6 Expériences scientifiques simples de physique pour les enfants

La physique est la science naturelle qui traite de la matière, de l’énergie, du mouvement et de la force. Le but de l’étude de la physique est de comprendre comment notre monde, et par extension, comment notre univers fonctionne ! Voici 6 expériences scientifiques très simples à réaliser pour les enfants afin d’explorer la densité, la gravité, l’électricité et la pression. Vous avez probablement déjà le matériel dont vous aurez besoin qui traîne dans la maison : des œufs, de l’eau, du colorant alimentaire, des oranges, un peigne et même des spaghettis !

Changer la densité de l’eau

Avez-vous déjà vu un lac geler en hiver ? Lorsque la température baisse, une couche de glace se forme sur le dessus, mais sous la couche de glace, le lac est toujours là. Pourquoi cela se produit-il, et pourquoi pensez-vous que c’est si important ? Nous allons aborder ces questions dans l’expérience suivante. Nous allons examiner de près les effets de la température sur l’eau et voir ce qui se passe lorsque vous essayez de mélanger des eaux tempérées différemment.

Ce dont vous aurez besoin :

• Deux récipients tels que des bocaux ou des tasses à mesurer
• Eau
• Colorant alimentaire

Directions

1. Ajoutez environ quatre tasses d’eau dans un récipient. Ajoutez 2 à 3 gouttes de colorant alimentaire bleu et mélangez bien. Refroidissez au réfrigérateur pendant la nuit.

2. Faites chauffer environ 1 tasse d’eau jusqu’à ce qu’elle soit fumante ou juste bouillante. Ajoutez 2-3 gouttes de colorant alimentaire jaune et mélangez bien.

3. Versez lentement ~1/4 de tasse d’eau froide dans l’eau chaude. Assurez-vous de verser très lentement et le long du côté du récipient pour qu’il y ait un minimum de mélange. Vous devriez voir deux couches se former. Chronométrez le temps qu’il faut aux deux couches pour se réunir progressivement et former une seule couche verte.

Que se passe-t-il ?

Le changement de température de l’eau affecte sa densité. Lorsque l’eau se réchauffe, ses molécules vibrent et se déplacent. L’espace entre elles augmente donc, ce qui entraîne une baisse de la densité. Lorsque l’eau se refroidit, ses molécules ralentissent et se rapprochent les unes des autres. L’eau devient alors plus dense. Dans notre expérience, l’eau refroidie a coulé au fond parce qu’elle avait une densité plus élevée que l’eau chauffée. Elle est devenue verte parce qu’elle a touché une partie de l’eau chaude en descendant, la refroidissant et la faisant couler.

Dans la nature, ce phénomène est responsable d’un processus appelé « renouvellement ». L’enfoncement de l’eau plus froide et la remontée de l’eau plus chaude font que les couches d’un lac se mélangent, permettant aux nutriments tels que l’oxygène d’être dispersés partout. Alors pourquoi un lac ne gèle-t-il pas solidement du bas vers le haut ? La densité de l’eau continue d’augmenter jusqu’à ce qu’elle atteigne le point de congélation, mais ensuite sa densité change à nouveau. La glace étant beaucoup moins dense que l’eau liquide, toute eau qui gèle remonte à la surface. La glace forme une couche à la surface du lac, mais le lac reste liquide en dessous, permettant à la vie végétale et animale de survivre pendant l’hiver.

Comment faire couler ou nager une orange

Lorsqu’on essaie de deviner si un objet va flotter, il est utile de prendre en compte la densité de l’objet. La densité est définie comme la masse par unité de volume, et les objets ayant un rapport masse/volume plus élevé ont une densité plus élevée. Les objets qui sont plus denses que l’eau couleront, tandis que ceux qui sont moins denses resteront à flot.

Parce qu’elle est moins dense que l’eau, une orange non pelée flottera. Il devrait être logique que le fait de peler une orange, et donc de diminuer sa masse, devrait avoir peu ou pas d’effet. En fait, c’est le contraire qui se produit. Cela peut sembler contre-intuitif, mais dans l’expérience suivante, nous allons voir que le fait de peler une orange la fait en fait couler.

