physique - chimie Livret de corrigés ministère de l éducation nationale Rédaction

Transcription

1 ministère de l éduation nationale physique - himie 3e Livret de orrigés Rédation Wilfrid Férial Jean Jandaly Ce ours est la propriété du Cned. Les images et textes intégrés à e ours sont la propriété de leurs auteurs et/ou ayants droit respetifs. Tous es éléments font l objet d une protetion par les dispositions du ode français de la propriété intelletuelle ainsi que par les onventions internationales en vigueur. Ces ontenus ne peuvent être utilisés qu à des fins stritement personnelles. Toute reprodution, utilisation olletive à quelque titre que e soit, tout usage ommerial, ou toute mise à disposition de tiers d un ours ou d une œuvre intégrée à eux-i sont stritement interdits. Cned 2009 Direteur de la publiation Mihel Leroy Ahevé d imprimer le 30 juin 2011 Dépôt légal 3e trimestre , rue Maroni Mont-Saint-Aignan

2 Séquene 1 SÉQUENCE 1 Séane 1 Exerie 1 1- Notre système solaire ompte 8 planètes. 2- Le Soleil est notre étoile. 3- L ordre des planètes à mesure que l on s éloigne du Soleil est : Merure Vénus Terre Mars Jupiter Saturne Uranus Neptune 4- L éliptique est le plan de l espae balayé par le rayon Soleil-Terre pendant la révolution de la Terre autour du Soleil. 5- Le sens de révolution des planètes autres que la Terre est identique à elui de la Terre. 6- Pluton n est pas une planète ar sa révolution autour du Soleil s éarte suffisamment du plan éliptique pour penser qu elle subit l influene d un autre objet éleste. 7- Elle appartient à la famille des planètes naines. 8- Les planètes faites de rohes et prohes de la Terre sont dites telluriques. Exemple : Mars. 9- Les autres planètes sont nommées : les «géantes gazeuses». On les nomme ainsi ar elles sont onstituées en majorité de gaz. Exemple : Neptune. 10- Le satellite naturel de la Terre est la Lune. 11- Il faut exprimer les durées de propagation de la lumière dans la même unité (la seonde). Exprimons la durée en seonde (s) mise par la lumière provenant du Soleil pour arriver sur Terre : 8 min 20 s donnent en seonde : = = 500 soit 500 s. La durée mise par la lumière provenant de la Lune pour arriver sur Terre est 1,3 s. Calulons le rapport des durées de propagation : 500 1,3 384,6 soit environ 400 La lumière du Soleil met environ 400 fois plus de temps que elle de la Lune à parvenir sur Terre. La distane est à l origine de ette onlusion, ar la lumière ne se propage pas de façon instantanée entre deux endroits de l Univers. Sa propagation s effetue à la vitesse kilomètres par seonde dans le vide ( = m/s). 2 Cned, Physique - himie 3e

3 Séquene 1 Exerie 2 1- Dates et noms de quelques savants qui ont partiipé à la onstrution des onnaissanes sur le système solaire : Newton L expression «vision géoentrique» est l idée d un système astronomique où la Terre est plaée au entre de l Univers. 3- C est Coperni qui a affirmé dans son traité (publié après sa mort) que le Soleil est plaé au entre du système solaire. 4- Galilée a pu observer les planètes et montrer qu elles «flottaient» dans l espae grâe à une lunette astronomique. 5- C est Newton qui a établi la loi de gravitation universelle vers 1687 à partir des travaux de Kepler. Séane 2 exerie et 4 sont les situations orrespondant à un rapprohement des deux aimants A et B. 2- En présentant les pôles opposés (nord et sud) de deux aimants, il y a une interation qui s établit et qui peut provoquer un déplaement d un aimant vers l autre. Exerie 4 1- Cette balane est dite «de torsion» ar elle repose sur le prinipe d un mine ruban qui se «tord» suspendu au fléau. La rotation du fléau sur lui-même entraîne la torsion du ruban. 2- L élément où sont arohées les deux petites billes se nomme le fléau ; il peut tourner sur lui-même ar il est suspendu au ruban en son entre. 3- Le boîtier étanhe a pour but de protéger la balane des ourants d air qui pourraient perturber les mesures. 4- Les boules se nomment aussi «masses attratives». 5- Elles peuvent se déplaer en se rapprohant ou en s éloignant l une de l autre dans une diretion parallèle au boîtier étanhe. Cned, Physique - himie 3e 3

4 Séquene 1 6- Une photographie légendée de la balane de Cavendish Les shémas légendés : 7- En rapprohant les masses attratives B 1, B 2 des billes b 1, b 2, le fléau suspendu au ruban a tourné sur lui-même. Sa diretion fait un angle α ave elle de la situation de départ. Exerie 5 1- En diminuant la valeur des masses attratives, l angle de rotation du fléau diminue. 2- Plus la valeur de la masse attrative (B 1 ou B 2 ) diminue, plus l effet de la gravitation diminue. 3- En éloignant les masses attratives B 1 et B 2 des billes b 1 et b 2, l angle de rotation du fléau diminue. 4 Cned, Physique - himie 3e

5 Séquene 1 4- Plus la distane entre les deux masses en interation augmente, plus l effet de la gravitation diminue. Exerie 6 1- La balane de Cavendish est-elle un exemple d ation attrative? 2- La balane de Cavendish est le siège d une ation attrative ; est-elle appelée la préipitation? 3- L interation qui s exere entre deux orps qui ont une masse se nomme-t-elle la gravitation? 4- Pour que la gravitation s établisse, est-e que les deux orps doivent avoir une masse? 5- Peut-on dire que le vide interplanétaire subit une ation attrative du Soleil? 6- Notre Galaxie est-elle omposée du Soleil et de huit planètes? Oui Non 7- La Lune est-elle en interation ave la Terre? 8- La gravitation est-elle une ation attrative à distane? 9- Peut-on dire que la gravitation ne dépend pas de la distane entre les objets en interation qui ont une masse? 10- Peut-on dire que si la Terre exere une ation à distane sur la Station Spatiale Internationale (ISS), alors l ISS n exere pas d ation sur la Terre? 11- Est-e que est la masse attrative qui impose à l objet de plus petite masse un mouvement de révolution dans un plan? Exerie 7 1- Le bras et la main agissent omme une masse attrative don omme le Soleil, et la pierre joue le rôle d une planète en révolution autour du Soleil. La trajetoire de la pierre se rapprohe de elles des planètes autour du Soleil, pratiquement irulaire. 2- Quand le manipulateur lâhe un laet, la pierre ne subit plus l ation de la main par l intermédiaire du laet, la pierre esse de tourner, son mouvement se poursuit en ligne droite au moment du lâher. Cned, Physique - himie 3e 5

6 Séquene 1 3- La main n exere pas d ation à distane sur la pierre alors que le Soleil exere une ation à distane sur la planète. Après avoir lâhé le laet, la pierre subit alors l attration terrestre ; de e fait son mouvement ne se poursuit plus en ligne droite. La figure 8 du ours présente une situation omparable ; elle onerne le mouvement de la Lune ave ou «sans» la Terre. Exerie 8 1- La Terre a un mouvement de rotation autour d un axe qui définit l axe pôle nord-pôle sud. Elle fait un tour omplet sur elle-même en environ 24 h. Ce mouvement est appelé mouvement diurne. 2- Pour rester géostationnaire, la trajetoire du satellite doit être irulaire. 3- Le satellite parourt sa trajetoire, omme la Terre, en 24 h ; ainsi vu de la Terre, il paraît immobile. 4- Le satellite géostationnaire est attiré par la Terre (masse attrative). Dans sa révolution autour de la Terre, il est attiré à haque instant par la Terre, d où le mouvement de révolution (même effet qu ave la Lune). Exerie 9 1- C est l ation attrative de la Lune sur les masses d eau des oéans qui est la ause des marées. 2- Les grandes marées ont lieu lorsque la Lune et le Soleil onjuguent leurs effets attratifs, aux moments de la pleine lune et de la nouvelle lune. Le Soleil, la Lune et la Terre appartiennent alors au même plan. 3- Les mots qui s appliquent à la gravitation sont : ation attrative et ation à distane. La gravitation est une ation attrative à distane. Elle agit aussi sur l eau. L eau des oéans, «plaquée» à la surfae de la Terre, est un des effets de la gravitation. 4- Les ressoures naturelles sont onstituées en majorité d énergies fossiles. Cette usine de prodution d életriité n utilise pas e type d énergie. Elle préserve don les ressoures naturelles de la Terre. 5- Cet aménagement est artifiiel et entièrement orhestré par l Homme. La faune et la flore subissent de plein fouet de tels aménagements du fait d une modifiation de l éosystème. 6- À l adresse i-dessous, tu trouveras une photo et des informations onernant l usine marémotrie de la Rane : Séane 3 Exerie La masse d un objet dépend de la quantité de matière. 2- Un même objet posé sur la Terre puis sur la Lune aura la même masse, ar la masse d un objet est indépendante de l endroit où il se trouve (Le nombre d atomes n a pas hangé). 6 Cned, Physique - himie 3e

7 Séquene 1 Exerie Le poids maximal pouvant être mesuré par e dynamomètre est de 5 N. 2- L intervalle de graduation orrespond à un poids de 0,1 N. 3- Le résultat de ette mesure est : P = 2,2 N. Exerie Dans es deux expérienes, la masse attrative prinipale est la Terre. 2- La surfae libre d un liquide au repos est une surfae plane et horizontale. 3- L équerre montre que la diretion du fil est perpendiulaire à la surfae horizontale. Cette diretion fixe la vertiale. Le fil se tend suivant une diretion vertiale. Exerie L unité de masse du système international est-il le gramme? 2- L unité de poids est-il le newton? 3- Le symbole du newton est-il n? 4- L ation du poids d un objet s exere-t-elle selon la vertiale du lieu? 5- Peut-on dire que la masse se mesure ave une balane et s exprime en newton? 6- Est-e qu on peut affirmer que la masse est liée à la quantité de matière et ne dépend pas du lieu où elle se trouve? 7- Peut-on dire que le poids se mesure ave un dynamomètre et s exprime en newton (N)? 8- Peut-on dire que le poids d un objet est dû à la gravitation est-àdire à l attration exerée par la Terre sur et objet, et qu il dépend des valeurs des masses présentes et aussi de la distane qui les sépare? 9- Peut-on affirmer que la masse d un objet ne dépend pas de son nombre d atomes? 10- Le poids d un objet est-il l ation à distane exerée par la Terre sur et objet? Oui Non 11- Est-e que le mouvement de hute est la seule manifestation du poids? 12-Est-e que le poids est une ation qui s exere dans la diretion d une surfae plane et horizontale? 13- Peut-on dire que la diretion du poids est horizontale et son sens est de haut en bas? Cned, Physique - himie 3e 7

8 Séquene 1 Exerie Les pommes subissent la gravitation de fait de leur masse, est-à-dire l ation attrative de la Terre appelée poids. 2- Si la queue de la pomme ède, ela entraînera une mise en mouvement de la pomme appelée «hute libre». 3- Le poids s établit suivant une diretion vertiale et de haut en bas (sens). Voii quatre positions différentes de la pomme en hute libre au voisinage de la Terre. Observe bien les lignes pointillées ; elles fixent la diretion vertiale de haque lieu (dans le prolongement du rayon de la Terre). Les flèhes, quant à elles, fixent le sens (de haut en bas). Un déplaement vers le «bas» se définit omme un rapprohement vers le entre de la Terre (o). Un déplaement vers le «haut» se définit omme étant un éloignement du entre de la Terre (o). Exerie L instrument de mesure s appelle un dynamomètre. 2- La grandeur mesurée est le poids exprimé en newton (N). 3- P 1 = 2,5 N P 2 = 4,5 N P 3 = 2,25 N P 4 = 3,5 N 4- Pour ommener, je fixe les notations et les notions. Avant ajout de la masse m : L 1 : longueur du dynamomètre å L 2 : longueur du dynamomètre ç Après ajout de la masse m : L 1 : longueur du dynamomètre å L 2 : longueur du dynamomètre ç L étirement d un ressort orrespond à l augmentation de longueur après ajout de la masse. Il se traduit par la relation : L - L (longueur finale longueur initiale) Pour les ressorts 1 et 2, les étirements orrespondants sont : L 1 - L 1 et L 2 - L 2 Étant donné que est la même masse qui a été ajoutée à deux dynamomètres identiques, on en déduit que les étirements sont égaux soit L 1 - L 1 = L 2 - L 2 8 Cned, Physique - himie 3e

