Atelier démonstration sur la flottabilité Programme de collaboration université-collège (PCUC) , Partage d'expertise pour la formation des

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1 Atelier démonstration sur la flottabilité Programme de collaboration université-collège (PCUC) , Partage d'expertise pour la formation des maîtres en science et technologie, MESRST. Nathalie Bacon, Émilie Morin et Yvon Fortin. Avec la collaboration de Barbara Bader, Marcel Lafleur et Caroline Paquet

2 Définitions des concepts de base! Masse : La masse mesure la quantité de matière d un objet et s exprime en kilogramme. La masse est différente du poids même si on les confond souvent.! Le poids est la force gravitationnelle dirigée vers le sol qui s exerce sur la masse et s exprime en Newton. La masse d un objet ne change pas lorsqu on voyage mais le poids lui peut varier selon l endroit où l on se trouve. Pour 100 kg Masse Poids environ 1000 N sur la Terre 167 N sur la Lune 370 N sur Mars 2600 N sur Jupiter! Volume : Le volume, qui s exprime en litre, en centimètre cube, ou en mètre cube, est l espace occupé par l objet.

3 Synthèse sur la flottabilité masse volumique

4 La flottabilité masse volumique! Les corps ont une flottabilité qui dépend de leur propre masse volumique et de la masse volumique du liquide sur lequel ils sont déposés.! La masse volumique s exprime en unité de masse par unité de volume. Par exemple : Unités de masse volumique système international (SI) kilogramme par mètre cube (kg/m 3 ) Note: 1 ml = 1 cm 3 1L = 1 dm 3

5 La masse volumique (ρ) de l eau douce (3,98 C)! La masse volumique de l eau est de :! 1,0 g/ml ou 1,0 kg/l ou 1000 kg/m 3 C est-à-dire que: mais aussi 1 ml d eau pèse 1 g 1 g d eau occupe un volume de 1 ml

6 La flottabilité dans l eau douce (1,0 kg/l à 3,98 C) La flottabilité dépend de la relation entre : la masse volumique d un objet et la masse volumique du fluide dans lequel il se trouve. (air ou liquide) Les objets dont la masse volumique : Description de la flottabilité est inférieure à 1 kg/l est à peu près égale à 1 kg/l est supérieure à 1 kg/l flottent et une partie de ces objets émerge de l eau. flottent complètement immergés tout juste sous la surface. coulent au fond

7 Exemples liés à la vie quotidienne masse volumique! Air chaud qui s élève dans une cheminée! Air froid du congélateur qui descend lorsque l on ouvre la porte.! Air chaud de l intérieur d une maison qui se condense et s élève lorsqu il sort à l extérieur (très froid) dès que l on ouvre la porte.! De l eau dans un sac de plastique que je dépose dans l eau.

8 Limites du concept de masse volumique! Raisonner avec le concept de masse volumique fonctionne bien avec des masses d air, de liquides, ou des objets fermés et hermétiques.! Par contre lorsqu il est question de bateaux, de bouées, etc., le concept de masse volumique est plus difficilement applicable. Il est préférable de passer par un raisonnement avec la poussée d Archimède.

9 Synthèse sur la flottabilité Poussée d Archimède

10 La poussée d Archimède! Un corps plongé dans un liquide est soumis à la poussée d Archimède. C est une force verticale, dirigée de bas en haut, exercée par le liquide sur le corps. A A A m 1 m 2 m 3 m 1 < m 2 < m 3

11 La poussée d Archimède! Lorsque l on relâche les 3 objets A m 1 m 2 A max A max m 3 m 1 < m 2 < m 3

12 La poussée d Archimède! La poussée d'archimède agit toujours dans la direction opposée à la gravité. La poussée d'archimède est égale au poids du volume d'eau déplacé par l objet.! Si on déplace un petit volume d eau, la poussée d Archimède sera faible, si on déplace un grand volume d eau, la poussée sera importante.

13 La poussée d Archimède À l équilibre ça flotte! A A P eau P eau P eau A Le poids de l objet est faible, il ne s enfoncera que partiellement avant que la poussée d Archimède soit suffisamment grande pour compenser exactement ce poids. Le poids de l objet = au poids du volume d eau déplacé par une portion de l objet. Le poids de l objet = au poids de l eau contenue dans un volume équivalent à celui de la portion immergée de l objet. masse volumique de l objet < masse volumique de l eau

14 La poussée d Archimède maximale À l équilibre ça flotte! A max A max P eau P eau P eau A max Le poids de l objet = au poids du volume maximal d eau déplacée par l objet complètement immergé. ou Le poids de l objet = au poids de l eau contenu dans un volume équivalent à celui de l objet. Cas limite : masse volumique de l objet = masse volumique de l eau

15 Au-delà de la poussée d Archimède maximale À l équilibre??? A max A max P eau P eau P eau A max Le poids de l objet > que le poids du volume d eau déplacé par l objet complètement immergé. ou Le poids de l objet > que le poids de l eau contenu dans un volume équivalent à celui de l objet. masse volumique de l objet > masse volumique de l eau

16 La poussée d Archimède Synthèse Poids de l objet (cas m 1 ) = Poids du volume d eau déplacé (<< que volume total de l objet ) L objet flotte avec une partie hors de l eau Poids de l objet (cas m 2 ) = Poids du volume d eau déplacé (= au volume total de l objet ) L objet flotte complètement immergé Poids de l objet (cas m 3 ) > Poids du volume d eau déplacé (= au volume total de l objet ) L objet coule au fond

