T erm STI2D STL (SPCL) Physique Chimie Jean-Pierre Durandeau Jean-Marie Bélières Jean-Louis Berducou Paul Bramand Marie-Jeanne Comte Jean-Claude Larrieu-Lacoste Cédric Mazeyrie
Table des matières 1 Comment utiliser l énergie solaire dans l habitat?... 4 2 Quels sont les comportements des fluides utilisés dans l habitat?... 8 3 Comment utiliser un fluide pour chauffer ou refroidir?...13 4 Comment les ondes électromagnétiques sont-elles utilisées pour les communications dans l habitat?...19 5 Qu est-ce que la domotique?...23 6 Quel produit d entretien choisir?...28 7 Que se produit-il lorsqu on applique une force ou un couple à un solide?...33 8 Quels carburants pour demain?...36 9 Comment fonctionnent les piles et les accumulateurs?...41 1 Chaîne de conversion électromécanique...46 11 Quels matériaux pour les véhicules?...51 12 Comment fonctionne une chaîne d informations dans un véhicule?...57 13 Quelles sont les caractéristiques des ondes électromagnétiques au service de la santé?...63 14 Peut-on utiliser un champ magnétique pour le diagnostic médical?...68 15 Comment mesurer la radioactivité?...72 Couverture : Nicolas Piroux Maquette et mise en page : Nicolas Balbo Schémas : Domino ACETTE LIVRE 212, 43, quai de Grenelle, 7595 Paris Cedex 15 ISBN 978-2-1-182127- www.hachette-education.com Tous droits de traduction, de reproduction et d adaptation réservés pour tous pays. Le Code de la propriété intellectuelle n autorisant, aux termes de l article L. 122-4 et L. 122-5, d une part, que les «copies ou reproductions strictement réservées à l usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective», et, d autre part, que «les analyses et courtes citations» dans un but d exemple et d illustration, «toute représentation ou reproduction intégrale ou partielle, faite sans le consentement de l auteur ou de ses ayants cause, est illicite». Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, sans autorisation de l éditeur ou du centre français de l exploitation du droit de copie (2, rue des Grands-Augustins, 756 Paris), constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les Articles 425 et suivants du Code pénal.
Avant-propos Le livre du professeur, qui accompagne le manuel de l élève, comporte les corrigés des activités et des exercices proposés dans chaque chapitre. Les activités dans le manuel Nous n avons pas choisi une méthode déductive fondée sur la présentation d un cours préalable suivi d exercices d application, car le dogmatisme qu elle peut engendrer nous paraît inadapté dans les classes d enseignement technologique. La démarche adoptée privilégie la construction des connaissances et des capacités à partir de situations problèmes puisées dans l environnement technique de l élève et formulées dans le langage courant. Les exercices Dans le livre du professeur, nous fournissons les solutions des exercices figurant dans les cinq rubriques du manuel de l élève. Tester ses connaissances Cette forme de présentation et d évaluation (Q.C.M.) se répand de plus en plus et présente l avantage de développer l esprit critique. Cette rubrique permet à chaque élève de tester rapidement les connaissances fondamentales du chapitre. Apprendre à résoudre Cette rubrique comporte deux exercices portant sur le même thème ; le premier est progressif, le second, plus direct, nécessite une plus grande initiative de l élève. Tester ses capacités Ces exercices simples traitent des capacités énoncées dans le programme. Chaque exercice concernant une seule capacité, l élève peut en vérifier plus facilement l acquisition. Applications technologiques Les exercices concernés relèvent d un niveau de difficulté supérieur : il s agit d appliquer ses connaissances et ses