SPORT CHAPITRE 16 SPORT ET PRESSION

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1 SPORT CHAPITRE 16 SPORT ET PRESSION

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5 titre TP 1 : Fluide et pression Fiche cours : La pression progression contenu Lien entre pression, force pressante et surface. Nature d un fluide. Pression atmosphérique Notions du programme Liquides et gaz constitués de molécules en mouvement Pression et force pressante, F p = S Doc 1 : Alpiniste et plongeur TP 2 : Pression dans un liquide au repos Fiche cours : Pression et profondeur Doc 6 : Notion de pression Doc 7 : Pression et Météo (de 3min23 à 5min28) TP3 : Influence de la pression Fiche cours : Les effets de la pression Doc 8 : Miracle dans le ciel RETOUR sur DOC 5 Mesurer une pression Mettre en évidence l influence de la profondeur A partir du TEXTE, travail F sur la formule p =, sur S les unités et les conversions. VIDEO pour travailler sur les unités + savoir expliquer pourquoi le ballon sonde explose Pression et volume Pression et dissolution d un gaz VIDEO pour réinvestir les acquis de toute cette partie VIDEO OU TEXTE expliquant les accidents liés à la pression La différence de pression dépend de la profondeur RETOUR sur les notions précédentes. p. V = constante et à p et T fixées, le nombre de molécules dans un volume V est indépendant du gaz. La quantité de gaz dissous dépend de la pression. Toutes les notions de cette partie. Exercices Evaluation Réinvestir les acquis

6 SPORT CHAPITRE 7 SPORT ET PRESSION - Savoir que les liquides et dans les gaz la matière est constituée de molécules en mouvement. - Utiliser la relation P = F/S, F étant la force pressante exercée sur une surface S, perpendiculairement à cette surface.

7 SPORT CHAPITRE 16 SPORT ET PRESSION CHAPITRE 16 SPORT ET PRESSION page=article&numsite=8831&id_rubrique=8837&id_article=32676 Animation : le manomètre de Bourdon Animation : pression, température, volume et nombre de particules dans un piston Animation : le thermomètre de Galilée ; le thermomètre à mercure Animation : pression en fonction de la profondeur de liquide Animation : le détendeur de pression I- DESCRIPTION D UN GAZ 1. A L ÉCHELLE MICROSCOPIQUE Un gaz est constitué d un ensemble de molécules, assez éloignées les unes des autres, en agitation permanente et désordonnée. 2. A L ÉCHELLE MACROSCOPIQUE (ÉCHELLE HUMAINE) Il est donc impossible et trop compliqué, de décrire un gaz à l échelle microscopique, car les molécules sont en nombre trop important et il faudrait connaître un trop grand nombre de paramètres (vitesse, position, masse etc ). On utilise alors, pour décrire l état d un gaz, des grandeurs macroscopiques, facilement accessibles à la mesure : la pression P, la température T, le volume V et la quantité de matière de gaz n. II) NOTION DE PRESSION : 1. MISE EN ÉVIDENCE DES FORCES PRESSANTES : Une surface en contact avec un gaz est soumise à un très grand nombre de chocs des molécules de gaz (aspect microscopique). Il en résulte, sur cette surface, une force appelée force pressante (aspect macroscopique).

8 2. DÉFINITION : Soit F la valeur de la force pressante s exerçant sur une surface plane d aire S. La pression résultant de cette force est égale au rapport de la force F sur la surface S. P = F S unités : P en pascal (Pa) ; F en Newton (N) ; S en mètre carré (m²). La force pressante est orthogonale à la surface sur laquelle elle s exerce. La pression atmosphérique est la pression exercée par l air qui nous entoure. Au niveau du sol Pat = 1 bar = 1, Pa et elle diminue avec l altitude. 3. MESURE DE LA PRESSION D UN GAZ : Elle se mesure avec un manomètre. Les baromètres mesurent la pression atmosphérique. III) DE QUOI DÉPEND LA TEMPÉRATURE D UN CORPS? La température d un corps, à l état solide, liquide ou gazeux, est liée à l agitation des molécules qui le constituent. Plus les molécules sont agitées et plus la température est élevée. IV) RELATION ENTRE PRESSION ET VOLUME LOI DE BOYLE-MARIOTTE A température constante, pour une quantité donnée de gaz, le produit de la pression P par le volume V occupé par le gaz est constant : P V = constante

