Travaux Pratiques de Physique

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1 Travaux Pratiques de Physique Fluide 1 : Masse Volumique Tension superficielle Service de Physique Biomédicale Université de Mons

2 Plan Rappels Théoriques Masse volumique et principe d Archimède Tension superficielle Manipulation Partie 1 : Masse volumique du méthanol? Utilisation de la balance Pycnomètre Balance hydrostatique Partie 2 : Tension de surface? Capillarimétrie Précaution d emploi Résumé

4 Rappels Théoriques : Masse volumique La masse volumique est définie pour un corps de masse m et de volume V comme V,m m V [g/cm³] [kg/m³] (unités MKS)

5 Rappels Théoriques : Principe d Archimède «Tout corps plongé dans un fluide (liquide ou gaz) subit de la part du fluide une force verticale, dirigée vers le haut et ressort mouillé En grandeur, la poussée d Archimède est égale au poids du volume de liquide déplacé.» z P PArch fluidev Immg Arch V, sol G F P G Res Arch G mg solvsol g FRe s PArch G fluidevsol g solvsol g ( fluide sol ) Vsol g 1 e cas : Si, F res < 0 et le solide coule sol fluide 2 e cas : Si, F res > 0 et le solide remonte sol fluide

6 Rappels Théorique : Principe d Archimède «Tout corps plongé dans un fluide (liquide ou gaz) subit de la part du fluide une force verticale, dirigée vers le haut et ressort mouillé En grandeur, la poussée d Archimède est égale au poids du volume de liquide déplacé.» P P V g Arch Arch fluide Imm z V, sol G P Arch G G mg solvsol g FRe s PArch G FRes PArch G 3 e cas : Si sol fluide, F res = 0 et le solide flotte avec une partie V Imm immergée, telle que : V g V g V V sol fluide Imm sol sol Imm sol fluide

7 Rappels Théorique : Principe d Archimède «Tout corps plongé dans un fluide (liquide ou gaz) subit de la part du fluide une force verticale, dirigée vers le haut et ressort mouillé En grandeur, la poussée d Archimède est égale au poids du volume de liquide déplacé.» M Réelle M App V, sol V, sol Reliée à une balance hydrostatique, un corps plongé dans le fluide aura une masse apparente plus petite que sa masse réelle.

8 Rappels Théorique : Principe d Archimède «Tout corps plongé dans un fluide (liquide ou gaz) subit de la part du fluide une force verticale, dirigée vers le haut et ressort mouillé En grandeur, la poussée d Archimède est égale au poids du volume de liquide déplacé.» P V g Arch fluide Imm z V, sol PApp G mg solvsol g FRe s ( fluide sol ) Vsol g Si le solide coule ( sol fluide ), P M g et P F F ( ) V g App App App Res Res sol fluide sol M ( ) V M M Ap p Ap p App sol fluide sol sol V M Réelle sol fluide sol fluide V V sol

10 Rappels Théoriques : Forces de surface Certains phénomènes concernant les liquides ne peuvent être correctement compris si l on ne tient compte que de la seule force de pesanteur. (1) Par exemple, certains insectes, comme le gerris, sont capables de marcher sur l eau, alors que leur densité est supérieure à celle de l eau ; d après le principe d Archimède, ils devraient donc couler!

11 Rappels Théoriques : Forces de surface (2) Du mercure répandu sur un plan de verre horizontal forme des gouttes : les plus petites sont presque rigoureusement sphériques ; les plus grosses sont aplaties. Le même phénomène s'observe avec les gouttes de rosée sur les feuilles. (3) Si l on plonge verticalement un tube de verre bien propre, de diamètre intérieur de 1 mm, dans une cuve contenant de l'eau, l'eau monte à environ 3 cm au-dessus du niveau général de l eau dans la cuve.

12 Rappels Théoriques : Forces de surface Ces phénomènes nous amènent à postuler l existence d autres forces que la pesanteur, les forces de cohésion (forces d attraction internes du liquide) et d adhésion (forces d attraction entre le liquide et une surface solide). Minimisation de la surface du fluide Les molécules interagissent entre elles et ont tendance à avoir le plus de molécules voisines possibles. Les molécules à la surface ont moins de voisines situation non préférée. Dès que la surface d un fluide se déforme, des forces de surface apparaissent.

13 Rappels Théoriques : Forces de surface Ces phénomènes nous amènent à postuler l existence d autres forces que la pesanteur, les forces de cohésion (forces d attraction internes du liquide) et d adhésion (forces d attraction entre le liquide et une surface solide). Illustration : En l absence de force de pesanteur, un volume d eau va prendre naturellement une forme sphérique. Forme sphérique Surface minimale pour un volume donné. Les forces de cohésions tendent donc à minimiser la surface du fluide.