9 Séquene 1 5- Pour ommener la résolution, je fixe les notations : Avant ajout des masses : L 3 : longueur du dynamomètre é L 4 : longueur du dynamomètre è Et on a : L 4 > L 3 (d après l énoné) Après ajout des masses M 3 et M 4 L 3 : longueur du dynamomètre é L 4 : longueur du dynamomètre è Et on a : L 3 = L 4 = L (Je hoisis de noter L ette longueur ar est la même pour les deux dynamomètres). On veut omparer L 4 L 4 et L 3 L 3 D après l énoné on a : L 3 < L 4 En multipliant les deux membres de l inégalité par le nombre négatif -1 on hange le sens de l inégalité et on obtient : L 3 > L 4 En ajoutant le même nombre à haun des deux membres de l inégalité, on obtient : L L 3 > L L 4 Comme L = L 4 = L 3 on peut érire : L 3 L 3 > L 4 L 4 L étirement du dynamomètre é (L 3 L 3 ) est plus important que elui du dynamomètre è (L 4 - L 4 ) après ajout des masses M 3 et M 4. Cned, Physique - himie 3e 9

10 Séquene 1 La variation de longueur du dynamomètre é orrespondant à l ajout de la masse M 3 est don plus importante que elle du dynamomètre è orrespondant à l ajout de la masse M 4. La masse M 3 est don supérieure à elle de M 4. Séane 4 Existe-t-il une relation entre le poids et la masse? Exerie Le dynamomètre mesure le poids. 2- Conversions en kg des masses marquées. m 1 = 50 g = 0,05 kg m 2 = 100 g = 0,1 kg m 3 = 200 g = 0,2 k m 4 = 300 g = 0,3 kg m 5 = 350 g = 0,35 kg m 6 = 500 g = 0,5 kg 3- Position des points A 0 à A 6 sur le papier millimétré. P (N) 5 A 6 4 A 5 3 A 4 2 A 3 1 A 2 A 0 A 1 m (kg) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 10 Cned, Physique - himie 3e

11 Séquene 1 Exerie Les points A 0 à A 6 sont pratiquement alignés les uns par rapport aux autres. 2- Traé de la représentation graphique. P (N) 5 Évolution du poids en fontion de la masse pour plusieurs objets A 6 4 A 5 3 A 4 2 A 3 1 A 2 A 1 A 0 m (kg) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 3- La représentation graphique est une droite qui passe par l origine du repère, ela signifie que les grandeurs physiques mesurées, portées en absisse et en ordonnée sont proportionnelles. 4- Le alul du rapport P m pour haque point A 1 à A 6 donne : Masse (kg) 0 0,05 0,10 0,20 0,30 0,35 0,50 Poids (N) 0 0,5 1,00 1,95 2,90 3,40 4,90 A 0 A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 P m ,8 9,7 9,7 9,8 5- Les rapports P sont pratiquement égaux (environ 10). m Cned, Physique - himie 3e 11

12 Séquene 1 Exerie Pour mesurer un poids, utilise-t-on une balane? 2- La représentation graphique du poids P en fontion de la masse m est-elle une droite quelonque? 3- L unité de l intensité de la pesanteur est-elle le kilogramme par newton? Oui Non 4- L ériture «N/kg» se lit-elle «newton par kilogramme»? 5- La valeur approhée de l intensité de la pesanteur sur Terre est-elle 10? 6- Le rapport m P est-il appelé intensité de la pesanteur? 7- Pour différents objets P m reste-t-il onstant? 8- Deux grandeurs physiques proportionnelles admettentelles pour représentation graphique une droite passant par l origine des axes? 9- Pour un objet donné, la relation liant son poids P, sa masse m, et l intensité de la pesanteur g est-elle : m = P x g? 10- Dans la relation P = m x g, m est-elle en gramme (g)? Exerie 19 Pour la résolution, il faut utiliser la relation P = m x g ou sous la forme m = P/g. Bien onvertir les masses en kilogramme. poids masse Intensité de la pesanteur N (N/kg) ou kg Est-e sur Terre? N 47 : 10 soit 4,7 kg 10 oui 750 N 75 kg 750 : 75 = 10 oui 25 x 10 soit 250 N 55 x 10 soit 550 N 55 x 1,6 soit 88 N Exerie 20 Cned, Physique - himie 3e 25 x 10 3 g 10 oui 55 kg 10 oui 55 kg 1,6 Non, est la Lune 1- Seul le traé n 3 remplit les deux onditions d une représentation graphique de la proportionnalité : être une droite passer par l origine des axes Le traé n 1 est une droite, mais qui ne passe pas par l origine des axes. Le traé n 2 est un simple traé (absene de droite). Le traé n 4 est une droite, mais qui ne passe pas par l origine des axes.

13 Séquene 1 2- La orretion est donnée par le point A. Le poids orrespondant à une masse de 15 kg vaut 150 N. 3- La orretion est donnée par le point B (ourbe i-dessus). La masse orrespondant à un poids de 300 N vaut 30 kg. 4- La valeur obtenue (300 N au point B) est le double de elle d une masse de 15 kg (point A). En doublant la masse, on double aussi le poids. Il s agit là aussi d un effet de la proportionnalité entre le poids et la masse. En doublant une grandeur, on double l autre aussi! 5- D après le ours : Exerie g est appelé «intensité de la pesanteur». 2- P pôle Sud = m g pôle Sud ave g = 9,83 N/kg au pôle Sud. P = 1 9,83 = 9,83 N Le poids d un objet de 1 kg situé au pôle Sud vaut P = 9,83 N Cned, Physique - himie 3e 13

14 Séquene 1 3- Non, ar la valeur de g n est pas la même. D après P = m g lieu, le poids d un objet est différent s il se trouve à Paris ou à l équateur. 4- P Paris = m g Paris = 1 9,81 = 9,81 N Le poids d un objet de 1 kg situé à Paris vaut P Paris = 9,81 N P équateur = m g équateur = 1 9,78 = 9,78 N Le poids d un objet de 1 kg situé à l équateur vaut P équateur = 9,78 N 5- Un objet exere une ation attrative, à distane, sur un autre objet du fait de leurs masses et réiproquement : les deux objets sont en interation, est la gravitation. La pesanteur dépend de la distane entre les deux objets en interation. L effet attratif diminue à mesure que les objets s éloignent. Sur Terre, le rayon à l équateur est plus grand que elui aux pôles. L intensité de la pesanteur est don plus faible au niveau de l équateur vu que les deux masses en interation sont plus éloignées qu au niveau des pôles. L intensité de la pesanteur «g» est don plus faible à mesure que l on se rapprohe de l équateur. E N O ON < OE Exerie Le poids est l ation attrative exerée par une planète sur un objet situé à son voisinage. 2- P = m g ave P en newton (N) m en kilogramme (kg) g (intensité de la pesanteur) en newton par kilogramme (N/kg) 3- La relation P = m g doit être appliquée ave le «g» orrespondant à elui de la planète. P Terre = m g Terre = 50 9,8 = 490 N P Mars = m g Mars = 50 3,7 = 185 N P Jupiter = m g Jupiter = 50 24,8 = N 4- P Saturne = m g Saturne don m = P Saturne / g Saturne m = ,4 = 48 La masse d un objet dont le poids est de 500 N sur Saturne vaut 48 kg. 5- P Vénus = m g Vénus don g Vénus = P Vénus / m g Vénus = = 8,8 La valeur de «g» sur la planète Vénus est 8,8 N/kg 14 Cned, Physique - himie 3e

15 Séquene 2 SÉQUENCE 2 Séane 1 Exerie 1 1- C est la gravitation qui est à l origine de la hute de l eau sur les pales du moulin. 2- C est la hauteur de la hute (distane bouteille / moulin) qui a hangé entre les deux photos. Elle est plus importante sur la photo de la figure Les pales du moulin tournent plus vite sur la figure 2 que sur la figure a) La vitesse de l eau au ontat du moulin est plus importante sur la photo de la figure 2 que sur la photo de la figure 1. b) La vitesse de l eau augmente au ours de sa hute. 5- Plus la hauteur de hute est importante, plus la distane parourue augmente, et plus la vitesse de l eau au niveau des pales augmente. L énergie inétique augmente don ave la vitesse de l eau laquelle dépend de la hauteur de hute. Exerie 2 1- La différene d altitude entre la surfae libre de l eau du la de retenue et la turbine est de 150 m. 2- L eau du la s éoule dans la onduite forée inlinée ar elle subit la gravitation. 3- C est l énergie inétique, issue du mouvement de l eau, qui est à l origine du mouvement de rotation de la turbine. 4- L autre forme d énergie qui apparaît au niveau du la de retenue est l énergie de position, elle est notée E p. 5- Si la différene d altitude était de 200 m, la turbine tournerait plus vite. L énergie inétique E de l eau arrivant à son ontat serait plus importante du fait d une hauteur de hute plus grande. 6- C est une énergie de position ar elle dépend de la hauteur de la masse d eau du la par rapport à la turbine qui va reevoir l eau en mouvement. Plus la hauteur d eau est importante plus son énergie de position E p est grande. Cned, Physique - himie 3e 15

16 Séquene 2 Exerie 3 1- Un objet en mouvement possède-t-il de l énergie inétique? 2- L énergie inétique est-elle différente de l énergie de mouvement? 3- Est-e que est le poids d un objet qui est responsable de son mouvement de hute? 4- Peut-on dire que plus la masse d un objet est importante plus son énergie inétique augmente en as de hute? Oui Non 5- L énergie de mouvement se note-t-elle E m? 6- L énergie inétique augmente-t-elle au ours d une hute? 7- L énergie de position se note-t-elle E p? 8- L énergie de position dépend-elle de la vitesse? 9- L énergie de position augmente-t-elle ave la hauteur de hute? 10- Un objet posé sur le sol possède-t-il de l énergie de position? 11- Lorsqu une goutte de pluie tombe, est-e que sa vitesse augmente et son altitude diminue? 12- Lorsqu une goutte de pluie tombe, est-e que son énergie de position E p augmente et son énergie inétique E diminue? Exerie 4 Pour ette orretion, il est utile d avoir sous les yeux, l illustration de la partie B du ours. 1- C est une ation attrative à distane que produit la Terre sur l eau d un barrage. Il s agit de la gravitation, elle maintient les masses d eau plaquées à la surfae de la Terre. 2- C est l énergie de position E p qui varie à mesure que le niveau de l eau du la augmente. L énergie de position E p augmente ar la hauteur augmente. 3- C est de l énergie inétique E qui a été transmise à la turbine par l eau au moment de son ontat. 4- Pour produire plus d énergie au niveau de la turbine, la vitesse de l eau doit augmenter au niveau du ontat eau - turbine. 5- Pour obtenir une vitesse de l eau plus importante au niveau de la turbine, il faut augmenter la hauteur de la hute d eau (ou de la onduite forée). 6- Pour améliorer les performanes d un barrage hydraulique, il suffit d augmenter la hauteur de la hute d eau. C est en onstruisant des barrages dans des environnements en altitude (montagnes), que l on parvient à atteindre d importantes dénivellations (différene d altitude entre le la et la turbine). 16 Cned, Physique - himie 3e