17 La flottabilité poussée d Archimède Il y a flottaison lorsque: le poids de l objet = au poids du volume d eau déplacé par l objet. (ou poids du volume immergé de l objet, rempli d eau) Donc, pour faire flotter Un objet de 1 kg il faut déplacer 1kg d eau (L objet ou tout aide à la flottaison peut être utilisé pour permettre de déplacer cette masse d eau) Pour faire flotter un bateau de kg, il faut que la coque puisse déplacer kg d eau! Pour faire flotter une masse de 500 g, il faut que la bouteille vide qui sert de bouée puisse déplacer 500 g d eau. (bouteille de 500 ml)

18 La flottabilité poussée d Archimède - suite Pour faire flotter un objet de 1 kg, il faut déplacer 1kg d eau! En pratique, pour estimer le nombre de bouées nécessaires pour faire flotter un objet, il suffit de rassembler suffisamment de contenants remplisd eau pour que la masse de ceux-ci réunis soit égale ou supérieure à la masse de l objet à faire flotter. Puis, on vide ces contenants, les ferme hermétiquement et les attache sous l objet à faire flotter.

19 Exemples liés à la vie quotidienne! Grand ballon et masse en métal : les deux ont la même masse, mais en raison de la poussée d Archimède le ballon semble plus léger. C est un sac d air dans une classe remplie d air. 200 g d air 200 g de laiton La poussée d Archimède est plus grande sur le ballon (grand volume d air déplacé) que sur les masses. Le ballon semble avoir une masse bien inférieure au 200g d air qu il contient. C est un sac d eau dans un bassin rempli d eau! Aucune force nécessaire pour le soutenir.

20 Masse volumique et poussée d Archimède La masse La masse des objets contribue au poids et une augmentation de celleci tend à les faire couler plus facilement. Le poids est une force dirigée vers le centre de la Terre. Le volume Le volume des objets permet de déplacer de l eau et une augmentation du volume d un objet contribue à augmenter la poussée d Archimède possible. La poussée d Archimède est une force orientée àlaverticaleetdirigéeverslehaut. Masse volumique: Le concept de la masse volumique définit une mesure qui tient compte à la fois de la masse et du volume d un objet. La flottabilité est alors évaluée en comparant la masse volumique de l objet avec celle du fluide. Ex. masses d air, volumes de liquides, objets fermés et hermétiques Poids et Poussée d Archimède La masse, par le poids, et le volume, par la poussée d Archimède, sont en jeu. Le lien entre les deux se fait par l équilibre nécessaire. La flottabilité est évaluée selon un équilibre entre le poids d un objet et la poussée d Archimède qu il peut produire par le volume d eau qu il peut déplacer. Ex. tout objet et surtout ceux qui sont plus complexes (bateaux, bouées, etc.) Les deux façons de raisonner sont valides, la deuxième est plus générale et plus simple d application dans plusieurs situations.

21 Liens avec le programme de formation de l école québécoise Savoirs essentiels (cycle correspondant)! État solide, liquide, gazeux; changements d état (ex : évaporation) (1 er cycle)! Les propriétés et les caractéristiques de la matière sous différents états (solide, liquide, gazeux) (2 e et 3 e cycle)! Masse et poids (2e cycle)! Masse volumique (ex: petits objets légers et lourds, gros objets légers et lourds) (2e cycle)! Densité et flottabilité (2e et 3e cycles)! Utilisation d instruments de mesure simples (ex: règles, compte-gouttes, balance, thermomètre) (2e et 3e cycles)! Terminologie liée à la compréhension de l univers matériel (2e et 3e cycles)! Conventions et modes de représentation propres aux concepts à l étude (2e et 3e cycles) Progression des apprentissages! Distinguer la masse (quantité de matière) d un objet de son poids (force de gravité exercée sur une masse) (2 e cycle)! Classer des solides selon leur masse volumique (volumes identiques et masses différentes ou volumes différents et masses identiques) (2 e cycle)! Associer la flottabilité d un liquide sur un autre à leur masse volumique (densité) respective! Densité: rapport de la masse volumique du corps sur celle de l eau pure à 4 C. Elle s exprime sans unité. (2 e cycle)! Expliquer la flottabilité d une substance sur une autre par leur masse volumique (densité) respective (3 e cycle)

22 SAÉ- démonstration sur la flottabilité Programme de collaboration université-collège (PCUC) , Partage d'expertise pour la formation des maîtres en science et technologie, MESRST. Émilie Morin, Nathalie Bacon et Yvon Fortin. Avec la collaboration de Barbara Bader, Marcel Lafleur et Caroline Paquet 1

23 Comment ce bateau fait-il pour flotter? 2

24 Les objets ont le même volume 3

25 Les objets ont la même masse 4

26 La masse volumique de l eau douce Un millilitre d eau pèse 1 gramme. Un litre d eau pèse 1000 grammes. 5

27 Démonstration : Les forces en jeu Poids et poussée d Archimède L eau exerce une force sur le cylindre lorsque je le descends dans l eau. 6

28 Un bateau pour chien Une petite fille voulait fabriquer un bateau pour son chien. Comment a-t-elle fait vous pensez? 7

29 Pour jouer avec la flottabilité et la poussée d Archimède! Voici un hyperlien très intéressant qui vous permettra de jouer avec le concept de flottabilité. À conserver! kines2_2.html 8