Ce dont vous aurez besoin :

• Un récipient à large ouverture comme un bocal
• Une orange
• Eau

Directions

1. Remplissez le bocal avec suffisamment d’eau pour couvrir une orange, si elle devait être immergée.

2. Placez délicatement une orange non pelée dans l’eau. Observez ce qui se passe. L’orange coule-t-elle ou flotte-t-elle ?

3. Retirez l’orange du bocal et pelez-la.

4. Remettez l’orange pelée dans le bocal. Que se passe-t-il maintenant pour l’orange ?

Que se passe-t-il ?

On pourrait penser que peler l’orange devrait lui permettre de flotter encore mieux, puisqu’en la pelant, on enlève une partie de sa masse et on la rend plus légère. En fait, ce que nous observons, c’est que peler une orange la fait couler. Cela semble illogique jusqu’à ce que vous considériez la nature de la densité.

La densité est définie comme la masse par volume. Une peau d’orange est très poreuse, ce qui signifie qu’elle a beaucoup de petits trous. Ces trous sont essentiellement de minuscules bulles d’air. Ces poches d’air sont des espaces vides, ou des poches sans masse qui, lors du calcul de la densité totale, servent à diminuer le résultat final. Lorsque vous enlevez la peau, les poches d’air sont supprimées. L’orange a maintenant une densité plus élevée, car sa masse par unité de volume augmente. L’orange est maintenant plus dense que l’eau. Elle coule donc. Ainsi, bien que cela semble aller à l’encontre de la raison, le résultat est en fait d’adhérer aux règles de la densité.

Comment utiliser la gravité pour dire si un œuf est cuit

La « gravité » est la force qui nous attire vers la terre, et elle est responsable de la chute des choses au sol lorsqu’elles sont lancées, ou lâchées d’une certaine distance. Le « centre de gravité », ou « centre de masse », est le point où se concentre le poids d’un objet. On peut le considérer comme le point sur lequel la gravité agit sur un objet.

Le fait d’avoir un centre de gravité stable rend possible des choses comme les toupies, ou pour un funambule de tenir en équilibre sur un fil fin. On peut aussi profiter de ce phénomène pour déterminer si un œuf est cuit, sans avoir à le casser !

Ce dont vous aurez besoin :

• 2 œufs
• 1 petite casserole
• Eau à bouillir

Directions

1. Faites bouillir à gros bouillons un des œufs. *Note : cette partie nécessite la surveillance d’un adulte. Il y a plusieurs façons de faire cuire un œuf dur, mais pour les besoins de cette expérience, nous voulons nous assurer que l’œuf est bien cuit dur. Pour ce faire, laissez l’œuf reposer dans de l’eau bouillante active pendant au moins 15 minutes.

2. Égouttez l’œuf et rincez-le sous l’eau froide. Placez l’œuf au réfrigérateur pendant une heure ou plus. C’est ainsi que vous ne pouvez pas savoir quel œuf est cuit simplement en vérifiant la température.

3. Retirez l’œuf cuit et l’œuf cru du réfrigérateur. Faites tourner les œufs, un par un, sur un plan de travail ou une surface propre. Notez les différences dans la façon dont chaque œuf bouge. Un œuf tourne en douceur tandis que l’autre oscille et est difficile à faire tourner.

Que se passe-t-il ?

Le contenu de la coquille de l’œuf cru est liquide, il est donc capable de bouger. Lorsque vous essayez de faire tourner l’œuf cru, son contenu se déplace. Cela fait que le centre de gravité de l’oeuf change constamment. Comme son centre de gravité n’est pas stable, l’œuf ne tourne pas en douceur, comme le ferait une toupie, mais oscille. L’œuf cuit, par contre, est solide à l’intérieur. Son centre de gravité reste le même. Par conséquent, l’œuf dur tourne en douceur et se distingue facilement de l’œuf cru sans qu’il soit nécessaire d’ouvrir l’un ou l’autre des œufs.

