Expériences scientifiques à faire à la maison, et ce qu’elles expliquent
Un œuf, un ballon, un citron : de quoi faire de vraies expériences avec votre enfant, la plupart en quelques minutes. Avant chaque essai, il fait son pari ; ensuite, vous trouvez ici l’explication juste, puis l’atelier qui va plus loin.
Tout se fait avec des objets de la maison et des produits de cuisine. Quand il faut une flamme, de l’eau très chaude, un couteau ou une aiguille, c’est un adulte qui s’en charge : c’est indiqué à chaque fois.
1Où passe le sel quand il disparaît dans l’eau ?
L’expérience du sel qui disparaît
Il vous faut
quatre verres d’eau
du sel, du sucre, un peu de sable (ou de terre) et un peu d’huile
une cuillère
une assiette creuse
Ce qu’on fait
Avant de verser, faites parier votre enfant pour chaque verre : la matière va-t-elle disparaître, tomber au fond ou rester au-dessus ?
Versez une cuillerée de chaque matière dans son verre, et remuez bien.
Goûtez une goutte d’eau salée et une goutte d’eau sucrée.
Versez un peu d’eau très salée dans l’assiette creuse, posez-la près d’une fenêtre et attendez quelques jours.
Ce qu’on voit
Le sel et le sucre disparaissent, mais l’eau a leur goût. Le sable tombe au fond, l’huile reste au-dessus. Dans l’assiette, une fois l’eau partie, des cristaux de sel apparaissent.
Pourquoi
Le sel et le sucre se dissolvent : l’eau les sépare en particules bien trop petites pour être vues et les disperse dans tout le verre. Ils sont toujours là, le goût le prouve, et l’évaporation les rend. Le sable ne se dissout pratiquement pas, et l’huile ne se mélange pas à l’eau : plus légère qu’elle pour un même volume, elle reste au-dessus. Et l’eau ne dissout pas le sel sans fin : vers 36 g pour 100 g d’eau à 20 °C, le sel ajouté reste au fond.
des confettis ou de petits morceaux de papier très fin
un aimant
Ce qu’on fait
Frottez un ballon sur les cheveux de votre enfant, puis approchez-le doucement de sa tête, sans la toucher.
Frottez les deux ballons et suspendez-les côte à côte par leurs fils.
Approchez un ballon frotté de confettis posés sur la table, puis faites de même avec l’aimant.
Posez un ballon frotté contre un mur, et lâchez-le.
Ce qu’on voit
Les cheveux se soulèvent vers le ballon. Les deux ballons suspendus s’écartent l’un de l’autre. Les confettis sautent vers le ballon, mais pas vers l’aimant, et le ballon reste parfois collé au mur. Par temps humide, tout peut rater : l’expérience marche mieux dans l’air sec d’une pièce chauffée, en hiver.
Pourquoi
En frottant, de minuscules particules de la matière, les électrons, passent des cheveux au ballon : le ballon devient négatif, les cheveux positifs (c’est l’explication des manuels ; les chercheurs en étudient encore le détail). Deux charges contraires s’attirent, deux charges de même signe se repoussent : voilà les cheveux dressés et les ballons qui s’écartent. Les confettis, eux, ne sont pas chargés : à l’approche du ballon, leurs électrons se décalent un peu, et le côté le plus proche se fait attirer. C’est de l’électricité, pas du magnétisme : l’aimant, lui, n’attire pas le papier.
3Peut-on fabriquer une boussole avec une aiguille ?
La boussole maison : l’aiguille aimantée
Il vous faut
une aiguille à coudre en acier
un aimant
une rondelle de bouchon de liège
un bol d’eau
Ce qu’on fait
L’adulte frotte l’aiguille une vingtaine de fois avec un bout de l’aimant, toujours dans le même sens.
Il la pose à plat sur la rondelle de liège, et l’on fait flotter le tout au milieu du bol, loin des objets en fer.
Quand l’aiguille est immobile, tournez doucement le bouchon d’un quart de tour, et lâchez.
Approchez l’aimant du bol, d’un côté puis de l’autre.
Ce qu’on voit
L’aiguille s’oriente d’elle-même dans la direction nord-sud, et elle y revient chaque fois qu’on la tourne. Quand l’aimant approche, elle pivote vers lui ou s’en détourne, selon le bout qu’on lui présente.