savoir-faire dans des contextes différents de ceux des activités et de l essentiel du cours, en particulier dans la vie professionnelle. Nous avons intégré dans cette rubrique des exercices dont le thème est le «développement durable». Le coin du chercheur Ces exercices demandent une plus grande autonomie et davantage de recherche : le travail en groupes se prête particulièrement à la résolution de ces exercices. Le livre du professeur constitue un outil indissociable du manuel, au service des collègues pour le bénéfice de leurs élèves. Nous acceptons bien volontiers leurs suggestions et critiques. Pour aider le professeur dans sa tâche, le Livre numérique permet de projeter en permanence tous les documents (vidéos, animations ) nécessaires à la mise en œuvre et à l exploitation du manuel de l élève. 3
1 Comment utiliser l énergie solaire dans l habitat? ACTIVITÉS Activité 1 : Comment fonctionne une cellule photoélectrique? 1 et 2. Voir graphique ci-contre. L intensité de court-circuit est proportionnelle à l éclairement. I(A) Générateur de courant 3. Dans une cellule photovoltaïque l énergie solaire est convertie en énergie électrique. Activité 2 : Quelle puissance peut fournir une cellule photovoltaïque? 1. La puissance fournie est maximale dans le coude de la caractéristique. 2. La puissance fournie croit avec l éclairement. 3. La puissance dépend de l inclinaison : elle est plus importante lorsque les rayons lumineux sont perpendiculaires à la cellule. Activité 3 : Comment augmenter les performances d un panneau solaire thermique? 1. Le chauffage de l eau est plus rapide lorsque la bouteille est peinte en noir et placée dans la boîte fermée par une vitre. 2. Il faut isoler davantage la boîte et mettre un double vitrage. 3. Dans un panneau thermique, l énergie solaire est convertie en énergie interne de l eau. 4. Un panneau solaire photovoltaïque convertit une partie du rayonnement solaire en énergie électrique. Cette énergie peut-être directement utilisée dans le cas d une habitation isolée ou revendue à EDF. Un panneau solaire thermique convertit une partie du rayonnement solaire en énergie thermique. Ce type de panneau est surtout utilisé pour l eau chaude sanitaire. INFOS DOC I CC1 I CC2 1. a. Le calcul est déjà fait : 1,8 ans. b. Le rachat, rapporte 3 3,29 = 957. Amortissement au bout de 15 957 = 15,7 ans. 2. L inclinaison peut varier de 22 à 37 environ, correspondant à la zone bleue sur le diagramme de la page 14 du manuel. 3. Ces données correspondent à une puissance surfacique reçue de 1 W m 2. Pour un rendement de 15 %, on a une puissance crête de 1 15 % = 15 Wc m 2. Pour un rendement de 13,5 %, on a une puissance crête de 1 13,5 % = 135 Wc m 2. Pour un rendement de 8 %, on a une puissance crête de 1 8 % = 8 Wc m 2. E1 E2 < E1 Générateur de tension U CO2 U CO1 U(V) 4 CAPITRE 1 - Comment utiliser l énergie solaire dans l habitat?
EXERCICES Tester ses connaissances Q.C.M. 1 : A, B. 2 : B. 3 : C. 4 : C. 5 : A. Apprendre à résoudre Exploiter une caractéristique d un panneau photovoltaïque Niveau l COMPRENDRE 1. La courbe est établie pour une puissance surfacique reçue par le panneau de 1 W m 2 2. Icc = 2,2 A et Uco = 18 V. 3. Pour U = 12,5 V, I = 2,2 A. 4. La puissance maximale est délivrée dans le coude de la caractéristique. 