17 Séquene 2 7- Un barrage est un édifie qui stoke de l énergie de position E p par l intermédiaire de la masse d eau retenue en altitude. Au ours de sa hute dans la onduite forée, l eau aquiert de la vitesse, e qui ontribue à élever son énergie inétique E. Cette énergie inétique est alors transférée à la turbine, ouplée à un alternateur, pour produire de l énergie életrique. Dans un barrage, plus la hauteur de hute est élevée, plus l énergie de position E p est importante, plus la vitesse de l eau augmente au ontat de la turbine, plus l énergie inétique E augmente aussi. Cela peut se résumer shématiquement par les évolutions suivantes : Séane 2 Exerie 5 1- L expression mathématique de l énergie inétique ave les unités est : 2- Un objet peut posséder de l énergie inétique à la ondition d être en mouvement. 3- D après l expression mathématique de l énergie inétique, les énergies inétiques des deux véhiules sont : véhiule 1, de masse m 1 E 1 = 20 3,6 m 1 v2 véhiule 2, de masse m 2 E 2 = 20 3,6 m 2 v2 or E 1 = E 2 Soit 20 3,6 m 1 v2 = 20 3,6 m 2 v2, puis on simplifie à droite et à gauhe de l égalité par 20 3,6 v2. Cned, Physique - himie 3e 17

18 Séquene 2 D où m 1 = m 2 Deux véhiules roulant à la même vitesse v auront la même énergie inétique (E 1 = E 2 ) s ils ont la même masse (m 1 = m 2 ). 4- D après l expression mathématique de l énergie inétique et m 2 = 2 m 1 E 1 = E 2 = 20 3,6 m 1 v2 20 3,6 m 2 v2 = 20 3,6 (2 m ) 1 v2 = 2 ( 20 3,6 m 1 v2 ) = 2 E 1 En doublant la masse, on double la valeur de l énergie inétique. Exerie 6 Voii les onstrutions graphiques aompagnant la orretion pour haque question. Énergie inétique (kj) 900 Véhiule de 2400 kg C + A D B Véhiule de 1000 kg + + Vitesse (km/h) Évolution de l énergie inétique en fontion de la vitesse pour deux véhiules de masse 2400 kg et 1000 kg. 18 Cned, Physique - himie 3e

19 Séquene 2 1- Les vitesses lues sur le graphique sont : å v = 30 km /h ç v = 50 km /h é v = 90 km /h è v = 110 km /h ê v = 130 km /h 2- Pour un véhiule de masse kg (traé rouge) : roulant à la vitesse de 50 km/h, l énergie inétique vaut E 1 = 95 kj (Traé du point A ave les flèhes vertes) roulant à la vitesse de 100 km/h, l énergie inétique vaut E 2 = 385 kj (Traé du point B). 3- Pour le véhiule de masse kg (traé rouge) : On onstate que 2 x E 1 = 190 kj, est une valeur très inférieure à E 2 = 385 kj En doublant la vitesse, l énergie inétique E n est pas doublée mais elle est, d après e graphique, pratiquement multipliée par 4! 4- Sur le graphique, l énergie inétique s exprime en kilojoule de symbole kj. 5-1 kj = J = 10 3 J 1 MJ = J = 10 6 J 6- Pour le véhiule de masse kg roulant à la vitesse de 50 km/h, son énergie inétique vaut : E = 230 kj (Traé du point C ave les doubles flèhes) 7- Pour atteindre l énergie inétique obtenue à la question préédente (E = 230 kj), pour le véhiule de masse kg, il suffit de suivre la onstrution graphique ave les doubles flèhes et les triples flèhes. L absisse du point D fournit la valeur de la vitesse ( v = 77,5 km/h). Résumons : Pour le véhiule de masse kg, si v 2400 kg = 50 km/h alors E = 230 kj ; on a ette énergie inétique pour le véhiule de kg lorsque sa vitesse est : v 1000 kg = 77,5 km/h. On onstate que la vitesse et la masse ont une influene signifiative sur l énergie inétique. Cned, Physique - himie 3e 19

20 Séquene 2 Exerie 7 1- L énergie inétique est-elle proportionnelle à la masse? Oui 2- E est-il le symbole de l énergie inématique? 3- Un objet au repos possède-t-il de l énergie inétique? 4- L énergie inétique d un objet s obtient-elle par les produits d un demi, par la masse, et par le arré de la vitesse? 5- Dans l expression mathématique de l énergie inétique, la vitesse s exprime-t-elle en km/h? 6- Dans l expression mathématique de l énergie inétique, la masse s exprime-t-elle en gramme? 7- En doublant la vitesse, est-e qu on quadruple l énergie inétique d un objet en mouvement? 8- L unité de l énergie inétique est-elle le joule? 9- Le symbole du joule est-il j? 10- Est-e que J = 1 mj? L énergie inétique est-elle donnée par E = 2 m 2 v? 12- Un objet de 1 kg se déplaçant à la vitesse de 1 m/s possède-t-il une énergie de 0,5 joule? Pour la question 7, tu peux revoir l exerie 6 question 3. Non Pour la question 12 : on a E = 1 2 x 1 x 1 soit 0,5 J. Exerie 8 1- L expression mathématique de l énergie inétique E d un véhiule en mouvement en fontion de sa masse m, de sa vitesse v est : 20 Cned, Physique - himie 3e

21 Séquene 2 2- Conversion de 50 km/h en m/s suivant la méthode proposée. 1 m 3- E = m 2v 2 v 2. Il faut exprimer les grandeurs physiques dans les bonnes unités. m = 1 t = kg 1 m 50 km/h = 2m/s (Question 2) 2 v 1 m 1 m D où E = 2 2 m v v2 = 2 v = J ou 96,451 kj 3,6 Exerie 9 1- v = 20 3,6 5,56 m/s 2- L expression mathématique de l énergie inétique donne : 1 m E = m 2v 2 v 2 La masse en mouvement orrespond à elle du vélo et de l élève : m = m élève + m vélo = = 70 kg 1 m 1 m E = 2 2 m v v2 = 2 v J soit environ 1 kj 3,6 Cned, Physique - himie 3e 21

22 Séquene 2 Séane 3 Exerie L expression «sans vitesse initiale» signifie que la bille est lâhée sans être lanée. Sa vitesse au moment du lâher est don nulle (v = 0 m/s). L expression «intervalles de temps réguliers» signifie que la durée séparant deux images onséutives de la bille est identique. 2- Les mesures des longueurs L 1-2 à L 8-9 (en m) donnent : L 1-2 L 2-3 L 3-4 L 4-5 L 5-6 L 6-7 L 7-8 L ,1 1,4 1,7 1,9 2,2 2,4 2,8 3- La distane parourue par la bille pendant deux intervalles de temps suessifs, augmente à mesure qu elle se rapprohe du sol. 4- La vitesse de la bille augmente à mesure qu elle se rapprohe du sol ar pour une même durée entre deux positions onséutives, la distane parourue devient de plus en plus grande. 5- C est la position n 9 qui orrespond à une énergie inétique la plus grande ar la vitesse de la bille est alors la plus élevée. 6- C est la position n 1 qui orrespond à une énergie inétique la plus petite ar la vitesse de la bille est alors la plus faible ; elle est même nulle ar la vitesse initiale est nulle (v = 0 m/s). 7- C est la position n 1 qui orrespond à une énergie de position la plus grande ar la position de la bille est la plus haute. 8- C est la position n 9 qui orrespond à une énergie de position la plus petite ar la bille est située à sa hauteur la plus faible (au sol). 9- Quand l énergie de position est maximale, l énergie inétique est alors minimale (ou nulle si v = 0 m/s). La bille est alors plaée à une altitude la plus élevée. Quand l énergie inétique est maximale, l énergie de position est alors minimale. La bille atteint sa vitesse la plus grande. Exerie 11 E p 1 1- Ep = m g h d où m = = g h 9,81 1 = 0,102 kg (environ 100 g) 2- a) v = (2 g h ) = (2 9,81 1) = 4,43 m/s b) Pour obtenir la vitesse en km/h, il faut multiplier la vitesse en m/s par 3,6. soit v = 4,43 x 3,6 = 15,95 km /h (environ 16 km/h). 1 m 3- E = m 2v² = 0,5 0,102 4,43² = 1 J 2 v 22 Cned, Physique - himie 3e

23 Séquene On retrouve l idée déjà évoquée (les flèhes oranges indiquent les évolutions des énergies) : Quand l énergie de position est maximale, l énergie inétique est alors minimale (ou nulle si v = 0 m/s). La bille est alors plaée à l altitude la plus élevée. Quand l énergie inétique est maximale, l énergie de position est alors minimale. La bille atteint sa vitesse la plus grande. 6- Ep = m x g x h = 0,102 x 9,81 x 0,5 = 0,5 J où v = 2 g h = 2 9,81 0,5 = 3,13 m/s 7-1 m d où E = m 2v² = 0,5 0,102 9,81 = 0,5 J 2 v E p E E p + E Bille en haut 1 J 0 J 1 J au milieu 0,5 J 0,5 J 1 J en bas 0 J 1 J 1 J 8- Conernant Ep + E : La somme Ep + E reste onstante et égale à 1 J quelle que soit la position de la bille au ours de sa hute. Ep étant en joule, E aussi (on ne peut additionner que des valeurs de grandeurs physiques identiques), le résultat est don aussi en joule. Ep + E est en joule. Le titre fournit l expression «énergie méanique». La somme Ep + E onstitue l énergie méanique de la bille. 9- Définition d une énergie de 1 J : Par l énergie de position Ep : Un joule, est l énergie de position que possède une bille dont la masse vaut 100 g environ, plaée à une hauteur d un mètre. Par l énergie inétique E : Un joule, est l énergie inétique que possède une bille de masse 100 g environ hutant d une hauteur d un mètre. Cned, Physique - himie 3e 23

24 Séquene 2 Exerie Dans le as d une hute, l énergie inétique est-elle peu à peu onvertie en énergie de position? 2- Peut-on dire que l énergie de position (E p ) est liée à la hauteur et que l énergie inétique (E ) est liée au mouvement d un objet? 3- Peut-on dire que sans mouvement, un objet en hauteur ne possède pas d énergie? 4- Peut-on dire que la nouvelle énergie renontrée (notée E m ) est l énergie magnétique? 5- Au ours de la hute d un objet, la somme E p + E reste-t-elle onstante? 6- L énergie méanique se onserve-t-elle au ours d une hute? 7- L unité légale de l énergie méanique est-elle le kilojoule? 8- Est-il vrai qu au ours de la hute d un objet, l énergie de position augmente, l énergie inétique diminue et l énergie méanique reste onstante? 9- Un joule, est-e que est l énergie inétique que possède une bille de 100 g environ plaée à une hauteur d un mètre? 10- Un joule, est-e que est l énergie de position que possède une bille de 100 g environ, plaée à une hauteur d un mètre? Oui Non Exerie L eau d un la en milieu montagneux possède une énergie de position. 2- Pendant son éoulement, l eau aquiert de l énergie inétique. 3- Cette énergie inétique provient du mouvement de l eau, de son éoulement. 4- Pendant son éoulement, l énergie méanique de l eau se onserve. 5- Lorsque l eau atteint les pales du moulin, les formes d énergies présentes sont : L énergie inétique, dont une partie est transférée aux pales du moulin pour le faire tourner, L énergie de position, toujours présente, mais moindre, ar nous sommes en milieu montagneux et non au niveau de la mer où l altitude est nulle. 6- La position optimum est elle pour laquelle le moulin tourne le plus vite. Entre les deux positions, il y a 15 mètres de dénivellation ; la vitesse de l éoulement y augmente. Au moment de la dénivellation, l énergie de position de l eau diminue peu à peu et son énergie inétique augmente. La vitesse de l éoulement est don plus importante en aval qu en amont ; le transfert d énergie inétique est don plus important en aval. 24 Cned, Physique - himie 3e