Pourquoi
Frottée par l’aimant, l’aiguille devient elle-même un petit aimant, avec un pôle nord et un pôle sud. La Terre se comporte comme un très grand aimant : c’est elle qui tourne l’aiguille vers le nord. Il n’y a pourtant pas d’aimant dans la Terre, son centre est bien trop chaud pour cela : son champ naît dans le noyau, où du fer liquide bouge sans cesse. Et comme deux pôles contraires s’attirent, le « pôle Nord magnétique » est, pour un physicien, un pôle de type sud.
des graines de radis non traitées (le sachet l’indique)
du coton et quatre gobelets transparents
de l’eau et un peu d’huile de cuisine
une casserole, pour l’adulte
Ce qu’on fait
Dans chaque gobelet, posez dix graines sur du coton. Faites parier : de quoi ont-elles besoin, d’eau, d’air, de lumière ?
Gobelet A, le témoin : coton humide, près d’une fenêtre. Gobelet B : coton sec.
Gobelet C : l’adulte fait bouillir de l’eau et la laisse refroidir complètement ; on en recouvre les graines, puis on verse dessus une fine couche d’huile.
Gobelet D : coton humide, dans un placard, à la même température que le témoin. Chaque gobelet ne diffère du témoin que par une seule chose ; au réfrigérateur, il en changerait deux, car il y fait froid et noir.
Chaque jour, comptez dans chaque gobelet les graines dont la petite racine est sortie.
Ce qu’on voit
En quelques jours, les graines germent dans le témoin et dans le placard. Rien ne germe sur le coton sec, et presque rien sous l’eau et l’huile.
Pourquoi
Une graine sèche n’est pas morte : elle vit au ralenti, avec une toute petite plante et ses réserves à l’intérieur. Pour se réveiller, il lui faut de l’eau, qu’elle boit en gonflant, de l’air, car elle se remet à respirer, et une température qui lui convient. Dans le gobelet C, l’eau bouillie a perdu son air et l’huile l’empêche presque de revenir : de l’eau, mais pas d’air. La lumière, elle, n’est pas nécessaire au radis, ce qui tombe bien : sous la terre, il fait noir.
Remplissez un verre de glaçons, ajoutez un peu d’eau et remuez. Faites parier : que va faire le thermomètre pendant que la glace fond ?
Plongez le thermomètre et lisez-le toutes les cinq minutes, en remuant.
Dans l’autre verre, versez de l’eau très froide colorée d’un peu de sirop.
Regardez l’extérieur des deux verres, et passez-y le doigt.
Ce qu’on voit
Le thermomètre reste près de 0 °C tant qu’il reste de la glace, même si la pièce est chaude. Dehors, les verres se couvrent de buée, et celle du verre de sirop n’est pas colorée.
Pourquoi
Pendant que la glace fond, la chaleur de la pièce sert à défaire le rangement des molécules d’eau de la glace, pas à les agiter davantage : la température reste à 0 °C, c’est un palier. L’eau ne se réchauffe qu’une fois la glace fondue. La buée, elle, vient de l’air : il contient de la vapeur d’eau invisible, qui redevient liquide au contact du verre froid, et c’est pourquoi elle n’a pas la couleur du sirop.
6Pourquoi le métal paraît plus froid que le bois ?
Les deux cuillères et le glaçon en chaussette
Il vous faut
une cuillère en métal, une cuillère en bois et un torchon
un thermomètre de cuisine
deux glaçons pareils, sur deux soucoupes
une chaussette en laine sèche
Ce qu’on fait
Laissez les deux cuillères et le torchon une heure sur la table.
Les yeux fermés, votre enfant les touche et les range du plus froid au moins froid.
Mesurez-les ensuite avec le thermomètre.
Enroulez un glaçon dans la chaussette, laissez l’autre à l’air, et faites parier : lequel fondra le premier ? Regardez-les toutes les quinze minutes.
Ce qu’on voit
La cuillère en métal paraît la plus froide, mais le thermomètre donne la même température aux trois objets : celle de la pièce. Et le glaçon dans la chaussette fond moins vite que l’autre.
Pourquoi
La chaleur passe toujours du plus chaud vers le plus froid : ici, de la main, dont la peau est vers 33 °C, vers l’objet. Le métal conduit bien la chaleur et l’emporte vite loin du doigt : la peau se refroidit, et c’est ce refroidissement que l’on sent, pas la température de l’objet. Le bois et la laine sont des isolants, qui laissent passer la chaleur lentement. La chaussette ne fabrique donc pas de froid : elle ralentit la chaleur de la pièce qui entre dans le glaçon, comme un pull ralentit celle qui sort de notre corps.