9 SPORT CHAPITRE 16 SPORT ET PRESSION CHAPITRE 16 SPORT ET PRESSION I- DESCRIPTION D UN GAZ 1. A L ÉCHELLE MICROSCOPIQUE Un gaz est constitué d un ensemble de molécules ou d atomes, assez éloignées les unes des autres, en permanente et. 2. A L ÉCHELLE MACROSCOPIQUE (ÉCHELLE HUMAINE) Il est donc impossible et trop compliqué, de décrire un gaz à l échelle microscopique, car les molécules sont en nombre trop important et il faudrait connaître un trop grand nombre de paramètres (vitesse, position, masse etc ). On utilise alors, pour décrire l état d un gaz, des grandeurs macroscopiques, facilement accessibles à la mesure : la pression, la température, le volume et la quantité de matière de gaz. II) NOTION DE PRESSION : 1. MISE EN ÉVIDENCE DES FORCES PRESSANTES : Une surface en contact avec un gaz est soumise à un très grand nombre de des molécules de gaz (aspect microscopique). Il en résulte, sur cette surface, une force appelée (aspect macroscopique).

10 2. DÉFINITION : Soit F la valeur de la force pressante s exerçant sur une surface plane d aire S. La pression résultant de cette force est égale au rapport de la force F sur la surface S. unités : P en pascal (Pa) ; F en Newton (N) ; S en mètre carré (m²). La force pressante est à la surface sur laquelle elle s exerce. La pression atmosphérique est la pression exercée par l air qui nous entoure. Au niveau du sol P atm = 1 bar = 1, Pa et elle diminue avec l altitude. 3. MESURE DE LA PRESSION D UN GAZ : Elle se mesure avec un. Les mesurent la pression atmosphérique. III) DE QUOI DÉPEND LA TEMPÉRATURE D UN CORPS? La température d un corps, à l état solide, liquide ou gazeux, est liée à l des molécules qui le constituent. Plus les molécules sont agitées et plus la température est. IV) RELATION ENTRE PRESSION ET VOLUME LOI DE BOYLE-MARIOTTE A température constante, pour une quantité donnée de gaz, le produit de la pression P par le volume V occupé par le gaz est constant :

11 SPORT CHAPITRE 16 SPORT ET PRESSION TP: MODELE MICROSCOPIQUE D UN GAZ ET FORCE PRESSANTE À l aide d un simulateur, explorons le modèle microscopique du gaz et faisons le lien avec les grandeurs macroscopiques. MODÉLISATION Les molécules sont représentées par des points. Au lancement de la simulation, leurs positions et leurs vitesses sont choisies au hasard. Le logiciel calcule ensuite leur trajectoire par application des lois de la mécanique. Le logiciel n utilise pas le degré Celsius pour exprimer les températures : il utilise le kelvin (symbole K). On a : T(en K) = θ ( C). Simulation 1 Fixer la température à 300 K et afficher 500 dans la case «Durée» (pour conserver une même durée de comptage des chocs). Lancer la simulation avec 50 molécules dans une seule case. 1. Observer Comment se déplacent les molécules? Dans quels cas une molécule change t elle de direction? 2. Interpréter Résumer les observations faites sur le mouvement des molécules en utilisant les mots : molécules, gaz, mouvement, rapide, choc, ligne droite, obstacle, incessant, désordonné. Simulation 2 Introduire une «paroi mobile» et envisager successivement les trois cas suivants : Case de gauche Case de droite Cas molécules N 2 0 molécule Cas molécules N molécules N 2 Cas molécules N molécules H 2 3. Faire une prévision puis observer a. Dans chaque cas, que se passera t il lorsqu on libèrera la paroi mobile? b. Réaliser les simulations et confronter les observations aux prévisions. 4. Interpréter Peut on conclure à la présence d'une action mécanique. Qu'est ce qui exerce cette action?

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13 SPORT CHAPITRE 16 SPORT ET PRESSION TP: PRESSION ET FORCE PRESSANTE Le Yéti ou l'abominable homme des neiges a inspiré de nombreux auteurs. L'hypothèse de son existence repose sur l'observation d'empruntes étranges dans les neiges de l'himalaya au cours du XIXe siècle. Sur la représentation ci-dessus, les empruntes de tous les personnages semblent aussi profondes les unes que les autres. Le dessinateur est-il en accord avec le phénomène physique? A l'aide du matériel mis à votre disposition, proposer un protocole expérimental permettant d'identifier des paramètres ayant une influence sur la déformation d'un support déformable. Matériel disponible: - disques rigides d'aires différentes - masses marquées - sable Couvrure de "Tintin au Tibet" La déformation traduit l'existence d'une pression P. On appelle F la valeur de l'intensité de la force qui modélise l'action mécanique exercée et S l'aire de la surface pressée. Quelle relation semble exister entre ces grandeurs? P = F S ou P = F / S ou P = S / F