5. Dans le coude U = 17 V et I = 2,15 A ; P max = U I = 37 W. 6. La puissance reçue est P r = 37/,13 = 285 W. La surface du panneau est 285 1 =,285 m 2. Exploiter des données constructeur Niveau l APPLIQUER 1. V typ I typ = 33,7 3,56 = 12 W. P typ = 12 W. On a donc bien : P typ = V typ I typ. 2. I(A) I CC = 3,8 A de l énergie électrique à EDF. 2. Balise en mer Soleil W rayonnement Rayonnement visible, U.V. et I.R. Cellule photovoltaïque W R (perte) Q (perte) W E Énergie électrique Balise W rayonnement 3. L effet photovoltaïque 1. υ = c λ ; pour λ = 45 1 9 m, υ = 6,67 1 14 z. pour λ =,5 1 6 m, υ = 6, 1 14 z. 2. E = h υ ; lumière bleue : E = 4,42 1 19 J = 2,76 ev. lumière verte : E = 3,97 1 19 J = 2,48 ev. 4. Caractéristique d un module photovoltaïque 1. La puissance de crête du panneau étant de 22 W lorsqu il reçoit une puissance solaire de 1,65 1 = 1 65 W. Le rendement est r = 22 1 65 =,133 ou 13 %. 2. Ce rendement est inférieur au rendement d une seule cellule qui est de 15,1 % car d autres pertes dues aux connexions et à d autres composants (diodes ) interviennent. 3. I = P U = 22 29,2 ; I = 7,5 A. 4. Généralement la puissance surfacique reçue n est pas égale à 1 W m 2 car le panneau n est pas toujours orienté perpendiculairement aux rayons solaires, le ciel peut être nuageux W R (perte) U(V) U CO = 42,1 V Applications technologiques 5. Différents convertisseurs d énergie Barbecue solaire 3. Le panneau fournit une puissance de 12 W pour une surface de,92 m 2. Par m 2, il fournit une puissance de 12,92 = 13 W m 2 alors qu il reçoit une puissance de 1 W m 2. Le rendement est donc de 13 %. Soleil W rayonnement visible U.V. et I.R. Barbecue Q (perte) W rayonnement Tester ses compétences 1. L énergie solaire au service de l habitat Panneau solaire thermique : le rayonnement solaire est converti en énergie thermique. Application : eau chaude sanitaire. Panneau solaire photovoltaïque : le rayonnement solaire est converti en énergie électrique. Application : électricité pour maison isolée ou revente Sac à dos solaire Soleil W rayonnement visible U.V. et I.R. Cellule photovoltaïque W R (perte) Q (perte) W E Énergie électrique CAPITRE 1 - Comment utiliser l énergie solaire dans l habitat? 5
Douche solaire Soleil W rayonnement visible U.V. et I.R. Douche W R (perte) 6. Exploitation d une notice 1. P = U I. 2. P typ = V typ I typ = 29,2 7,2 = 21 W. 3. I(A) I CC = 7,9 A Q 3. Au total il y a 6 72 = 432 cellules sur le panneau. 4. a. Surface de panneau : 5 5 432 = 1 8 cm 2 soit 1,8 m 2. Puissance rayonnante reçue : 1,8 1 = 1 8 W. Puissance fournie : 11 W. Rendement : 11 1 8 = 1 %. 9. Module photovoltaïque CSB 13 1. a. U M ne dépend pratiquement pas de l éclairement ; U M = 16 V. b. Graphiquement on en déduit les puissances maximales : 11,3 1 3(W) 1 W. m 2 U CO = 35,9 V 4. S = 1,645,981 = 1,61 m 2. 5. Puissance reçue : 1,61 1 = 1 61 W. Puissance fournie : 21 W. Rendement : 21 1 61 =,13 soit 13 %. U(V) 7. Influence de la puissance du rayonnement 1. Ce panneau fonctionne en générateur de courant sur la partie «horizontale» de la caractéristique. 2. On effectue le rapport P I max : P 1 8 6 4 2 I max 3,8 3,1 2,4 1,6,8 P I max 26 26 25 25 25 Ce rapport peut être considéré comme constant : P et I max sont deux grandeurs proportionnelles. 3. Il n en est pas de même pour la tension à vide qui varie très peu. 4. W rayonnement visible U.V. et I.R. Cellule photovoltaïque W R (perte) Q (perte) W E Énergie électrique 8. Estimation du nombre de cellules 1. Les cellules sont en série dans une branche : n = 35/,5 = 7. 2. L intensité totale débitée est : I = 11 35 = 3,14 A. Les branches sont montées en parallèle et chacune débite 5 ma =,5 A. Le nombre de branches est donc : 3,14,5 = 6. 7,7 5,5 5 2,3 1 16 2 U(V) Puis par I M = P U M on en déduit I M (pour U M = 16 V). c. P (W) 11,3 7,7 5,5 2,3 I M (A),71,48,34,14 1 5 I(A) 1 W. m 2 1 16 2 U(V) 2. a. U M = E + r I M soit 16 = 12,6 + r,71. On en déduit r = 4,8 Ω. b. Non car l intensité n est pas suffisante. 1. Chauffe-eau solaire 1. Soleil W rayonnement visible U.V. et I.R. Chauffe-eau W R (perte) Q 6 CAPITRE 1 - Comment utiliser l énergie solaire dans l habitat?