Froissez une des deux feuilles en boule, gardez l’autre à plat. Faites parier, puis lâchez-les ensemble, bras tendus, à la même hauteur.
Lâchez côte à côte, à la même hauteur, le livre et la petite feuille.
Posez maintenant la petite feuille à plat sur le livre, et lâchez le livre bien à l’horizontale.
Lâchez enfin le filtre à café à l’endroit, le fond vers le bas.
Ce qu’on voit
La boule touche le sol bien avant la feuille à plat, alors qu’elles ont la même masse. Seule, la petite feuille traîne derrière le livre ; posée dessus, elle tombe avec lui. Le filtre descend doucement, comme un petit parachute.
Pourquoi
Ce n’est pas la masse qui fait la différence, c’est l’air : il freine surtout ce qui est léger pour sa taille, comme une feuille à plat, une plume ou un parachute. Sans air, tous les objets lâchés ensemble arrivent ensemble : Galilée l’avait compris en 1638, et en 1971, sur la Lune, un astronaute a lâché un marteau et une plume qui ont touché le sol au même moment. Posée sur le livre, la feuille est à l’abri de l’air, qui ne peut plus la freiner. Quant au filtre, l’air le freine d’autant plus qu’il va vite : sa vitesse cesse bientôt d’augmenter, c’est la vitesse limite des parachutes.
Faites parier : l’œuf va-t-il couler ou flotter ? Posez-le doucement dans l’eau avec la cuillère.
Sortez-le, ajoutez une cuillerée de sel et remuez jusqu’à ce que le sel ait disparu.
Remettez l’œuf, et recommencez, cuillerée après cuillerée.
Ce qu’on voit
Dans l’eau du robinet, l’œuf coule. Au bout de quelques cuillerées de sel, il remonte et flotte. Prenez bien un œuf frais : un œuf très vieux peut flotter dès le départ, car une poche d’air grandit en lui avec le temps.
Pourquoi
Ce qui décide n’est ni la taille ni le poids de l’œuf, mais sa masse volumique, c’est-à-dire la masse d’un même volume, comparée à celle du liquide. Un œuf frais est un peu plus dense que l’eau douce, environ 1,08 g par centimètre cube contre 1 g : il coule. Le sel dissous rend l’eau plus dense, et dès qu’elle le devient plus que l’œuf, celui-ci flotte. C’est aussi pourquoi un nageur flotte bien plus haut dans la mer Morte, très salée.
un verre, un mouchoir en papier et une bassine d’eau
un ballon de foot ou de basket peu gonflé, et une pompe à ballon
une balance de cuisine précise au gramme
Ce qu’on fait
Coincez le mouchoir au fond du verre sec, retournez le verre et enfoncez-le bien droit dans la bassine. Ressortez-le : le mouchoir est-il mouillé ?
Pesez le ballon peu gonflé et notez sa masse. Faites parier : gonflé, pèsera-t-il plus, autant ou moins ?
Gonflez-le à la pompe jusqu’à la pression indiquée sur le ballon.
Débranchez la pompe, puis pesez-le à nouveau.
Ce qu’on voit
Le mouchoir ressort sec. Le ballon gonflé est plus lourd : un ballon de foot gagne environ 5 à 6 g.
Pourquoi
L’air n’est pas « rien » : il prend de la place, puisqu’il empêche l’eau d’entrer dans le verre, et il a une masse, environ 1,2 g par litre à 20 °C. En pompant, on serre plus d’air dans le ballon, qui gagne la masse de cet air. Un ballon de baudruche ferait croire le contraire : en gonflant, il grossit et écarte l’air autour de lui, qui le pousse vers le haut, et cette poussée compense presque tout le poids de l’air ajouté. Le ballon de foot, lui, garde presque le même volume : la balance montre la masse de l’air pompé.
deux bocaux en verre de tailles différentes, et un verre sec
des allumettes, pour l’adulte
un chronomètre
Ce qu’on fait
L’adulte allume la bougie. Faites parier : sous le bocal, la flamme va-t-elle tenir longtemps ?
Retournez le petit bocal sur la bougie, et chronométrez jusqu’à ce qu’elle s’éteigne.
Rallumez, puis recommencez avec le grand bocal.
