2 de SCIENCES PHYSIQUES ET CHIMIQUES. Livre du professeur BAC PRO

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2 COLLECTION DURANDEAU SCIENCES PHYSIQUES ET CHIMIQUES 2 de PROFESSIONNELLE BAC PRO Livre du professeur J-P. Durandeau J-L. Berducou J-C. Larrieu-Lacoste C. Mazeyrie C. Raynal J-C. Trillaud

3 Table des matières 1 Quelle différence entre température et chaleur? CME Quels courants électriques dans la maison ou l entreprise? CME Comment protéger une installation électrique? CME Comment évaluer sa consommation d énergie électrique? CME Tous les sons sont-ils audibles? CME Comment isoler une pièce du bruit? CME Comment éviter le basculement d un corps? HS Comment soulever un objet? HS Comment soulever facilement un objet? HS Quels sont les composants d une eau minérale? HS Comment déterminer la concentration d une substance dans une solution? HS Que contient un soda? HS Que se passe-t-il lorsque des produits d usage courant réagissent entre eux? HS Comment préserver son audition? HS Comment peut-on décrire le mouvement d un véhicule? T Comment passer de la vitesse des roues à celle de la voiture? T Couverture : npeg.fr Maquette et mise en page : Nicolas Balbo HACHETTE LIVRE 2009, 43, quai de Grenelle, Paris Cedex 15 ISBN Tous droits de traduction, de reproduction et d adaptation réservés pour tous pays. Le Code de la propriété intellectuelle n autorisant, aux termes de l article L et L , d une part, que les «copies ou reproductions strictement réservées à l usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective», et, d autre part, que «les analyses et courtes citations» dans un but d exemple et d illustration, «toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle, faite sans le consentement de l auteur ou de ses ayants cause, est illicite». Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, sans autorisation de l éditeur ou du centre français de l exploitation du droit de copie (20, rue des Grands-Augustins, Paris), constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les Articles 425 et suivants du Code pénal.

4 Avant-propos Le livre du professeur, qui accompagne le manuel de l élève, comporte les corrigés des activités et des exercices proposés dans chaque chapitre. Les activités dans le manuel Nous n avons pas choisi une méthode déductive fondée sur la présentation d un cours préalable suivi d exercices d application, car le dogmatisme qu elle peut engendrer nous paraît inadapté dans des classes de Seconde Professionnelle. Nous avons opté au contraire pour une démarche inductive s appuyant sur des activités, le plus souvent expérimentales, afin de résoudre chaque fois un problème scientifique. Cela permet de mieux impliquer l élève dans la construction de ses connaissances, le professeur l accompagnant, plutôt que le précédant. Le cours (l essentiel) vient ensuite synthétiser les connaissances et apporter les compléments nécessaires sur des sujets qui n ont pu être abordés dans les activités. Nous avons formulé, dans le manuel, des questions pour chaque activité ; l élève, en répondant à ces questions, propose des conclusions à la suite de ses observations et mesures. Le professeur peut alors aider à reformuler les résultats qui figurent dans le cours présent dans le manuel. Ces questions jouant un rôle très important dans la démarche, nous proposons les réponses dans le livre du professeur. Pour aider l enseignant dans sa tâche : Le Cédérom met à la disposition de l enseignant, pour chaque chapitre : - une photothèque contenant les images (schémas et photographies) principales du manuel : page d ouverture, documents sur les activités, le cours, les pages de documentation et les exercices ; - des animations et des vidéos expliquant les notions essentielles, suivies de fiches élève (questionnaires) et de fiches enseignant ; - des schémas bilan animés présentant succinctement l essentiel du cours ; - un exercice différencié à deux niveaux. Le Livre numérique permet de projeter en permanence tous les documents nécessaires à la mise en œuvre et à l exploitation du manuel de l élève. Les exercices Dans le livre du professeur, nous fournissons les solutions des exercices figurant dans les cinq rubriques du manuel de l élève. Tester ses connaissances Cette forme de présentation et d évaluation (Q.C.M.) se répand de plus en plus et présente l avantage de développer l esprit critique. Cette rubrique permet à chaque élève de tester rapidement les connaissances fondamentales du chapitre. Tester ses capacités Ces exercices simples traitent des capacités énoncées dans le référentiel. Chaque concernant une seule capacité, l élève peut en vérifier plus facilement l acquisition. Appliquer le cours L objectif recherché est maintenant plus ambitieux : il s agit de vérifier l aptitude des élèves à appliquer les lois du programme dans un contexte proche de celui des activités et de l essentiel du cours du chapitre. La résolution de ces exercices nécessite l acquisition de savoir-faire dans les domaines théorique et expérimental. Utiliser ses connaissances Les exercices concernés relèvent d un niveau de difficulté supérieur : il s agit d appliquer ses connaissances et ses savoir-faire dans des contextes différents de ceux des activités et de l essentiel du cours, en particulier dans la vie professionnelle. Nous avons intégré dans cette rubrique des exercices dont le thème est le «développement durable». Situation problème Ces exercices demandent une plus grande autonomie et davantage de recherche : le travail en groupes se prête particulièrement à la résolution de ces exercices. Le livre du professeur constitue un outil indissociable du manuel, au service des collègues pour le bénéfice de leurs élèves. Nous acceptons bien volontiers leurs suggestions et critiques.

5 1 Quelle différence entre température et chaleur? CME1 Les activités Activité 1 Comment fabriquer un thermomètre pour mesurer la température d un corps? Matériel Un système de chauffage (chauffe-ballon, ou plaque chauffante, ou bec bunsen) Un ballon de 250 ml Une thermistance CTN reliée à un ohmmètre Des fils de connexion Un thermomètre électronique Produits Eau et glaçons * Représentation graphique de la température en fonction de la résistance de la thermistance utilisée 100 Température ( C) Résistance (Ω) Réponse aux questions 1. Pour la thermistance utilisée : À 0 C, R(0) = 330 Ω ; à 100 C, R(100) = 12 Ω. 2. La courbe est la représentation graphique d une fonction : en effet, à une valeur de la résistance R correspond une seule valeur de la température θ. 3. C est une CTN, car la résistance diminue lorsque la température augmente (pour une CTP, la résistance augmente avec la température, dans la zone d utilisation). 4. On mesure la température d un corps avec un thermomètre : dans cette activité, on a fabriqué et utilisé un thermomètre électronique dont le capteur est une thermistance CTN. 4 CHAPITRE 1 - Quelle différence entre température et chaleur?

6 Activité 2 Comment varie la température d un corps qui échange de la chaleur? Matériel Un système de chauffage (chauffe-ballon, ou plaque chauffante, ou bec bunsen) Un bécher de 100 ml Une thermistance CTN reliée à un ohmmètre Des fils de connexion Un thermomètre électronique Un chronomètre Produits Eau et glaçons Expérience 1 Lors du chauffage de l eau, sa température augmente tout au long du chauffage (par exemple de 18 C à 72 C). Lors du refroidissement de l eau, sa température diminue tout au long du refroidissement (par exemple de 52 C à 27 C). Exemple ci-dessous : 50 Température ( C) 10 t (min) 0 10 Expérience 2 Tableau des résultats obtenus : t (min) État de l eau S S S S S S S S S S + L S + L S + L S + L L S : solide L : liquide θ ( C) 1 1-0, , ,5 Réponse aux questions Expérience 1 1. Lorsqu on chauffe l eau, sa température augmente. Lorsqu on la refroidit, sa température diminue. 2. Lorsqu on chauffe l eau, le milieu extérieur cède la chaleur et l eau la reçoit. Lorsqu on refroidit l eau, l eau cède la chaleur au milieu extérieur. CHAPITRE 1 - Quelle différence entre température et chaleur? 5

7 3. Un corps froid peut fournir de la chaleur à un autre corps si la température de celui-ci est plus basse que la sienne (c est le cas dans la seconde expérience). Expérience 2 4. Lorsque la glace fond, sa température est constante. 5. Le changement d état observé est la fusion de la glace. 6. La chaleur reçue par la glace provient de l eau froide. Les documents La maison passive Réponse aux questions 1. Pour une maison de surface habitable 120 m 2, neuve et classique (donc avec une bonne isolation), l énergie totale nécessaire annuellement est : = kwh. 2. Dans une VMC «double flux», l air vicié expulsé de la maison (premier flux) est chaud et il cède de la chaleur à l air neuf entrant (second flux) qui est à une température plus basse. Un puits canadien ou provençal est une canalisation contenant un fluide, constituant un réseau soit dans le sol à une certaine profondeur, soit dans une nappe d eau souterraine : le fluide circulant dans ce réseau reçoit de la chaleur provenant de la terre ou de l eau et en cède une partie à l intérieur de la maison. 3. Un pont thermique est une rupture d isolation thermique entre deux éléments d un bâtiment dont les résistances thermiques sont différentes. Exemples : - à l angle entre deux parois verticales ; - entre une paroi verticale et une paroi horizontale ; - au joint entre un mur et un châssis de fenêtre. La pompe à chaleur géothermique Réponse aux questions 1. L installation géothermique décrite comprend trois circuits de fluides : - le circuit de captage dans le sol ; - le circuit frigorigène de la pompe à chaleur ; - le circuit de chauffage de l habitation. 2. Le fluide frigorigène récupère la chaleur amenée par le fluide du circuit de captage, à 10 C environ. 3. Le fluide frigorigène cède la chaleur accumulée au fluide du circuit de chauffage, à 70 C environ dans notre exemple. 4. Dans l évaporateur, le fluide frigorigène capte de la chaleur provenant du fluide du circuit de captage et voit sa température augmenter de 0 C à 5 C : le fluide frigorigène passe de l état liquide à l état gazeux. Dans le condenseur, la température du fluide frigorigène passe de 70 C à 32 C : il cède de la chaleur au fluide du circuit de chauffage de l habitation. Le fluide frigorigène passe de l état gazeux à l état liquide. 6 CHAPITRE 1 - Quelle différence entre température et chaleur?

8 Les exercices Tester ses connaissances Q.C.M. 1 : B 2 : A et C 3 : C 4 : A 5 : A et B Tester ses capacités 1. Lire un thermomètre 1 : 17,5 C 2 : 68,0 F 3 : 6 C 4 : 37 C. 2. Lire une courbe a. Le palier se forme à 42 C environ : il correspond à un changement d état du corps. b. Au début de l expérience, le corps est liquide ; au bout de 9 minutes, il est solide. c. Le changement d état observé est une solidification. d. Le corps est de la paraffine, car la température de solidification de l eau pure est de 0 C. Appliquer le cours 3. Lire un thermomètre à alcool Températures lues : 22 C ; 21 C ; 20 C. La lecture correcte est : 21 C. 4. Lectures de températures Température mesurées : 39 C ; 6 C ; 6 C. 5. Température de la pièce a. Les unités : F degré Fahrenheit et C degré Celsius. b. La température du salon est de 19,5 C. 6. Changement d échelle a. 0 C 273 K ; 100 C 373 K. b. 40 C 233 K ; 83 C 356 K. c. 100 K 173 C ; 293 K 20 C. 7. Fahrenheit a. À un écart de 100 C correspond un écart de 180 F ; à un écart de 1 C correspond un écart de 1,8 F. b. À la température d un appartement de 20 C correspond : ,8 = 68 F. c. À la température du corps humain à 98,6 F correspond : 98,6 32 = 66,6. 66,6 1,8 = 37 donc 37 C. 8. Courbes de refroidissement a. La courbe 2 est celle de l eau pure, car elle possède un «palier» à 0 C. b. La température de solidification de l eau pure est de 0 C. c. L eau salée ne se solidifie pas complètement à une température constante (la courbe ne montre pas de palier). 9. Expérience Expérience 1 : on a réchauffé le corps ; le palier observé correspond à la vaporisation de l eau. Le corps est bien de l eau pure. Expérience 2 : on a refroidi le corps ; le palier observé correspond à une solidification. Le corps est de la paraffine. 10. Grandeurs et unités Nom de la grandeur Quantité de chaleur Masse du corps Capacité thermique massique Température initiale Température finale 11. Expérience Lettre représentant la grandeur Unité de la grandeur Symbole de l unité Q joule J m kilogramme kg c joule par kilogramme par degré Celsius J/(kg. C) θ i degré Celsius C θ f degré Celsius C a. L eau du verre B reçoit de la chaleur : sa température augmente. b. L eau du verre A cède de la chaleur au glaçon : sa température diminue. 12. Bouilloire électrique a. Quantité de chaleur reçue par l eau de la bouilloire : Q = m.c (θ f θ i ) = 0, (80 20) = J. b. La chaleur reçue par l eau provient de la résistance électrique de la bouilloire. 13. Changement d état et chaleur a. Il échange aussi 335 kj : cette chaleur est fournie par l eau au milieu extérieur. b. Lorsque 200 g d eau se vaporisent à 100 C, il faut leur fournir : = 452 kj. CHAPITRE 1 - Quelle différence entre température et chaleur? 7

9 Utiliser ses connaissances 14. Chaleur latente Changement d état Chaleur latente massique L Masse Q (kj) Chaleur cédée ou chaleur reçue Fusion 335 kj/kg 1 kg 335 kj Chaleur reçue Solidification 335 kj/kg 200 kg kj Chaleur cédée Vaporisation kj/kg 1 kg kj Chaleur reçue Liquéfaction kj/kg 500 g kj Chaleur cédée 15. Choisir un thermomètre a. En France, on utilisera un thermomètre à alcool, car [ 35 C ; 42 C] est inclus dans l intervalle [-117 C ; 78 C]. b. Pour repérer la température d ébullition de l eau pure (100 C), on utilisera un thermomètre électronique, car 100 appartient à l intervalle [0 ; 200]. 16. Maison passive (Développement durable) a. La maison passive réalise l essentiel de ses économies dans le chauffage de la maison. b. La consommation d énergie pour chaque type de maison : Type Énergie pour une surface habitable de 110 m 2 Maison existante = kwh Nouvelle construction = kwh Maison basse énergie = kwh Maison passive = kwh 17. La fonte d un névé (Développement durable) a. Quantité de chaleur nécessaire à la fonte du névé : Q = m.l = = J b. En 1 heure, le névé reçoit : = Wh soit 5,2 kwh ou 5,2 3, = 1, J. D où la durée de la fonte : , heures soit 540 h à la dizaine d heures près. 18. Fabrication de potences VTT a. Pour le porter à sa température de fusion : Q = m.c (θ f θ i ) = 0,4 900 (660 25) = J. b. Pour fondre 0,4 kilogramme d aluminium à la température de 660 C : Q = m.l = 0, = J. c. Lors de sa fusion, la température de l aluminium reste constante. 19. Je recherche sur le Net Anders Celsius ( ) : professeur d astronomie à Uppsala en Suède, il construit un thermomètre pour ses recherches en météorologie. Il étudie les aurores boréales, les caractéristiques de la Terre,. Daniel Gabriel Fahrenheit ( ) : physicien allemand inventeur de l aréomètre (permet de mesurer des densités) et du thermomètre à mercure qui portent son nom. a. Celsius avait fixé la première échelle : 0 : température d ébullition de l eau et 100 : température de congélation de la glace : Il exprimait ses mesures en degré centigrade. Son échelle a donc été inversée. b. Fahrenheit a fixé la graduation 0 de son échelle à la température la plus basse dans sa ville de Dantzig lors de l hiver 1708/1709. La graduation 96 correspondait à la température du sang d un cheval. 20. Eau fraîche en Afrique (Développement durable) La pellicule d eau à la surface de la jarre se vaporise : le milieu extérieur à cette pellicule doit donc lui fournir de la chaleur. En particulier l eau de la jarre qui voit sa température baisser en fournissant de la chaleur à la pellicule d eau. Ainsi, l eau contenue dans la jarre reste fraîche. 21. Solidification d un corps pur a. Première étape : faire fondre de la paraffine dans un tube à essai. Seconde étape : plonger le tube de paraffine dans un bécher d eau + glace. b. Mesurer la température de l eau dans le bécher. On observe le changement d état de la paraffine. On compare les températures initiale et finale (quand la paraffine est à l état solide) de l eau dans le bécher. L élévation de cette température montre que la paraffine a cédé de la chaleur au milieu extérieur lors de sa solidification. 8 CHAPITRE 1 - Quelle différence entre température et chaleur?

10 2 Quels courants électriques dans la maison ou l entreprise? CME2 Les activités Activité 1 Les tensions à la sortie de l adaptateur d un téléphone portable et de la prise de courant du secteur sont-elles semblables? Matériel Un ordinateur + interface EXAO ou un oscilloscope Un adaptateur de téléphone portable Un générateur de courant alternatif 6V/12V Des fils de connexion Expérience 2 Les deux courbes obtenues ressemblent à celles du doc 2. Dans le cas d un chargeur de téléphone portable, on peut aussi enregistrer une tension totalement redressée mais non lissée. Réponse aux questions 1. Aux bornes du générateur, la tension observée est alternative (sinusoïdale) donc variable au cours du temps. Aux bornes de l adaptateur, la tension observée est constante. 2. Le courant du secteur est alternatif ; il est différent du courant continu fourni par un adaptateur de téléphone portable. Activité 2 Quelles sont les caractéristiques d une tension alternative? Matériel Un ordinateur + interface EXAO ou un oscilloscope Un multimètre Un générateur très basse fréquence GTBF Un fréquencemètre (pas obligatoire) Des fils de connexion Expérience La courbe analysée ressemble à celle du doc 4. Réponse aux questions : 1. Dans notre exemple, on dénombre 5 motifs élémentaires, donc 5 périodes en une seconde. La fréquence était réglée exactement sur 5 hertz. Le nombre de périodes par seconde est donc égal à la fréquence. 2. Formule : f = 1 avec T en seconde et f en hertz. T 3. Dans notre exemple, numériquement, U max = 10 V ; U = 7 V. On vérifie que : U max U = 2 et U max 2 = U. CHAPITRE 2 - Quels courants électriques dans la maison ou l entreprise? 9

11 Les exercices Tester ses connaissances Q.C.M. 1 : A et C 2 : A et C 3 : A, B et C 4 : B et C 5 : B 6 : A et B 7 : B et C 8 : B et C. Tester ses capacités 1. Corriger a. Une tension alternative est tantôt positive, tantôt négative. b. Une tension continue est constante au cours du temps. c. Un ordinateur muni d une interface EXAO (ou un oscilloscope) permet de visualiser les variations d une tension au cours du temps. 2. Observer Tension continue : b ; Tension alternative : a, c et d. 3. Questionnaire a. Une tension est alternative si sa valeur change de signe. b. Une tension est périodique si elle se reproduit régulièrement de manière identique. 4. Analyse de tensions a. Tension alternative b et d. b. Tension périodique b, c et d. c. Tension alternative périodique b et d. 5. Tension maximale et période a. La tension maximale est de : 3 0,5 = 1,5 V. b. La période est de : 6 5 = 30 ms. 6. Motif élémentaire et période a. Périodes : premier graphe : [ac], deuxième graphe : [ab], troisième graphe : [ae]. b. Valeurs : ac = 10 ms ; ab = 50 ms ; ae = 4 s. 7. Lire une période T = 8 s ; T = 20 ms. 8. Lire une amplitude a. Amplitudes : 8 V ; 30 V. b. On la nomme aussi «tension maximale». 9. La tension du secteur a. Umax = U. 2 = V. 1 1 b. T = = = f , s ou 20 ms. 10. Tracé d une sinusoïde 1 1 Période : T = = = f 001, 100 s. Appliquer le cours 11. Écran d EXAO a. Le signal est sinusoïdal. b. T = 20 ms ; f = 50 Hz. C est la même fréquence que celle du réseau. c. U max = 9 V. U = U max 9 = 64V, Prise du secteur a. Schéma : Protection électrique... Phase... Neutre... b. La période du secteur est de 20 ms. c. La valeur maximale de la tension est de 325 V. 13. Mesures et calculs a et b Symbole Grandeur Appareil de mesure U Tension efficace Voltmètre U max Tension maximale Oscilloscope ou système EXAO T Période Oscilloscope ou système EXAO f Fréquence Fréquencemètre c. Si f = 50 Hz alors T = 20 ms et non 25 ms. Autre raisonnement : si T = 25 ms alors f = 40 Hz. 14. Lire une façade d oscilloscope a. Durée de balayage : 5 ms/div ; une période occupe 4 DIV d où T = 4 5 = 20 ms. b. Sensibilité verticale : 5 V/DIV ; la hauteur d un pic occupe 3 DIV d où U max = 3 5 = 15 V. 15. Lecture d écran a. T = 2 2 = 4 ms d où f = 1 T = 1 = 250 Hz. 0,004 b. U max = 2,5 5 = 12,5 V d où U = 12,5 2 8,8 V. Utiliser ses connaissances 16. Au bureau a. La tension d entrée est alternative sinusoïdale de tension efficace 240 V au plus. L intensité est inférieure ou égale à 1,5 A. La plage des fréquences est de 50 Hz à 60 Hz. b. La tension de sortie est continue, de valeur 19 V. 10 CHAPITRE 2 - Quels courants électriques dans la maison ou l entreprise?