Tester un pont en spaghetti

L’une des décisions clés dans la construction est le choix des matériaux de construction. En fonction de leur composition, différents matériaux sont capables de résister à différentes charges. Nous pouvons examiner ce concept en construisant un pont miniature, puis en testant sa capacité à supporter un poids. Nous utiliserons des brins de spaghettis non cuits pour examiner comment la composition structurelle d’un matériau de construction particulier affecte sa capacité à résister à la pression.

Ce dont vous aurez besoin :

• Spaghetti
• Pince à papier ou crochet en S
• Petit gobelet en papier
• Plusieurs pièces de monnaie

Directions

1. Placez un brin de spaghetti non cuit entre deux bocaux ou deux boîtes de façon à ce que les spaghettis forment un pont.

2. Pliez le trombone pour former un crochet en S (ou utilisez simplement et crochet en S) et percez un trou dans le gobelet en papier. Suspendez le gobelet en papier à votre crochet, puis accrochez soigneusement le crochet et le gobelet sur le pont de spaghetti.

3. Ajoutez des pièces de monnaie dans le gobelet, une à la fois. Notez combien de pièces vous pouvez ajouter avant que les spaghettis ne se cassent.

4. Remettez l’expérience en place, mais cette fois, utilisez deux brins de spaghettis pour construire le pont. Combien de pièces de monnaie votre nouveau pont peut-il contenir avant de se briser maintenant ?

5. Répétez l’expérience en utilisant des quantités croissantes de brins de spaghetti. Que remarquez-vous sur la capacité du pont à transporter des pièces de monnaie lorsque vous ajoutez des brins de spaghetti supplémentaires ?

Que se passe-t-il ?

Un brin de spaghetti non cuit est très fragile, et se casse lorsqu’on lui applique une pression. Cependant, lorsque nous ajoutons des brins supplémentaires de spaghetti, la pression est répartie entre les brins, de sorte que la pression totale appliquée à chacun est plus faible. Les brins partagent essentiellement la charge, de sorte que le nombre de pièces qui peuvent être ajoutées avant que le pont ne se brise augmente.

Un exemple de matériau de construction qui utilise ce principe est le contreplaqué. Le contreplaqué est composé de plusieurs feuilles minces de placage de bois qui ont été collées ensemble. Il en résulte un matériau capable de résister à une plus grande quantité de pression que ne le permettrait une seule feuille.

Comment fabriquer un peigne « aimant »

Il y a de fortes chances que vous ayez fait l’expérience de l’électricité statique à un moment donné. Ce petit choc que vous ressentez parfois lorsque vous tendez la main vers une poignée de porte, la façon dont vos cheveux se dressent lorsque vous les brossez, la façon dont votre chapeau s’accroche à vos cheveux – tous ces exemples sont des exemples d’électricité statique.

Dans l’expérience suivante, nous allons utiliser l’électricité statique pour fabriquer un « aimant ». Nous allons générer une charge électrique sur un peigne à cheveux et examiner comment cette charge fonctionne. À la fin de l’expérience, nous comprendrons mieux l’électricité statique, pourquoi elle se comporte comme elle le fait et ce que nous pouvons faire pour minimiser ses effets dans notre vie quotidienne.

Ce dont vous aurez besoin :

• Un peigne à cheveux
• Un tissu
• Des ciseaux

Directions

1. Si votre tissu est à 2 épaisseurs, séparez les deux couches et n’en utilisez qu’une seule. À l’aide de ciseaux, coupez le tissu en quatre. Posez un des quarts à plat sur une table.

2. Passez un peigne dans vos cheveux plusieurs fois (au moins 12 fois) en succession rapide. Cela fonctionne mieux sur des cheveux propres et secs, et donnera les meilleurs résultats avec la partie la plus fine du peigne, ou l’extrémité où les dents sont plus rapprochées.