L’adulte tient quelques secondes le verre sec, retourné, au-dessus de la flamme.
Ce qu’on voit
La flamme s’éteint au bout de quelques secondes, plus tard sous le grand bocal. Le verre tenu au-dessus de la flamme se couvre de buée.
Pourquoi
La flamme a besoin du dioxygène, qui forme environ 21 % de l’air. Sous le bocal, elle en consomme, et elle s’éteint quand il n’en reste plus qu’environ 16 % : plus des trois quarts du dioxygène sont encore là. Le grand bocal en contient davantage, d’où une flamme qui dure plus longtemps : sous un bocal d’un litre, comptez une dizaine de secondes, en ordre de grandeur. Quant à la buée, c’est de l’eau fabriquée par la flamme : l’hydrogène de la cire s’unit à l’oxygène de l’air.
11Pourquoi le jus de chou rouge change de couleur ?
L’expérience du chou rouge
Il vous faut
quelques feuilles de chou rouge
de l’eau très chaude et une passoire
quatre verres transparents
du jus de citron, du vinaigre blanc, de l’eau et du bicarbonate de cuisine
Ce qu’on fait
L’adulte coupe quelques feuilles de chou rouge en morceaux et les couvre d’eau très chaude. Attendez 10 minutes, puis filtrez : voici un jus violet.
Préparez quatre verres : du jus de citron, du vinaigre, de l’eau, et de l’eau où l’on a dissous une cuillerée de bicarbonate.
Faites parier sur les couleurs, puis versez un peu de jus de chou dans chaque verre.
Dans le verre de vinaigre, ajoutez du bicarbonate petit à petit, et continuez après la fin des bulles.
Ce qu’on voit
Le jus devient rouge ou rose avec le citron et le vinaigre, reste à peu près violet dans l’eau, et vire au bleu ou au vert avec le bicarbonate. Dans le vinaigre, le bicarbonate fait mousser, et la couleur passe du rose au violet, puis au bleu. Les teintes varient un peu selon le chou et la lumière.
Pourquoi
Le chou rouge contient des pigments, les anthocyanes, dont la couleur dépend du liquide : rouge ou rose dans un acide, violet quand il est neutre, bleu, vert ou même jaune dans une base. Le jus est donc un indicateur coloré, qui range les liquides en trois familles. Le bicarbonate est une base : il réagit avec l’acide du vinaigre en formant du dioxyde de carbone, les bulles. Quand tout l’acide est consommé, les bulles cessent, et le bicarbonate en trop fait virer le jus au bleu.
une pièce de 1, 2 ou 5 centimes, ou un fil de cuivre dénudé
un multimètre réglé sur le calibre 2 V
pour aller jusqu’à la LED : d’autres citrons, autant de clous et de pièces, des fils à pinces crocodiles et une LED rouge
Ce qu’on fait
Roulez le citron sur la table pour libérer le jus.
L’adulte plante le clou et glisse la pièce dans une petite fente faite au couteau, à 2 ou 3 cm l’un de l’autre, sans qu’ils se touchent.
Posez le fil noir (COM) du multimètre sur le clou, le fil rouge sur la pièce, et lisez la tension. Remplacez ensuite la pièce par un second clou.
Pour la LED : faites parier sur le nombre de citrons qu’il faudra. Reliez-les à la suite, la pièce de l’un au clou du suivant ; branchez la longue patte de la LED sur la pièce restée libre, la courte sur le clou resté libre, et regardez dans la pénombre ; ajoutez un citron à la fois.
Ce qu’on voit
Le multimètre affiche un peu moins de 1 volt avec le clou et la pièce, mais 0 V avec deux clous. Avec assez de citrons à la suite, la LED luit faiblement. Une pomme de terre marche aussi : environ 0,76 V.
Pourquoi
Une pile, ce sont deux métaux différents dans un liquide plein d’ions, ici le jus. Le zinc du clou se transforme peu à peu en ions qui partent dans le jus, et chaque atome laisse deux électrons dans le métal : ce sont eux qui circulent dans le fil jusqu’au cuivre, où l’acide du citron les reprend. Les électrons viennent donc du zinc, pas du jus, et avec deux métaux pareils, rien ne les pousse dans un sens plutôt que dans l’autre. Un seul citron ne donne pas assez de tension pour une LED rouge : il en faut plusieurs à la suite, et la LED dans le bon sens ; combien exactement, c’est une des missions de l’atelier.