25 Séquene 2 Exerie Au moment du renvoi, la balle possède une énergie inétique ar elle est mise en mouvement à la vitesse de 51 m/s. 2- La valeur initiale de ette énergie est obtenue par l expression mathématique de l énergie inétique : 1 m E = m 2v 2 v 2 ave E en joule (J), m en kilogramme (kg), v en mètre par seonde (m/s) 1 m E = v = 71,5 J 3- Pendant la montée, est l énergie inétique qui se onvertit peu à peu en énergie de position. Pendant la desente, est l énergie de position qui se onvertit peu à peu en énergie inétique. 4- Au ours de son mouvement, l énergie méanique de la balle reste onstante. Séane 4 Exerie L élément qui est à l origine de l énergie inétique d un véhiule est le moteur. 2- L élément de la roue qui intervient au niveau de la onversion de l énergie est le disque de frein. 3- L énergie qui se manifeste par la haleur se nomme l énergie thermique. 4- C est par l intermédiaire du disque de frein que l énergie inétique de la voiture est transformée en énergie thermique. 5- Quand l intégralité de son énergie inétique aura été transférée aux disques de freins, la vitesse de la «formule 1» sera alors nulle. Or E = 1 2 m v d où E = 0 J 2 Exerie Un rash-test onsiste à étudier les effets subis par un véhiule projeté ontre un mur. L analyse des enregistrements permet d améliorer prinipalement la séurité des personnes. 2- Dans le texte, est la vitesse qui varie entre deux rash-tests. 3- Juste avant son ho ontre le mur, le véhiule possède une énergie inétique (maximale). 4- L énergie inétique passe d une valeur maximale à une valeur minimale (0 J) ar la vitesse est alors nulle. 5- Le transfert d énergie inétique se manifeste par la déformation des éléments de la arrosserie, du moteur, et. C est la transformation de l énergie inétique qui est à l origine des déformations. 6- Plus la vitesse du véhiule est grande, plus son énergie inétique augmente et plus le transfert d énergie intervenant dans les déformations du véhiule est important. 7- Cas du véhiule solide et lourd : 1 m D après E = m 2v², plus la masse est élevée, plus il y a d énergie inétique. 2 v De plus, un matériau solide dissipe peu l énergie inétique à transférer pendant le ho. Le orps humain reçoit alors plus d énergie à dissiper. Cas du véhiule moins dense : L idée est de transférer au maximum, l énergie inétique dans les éléments de la arrosserie, de l habitale, pour que le orps humain en reçoive le moins. Cned, Physique - himie 3e 25

26 Séquene 2 Ce transfert d énergie s aompagne néessairement de déformations importantes du véhiule. En as de ho brutal, pour préserver la vie du onduteur et de ses passagers, il vaut don mieux rouler dans un véhiule présentant des matériaux moins denses ar ils absorbent plus failement l énergie au moment du ho. On peut aussi limiter sa vitesse, e qui baisse onsidérablement la valeur de l énergie inétique (en v² dans la relation de l énergie inétique). Exerie 17 Oui Non 1- Le freinage onvertit-il une grande partie de l énergie inétique en énergie thermique? 2- La valeur de l énergie inétique est-elle plus grande après le freinage qu avant? 3- Est-e que pendant le freinage, la température des disques diminue et la vitesse augmente? 4- L énergie thermique se manifeste-t-elle par une augmentation de la température? 5- L unité de l énergie thermique est-elle le joule? 6- Est-e que l énergie disparaît puis réapparaît? 7- Est-e que l énergie présente plusieurs formes et se transforme d une forme à l autre? 8- Le joule est-il l unité de l énergie de position, de l énergie inétique, de l énergie méanique et de l énergie thermique? 9- En as d aident d un véhiule ave ho, l énergie thermique produit-elle des déformations de la arrosserie et des autres éléments du véhiule? 10- Les rash-tests permettent-ils d améliorer la séurité des futurs véhiules? Exerie Pendant la phase de freinage du yliste A, il y a onversion d une partie de l énergie inétique en énergie thermique du fait des frottements des patins sur la jante de la roue. Pendant le ho, l énergie inétique qui n a pas été onvertie en énergie thermique, partiipe à la déformation de la roue du yliste B (roue voilée). 2- Pour vérifier que le yliste A a bien freiné, le yliste B n a qu à touher les patins et onstater la sensation de haleur. Exerie De retour sur Terre, la navette spatiale traverse les ouhes de l atmosphère qui la freinent. Ces frottements navette/atmosphère produisent un effet thermique qui orrespond à la onversion d une partie de l énergie inétique en énergie thermique. 26 Cned, Physique - himie 3e

27 Séquene 2 2- Ces frottements navette/atmosphère provoquent une élévation de la température au niveau de la surfae de la navette. Cette élévation de température doit être supportée par des matériaux résistants tels que les tuiles réfrataires. Ces tuiles résistantes à ette élévation de température forment alors un boulier thermique protégeant la navette. Exerie L expression mathématique de l énergie inétique est : 1 m E = m 2v 2 v 2 ave E en joule (J), m en kilogramme (kg), v en mètre par seonde (m/s) 1 m E = = J 2 v 3,6 2- v = 90 km/h 1 m E = = J 2 v 3,6 3- L éhauffement des disques de freins provient du transfert d énergie inétique en énergie thermique. 4- La valeur de e transfert d énergie s obtient par : E - E = = J 509 kj Cette valeur 509 kj orrespond à la quantité d énergie inétique qui a été transformée en énergie thermique au ours du freinage de la voiture. 5- La relation t f - t i = ΔE ΔE donne t f = t i Le «E» de ette formule orrespond à la partie de l énergie inétique alulée à la question 4. t f = t i + E 6900 = C Si la vitesse du véhiule passe de 130 km/h à 90 km/h, la température atteinte par les disques de freins sera de 114 C. Séane 5 Exerie La première phase d arrêt d un véhiule se nomme «phase de réation». La seonde phase d arrêt d un véhiule se nomme «phase de freinage». La relation utilisant les distanes est : D A = D R + D F 2- La phase de réation ommene lorsque le onduteur voit l obstale (le feu rouge ii) et se termine au moment où elui-i agit (pour freiner). La vitesse ne varie pas, elle reste égale à elle qu avait le véhiule au moment de la pereption de l obstale. 3- La phase de freinage ommene au moment où le onduteur appuie sur la pédale de frein et se termine au moment de l arrêt du véhiule. Pendant ette phase, la vitesse diminue jusqu à devenir nulle (arrêt du véhiule). 4- La durée de réation est estimée normalement à 1 seonde. Le tableau du doument 3 nous informe que la distane parourue (distane de réation) est alors de 20 m. 5- D = v t ave D en mètre [m], v en mètre par seonde [m/s], t en seonde [s] Cned, Physique - himie 3e 27

28 Séquene 2 6- Pour onvertir en m/s une vitesse exprimée en km/h, on utilise la relation : 1 m/s = 3,6 km/h ou 1 km/h = 1 3,6 m/s Exemple pour 20 km/h : v = 20 = 5,6 m/s. On divise par 3,6! 90 3,6 7- D = v t = 2 = 50 m. 3,6 8- S il y a proportionnalité entre es deux grandeurs, en doublant l une on devrait observer le double pour l autre grandeur, à partir de sa ourbe orrespondante. Sur la ourbe de la météo ensoleillée : si v 1 = 60 km/h alors D f1 = 20 m Doublons la vitesse : v 2 = 120 km/h alors D f2 = 90 m (lue sur la ourbe) Lorsque la vitesse double v 2 = 2 v 1 alors D f2 n est pas égale au double de D f1 (40 m), mais beauoup plus (90 m). Conlusion :. La distane de freinage et la vitesse ne se sont pas deux grandeurs proportionnelles.. La distane de freinage roit plus rapidement que la vitesse. Autre solution : Pour montrer que deux grandeurs sont proportionnelles à partir d un graphique, il faut que la représentation graphique soit une droite qui passe par l origine. Or la ourbe obtenue n est pas une droite, don les deux grandeurs ne sont pas proportionnelles. 9- Les fateurs qui influenent la distane de réation sont :. l état du onduteur (exemples : fatigue, alool, drogue, prise de médiaments). les fateurs d inattention (exemple : téléphoner en onduisant).. la vitesse Commentaires : Téléphoner en onduisant est interdit par la loi (Code de la route). Les fateurs qui influenent la distane de freinage sont :. l état de la route (exemples : pluie, neige, verglas, feuilles). l état d entretien du véhiule (exemples : pneumatiques, les freins). la tehnique de freinage (roues bloquées). la vitesse 10- Pour une voiture roulant à 120 km/h, la distane de freinage :. sur route sèhe à 120 km/h est de 90 m.. sur route mouillée à 120 km/h est de 160 m. 11- On utilise la relation D A = D R + D F en relevant D R dans le tableau du doument 3 (pour 70 km /h) et D F sur le graphique du doument 5 en hoisissant l état de la route orrespondant.. Sur route sèhe à 70 km/h : D A = D R + D F = = 50 m. Sur route mouillée à 70 km/h : D A = D R + D F = = 80 m 28 Cned, Physique - himie 3e

29 Séquene 2 Exerie L arrêt d un sooter omprend-il la phase de freinage, puis la phase de réation? 2- La durée de réation t R, est-elle la durée qui s éoule entre l instant où l obstale est perçu et l instant où le onduteur agit? Oui Non 3- La distane de réation est-elle obtenue par : D R = v t R 4- La distane de freinage D F est-elle la distane parourue entre le moment où l on perçoit l obstale et le moment où le véhiule s arrête? 5- D F dépend-elle de l énergie inétique du véhiule? 6- Peut-on dire que D F ne dépend pas de l état de la route et du véhiule (pneus, freins)? 7- La vitesse roit-elle plus rapidement que la distane de freinage D F? 8- Peut-on dire que D A = D R + D F? 9- La vitesse du véhiule augmente-t-elle pendant la phase de réation? 10- L alool, la drogue, les médiaments et l inattention augmentent-ils la durée de réation? Exerie La durée de réation est de 1 seonde. Le sooter roule à 40 km/h, la distane parourue est alors obtenue par la relation : D = v x t ave D en mètre [m], v en mètre par seonde [m/s], t en seonde [s] 40 d où D = 3,6 1 = 11,1 m 2- En étant inattentif, la durée de réation peut atteindre 4 s. Calulons la distane parourue pendant ette durée. 50 Pour une durée de 4 s : D 4s = v t = 4 = 55,6 m. 3,6 50 Comparons ave une durée de réation de 1 s : D 1s = v t = 1 = 13,9 m. 3,6 La distane parourue se trouve don multipliée par 4 dans e as d inattention, e qui justifie l interdition de téléphoner en onduisant. Exerie Le texte traite de la distane de séurité minimale entre deux véhiules. 2- Il faut au moins une durée de deux seondes entre deux véhiules qui se suivent. Il reste à aluler la distane parourue pendant ette durée (2 s) dans les deux as. D = v x t ave D en mètre [m], v en mètre par seonde [m/s], t en seonde [s] Cas 1 : la vitesse de haque véhiule est de 50 km/h 50 D 50 km/h = 3,6 x 2 28 m Cned, Physique - himie 3e 29

