Science expérimentale : étude de cas et exercices progressifs corrigés

En sciences physiques, on ne croit pas une idée sur parole : on la teste par une expérience bien construite, où l'on ne change qu'un seul facteur à la fois, puis on conclut à partir des mesures.

Objectifs

Appliquer la démarche expérimentale à une situation réelle, étape par étape.
Identifier le facteur testé, l'expérience témoin et ce que l'on mesure.
Critiquer un protocole mal construit et le corriger.
Exploiter des mesures répétées (moyenne) pour écrire une conclusion prudente.

Notions clés en bref

La démarche expérimentale enchaîne toujours les mêmes étapes :

flowchart LR
  A[Observation] --> B[Question]
  B --> C[Hypothese]
  C --> D[Experience]
  D --> E[Resultats]
  E --> F[Conclusion]
  F -->|hypothese rejetee| C

Hypothèse : réponse possible à la question, que l'on peut tester. Elle n'est ni vraie ni fausse avant l'expérience.
Facteur testé (ou variable) : la seule chose que l'on change entre deux montages.
Expérience témoin : le montage identique où le facteur testé n'est pas modifié. Il sert de point de comparaison.
Grandeur mesurée : ce que l'on mesure avec un instrument (thermomètre, chronomètre, balance, éprouvette graduée…) pour comparer les montages.
Conclusion : on dit si les résultats confirment ou rejettent l'hypothèse, seulement dans les conditions testées.

À quoi sert l'expérience témoin ?

À remplacer l'expérience principale si elle rate.
À comparer les résultats avec un montage où le facteur testé n'est pas modifié.
À tester une deuxième hypothèse en même temps.

Le témoin est identique en tout sauf pour le facteur testé : c'est la comparaison avec lui qui montre l'effet de ce facteur.

Étude de cas : le canari d'Aminata

Étape 1 : deux canaris identiques reçoivent le même volume de la même eau, à la même température, avec un thermomètre chacun.

Étape 2 : seul le canari B est entouré d'un film plastique qui empêche l'eau de sortir par les pores. Le canari A, non modifié, est le témoin.

Étape 3 : après 3 heures à l'ombre, on lit les thermomètres. L'eau du canari A, où l'évaporation est possible, est la plus fraîche.

Retrouve chaque étape de la démarche dans ce cas avant d'ouvrir la correction.

Voir la solution

Observation : l'eau du canari est plus fraîche que celle du bidon.
Question : pourquoi l'eau du canari se refroidit-elle ?
Hypothèse : l'eau qui traverse la paroi poreuse s'évapore et refroidit le canari.
Facteur testé : la possibilité d'évaporation à travers la paroi (pores ouverts ou bouchés).
Témoin : le canari A, à paroi nue.
Grandeur mesurée : la température de l'eau, en °C, au thermomètre.
Résultats (relevés d'Aminata) : 24 °C dans A, 29 °C dans B, pour 30 °C au départ.
Conclusion : les résultats confirment l'hypothèse : quand l'évaporation par la paroi est empêchée, l'eau se refroidit beaucoup moins.

Dans l'expérience d'Aminata, quelle condition doit être la même pour les deux canaris ?

La présence du film plastique.
La température finale de l'eau.
Le volume et la température de départ de l'eau.

Tout doit être identique au départ sauf le facteur testé. La température finale, elle, est le résultat mesuré.

Exercices progressifs corrigés

Niveau 1 : remettre la démarche dans l'ordre

Voir la solution

1. Question : « Le fer rouille-t-il à cause de l'eau ? » 2. Hypothèse : « Je pense que l'eau fait rouiller le fer. » 3. Expérience : un clou dans l'eau, un clou identique au sec. 4. Résultat : seul le clou dans l'eau a rouillé. On peut alors conclure que, dans ces conditions, l'eau favorise la rouille.

Niveau 2 : identifier facteur testé, témoin et mesure

Exercice. Pour préparer du bissap, Nadia met 2 morceaux de sucre dans 200 mL d'eau froide et 2 morceaux identiques dans 200 mL d'eau chaude, puis mesure le temps de dissolution sans remuer.

Étape 1 : la seule différence entre les deux verres est la température de l'eau. C'est le facteur testé.

Étape 2 : les conditions gardées identiques sont la quantité de sucre, le volume d'eau et l'absence d'agitation.

Étape 3 : la grandeur mesurée est la durée de dissolution, au chronomètre.

Étape 4 : le verre d'eau froide, à température ordinaire, peut servir de témoin.

Niveau 3 : critiquer un protocole

Exercice. Moussa veut savoir si l'engrais fait mieux pousser le gombo. Il plante un pied avec engrais au soleil et un pied sans engrais à l'ombre, puis compare les hauteurs après un mois. Qu'en penses-tu ?

Voir la solution

Moussa change deux facteurs à la fois : l'engrais et la lumière. Si le pied avec engrais est plus grand, on ne sait pas si c'est grâce à l'engrais ou au soleil. Protocole corrigé : deux pieds (mieux, plusieurs) plantés au même endroit, même sol, même arrosage, même lumière ; seul l'engrais diffère. Les pieds sans engrais forment le témoin.

Niveau 4 : exploiter des mesures répétées

Exercice. Awa chronomètre trois fois le temps nécessaire pour faire bouillir 0,5 L d'eau sur le même réchaud : 4 min 10 s, 4 min 20 s et 4 min 0 s. Calcule la durée moyenne.

Étape 1 : on convertit en secondes : 250 s, 260 s et 240 s.

Étape 2 : on calcule la moyenne : \[ t_{\text{moy}} = \frac{250 + 260 + 240}{3} = \frac{750}{3} = 250 \ \text{s} \]

Étape 3 : on revient en minutes : 250 s = 4 min 10 s.

Étape 4 : les trois mesures sont proches, ce qui rend le résultat fiable. Une seule mesure aurait pu être faussée par une erreur de lecture.

Pourquoi répète-t-on une mesure plusieurs fois ?

Pour limiter l'effet des erreurs de mesure et obtenir une valeur plus fiable.
Pour obtenir le résultat que l'on espérait.
Pour pouvoir changer de facteur testé entre deux mesures.

Chaque mesure contient une petite erreur. En répétant et en faisant la moyenne, on réduit leur influence.

Erreurs fréquentes

Confondre observation et hypothèse : « l'eau du canari est fraîche » est une observation ; « l'évaporation refroidit l'eau » est une hypothèse.
Croire qu'une hypothèse rejetée est un échec : c'est un résultat utile. On formule une nouvelle hypothèse et on recommence.
Généraliser trop vite : l'expérience d'Aminata montre l'effet de l'évaporation pour ces canaris, à l'ombre, pendant 3 heures ; pour d'autres conditions, il faudrait d'autres essais.
Oublier les unités : un résultat « 24 » ne veut rien dire ; on écrit 24 °C.

Récapitulatif

Hypothèse

Réponse possible à une question, qu'une expérience peut confirmer ou rejeter.

Facteur testé

La seule condition que l'on change entre deux montages.

Expérience témoin

Montage identique où le facteur testé n'est pas modifié, pour comparer.

Mesures répétées

Plusieurs mesures et leur moyenne rendent le résultat plus fiable.

Conclusion

Dire si l'hypothèse est confirmée ou rejetée, dans les conditions testées.