2. Q = 2 4 18 (42 18) = 2,1 1 6 J, soit,558 kwh. 3. P =,558 kw. 4. a. Rendement = puissance fournie puissance reçue. Puissance reçue : 8 2 = 1 6 W soit 1,6 kw. Puissance fournie :,558 kw. Rendement :,558 1,6 =,35 soit 35 %. 11. Emplacement d un panneau solaire 1. La région lyonnaise est dans la zone 2 : 1 6 à 2 h d ensoleillement par an. 2. a. Ce diagramme précise le pourcentage de l énergie solaire utilisable en fonction de l orientation et de l inclinaison du panneau. Le zéro correspond à l orientation sud. b. Tolérance pour l orientation : 15 W, 35 E par rapport au sud. Tolérance pour l inclinaison : ±15 par rapport à 42. 3. Énergie reçue en une heure : W = 2,5 8 = 2 Wh soit 7,2 1 6 J. Énergie fournie à l eau : W = 7,2 1 6 72 % = 5,2 1 6 J. Or W = m c (θ s θ e ) = 7 4 18 (θ s 15) ; d où θ s = 32,7 C. 12. Photons du rayonnement solaire Énergie reçue par seconde sur 1 m 2 de la cellule : E = 1 1 4 =,1 J. Énergie d un photon : E = h c λ = 3,61 1 19 J. Nombre de photons reçus par seconde : n = E E = 2,8 1 17. 13. Réalisation d un four solaire 1. La feuille d aluminium réfléchit le rayonnement solaire. 2. Le bécher est placé au foyer de la parabole : c est en ce point que sont concentrés tous les rayons qui arrivent parallèlement à son axe. 3. Le diamètre de la parabole a une influence car le faisceau reçu par la parabole a une section plus grande si le diamètre de celle-ci est plus grand, et donc l énergie reçue est plus importante. Le coin du chercheur Il n y a pas contradiction : les parois du four doivent être brillantes car elles doivent réfléchir et concentrer les rayons au foyer de la parabole. Les parois de la douche solaire sont noires car elles doivent absorber directement l énergie solaire. CAPITRE 1 - Comment utiliser l énergie solaire dans l habitat? 7
2 Quels sont les comportements des fluides utilisés dans l habitat? ACTIVITÉS Activité 1 : Comment varie la pression dans une colonne d eau? Tableau de mesures : h (m) p B (Pa) p A (Pa) (p A p B ) (Pa) Représentation graphique : p A p B (Pa) 4 3 5 3 2 5 2 1 5 1 5,1,2,3,4 h (m),5 Différence de pression entre le rez-de-chaussée et le 2 e étage : si h = 6 m, p A p B =,6 1 5 Pa. Différence de pression entre le rez-de-chaussée et le 8 e étage : si h = 24 m, p A p B = 2,4 1 5 Pa. Réponses aux questions : 1. On ajuste le nuage de points de coordonnées (p A p B ; h) correspondant au tableau de mesures par la droite d équation p A p B = 1 4 h qui passe par l origine du repère : elle correspond à une fonction linéaire. On en déduit que la différence de pression entre deux points d un liquide est proportionnelle à la dénivellation qui les sépare. 2. Avec la relation déterminée à la question 1, on a : p A = p B + 1 4 h. Au 2 e étage, pour h = 6 m, p B = 3 1 5,6 1 5 = 2,4 1 5 Pa > 1,5 1 5 Pa donc la machine à laver peut fonctionner. Au 8 e étage, pour h = 24 m, p B = 3 1 5 2,4 1 5 =,6 1 5 Pa < 1,5 1 5 Pa. Donc la machine à laver ne dispose pas de la pression minimale pour fonctionner. 8 CAPITRE 2 - Quels sont les comportements des fluides utilisés dans l habitat?
Activité 2 : Comment mesurer un débit volumique? Pour un diamètre intérieur de l éprouvette de 7,2 cm, on a une section de 41 cm 2 et on obtient le tableau de mesures suivant : Volume V (cm 3 ) Durée t (s) Différence des niveaux h (cm) Débit Q = V t (cm 3 s 1 ) Vitesse moyenne v = h t (cm s 1 ) Produit v S 123 4,4 3 28,7 28,7 25 7,3 5 28,1,7 28,7 287 1 7 28,7,7 28,7 L unité du produit v S est cm s 1 cm 2 = cm 3 s 1 soit l unité du débit. Réponse à la question On a Q = v S soit environ 28,7 cm 3 s 1. Activité 3 : Comment déterminer la vitesse d écoulement d un gaz? Les trous permettant les mesures de pression sont percés sur des sections de diamètres : 25 mm, 41 mm et 55 mm du tube de Venturi. Les mesures ont été réalisées sur la position 4 (sur 5) d un aspirateur de débit théorique maximal de 49 dm 3 /s. Un embout de gonflage de ballon est placé en bout de tuyau flexible Position des trous B A C Diamètre (mm) 41 25 55 Section (m 2 ) S B = 1,32 1 3 S A = 4,91 1 4 S C = 2,38 1 3 Pression p (hpa) p B = 995 p A = 968 