12 L intensité fournie à l ordinateur est de 4,74 A. Il n y a pas de fréquence indiquée, car la tension n est pas périodique. 17. Sur le chantier, à l atelier a. La perceuse sans fil fonctionne sous tension continue ; cette tension électrique est délivrée par des accumulateurs rechargeables. b. La perceuse Dremel fonctionne en courant alternatif ; elle se branche directement sur le secteur. 18. Dans la voiture : le GPS embarqué a. Le GPS de voiture fonctionne sous tension continue de 5 V, le courant qui l alimente ayant une intensité de 1 A. b. Le cordon permet de le brancher sur l allumecigare (12 V), car il accepte une tension continue comprise entre 10 V et 30 V ; il supporte une intensité jusqu à 1,3 A alors que le fonctionnement du GPS ne nécessite que 1 A. 19. Chez le garagiste a. A : 0,5 tour moteur ; B : 0,5 tour moteur ; C : 1 tour moteur ; D : 1 tour moteur. b. Il y a bien une injection par tour moteur (courbe D). 60 c. A ce régime, un tour moteur dure : 3000 = 0,02 s. Donc les périodes précédentes sont de : A et B : 10 ms ; C et D : 20 ms. 20. Développement durable : les modules photovoltaïques a. Le générateur fournit un courant continu. b. L onduleur convertit le courant continu en courant alternatif. La batterie accumule l énergie électrique reçue sous forme d énergie chimique. c. Un adaptateur de téléphone portable sera branché sous tension alternative, donc sur l onduleur. 3 comment protéger une installation électrique? CME2 Les activités Activité 1 Quel est le rôle d un coupe-circuit? Matériel pour un poste Un générateur à courant alternatif 6 V 4 lampes 6 V/ 0,6 W 4 interrupteurs Des fils de connexion Un fusible de 250 ma type F rapide sur son porte fusible Un ampèremètre Une platine Réponses aux questions 1. L intensité du courant principal augmente avec le nombre de lampes sous tension. La loi d additivité des intensités de courant pour un montage en dérivation justifie ce phénomène. 2. L ouverture du circuit n est pas instantanée lorsque l intensité dépasse 250 ma. Le temps de fusion dépend de la surcharge (il sera plus rapide avec quatre lampes qu avec trois). 3. En connectant le point A au point B (bornes de chaque branche dérivée), on crée un court-circuit. Le fusible de l ampèremètre et/ou celui du porte-fusible fondent pour provoquer l ouverture du circuit. 4. Un coupe-circuit protège les appareils en intervenant lors des courts-circuits ou des surcharges. Il ouvre automatiquement le circuit lorsque l intensité du courant dépasse pendant un temps déterminé la valeur indiquée par leur calibre. CHAPITRE 3 - Comment protéger une installation électrique? 11

13 Activité 2 À quelle condition un disjoncteur différentiel protège-t-il les personnes? Matériel pour un poste Un générateur 12 V Une maquette (câblée sur le schéma TT) comprenant : - un disjoncteur différentiel ; - un module machine ; - une prise trois bornes ; - un mannequin équipé d une DEL qui s allume lorsqu il est électrisé Des fils de connexion Réponses aux questions 1. La DEL du mannequin s allume pour signaler l électrisation dans l expérience 1 : la carcasse de la machine n est pas reliée à la terre. 2. Doc 2 : le courant effectue le parcours : fil de phase carcasse métallique du lave-linge mannequin (la DEL éclaire, il est électrisé) fil de mise à la terre par EDF. Doc 3 : le courant effectue le parcours : fil de phase carcasse du lave-linge fil de protection électrique (mise à la terre du lave-linge) fil de mise à la terre par EDF. Le mannequin n est pas électrisé. 3. Le conducteur différentiel protège les personnes lorsque les carcasses métalliques des machines sont reliées à la terre par un conducteur de protection électrique. Les documents Une installation domestique Réponses aux questions 1. - Le circuit des prises comporte trop de prises. - Même remarque pour le circuit des lampes. De plus, le calibre du fusible est trop faible. - Le chauffe-eau, le congélateur, la cuisinière électrique doivent avoir un circuit par appareil. 2. La nouvelle installation à usage similaire : Disjoncteur de branchement de 500 ma Disjoncteur de 30 ma 1,5 mm 2 1,5 mm 2 6 mm 2 2,5 mm 2 1,5 mm 2 1,5 mm 2 2,5 mm 2 10 A 10 A 16 A 32 A 20 A 10 A 10 A 16 A Ph N Chauffeeau 5 lampes 5 lampes congélateur cuisinère radiateur 5 prises 5 prises PE Les dangers de la tension monophasée du secteur Réponses aux questions 1. Il y a contact direct lorsqu une personne entre en contact avec les parties actives des matériels électriques (soit les conducteurs actifs de la phase ou du neutre, soit les pièces conductrices se trouvant sous tension en service normal : vis, barrettes, ). 12 CHAPITRE 3 - Comment protéger une installation électrique?

14 Il y a contact indirect lorsqu une personne entre en contact avec la masse métallique d un appareil mise accidentellement sous tension à la suite d un défaut d isolement. 2. Le contact direct des deux fils ne produira pas de courant de défaut, car le corps est isolé électriquement de la terre par un tapis isolant. Sans mise à la terre, le disjoncteur différentiel ne détecte pas le défaut. Le courant électrisera la personne. 3. Dans le cas 3, l oiseau n est pas électrisé, car il n est pas soumis à une tension de contact (U c 0 V). Les exercices Tester ses connaissances Q.C.M. 1 : A et C 2 : A et C 3 : A, B et C 4 : B et C Tester ses capacités 1. Protéger du matériel - Un circuit d éclairage comprenant 8 lampes se protège avec un disjoncteur divisionnaire de 16 A ; - un circuit de 5 prises de courant se protège avec un disjoncteur divisionnaire de 16 A ; - un circuit de cuisinière électrique se protège avec un disjoncteur divisionnaire de 40 A. 2. Deux appareils de protection a. Le calibre de 20 A indique que le coupe-circuit est capable d interrompre le courant en ouvrant automatiquement le circuit lorsque celui-ci dépasse 20 A. Cette coupure intervient au bout d un certain temps. b. Leur fonction commune est de protéger le matériel installé en cas de surintensité (dépassement du courant nominal) ou de court-circuit. Les deux appareils les détectent et coupent le circuit. c. Le fusible intervient par fusion en cas de surcharge. On doit changer la cartouche avant de remettre la ligne sous tension. C est la différence avec le disjoncteur divisionnaire qui est muni d un système de déclenchement mécanique provoquant l ouverture du circuit en cas de surcharge. On le réenclenche pour remettre la ligne sous tension. (Dans les deux cas, la fermeture du circuit ne se fait qu après avoir réparé le défaut électrique qui est la cause du déclenchement.) 3. Multiprise L intensité efficace du courant appelé par la multiprise est : I = ,25 = 9,25 A. 4. Additivité des intensités Le tableau complété : Interrupteurs ouverts Interrupteurs fermés Intensité du courant I (A) Appliquer le cours 5. Défauts électriques K 2, K 1, K 1, K 3 K 2 aucun K 3 K 3 K 2 K 1 K 1,K 2, K 1 K 2 K 3 K 1, K 2 K 3 K 3 0,17 0,26 0,43 0,43 0,60 0,86 Les défauts électriques peuvent provoquer des surtensions, des surintensités, des courts-circuits ou des courants de défaut. a. Les surtensions augmentent la tension U (volt) aux bornes des appareils (foudre). Les surintensités et les courts-circuits augmentent l intensité I (ampère) du courant dans les conducteurs. Le courant de défaut I d modifie les valeurs des intensités des courants dans le conducteur de phase I ph et le conducteur du neutre I n. On a I d = I ph I n ; I d s exprime en ampère. b. Exemples : surtension : la foudre ; surintensité : trop d appareils utilisant des intensités importantes sur une multiprise ; court-circuit : contact de deux conducteurs dénudés accidentellement ; courant de défaut : usure d une gaine de conducteur de phase au contact d une carcasse métallique de machine. 6. Appareils de protection a. - Les parafoudres protègent des surtensions. - Les fusibles et les disjoncteurs divisionnaires protègent des courts-circuits et des surcharges. - Les disjoncteurs différentiels associés à une bonne prise de terre reliée aux masses des machines protègent des défauts d isolement. b. Les fusibles et les disjoncteurs divisionnaires protègent les installations. Les disjoncteurs différentiels associés à une bonne prise de terre protègent les personnes. CHAPITRE 3 - Comment protéger une installation électrique? 13

15 7. Ouverture d un circuit a. Un fusible de 16 A fond lorsqu il est parcouru pendant un certain temps (voir la courbe activité 1) par un courant d intensité supérieure à 16 A. b. Un disjoncteur différentiel de sensibilité 30 ma se déclenche avant que l intensité d un courant de défaut atteigne 30 ma. (Sa plage de déclenchement va de 15 ma à 30 ma). c. Un disjoncteur divisionnaire, calibre 20 A, se déclenche lorsque la valeur de l intensité efficace du courant dans la ligne atteint 20 A. d. Le disjoncteur général de branchement de calibre 60 A et de sensibilité 500 ma se déclenche : - lorsque l intensité efficace du courant appelée par l installation qu il protège est supérieure à 60 A (elle correspond à la valeur souscrite à l abonnement) ; - avant que l intensité d un courant de défaut n atteigne 500 ma (sa plage de déclenchement va de 250 ma à 500 ma). 8. Tableau électrique a. Seule une personne habilitée peut intervenir sur un tableau alimenté par la tension du secteur. b. Les dénombrer et les identifier sur le tableau ; il y a autant de coupe-circuits que de lignes. c. Les circuits alimentant les appareils sont séparés afin : - de limiter l intensité efficace dans les conducteurs de ligne ; - de ne pas mettre hors tension toute une installation en cas de défaut électrique sur un appareil. d. Le circuit appelant la plus grande intensité est protégé par le coupe-circuit de plus grand calibre. 9. Une installation a. L intensité efficace traversant L 2 est : I 2 = 0,85 0,3 0,25 = 0,30 A. b. La puissance transférée par chacune des lampes est : P 1 = P 2 = 240 0,30 = 72 W. 10. Une plaque signalétique a. La plus grande intensité efficace admise par ce bloc prise est : I = P U = 3680 = 16 A. 230 b. L intensité efficace appelée par les appareils lorsqu ils fonctionnent est : I = 6,5 + 5,2 + 7,1 = 18,8 A. Cette intensité efficace dépasse l intensité nominale prévue par la construction ; donc on n est pas dans la norme. c. Si les trois appareils fonctionnent simultanément (I = 18,8 A), le fusible ne coupera pas le circuit (calibre 20 A). L échauffement des conducteurs de la multiprise risque de provoquer un coupe-circuit, car elle est prévue pour admettre un courant d intensité efficace inférieure à 16 A. 11. Circuit «prises de courant» a. Le fusible à cartouche de 16 A protège une ligne admettant 8 points d utilisation avec une section de conducteur en cuivre de 2,5 mm². b. Les trois appareils sont des conducteurs ohmiques : ils convertissent l énergie électrique en chaleur. c. La puissance transférée à ces trois appareils est : P = = W. Lorsqu ils fonctionnent ensemble, l intensité du courant dans le circuit principal est : I = = 12,6 A. 230 Le fusible de 16 A n ouvrira pas le circuit : il protège le circuit. 12. Risque d électrisation Contact direct Contact direct Contact indirect 13. Un enrouleur de rallonge a. La section de chaque conducteur est de 1,5 mm². b. Lorsque le câble est enroulé, la puissance nominale que peut transmettre l enrouleur est de W. Lorsque le fil est déroulé, cette puissance est de W. c. P = U.I donc I = P U = = 15,2 A. 230 d. Lorsque le câble est déroulé, on peut utiliser cette rallonge, mais le fusible de 10 A ne supportera pas l intensité efficace de la charge, car 10 A < 15,2 A : le fusible fond. 14. Bonne ou mauvaise prise de terre? a. R a = U L I Δ haute sensibilité). 25 = = 830 Ω (Le disjoncteur est de CHAPITRE 3 - Comment protéger une installation électrique?

16 b. Si le local est sec, on a U L = 50 V, avec I Δ = 500 ma la valeur de la prise de terre doit être inférieure à : 50 = 100 Ω. 0,5 Une prise de terre de 830 Ω constitue un défaut électrique, car sa résistance est supérieure à 100 Ω (perte d efficacité). 15. Défaut de mise à la terre a. Le tableau complété : Sensibilité du différentiel I Δ Résistance mesurée R a (Ω) Résistance maximale R max = U L (Ω) I Δ 3 A 15 16,7 1 A ma ma ma b. La prise de terre défectueuse est celle qui est mesurée par un disjoncteur différentiel de 500 ma, car elle est supérieure à 100 Ω (150 > 100). Utiliser ses connaissances 16. Un conducteur défectueux a. Le régime de neutre à la terre est dit schéma TT. - Le neutre est directement relié à la terre au niveau du transformateur de distribution de l énergie électrique : premier T. - Les masses d utilisation sont reliées à une prise de terre par un conducteur de protection électrique : deuxième T La couleur du conducteur de protection électrique (PE) est jaune et vert. 30 ma : le disjoncteur différentiel ouvre le circuit obligatoirement dès que la différence des intensités des courants dans le conducteur de phase et celui du neutre atteint cette valeur. b. Voir schéma : la boucle de courant est surlignée en noir. Réseau de distribution Disjoncteur divisionnaire c. Calcul du courant de défaut I d : U I d = R + R a n = = 1,84 A. Avec une sensibilité de 30 ma, le disjoncteur différentiel détecte le défaut et déclenche l ouverture du circuit avant qu une personne entre en contact avec la carcasse de la machine. d. Avant de réenclencher le disjoncteur, il faut effectuer les opérations de maintenance nécessaires pour corriger le défaut. 17. Défaut d isolement et intensité du courant a. Une personne parcourue par un courant de 0,2 ma durant 2 secondes ne court pas de risque. b. Une personne parcourue par un courant de 0,2 A durant 2 secondes risque de graves brûlures, la fibrillation ventriculaire et l arrêt cardiaque. c. La fibrillation ventriculaire correspond à une série de contractions violentes et désordonnées du muscle cardiaque pouvant entraîner la mort par électrocution. d. Pour éviter le risque de fibrillation ventriculaire, un courant de 100 ma ne doit pas traverser le corps humain durant plus d une seconde. 18. Résistance du corps humain et tension de contact a. Lorsque la tension de contact augmente, la résistance électrique du corps humain diminue. b. Lorsque l humidité augmente, la résistance électrique du corps humain diminue. c. Soumise à 250 V, une peau mouillée a une résistance de 800 Ω. d. U c = R c.i. L intensité du courant est I = 250 = 0,31 A. 800 e. Il faut isoler ce circuit en moins de 200 ms pour éviter l arrêt cardiaque. 19. Installer une cuisinière électrique a. La puissance transférée lorsque toutes les plaques fonctionnent est de W et le courant appelé est de 7000 = 30,5 A. Le fusible fond et ouvre le circuit. 230 b. Pour les plaques de cuisson, les conducteurs de la ligne d alimentation doivent avoir une section de 6 mm² et posséder un coupe-circuit de 32 A ou 40 A. Axel et Julianne doivent tirer une nouvelle ligne ayant ces caractéristiques. R n = 25 Ω R a = 100 Ω CHAPITRE 3 - Comment protéger une installation électrique? 15

17 4 comment évaluer sa consommation d énergie électrique? CME2 Les activités Activité 1 Comment comparer les consommations d énergie de deux lampes? Matériel Deux lampes montées sur un support : une à incandescence (12 V ; 25 W) et l autre fluocompacte (12 V 7 W) Un générateur (12 V) Un joulemètre Des fils de connexion Remarque On trouve dans le commerce deux types de lampes pouvant fonctionner sous 12 V, ce qui permet une manipulation sous très basse tension en toute sécurité. Réponses aux questions 1. Pour un éclairage identique, c est la lampe fluocompacte qui mérite la qualification de LBC, car elle consomme beaucoup moins qu une lampe à incandescence. 2. Si E 1 = 3,5, on peut écrire que la lampe fluocompacte consomme 3,5 fois moins d énergie E 2 électrique que la lampe à incandescence. 3. On a E 1 P 1 3,5. L énergie consommée est donc proportionnelle à la puissance de la lampe. E 2 P 2 4. L utilisation de lampes fluocompactes permet d économiser de l énergie électrique. Activité 2 Quelles sont les grandeurs influant sur l énergie électrique transférée à un appareil? Matériel Un joulemètre Un générateur Une lampe 6V 6 W ou autre, d une puissance de quelques watts Un interrupteur Des fils de connexion Réponses aux questions 1. L énergie indiquée par le joulemètre est proportionnelle à la durée de fonctionnement de la lampe. 2. On a P.t E. 3. L énergie électrique s exprime en joule lorsque la puissance P est en watt et la durée de fonctionnement en seconde. 16 CHAPITRE 4 - Comment évaluer sa consommation d énergie électrique?

18 Les documents Différents moyens d éclairage Réponses aux questions La case cochée indique que la caractéristique est vérifiée : Lampes à Caractéristiques incandescence fluorescence Dure le plus longtemps Est une lampe basse consommation Restitue la plus grande quantité de lumière par watt DEL Rend les couleurs correctement Étude comparative de deux installations d éclairage Réponses aux questions 1. Le coût annuel de la consommation est de 39 (vérification : ,13 = 39) pour l installation réalisée avec les lampes halogènes et de 8,97 (vérification : ,13 = 8,97) pour l installation réalisée avec les lampes fluocompactes. 2. L installation réalisée avec les lampes fluocompactes présente un surcoût initial de 25. La différence des coûts annuels de consommation est de : 39 8,97 = 30,03. Le surcoût initial est donc amorti au bout de la première année de fonctionnement (25 < 30,03). 3. L installation la plus économique au bout de cinq ans est celle des lampes fluocompactes ; l économie réalisée pendant cette durée est de : ,85 = 135,15 soit 135,15. Les exercices Tester ses connaissances Q.C.M. 1 : B et C 2 : B et C 3 : C 4 : B et C. Tester ses capacités 1. Compteur a. La grandeur physique indiquée par l afficheur est l énergie électrique consommée. b. Le kilowattheure est une unité pratique. 2. Mesurer une énergie électrique Q.C.M. 1 : A et C 2 : B 3 : C. 3. Énergie pour un cycle b. L énergie électrique transférée durant ce cycle est = 15 kwh. c. Par le calcul, on obtient : E = P.t = 10 1,5 = 15 kwh. 4. Joulemètre a. Le schéma du montage (page 47 doc 2 du livre de l élève) K Joulemètre U t We mode P I U 000 J W kj A V G I départ arrêt b. À à la fin de l expérience, le joulemètre indique : E = P.t = = J soit 2,4 kj. Appliquer le cours 5. Conversion et préfixes a. En utilisant les préfixes, - en joule : 36 kj = 3, J ; 72 MJ = 7, J ; 144 TJ = 1, J. - en watt-heure : 5 mwh = Wh ; 8 kwh = Wh ; 9,2 GWh = 9, Wh. CHAPITRE 4 - Comment évaluer sa consommation d énergie électrique? 17

19 b. En utilisant les unités pratiques, - en joule : 3, Wh = 1, J ; 5,2 kwh = 1, J. - en watt-heure : 36 MJ = 10 4 Wh ; kj = 1, Wh. 6. Entre deux relevés a. L énergie distribuée au cours de cette durée est de 1028 kwh. b. La durée de la consommation a été de 185 jours. ( = 185). c. La consommation journalière moyenne d énergie électrique a été de 5,56 kwh/jour. d. Le montant de cette consommation journalière est de : 5,56 0,13 = 0, Lire avec un joulemètre-wattmètre a. Valeurs 11,9 V 1,76 A 100 s 20,8 W Grandeurs physiques tension intensité durée puissance b. L afficheur indique en kj : 2, Avec les unités légales Appareils lampe radiateur Mini perceuse E : énergie (J) 7, , P : puissance (W) t : durée (s) Avec les unités pratiques Appareils Réacteur nucléaire Calculatrice Lave-linge E : énergie 216 GWh 10,8 J 3 kwh P : puissance 900 MW 0,06 W W t : durée 10 jours 3 minutes 1,5 heure 10. Coût d un oubli a. Énergie perdue : E = ,1 = 72 kwh. b. Le coût est de : 0,13 72 = 9, Deux cycles d un lave-vaisselle a. La puissance électrique moyenne consommée lors du cycle de lavage est : P = 700 = W. 0,5 b. L énergie électrique consommée par le lave-vaisselle lors du cycle de lavage est : = Wh ou 1,75 kwh. c. Le coût du cycle rapide est de : 0,70 0,13 = 0,09. Celui du cycle intensif est de : 1,75 0,13 = 0,23. La différence de coût entre ces deux cycles est de 0, Budget TV a. Le téléviseur a fonctionné pendant t = E P = 0,52 0,13 = 4 h. b. L énergie consommée par le téléviseur de Jules en un an est : E = 0, kwh. c. Le coût de cette consommation d énergie est de : 0, = 24, Ordinateur portable a. Représentation E (Wh) b. Les grandeurs E et t sont proportionnelles, car la droite représentative de E = f(t) passe par l origine. c. Le coefficient permettant de calculer E (Wh) lorsqu on connaît la durée t (h) est la puissance P de l ordinateur. Ici, P = 12 W. d. L énergie électrique transférée par l ordinateur pour un fonctionnement mensuel de 60 h est : E = P.t = = 720 Wh, soit 50 fois moins qu un ordinateur en forme de tour. 14. Lampadaire halogène (développement durable) a. La puissance transférée par des lampes LBC pour obtenir la même quantité de lumière est de 60 W. b. Il faudra 3 lampes LBC de 20 W pour remplacer le lampadaire halogène. Utiliser ses connaissances 15. Maîtriser l énergie (développement durable) a. Cet appareil est de la classe A. b. Les machines les plus «énergivores» sont de la classe G. c. Durant un cycle de fonctionnement, une énergie de 1,4 kwh est consommée. d. Coût d un cycle de lavage : 1,4 0,13 = 0, La petite boulangerie a. Dans la première pièce, la puissance transférée est P 1 = = W. Le produit : U.I = = W. La puissance transférée est inférieure à U.I, car les machines fonctionnent avec des moteurs donc la formule P = U.I n est pas applicable et l on a P < U.I. 5 t (h) 18 CHAPITRE 4 - Comment évaluer sa consommation d énergie électrique?