30 Séquene 2 Cas 2 : la vitesse de haque véhiule est de 90 km/h. 90 D 90 km/h = 3,6 2 = 50 m 3- En as de non-respet de la loi, les santions enourues sont une amende de 750 et un retrait de 3 points sur le permis de onduire. 4- Si la durée est fixée à 2 s pour une vitesse de 120 km/h, alors la distane entre les extrémités de deux traits vaut : D extrémités de deux traits = v t = 120 3,6 2 = 67 m Exerie La durée de parours s obtient par : D = v t soit t = D v ave D en mètre [m], (onversion de 45 km en m) v en mètre par seonde [m/s], (onversion km/h en m/s ) t en seonde [s] Soit t A = D v A = = s = 27 min 100 3,6 t B = D v B = = s = 30 min 90 3,6 2- Le onduteur A arrivera 3 minutes avant le onduteur B. La différene est faible vu les risques enourus. Sur une route nationale, la vitesse est limitée à 90 km/h. Le onduteur A risque : une amende, un retrait de points sur son permis de onduire de provoquer plus failement un aident pour gagner 3 minutes! 30 Cned, Physique - himie 3e

31 Séquene 3 SÉQUENCE 3 Séane 1 Exerie 1 1- La plupart des métaux n existent pas à l état pur dans la nature. On les trouve sous forme de «minerais», dans lesquels les atomes métalliques sont liés à d autres atomes (oxygène, arbone, soufre, et.). 2- De es quatre métaux (fer, uivre, zin, aluminium), le meilleur onduteur életrique est le uivre. 3- Le lassement des quatre métaux du plus lourd au plus léger est : le uivre (8,9 kg/dm 3 ), le fer (7,9 kg/dm 3 ), le zin (7,1 kg/dm 3 ), l aluminium (2,7 kg/dm 3 ). 4- L aluminium, s il est pur, est un très bon onduteur du ourant életrique et il est trois fois moins lourd que le uivre : ainsi les pylônes qui portent les âbles à haute tension n ont pas besoin d être trop rapprohés. 5- a) l oxyde de fer se nomme la rouille, b) l oxyde de uivre se nomme le vert-de-gris, ) l oxyde de zin se nomme l hydroarbonate de zin, d) l oxyde d aluminium se nomme l alumine. Exerie 2 1- La masse d un entimètre-ube : a) de fer vaut 7,9 grammes b) de uivre vaut 8,9 grammes ) de zin vaut 7,1 grammes d) d aluminium vaut 2,7 grammes 2- Sahant que la masse d un m 3 d or est de 19,3 g et que le volume du lingot est de 51,8 m 3, la masse d un lingot d or se alule par : M lingot d or = m 1m 3 d or V lingot d or = 19,3 51,8 = 999,7 g 3- Le volume d aluminium néessaire pour obtenir une masse orrespondante à elle d un lingot d or, se alule par : M Aluminium = m 1 m 3 d aluminium V aluminium = M lingot d or = 999,7 g V aluminium = m M lingot d'or 3 1m d'aluminium 999,7 = = 370,3m 3 2,7 V aluminium = 370,3 m 3 Rappelons qu un lingot a un volume de 51,8 m 3. Ce alul met bien en évidene le fait que l aluminium est un métal léger, on dit aussi «peu dense». Cned, Physique - himie 3e 31

32 Séquene 3 Exerie 3 1- L or est un métal «inoxydable», e qui signifie qu il ne subit auune ation himique de la part de l atmosphère. Il ne se reouvre don pas d une ouhe d oxyde, et est pour ela que son élat reste brillant. On dit parfois que l or est un métal «noble». 2- L or est très utilisé en bijouterie (pur ou sous forme d alliage). Il sert aussi, depuis l Antiquité, à faire des pièes de monnaie. Il est utilisé en életronique pour faire des ontats életriques de qualité supérieure (ar il ne s oxyde pas). Il est également utilisé pour reouvrir ertaines statues (la «dorure»). 3- L argent est utilisé pour faire des bijoux, des pièes et des médailles. Autrefois, des dérivés de l argent étaient était très utilisés en photographie, pour faire les tirages sur papier en noir et blan. Exerie 4 Oui Non 1- Parmi les quatre métaux suivants : fer, aluminium, zin et uivre, est-e que seul le fer est attiré par un aimant? 2- Le uivre non oxydé est-il de ouleur rouge orangé? 3- À volume identique entre le fer, le uivre, et l aluminium, est-e que est l aluminium qui est le métal le plus lourd? 4- L aluminium est-il protégé par son oxyde? 5- La rouille, prinipal onstituant de l oxyde de fer, a- t-il un effet proteteur sur le fer? Exerie 5 Pour 18 arats, la formule m or = n 24 M devient alors : m or = x M Masse d or du braelet : m or = M = x 40 = 30 g. Masse de uivre du braelet : m uivre = M - m or = = 10 g. 32 Cned, Physique - himie 3e

33 Séquene 3 Séane 2 Exerie 6 Voii le shéma du montage très simple, utilisé en lasse de inquième, permettant de savoir si une matière (représentée ii sous la forme d une vis) est un onduteur ou un isolant : Fig. 1 Exerie 7 1- L intensité életrique se mesure ave un ampèremètre. 2- Un ampèremètre se branhe toujours en série, au point où l on désire mesurer l intensité. 3- Voii le shéma du iruit életrique de test onduteur/isolant, inluant un ampèremètre : Fig. 2 Cned, Physique - himie 3e 33

34 Séquene 3 Exerie 8 1- Non, tous les solides ne sont pas onduteurs : le liège, le sure, le sel, et le sulfate de uivre, par exemple, ne le sont pas. 2- Oui, tous les métaux, en tout as tous eux ités dans le tableau, sont onduteurs. (Et effetivement, tous les métaux, même eux qui ne sont pas dans le tableau, sont onduteurs). 3- Oui, il existe des solides non métalliques qui sont onduteurs : par exemple, le arbone dans sa forme graphite (mine de rayon à papier, ou de ritérium). Exerie 9 1- Pour étudier le aratère onduteur d un solide, elui-i doit-il être plaé en dérivation sur la lampe? Non, elui-i doit être plaé en série ave la lampe et les autres éléments du montage. 2- Tous les solides onduisent-ils le ourant életrique? Il y a des solides qui ne onduisent pas le ourant életrique (ex. le bois) Oui Non 3- Tous les métaux onduisent-ils le ourant életrique? 4- Les métaux sont-ils plus ou moins onduteurs du ourant életrique? Tous les métaux ne onduisent pas le ourant életrique de la même façon (ex. l argent et le plomb). 5- Le arbone dans sa forme graphite est-il un onduteur életrique? 6- Un bouhon en liège est-il un onduteur életrique? Exerie La DEL est aussi un déteteur de ourant, elle présente l avantage d être un déteteur plus sensible aux faibles ourants. 2- Deux préautions sont à prendre pour shématiser e montage : 1- Branher la DEL dans le sens passant (elui du sens onventionnel). 2- L interrupteur doit être en position fermé. 34 Cned, Physique - himie 3e

35 Séquene 3 3- D après la partie du ours «Résultats des tests onduteur/isolant sur différents solides», on peut prévoir le omportement de la DEL. Brille État de la DEL Ne brille pas Métal Sure Carbone (graphite) Sulfate de uivre Liège Séane 3 Exerie 11 On ommene par mesurer la distane d entre les entres de deux atomes de uivre voisins. On mesure sur le doument 1,95 m. L éhelle indique que 0,2 nm est représenté par un segment de 1,5 m. On fait un tableau de proportionnalité : Distane en m 1,5 1,95 Distane en nm 0,2 d 0, 2x195, 1,5 d = 0,2 x 1,95 d où d= = 0, 26 15, Cette distane d = 0,26 nm représente deux fois le rayon d un atome de uivre. D où le rayon d un atome de uivre : 0,13 nm. Exerie 12 Puisque haque életron a une harge életrique égale à 1, la harge des 13 életrons vaut 13. Or un atome est életriquement neutre : la harge du noyau vaut don néessairement Cned, Physique - himie 3e 35

36 Séquene 3 Exerie Tous les métaux à l état solide sont-ils onstitués d un empilement ordonné d atomes? Oui Non 2- Le diamètre d un atome s exprime-t-il en millimètre? 3- Dans un mètre, y a-t-il un milliard (10 9 ) de nanomètres? 4- est-e que 1 nm = 10-9 m? 5- Est-e qu un atome ne ontient qu un noyau? 6- Le noyau est-il fois plus petit que l atome? 7- L atome de fer et l atome d aluminium diffèrent-ils uniquement par leurs nombres d életrons? 8- Le noyau est-il de harge életrique positive et les életrons de harge életrique négative? 9- En iruit fermé, est-e que est le déplaement des atomes qui est responsable du ourant életrique dans un métal soumis à un générateur? 10- Le déplaement des életrons est-il opposé au sens onventionnel du ourant életrique? Exerie La liste simplifiée des dipôles présents dans une lampe de pohe est la suivante : une lampe, une pile*, un interrupteur à basule, 3 fils de onnexion. Remarque : la lampe omporte deux éléments permettant les onnexions entre les différents dipôles. 2- Les dipôles sont montés en série (une seule boule). 3- La lampe étant en fontionnement, l interrupteur à basule est en position «fermé». 4- La orretion apparaît sur le shéma par la flèhe noire. 5- La orretion apparaît sur le shéma par la flèhe rouge. 6- Les deux flèhes ont des sens opposés, ela signifie que le sens onventionnel du ourant est opposé à elui du déplaement des életrons au sein d un onduteur métallique. 7- Dans les parties métalliques d un iruit fermé, le ourant életrique est dû à un déplaement des életrons libres, imposé par le générateur (ou la pile dans le as de et exerie). * Dans ertaines lampes de pohe, il peut y avoir plusieurs piles. 36 Cned, Physique - himie 3e

37 Séquene 3 Séane 4 Exerie Dans ette expériene, on sait que des partiules (invisibles) traversent l ampoule pare que le tourniquet se met à tourner. 2- Ces partiules proviennent de la plaque métallique retangulaire P reliée à la borne négative du générateur. 3- On sait que la harge életrique de es partiules est négative, ar elles sont attirées par la tige Ti qui est reliée à la borne positive du générateur. 4- Pour que l expériene réussise : il est néessaire de faire le vide dans l ampoule. Les életrons émis par la plaque P ne peuvent parvenir à la tige métallique hargée positivement, que si elles ne sont pas arrêtées par les moléules qui omposent l air. Exerie Dans l expériene de Rutherford, les partiules projetées sur la feuille d or se nomment «partiules alpha». Elles sont minusules, et leur harge életrique est positive. 2- L épaisseur de la feuille d or est de moins de 1 miromètre. Cela représente quelques milliers d atomes d or à traverser pour les partiules α. 3- La plupart des partiules alpha traversent la feuille d or sans être déviées. Quelques-unes ependant, très peu nombreuses, sont déviées et peuvent même revenir en arrière. C est ainsi que Rutherford a ompris qu au entre des atomes d or se trouve un noyau très petit. 4- La meilleure omparaison est elle de l ouvrier qui projette du sable sur un grillage à larges mailles : la plupart des grains traversent le grillage, seuls quelques-uns (eux qui heurtent les mailles) sont renvoyés en arrière. Exerie Le Soleil est très petit par rapport au système solaire lui-même. De la même façon le noyau est très petit par rapport à l atome lui-même. Voilà un point ommun entre le modèle planétaire de l atome et le système solaire. 2- Voii deux différenes entre le modèle planétaire de l atome et le système solaire réel : a) les planètes du système solaire tournent «à plat» dans un même plan appelé «plan de l éliptique», tandis que les életrons tournent «en volume» autour du noyau (e qui explique pourquoi les atomes ont une forme sphérique). b) le noyau et les életrons sont hargés életriquement : e n est pas le as du Soleil et des planètes. Cned, Physique - himie 3e 37