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15 SPORT CHAPITRE 16 SPORT ET PRESSION TP PRESSION DANS UN LIQUIDE La pression atmosphérique au niveau de la mer est de 1, Pa (soit 1 bar). Aidez Gabriel à trouver cette profondeur. Pour cela proposez une démarche expérimentale faisant intervenir une série de mesures afin de trouver cette relation. Faites valider votre protocole par le professeur avant d effectuer les mesures. Vous pourrez vous aider d un tableur,de papier millimétré. Matériel disponible: - Capteur de pression ( la pression est indiquée en kilo pascals kpa ) - une règle - un récipient pouvant contenir de l'eau du robinet - ordinateur avec tableur Excel - notice tableur Excel

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17 SPORT CHAPITRE 15 SPORT ET PRESSION TP: LOI DE BOYLE-MARIOTTE Voici un énoncé de la loi de Boyle-Mariotte : À température donnée et pour une quantité de matière déterminée, le produit de la pression P par le volume V d un gaz est constant. Cette loi n est vérifiée qu aux faibles pressions. Aux pressions usuelles, l air qui nous entoure obéit-il ou non à la loi de Boyle-Mariotte? MATÉRIEL DISPONIBLE : pipette graduée, burette graduée, seringue graduée, cristallisoir ; manomètre, thermomètre, baromètre ; support ; tableur scientifique. Portrait de Robert Boyle ( ) au début de l un de ses ouvrages. 1. Imaginer une démarche expérimentale Proposer un protocole expérimental permettant de répondre à la question ci-dessus. 2. Expérimenter pour conclure a. Réaliser l expérience retenue. b. Réaliser un schéma de l expérience et présenter les résultats. c. Analyser les résultats obtenus par l ensemble des groupes. d. Après discussion, conclure si les résultats expérimentaux obtenus vérifient la loi de Boyle-Mariotte. L abbé Edme Mariotte représenté dans son laboratoire. 3. La nature du gaz n est pas précisée dans l énoncé de la loi de Boyle-Mariotte. Proposer des expériences qui permettraient de vérifier que cette loi s applique à d autres gaz que l air.

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19 Démarche d investigation Le but de cette étude est d introduire la loi de Boyle-Mariotte. Étapes de la démarche Pré-requis Point de départ (Situation déclenchante) Problème à résoudre (Question) Formulation des hypothèses Mise en commun des hypothèses Validation de l hypothèse retenue Conclusion Déroulement de la séance Les connaissances vues au collège sont rappelées. - Un gaz est compressible. - La pression d un gaz se mesure avec un manomètre, l unité de pression est le pascal. L énoncé de la loi de Boyle-Mariotte est lu par un élève. Aux pressions usuelles, l air qui nous entoure obéit-il ou non à la loi de Boyle- Mariotte? Des groupes de 3 ou 4 élèves sont formés. A partir de la liste du matériel disponible, chaque groupe va élaborer un protocole expérimental. Différentes méthodes peuvent être proposés par les élèves pour mesurer un volume d air. La réflexion portera sur le choix du matériel mais aussi sur les mesures à réaliser et l exploitation de ces mesures. Chaque groupe doit prendre le temps de discuter. Il est possible de les aider dans cette réflexion. «Pour aller plus loin» qui propose de vérifier la loi pour un gaz autre que l air conduit aux mêmes réflexions. Un représentant expose le résultat de son groupe. Une discussion s engage pour critiquer les différentes propositions. La nécessité de mesurer volume et pression d une quantité d air conduit rapidement au choix de la seringue graduée reliée à un manomètre Les points suivants sont abordés : - la prise en compte du le volume intérieur du tube qui relie la seringue au manomètre ; - le choix du volume initial d air, le même pour tous ou des valeurs initiales différentes ; - la température maintenue constante ; - le nombre de mesures à effectuer ; - l analyse des résultats : comparaison des produits PV, tracé de P en fonction de V avec modélisation ( P = k/v) ou tracé de PV en fonction de P, etc. Chaque groupe réalise une série de mesures à l aide du matériel retenu. Des mesures sont effectuées en tenant compte si nécessaire du volume du tube qui relie la seringue au manomètre et en faisant varier le volume autour de la valeur 40 ml (de 30 à 60 ml par exemple). Des mesures correctement effectuées montrent que l air suit la loi de Boyle-Mariotte dans les conditions de l expérience. Si les groupes n ont pas tous choisi au départ le même volume de gaz, la valeur du produit P V n est pas identique pour tous. Ceci permet de faire le lien avec «la quantité de matière déterminée» dont parle l énoncé de la loi. Les élèves répondent à la question posée : dans les conditions de l expérience, la loi de Boyle-Mariotte est vérifiée pour l air qui les entoure.

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21 SPORT CHAPITRE 15 SPORT ET PRESSION ACTIVITÉ 2

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23 SPORT CHAPITRE 15 SPORT ET PRESSION ACTIVITÉ 1 Les gaz et les liquides (qu'on appelle plus généralement des fluides) agissent sur les corps qui les entourent. Comment peut-on modéliser les actions mécaniques mises en jeu?