20 b. La puissance consommée dans la deuxième pièce lorsque tous les appareils fonctionnent est P 2 = = W. c. Le produit : U. I = ,3 = W. On a P = U.I : les appareils sont des dipôles résistifs. Lorsque tous les appareils fonctionnent, la puissance transférée est : P 1 + P 2 = = W. La puissance souscrite est de W, donc ils peuvent fonctionner simultanément. 17. Petit déjeuner a. Énergie consommée : E = P.t = = 2, J. b. Intensité efficace : I = P U = 800 = 3,48 A. 230 c. Résistance du grille pain : R = U I = , = 66 Ω. 18. Veille voleuse (développement durable) a. L énergie consommée par jour : - lorsque J. Blackwatt regarde la télévision : E = P.t = 0,1 3 = 0,3 kwh ; - lorsque le poste est en mode veille : E = P.t = 0, = 0,336 kwh. b. S il éteint le poste, il fera une économie de : 0,336 0,13 = 0,04 par jour, soit 16 par an. c. Autres appareils conçus sur le même type d arrêt : un décodeur, un ordinateur, un lecteur de DVD, une box 19. Consommation électrique d une maison (développement durable) a. Les appareils consommant près du tiers de l énergie électrique sont le réfrigérateur et le congélateur. b. Diagramme circulaire à secteur représentant les consommations électriques de la maison : autres lave-linge 7 % 7 % froid audiovisuel 12 % 32 % sèche-linge lave-vaisselle 14 % 14 % 14 % éclairage c. Précautions à prendre pour qu une famille réalise des économies d énergie électrique : - utiliser correctement les thermostats des appareils pour réguler la température ; - utiliser des doubles ou triples vitrages ; - veiller à éloigner des sources de chaleur les appareils créant du froid (réfrigérateur, congélateur) ; - éteindre chaque fois que cela est possible les appareils en mode veille ; - utiliser des lampes basse consommation (fluorescentes ou électroluminescentes) ; - au moment du remplacement des appareils, choisir des appareils économisant l énergie (classe A ; A + ) ; - isoler thermiquement les habitations (voir la réglementation technique en vigueur). d. ADEME signifie : Agence De l Environnement et de la Maîtrise de l Energie. Cette agence s occupe des déchets, de la pollution, de l énergie, des matériaux renouvelables, du développement durable 20. Sur le Net ou au CDI Se renseigner sur : a. James Watt ( ) a permis, par ses travaux, l amélioration de la machine à vapeur qui servait à l extraction du charbon dans les mines. Le nom de Watt a été donné à l unité de puissance. James Joule ( ), après des études scientifiques à l Université de Cambridge, reprit l entreprise familiale de brasseur de bière et y construisit un laboratoire de recherche. Ses nombreuses études ont porté sur l énergie, la chaleur et l électricité. Il a montré, en particulier, que la chaleur est une forme d énergie. Le nom de Joule a été donné à l unité d énergie. b. Thomas Alva Edison ( ) est reconnu comme l un des inventeurs américains les plus importants. C est le fondateur de l un des plus grands empires industriels mondiaux : Général Electric. Il revendique un nombre record de brevets et inventions : le télégraphe ; «transmetteur-receveur duplex automatique de code Morse» ; le phonographe ; l ampoule électrique ; le kinétographe ; le kinétoscope Parlors ; l accumulateur alcalin nickel-fer 21. Un atelier en hiver - L appareil électrique de plus grande puissance est la scie à bande avec 6 kw (Sylvestre Bobois ne peut utiliser qu une machine à la fois puisqu il travaille seul. De plus, il doit économiser l énergie en éteignant les machines lorsqu il ne les utilise pas). - Le chauffage et l éclairage consomment une puissance de 4 + 0,2 = 4,2 kw. - Il utilise donc au maximum 4,2 + 6 = 10,2 kw. Avec un abonnement de 12 kw, il peut donc s éclairer et se chauffer tout en travaillant en hiver. CHAPITRE 4 - Comment évaluer sa consommation d énergie électrique? 19

21 22. Vérifier sa facture avec un tableur (TIC) A B C D E F G H I J électricité ancien relevé nouveau différence consommation (kwh) prix kwh () montant HT () taxes locales TVA total TTC () 47,87 4,59 6,16 58,62 abonnement 4.45 / mois 26,70 consommation du 26/10/08 au 25/04/ , ,17 montant HT () taxes locales TVA TTC () autres prestations 1,21 0,24 1, ,0045 1,21 montant HT () taxes locales TVA TTC () total 49,08 4,59 6,40 60, Geste recyclage a. Les lampes à recycler dans la filière lampes usagées sont les lampes fluocompactes, les tubes fluorescents et les lampes à DEL (sur leurs emballages figure une poubelle barrée). b. Les lampes fluocompactes et les tubes fluorescents contiennent du mercure. Celui-ci ne doit pas se retrouver dans la chaîne alimentaire à cause de sa haute toxicité. c. Il faut déposer ces lampes dans un point de collecte prévu à cet effet dans les déchetteries ou les magasins qui les vendent. Leur transfert et leur recyclage sont financés par l éco-contribution payée lors de l achat. 24. Rechercher a. Le rapport des puissances consommées entre une lampe à incandescence et une lampe basse consommation est de 5. b. En 1802, Humphry Davy découvre que le passage du courant électrique dans un fil conducteur élève sa température et le fait fondre rapidement. En 1880, Thomas Alva Edison invente la lampe à incandescence en plaçant une fibre de bambou du Japon dans une ampoule sous vide. Cette fibre soumise à une faible tension produit de la lumière. Ce filament fut remplacé par la suite par un filament de tungstène. Le passage du courant électrique produit un échauffement portant à incandescence le filament. La durée de vie de ce type de lampe est de à heures. c. Dans les lampes fluorescentes (aussi appelées tubes ou lampes fluocompactes), des décharges électriques fournissent un courant. Les chocs des électrons avec des atomes de mercure produisent des ultraviolets transformés en lumière visible en traversant une poudre fluorescente qui recouvre les parois. poudre atome de mercure gaz neutre poudre fluorescente (argon) fluorescente lumière blanche visible Les lampes électroluminescentes (DEL) : la jonction entre deux cristaux semi-conducteurs émet un rayonnement lumineux lorsqu elle est parcourue par un courant. Enfermées dans une résine, ces lampes résistent aux vibrations. Associées en nombre et commandées par l électronique, les DEL sont devenues à haute luminosité. d. Les rendus des couleurs sont différents pour les trois lampes. Le meilleur (proche de la lumière blanche naturelle) est celui de la lampe à incandescence. Les spécialistes utilisent l indice de rendu des couleurs (IRC) pour caractériser la lumière des lampes. Sa valeur maximale 100 correspond à la lumière du jour. Une lampe à incandescence ordinaire à un indice supérieur à 95 alors que l éclairage fluorescent va de 50 à 80 suivant la composition de la poudre contenue dans la lampe. Les DEL ont un indice médiocre. 20 CHAPITRE 4 - Comment évaluer sa consommation d énergie électrique?

22 5 Tous les sons sont-ils audibles? CME3 Les activités Activité 1 Comment déterminer la fréquence d un son? Quelle est la gamme de fréquences d un son audible par l homme? Matériel Un GBF Un haut-parleur Un interrupteur Un microphone Un oscilloscope Réponses aux questions Expérience 1 1. Lorsque la fréquence augmente, le son devient plus aigu. 2. Oui, les deux fréquences sont égales. Expérience 2 3. L intervalle des fréquences des sons audibles est en théorie de [20 Hz ; 20 khz]. En général, il est plus restreint dans la réalité : une personne âgée n entend plus les sons au-delà de 10 à 12 khz. 4. Notre oreille n est sensible qu aux sons de certaines fréquences. En dessous de 20 Hz et au dessus de 20 khz, nous ne percevons pas les vibrations contrairement à certains animaux. Activité 2 Quelle grandeur se mesure en décibel? Matériel Un GBF Un haut-parleur Un sonomètre Un voltmètre Une boîte d expérimentation (si possible), dans laquelle on peut fixer un haut-parleur et possédant un trou pour le capteur du sonomètre. Réponse aux questions 1. Non, le niveau d intensité acoustique du «silence» n est pas égal à zéro. 2. Lorsque la tension aux bornes d un haut-parleur augmente, le niveau d intensité acoustique augmente. Lorsque le son est «plus fort», le niveau d intensité acoustique augmente. 3. Nous ne percevons que certains sons, car notre oreille n est sensible qu à partir d une valeur minimale de niveau d intensité sonore (voir le diagramme de Fletcher et Munson). CHAPITRE 5 - Tous les sons sont-ils audibles? 21

23 Les exercices Tester ses connaissances Q.C.M 1 : C ; 2 : A ; 3 : A et B ; 4 : A ; 5 : C ; 6 : C ; 7 : A, B, C. Tester ses capacités 1. Un son pur Le son pur correspond à l oscillogramme a. Le son complexe correspond à l oscillogramme b. Le bruit correspond à l oscillogramme c. 2. Mesure d une période sur un oscilloscope Les enregistrements a et b sont périodiques. Pour chacun de ces enregistrements, un motif est dessiné ci-dessous : a. b. Appliquer le cours 3. Mesure d une période à partir d un enregistrement EXAO a. Pour l enregistrement 1, T = 2,23 ms d où f = 448 Hz. b. Pour l enregistrement 2, T = 2,25 ms d où f = 444 Hz. 4. Comment positionner un sonomètre? a. La bonne position est celle schématisée sur le dessin 3. b. Il faut paramétrer le sonomètre pour qu il mesure en db(a). 5. Quels réglages pour quels effets? a. GBF HP b. Il faut régler la fréquence de la tension de sortie du GBF. c. Il faut régler la valeur de la tension de sortie du GBF (bouton «Amplitude»). 6. Mettre de l ordre Les sons les plus graves sont ceux dont la fréquence est la plus basse. Le classement des sons du plus grave au plus aigu est donc : son 4 ; son 2 ; son 5 ; son 3 ; son1. 7. Sans calcul Les sons les plus graves sont ceux dont la période est la plus grande. Le classement des sons du plus aigu au plus grave est donc : d ; b ; a ; c. 8. Un seul mot a. Pour augmenter la hauteur d un son, il faut augmenter sa fréquence. Pour diminuer la hauteur d un son, il faut diminuer sa fréquence. b. Un son aigu a une fréquence comprise entre 1,5 khz et 20 khz. c. Les ultrasons ont une fréquence supérieure à 20 khz. d. En dessous de 20 Hz, un son n est pas audible par l homme. 9. Calcul de fréquences a. Enregistrement a : T a = 2 ms ; enregistrement b : T b = 2 ms ; enregistrement c : T c = 20 ms ; b. Enregistrement a : f a = 500 Hz ; enregistrement b : f b = 500 Hz ; enregistrement c : f c = 50 Hz. c. Les sons a et b sont plus aigus que le son c. d. La période diminue quand le son devient plus aigu. 10. Fletcher et Munson a. Pas toujours. Par exemple, un son de 50 Hz et 40 db n est pas audible. b. Non. Seulement si L > 5 db. c. Par exemple, un son de (3 000 Hz ; 95 db). d. Entre 2500 et 4000 Hz. 11. Quel bouton? Les réglages sont ceux de la photo. a. C est une tension alternative sinusoïdale (bouton rouge de droite). b. La fréquence est donnée à l écran. Ici f = 400 Hz. c. Le haut-parleur émet un son de fréquence égale à celle de la tension qui l alimente. Donc ici, la fréquence du son émis vaut 400 Hz. Les réglages sont modifiés : d. Non, cela va augmenter ou diminuer le niveau d intensité sonore, mais pas la fréquence. e. Il faut se placer sur le calibre 100 khz et tourner le bouton fréquence jusqu à ce que l écran affiche f. f max = 100 khz. Dans ce cas, le son est inaudible, car f > 20 khz. C est un ultrason. g. f min = 1 Hz. Le son est un infrason. 22 CHAPITRE 5 - Tous les sons sont-ils audibles?

24 12. Additivité de deux sources sonores a. «Si deux sources sonores émettent des sons de même niveau d intensité sonore, le niveau d intensité sonore total augmente de trois.» b. «Si deux sources sonores émettent des sons dont le niveau d intensité sonore diffère de 10 db, le niveau d intensité sonore global est sensiblement égal à la valeur du niveau d intensité sonore de la source la plus forte.» 13. Quel aspirateur? a. Daison, car c est pour celui là que le niveau d intensité acoustique L est le plus petit (74 db). b. Non. Ces deux grandeurs ne sont pas liées. 14. Un haut-parleur adapté a. Non, car un son grave a une fréquence comprise entre 20 Hz et 300 Hz. b. Non, car les fréquences d une conversation sont comprises entre 250 Hz et Hz. Ce haut-parleur ne retransmettra que les sons les plus aigus de la conversation. c. Non, car les ultrasons ont des fréquences supérieures à Hz. d. Oui, car les douleurs apparaissent environ à 120 db. 15. Régler la hauteur du son d un téléviseur a. La fréquence d un son grave est comprise entre 20 Hz et 300 Hz. Quentin doit donc positionner le curseur 100 Hz au maximum. b. Un son aigu a une fréquence comprise entre 1,5 khz et 20 khz. Quentin doit donc positionner les curseurs 3 khz et 10 khz au maximum. 16. Arthur accorde sa guitare a. La période de ce signal vaut T = 3 ms. La fréquence est donc égale à : f = T = = Hz b. Il faut qu Arthur diminue la fréquence du son émis par la corde. Pour cela, il doit la détendre afin d allonger la partie vibrante de la corde. 17. Jouer de la guitare sèche a. Oui, car les sons médiums ont une fréquence comprise entre 300 Hz et Hz. En plaçant ses doigts sur la corde, Arthur va la raccourcir et donc augmenter la fréquence du son émis. b. Non, car la fréquence du son ne peut qu augmenter si on raccourcit la partie vibrante de la corde. Or les sons graves ont une fréquence inférieure à 300 Hz. 18. Situation problème a. Oui, car la détérioration des capacités auditives commence à environ 80 db. b. Le responsable doit fournir des dispositifs de protection individuelle contre le bruit et s assurer que les employés les utilisent. 6 comment isoler une pièce du bruit? CME3 Les activités Activité 1 Le double vitrage assure-t-il une meilleure isolation phonique que le simple vitrage? Matériel Un GBF - Un haut-parleur - Un interrupteur - Un sonomètre - Une caisse Exemple de relevé des niveaux d intensité acoustique (en décibel) pour différents vitrages Air ou vitrage Fréquence (Hz) Air 82, Verre 4 mm 59,5 48, ,9 49,9 Verre 10 mm 53,5 43,2 55,6 41,1 45,2 Double vitrage 4/10/4 55,5 47,5 57,3 43,3 46,8 Double vitrage 10/10/4 50,7 40,2 53,1 39,2 41,2 CHAPITRE 6 - Comment isoler une pièce du bruit? 23

25 Réponses aux questions Expérience 1 1. Oui, le verre est un isolant acoustique : L(verre) < L(air). 2. Oui, l épaisseur du verre joue sur le niveau d isolement : L(verre 10 mm) < L(verre 4 mm). 3. Non, chaque matériau a une fréquence de résonance pour laquelle il isole moins bien. Expérience 2 4. Non, un double vitrage 4/10/4 n isole pas mieux qu un simple vitrage de 10 mm. Activité 2 Comment évolue le niveau d intensité acoustique lorsque le récepteur s éloigne de la source sonore? Matériel Un GBF Un haut-parleur Un interrupteur Un sonomètre Une caisse Distance d entre le haut-parleur et le sonomètre (cm) Niveau sonore L en db (arrondi à l unité) Réponses aux questions 1. L (db) d (cm) 2. Le niveau d intensité acoustique diminue lors que la distance entre la source et le récepteur augmente. Cette diminution est de 6 décibels chaque fois que la distance double. 24 CHAPITRE 6 - Comment isoler une pièce du bruit?

26 Les exercices Tester ses connaissances Q.C.M. 1 : C ; 2 : B ; 3 : A et C ; 4 : B ; 5 : B. Tester ses capacités 1. Le meilleur matériau Le classement des matériaux du plus performant au moins performant est : matériau 3 ; matériau 4 ; matériau 1 ; matériau L en fonction de d a. Le niveau d intensité acoustique L diminue lorsque la distance d entre la source sonore et le récepteur augmente. b. Distance de mesure d (m) Niveau d intensité acoustique L (db) Vrai Faux Le niveau d intensité acoustique : a. Faux : se note L. b. Faux : se mesure avec un sonomètre. c. Faux : diminue lorsque la distance augmente. d. Vrai : décroît lorsque la distance augmente. e. Faux : augmente lorsque la distance diminue. Appliquer le cours 4. Dans un immeuble a. Il doit intervenir pour que l isolement phonique entre deux appartements soit au moins de 53 db et que l isolement entre la cage d escalier et un appartement soit au moins de 53 db (voir le document sur les niveaux règlementaires d isolation, page 72 du manuel) : - entre le studio 1 et le studio 2 ; - entre le studio 2 et la cage d escalier ; - entre le studio 4 et la cage d escalier. b. Nicolas devrait faire mesurer - le niveau d isolement des façades ; - le niveau d isolement des sols et des plafonds aux bruits d impacts et aux bruits aériens. 5. Épaisseur du vitrage a. Le verre isole plus des sons aigus que des sons graves, car les sons aigus ont des fréquences plus élevées que les sons graves. b. Plus le verre est épais, plus l atténuation phonique est importante. c. L atténuation dans ce cas est de 40 décibels. 6. Épaisseur d air (les indices) a. Dans ce cas R w 41,5 db. b. R w augmente d environ 3,75 db chaque fois que l épaisseur du verre double. 7. Isolation par parois doubles a. Quand on remplace la couche d air par un matériau isolant, on augmente l indice d affaiblissement acoustique. b. Non les deux schémas centraux montrent que deux murs identiques en série n isolent pas deux fois plus qu un mur seul. c. Les deux plaques de plâtre intérieures sont reliées aux plaques de plâtre extérieures par les poteaux. Lorsque le son percute la paroi, l onde sonore est transmise à la plaque de plâtre intérieure par le poteau. Elle traverse donc la cloison. Si la plaque de plâtre intérieure est enlevée, l onde sonore n est plus transmise par ce biais et l atténuation sonore augmente. 8. Loi des masses a. Les trois paramètres qui influent sur l isolation acoustique d une paroi sont : la fréquence du son, l épaisseur de la paroi, la qualité du matériau utilisé. b. L atténuation est meilleure pour les sons aigus, d après le diagramme. c. Dans ce cas, l affaiblissement R w a une valeur de 28 db. d. On peut utiliser de la brique pleine de 5,5 centimètres d épaisseur. 9. Calfeutrage a. Faux. Le son n a besoin que de petits espaces pour se propager : «Là où l air passe, le bruit passe». b. Faux. Si l air passe sous une porte, le bruit passe forcément. c. Vrai. Des fenêtres étanches à l air sont indispensables pour améliorer l isolation phonique. d. Vrai. Le calfeutrage parfait d une pièce est bon pour l isolation mais mauvais pour la santé. Une pièce saine doit être aérée. 10. Capotage insonorisant a. Les principes évoqués sont : - la loi de masse : plus le poids au m² d une cloison est important, plus elle sera efficace pour isoler des sons ; - la loi d étanchéité : une paroi doit être parfaitement étanche pour isoler du bruit. b. Le plomb est le meilleur isolant. c. Oui, une petite fuite peut limiter grandement l isolement du capot. CHAPITRE 6 - Comment isoler une pièce du bruit? 25