3. Immédiatement après avoir passé le peigne dans vos cheveux, touchez le peigne à un bord du tissu. Vous saurez que cela a fonctionné si le tissu se soulève pour rencontrer le peigne dès qu’il s’en approche. En utilisant votre nouveau peigne « magnétique », soulevez le tissu de la table et en l’air.

Que se passe-t-il ?

L’électricité statique est générée lorsque des particules chargées négativement appelées « électrons » sont transférées à un objet et peuvent s’accumuler. Dans le cas de notre expérience, l’objet était le peigne. Les électrons ont « sauté » de nos cheveux sur le peigne, donnant à ce dernier une charge négative temporaire. Comme les opposés s’attirent, les charges négatives du peigne ont été attirées par les charges positives du tissu, et le tissu a « collé » au peigne.

Les conditions plus sèches sont plus propices à l’accumulation d’électricité statique, c’est pourquoi vous avez tendance à obtenir plus de chocs statiques en hiver. C’est parce que l’eau est un excellent conducteur. En présence d’humidité, les charges électriques statiques qui s’accumulent naturellement sur une surface peuvent être absorbées par les particules d’eau en suspension dans l’air. Ces particules d’eau ne sont pas présentes pendant les conditions sèches, donc les charges s’accumulent, pour se dissiper d’un seul coup lorsqu’elles entrent en contact avec un autre objet, comme votre main sur une poignée de porte.

Faire flotter un œuf dans l’eau

Tout ne flotte pas dans l’eau. Un œuf, par exemple, va couler au fond lorsqu’il est placé dans un récipient rempli d’eau. Une balle de ping-pong, par contre, flottera. Pourquoi cela se produit-il ? Qu’est-ce qui fait que quelque chose flotte ou coule ? La réponse est la densité. Les objets qui sont plus denses que l’eau coulent. Ceux qui sont moins denses flotteront.

L’expérience suivante vous permettra d’observer l’effet de la densité en action. En changeant la densité de l’eau, nous pouvons modifier la capacité d’un œuf à flotter.

Ce dont vous aurez besoin :

• Un récipient transparent comme un bocal
• Un œuf (Remarque : il n’est pas nécessaire que l’œuf soit dur, mais il peut être moins éprouvant pour les nerfs de laisser les petits manipuler un œuf dur.)
• Eau
• Sel

Directions

1. Ajoutez 1 tasse d’eau dans le récipient vide, ou la quantité nécessaire pour remplir le récipient à moitié et permettre à un œuf d’être complètement submergé. Placez délicatement l’œuf dans l’eau et observez ce qui se passe.

2. Retirez l’œuf. Ajoutez 6 cuillères à soupe de sel à l’eau dans le récipient et remuez pour mélanger. Remettez délicatement l’œuf dans l’eau salée et observez.

3. Retirez l’œuf et rincez-le à l’eau douce. Lentement, pour ne pas perturber l’eau salée, ajoutez une tasse d’eau propre dans le récipient. Le but est de superposer l’eau douce sur l’eau salée, et non de mélanger les deux couches. Placez l’œuf dans le récipient une troisième fois.

Que se passe-t-il ?

Un œuf a une densité plus élevée que l’eau, il ne flottera donc pas. Cependant, lorsque nous avons ajouté du sel à l’eau, nous avons changé sa densité. Nous avons fait en sorte que l’eau ait une densité plus élevée que l’œuf. Grâce à cela, l’œuf a pu flotter. Pour mettre ce concept en évidence, nous avons ajouté une couche d’eau douce sur l’eau salée. L’œuf a coulé dans l’eau douce mais a cessé de couler lorsqu’il a atteint la couche d’eau salée.

Un point à souligner est qu’un objet n’a pas besoin de peser moins que l’eau pour flotter, il doit simplement être moins dense. Cela signifie qu’il doit avoir un plus grand nombre de poches d’espace vide par rapport à sa masse. C’est ainsi que les bateaux peuvent flotter malgré leur taille et leur poids, et c’est pourquoi une balle de ping-pong flotte, mais pas un œuf.