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35 3. Activité expérimentale. Gaz dissous dans un liquide Acquisition des compétences 3 La grille proposée peut aider à évaluer l acquisition de six compétences : S approprier Réaliser Analyser Valider Communiquer Être autonome, faire preuve d initiative Compétenc e évaluée Réaliser Analyser Analyser S approprier Analyser Action Réaliser les expériences Observer le résultat d une expérience. Interpréter un résultat expérimental Mettre en relation une loi et un résultat expérimental Prévoir un résultat expérimental dans une situation de la vie quotidienne Questions concernées Expérience 1 Expérience a, 2.b* 4* 2.a, 2.b 4 5a* et 5b* * Selon la démarche suivie par le professeur, les réponses aux questions correspondantes pourront faire l objet d une discussion en classe (développant ainsi les compétences de communication orale des élèves). Le texte de l activité se trouve page suivante.

36 3 Au début du XIX e siècle, le savant Henry a étudié la dissolution des gaz dans l eau. Un des résultats qu il a établi peut se formuler ainsi : À température constante, la quantité maximale d un gaz dissous dans un volume donné de liquide augmente quand la pression de ce gaz sur le liquide augmente. Explorons la loi de Henry sur des exemples. Expérience 1 Les boissons gazeuses contiennent de l eau dans laquelle du dioxyde de carbone est dissous. Ouvrir une bouteille de boisson gazeuse. 1. Observer Qu observe t on lorsqu on ouvre la bouteille? 2. Interpréter a. Quelle est la nature du gaz qui s échappe de la bouteille ouverte? b. En utilisant la loi de Henry, interpréter la modification qui se produit pour la boisson gazeuse au moment de l ouverture du bouchon. Expérience 2 Remplir partiellement une seringue d eau gazeuse, puis boucher l extrémité. Étape 1 : tirer lentement sur le piston. Étape 2 : ramener le piston en position initiale. 3. Observer Relever les modifications qui apparaissent dans le liquide lors des deux étapes. 4. Interpréter En utilisant la loi de Henry, interpréter les modifications qui se produisent lors des deux étapes. 5. Appliquer à la plongée avec bouteille La pression de l eau augmente avec la profondeur. En plongée, le détendeur placé à la sortie de la bouteille permet au plongeur de respirer de l air à la pression du lieu où il se trouve. Le dioxygène de l air inspiré est utilisé par l organisme, alors que le diazote ne l est pas. a. Le plongeur descend. Comment varie la pression de l air qui pénètre dans ses poumons? la pression du dioxygène? celle du diazote? En s appuyant sur les résultats donnés par Henry, étudier comment varie la concentration en diazote dans le sang. b. En comparant avec les expériences précédentes, que peut on prévoir pour le diazote lorsque le plongeur remonte?

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38 8 Expédition au Shisha Pangma (8 013 m) Comment organiser une expédition en très haute montagne pour prévenir les accidents liés à la raréfaction du dioxygène? La pression atmosphérique et donc la pression en dioxygène diminuent avec l altitude, ce qui entraîne une hypoxie. Il en résulte que le corps doit s adapter à ces changements. Le tableau ci contre donne les troubles liés à l altitude (le mal aigu des montagnes ou MAM) qui peuvent apparaître selon les individus. Le MAM régresse avec l'acclimatation et disparaît à la descente. Altitude Symptômes m Fatigue et maux de tête 5500 m Maux de tête, somnolence, trouble de la vision, troubles du comportement, perte de coordination m Perte de conscience, palpitations, hyperventilation m Convulsions 8. Les effets de l hypoxie en fonction de l altitude. Vocabulaire Hypoxie : diminution de la quantité d oxygène distribuée dans les tissus par le sang. Caisson hypobare : caisson dans lequel la pression de l air est inférieure à la pression atmosphérique du lieu. 1. Exploiter des documents a. Comment évolue la pression en dioxygène de l air pendant l expédition? Cela a t il une influence sur l organisme des alpinistes? b. Recopier le graphique du document 9. Y ajouter les zones correspondant aux différents symptômes du MAM. Indiquer quelles sont les méthodes utilisées par les alpinistes pour s adapter à l altitude. 2. Analyser des pratiques sportives a. Avant de se lancer à la conquête d un haut sommet, certaines équipes d alpinistes font un séjour dans un caisson hypobare. Pourquoi? b. Lorsqu ils atteignent des altitudes très élevées, la plupart des alpinistes utilisent un masque à dioxygène. Quel est l intérêt de cette pratique? 10.cérémonie d offrande rituelle «Puja» dans un camp de base au cœur de l Himalaya.

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