27 Utiliser ses connaissances 11. Connaître et respecter les limites a. db signifie décibel. C est l unité du niveau d intensité sonore L. b. Non, le niveau d intensité sonore au calme à la campagne est d environ 30 db. c. Le seuil de fatigue auditive est de 85 db. d. Dans un bureau : L 40 db. e. Dans un atelier d ajustage : 8 h maximum. Dans une chaudronnerie : 2 minutes maximum. f. Oui. (L = 105 db.) g. Test de moteur sur un banc d essai. h. Écouter un baladeur, aller en discothèque, suivre un concert de rock, chasser. 12. Rénover son appartement a. En 2 : permuter R W et L W : R w est un indice d affaiblissement des bruits aériens et L w un indice d affaiblissement aux bruits d impacts. Il ne faut pas confondre les indices de performance des matériaux avec les performances de la paroi. b. Afin d assurer l étanchéité des ouvertures et limiter le passage de l onde sonore. c. Il pourrait isoler les planchers et les plafonds, remplacer les vitrages par des vitrages spécifiques. 13. Trafic aérien. a. À 300 mètres, L 103 db. b. À 18 m, L db. À m, L db. À 4,8 km, L 4800 = 79 db. Méthode de calcul destinée au professeur L intensité acoustique I est inversement proportionnelle au carré de la distance d : I = k/d 2 où k est une constante. Le niveau d intensité acoustique est donné par : L = 10 log(i/i 0 ) avec I 0 = W.m 2. k L = 10 log = 10 log ( k ) 20 log d = K 20 log d 2 d. I I 0 0 où K est une autre constante. Pour la distance d 1, L 1 = K 20 log d 1. Pour la distance d 2, L 2 = K 20 log d 2. L 2 L 1 = 20 log (d 1 /d 2 ). L abaque donne L 1 = 103 db pour d 1 = 300 m, lors du décollage. Calculons L 2 pour d 2 = 18 m : L 2 L 1 = 20 log (300/18) = 20 log 16,7 = 24. Donc L 2 = 127 db. Calculons L 3 pour d 3 = m : L 3 L 1 = 20 log (300/1 200) = 20 log 4 = 20 log 2 2 = 40 log 2 = 40 0,3 = 12. Donc L 3 = 91 db. Calculons L 4 pour d 4 = m : L 4 L 1 = 20 log (300/4 800) = 20 log 16 = 20 log 2 4 = 80 log 2 = 24. Donc L 4 = 79 db. Méthode de calcul adaptée à l élève On procède par itération sachant que le niveau diminue de 6 db quand la distance double. - Évaluation du niveau d intensité acoustique L 2 à 18 m, connaissant le niveau L 1 = 103 db à 300 m : Distance (en m) Niveau d intensité acoustique (db) 18 L 2 36 L L L L 2 24 La distance 288 m est voisine de 300 m et le niveau d intensité acoustique est voisin de L 1 = 103 db. Donc L , soit L db. NB : Ce résultat constitue une bonne approximation, car la fonction logarithmique décroît lentement avec la distance. - Évaluation du niveau d intensité acoustique L 3 à 1200 m, connaissant le niveau L 1 = 103 db à 300 m : Distance (en m) Niveau d intensité acoustique (db) 300 L L L 1 12 L 3 = L 1 12 = = 91 db. - Évaluation du niveau d intensité acoustique L 4 à m, connaissant le niveau L 1 = 103 db à 300 m : Distance (en m) Niveau d intensité acoustique (db) 300 L L L L L 1 24 L 4 = L 1 24 = = 79 db. c. Isolement = = 44 db. L isolement d une chambre située à 4,8 kilomètres doit être au moins égal à 44 décibels. 14. Cloisons d isolation phonique a. La cloison F530 offre les meilleures performances acoustiques (courbe rouge). b. L indice de la cloison 72/48 chute pour les fréquences supérieures à 2000 Hz. c. Oui, car une partie seulement de la bande de fréquences des sons des conversations sera mal atténuée. d. L isolation permet une isolation de 40 à 70 décibels selon les fréquences. Cette cloison permet donc une isolation convenable. e. Non, car il ne faut pas confondre l indice d isolement des matériaux et l isolement du mur. 26 CHAPITRE 6 - Comment isoler une pièce du bruit?

28 7 comment éviter le basculement d un corps? HS1 Les activités Activité 1 À quelle condition un objet peut-il basculer? Matériel Un parallélogramme déformable muni d un fil à plomb Expérience - Présenter le parallélogramme déformable, son centre de gravité G ainsi que la verticale de G matérialisée par le fil à plomb. Présenter la surface d appui sur le plan, appelée base de sustentation. - Déformer progressivement le parallélogramme jusqu à ce qu il se renverse. Réponses aux questions 1. Le parallélogramme reste en équilibre sur le plan horizontal tant que la verticale du centre de gravité, matérialisée par le fil à plomb, rencontre la base de sustentation. 2. Le parallélogramme bascule dès que la verticale du centre de gravité, tombe en dehors de la base de sustentation. 3. Lorsque le camion a déployé la grue, le centre de gravité du système camion-grue s est déplacé et sa verticale est sortie de la base de sustentation comprise entre les quatre roues. Le camion s est alors renversé. Le camionneur aurait dû sortir les stabilisateurs pour augmenter l aire de la base de sustentation. Activité 2 Quelles sont les caractéristiques du poids d un corps? Matériel Un support, une noix, une tige Un fil à plomb Une boulette de pâte à modeler Une boîte d allumettes Un dynamomètre Une balance électronique Expérience - Matérialiser la direction du fil à plomb par un petit morceau de pâte à modeler. Remonter le fil et le brûler. Vérifier que le point d impact coïncide avec la trace marquée sur la pâte à modeler. - Mesurer le poids du fil à plomb avec un dynamomètre. - Mesurer sa masse avec une balance électronique. Répondre aux questions Expérience 1 1. Le poids du fil à plomb s applique au centre de gravité. 2. Le fil à plomb tombe suivant la direction verticale. 3. Le sens de la chute est du haut vers le bas. 4. La valeur du poids du fil à plomb est P = 1,6 N. Expérience 2 5. La valeur de la masse du fil à plomb est m = 0,159 kg. 6. La valeur du rapport P m = 1,6 = 10 N/kg. 0,159 CHAPITRE 7 - Comment éviter le basculement d un corps? 27

29 Les documents Les plaques de charge sur les chariots frontaux Répondre aux questions 1. La hauteur de gerbage est de 3,20 m, inférieure à 3,30 m. C est donc la courbe 1 qu il faut utiliser. Le centre de gravité G est situé à 600 mm du mât. L ordonnée correspondant à l abscisse 600 mm sur la courbe 1 est kg. La charge maximale mesurant 1,2 m de côté pouvant être gerbée à 3,20 m est kg. 2. La hauteur de gerbage est maintenant de 5,20 m, inférieure à 5,44 m. C est donc la courbe 2 qu il faut utiliser. Le centre de gravité G est situé à 700 mm du mât. L ordonnée correspondant à l abscisse 700 mm sur la courbe 2 est kg ; c est la charge maximale que l on peut gerber. Par conséquent, il est impossible de gerber la charge de kg à une hauteur de 5,20 m. Deux risques liés à l utilisation des grues mobiles Répondre aux questions 1. Une flèche de grue trop longue déplace le centre de gravité du système en dehors de la base de sustentation. 2. Le conducteur doit sortir les quatre poutres des stabilisateurs pour augmenter l aire de la base de sustentation. Les exercices Tester ses connaissances Q.C.M. 1. : B ; 2. : C ; 3 : C ; 4. : B ; 5. : B et C ; 6. : A et B. 6. Recopier et compléter Le poids d un corps est représenté par un segment fléché P dont l origine correspond au centre de gravité, la direction et le sens sont ceux du poids et la longueur est proportionnelle à la valeur du poids. Tester ses capacités 1. Centre de gravité d un cylindre Le centre de gravité est situé au milieu du segment qui joint les centres des deux bases du cylindre. 7. Représenter le poids d une boule de pétanque. Le segment fléché a pour origine le point G, pour direction la verticale de G et de sens vers le bas. G 2. Centre de gravité d un anneau a. Le centre de gravité est situé au centre de l anneau. b. Le centre de gravité ne se trouve pas dans la matière de l anneau. 3. Centre de gravité d une plaque triangulaire Il faut tracer les médianes du triangle pour déterminer son centre de gravité. 4. Choisir la bonne réponse Le poids d un corps se mesure avec un dynamomètre. La valeur du poids d un corps s exprime en newton. 5. Lire un appareil de mesure Le poids de l objet suspendu en (a) est 4 N. Le poids de l objet suspendu en (b) est 2,05 N. Avec l échelle choisie le segment fléché a pour longueur : 0,7 = 3,5 cm. 0,2 8. Stabilité d un équilibre Le guéridon est moins stable que la table basse, car son centre de gravité est plus haut et sa base de sustentation plus réduite. 9. Basculement frontal La charge à déplacer a été mal positionnée : la verticale du centre de gravité du système tombe en avant de la base de sustentation formée par la zone intérieure aux quatre roues. Le chariot bascule autour des roues avant. P 28 CHAPITRE 7 - Comment éviter le basculement d un corps?

30 Appliquer le cours 10. Mesure du poids a. L appareil de mesure photographié est un dynamomètre. b. Il faut multiplier la lecture par le facteur 0,1 pour obtenir le poids. c. L objet suspendu pèse : 3,5 0,1 = 0,35 N. 11. Calcul du poids à partir de la masse a. Dans la relation P = m.g, P représente la valeur du poids de l objet, m, la valeur de la masse et g, celle de l intensité de la pesanteur. b. P s exprime en newton, m en kilogramme et g en newton par kilogramme. c. La valeur du poids de l objet est P = 0,75 9,8 = 7,35 N. 12. Représentation du poids d une charge a. Le bloc de béton a une forme rectangulaire. Il possède deux axes de symétrie. Lorsqu un solide homogène présente un axe de symétrie, son centre de gravité se trouve sur cet axe. Le centre de gravité se trouve donc à l intersection des deux axes de symétrie. Il coïncide aussi avec les deux diagonales du rectangle. b. P = m. g = = N. c. Point d application Droite d action P G Verticale 13. Poids d un panneau solaire a. Le poids du panneau est : P = m.g = = 400 N. b. Voir ci-contre (échelle : 50%). A G P Sens De haut en bas Valeur N P 14. Montée sur une échelle simple inclinée a. Lorsque la personne monte sur l échelle, le centre de gravité du système échelle-personne s élève. G b. Si l échelle n est pas suffisamment inclinée, la base de sustentation est réduite. Lors de travaux de perçage, la personne exerce une action contre le mur. En réaction, elle a tendance à s éloigner du mur et la verticale du centre de gravité peut facilement sortir de la base de sustentation ce qui entraîne le basculement de l échelle. 15. Équilibre d un objet lesté Dans la position 1 : a. la base de sustentation est le point O ; b. la verticale du point G rencontre le point O ; c. l objet reste en équilibre. Dans la position 2 : d. la base de sustentation est le segment AB ; e. la verticale du centre de gravité ne rencontre pas la base de sustentation ; f. l objet ne peut pas rester en équilibre, il se redresse. Utiliser ses connaissances 16. Inclinaison de l échelle a. Voir ci-contre (échelle : 50%). Graphiquement on trouve : BHM = 71. b. ABH = BHM. tan ABH AH 7 = = =,. AB 25, 28 ABH = 70, Stabilisateurs H M a. Le chef de chantier reproche au grutier de ne pas avoir sorti les deux stabilisateurs de la grue. b. Cette négligence peut avoir pour conséquence un renversement de la grue. c. Sur la photo de la page 83, on observe que le grutier n a pas sorti les stabilisateurs. La base de sustentation était trop réduite et lorsque la grue a été déployée, la verticale du centre de gravité est sortie de la base de sustentation et la grue s est renversée. 18. Le tracteur et l épareuse a. Lors du déploiement de l épareuse, le centre de gravité du système tracteur-épareuse se déplace vers l épareuse. b. Pour que le système ne se renverse pas, la verticale du centre de gravité doit rester entre les quatre roues du tracteur. c. Le fait de gonfler les roues du tracteur à l eau ou de placer des masses à l avant permet de diminuer le déplacement du centre de gravité lorsqu on déploie l épareuse. A B CHAPITRE 7 - Comment éviter le basculement d un corps? 29

31 19. Plaque de charge a. Pour une hauteur de 6,3 m c est la courbe (2) qui donne le résultat. Pour une distance de 600 mm, la charge maximale est de kg, soit 1 tonne. b. Pour une hauteur de 4,9 m, c est la courbe (1) qui donne le résultat. Non le chariot ne peut pas élever une charge de 1,2 tonne dont le centre de gravité est situé à 0,7 m de la fourche, car le maximum est de kg, soit une tonne. 20. Les grues mobiles a. Au niveau de la grue, le centre de gravité doit rester entre les stabilisateurs. b. La charge maximale que la grue peut soulever pour une portée de 18 m est 1,7 tonne. c. Si la grue doit soulever une masse de 20 tonnes, on doit choisir une longueur de flèche de 8,6 m. 8 Comment soulever un objet? HS1 Les activités Activité 1 Comment caractériser et représenter une action mécanique? Matériel Différents documents présentant des situations où s exercent des actions mécaniques Un aimant Une bille d acier Un dynamomètre circulaire Expérience 1 Présenter différents documents montrant des situations où s exercent des actions mécaniques de contact et à distance. Amener les élèves à préciser, qui exerce l action et qui la subit, ainsi que les effets qui en découlent. On peut placer une bille d acier sur une goulotte et la faire rouler près d un aimant pour montrer qu il existe des actions mécaniques à distance. Expérience 2 Analyser l action mécanique exercée par la main sur le fil du dynamomètre, afin de préciser les quatre caractéristiques d une force. Réponses aux questions Expérience 1 1. Dans le doc. 1, ce sont les câbles qui exercent l action et le container qui la subit. Les câbles sont au contact du container. L effet provoqué est le déplacement du container. Dans le doc. 2, c est l aimant qui exerce l action et la bille qui la subit. L effet provoqué est une modification du mouvement. Cette action s effectue à distance. Dans le doc. 3, c est la presse d emboutissage qui exerce l action et la tôle qui la subit. Cette action provoque la déformation de la tôle. Expérience 2 2. Le point d application de la force est le point P ; sa droite d action, la direction du fil ; son sens, vers la droite et sa valeur 4 newtons. 3. Il faut déterminer les quatre caractéristiques d une action mécanique : le point d application, la droite d action, le sens et la valeur pour la représenter par une force. 30 CHAPITRE 8 - Comment soulever un objet?

32 Activité 2 Quelles sont les conditions d équilibre d un objet soumis à deux ou trois forces? Matériel Deux dynamomètres magnétiques avec leur fil muni d un crochet Une plaque de polystyrène Une plaque triangulaire dont le centre de gravité est matérialisé Un support magnétique avec un fil à plomb Expérience 1 Rechercher les caractéristiques des deux forces s exerçant sur la plaque, en particulier, leur direction, leur sens et leur valeur. Expérience 2 Maintenir la plaque triangulaire en équilibre à l aide de deux dynamomètres. Positionner le fil à plomb afin qu il passe par le centre de gravité de la plaque. Il matérialise la direction du poids de la plaque. Vérifier que les directions des deux forces et du poids sont concourantes. Réponse aux questions Expérience 1 1. Les forces exercées en A et B ont même droite d action, même valeur mais des sens opposés. Expérience 2 2. Les droites d action des trois forces P, F 1 et F 2 sont concourantes. Remarque sur l essentiel du cours L étude des vecteurs n étant pas au programme de mathématiques de la classe de seconde professionnelle, nous avons supprimé toutes les expressions vectorielles concernant : - le principe des actions mutuelles ; - l équilibre d un solide soumis à deux ou à trois forces. Les exercices Tester ses connaissances Q.C.M. 1 : A ; 2 : B ; 3 : C ; 4 : C ; 5 : B ; 6 : C. Tester ses capacités 1. Le ressort a. L action mécanique exercée par la main sur le ressort est une action de contact. b. Elle est ponctuelle, car elle s exerce à l extrémité du ressort. 2. Actions mécaniques 3. Le dynamomètre Les caractéristiques de la force sont : - le point d application : le point P ; - la droite d action : l horizontale ; - le sens : vers la droite ; - la valeur : 6 N. (échelle : 50%) 10 NEWTONS P F main/tige Action mécanique Type d action Effets 1. Action de l aimant sur la bille en acier Action à distance, répartie sur toute la Modification de la trajectoire de la bille bille 2. Action des câbles sur le container Action de contact localisée Mise en mouvement du container 3. Action de la presse d emboutissage Action de contact répartie Déformation de la tôle sur la tôle. 4. Action des haubans sur le tablier du pont. Action de contact localisée. Maintien du tablier au repos CHAPITRE 8 - Comment soulever un objet? 31

33 4. Représenter une force C F corde/crochet 5. Le marteau (échelle : 50 %) O 10. Réaction du support a. Les deux forces qui s exercent sur la boule sont le poids de la boule et la réaction du plan. b. Tableau des caractéristiques des forces : c. Poids de la boule Réaction du plan Point d application G O Droite d action Verticale Verticale R Sens De haut en bas De bas en haut Valeur 3 N 3 N F marteau/clou 6. Prévoir un état d équilibre a. Pour qu un solide soumis à deux forces soit en équilibre, il faut que ces deux forces aient : - même droite d action ; - même valeur ; - des sens opposés. b. Le seul solide en équilibre est le solide 2 qui présente toutes les propriétés requises. Dans le schéma 1 les forces n ont pas même droite d action ; dans le schéma 3, les forces ont même droite d action, des sens opposés mais n ont pas la même valeur ; dans le schéma 4, les deux forces ont même sens. 7. Un état d équilibre. a. Un solide soumis à deux forces est en équilibre si ces deux forces ont : - même droite d action ; - même valeur ; - des sens opposés. b. Le solide (S) est en équilibre, car les deux forces ont des droites d action identiques, même valeur : 5 N et des sens opposés. 8. Dynamique des forces C est le système (b) qui est en équilibre, car le dynamique des forces est fermé. Appliquer le cours 9. Réaliser un inventaire des forces F 1 : force exercée par Alain sur la corde (C) notée F 1 = F A/C. F 2 : force exercée par Bernard sur le sol (S) notée F 2 = F B/S. F 3 : force exercée par Alain sur le sol (S) notée F 3 = F A/S. F 4 : force exercée par Bernard sur la corde (C) notée F 4 = F B/C. P O 11. Tension du ressort a. Les deux forces qui s exercent sur la boule sont le poids P et la tension T du ressort. b. Tableau des caractéristiques des forces : Point d application G Droite d action P G Verticale T A Verticale A T P G Sens De haut en bas De bas en haut Valeur 5 N 5 N 12. Boules électrisées en interaction a. Le principe des actions mutuelles dit que les deux forces F A/B et F B/ A ont même droite d action, même valeur mais des sens opposés : 32 CHAPITRE 8 - Comment soulever un objet?

34 b. F B/A (A) (B) F A/B c. Les sens de F A/B et de F B/ A sont opposés. Les valeurs sont égales à 2 N. 13. Force magnétique a. La force T C /B exercée par le câble sur la bille est appelée la tension du câble. b. Tableau des caractéristiques des forces : Point d application Droite d action P G Verticale F A/B G Horizontale Sens De haut en bas Vers la gauche Valeur 4 N 2,3 N T C /B P 4,6 N c. Dynamique des forces : c. Dynamique des forces : d. Graphiquement la longueur des vecteurs F 1 et F 2 mesure 2,1 cm. Leur valeur est donc : 200 2,1 = 420 N. On peut alors reporter ces valeurs dans le tableau des caractéristiques des forces. e. La législation n est pas respectée, car les livreurs doivent exercer une force de 420 N, supérieure à celle prévue par la législation (350 N). 15. Équilibre d une échelle a. b. Voir ci-contre (échelle : 50 %) : c. Puisque l échelle est en équilibre, les droites d action des trois forces P, F M /E et F S/E sont concourantes. La droite d action de F S/E est donc AC. F 2 P F 1 x C G A P 20 B d. Graphiquement, la valeur de la force F A/B égale 2,3 N et celle de T C /B égale 4,6 N. e. Cos 30 = P T = 3 2 d où T = 2P 3 3 = 4,62 N F = ½ T = 2,31 N. Utiliser ses connaissances 14. Livraison d un colis a. La valeur du poids de la gazinière est : P = m. g = = 800 N. b. Tableau des caractéristiques des forces : Point d application Droite d action P G Verticale T C/B Sens F A/B De haut en bas 30 Valeur 800 N F 1 A 420 N F 2 B 420 N P d. Tableau des caractéristiques des forces : Point d application Droite d action P G Verticale F M /E B Horizontale Sens De haut en bas De droite à gauche Valeur N 120 N F S/E A N e. Dynamique des forces : Graphiquement on trouve : F M /E mesure 0,6 cm, soit 0,6 200 = 120 N ; F S/E mesure 5 cm soit = N. On peut alors reporter ces valeurs dans le tableau des caractéristiques des forces. P F M/E F S/E CHAPITRE 8 - Comment soulever un objet? 33

35 16. Résistance d un câble a. Tableau des caractéristiques des forces : Point d application Droite d action P G Verticale Sens De haut en bas Valeur N F 1 A N F 2 A N b. Dynamique des forces (échelle : 50%) : c. Graphiquement la longueur de P mesure 9,2 cm. La valeur maximale du poids que l on peut suspendre est donc : 9,2 500 = N. On peut retrouver cette valeur par le calcul dans le demitriangle équilatéral PF 1 F 2 : P = 2 F = x 3 3 = N. 17. Tension des élingues a. Tableau des caractéristiques des forces pour un angle a = 60 : Point d application Droite d action P G Verticale Sens De haut en bas Valeur N F 1 E 580 N F 2 S 580 N Dynamique des forces (échelle : 50%) : F 1 F 2 P F 1/60 = 5,8 100 = 580 N. On peut retrouver ces valeurs par le calcul : F 1/60 = b. Valeurs des forces de valeurs de a : 3 3 F 1 et = 577 N. F 2 pour différentes a Valeur de P N N N Valeur de F N 700 N 580 N Valeur de F N 700 N 580 N c. Les valeurs des forces sont les plus importantes pour un angle de 30. Ce résultat est général : les efforts à supporter par les élingues sont d autant plus importants que l angle entre l élingue et la pièce à soulever est plus petit. 18. Le gymnaste aux anneaux a. Le poids du gymnaste est : P = m. g = = 780 N. b. Tableau des caractéristiques des forces s exerçant sur le gymnaste : Point d application Droite d action P G Verticale Sens De haut en bas Valeur 780 N T 1 A 400 N T 2 B 400 N c. Dynamique des forces : Graphiquement on trouve T 1 = T 2 = 4 cm Valeur de T 1 : = 400 N. T 2 Valeur de T 2 : = 400 N. P H F 1/60 F 1/45 F 1/30 T 1 P Horizontale 75 Graphiquement sur le dynamique des forces on trouve 34 CHAPITRE 8 - Comment soulever un objet?

