thermomètre et de la noter sur une ardoise. Vérifiez rapidement la cohérence des mesures et l'exactitude de la lecture.

Questions fréquentes

Comment montrer la solidification en classe sans congélateur ?

Un mélange réfrigérant (glace pilée + gros sel) dans un grand saladier permet de descendre bien en dessous de 0°C. Placez un petit tube d'eau dans ce bain et les élèves observeront la solidification en temps réel, thermomètre en main, en une vingtaine de minutes.

Pourquoi la température reste-t-elle constante pendant un changement d'état ?

Au CE2, on explique que toute l'énergie (la chaleur) est « utilisée » pour transformer la glace en eau, au lieu de faire monter la température. L'analogie fonctionne bien : c'est comme si l'énergie « travaillait » à casser la glace plutôt qu'à chauffer l'eau.

Comment l'apprentissage actif aide-t-il à comprendre les changements d'état ?

Le palier de température est contre-intuitif. Les élèves s'attendent à une baisse ou une montée continue. En mesurant eux-mêmes, en traçant leur propre courbe et en comparant avec leurs camarades, ils vivent la surprise du plateau. Cette expérience directe ancre le concept bien mieux qu'un schéma tout fait.

Quel lien avec le programme de mathématiques ?

Le relevé de températures renforce la lecture de graduations, la gestion des nombres négatifs et la construction de graphiques. C'est une application concrète du repérage sur une droite graduée et de l'organisation de données dans un tableau.