p C = 998 Vitesse d écoulement v (m s 1 ) v B = 25,8 v A = 69,2 v C = 14,32 On calcule d abord v B en appliquant la formule donnée dans le manuel : v B = 25,8 m s 1. On calcule ensuite le débit : Q = S B v B = 34 dm 3 s 1. Ce débit est le même pour les trois diamètres. On en déduit v A = Q S A et v C = Q S C. Réponses aux questions 1. La pression de l air est la plus faible au niveau de la section du tube de plus faible diamètre : pour D A = 25 mm, p A = 968 hpa. 2. La vitesse d écoulement de l air est la plus forte au niveau de la section du tube de plus faible diamètre, là où la pression est la plus faible : pour D A = 25 mm, v A = 69,2 m s 1. INFOS DOC Les débitmètres 1. On peut utiliser un débitmètre massique thermique (faible débit). 2. Ces quatre débitmètres n ont pas de pièces mécaniques en mouvement : leur usure est peu importante et leur longévité est grande. Cette propriété entraîne une économie de maintenance dans les dispositifs les utilisant. CAPITRE 2 - Quels sont les comportements des fluides utilisés dans l habitat? 9
EXERCICES Tester ses connaissances Q.C.M. 1 : B. 2 : A, B et C. 3 : C. 4 : B, C. 5 : C. 6 : B. Apprendre à résoudre Débit d un réservoir Niveau l COMPRENDRE 1. Pression au niveau de la vanne fermée : p v = p atm + ρ g h = 1 5 + 85 1 1,8 = 115 3 Pa. 2. Force pressante exercée par le gasoil sur la vanne : F = p S = 115 3 2 5 1 4 = 57,7 N. 3. pression vitesse altitude Surface libre de l eau p atmos 1,8 Vanne p atmos v L équation de Bernoulli simplifiée donne : 1 2 ρ.v 2 = ρ g z 1 soit v = 2.g.z 1 = 6 m s 1. 4. Débit volumique : Q L = v S = 6 5 1 4 = 3 1 4 m 3 s 1 = 3 L s 1. Débit massique : Q m : m Δt = ρ.v Δt = ρ Q L = 85 3 1 4 = 2,55 kg s 1. Château d eau Niveau l APPLIQUER 1. Dénivellation entre la surface libre de l eau du château d eau et la vanne : h = p p atm ρ.g (5 1) 15 = 1 3 = 4 m. 1 2. Force pressante exercée sur l obturateur : ( 4 1 2 ) 2 F = p S = 5 1 5 π = 2π = 628 N. 4 628 N < 8 N donc la vanne convient. 3. L équation de Bernoulli simplifiée permet d écrire : v = 2g.h d où le débit volumique Q L = S 2g.h = π(4 1 2 ) 2 2 1 4 4 = 35,5 1 3 m 3 s 1 soit 35,5 L s 1. Tester ses compétences 1. Les différentes pressions 1. Avec A on mesure p 2 ; avec B, on mesure p 1. 2. A mesure une pression absolue p 2 et B une pression relative p 1. 3. Pour la pression absolue, la référence est le vide absolu. Pour la pression relative, c est la pression ambiante (p atm locale). 2. Théorème fondamental de l hydrostatique 1. Théorème fondamental de l hydrostatique : entre deux points A et B d un fluide au repos, on a : p B p A = ρ g h. 2. p B = p A + ρ g h = 1,5 1 5 Pa. 3. Vitesse moyenne 1. Volume : V = S l. 2. V représente le débit volumique Q L et l la Δt Δt valeur de la vitesse d écoulement v. En divisant la relation de la première question par Δt, on a : V Δt = S l soit Q L = S v. Δt (Q en m 3 s 1 ; S en m 2 ; v en m s 1 ). 3. Vitesse moyenne des particules d eau : v = Q L S 4,5 1 5 = 2 1 4 =,225 m s 1. 4. Mesure d un débit 1. Le débit se conserve donc : v A S A = v B S B v A = v B S B (S B < S A ) donc v A < v B. S A 2. La vitesse d écoulement dans le col est supérieure à celle du convergent. Pression différentielle : Δp = p A p B = (982 97) 1 2 = 1 2 Pa. Avec le théorème de Bernoulli, on a 1 2 v 2 A + p A ρ = 1 2 v B 2 + p B ρ v B 2 v 2 A = 2 Δp ρ 2Δp et v A = v B S B on obtient v B = ρ S. A 1 S 2 B S A 3. En utilisant la relation établie, on a v B = 44,4 m s 1. On en déduit le débit volumique : Q L = S B v B = 3 1 4 44,4 = 13,3 1 3 m 3 s 1 soit 13,3 L s 1. 5. Loi de continuité 1. Lors de l écoulement d un fluide, la matière se conserve : le débit massique est le même pour toute les sections droites d une veine de courant. Lorsque le fluide est incompressible, le débit volumique est également constant et l on a : Q = Q 1 = Q 2 + Q 3 + Q 4 2. Q = 3 m 3 s 1 et Q 3 = Q 1 Q 2 Q 4 = 1,8 m 3 s 1. 3. On peut établir une analogie avec la loi d unicité d un circuit série et la loi d additivité des intensités dans un nœud. 1 CAPITRE 2 - Quels sont les comportements des fluides utilisés dans l habitat?