36 9 comment soulever facilement un objet? HS1 Les activités Activité 1 Quelle est l influence du bras de levier d une force? Matériel Un point de fixation Un ressort Un axe de rotation Une barre à trous Un repère Un dynamomètre Réponses aux questions 1. Lorsque l équilibre de la barre est réalisé, le produit F.d est constant. Son unité est le newton-mètre. 2. Lorsque le bras de levier augmente, la valeur de la force diminue. 3. En exerçant la même force, Julie soulève le meuble dans le cas C, car cette situation présente le plus grand bras de levier de la force F. Plus le bras de levier est grand, plus on peut soulever facilement un meuble. Activité 2 Comment calculer le moment d un couple de forces? Matériel pour un poste Un point de fixation Un ressort Un axe de rotation Une barre à trous Un repère Deux dynamomètres Réponses aux questions 1. Lorsque les couples de forces ont le même effet sur l équilibre, leurs moments sont égaux. 2. La position de l axe de rotation n intervient pas dans le calcul du moment d un couple de forces. 3. Lorsque les bras de levier d des couples de forces augmentent, les valeurs F des forces diminuent. Pour des moments de couples égaux, les grandeurs F et d sont inversement proportionnelles. CHAPITRE 9 - Comment soulever facilement un objet? 35

37 Les exercices Tester ses connaissances Q.C.M. 1 : A et C ; 2 : C ; 3 : A, B et C ; 4 : A ; 5 : A. Tester ses capacités 1. À moment constant a. Les forces ont le même effet sur la barre parce que leurs moments sont égaux. b. Lorsque le bras de levier diminue, la force augmente. 2. Moment d une force a. Lorsqu on utilise la relation F / O = F.d, F / O (N.m) est le moment de F par rapport au point O, F (N) représente la valeur de la force et d (m) est la distance de la droite d action de la force à l axe (bras de levier). b. Le tableau suivant : Situations Barrière de parking Treuil Cric Valeur de la force P = 500 N P = 100 N F = 20 N Sens de rotation ou Mesure du bras de levier Moment de la force par rapport à l axe OG = 0,30 m OT = 0,1 m OA = 35 cm 150 N.m 10 N.m 7 N.m 3. Quel est le couple? a. On a un couple de forces dans le cas c. b. Les autres schémas ne représentent pas un couple de forces : - en a, les forces n ont pas la même valeur ; - en b, les forces ont le même sens ; - en d, les forces n ont pas des droites d action parallèles. 4. Moment d une couple de forces a. Lorsqu on utilise la relation M C = F.d, - M C (N.m) est le moment d un couple de forces ( F,F2 1 ), - F (N) la valeur commune des deux forces, - d (m) la distance séparant les droites d action des deux forces. b. Le tableau suivant : Situations Tournevis Tirebouchon Distance AB 6 mm 8 cm Cardan 0,06 m ou 6 cm Valeur de la force F 20 N 5 N 40 N Situations Tournevis Tirebouchon Cardan Sens de rotation ou Moment du couple M c 0,120 N.m 0,40 N.m 2,4 N.m 5. Arrache-clou a. F / O = F.OB = 15 0,80 = 12 N.m. R/ O = 0 N.m (la droite d action de la force passe par l axe). F / O = F.OA = 120 0,10 = 12 N.m.. Cette égalité traduit l équi- b. On a F O / libre du pied de biche. / = F O 6. Mauvaise posture Inventaire des moments des forces par rapport à O : P/ O = P.OB = 300 0,6 = 180 N.m ; Sens f1/ O = f 1.OC = 250 0,15 = 37,5 N.m ; Sens R / O = 0 N.m F1/ O = F 1.OA = = 142,50 N.m ; Sens À l équilibre, on a P/ O = f / O Appliquer le cours 1 + F1/ O. 7. Couple de serrage a. Le couple de serrage correspond au moment maximal de la force exercée par la main sur le manche de la clé dynamométrique. b. Valeur de la force maximale : F / O F = = d 5,2 = 28,9 N. 0,18 8. Système de freinage a. Moment de F par rapport à O : F / O = F.d = 40 0,27 = 10,8 N.m. b. À l équilibre, on a F / O = F''/ O : F " est la force exercée par le liquide de frein sur le piston. La valeur de F '' est : F / O F " = = 10,8 = 360 N. d ' 0,03 Par interaction, on déduit que la valeur de la force exercée par le piston sur le liquide de frein est également de 360 N : F = 360 N. c. On a F ' F = = 9 donc la valeur de la force F a d été multipliée par 9 (cela correspond au rapport d' des bras de levier). 36 CHAPITRE 9 - Comment soulever facilement un objet?

38 9. Pinces de forge a. L inventaire des moments par rapport à l axe sur une demi-pince est : F1/ O = F 0,60 = 30 N.m ; 1 = F F / 2 O 0,05 ; 2 R/ O = On a F1/ O = F / 2 O soit F 2 = = 600 N. 0,05 La valeur de la force exercée par une mâchoire est de 600 N. b. ( F,F2 1 ) ne constituent pas un couple de forces, car ces deux forces n ont pas des droites d action distinctes. Utiliser ses connaissances 10. Centre de gravité a. Moment de F 1 par rapport à O : F1/ O = 320 1,80 = 576 N.m ; sens. En appliquant la condition d équilibre on a : F1/ O = PO /. (Le moment de F 2 par rapport à O est nul, car la droite d action de F 2 passe par O). Le moment de P par rapport à O est égal à : 576 N.m ; Sens. b. Soit d la distance séparant le point O de la verticale passant par G. Le moment de P par rapport à O est : PO / = P.d = 800.d. On a 800.d = 576 soit d = 567 = 0,71 m. 800 En position debout, la distance du sol au centre de gravité du sportif est de : 1,80 0,71= 1,09 m. 11. Levage avec palan a. Nombre de brins n = 2 ; P = 5 N ; F = 2,5 N. On retient la relation F = P n, car 2,5 = 5 2. b. On a : n = 6 brins. c. Poids de la charge : P = m.g = = 600 N. La valeur de la force F est : F = P 6 = 600 = 100 N Manutention sans risque a. À l équilibre, l inventaire des moments des forces par rapport à O donne : PO / = P.OB = 300 0,35 = 105 N.m (sens ). f1/ O = f 1.OC = 250 0,15 = 37,5 N.m (sens ). F 2 / O = F 2.OA = ,5 = 67,5 N.m (sens ). R/ O = 0. b. La valeur de la force F 2 exercée sur le bas de la colonne est : F 2 / O F 2 = 005, = 67,5 = N. 0,05 Le rapport des deux valeurs des forces est : = 2,1. Dans cette étude, la force exercée sur le bas de colonne est 2,1 fois plus faible lorsqu on a les jambes pliées que lorsqu elles sont tendues. 13. Porte-personne a. Distance à l axe : pour P, on a OB = 1,40 m et pour F on a OA = 0,40 m. b. Valeur de la force F : P/ O soit F = = F/ O donne 600 1,40 = F 0, ,40 = N. 14. Conducteur d engin de chantier (situationproblème) Plaçons le point B à l intersection de la droite d action du poids P 1 et du sol et calculons les moments des forces exercées sur le tracteur par rapport à A. - le moment de P 1 est : P 1 / A = m 1.g.AB = ,6 = N.m (sens ) ; - le moment de P 2 est : P 2 / A = m 2.g.AC = ,5 = N.m (sens ) ; - en A la force de contact exercée par le sol sur la roue a un moment nul. P 1 / A < P 2 / A : le chargeur de rochers bascule autour du point A. 15. Dans la scierie (situation-problème) Ce problème ouvert a de nombreuses solutions ; on écarte celle avec la planche, car plus le bras de levier est grand, plus on soulève facilement la scie (d autres arguments sur la flexibilité et la fragilité de la planche peuvent être avancés). a. Première solution : en position d équilibre instable (les verticales passant par les centres de gravité de la scie et d Arthur passent par les extrémités du madrier). Il s agit de déterminer la distance OB à laquelle on place le point d appui O. On pose OB = d. G C P s O R M 6,30 P m d 3,15 P A B A CHAPITRE 9 - Comment soulever facilement un objet? 37

39 On note : P m le poids du madrier ; Ps le poids de la scie ; P A le poids d Arthur (g = 10 N/kg) On a : P / O = P A.g.d = 300d (sens ) A P / O = m.g.(d 3,15) = 400(d 3,15) (sens ) m Ps / O = m s. g.(6,30 d) = (6,30 d) (sens ) RO / = 0. À l équilibre Ps / O = P m / O + P A / O 2 300(6,30 d) = 300d + 400(d 3,15) d = soit d = 5,25 m. OB = 5,25 m et OC = 1,05 m. donne b. Autre proposition : on peut améliorer la stabilité en avançant le madrier vers la gauche de 15 cm et en déplaçant Arthur de 10 cm par exemple : les verticales, en G et A, ne passent plus par les extrémités du madrier. C G P s 0,15 R O M 6,30 P m 3,15 P A 0,10 La même démarche que précédemment permettrait de calculer la position du point d appui. Il va sans dire que l exercice est difficile ; nous recommandons de le résoudre lors d une activité dirigée avec l aide du professeur. Cela pourra donner l occasion de faire réviser la résolution des équations du premier degré à une inconnue. d A B 10 Quels sont les composants d une eau minérale? HS2 Les activités Activité 1 Comment identifier quelques ions présents dans une eau minérale? Matériel Quatre tubes à essai sur un porte-tubes Une coupelle Une pipette simple Un bouchon avec un tube à dégagement adapté Produits Une solution de nitrate d argent Une solution de chlorure de baryum Une solution d oxalate d ammonium Une eau minérale (eau Hépar par exemple) Du sulfate de cuivre anhydre Une bouteille d eau minérale gazeuse (eau Perrier par exemple) De l eau de chaux Réponse aux questions 1. Les ions identifiés dans l eau minérale sont : - les ions chlorure de formule Cl (précipité blanc avec le nitrate d argent) ; - les ions sulfate de formule SO 2 4 (précipité blanc avec le chlorure de baryum) ; - les ions calcium de formule Ca 2+ (précipité blanc avec l oxalate d ammonium). 2. L eau minérale contient de l eau, car le sulfate de cuivre anhydre est devenu bleu. 38 CHAPITRE 10 - Quels sont les composants d une eau minérale?

40 3. Le dégagement gazeux trouble l eau de chaux. L eau minérale gazeuse contient du dioxyde de carbone dissous. 4. Une eau minérale contient : - de l eau mise en évidence avec le sulfate de cuivre anhydre ; - des ions en solution caractérisés avec des réactifs ; - du dioxyde de carbone lorsqu elle est gazeuse, mis en évidence avec l eau de chaux. Activité 2 Comment modéliser des molécules? Matériel Une boîte de modèles moléculaires Réponse aux questions 1. Dans une molécule, les atomes sont matérialisés par des boules colorées : une boule blanche représente un atome d hydrogène ; une boule noire un atome de carbone ; une boule rouge un atome d oxygène ; une boule jaune un atome de soufre ; une boule verte un atome de chlore ; une boule bleue un atome d azote. 2. Les liaisons covalentes entre deux atomes sont matérialisées par des tiges, une tige par liaison. 3. La molécule de dihydrogène (a) est composée de 2 atomes d hydrogène unis par une liaison covalente. Sa formule brute est H 2. La molécule de chlorure d hydrogène (b) est composée de 1 atome d hydrogène et de 1 atome de chlore, unis par une liaison de covalence. Sa formule brute est HCl. La molécule de méthane (c) est composée de 1 atome de carbone et de 4 atomes d hydrogène ; chaque atome d hydrogène est uni à l atome de carbone par une liaison de covalence. Sa formule brute est CH 4. La molécule de dioxygène (d) est composée de 2 atomes d oxygène unis par deux liaisons de covalence. Sa formule brute est O Un atome d hydrogène réalise une liaison de covalence. Un atome de chlore réalise une liaison de covalence. Un atome de carbone réalise quatre liaisons de covalence. Un atome d oxygène réalise deux liaisons de covalence. Les documents Comment établir le modèle de Lewis d une molécule? Réponse aux questions 1. Il manque un électron à un atome d hydrogène pour obéir à la règle du duet. Il manque deux électrons à un atome d oxygène pour obéir à la règle de l octet. 2. Dans le modèle de Lewis de la molécule d eau : - le tiret reliant l atome d oxygène à un atome d hydrogène représente une liaison de covalence simple ; - chaque atome d hydrogène porte un doublet d électrons et l atome d oxygène porte quatre doublets d électrons. 3. Dans le modèle de Lewis de la molécule de dioxygène : - les deux tirets reliant les deux atomes d oxygène représentent une double liaison de covalence ; - chaque atome d oxygène porte quatre doublets d électrons. CHAPITRE 10 - Quels sont les composants d une eau minérale? 39

41 Les exercices Tester ses connaissances Q.C.M. 1 : A et C ; 2 : A et C ; 3 : B ; 4. B ; 5 : C ; 6 : B ; 7 : B. Tester ses capacités 1. Test des ions chlorure a. On utilise le nitrate d argent pour identifier les ions chlorure dans une eau minérale. b. On obtient le précipité blanc n Tests des ions calcium et des ions sulfate a. Pour identifier les ions calcium, on utilise l oxalate d ammonium ; pour identifier les ions sulfate, on utilise le chlorure de baryum. b. Lors de ces deux tests, on obtient un précipité blanc. 3. Test de reconnaissance de l eau Pour mettre en évidence la présence d eau dans une boisson, on verse quelques gouttes de boisson sur du sulfate de cuivre anhydre qui devient bleu en présence d eau. 4. Test de reconnaissance du dioxyde de carbone Pour mettre en évidence le dioxyde de carbone dissous dans l eau de Badoit : - on place un bouchon muni d un tube à dégagement sur le goulot d une bouteille d eau de Badoit ; - on plonge le tube à dégagement dans de l eau de chaux contenue dans un tube à essai ou dans un verre à pied ; - on agite la bouteille afin que le dégagement gazeux soit plus important ; - on observe le trouble de l eau de chaux. 5. L atome d oxygène Le modèle de Lewis de l atome d oxygène est 6. La molécule d eau Le modèle de Lewis de la molécule d eau est : H O H. O 7. Le saccharose Le saccharose est composé de 12 atomes de carbone, de 22 atomes d hydrogène et de 11 atomes d oxygène. 8. L ion hydrogénocarbonate a. L ion hydrogénocarbonate est composé d un atome d hydrogène, d un atome de carbone et de trois atomes d oxygène. b. Cet ion porte une charge négative. 9. Formule des ions Ion sodium Cu 2+ Ion potassium Cl Ion cuivre K + Ion sulfate Mg 2+ Ion chlorure SO 4 2 Ion magnésium Na Ion calcium Un atome de calcium qui a perdu deux électrons devient un ion calcium de formule Ca 2+. Appliquer le cours 11. Symbole des atomes Les symboles incorrects sont : magnésium : Mg ; sodium : Na ; potassium : K ; azote : N. 12. Structure de l atome a. Le symbole chimique du potassium est K, celui du sodium est Na. b. Le noyau d un atome de potassium comporte 19 protons et = 20 neutrons ; son nuage électronique contient 19 électrons. Le noyau d un atome de sodium comporte 11 protons et = 12 neutrons ; son nuage électronique contient 11 électrons. 13. Atome et ion magnésium a. L atome de magnésium possède = 12 électrons au total. b. Sa couche externe contient 2 électrons. c. L ion magnésium a pour formule Mg 2+, car il provient d un atome de magnésium ayant perdu les deux électrons de sa couche externe M pour obéir à la règle de l octet. 14. Ion oxyde a. La structure électronique de l atome d oxygène est K 2 L 6. b. La couche externe L de l atome d oxygène contient 6 électrons. c. L ion oxyde a pour formule O 2, car il provient d un atome d oxygène ayant gagné deux électrons afin de compléter sa couche externe L à huit électrons pour satisfaire la règle de l octet. 40 CHAPITRE 10 - Quels sont les composants d une eau minérale?

42 15. L ion carbonate La formule de l ion carbonate est CO Structure électronique Atome de sodium 11 Na K 2 L 8 Ion sodium Na + K 2 L 1 Atome de chlore 17 Cl K 2 L 8 M 8 Ion chlorure Cl K 2 Atome de lithium 3 7 Li K 2 L 8 M 7 Ion lithium Li + K 2 L 8 M Rechercher la formule d un ion monoatomique Atome Nombre d électrons Structure électronique Nombre d électrons sur la couche externe Formule de l ion correspondant Oxygène 16 O 8 Magnésium 24 Mg 12 Fluor 19 F 9 Aluminium 27 Al K 2 L 6 K 2 L 8 M 2 K 2 L 7 K 2 L 8 M O 2 Mg 2+ F Al Caractérisation des ions chlorure a. Pour caractériser les ions chlorure, Cyril a utilisé une solution de nitrate d argent. b. Il observe un précipité blanc dans les tubes à essai contenant de l eau de Vittel, de l eau Volvic et de l eau du robinet. c. On trouve donc des ions chlorure dans les eaux minérales de Vittel et Volvic ainsi que dans l eau du robinet. d. On n obtient pas de précipité avec l eau déminéralisée, car elle ne contient pas d ions en solution. 19. Composition d une eau minérale a. Formules des ions composant l eau minérale : sodium : Na + ; potassium : K + ; calcium : Ca 2+ ; magnésium : Mg 2+ ; bicarbonate : HCO 3 ; chlorure : Cl ; sulfate : SO 4 2 ; fluorure : F. b. On identifie les ions calcium avec l oxalate d ammonium, les ions chlorure avec le nitrate d argent et les ions sulfate avec le chlorure de baryum. Dans les trois tests, on observe un précipité blanc. c. Sur l étiquette est mentionné que l eau minérale Saint-Yorre est une eau minérale naturelle gazeuse. Le gaz dissous est du dioxyde de carbone pouvant être identifié avec de l eau de chaux qui se trouble en sa présence. 20. Modèles moléculaires compacts Eau : 5 ; dioxygène : 3 ; dioxyde de carbone : 2 ; dihydrogène : 4 ; chlorure d hydrogène : Modèles de Lewis de quelques molécules Molécules Eau Dichlore Modèles de Lewis H O H Chlorure d hydrogène CI CI H CI Molécules Dioxygène Dioxyde de carbone Modèles de Lewis O O O C O Molécules Méthane Ammoniac Modèles de Lewis H Utiliser ses connaissances 22. En plomberie a. H C H Nom de l élément Cuivre Étain Symbole chimique Cu Sn Nombre de protons Nombre d électrons Nombre de neutrons b. Le pictogramme signifie que le décapant utilisé par les plombiers est un produit corrosif. 23. Chromage a. L atome de chrome comporte autant d électrons que de protons, donc 24 électrons dans son nuage électronique. b. L ion chrome, de formule Cr 3+, provient d un atome de chrome qui a perdu 3 électrons ; l ion chrome comporte donc 24 protons dans son noyau et 21 électrons dans son nuage électronique. 24. Cellules photovoltaïques a. La structure électronique du silicium est : K 2 L 8 M 4. b. La couche externe M du silicium comporte 4 électrons. c. Le modèle de Lewis de l atome de silicium est Si. d. L atome de silicium est tétravalent, car il possède quatre électrons célibataires sur sa couche externe, il est susceptible de créer quatre liaisons de covalence. H H N H H CHAPITRE 10 - Quels sont les composants d une eau minérale? 41

43 25. Paludier a. Structure électronique de l atome de sodium : K 2 L 8 M 1 ; celle de l atome de chlore : K 2 L 8 M 7. b. L atome de sodium perd un électron (1 électron célibataire sur la couche M) pour saturer sa couche externe à huit électrons (règle de l octet) et donne l ion sodium de formule Na +. c. L atome de chlore gagne un électron (7 électrons sur la couche M) pour saturer sa couche externe à huit électrons (règle de l octet) et donne l ion chlorure de formule Cl. 26. Jardinier Les ions mis en évidence dans la bouillie bordelaise sont : - les ions cuivre II de formule Cu 2+, car on a obtenu un précipité bleu avec la soude ; - les ions sulfate de formule SO 2 4, car lors du test avec la solution de chlorure de baryum, on a obtenu un précipité blanc. 27. Liquide d usage courant a. On effectue le test de reconnaissance de l eau avec le sulfate de cuivre anhydre. b. En contact avec de l eau, le sulfate de cuivre anhydre (blanc) devient bleu. c. Les liquides contenant de l eau sont : la limonade, le lait, le vinaigre blanc. Le white spirit ne contient pas d eau. 28. Pneus gonflés au diazote a. La représentation respectant la règle de l octet est N N, car chaque atome d azote comporte quatre doublets d électrons. b. Le modèle de Lewis du diazote est donc N N. c. Les deux atomes d azote sont unis par une triple liaison de covalence matérialisée par la mise en commun de trois doublets d électrons. 29. Matières plastiques a. La molécule d éthylène comporte 2 atomes de carbone et 4 atomes d hydrogène. b. La formule brute de l éthylène est C 2 H 4. H H c. Le modèle de Lewis de l éthylène est C C. H H d. Chaque atome d hydrogène est uni à un atome de carbone par une liaison de covalence simple. Les atomes de carbone sont unis par une double liaison de covalence. 11 comment déterminer la concentration d une substance dans une solution? HS2 Les activités Activité 1 Comment préparer une boisson sucrée par dissolution? Matériel Une balance électronique à 0,1 g Une capsule Une spatule Un entonnoir Une fiole jaugée de 100 ml Une pipette simple Produits Du saccharose en poudre - Une pissette d eau distillée Réponse aux questions 1. On a dissous 1,7 g de saccharose dans 100 ml d eau distillée. 2. La masse de saccharose que contiendrait un litre de solution est de 17 g. 3. La concentration est la masse d une substance dissoute par litre de solution. Dans notre exemple, on dit que la concentration massique de la solution est de 17 g/l. 42 CHAPITRE 11 - Comment déterminer la concentration d une substance dans une solution?

