Remplissons d eau chaude une bouteille en matière plastique ; vidons-la après une minute environ et bouchons-la immédiatement.

Transcription

1 Activité 3 : Enigme : 1) Expérimentation : Remplissons d eau chaude une bouteille en matière plastique ; vidons-la après une minute environ et bouchons-la immédiatement. Versons de l eau froide sur la bouteille. Réalise les schémas annotés de l expérience (situations initiale et finale). AVANT APRES Lycée Émile Jacqmain/Cours de physique 2 ème /Références : Voir fin de séquence Séquence 2 / 12

2 2) Observation La bouteille s écrase, se contracte. 3) Questionnement : Pourquoi la bouteille se contracte-t-elle? 4) Hypothèses :.. Retenons les pistes les plus citées : I. à cause de la différence de température ; II. car il y a moins d air dans la bouteille ; III. car il n y a plus du tout d air dans la bouteille ; IV. car l air de la bouteille se contracte ; V. parce qu il y a une pression exercée par la différence de chaleur ; VI. à cause de la pression. Lycée Émile Jacqmain/Cours de physique 2 ème /Références : Voir fin de séquence Séquence 2 / 13

3 5) Vérifications expérimentales : Pour vérifier ces pistes, réalise les expériences suivantes : Piste 1. EXP. 1 : «à cause de la différence de température». Matériel : - 1 bouteille en plastique ; - 1 bouchon en caoutchouc ; - eau froide ou cristallisoir + glaçons. Mode opératoire : boucher la bouteille, verser de l eau froide ou poser sur un lit de glaçons. Constatation : la bouteille ne se déforme pas. Quelle condition est indispensable pour réussir l expérience initiale? Il faut d abord de l eau chaude dans la bouteille. Pistes 2-3. EXP. 2 : «Car il y a moins d air dans la bouteille». «Car il n y a plus du tout d air dans la bouteille». Matériel : - 1 bouteille en plastique ; - eau chaude ; - eau froide + glaçons. Mode opératoire : - verser l eau chaude dans la bouteille. Attendre environ une minute ; - vider la bouteille. Verser de l eau froide ou poser sur un lit de glaçons. Constatation : la bouteille ne s écrase pas. Quelle condition est indispensable pour réussir l expérience initiale? Il faut que la bouteille soit bouchée. Lycée Émile Jacqmain/Cours de physique 2 ème /Références : Voir fin de séquence Séquence 2 / 14

4 Piste 4 EXP. 3 : «car l air de la bouteille se contracte». Matériel : - 1 bouteille en plastique ; - 1 bouchon en caoutchouc percé, traversé par un tube en U ou en L ; - seringue d eau colorée ou compte-gouttes ; - eau chaude, eau froide. Mode opératoire : - verser l eau chaude dans la bouteille. Attendre environ une minute ; - vider l eau puis fermer la bouteille avec le bouchon percé en appuyant sur le bouchon et pas sur le tube ; - placer une goutte d eau colorée au bout du tube ; - schématise l expérience. Goutte d eau colorée Déplacement de la goutte Bouteille déformée Constatation : La goutte d eau est aspirée dans la bouteille. La bouteille s écrase. Que provoque le refroidissement de l air enfermé dans la bouteille? Une contraction de l air resté dans la bouteille et donc une diminution de la pression de l air dans la bouteille. Lycée Émile Jacqmain/Cours de physique 2 ème /Références : Voir fin de séquence Séquence 2 / 15

5 Pistes 5 et 6 EXP. 4 : «Parce qu il y a une pression exercée par la différence de chaleur». «A cause de la pression». Matériel : - 1 bouteille en plastique ; - ballon de baudruche ; - eau chaude, eau froide. Mode opératoire : - verser de l eau chaude dans la bouteille ; - attendre une minute ; - vider ; - fermer la bouteille avec le ballon ; - verser l eau froide ; - tirer sur le ballon comme un élastique en le maintenant autour du goulot ; - le lâcher. Constatation : Le ballon entre dans la bouteille et y gonfle, la bouteille ne se déforme pas. Comment expliques-tu le phénomène observé? L air s est contracté dans la bouteille. Comme il y en a moins dans la bouteille, l air extérieur entre dans la bouteille et fait gonfler le ballon. Lycée Émile Jacqmain/Cours de physique 2 ème /Références : Voir fin de séquence Séquence 2 / 16