38 Séquene 4 SÉQUENCE 4 Séane 1 Exerie 1 1- Pour omparer la onentration de es quatre solutions aqueuses, il faut les ramener à un même volume d eau : - A ontient 10 grammes de sel pour 250 ml d eau, soit 40 grammes pour 1 L d eau, - B ontient 20 grammes de sel pour 1 L d eau, - C ontient 30 grammes de sel pour 1 L d eau, - D ontient 40 grammes de sel pour 0,5 L d eau, soit 80 grammes de sel pour 1 L. Le lassement des solutions de la plus onentrée à la moins onentrée est don : D, A, C, B. Exerie 2 Valeurs de la salinité : - Mer Méditerranée : 38 g/l - Manhe : 35 g/l - Oéan Atlantique : 35,5 g/l - Mer Morte : 275 g/l. (Valeurs moyennes en surfae). Exerie 3 Par définition, un liquide noif est : - dangereux par inhalation ; par onséquent, il ne faut pas le respirer, et pour ela il faut le manipuler dans un endroit bien ventilé (soit dehors, soit dans une pièe aérée), - dangereux par ingestion ; par onséquent il ne faut pas l avaler ; ela peut arriver si on en a sur les mains et que l on touhe des aliments ; il faut don porter des gants pour le manipuler et, par séurité, se laver soigneusement les mains après usage, - dangereux par pénétration utanée ; par onséquent il ne faut pas en avoir sur la peau ; les gants protègent les mains ; par ailleurs il faut porter des lunettes de protetion et des vêtements ouvrants. Exerie 4 1- L étiquette d un flaon d aide hlorhydrique onentré porte le pitogramme «orrosif». 2- Pour manipuler un tel aide, il faut porter : - des lunettes, - des gants, - des vêtements appropriés (ouvrants, et ne raignant rien). 3- En as de ontat ave les yeux ou ave la peau, il faut laver immédiatement et abondamment ave de l eau (pendant au moins 10 minutes), et onsulter un spéialiste. 38 Cned, Physique - himie 3e

39 Séquene 4 Exerie 5 1- L eau salée dans laquelle on fait uire les pâtes est-elle une solution aqueuse? Oui Non 2- Aqueux veut-il dire sans eau? 3- L eau pure est-elle une solution aqueuse? 4- Est-e que tous les liquides sont des solutions aqueuses? 5- Peut-on dire que les huiles alimentaires, l essene, le fioul ne sont pas des solutions aqueuses? 6- Pour manipuler un aide onentré reonnu orrosif, faut-il porter des gants, des lunettes et des vêtements appropriés? 7- Si un produit orrosif est en ontat ave la peau ou les yeux, faut-il riner immédiatement et abondamment à grande eau? Séane 2 Exerie 6 fig. f42.1 Un iruit pour savoir si un liquide est plus ou moins onduteur Cned, Physique - himie 3e 39

40 Séquene 4 Remarques : - les deux tiges E1 et E2 qui plongent dans le liquide sont le plus souvent en arbone. Le arbone est une matière ondutrie, e qui est indispensable pour ette expériene, mais e n est pas un métal, si bien qu il ne s oxyde pas au ontat du liquide. On peut utiliser également des métaux qui ne s oxydent pas, omme le nikel, ou l aier inox. - es deux tiges de arbone plongeant dans le liquide sont appelées «életrodes». Exerie 7 1- On peut dire, d après le tableau, que l eau pure (distillée) n est pas ondutrie, puisque l ampèremètre utilisé indique 0 ma. (En fait, ave un ampèremètre ultrasensible, on déteterait le passage d un ourant d une intensité extrêmement faible, de l ordre de quelques millionièmes d ampère). 2- Une solution aqueuse de saharose, même onentrée, n est pas ondutrie : toutes les solutions aqueuses ne sont don pas ondutries. 3- Une solution aqueuse de hlorure de sodium est ondutrie : ertaines solutions aqueuses sont don ondutries. On onstate que plus il y a de hlorure de sodium dissous, plus la solution est ondutrie. Exerie 8 Oui Non 1- Pour étudier le aratère onduteur d une solution, peut-on utiliser deux életrodes plongeant dans la solution étudiée? 2- Toutes les solutions aqueuses sont-elles ondutries? 3- Une substane formée d ions peut-elle rendre une solution aqueuse ondutrie une fois dissoute? 4- Une substane formée de moléules peut-elle rendre une solution aqueuse ondutrie une fois dissoute? 5- Peut-on dire que plus on dissout de substane formée de moléules, plus la solution aqueuse devient ondutrie? 6- Peut-on dire que plus on dissout de substane formée d ions, moins la solution aqueuse devient ondutrie? Exerie Cned, Physique - himie 3e

41 Séquene 4 Le liquide C est onduteur ar la DEL brille (apable de déteter des ourants de faible intensité). Les liquides A et B sont isolants ar la DEL ne brille pas. 2- Le liquide C orrespond à l eau salée ar est la seule solution aqueuse ionique. Il n est pas possible de tranher pour les deux autres liquides. On peut simplement faire remarquer l absene d ions dans es liquides et que l eau surée ontient des moléules de sure qui ne sont pas ondutries. Exerie L eau salée et le sulfate de uivre sont deux liquides bons onduteurs vu les valeurs des intensités mesurées (I eau salée = 250,5 ma, I sulfate de uivre = 189,6 ma ). 2- La différene d intensité entre l eau salée et la solution de sulfate de uivre peut être due aux quantités de matières différentes introduites dans les béhers. Plus il y a d ions en solution, plus la solution est ondutrie. 3- L absene d ions est la prinipale expliation pour justifier les très faibles valeurs de l intensité pour les liquides tels que l eau pure, l eau surée et l huile. Les moléules ne onduisent pas le ourant életrique dans les liquides. Séane 3 Exerie Un atome de sodium, de formule himique Na, possède 11 életrons : haque életron ayant une harge életrique égale à 1, la harge totale des életrons vaut Le noyau de l atome de hlore possède, quant à lui, une harge életrique égale à Au total la harge életrique de l atome de hlore est nulle ( = 0). 4- Mais, pour des raisons que tu étudieras au lyée, l atome de sodium peut failement donner un életron (et életron, il le donne à un atome qui peut failement apturer un életron, omme par exemple un atome de hlore). 5- La partiule de sodium possède maintenant 10 életrons, soit une harge életrique de 10. Mais le noyau, lui, n a pas hangé, sa harge életrique vaut toujours Au total, la harge életrique de l atome de sodium vaut = L atome de sodium est devenu un ion, dont la formule himique s érit Na +, le signe + en haut signifiant que sa harge életrique totale vaut +1. Cned, Physique - himie 3e 41

42 Séquene 4 Exerie 12 Nom de l atome ATOME Nombre d életrons * Formule himique de l atome Nom de l ion Nombre d életrons ION formé Nombre d életrons perdu (-) ou gagné (+) 1 Oxygène 8 e O Ion oxygène 10 e +2 e O 2-2 Magnésium 12 e Mg Ion 10 e -2 e Mg 2+ magnésium (II) 3 Brome 35 e Br Ion bromure 36 e +1 e Br 4 Cuivre 29 e Cu Ion uivre 27 e -2 e Cu 2+ (II) 5 Zin 30 e Zn Ion zin (II) 28 e -2 e Zn 2+ 6 Aluminium 13 e Al Ion aluminium 10 e -3 e Al 3+ 7 Fer 26 e Fe Ion fer (II) 24 e -2 e Fe 2+ 8 Fer 26 e Fe Ion fer (III) 23 e -3 e Fe 3+ * On note e pour életron. Exerie 13 Formule himique de l ion Oui Non 1- Un ion est-il une moléule qui a perdu ou gagné un ou plusieurs atomes? 2- Après la formation d un ion, le noyau de l ion onserve-t-il le même nombre de harges életriques positives que l atome dont il est issu? 3- Un atome est-il életriquement neutre? 4- Un ion est-il életriquement neutre? 5- Le «2+» dans l ériture Cu 2+ signifie-t-il que l atome de uivre a perdu deux életrons? 6- L atome de hlore devient-il l ion hlorure Cl - s il perd un életron? 7- Une solution aqueuse ionique est-elle életriquement neutre? 8- y a-t-il autant de harges életriques positives que de harges életriques négatives dans une solution aqueuse ionique? 9- Une solution aqueuse ionique est életriquement neutre. Peut-on dire que est qu il y a autant d ions de harge positive que d ions * de harge négative? 10- Dans une solution aqueuse ionique, les ions de harge életrique positive se déplaent-ils vers l életrode reliée à la partie négative du iruit életrique? 11- Dans une solution aqueuse ionique, les ions de harge életrique négative se déplaent-ils vers l életrode reliée à la partie positive du iruit életrique? 12- Dans une solution aqueuse ionique, est-e que est le mouvement des ions de harge életrique positive qui est à l origine du ourant életrique? ** 42 Cned, Physique - himie 3e

43 Séquene 4 Commentaires : * : Par exemple, prenons une solution de hlorure de fer II. Elle ontient les ions Cl et Fe 2+. Pour ompenser ( est-à-dire rendre életriquement neutre la solution aqueuse ionique) les 2 harges positives de l ion fer II, il faut 2 ions hlorure Cl Il y a don 2 fois plus d ions Cl que d ions Fe 2+ dans une solution de hlorure de fer II pour respeter la neutralité életrique de la solution aqueuse ionique. Pour que le nombre d ions de harge positive soit égal au nombre d ions de harge négative dans une solution aqueuse ionique (don életriquement neutre), la harge életrique portée par l ion positif doit être égale à elle portée par l ion négatif. Par exemple, est le as pour une solution d eau salée, est-à-dire de hlorure de sodium (Na + + Cl ). ** : Il y a aussi le mouvement des ions de harge életrique négative à prendre en ompte. C est e mouvement à double sens qui onstitue le ourant életrique dans une solution ionique. Exerie 14 ion fer (II) hlorure uivre (II) fer (III) symbole Fe 2+ Cl Cu 2+ Fe 3+ Exerie L atome de uivre est életriquement neutre, ela signifie que le nombre de harges positives ontenues dans le noyau est égale à elui des harges négatives portées par les életrons. Il y a don 29 harges positives dans le noyau et 29 harges négatives réparties au niveau des életrons ( = 0). 2- L ion uivre (II) ontient 29 2 = 27 életrons ar l atome de uivre en a perdu Il y a 2 életrons de différene (en moins) entre l ion Cu 2+ et son atome Cu. Exerie Fe 2+ signifie trois ions fer (II). 2- Quatre ions uivre (II) se note 4Cu Un ion hlorure s érit Cl. 4-2Cu orrespond à deux atomes de uivre. 5- Un atome de fer s érit Fe. Exerie 17 Les ions de harge életrique positive (ions sodium Na + et ions alium Ca 2+ ) sont attirés par l életrode B reliée à la borne négative du générateur. Les ions de harge életrique négative (ions hlorure Cl ) sont attirés par l életrode A reliée à la borne positive du générateur. Cned, Physique - himie 3e 43

44 Séquene 4 Exerie La lettre S signifie «un atome de soufre». Séane 4 2- La lettre O signifie «un atome d oxygène». 3- Le hiffre 4 (érit en bas) indique qu il y a 4 atomes d oxygène. 4- L indiation 2 (érite en haut) signifie que la harge életrique de l ion vaut 2. Cet ion a don gagné deux életrons supplémentaires par rapport à la moléule SO 4. Voii le dessin shématique de et ion (les deux életrons supplémentaires ne sont pas représentés) : Exerie 19 Les ions zin, étant de harge életrique positive, seront attirés par l életrode reliée à la borne négative du générateur. Il faut don relier les életrodes en aluminium (où l on veut que le zin se dépose) à la borne négative du générateur. Exerie Voii le shéma du montage 2- Les ions présents en solution sont l ion sulfate de formule himique SO 2- et l ion zin de formule himique Zn Cned, Physique - himie 3e