44 Activité 2 Comment déterminer le caractère acide, basique ou neutre d une solution? Matériel Trois capsules Trois petits béchers Trois tubes à essai Un agitateur de verre Du papier ph Un ph-mètre, une pissette d eau, du papier filtre fin (papier Joseph) Produits Eau minérale Volvic Vinaigre blanc Liquide pour lave-vaisselle Solution de bleu de bromothymol Réponse aux questions Classement des solutions par ordre de ph croissant : vinaigre blanc (ph = 2,1) ; eau de Volvic (ph = 7) ; liquide pour lave-vaisselle (ph = 13). 3. Avec le bleu de bromothymol : - une solution acide devient jaune ; - une solution basique devient bleue ; - une solution neutre devient verte. Les documents Les dangers des liquides d usage courant Réponse aux questions 1. Avant d utiliser le Destop, il faut lire attentivement l étiquette portée sur le flacon afin de s informer sur les dangers et les précautions à prendre lors de son utilisation. 2. a. Le pictogramme indique que le Destop est un produit corrosif. b. L étiquette du produit Destop mentionne que le produit est corrosif, elle informe l utilisateur qu il faut éviter le contact du produit avec la peau et les yeux, car il provoque de graves brûlures. Les dangers indiqués sur l étiquette sont donc en accord avec ceux indiqués par le pictogramme. 3. Le Destop contient de l hydroxyde de sodium, produit très corrosif et dangereux. 4. Pour utiliser ce produit, il faut porter un vêtement de protection approprié, des gants et un appareil de protection des yeux et du visage. 5. Le Destop dissout intégralement les matières organiques, les cheveux, les graisses. Les exercices Tester ses connaissances Q.C.M. 1. B et C ; 2. C ; 3. B ; 4. B ; 5. C ; 6. C ; 7. A et C ; 8. B ; 9. B. Tester ses capacités 1. Saccharose M(C 12 H 22 O 11 ) = 12 M(C) + 22 M(H) + 11 M(O) = = 342 g/mol. La masse molaire moléculaire du saccharose est de 342 g/mol. CHAPITRE 11 - Comment déterminer la concentration d une substance dans une solution? 43

45 2. Café sucré La concentration massique de la solution de café est égale à 50 g/l. 3. Boisson sucrée La concentration molaire de la boisson sucrée est de 0,1 mol/l. 4. Composition d une eau minérale L étiquette indique qu un litre d eau d Evian contient 80 mg d ions calcium. Quantité de matière d ions calcium contenus dans 80 mg : n = m M = 0,080 0,002 mol. 40,1 La concentration molaire des ions calcium de l eau d Evian est donc égale à 0,002 mol/l. 5. Sirop de menthe a. Cette opération est une dilution. b. Un litre de sirop de menthe contient 3 moles de saccharose dissous, donc 0,01 L de sirop contient : 0,03 mole de saccharose. La concentration molaire de la boisson préparée est C = n V = 0,03 = 0,2 mol/l. 0,15 6. Dilution de l eau de javel a. On doit prélever 10 ml d eau de javel pour réaliser 100 ml d une solution diluée 10 fois. b. Pour effectuer cette dilution, il faut utiliser une pipette jaugée de 10 ml. 7. Acide ou basique? La comparaison de la couleur (rouge orangée) prise par le papier ph au nuancier de la boîte, indique que le ph de la solution est de Lire l étiquette d un produit ménager a. Le pictogramme indique que le produit ménager est nocif. b. L étiquette mentionne que le CANARD WC ANTI- TARTRE contient de l acide chlorhydrique. c. Il ne faut pas mélanger le produit avec de l eau de javel, car du dichlore, un gaz dangereux, peut se libérer. d. Il faut éviter le contact avec la peau et les yeux, car le produit est irritant et provoque des lésions oculaires. Appliquer le cours 9. Grandeurs et unités Grandeurs Unités Masse mol/l Volume g/mol Quantité de matière g Masse molaire mol Concentration massique L Concentration molaire g/l 10. Concentration molaire a. La formule permettant de calculer la concentration molaire C d une solution est : C = n V. b. C : en mol/l ; n : en mol ; V en L. 11. Quantité de matière n = C. V = 0,5 0,1 = 0,05 mol. La quantité de matière de l espèce chimique dissoute est de 0,05 mol. 12. Dissolution m = C m. V = 400 0,5 = 200 g. Il faut 200 g de sucre pour préparer le bocal de fruits au sirop. 13. Jus d orange Quantité de matière de sucre dans 18 g de sucre : n = m 18 = M sucre 180 = 0,1 mol. C = n V = 0,1 0,1 = 1 mol/l. La concentration molaire du sucre dans le jus de fruits est de 1 mol/l. 14. Solution de saccharose n = C. V = 0,25 0,5 = 0,125 mol. D où une masse m = n.m = 0, = 42,7 g. Il faut peser 42,7 g de saccharose pour préparer 500 ml d une solution de saccharose de concentration : C = 0,25 mol/l. 15. Lire l étiquette d une eau minérale a. Les valeurs chiffrées sur l étiquette indiquent les concentrations massiques des ions en solution dans l eau minérale St-Yorre. b. Sur l étiquette, on lit : Sodium mg/l. Dans 15 cl d eau minérale, la masse de sodium est : 0, = 256,2 mg. On absorbe donc 256,2 mg de sodium lorsqu on boit un verre de 15 cl d eau minérale St-Yorre. c. n(na + m ) = M(Na) = 1,708 = 0,074 mol ; 23 n(cl m ) = M(Cl) = 0,322 35,5 = mol. Un litre d eau minérale St-Yorre contient 0,074 mol d ions sodium et mol d ions chlorure. d. Le sel est un composé ionique de chlorure de sodium. Cette eau riche en ions sodium et en ions chlorure a donc un goût salé. 16. Dureté d une eau minérale a. L étiquette indique les concentrations massiques en ions Ca 2+ et en ions Mg 2+ : C(Ca 2+ ) = 203,8 mg/l et C(Mg 2+ ) = 43,1 mg/l. Dureté : D = C(Ca2+ ) + C(Mg2+ ) = 203,8 + 43,1 4 2,4 4 2,4 68,9. La dureté de l eau de Vittel est donc de 68,9 HT. 44 CHAPITRE 11 - Comment déterminer la concentration d une substance dans une solution?

46 b. L eau de Vittel est une eau dure, car sa dureté est supérieure à 15 HT. c. L utilisation abusive de l eau de Vittel dans une cafetière électrique entraîne un entartrage (dépôt de calcaire) du circuit d eau chaude. 17. Dilution d un sirop de fraise a. Le volume de liquide dans le verre est V = = 200 ml. b. Le sirop a été dilué 10 fois. c ,02 = 14 g. 20 ml de sirop contiennent donc 14 g de sucre ; le verre contient 14 g de sucre. 18. ph de quelques solutions a. Coca-Cola (ph = 2,5) : acide ; Jus de citron (ph = 3,1) : acide ; eau de Vichy (ph = 8,2) : basique ; eau de Perrier (ph = 5,0) : acide ; lait (ph = 7,0) : neutre. b. La solution la plus acide est le Coca-Cola ; la plus basique est l eau de Vichy. 19. Acidité des boissons a. L acidité de la boisson au Coca est due aux acidifiants : acide orthophosphorique et acide citrique. b. L acidité de cette boisson peut être vérifiée en mesurant son ph avec un ph-mètre. 20. Ions et ph a. La solution 1 est la plus acide : elle contient donc davantage d ions hydrogène H + que d ions hydroxyde HO. b. La solution 3 est basique : elle contient davantage d ions hydroxyde HO que d ions hydrogène H +. c. La solution 2 est neutre : elle contient autant d ions hydrogène H + que d ions hydroxyde HO. Utiliser ses connaissances 21. Sportif a. C m = m V = 20,1 = 67 g/l. 0,3 La concentration massique des glucides dans la boisson énergétique est donc de 67 g/l. b. C m = m V = 0,21 = 0,7 g/l. 0,3 La concentration massique du sodium dans la boisson énergétique est donc de 0,7 g/l. 22. Comparer des eaux de boisson a. L eau de Badoit et l eau de Volvic n ont pas les mêmes propriétés, car leurs teneurs en sels minéraux sont différentes ainsi que leurs ph. b. Le résidu à sec à 180 C indique la teneur globale (ou minéralisation totale) en sels minéraux en mg/l après chauffage à 180 C. c. - L eau de Badoit est la plus minéralisée, car son résidu à sec est le plus grand (1 200g/L). - L eau de Badoit est plus dure que l eau de Volvic, car les concentrations en ions calcium et magnésium dans l eau de Badoit sont plus élevées. - L eau de Badoit (ph = 6) est plus acide que l eau de Volvic (ph = 7), car son ph est plus faible. 23. Réaliser une dissolution au laboratoire a. Masse de pastilles d hydroxyde de sodium à peser : m = C.M.V = 0,5 40 0,1 = 2 g. Pour préparer la solution, il faut dissoudre 2 g de pastilles d hydroxyde de sodium. b. Matériel de chimie nécessaire : une balance électronique, une capsule, une spatule, un entonnoir, une fiole jaugée de 100 ml, une pissette d eau distillée. 24. Hygiène a. Masse molaire moléculaire de l hypochlorite de sodium : M(NaClO) = , = 74,5 g/mol. b. Quantité de matière dans 4,25 g d hypochlorite de sodium : n = m M = 4,25 0,06 mol. 74,5 Volume d eau nécessaire : V = n C = 0,06 0,01 = 6 L. Il faut 6 litres d eau pour dissoudre une pastille de masse m égale à 4,25 g. 25. Lessive (développement durable) a. Les doses de lessive à choisir dépendent à la fois de la dureté de l eau et de la saleté du linge à laver. Avec une eau dure, il faut davantage de lessive pour nettoyer le linge qu avec une eau douce. b. Une eau dure contient beaucoup d ions calcium et d ions magnésium. Sa dureté est supérieure à 15 HT. c. La dureté d une eau dépend de la nature géologique des terrains qu elle a traversés. Ainsi, un sol crayeux ou calcaire donnera une eau dure, riche en ions calcium, alors qu un sol granitique ou sablonneux donnera plutôt une eau douce. d. La dureté de l eau se constate principalement : - par la formation de dépôts insolubles avec les savons («l eau ne mousse pas») dans les canalisations ; - par des taches grisâtres sur le linge ; - par l entartrage (couche de calcaire) des tuyaux d eau chaude. e. Les lessives contiennent des substances toxiques pour l environnement. Les eaux de lessive sont difficiles à dégrader dans les stations d épuration. Ces stations n existent pas partout, et en cas de rejet dans le sol, elles peuvent polluer la nappe phréatique. CHAPITRE 11 - Comment déterminer la concentration d une substance dans une solution? 45

47 12 Que contient un soda? HS2 Les activités Activité 1 Comment identifier le glucose et les colorants contenus dans une boisson? Expérience 1 Matériel Un bécher Deux tubes à essai Une plaque chauffante Produits Une solution de glucose Une boisson au Coca-Cola Une solution de liqueur de Fehling Expérience 2 Matériel Un bécher recouvert par une capsule ou une boîte de Pétri Une feuille de papier filtre ou de papier à dessin (5 cm 3 cm) Une règle, un crayon à papier Tubes effilés ou piques en bois Produits Une solution d eau salée Du sirop de menthe Une solution aqueuse de tartrazine (E 102) Une solution aqueuse de bleu patenté (E 131) Réponse aux questions 1. Expérience 1 - Dans les deux tubes, la liqueur de Fehling a viré au rouge brique. Le Coca Cola contient donc du glucose. 2. Expérience 2 a. On observe une migration de taches vers le haut de la feuille. Les taches jaunes migrent plus facilement et atteignent la même hauteur, les taches bleues migrent moins. b. Le sirop de menthe donne deux taches : une bleue et une jaune. c. On compare les positions des taches obtenues en mesurant les distances parcourues par chacune d elles. 3. On identifie le glucose contenu dans un soda ou un sirop avec le test de la liqueur de Fehling : la liqueur de Fehling vire au rouge brique en présence de glucose. La chromatographie permet d identifier les colorants. 46 CHAPITRE 12 - Que contient un soda?

48 Activité 2 Comment extraire un arôme? Expérience 1 Matériel Un couteau à bout rond Un mixeur Un erlenmeyer avec un bouchon Une éprouvette graduée de 25 ml Un dispositif de filtration sous pression réduite (fiole à vide, trompe à eau, support, filtre Büchner, joint conique, papier filtre ) Une ampoule à décanter Deux béchers Produits Une orange Du cyclohexane De l eau distillée Expérience 2 Matériel Un couteau à bout rond Deux supports avec noix de serrage, pinces Un élévateur à croisillons Un chauffe-ballon thermostaté Un ballon de 250 ml Une tête de colonne, un condenseur à eau, une allonge coudée Une éprouvette graduée de 50 ml Papier filtre Produits Eau distillée Une orange Réponse aux questions 1. Expérience 1 a. Pour extraire les arômes des zestes d orange, on broie et on mélange les zestes dans un solvant, ici le cyclohexane dans lequel les arômes à extraire sont très solubles. b. Le cyclohexane est un liquide inflammable ; il doit être manipulé à l écart de toute flamme ou de toute source de chaleur. c. d(cyclohexane) < d(eau), la phase organique contenant le cyclohexane se trouve au-dessus de la phase aqueuse. d. Pour récupérer l essence de limonène contenue dans le cyclohexane, il suffit de placer le bécher contenant la phase organique sous une hotte aspirante afin que le cyclohexane s évapore, car il est très volatil. 2. Expérience 2 a. Les vapeurs d eau chargées des arômes de zestes d orange se condensent dans le tube central du réfrigérant, refroidi par un courant d eau froide. Le distillat est recueilli à la sortie du réfrigérant. b. Le distillat présente deux phases : de l eau et le limonène. c. Le limonène se trouve dans la phase supérieure. On utilise une ampoule à décanter pour séparer les deux phases et récupérer le limonène. CHAPITRE 12 - Que contient un soda? 47

49 Les exercices Tester ses connaissances Q.C.M. 1 : B et C ; 2 : A et B ; 3 : A et C ; 4 : C ; 5 : A et C ; 6. : B et C ; 7 : B et C. Tester ses capacités 1. Connaître le matériel de chromatographie a : cuve à chromatographie ; b : front de l éluant ; c : phase fixe ; d : ligne de dépôt ; e : éluant ; f : couvercle. 2. Analyser un chromatogramme Le chromatogramme obtenu est le c, car le colorant bleu, plus soluble que le colorant rouge, migre plus haut. Les taches bleues migrent à la même hauteur, ainsi que les taches rouges. 3. Rapport frontal a. h 1 = 8 mm ; h 2 = 18 mm ; h 3 = 26 mm ; H = 31 mm. b. Les rapports frontaux sont : R(C 1 ) = h 1 H = ,26 ; R(C 2 ) = h 2 H = ,58 ; R(C 3 ) = h 3 H = ,84. Appliquer le cours 4. Test du glucose a. On utilise la liqueur de Fehling pour mettre en évidence la présence de glucose dans une solution. b. Dans le tube 1, on a versé une solution sucrée contenant du glucose, car la liqueur de Fehling a viré au rouge brique. 5. Réaliser une chromatographie a. La phase fixe est la feuille de papier à chromatographie. b. L éluant est le mélange de cyclohexane et d éther. Lors de sa migration sur le support fixe, l éluant entraîne les constituants de l huile essentielle de peaux d oranges. c. Le trait (a) matérialise le front de l éluant, le trait (b) la ligne de dépôt. d. L huile essentielle de peaux d oranges contient du limonène et du citral, car les deux taches correspondant au dépôt n 4 migrent à la même hauteur que les taches correspondant aux dépôts n 1 de limonène et n 3 de citral. 6. Rapport frontal a. Rapports frontaux : colorant E 102 : R f = h H = ,73 ; colorant E 131 : R f = h H = ,38. b. Rapport frontal du colorant : R f = h H = ,38. On trouve le rapport frontal du colorant E 131. Le sirop contient du bleu patenté. Sa couleur est bleue patenté. 7. Ampoule à décanter a. Une ampoule à décanter est utilisée pour extraire une substance par solubilisation dans un solvant. Elle permet de recueillir la phase organique contenant le solvant et l espèce à extraire. b. 1 er cas : le cyclohexane, moins dense, surnage. cyclohexane eau 2 e cas : le dichlorométhane, plus dense, est situé dans la partie inférieure. eau dichlorométhane 8. Choix d un solvant et sécurité a. Le composé C, non miscible à l eau, ne peut pas se mélanger avec l eau, il forme un mélange hétérogène avec l eau. b. Le solvant ne doit pas être miscible avec l eau : on écarte l éthanol, on a le choix entre le cyclohexane et le dichlorométhane. Le composé C doit être très soluble dans le solvant : le solvant ne peut donc pas être le cyclohexane. Le solvant choisi est donc le dichlorométhane. c. Les pictogrammes apposés sur le flacon de dichlorométhane signifient que le solvant est irritant et inflammable. Pour éviter une réaction au contact avec la peau, les yeux et les voies respiratoires, il faut porter des gants de protection, des lunettes et manipuler le dichlorométhane sous une hotte aspirante. 48 CHAPITRE 12 - Que contient un soda?