14 Rappels Théoriques : Tension superficielle Application : Flottabilité d objets légers mais plus denses que l eau (insecte ) Forces de tension superficielle : résultante verticale non nulle qui équilibre le poids de l objet F F // G F

15 Rappels Théoriques : Tension superficielle Donc, surface d un liquide Membrane tendue soumise à des forces qui tendent à la faire rétrécir F ABCD non sphérique Donc devrait se contracter naturellement. Maintient de ABCD : Force F sur le bord AB. Tension superficielle : 2 observations : Si on agrandit la surface, la force F ne varie pas car la membrane a, en fait, une certaine extension. La force F ne dépend que de la longueur de contact l (ici 2 AB) sur laquelle elle s'exerce. F F l F l [N/m] l

16 Rappels Théoriques : Tube capillaire d d d h G Près du point de contact entre un liquide et la paroi du récipient : surface du liquide courbe Forces d adhésion > forces de cohésion surface libre concave Forces de tension superficielle capillarité Légère dépression montée du liquide Stabilisation quand équilibre avec le poids de la colonne de liquide

17 Rappels Théoriques : Tube capillaire h d Tension superficielle? G Longueur du bord : l = pd Force de tension sup : F = pd Poids : G = mg = Vg = p(d/2)²hg F l Equilibre lorsque Force de tension sup = Poids p d 2 p d hg dhg 4 4

19 Manipulation : Matériel Partie 1 Pycnomètre Balance Partie 2 Tube Capillaire

20 Manipulation : Utilisation de la balance Allumage : «On» Si à vide, elle n indique pas 0, «Tare» Stabilisation : ou g Erreur de mesure : 5 mg

21 Plan Rappel Théorique Masse volumique et principe d Archimède Tension superficielle Manipulation Partie 1 : Masse volumique du méthanol? Utilisation de la balance Pycnomètre Balance hydrostatique Partie 2 : Tension de surface? Capillarimétrie Précaution d emploi Résumé

22 Manipulation : Mesure de masse volumique à l aide du pycnomètre Pycnomètre : Volume connu précisément Eau, ρ Liquide X, ρ? (Méthanol) m M M M M m ' m '

23 Manipulation : Mesure de masse volumique à l aide du pycnomètre Attention : Remplir complètement d eau et mettre au trait en enlevant le surplus à l aide d une seringue. Poser son pycnomètre en attendant la pesée, sinon, chauffage V varie Vider l eau dans l évier. Ne pas jeter le liquide X (méthanol) dans l évier. Ne pas mélanger l eau et le liquide X (méthanol). Pour sécher le pycnomètre, demander aux techniciens, Jean-Pierre ou Mathieu. Mesurer la température de l eau distillée et déduire la masse volumique (tableau dans le labo ou dans l intro)

25 Manipulation : Mesure de masse volumique à l aide de la balance hydrostatique Basé sur le principe d Archimède M M M Masse en laiton Eau, ρ Liquide X, ρ? (méthanol) M M ' ' M M ''

26 . Manipulation : Mesure de masse volumique à l aide de la balance hydrostatique Attention : La masse doit être complètement immergée dans le liquide ajuster éventuellement le niveau avec la pissette La masse ne doit pas toucher le fond du bécher. Vider l eau dans l évier. Ne pas jeter le liquide X (méthanol) dans l évier. Ne pas mélanger l eau et le liquide X (méthanol). Sécher la masse avec du papier absorbant, au changement de liquide. Mesurer la température de l eau distillée et déduire la masse volumique (tableau dans le labo)

28 Manipulation : Capillarimétrie Diamètre du capillaire : ( / ) mm Déposer le capillaire juste à la surface du liquide (à l aide du support) Mesurer (5 x) la hauteur du ménisque A HAUTEUR D OEIL! Noter la masse volumique du liquide X (mesurée précédemment) Déduire la tension superficielle du méthanol Attention : Vider le capillaire en le déposant sur du papier absorbant. h d dhg 4

29 Précautions d emploi Pycnomètre : 50!!! QUI CASSE PAYE!!!! (et pas d excuses) Ne JAMAIS souffler dans le capillaire!!! Ne pas jeter le méthanol à l égout, le remettre dans un conteneur dans le labo (demander en cas de doute) et ne pas verser l eau distillée dans ces conteneurs PAS DE BATAILLE DE PISSETTE!! Sinon, out et «0» pour le groupe!!! (encore une fois pas d excuses)

30 Résumé Pycnomètre : Volume constant Checker le niveau du trait avant la pesée Poser son pycnomètre en attendant la pesée, sinon, chauffage V varie Séchage : demander à Jean-Pierre ou Mathieu Balance hydrostatique : M app Masse complètement immergée dans le liquide Ne pas toucher le fond du bécher Essuyer la masse en laiton au changement de liquide Capillarimétrie : Mesure de hauteur Mesure à hauteur d œil Séchage : déposer sur du papier absorbant!! Bon Travail!!