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Vos élèves vont consolider leur compréhension des propriétés de la matière au 1er cycle avant d’étudier la masse volumique au 2e cycle.
Le concept de masse volumique (symbolisée par la lettre grecque « Rho » ρ) est à la fois simple et complexe.
Sur le plan du calcul, il s’agit simplement d’un rapport entre la masse et le volume d’un corps, exprimé en g/cm3 ou kg/m3 pour un solide ou en g/mL pour un liquide.
Au niveau conceptuel, il est difficile d’utiliser le concept dans différentes situations. Par exemple, demandez à vos élèves « est-ce que la ligne de flottaison d’un bateau change au moment où il se trouve dans une écluse? » ou encore » pourquoi la glace flotte-t-elle? » et vous verrez que les réponses des élèves font appel à des expressions assez variées: « c’est à cause de la pesanteur », « je pense que la glace est moins lourde », « c’est compact, c’est dense »…
Histoire de la confusion entourant le concept de masse volumique
Dans le programme par objectif précédant le renouveau pédagogique, le concept de masse volumique était abordé dans les modules nommés « Roches et minéraux » et « Mélanges » du cours de Science physique 214. Les élèves pouvaient entre autres identifier des minéraux à l’aide de leur masse volumique et comparer cette masse volumique à celle du quartz (densité relative). Pour y arriver, ils devaient procéder par la technique de déplacement d’eau. Ils calculaient la masse volumique en g/cm3.
Notons au passage un fait qui entretien la confusion à propos de la terminologie à privilégier. La masse volumique se nomme density en anglais. En français, la densité d’un corps (relative density en anglais)
La réorganisation des concepts et techniques dans le Programme de formation de l’école québécoise (PFÉQ)
Avec le renouveau pédagogique, au moins deux concepts exigeant un formalisme mathématique ont été déplacés au deuxième cycle: la masse volumique et la relation chaleur-température (Q=MCΔT).
Cependant, plusieurs concepts du premier cycle « mettent la table » pour que ce concept soit compris en 3e secondaire.
D’abord la masse et le volume. Selon la progression des apprentissages (PDA), les élèves doivent « comparer les masses/volumes de différentes substances ayant le même volume/masse »
Classiquement, on utilise les ensembles de cylindres de même masse ou de même volume. Mais à quoi sert cette comparaison? Premièrement, l’élève doit reconnaître que plusieurs objets peuvent avoir la même masse ou volume, ce qui en font des propriétés non caractéristiques. Ensuite, il doit conclure que « les cylindres ont tous la même masse, mais leur taille (volume) est différente parce qu’ils sont constitués de matériaux différents ». À la fin de cet exercice, il doit en arriver à reconnaître que si deux cylindres ont la même masse et le même volume, alors ils sont composés du même matériau. Il est bien tentant d’achever de convaincre l’élève par le calcul de la masse volumique, mais ce n’est pas le but à ce stade. L’élève doit simplement reconnaître que « des matériaux différents ont des propriétés caractéristiques différentes ».
L’étude des propriétés caractéristiques au premier cycle
L’élève du premier cycle étudie les propriétés et l’organisation de la matière. Il apprend à discerner les propriétés qui sont non caractéristiques (masse, volume, température) des propriétés qui sont caractéristiques (acidité/basicité, dureté d’un minéral, flottabilité). Il peut étudier d’autres propriétés, comme la conductibilité ou la dilatation thermique, si la situation le demande, mais l’observation restera qualitative et intéressée à l’usage qu’on en fait (ex.: on utilise le métal pour conduire la chaleur dans un poêlon).
La flottabilité est un bel exemple de propriété caractéristique apparentée à la masse volumique qu’on peut étudier en classe. Les élèves pourraient, par exemple, déposer différents morceaux de plastique de même taille dans un contenant rempli d’eau et constater que le coroplaste et le MPVC flottent, tandis que le styrène, styrène sandgrain et ABS coulent et ce, peut importe leur masse ou leur volume. La flottabilité est une propriété caractéristique et le fait que tous les plastiques ne se comportent pas de manière identique prouve qu’ils ne sont pas composés des mêmes substances. En effet, les plastiques sont une famille chimique. Est-ce nécessaire de mesurer leur masse volumique? Non.
D’où vient l’ambiguïté liée à l’enseignement de la masse volumique?
Les éditeurs de matériel didactique ont produit des livres et des cahiers qui proposent une analyse détaillée des propriétés caractéristiques de la matière et des propriétés des minéraux. À titre d’exemple, Univers 1 (2005) aborde les propriétés caractéristiques suivantes: point de fusion et d’ébullition, conductibilité électrique, masse volumique et densité, dureté, solubilité, acidité et basicité, conductibilité thermique et d’autres (ductilité, malléabilité…).
Il va sans dire qu’on allait beaucoup trop en profondeur dans l’étude de ces propriétés. La PDA visait justement à recadrer les apprentissages attendus.
Qu’en est-il des plus récents cahiers d’apprentissage soi-disant « conformes à la Progression des apprentissages »? Ont-ils restreint l’étendue des connaissances présentées aux élèves?
Origine 2 (Éditions CEC), édité en 2014, rapporte en détail plusieurs propriétés de nombreux minéraux aux pages 262-263: couleur du trait, dureté (échelle de Mohs) et… la masse volumique! On y revient toujours.
Il n’y a pas que les éditeurs qui sont responsables du « flou » entourant la question de l’enseignement du concept de masse volumique.
Ainsi, dans la PDA, on attend des élèves qu’ils sachent « mesurer le volume d’un solide insoluble par déplacement d’eau ». À quoi peut bien servir la mesure d’un solide (irrégulier) par cette technique si ce n’est que pour calculer sa masse volumique?
Par ailleurs, certaines épreuves pratiques de 2e secondaire (ex.: Otzi, MELS, 2007) exigent des élèves qu’ils comparent des solides pour en conclure que tel échantillon est « deux fois plus lourd pour un même volume ».
Otzi, tâche évaluative MELS 2007
Conclusion
Il est tentant de traiter le concept de masse volumique au premier cycle, mais il est important et tout à fait possible d’étudier les propriétés et le comportement de la matière de manière qualitative en première et deuxième secondaire. Il faut également se rappeler que le but du cours de science et technologie n’est pas que théorique: l’élève doit vivre des démarches d’apprentissage centrées sur des questions et des problématiques d’ordre scientifiques et technologiques.
Et à ce sujet, il reste beaucoup de travail à faire.
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