50 Comme ce solvant est inflammable, il faut le conserver et l utiliser à l écart de toute flamme ou de source de chaleur. d. Le dichlorométhane, plus dense que l eau, se situe sous la phase aqueuse. eau dichlorométhane 9. Principe de l hydrodistillation a. L hydrodistillation est un procédé d extraction et de séparation de certaines substances organiques par entraînement à la vapeur d eau. b. 1 : Mélange de zestes d orange et d eau ; 2 : chauffeballon ; 3 : ballon ; 4 : thermomètre ; 5 : eau ; 6 : réfrigérant ; 7 : éprouvette ; 8 : distillat ; 9 : eau ; 10 : huile essentielle. c. La vapeur d eau produite au cours de l ébullition entraîne les substances à extraire non solubles dans le liquide vaporisé (ici, l eau). d. Le réfrigérant condense les vapeurs et fournit un distillat, mélange d eau de condensation et d huile essentielle contenant le limonène à extraire. e. L huile essentielle contenant le limonène est recueillie dans l éprouvette à la sortie du réfrigérant. Utiliser ses connaissances 10. Au distributeur de boissons a. Test de présence de l eau : on verse quelques gouttes de chaque boisson sur du sulfate de cuivre anhydre contenu dans une capsule ou une boîte de Pétri. Si le sulfate de cuivre anhydre devient bleu, la boisson contient de l eau. Test du glucose : dans un tube à essai, on chauffe au bain-marie quelques millilitres de chaque boisson avec 1 à 2 millilitres de liqueur de Fehling. Si le mélange prend une couleur rouge brique, la boisson contient du glucose. Test du dioxyde de carbone : faire barboter dans de l eau de chaux le gaz dissous dans chaque boisson. Si l eau de chaux devient trouble, la boisson contient du dioxyde de carbone. b. Le Coca Cola Light contient de l eau et du dioxyde de carbone. Le Coca Cola classique contient de l eau, du glucose et du dioxyde de carbone. c. Le Coca Cola est qualifié de Light lorsqu il ne contient pas de glucose. d. Boire régulièrement des boissons trop sucrées peut être néfaste pour la santé en raison du risque de diabète et d obésité que ces boissons peuvent entraîner. 11. Chromatogramme de boissons a. Les rapports frontaux sont : - acide lactique : R f = ,88 ; - acide citrique : R f = ,51 ; - acide malique : R f = ,56 ; - acide tartrique : R f = ,35. b. Les acides citrique et malique ont des rapports frontaux voisins et sont difficilement différentiables. c. Le jus est le n 3 : il contient de l acide tartrique et de l acide malique mais pas d acide lactique. d. Les vins contiennent tous de l acide lactique. Le vin n 2 est celui dont la fermentation est la plus avancée, car tout l acide malique a été transformé en acide lactique. 12. Chromatographie des glucides a. La phase fixe est la plaque chromatographique, elle est composée d une couche de silice hydratée sur une feuille d aluminium. b. La phase mobile est l éluant, mélange composé d éthanol, d acide éthanoïque et de butanone. c. On a révélé la plaque chromatographique afin de colorer les taches de sucre initialement invisibles. d. Les rapports frontaux sont : - glucose G : R f = ,37 ; - saccharose S: R f = ,11 ; - fructose F : R f = ,30. e. Le jus d orange est composé de glucose et de saccharose. f. L étiquette indique que le jus d orange contient du saccharose et du sirop de glucose, ce qui est en accord avec les résultats obtenus avec la chromatographie du jus d orange. CHAPITRE 12 - Que contient un soda? 49

51 13 Que se passe-t-il lorsque des produits d usage courant réagissent entre eux? HS2 Les activités Activité 1 Quelle réaction se produit-il entre l acide chlorhydrique et le calcaire? Matériel Deux tubes à essai Un tube à dégagement Un verre à pied Un rouleau de papier indicateur de ph Une coupelle Produits Acide chlorhydrique dilué Une solution de nitrate d argent Des morceaux de calcaire Eau de chaux Expérience 1 Elle permet d identifier les ions contenus dans l acide chlorhydrique afin de pouvoir écrire sa formule ionique. L identification de l ion chlorure Cl a déjà été réalisée au chapitre 10, l étude de l acidité a été revue au chapitre 11. Expérience 2 Elle permet d identifier le gaz qui se dégage lors de la réaction entre l acide chlorhydrique et le calcaire. Cette réaction a été déjà vue au collège en cours de SVT pour reconnaître les roches calcaires. Réponses aux questions Expérience 1 1. Le ph de l acide chlorhydrique est voisin de 2. L ion responsable de l acidité est l ion H L ion chlorure est identifié par le test au nitrate d argent. 3. La formule ionique de l acide chlorhydrique est : (H + + Cl ). Expérience 2 4. Il se produit entre l acide chlorhydrique et le tartre la même réaction qu entre l acide chlorhydrique et le calcaire. L acide chlorhydrique attaque le tartre avec dégagement de dioxyde de carbone qui trouble l eau de chaux. Activité 2 Quelles sont les caractéristiques d une réaction chimique? Matériel Une bouteille d eau minérale de un litre avec son bouchon Une balance électronique Produits Acide chlorhydrique dilué Des morceaux de calcaire Expérience 1 Elle permet de vérifier que les atomes se conservent au cours d une réaction chimique. 50 CHAPITRE 13 - Que se passe-t-il lorsque des produits d usage courant réagissent entre eux?

52 Expérience 2 La bouteille avec son bouchon est pesée avec l acide chlorhydrique et le calcaire. Cette réaction permet de vérifier la conservation de la masse. Répondre aux questions Expérience 1 1. Les atomes contenus dans les réactifs sont les atomes d hydrogène, de chlore, de calcium, de carbone et d oxygène. 2. Les atomes contenus dans les produits sont les mêmes mais ils sont disposés différemment. Les atomes se conservent au cours de la réaction chimique. Expérience 2 3. La bouteille gonfle, car il se dégage du dioxyde de carbone qui ne peut pas s échapper. 4. La masse des réactifs et des produits se conserve au cours de la réaction chimique. La masse des réactifs diminue mais la masse des produits augmente si bien que la masse totale ne change pas. Documentation Risques et sécurité 1. La concentration de l acide étant inférieure à 25 %, les risques encourus par sa manipulation sont : - R36 irritant pour les yeux. - R37 irritant pour les voies respiratoires. - R 38 irritant pour la peau. 2. Les principaux moyens de sécurité à mettre en œuvre sont : - S24 Éviter le contact avec la peau ; - S25 Éviter le contact avec les yeux ; - S26 En cas de contact avec les yeux, laver immédiatement et abondamment avec de l eau et consulter un spécialiste ; - S28 Après contact avec la peau, se laver immédiatement et abondamment avec de l eau ; - S36/37/39 Porter un vêtement de protection approprié, des gants et un appareil de protection des yeux et du visage. Les exercices Tester ses connaissances Q.C.M. 1. : B ; 2. : A ; 3. : C ; 4. : C ; 5. : A ; 6. : B. Tester ses capacités 1. Dilution de l acide chlorhydrique a. La concentration de l acide dilué étant inférieure à 25 %, les risques encourus par sa manipulation sont : - R36 irritant pour les yeux ; - R37 irritant pour les voies respiratoires ; - R 38 irritant pour la peau. b. Les principaux moyens de sécurité à mettre en œuvre sont : - S24 éviter le contact avec la peau ; - S25 éviter le contact avec les yeux. ; - S26 en cas de contact avec les yeux, laver immédiatement et abondamment avec de l eau et consulter un spécialiste ; - S28 après contact avec la peau, se laver immédiatement et abondamment avec de l eau ; - S36/37/39 porter un vêtement de protection approprié, des gants et un appareil de protection des yeux et du visage. 2. Combustion du carbone L équation chimique de la réaction est : C + O 2 CO 2 3. Combustion du dihydrogène L équation chimique de la réaction est : 2 H 2 + O 2 2 H 2 O CHAPITRE 13 - Que se passe-t-il lorsque des produits d usage courant réagissent entre eux? 51

53 4. L acide chlorhydrique dissout le tartre L équation chimique de la réaction est : 2 (H + + Cl ) + CaCO 3 (Ca Cl ) + H 2 O + CO 2 5. L acide chlorhydrique décape le fer L équation chimique de la réaction est : 2 (H + + Cl ) + Fe (Fe Cl ) + H 2 Appliquer le cours 6. Écrire des équations chimiques avec des coefficients convenables a. 3 Fe + 2 O 2 Fe 3 O 4 b. 2 Al + Fe 2 O 3 2 Fe + Al 2 O 3 c. CH O 2 CO H 2 O 7. Chercher l erreur. a. L élève ne porte pas de blouse, ni de gants. b. L élève pipette le liquide avec la bouche, ce qui est formellement interdit. Il doit utiliser une poire à pipeter. c. Les bouchons ou les compte-gouttes ne doivent pas rester sur la paillasse. Il faut reboucher les flacons de produits chimiques après utilisation. d. L élève doit manipuler l acide concentré avec des gants. Il faut toujours verser l acide concentré dans l eau et non le contraire. En effet, le dégagement de chaleur qui se produit au contact de l eau et de l acide peut provoquer des projections d acide. e. L élève n a pas gardé les lunettes sur les yeux pour manipuler l acide. f. L élève ne doit pas garder les gants pour allumer des allumettes. Il doit fermer la boîte avant de frotter l allumette. 8. Précautions d emploi a. Code des risques encourus : Provoque de graves brûlures : R 34 b. Code des moyens de sécurité à mettre en œuvre : - S1/2 : conserver sous clé et hors de portée des enfants ; - S 24 et S 25 : éviter le contact avec la peau et les yeux ; - S 26 : en cas de contact avec les yeux, laver immédiatement et abondamment avec de l eau et consulter un spécialiste ; - S28 : après contact avec la peau, se laver immédiatement et abondamment avec de l eau et du savon ; - S36/37/39 : porter un vêtement de protection approprié, des gants et un appareil de protection des yeux et du visage ; - S 45 : en cas d accident ou de malaise, consulter immédiatement un médecin (si possible lui montrer l étiquette). c. L acide contenu dans ce produit est de l acide chlorhydrique. 9. Écrire les équations bilan a. N H 2 2 NH 3 b. 2 Al + Fe 2 O 3 2 Fe + Al 2 O 3 c. 2 Na + Cl 2 2 NaCl d. 2 C 2 H O 2 4 CO H 2 O e. 4 Al + 3 O 2 2 Al 2 O 3 f. 2 Cu + O 2 2 CuO g. Ca + 2 H 2 O Ca(OH) 2 + H 2 h. Fe 2 O CO 2 Fe + 3 CO Conserver les atomes et les charges a. Zn + 2 (H + + Cl ) (Zn Cl ) + H 2 b. Cu 2+ + Fe Cu + Fe 2+ c. 3 Cu Al 3 Cu + 2 Al 3+ d. 2 Al + 6 (H+ + Cl ) 2 (Al Cl ) + 3 H 2 e. ClO + 2H + + Cl Cl 2 + H 2 O 11. Vérifier la conservation des atomes a. C 3 H O 2 3 CO H 2 O b. On trouve trois atomes de carbone, huit atomes d hydrogène et dix atomes d oxygène dans les réactifs et les produits. c. Il y a bien conservation des atomes au cours de la réaction. 12. Vérifier la conservation des atomes a. Les réactifs mis en présence sont le fer et le dioxygène. Le produit obtenu est l oxyde de fer. b. La loi mise en évidence par cette observation est la loi de Lavoisier : la somme des masses des réactifs qui réagissent est égale à la somme des masses des produits formés. c. L équation de la réaction est : 3 Fe + 2 O 2 Fe 3 O Vérifier la conservation de la charge électrique. a. Dans les réactifs, les ions positifs sont les ions hydrogène : 2 H + et les ions négatifs sont les ions chlorure : 2 Cl. b. La charge totale des ions présents dans les réactifs est nulle : (2+) + (2 ) = 0. c. Dans les produits, les ions positifs sont les ions magnésium : Mg 2+ et les ions négatifs sont les ions chlorure : 2 Cl. d. La charge totale des ions présents dans les produits est nulle : (2+) + (2 ) = 0. e. La conservation de la charge électrique est satisfaite. 52 CHAPITRE 13 - Que se passe-t-il lorsque des produits d usage courant réagissent entre eux?

54 Utiliser ses connaissances 14. Équation chimique et bilan molaire a. Les réactifs de la réaction chimique sont l éthanol de formule C 2 H 6 O et le dioxygène de l air de formule O 2. Les réactifs sont le dioxyde de carbone de formule CO 2 et l eau de formule H 2 O. b. L équation de la réaction est : c. Équation bilan Bilan molaire C 2 H 6 O + 3 O 2 2 CO H 2 O C 2 H 6 O + 3 O 2 2 CO H 2 O 1 mol 3 mol 2 mol 3 mol d. Bilan molaire de la réaction : une mole d éthanol réagit avec trois moles de dioxygène pour former deux moles de dioxyde de carbone et trois moles d eau. 15. Combustion du fer a. L équation de la réaction s écrit : 3 Fe + 2 O 2 Fe 3 O 4 b. Bilan molaire de la réaction : trois moles de fer réagissent avec deux moles de dioxygène pour former une mole d oxyde de fer. c. Nombre de moles de fer qui ont réagi Équation bilan Bilan molaire Nombre de moles 3 Fe + 2 O 2 Fe 3 O 4 3 mol 2 mol 1 mol n n = 02, 3 = 0,6 mol. 1 d. Masse de fer qui a réagi : 0,6 56 = 33,6 g. Masse molaire de l oxyde : M = = 232 g/mol. Masse d oxyde formé : 0,2 232 = 46,4 g 16. Élaboration de l acier a. Équation chimique de la réaction : Fe 2 O CO 2 Fe + 3 CO 2 0,2 mol b. Bilan molaire de la réaction : une mole d oxyde de fer réagit avec trois moles de monoxyde de carbone pour former deux moles de fer et trois moles de dioxyde de carbone. c. Masse molaire de Fe 2 O 3 : M = = 160 g/mol. d. Masse de minerai nécessaire pour obtenir 11,2 tonnes de fer : 11,2 tonnes de fer représentent : Équation bilan Bilan molaire Nombre de moles 11, = moles de fer. Fe 2 O CO 2 Fe + 3 CO 2 1 mol 3 mol 2 mol 3 mol n mol Le nombre n de moles d oxyde de fer utilisé est 10 5 moles. Masse de minerai : = g = 16 tonnes. 17. Dilution de l acide chlorhydrique 30 a. Volume d acide à mélanger : 5 = 1,5 L Volume d eau à mélanger : 5 = 3,5 L. 100 b. Il faut verser en premier l eau dans le seau, car on doit toujours verser l acide dans l eau. c. Après traitement, il faut rincer le seau abondamment. 18. Un peu de mathématiques a. Le pictogramme signifie que le produit est irritant. b. La masse d un litre de solution est : 1, = g. c. Masse d acide chlorhydrique contenu dans un litre de solution : = 257,6 g. 19. Le chalumeau oxyacétylénique a. La molécule d acétylène de formule C 2 H 2 est composée d atomes de carbone et d hydrogène. b. L équation de la réaction est : 2 C 2 H O 2 4 CO H 2 O c. L équation de la combustion du fer dans le dioxygène est : 3 Fe + 2 O 2 Fe 3 O 4 d. Si on brûle 6 moles de fer, il apparaît 2 moles de Fe 3 O 4. e. La masse de fer qui a réagi est : 6 56 = 336 g. Masse molaire de Fe 3 O 4 : M = = 232 g/mol. La masse d oxyde qui est apparue est : = 464 g. CHAPITRE 13 - Que se passe-t-il lorsque des produits d usage courant réagissent entre eux? 53

55 14 Comment préserver son audition? HS3 Les activités Activité 1 Comment évolue le niveau d intensité acoustique lorsque le récepteur s éloigne de la source sonore? Matériel Un GBF - Un haut-parleur - Un interrupteur - Un sonomètre - Une règle Distance d entre le haut-parleur et le sonomètre (cm) Niveau sonore L en db (arrondi à l unité) Réponses aux questions 1. Voir figure ci-contre. L (db) Le niveau d intensité acoustique diminue lorsque la distance entre la source et le récepteur augmente. Cette diminution est de 6 décibels chaque fois que la distance double. 3. S éloigner de la source sonore constitue une bonne protection contre les sons d (cm) Activité 2 Comment protéger son oreille? Matériel Un GBF - Un haut-parleur - Un interrupteur - Un sonomètre Des PICB (protections individuelles contre les bruits) Réponses aux questions Les mesures et les réponses aux questions dépendent des PICB choisis. 4. L utilisation de dispositifs de protection individuelle contre le bruit constitue une protection efficace contre le bruit. Les documents Le diagramme de Fletcher et Munson Réponses aux questions 1. Non, ces sons ne sont pas obligatoirement perçus de la même façon. Un son de 40 décibels et hertz est perçu beaucoup plus fort qu un son de 40 décibels et 100 hertz. 2. Une variation de 10 décibels produit plus d effets avec un son de 100 hertz qu avec un son de hertz. Pour un son de 100 hertz, à partir du seuil d audition, une variation de 10 décibels permet de couper quatre courbes isosoniques alors que pour un son de hertz, on ne coupe que deux courbes. 54 CHAPITRE 14 - Comment préserver son audition?

56 3. Pour un son de hertz, la douleur apparaît pour un niveau d intensité sonore d environ 113 décibels. 4. L oreille humaine est plus sensible aux sons dont la fréquence est comprise entre et hertz. La prévention contre les traumatismes auditifs Réponses aux questions 1. Deux amis assistent à un concert. Un seul d entre eux utilise des PICB. 2. Le PICB utilisé dans la BD est un bouchon d oreille. 3. Juste après le concert, la personne qui ne s est pas protégée a les oreilles qui sifflent. 4. Le médecin diagnostique des acouphènes. Ce sont des sifflements permanents. 5. Sur l affiche, on peut lire «Un seul concert peut vous ruiner la vie.» donc une seule exposition à un niveau sonore élevé peut avoir de graves conséquences. 6. Si une impression de surdité ou des sifflements persistent le lendemain d un concert, il est conseillé de consulter un médecin. Cette consultation doit avoir lieu au plus tard dans les 72 heures après le concert. Les exercices Tester ses connaissances Q.C.M. 1. B ; 2. B, C ; 3. B ; 4. B ; 5. B ; 6. A ; 7. A ; 8. B, C. Tester ses capacités 1. L en fonction de d a. Le niveau d intensité acoustique L diminue lorsque la distance d entre la source sonore et le récepteur augmente. b. Distance de mesure d (m) Niveau d intensité acoustique L (db) Vrai Faux a. Faux : Le niveau d intensité acoustique se note L. b. Faux : Le niveau d intensité acoustique se mesure avec un sonomètre. c. Faux : Le niveau d intensité acoustique diminue lorsque la distance croît. d. Vrai : Le niveau d intensité acoustique décroît lorsque la distance augmente. e. Faux : Le niveau d intensité acoustique augmente lorsque la distance diminue. 3. Mousse ou cire L affaiblissement moyen provoqué par les PICB en mousse est plus important que pour ceux en cire : les PICB en mousse sont les plus performants. 4. Comparaison de deux casques a. Pour protéger de sons de 250 Hz, le casque nº 917B est plus adapté. b. Pour protéger de sons de Hz, le casque nº 924A est plus adapté. Appliquer le cours 5. Connaître et respecter les limites a. L unité du niveau d intensité sonore est le décibel. Attention! l unité d intensité sonore est le W.m -2. b. À partir de 85 décibels il existe un risque auditif. c. Pour un baladeur à pleine puissance, la durée maximale journalière d écoute est de 20 minutes. En discothèque, la durée maximale journalière d écoute est de 4 minutes. d. Le bricolage ou la chasse peuvent exposer l oreille à un risque avéré pour l audition. e. Assister sans protection à un essai moteur ou à une explosion peut être douloureux. f. Non, avoir une conversation n est pas dangereux pour l audition. g. Dans le cas «L = 90 db pendant 3 h», la norme n est pas respectée. Dans le cas «L = 105 db pendant 4 minutes», la norme est respectée. CHAPITRE 14 - Comment préserver son audition? 55

57 6. Vrai ou faux a. Incomplet : La fatigue auditive provoque une gêne temporaire ou des acouphènes qui sont des sifflements permanents. b. Faux : Les acouphènes sont des sifflements permanents entendus après une exposition à un bruit excessif. c. Vrai : La guérison d un traumatisme auditif est impossible. d. Faux : Un déficit auditif peut n être que temporaire si l exposition n a pas été trop importante. 7. Reculer pour mieux se protéger Hugo mesurera 97 décibels à 4 mètres, 91 décibels à 8 mètres et 85 décibels à 16 mètres. 8. Mettre de l ordre Mesure L 4 au point A, mesure L 2 au point B, mesure L 3 au point C et mesure L 1 au point D. 9. Choisir le dispositif adapté a. Pour protéger d un son de 250 Hz, le casque 2 est le plus adapté. b. Pour protéger d un son de Hz, le casque 2 est le plus adapté. c. Pour les sons de fréquence 700 Hz : atténuation avec le casque 1 : 30 db, atténuation avec le casque 2 : 30 db. Pour les sons de fréquence Hz : atténuation avec le casque 1 : 40 db, atténuation avec le casque 2 : 35 db. d. La gamme de fréquences pour laquelle le dispositif 1 est le plus adapté est [700 Hz ; Hz]. Utiliser ses connaissances 10. S éloigner pour se protéger (TICE) a. mais il n est pas conseillé de rester longtemps à proximité du chantier. 11. Où se placer? a. Le niveau d intensité maximale pouvant être mesuré lors du concert, à un mètre des haut-parleurs, sans que la norme soit dépassée, est de 140 décibels, car l atténuation entre 1 m et 10 m est de 20 db. b. L atténuation sera alors de 32,5 décibels. Le son mesuré à 40 mètres aura un niveau de 97,5 décibels. 12. La loi a. L objectif de la loi est de «protéger les personnes contre un niveau excessif de décibels pour la protection des risques d altération du système auditif». b. Le niveau d intensité sonore moyen fixé par la loi est de 105 décibels. c. Le niveau d intensité sonore à ne pas dépasser qui a été fixé par la loi est de 120 décibels. d. Si un contrôle est effectué, le sonomètre sera placé au même endroit que le public. 13. Opérateur sur machine a. L opérateur peut utiliser un casque ou des bouchons d oreille. b. Les dispositifs de l exercice 3 permettent des affaiblissements supérieurs à 17 décibels pour toutes les fréquences, donc ils sont suffisants. 14. Se protéger 100 % du temps a. Si l ouvrier enlève ses protections une minute dans sa journée de travail, la protection effective est de 23 db = 77 db. Si le niveau d intensité sonore est de 100 db, alors il ne court pas de risques. Si l ouvrier protège ses oreilles 98 % du temps, la protection effective est de 17,5 db ,5 = 82,5 db. L ouvrier est dans une situation où il lui est conseillé de se protéger pour éviter une fatigue auditive. Si l ouvrier protège ses oreilles 100 % du temps, il ne risque rien. b. Si l ouvrier ne se protège que 50 % du temps, le niveau d intensité acoustique ne doit pas dépasser = 90 db. 15. Étude d un audiogramme a. Audiogramme tenant compte du déficit auditif (seuil d audibilité corrigé) b. Le niveau d intensité acoustique diminue lorsque la distance entre la source sonore et le récepteur augmente. c. Si les passants circulent à moins de quatre mètres du marteau, ils doivent être protégés. S ils circulent à moins de huit mètres, il leur est conseillé de se protéger. Au-delà de huit mètres, il n y a plus d obligation LE CHAMP AUDITIF HUMAIN (db) Seuil de Seuil d audibilité la douleur Musique orchestrale Conversation à 1 m (Hz) CHAPITRE 14 - Comment préserver son audition?