6 Montrons l existence de la pression atmosphérique : Matériel : - 1 verre et un carton ( ou mieux une compresse médicale) - de l eau Mode opératoire : verser de l eau dans le verre y déposer le carton, la gaze retourner le tout en maintenant le carton (la gaze ) contre le bord du verre lâcher le carton la gaze. Constatation : Le carton ne tombe pas ;(l eau ne coule pas). Comment expliques-tu le phénomène observé? L air extérieur empêche le carton de tomber ; l eau de couler. (la pression de l air est plus forte ou égale à la pression exercée par l eau (sur le carton)). 6) Conclusion : Que nous indiquent les pistes suivies pour la résolution de notre énigme? que nous avons besoin : o d eau chaude puis d eau froide ; o d un bouchon qui emprisonne l air de la bouteille ; o de la contraction de l air resté dans la bouteille. que c est la pression de l air extérieur qui gonfle le ballon. Lycée Émile Jacqmain/Cours de physique 2 ème /Références : Voir fin de séquence Séquence 2 / 17

7 7) Résolution de l énigme : pourquoi la bouteille s écrase-t-elle? A partir de ces éléments, quelle résolution «scientifique» pouvez-vous donner à l énigme? L air chauffé se dilate et une partie de l air contenu dans la bouteille sort. Le bouchon empêche l air extérieur d entrer dans la bouteille. En refroidissant, on crée une dépression (diminution de pression) dans la bouteille. La pression due à l air extérieur de la bouteille l emporte sur la pression due à l air qui est resté à l intérieur de la bouteille : la bouteille s écrase. ainsi le volume de l air enfermé dans la bouteille diminue, ce qui augmente à nouveau la pression jusqu à redevenir égale à la pression extérieure ( la pression atmosphérique) N.B. Pression de l air à l extérieur = pression atmosphérique. Lycée Émile Jacqmain/Cours de physique 2 ème /Références : Voir fin de séquence Séquence 2 / 18

8 Notre modèle moléculaire : interprétation de la pression dans un gaz d Document Document Document Document Lycée Émile Jacqmain/Cours de physique 2 ème /Références : Voir fin de séquence Séquence 2 / 19

9 Conclusion : Un gaz est constitué de molécules en mouvement, séparées par des espaces intermoléculaires importants. Cette agitation moléculaire engendre des chocs : entre molécules ; entre molécules et la surface des objets à leur contact. Ce sont les chocs des molécules sur les surfaces de contact qui sont à l'origine de la pression. Le nombre de chocs est en relation avec : le nombre de molécules ; le volume disponible ; la vitesse des molécules. Si, pour un même volume, le nombre de molécules augmente, le nombre de chocs augmente également et donc aussi la pression. Si, pour un même nombre de molécules, on réduit le volume dont elles disposent, le nombre de chocs augmente et donc aussi la pression. Si, pour un même nombre de molécules, on augmente la vitesse des molécules, le nombre de chocs augmente et donc aussi la pression. Conclusion : La Terre est entourée d une couche d air de plusieurs dizaines de kilomètres appelée atmosphère. La pression atmosphérique diminue avec l altitude. Ce phénomène s explique par une diminution de la quantité de molécules par unité de volume. L air se raréfie et par conséquent, le nombre de chocs diminue. Lycée Émile Jacqmain/Cours de physique 2 ème /Références : Voir fin de séquence Séquence 2 / 20

10 Un peu d Histoire sur l évolution de la pression atmosphérique. Jusqu aux environs de 1640, on expliquait l ascension de l eau dans les tuyaux des pompes par «la nature a horreur du vide». Cependant, Galilée ne put expliquer pourquoi l eau ne s élevait pas à plus de 10 m de haut au-dessus du réservoir d une fontaine de Florence. En 1 643, Torricelli propose une autre explication : «l atmosphère est pesante, l eau qui est un liquide - est plus pesante et il suffit d une hauteur d environ 10 m d eau pour équilibrer le poids de toute l atmosphère. Si l on choisit un liquide encore plus lourd, la hauteur qui équilibre l atmosphère sera moindre que les 10 m d eau». Il choisit le vif argent appelé aujourd hui le mercure. Il prit une cuvette de mercure et retourna sur celle-ci un tube d environ 1 m rempli lui aussi de mercure. L expérience montra que le mercure descendait dans le tube jusqu à une hauteur de 76 cm environ, hauteur suffisante pour équilibrer le poids de l atmosphère. Le savant français Pascal ( ) demanda à son beau-frère Perrier qui habitait Clermont- Ferrand de recommencer l expérience de Torricelli en faisant l ascension du Puy-de-Dôme (1 463 m). En 1648, Perrier réalisa l expérience. Il constata que le mercure dans le tube de Torricelli descendait au cours de l ascension. L altitude diminuant, l atmosphère devait être moins pesante, donc la colonne de mercure qui l équilibrait devait être moins haute, ce qui fut confirmé. Réponds aux questions : 1) Quels savants se sont intéressés à la pression atmosphérique? Classe-les par ordre chronologique : Galilée, Torricelli, Pascal. 2) Qu est-ce qu un baromètre? (recherche au dictionnaire). Un instrument qui mesure la pression atmosphérique. Lycée Émile Jacqmain/Cours de physique 2 ème /Références : Voir fin de séquence Séquence 2 / 21