45 Séquene 4 3- Les ions zin Zn 2+ sont attirés par l életrode reliée à la borne négative du générateur, ils se déplaent don vers E2. Le dépôt de zin se fera au niveau de E2. Pour le omprendre, il suffit d érire l équation au niveau de E2 : Séane 5 Exerie 21 Voii le nom sientifique des aides ontenus dans : - le vinaigre : est l aide aétique, appelé aussi aide éthanoïque - une boisson genre oa : est l aide phosphorique - le jus de itron : est l aide itrique - les batteries de voiture : est l aide sulfurique - un liquide ménager antialaire : est l aide hlorhydrique Exerie 22 Cette expériene prouve qu un aide ontient des ions (voir séquene 3, séane 4). Exerie Les ions responsables de l aidité s appellent les ions hydrogène. Leur formule est H Quand un liquide aide ontient beauoup d ions hydrogène, on dit qu il est onentré. 3- Quand un liquide aide ontient peu d ions hydrogène, on dit qu il est dilué. Exerie 24 Cette solution aqueuse ne ontient pas d ions hydrogène H + (responsables de l aidité), ni d ions hydroxyde HO (responsables de la basiité) : elle est don neutre. Exerie Les liquides aides sont, du plus aide au moins aide : l aide pour batterie, le liquide antialaire, le jus de itron et le oa-ola, la limonade, et le vin blan. 2- Les liquides neutres sont : l eau de Contrexéville, l eau distillée et le shampooing. 3- Les liquides basiques sont, du plus basique au moins basique : le liquide débouheur, l eau de Javel, la lessive liquide, l eau de Vihy et l eau du robinet. Remarque : Ces valeurs sont indiatives, elles peuvent varier un peu selon la marque du produit. Le ph de l eau du robinet varie un peu selon les traitements qu elle a subis. En revanhe le ph de l eau distillée est fixe : il vaut toujours 7 (à 25 C). Cned, Physique - himie 3e 45

46 Séquene 4 Exerie Pour diluer le jus de itron (ph = 2) on utilise de l eau distillée (ph = 7). Il est logique que le ph augmente au fur et à mesure que l on rajoute de l eau, ar le mélange est de moins aide, de moins en moins onentré. 2- Même ave beauoup d eau, il restera toujours des traes d aidité, et on n obtiendra jamais un liquide parfaitement neutre (ph = 7). Exerie 27 Oui Non 1- Les solutions aqueuses ioniques aides sont-elles ondutries du ourant életrique? 2- Les ions hydrogène H + sont-ils responsables de l aidité? 3- Un liquide aide qui ontient beauoup d ions hydrogène H + est-il dit dilué? 4- Un liquide aide qui ontient peu d ions hydrogène H + est-il dit onentré? 5- Peut-on dire que les liquides basiques ontiennent des ions hydroxyde de formule himique HO? 6- Peut-on dire que ertains liquides neutres ne ontiennent auun ion hydrogène ni auun ion hydroxyde? 7- Est-e que l eau de Javel est un liquide neutre? 8- L eau pure (distillée) est-elle un liquide neutre? 9- Est-e que l éhelle des ph va de 0 à 14? 10- Peut-on dire qu il y a deux façons de mesurer le ph, par le papier indiateur et par le ph-mètre? 11- L aidité diminue-t-elle quand on ajoute de l eau? 12- Le ph diminue-t-il quand on ajoute de l eau? Exerie Une solution aqueuse basique a un ph supérieur à Le ph d une solution aqueuse neutre vaut Une solution aqueuse est aide si son ph est inférieur à En diluant une solution aide, le ph augmente. 5- La soude est une solution basique. 6- Une solution aqueuse est d autant plus basique que la quantité d ions hydroxyde dans un même volume est plus importante. 7- Le ph se mesure au moyen du papier indiateur de ph ou au moyen d un ph-mètre. 8- Le jus de itron et le vinaigre sont des liquides aides. 9- L eau de Javel et la soude sont des liquides basiques. 10- S il y a plus d ions hydroxyde dans une solution, alors la solution est dite basique. 11- S il y a plus d ions hydrogène dans une solution, alors la solution est dite aide. 12- Si la solution est neutre alors il y a autant d ions hydroxyde que d ions hydrogène. 46 Cned, Physique - himie 3e

47 Séquene 5 SÉQUENCE 5 Séane 1 Exerie 1 J en déduis que la solution d enre bleue, bien qu elle ait une ouleur bleu azur, ne ontient pas d ions uivre (II). (Cela montre l utilité du test à la solution d hydroxyde de sodium : on ne peut pas se fier à la ouleur). Exerie 2 Une partie des ions uivre (II), eux qui ont réagi ave la solution d hydroxyde de sodium, se retrouvent dans le préipité. Il en reste don moins dans la solution, d où la ouleur bleue plus pâle. Exerie 3 1- Ce préipité blan se nomme «hlorure d argent». 2- Exposé à la lumière, e préipité noirit au bout de quelques minutes. Exerie 4 1- Peut-on dire qu un ion, est un atome, ou une moléule, qui a gagné ou perdu un ou plusieurs életrons, et qui par onséquent est életriquement neutre? 2- L ion uivre (II), de formule Cu 2+, est-e que est un atome de uivre qui a perdu 2 életrons? 3- Une solution aqueuse de sulfate de uivre ontient-elle des moléules d eau? 4- Une transformation physique, est-e que e sont des réatifs qui réagissent ensemble pour «donner naissane» à de nouveaux orps himiques : les produits? 5- Un test positif de reonnaissane d ion est-il une transformation himique? 6- Un test négatif de reonnaissane d ion est-il une transformation physique? 7- Un préipité est-il une substane solide qui se forme, par transformation himique entre deux liquides? 8- Le réatif assoié à la reherhe de l ion uivre (II) est-il le nitrate d argent? 9- Le réatif assoié à la reherhe des ions fer (II) et fer (III), est-il l hydroxyde de sodium? 10- Un préipité blan qui noirit à la lumière permet-il d identifier la présene des ions hlorure? 11- Un préipité verdâtre permet-il d identifier la présene des ions fer (III)? oui non * ** Cned, Physique - himie 3e 47

48 Séquene Un préipité marron rouille permet-il d identifier la présene des ions fer (II)? 13- Pour tester la présene d ions uivre (II) dans une solution inonnue, faut-il utiliser omme réatif une solution d hydroxyde de sodium? 14- Si je suspete la présene des ions hlorure dans une solution inonnue, est-e que je dois utiliser une solution de nitrate d argent omme réatif? * : La réponse serait oui pour une transformation himique, mais pas pour une transformation physique (hangement d état vu en 5e) ** : Si la solution à tester et le réatif ne réagissent pas, est que le test est négatif. Il s agit finalement d un mélange de deux liquides. Exerie 5 1- Le liquide anti-mousse est noif en as d ingestion, et il faut éviter le ontat ave la peau et ave les yeux. Par onséquent pour manipuler en séurité : je mets des lunettes de séurité, je mets des gants, je porte des vêtements ouvrants, je travaille dans une pièe ou auun aliment n est présent. Je me lave soigneusement les mains à la fin de la manipulation (l intérieur des gants n est pas forément très propre). 2- Pour transvaser un peu de liquide du gros bidon dans un béher, la meilleure solution est : d aspirer un peu de liquide du bidon ave une pipette munie d une poire, et de vider ensuite la pipette dans le béher. En effet : - le bidon étant gros, et don lourd, il est diffiile de ontrôler le débit de liquide si l on verse diretement dans le béher, et l on risque de provoquer des élaboussures, - la seringue risque de ne pas être assez profonde pour atteindre le liquide dans le bidon, et, en supposant qu on y arrive, il ne sera pas faile de tirer le piston. En auun as il ne faut aspirer ave la bouhe, il y a risque d ingestion. La pipette doit disposer d un système d aspiration intégré (poire sur laquelle on appuie par exemple). 3- Il faut : mettre très peu de liquide dans les tubes à essai (environ 1 m de hauteur). En effet, à la fin des expérienes, il faudra se débarrasser des liquides. 4- Quand les tests sont terminés : a) il faut reverser le ontenu du béher dans le bidon. En effet le ontenu du béher est parfaitement intat ; il n y a auun inonvénient à le reverser dans le bidon. b) il ne faut pas jeter dans l évier de la uisine les ontenus des tubes à essai (ni les y riner) ; en effet l évier n est pas fait pour reevoir de telles substanes, sahant qu on y lave ensuite des assiettes, des plats, des ouverts, voire des denrées alimentaires. De plus, es eaux polluées vont dans les égouts ; bien que es eaux soient traitées, elles finissent dans les fleuves, (les systèmes d épuration ne peuvent pas tout enlever). ) il faut réupérer le ontenu des tubes à essai dans un bidon prévu à et effet qui sera porté à la déhèterie (pour y subir un traitement spéifique). 48 Cned, Physique - himie 3e

49 Séquene 5 Séane 2 Exerie 6 Le test au papier indiateur de ph montre que le liquide est neutre : il ne ontient ni ions hydrogène, ni ions hydroxyde (ou alors la même quantité). Quand on verse la solution d hydroxyde de sodium, un préipité vert se forme : ela prouve la présene d ions fer (II) dans le liquide anti-mousse. Le test au nitrate d argent est négatif : le liquide anti-mousse ne ontient pas d ions hlorure. Remarque pour en savoir plus : e liquide anti-mousse est vraisemblablement une solution de sulfate de fer, très souvent utilisée à et usage. Exerie 7 1- «Corrosif» signifie que la substane peut attaquer et détruire les tissus vivants. 2- Une solution d hydroxyde de sodium est forément basique, ar elle ontient des ions hydroxyde HO, qui justement sont responsables de la basiité (voir séquene 4). 3- La «lignine du bois» est un substane naturelle qui imprègne la paroi des vaisseaux du bois, e qui les rend imperméables et résistants. Séane 3 Exerie 8 1- L aide hlorhydrique était appelé autrefois «esprit de sel». 2- On peut fabriquer de l aide hlorhydrique en faisant réagir du sel de mer ave du vitriol (aide sulfurique). 3- L anêtre du papier indiateur de ph est le sirop de violette qui hange de ouleur selon qu il est au ontat d un aide ou d une base. Exerie 9 1- Un ube a 6 faes de 1 m de ôté. Chaque fae a une aire égale à 1 m 1 m soit 1 m 2. La surfae au ontat de l aide a don pour aire 6 1 m 2 = 6 m La surfae au ontat de l aide est plus grande que dans la question 1. En effet, omme le montre le dessin i-dessous, il y a deux faes supplémentaires en ontat ave l aide (elles sont hahurées). La surfae en ontat ave l aide a maintenant pour aire 6 m 2 + (2 1 m 2 ) = 8 m 2. Cned, Physique - himie 3e 49

50 Séquene 5 Fig. fe L exerie montre que, pour un même volume total de fer, plus il est oupé en petits moreaux plus il y a de surfae en ontat ave l aide. C est pour ela que l on travaille ave de la poudre de fer pour réaliser la réation ave l aide hlorhydrique. Séane 4 Exerie 10 dans l aide hlorhydrique utilisé omme réatif dans le liquide à la fin de la réation ions hlorure (Cl ) présents présents ions hydrogène (H + ) présents en grande quantité absents ions fer (II) (Fe 2+ ) absents présents Exerie 11 S il n y a plus d ions hydrogène H +, est qu ils ont réagi ave quelque hose. Or, dans le tube à essai, on n a mis qu une substane au ontat de l aide hlorhydrique : le fer. Les ions hydrogène H + ont don réagi ave les atomes de fer. Pour en savoir plus (hors programme offiiel) : est la réation entre les ions hydrogène H + et les atomes de fer qui explique la formation des ions fer (II) et du gaz dihydrogène. Il se produit en effet la réation : 2 H + + Fe H 2 + Fe Cned, Physique - himie 3e