58 b. Non, ce patient ne sera pas gêné pour suivre une conversation à un mètre. c. Oui, ce patient est gêné pour suivre un concert de musique orchestrale : sa perception des sons aigus est altérée. 16. Situation problème Les facteurs de risques sont : - la durée lors de l écoute (voir graphique du cours, page 170) ; - le niveau d intensité sonore (voir graphique du cours, page 170) ; - la hauteur des sons écoutés. Les sons dont la fréquence est proche de Hz sont plus dangereux pour l audition que les sons plus graves. 15 comment peut-on décrire le mouvement d un véhicule? T1 Les activités Activité 1 Comment un enregistrement permet-il de connaître la nature d un mouvement? Matériel Un scooter, une bicyclette, une voiturette tirée par un fil Un caméscope, une webcam reliée à un ordinateur Un logiciel de mécanique de traitement de l image : Avistep, Aviméca, Une règle ou un repère de 1 mètre (caméscope) ou 10 centimètres (webcam) pour un mobile proche Expérience Le professeur peut faire réaliser les films et les traiter en projection à l aide du logiciel. Chaque élève peut également traiter les films mis en commun sur un poste informatique individuel. Réponse aux questions 1. Le scooter roule à vitesse constante dans le film 2. Le repère mesure 1 m de longueur. Les distances entre deux croix jaunes consécutives sont de 0,42 m. La vitesse moyenne du scooter est : 0,42 1 = 10,5 m/s soit 37,8 km/h Le film 3 correspond à un mouvement accéléré : à des intervalles de temps égaux à 1 de seconde 25 correspondent des distances parcourues de plus en plus grandes. Le film 1 correspond à un mouvement ralenti : les distances parcourues sont de plus en plus petites. 3. Une chronophotographie ou un film vidéo permettent de déterminer la nature du mouvement d un point d un mobile et de réaliser des mesures et des calculs : distances, durées, vitesses moyennes. Activité 2 Le mouvement d un point d un objet dépend-il du référentiel choisi? Matériel Une bicyclette Un support d atelier (on peut aussi renverser la bicyclette et la poser sur la selle et le guidon) Deux pastilles autocollantes CHAPITRE 15 - Comment peut-on décrire le mouvement d un véhicule? 57

59 Réponse aux questions Situation 1 1. Le point G (le guidon) se déplace et a pour trajectoire un segment de droite. 2. Le point V (la valve) se déplace et décrit une courbe appelée cycloïde. Situation 2 3. Le point G est immobile par rapport au sol et par rapport à la bicyclette. 4. Le point V se déplace par rapport au sol et par rapport à la bicyclette : sa trajectoire est un cercle centré sur le moyeu de la roue. 5. La trajectoire d un point d un objet en mouvement dépend du référentiel choisi. Ainsi, le mouvement de la valve d une roue se déplaçant sur le sol est une cycloïde si le référentiel choisi est le sol et un cercle si le référentiel choisi est le cadre de la bicyclette. Les documents Analyse d un film vidéo Réponse aux questions 1 1. Sur un caméscope, deux images successives sont séparées par s ou 0,04 s Le référentiel généralement choisi est tout objet immobile sur le sol de la terre (référentiel terrestre). 3. Pour calculer la vitesse moyenne du mobile, il faut réaliser l étalonnage d un objet de dimension connue, puis placer des croix colorées sur les différentes positions prises par un point du mobile. On peut aussi faire calculer les vitesses moyennes par le logiciel après avoir choisi les axes du repère. Distances de sécurité Réponse aux questions 1. Facteurs influant sur la distance de freinage : - l état du véhicule ; - l état de la chaussée ; - la vitesse du véhicule. 2. Lorsque la vitesse est multipliée par 2, la distance de freinage est multipliée par 4 ; lorsque la vitesse est multipliée par 4, la distance de freinage est multipliée par 16. Ces résultats montrent que la distance de freinage d F est proportionnelle au carré de la vitesse v du véhicule. On a d F = k.v Pour une même vitesse du véhicule, la distance de freinage double sur route mouillée,. 4. Vitesse de la voiture exprimée en m/s : v = 130 3,6 36,1 m/s. Lors du temps de réaction, le conducteur parcourt en 1,2 seconde : 36,1 1,2 = 43 m. D où une distance d arrêt sur route sèche : d A = d R + d F = = 138 m. Sur route mouillée : d A = = 233 m. 58 CHAPITRE 15 - Comment peut-on décrire le mouvement d un véhicule?

60 Les exercices Tester ses connaissances Q.C.M. 1 : C ; 2 : B et C ; 3 : A et C ; 4 : B et C ; 5 : B. Tester ses capacités 1. Ascenseur Référentiels possibles : le palier et Hubert. 2. Scooter et bicyclette a. Référentiel choisi : la route. b. Référentiel choisi : la route. 3. Escalier mécanique a. Paul et Nora sont en mouvement par rapport au sol. Jim est en mouvement par rapport au tapis roulant. b. Jim est immobile par rapport au sol. Paul et Nora sont immobiles par rapport au tapis roulant. 4. Trajectoires de billes Trajectoires : rectiligne en 1 ; circulaire en 3 ; quelconque en Lancer de marteau a. La main tient le câble : la trajectoire de la boule est circulaire de M 1 à M 8. b. La main a lâché le câble : la trajectoire de la boule est rectiligne de M 9 à M Chronophotographie a. Mouvement uniforme en 1. b. Mouvement ralenti en 3. c. Mouvement accéléré en 2. Appliquer le cours 7. Unités de temps a. 1 h = 60 min ; 1 min = 1 h = 0,017 h. 60 b. 15 min = 1 4 h = 0,25 h ; 20min = 1 3 h 0,33 h ; b. La distance entre Pau et Lannemezan par le rail est de 78 km. Vitesses moyennes : Corail : v moyenne = 78 1,083 km/min ou 65 km/h. 72 TER : v moyenne = 78 0,716 km/min ou 43 km/h Reconnaître un mouvement Mouvement uniforme en 2 ; accéléré en 1 et 3 ; uniformément accéléré en 1 ; uniformément ralenti en Déplacement d une voiture a. Tableau Date (s) Vitesse (km/h) Vitesse (m/s) 20 22,5 24,7 27,2 29,4 32,2 b. Représentation graphique de la vitesse en fonction de la durée : Vitesse (m/s) date (s) c. La vitesse est une fonction affine du temps : le mouvement de la voiture est uniformément accéléré. Utiliser ses connaissances 12. Porte-outil automatisé a. Positions du porte-pipette b. 30 min = 1 2 h = 0,5 h ; 45 min = 3 4 h = 0,75 h. 8. Convertir rapidement a. 110 km/h = 30,6 m/s. b. 10 m/s = 36 km/h. 9. Horaires SNCF a. Corail : durée du trajet : 1 h 12 min ; TER : durée du trajet : 1 h 49 min. Le trajet le plus rapide est celui du Corail y (cm) , ,2 10,11 x (cm) CHAPITRE 15 - Comment peut-on décrire le mouvement d un véhicule? 59

61 c. Les phases de repos sont : 1 à 2 ; puis 10 à 11. La phase de mouvement rectiligne uniforme concerne les positions : 4 à 8. Lors de cette phase, la vitesse du porte-pipette est de : 40 v = = 20 cm/s. 4 0,5 13. Étude d un freinage a. Origine des temps et des espaces : la position du motocycliste au début du freinage. b. Le freinage dure 6 secondes : la position atteinte est de 108 m. c. Le calcul des vitesses moyennes se calcule ainsi : En C3 : = (D2-B2)/(D1-B1) ; on sélectionne la zone : C3 : M3, puis on active la fonction : recopier à droite. 15. Distance de sécurité a. Recommandation à respecter : laisser deux traits entre deux véhicules. 130 km/h = 36,1 m/s. Donc 72 m sont parcourus en 2 secondes. b. Entre deux bandes blanches, il y a : = 90 m. c. Cette distance est supérieure à 72 m : la sécurité est respectée. 16. Fête foraine a. L âne et le lama décrivent des trajectoires circulaires. b. Longueur d un tour : pour l âne : L = π.d = π 3 = 9,4 m ; pour le lama : L = π. D = π 6 = 18,8 m. c. Vitesses moyennes des deux animaux : l âne : v A = 9,4 0,52 m/s ; 18 le lama : v A = 18,8 1,04 m/s. 18 Le lama se déplace deux fois plus vite que l âne. 17. Parachutisme a. Représentation graphique : Distance (m) d. À l instant t = 0, v = 37 m/s soit 133 km/h. La moto est immobile pour t = 6 s. Le mouvement de la moto, lors de cette phase, est uniformément ralenti, car la vitesse v est une fonction affine du temps t. 14. Distances de freinage a. La distance de freinage dépend de : - l état de la route ; - l état de la voiture ; - la vitesse de la voiture. b. Lorsque la vitesse double, la distance de freinage est multipliée par 4 ; Lorsque la vitesse triple, la distance de freinage est multipliée par 9. c. Sur route sèche : C S = v 2 33,3 2 = 2g.D F 2 9,8 72 0,786. Sur route mouillée, C S est deux fois plus faible : C S = 0, temps (s) b. Sur des intervalles de temps égaux, les distances parcourues ne sont pas égales ; elles augmentent avec le temps. Le mouvement n est pas uniforme, mais accéléré. c. Pour t = 5 s et x = 121 m, on a : a = 2x t = = 9,7 m/s Cette valeur est voisine de 9,8 m/s CHAPITRE 15 - Comment peut-on décrire le mouvement d un véhicule?

62 16 comment passer de la vitesse des roues à celle de la voiture? T2 Les activités Activité 1 Que mesure un tachymètre? Matériel Une platine Un moteur entraînant un disque translucide marqué d une bande noire Un générateur continu 6/12V et un potentiomètre électronique Un tachymètre par contact ou par réflexion Un montage de photocoupleur (fourche électronique) Des fils de connexion Montage du photocoupleur Un photocoupleur appelé aussi fourche optoélectronique est une association d un émetteur (DEL infrarouge) et d un détecteur (phototransistor ou photodiode). Pour réaliser l expérience, on peut le brancher ainsi : + 4 à 6 V 470 Ω 4,7 kω E D Y S M Réponse aux questions Expérience 1 1. Les pics correspondent aux passages de la bande noire devant le capteur du photocoupleur. Notre disque comportait 6 bandes noires régulièrement espacées. 2. Dans notre expérience, la période du disque : T = 120 ms soit 0,12 s. 3. La fréquence de rotation du disque : n = 8,3 tr/s. Expérience 2 4. Le tachymètre mesure la fréquence de passage d une bande noire : tr/min. Donc une fréquence de rotation du disque : = 511 tr/min. 5. Pour passer des tours par minute aux tours par seconde, on divise par 60 : ,5 tr/s. 6. On retrouve à peu près la fréquence précédente : 8,3 tr/s. CHAPITRE 16 - Comment passer de la vitesse des roues à celle de la voiture? 61

63 Activité 2 Quelle est la relation entre la fréquence de rotation et la vitesse linéaire? Matériel Une roue de bicyclette sur un support - Un compteur de bicyclette (cyclomètre) Un tachymètre - Un mètre pliant Résultats Pour la roue : R = 33,5 cm d où une circonférence L = 210 cm. v (km/h) v (m/s) N (tr/min) n (tr/s) 2π.R.n 1 re allure 6,7 1, ,93 1,95 2 e allure 11 3, ,50 3,15 3 e allure 18 5, ,47 5,19 Réponse aux questions 1. L expression 2 π.r correspond à la circonférence de la roue. 2. Pour chacune des trois allures, on a approximativement (les deux colonnes grisées) l égalité : v = 2 π.r.n. 3. La relation entre la fréquence de rotation n d une roue et la vitesse v de la bicyclette est : v = 2 π.r.n. Les documents La transmission du mouvement circulaire Réponses aux questions 1. Une bicyclette utilise la transmission par chaîne ; une voiture, certaines motos utilisent la transmission par pignons. 2. De n 1. D 1 = n 2. D 2, on sort : n 2 = n.d = = 3750 tr/min. D Le rapport de transmission est : R T = n sortie n entrée = = 2,5. Lorsque la poulie motrice effectue 1 tour, la poulie réceptrice effectue 2,5 tours. La transmission de la moto Kawasaki ER-6 Réponses aux questions 1. Pour un régime moteur n 1 = tr/min (en 4 e ) : - pour la transmission : {moteur / arbre primaire} : n 1. Z 1 = n 2. Z 2 d où : n 2 = n 1.Z 1 Z 2 = - pour la transmission : {arbre secondaire / arbre primaire} : n 3. Z 3 = n 4. Z 4 d où : n 4 = n 3.Z 3 Z 4 = - pour la transmission : {roue arrière / arbre secondaire} : = 3150 tr/min = 2835 tr/min 30 n 5. Z 5 = n 6. Z 6 d où : n = n.z 5 5 = = 924 tr/min 6 Z Le rapport de transmission total est : R T = n sortie = 924 = 0,1400. On retrouve la valeur de la fiche n entrée 6600 technique du fabricant. 62 CHAPITRE 16 - Comment passer de la vitesse des roues à celle de la voiture?

64 Les exercices Tester ses connaissances Q.C.M. 1 : A et B ; 2 : A et B ; 3 : A et C ; 4 : B ; 5 : B et C ; 6 : A et B. Tester ses capacités 1. Lecture d une fréquence de rotation a. L appareil est un tachymètre. b. Il est gradué en tour par minute. c. La fréquence de rotation est de : = tr/min. 2. Expérience a. Entre deux pics : 40 ms. b. Un tour de disque dure 40 ms ou 0,04 s. D où la fréquence de rotation : n = 1 T = 1 = 25 tr/s. 0,04 3. Fréquencemètre de vélo a. Le compteur affiche des tours par minute : RPM signifie «Rotation Per Minute» en anglais. b. n = 84 tr/min. 4. Mesures de fréquence de rotation et de vitesse linéaire a. Vitesse du cycliste : 41,7 km/h. Fréquence de rotation des roues : 321 tr/min. b. Vitesse : 11,58 m/s ; fréquence : 5,35 tr/s. c. π.d.n = π 0,69 5,35 = 11,60 m/s. On retrouve pratiquement la vitesse du cycliste affichée par le compteur. 5. Termes d une expression a. v : vitesse linéaire de l outil, R : rayon de l outil ; n : fréquence de rotation. b. Unités : v en mètre par seconde, R en mètre et n en tour par seconde. 6. Tondeuse électrique a. N = = 46,5 tr/s. b. V = π.d.n = π 0,38 46,5 = 55,5 m/s. 7. Scie circulaire portative v a. Pour v = 30 m/s, n = D = 30 π. π = 50, 3tr/s. 019, b. Soit environ tr/min. 8. Période et fréquence Lors du mouvement de rotation d un objet autour d un axe : - les trajectoires de chaque point de l objet sont des cercles ; - l objet effectue un mouvement uniforme si sa fréquence de rotation est constante ; - la durée pour effectuer un tour s appelle la période ; - la période T d une rotation est liée à la fréquence n par la relation n = 1 ; dans cette relation, T s exprime en seconde et n en tour par T seconde. 9. Calculs de période et de fréquence Période T (s) Fréquence de rotation n (tr/s) 10. Vitesse de rotation a. n = 50 tr/s. b. n = tr/min , , , , Cyclomètre a. L écriture correcte de l unité de vitesse : km/h. b. 18 km/h = 5 m/s. v c. n = R = 5 = 2π. 2π 0, , tr/s. ou 136 tr/min. 12. Grandeurs et unités Grandeur physique Symbole de la grandeur Unité légale Symbole de l unité Période T seconde s Fréquence de rotation Vitesse linéaire 13. Calculs Objet en rotation Lame de scie circulaire Pale d éolienne Fraise de Dremel n v tour par seconde mètre par seconde v R n tr/s m/s 50,3 m/s 12 cm tr/min 9,4 m/s 15 m 6 tr/min 13 m/s 3, m ou 3,9 mm Roue de moto 120 km/h 0,38 m Satellite SPOT II tr/min 14tr/s ou 840 tr/min m/s km 2, tr/s ou 1 tr/h 14. Pour lire l heure a. Les périodes : aiguille des heures : 12 h pour 1 tour ; aiguille des minutes : 1 h pour 1 tour ; aiguille des secondes : 1 min pour 1 tour. b. Les fréquences : respectivement : tr/min = 1, tr/min, 1 tr/min = 0, 017 tr/min et 1 tr/min. 60 CHAPITRE 16 - Comment passer de la vitesse des roues à celle de la voiture? 63

65 15. Satellites terrestres artificiels a. Météosat : fréquence de rotation : vitesse linéaire : v = 2π.R.n = 2π 4, = m/s ou km/h. b. La Station Spatiale Internationale (ISS) : v = km/h = m/s tr/s ; Circonférence de l orbite : L = 2π.R = 4, m soit km. Fréquence de rotation : n = v 2π.R = ,25 10 = 7 1, tr/s soit une période de s ou 92 min. 16. Perçage dans l acier a. 270 tr/min = 4,5 tr/s. b. Vitesse de coupe du foret : v = π. D. n = π ,5 = 0,396 m/s soit 23,8 m/min. c. Nombre de tours de foret pour avancer de 18 mm : 18 0,23 = 78,2 arrondis à 79 tours. Donc une durée de : 79 4,5 = 17,6 s. 17. Le choix de la vitesse a. Circonférence d une roue : π.d = π 0,69 = 2,168 m au millimètre près. b. Vitesse : v = 36 km/h soit 10 m/s. La durée correspondant à une longueur de roue sur le sol est de : 2, = 0,2168 s. c. La période de la roue en rotation est donc T = 0,2168 s soit une fréquence de : 1 n = = 4,61 tr/s ou 277 tr/min. 0,216 8 d. Roue : n 2 = 277 tr/min D 2 Pédalier : n 1 = 80 tr/min à 100 tr/min D 1 = 50 dents Pour n 1 = 80 tr/min : D 2 = 277 = 14,4. Pour n 1 = 100 tr/min : D 2 = = 18, Pour rouler à 36 km/h avec ces fréquences de pédalage, il peut utiliser les pignons de 15, 16 et 18 dents. 18. Scooter a. Arbre moteur : n 1 = tr/min D 1 = 90 mm Variateur : n 2 D 1 = 70 mm n 2 = = 8486 tr/min. 70 b. Le rapport de transmission : Z R Z x Z T = 1 3 Z = = 0, Lorsque le variateur effectue 1 tour, la roue arrière effectue 0,068 2 tour. Lorsque l arbre moteur fait 1 tour, le variateur effectue 90 tour et la roue arrière fait : , =, tour. À tr/min, la roue tourne à la fréquence de ,087 7 = 579 tr/min, soit à la vitesse de : 579 π.d = 691 m/min ou 41,5 km/h. La vitesse maximale de 45 km/h est bien respectée. 19. Lecteur de CD a. Pour v = 1,2 m/s, la durée pour un déplacement sur une alvéole de 2, m est : Δt = 2, ,2 = 1, s. b. Sur la première piste : R = m et v n = R = 12, 2π. 2π = 868, tr/s. Sur la dernière piste : R = m et v n = R = 12, 2π. 2π = 329, tr/s. Selon la position de la tête de lecture sur le disque, la fréquence de rotation du moteur varie. 20. Démarche d investigation Un spectateur de la grande roue doit : - mesurer le diamètre approximatif de la grande roue en imaginant sa projection sur le sol (avec un mètre pliant) ; - chronométrer la durée mise par une nacelle pour faire un tour, à l aide du chronomètre d une montre électronique ; - utiliser la relation v = π.d.n, la fréquence de rotation n étant déduite de la période T précédemment mesurée.

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