51 Séquene 5 Exerie La réation entre le fer et l aide hlorhydrique produit-elle un dégagement gazeux et un léger hangement de ouleur du liquide (jaune vert)? 2- Le «test à l eau de haux» permet-il d identifier la présene du dihydrogène? 3- Peut-on dire que si une bûhette inandesente se rallume au ontat d un gaz, alors e gaz est le dioxygène de formule himique O 2? 4- Le dihydrogène de formule himique H 2 est-il un gaz qui détone au ontat de la flamme? 5- Un test positif au nitrate d argent prouve-t-il la présene des ions hydrogène? 6- Est-e qu une mesure de ph aide prouve la présene des ions hydrogène de formule himique H +? 7- La solution d hydroxyde de sodium permet-elle de déteter les atomes de fer? 8- La réation entre le fer et l aide hlorhydrique se termine-t-elle quand l effervesene s arrête? 9- À la fin de la réation, obtient-on une solution de hlorure de fer (III)? 10- Peut-on dire que pendant la réation entre le fer et l aide hlorhydrique, le ph augmente ar des ions hydrogène de formule himique H + sont onsommés pour produire le dégagement de dihydrogène? 11- La réation entre le fer et l aide hlorhydrique produit-elle des ions fer (II) de formule himique Fe 2+? 12- Peut-on dire que les ions hlorure issus de l aide hlorhydrique se ombinent ave les ions fer (II) pour former une solution de hlorure de fer (II). 13- le bilan de la transformation himique entre l aide hlorhydrique et le fer s érit-il : aide hlorhydrique + dihydrogène fer + solution de hlorure de fer (II)? Oui Non Exerie On observe une effervesene, due au dihydrogène qui se dégage. 2- La solution verdit, à ause de la formation des ions fer (II) de formule himique Fe Le lou est rongé, son volume a diminué ar des atomes de fer en surfae ont été transformés en ion fer (II) sous l effet de la solution aqueuse d aide hlorhydrique. 4- La réation s est arrêtée pare que tous les ions hydrogène de l aide hlorhydrique ont réagi. Cned, Physique - himie 3e 51

52 Séquene 6 SÉQUENCE 6 Séane 1 Exerie 1 1- Questions dont les réponses sont à herher dans le texte i-dessus : a) La prinipale différene entre une mahine életrostatique et une pile, est qu une mahine életrostatique produit une étinelle, est-à-dire un ourant életrique de durée très brève, alors qu une pile produit un ourant életrique de longue durée. b) Galvani roit que la ontration du musle de grenouille est due à de l életriité ontenue dans les musles des grenouilles (qu il appelle «életriité animale»). ) Volta explique que l életriité est réée non pas par le musle de la grenouille, mais par le uivre et le fer, à ondition que es deux métaux soient reliés par un milieu humide et don onduteur (le musle). d) Le mot «pile» vient du fait qu il s agit d un empilement de rondelles de uivre, de zin et de arton mouillé. e) Sur le dessin de la pile de Volta, on voit que le métal onstituant la borne positive de la pile de Volta est le uivre, elui onstituant la borne négative est le zin. f) Sur la pile de Volta dessinée dans le texte, il y a 6 éléments [uivre / arton / zin]. Puisque haun délivre une tension életrique de 0,9 volt, la tension totale vaut 0,9 6 soit 5,4 volts. 2- Questions dont les réponses sont à herher dans un ditionnaire ou une enylopédie : a) Voii quelques phénomènes de la vie de tous les jours où un frottement provoque une aumulation d életriité statique : - quand on frotte les heveux sur la brosse ou le peigne, ils sont életrisés et ont tendane à se dresser tout seuls! - quand la voiture roule par temps très se, elle se harge d életriité statique, et ensuite on prend une petite déharge quand on touhe la arrosserie, - quand on retire un pull dans l obsurité, on voit parfois de petites étinelles : est le frottement du pull sur le vêtement qu on porte en dessous qui forme de l életriité statique et ette életriité, en se déhargeant d un vêtement à l autre, donne des étinelles. b) Une Aadémie, est une assemblée de grands érivains, savants ou artistes. La Frane a plusieurs Aadémies, notamment : l Aadémie Française, l Aadémie des insriptions et belles lettres, l Aadémie des beaux-arts, l Aadémie des sienes. Cette dernière a été fondée par Colbert, ministre de Louis XIV. ) Volta n aurait ertainement pas pu allumer une lampe à filament, ar elle-i fut inventée par Thomas Edison en 1879 seulement. 52 Cned, Physique - himie 3e

53 Séquene 6 Séane 2 Exerie 2 Voii quelques idées pour améliorer la pile au itron, tout en utilisant les mêmes matières de base : du uivre, du zin et du jus de itron. Idée n 1 : Volta avait empilé les éléments [uivre / arton / zin] pour avoir une tension plus importante. Nous pourrions don faire la même hose en plantant dans le itron plusieurs fils de uivre et plusieurs lous en zin. Idée n 2 : Un lou en zin et un fil de uivre ont une faible surfae. Nous pourrions utiliser, à la plae, des plaques de zin et de uivre. Cned, Physique - himie 3e 53

54 Séquene 6 Idée n 3 : Si du ourant életrique irule dans le itron, il doit avoir du mal à passer, à ause des parois fibreuses qu il y a à l intérieur du itron. Pour éviter e problème, nous pourrions utiliser du jus de itron, plaé dans un béher. Idée n 4 : Combiner les trois idées préédentes. Remarque : Ave e dernier montage, il est effetivement possible d allumer une DEL. 54 Cned, Physique - himie 3e

55 Séquene 6 Séane 3 Exerie 3 1- En versant de la poudre de zin dans une solution de sulfate de uivre, le nombre d ions uivre Cu 2+ augmente-t-il? 2- Est-e qu il se produit une augmentation de température lorsque l on verse de la poudre de zin dans une solution de sulfate de uivre? 3- Une pile életrohimique s arrête-t-elle de fontionner lorsque l un des réatifs est totalement onsommé? 4- L énergie himique d une pile életrohimique en fontionnement augmente-t-elle? 5- Les réatifs d une pile életrohimique ontiennent-ils de l énergie életrique? Oui Non Exerie 4 1- Le dépôt rouge au fond du béher b est du uivre. 2- Les ions uivre (II) présents dans la solution de sulfate de uivre donnent à la solution sa ouleur bleu azur. Etant donné que es ions sont «onsommés» pour former le dépôt de uivre au fond du béher b, la solution s élairit, est-à-dire devient de moins en moins bleue. 3- Dans le béher b, il se produit une transformation himique entre les ions uivre (II) et les atomes de zin. 4- La température du béher b est plus élevée que elle du béher a (pas de hangement) pare qu une partie de l énergie himique de ses réatifs a été transformée en énergie thermique sous forme de haleur. 5- Le béher a joue don le rôle de «témoin», il permet de omparer les températures et aussi les ouleurs des solutions. 6- L énergie himique des réatifs a été transformée en partie en énergie thermique. Exerie 5 La situation a orrespond à elle du ours. La solution de sulfate de uivre assure la ondution életrique du fait de la présene des ions. On retrouve le métal zin et le métal uivre. On se retrouve dans la situation de la pile itron, à savoir deux métaux séparés par une solution ionique. La situation b ne permet pas de générer une tension aux bornes du voltmètre ar les deux solutions de sulfate de uivre ne son pas reliées par un «pont ionique». La situation ne permet pas non plus de générer une tension aux bornes du voltmètre ar l eau distillée ne ontient pas d ions (ou très peu), mais de toute façon insuffisamment pour établir une tension notable aux bornes du voltmètre. Cned, Physique - himie 3e 55

56 Séquene 6 Séane 4 Exerie 6 1- Il existe des piles de différentes formes (ylindrique, plate, retangulaire, bouton) et de différentes tailles. Ainsi, elles s adaptent bien aux appareils qu elles doivent alimenter, qui eux-mêmes sont de formes et de tailles diverses et variées (on ne pourrait pas mettre une grosse pile dans un appareil très petit). 2- Les piles alalines durent plus longtemps que les piles salines. 3- Reherhe de renseignements sur les piles du ommere. Nom ommerial ou ommun Autre nom ommerial Tension (V) Forme AAA LR3 1,5 ylindrique AA LR6 1,5 ylindrique C LR14 1,5 ylindrique D LR20 1,5 ylindrique 9 volt 6LR61 9 retangulaire plate 4,5 volt 3LR12 4,5 plate 4- Reherhe de renseignements sur les piles «boutons» : Dimensions (mm) diamètre : 10 hauteur : 44 diamètre : 14 hauteur : 50 diamètre : 26 hauteur : 50 diamètre : 34 hauteur : 61 longueur : 26 largeur : 17 hauteur : 49 longueur : 62 largeur : 22 hauteur : 67 Un exemple d appareil utilisant e type de piles téléommande appareil photo jouet leteur CD - radio portable multimètre lampe de pohe Nom ommerial ou ommun Tension (V) A76 (LR44) 1,5 bouton CR bouton Forme Dimensions (mm) diamètre : 12 épaisseur : 5 diamètre : 20 épaisseur : 2,5 Appareils utilisant e type de piles alulatrie appareil photo Remarque : les piles A76 et CR2025 sont parmi les plus répandues, mais il est très possible que tu aies trouvé d autres modèles. 56 Cned, Physique - himie 3e

57 Séquene 6 Exerie 7 matière ative onstituant la borne positive matière ative onstituant la borne négative solution aqueuse ionique pile au itron uivre zin jus de itron pile de Lelanhé dioxyde de manganèse zin solution aqueuse gélifiée ontenant des ions zin Zn 2+ Exerie 8 «Alalin» veut dire «basique», autrement dit de ph supérieur à 7. Cela signifie que la solution aqueuse ionique d une pile alaline est basique, tandis que elle d une pile saline est neutre ou aide. (Remarque : il y a d autres différenes, que tu verras dans la suite de tes études, entre les matières qui onstituent les piles salines, et elles qui onstituent les piles alalines). Exerie 9 La orretion de et exerie s appuie sur l exploitation graphique faite à la figure (fig. e64.3b). fig. e64.3b 1- La tension de haque lampe en début d expériene vaut 1,5 V. 2- La durée d utilisation de la plie saline quand sa tension vaut 1,1 V est de 150 heures (point A). 3- La tension aux bornes de la pile alaline quand elle a été utilisée 500 heures vaut 0,9 V (point B). 4- Pour la pile saline, la lampe sera en mesure de briller 175 heures (point C) ; pour la pile alaline, la lampe sera en mesure de briller 450 heures (point D). On omprend mieux maintenant l intérêt des piles alalines! Cned, Physique - himie 3e 57

58 Séquene 6 Séane 5 Exerie La différene prinipale entre une pile à ombustible et une pile lassique, est que dans une pile lassique, les réatifs se trouvent à l intérieur même de la pile, tandis que dans une pile à ombustible les réatifs sont stokés à l extérieur. 2- La transformation himique qui se produit dans une pile à ombustible «H 2 O 2» est : dihydrogène + dioxygène 3- Voii un avantage de la pile «H 2 O 2» : elle ne dégage auun produit polluant. Les deux inonvénients sont : 1. l hydrogène, un des deux réatifs, est oûteux à fabriquer, 2. une substane qui failite la réation himique, le platine, est également très oûteuse. eau Exerie Chaque itoyen doit porter une pile ou un aumulateur usagé dans un ba de ollete, situé hez le vendeur, ou dans une déhèterie (il ne faut pas les jeter dans une poubelle ordinaire, et enore moins, évidemment, les abandonner dans la nature). 2- Il ne faut pas ininérer les piles ou aumulateurs ar leur ombustion produit des matières toxiques, que l on retrouverait dans les endres ou dans les gaz. 3- La première étape du reylage des piles et aumulateurs, est la ollete et le tri. La seonde étape, est le retraitement. Ce dernier doit être approprié au type de pile ou d aumulateur. On réupère ainsi les matières premières qui permettent de fabriquer de nouvelles piles et aumulateurs. 58 Cned, Physique - himie 3e