6. Fuite d une chasse d eau 1. Débit volumique correspondant à cette fuite : Q L = V t = 1,2 1 4 6 2. Coût annuel du gaspillage : = 2 1 6 m 3 s 1. V = Q L t = 2 1 6 3 6 365 = 63 m 3, soit un coût de 158. Applications technologiques 7. Presse hydraulique 2D 1. Lorsque la main exerce une force de valeur F B, le petit piston transmet au liquide une force pressante de valeur : F N = OB OA F B. La surpression Δp transmise au point M est telle que Δp = F N = F M (théorème de Pascal). S N S M F M = OB OA F B S M = OB 2 S N OA F B M N = 5 2 12 2 3 = 16 N. 2. Le rapport de transmission du dispositif est de : F M F = OB 2 B OA M N = 5 4 2 = 8 F M F = 8. B 8. Vérin «double effet» 1. Valeur de la force F 1 exercée sur le piston par le liquide de la chambre ➀ : F 1 = p 1 S 1 = 2 1 5 π 1 6 (55 2 28 2 ) = 14,8 1 3 N. 2. Valeur de la force F 2 exercée par le liquide de la chambre ➁ : F 2 = p 2 S 2 = 8 1 5 π 1 6 55 2 = 7,6 1 3 N. 3. En bout de tige, la valeur de la force est : F 3 = F 1 F 2 = 6,48 1 3 N. Sa direction est horizontale et son sens vers la gauche. 4. Pour avoir une tension de câble de 8 1 3 N, la pression dans la chambre ➁ est telle que : F 2 = p 2 S 2 = F 1 F 3 soit p 2 = F 1 F 3 (14,8 8) 13 = S 2 π 55 2 1 6 = 6,4 15 Pa soit 6,4 bars. 9. Torricelli 1. L eau étant incompressible, il y a conservation du débit volumique : Q A = Q R soit : v A S A = v R S R d où v A = v R S R = D 2 R S A v R. D A v A = 3 2 1 2 3 v R = 1 4 v R ; v A, étant le dix millième de v R, est négligeable devant v R. 2. Les points A et R sont ouverts à l atmosphère donc p A = p R = p atm. La dénivellation entre A et R est : z A z R = 2,5 m. 3. L équation de Bernoulli p A = p R = p atm donc : p A + ρ. v A 2 2 + ρ g z A = p R + ρv R 2 2 + ρ g z R devient v R 2 2 = ρ g (z A z R ) = ρ g h soit v R = 2 g h et v R = 2 9,8 2,5 = 7 m s 1. 4. Evangelista Torricelli est un mathématicien et physicien italien (168-1647), Il fut secrétaire de Galilée et professeur à l Académie de Florence. Il effectua des recherches sur la pression atmosphérique et fut l inventeur du baromètre. Il énonça la loi qui porte son nom sur l écoulement des liquides. 1. Lave-linge 1. Durée d évacuation de l eau : Q = V t donne t = V 18 6 = = 18 s soit 1 min 48 s. Q 1 2. Vitesse d écoulement de l eau dans le tuyau : Q = v S donne v = Q S = 1 1 3 4 6 π 25 2 1 6 =,34 m s 1. 3. Pression de l eau à la sortie de la pompe : p = p atm + ρ g (z 2 z 1 ) = 11 3 + 1 3 1 1,1 = 112 3 Pa. 11. Jet d eau 1. Sur le graphique suivant, on lit que, pour une hauteur de 2 m et un débit de 2 L min 1 soit 12 m 3 h 1 (coordonnées du point A), on doit sélectionner le régime 2. (m) 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1,5 2 4 6 8 3 A 1 2 D v (m 3. h 1 ) 1 12 14 16 18 2 22 24 26 2. Vitesse de l eau Q 2 1 1 4 v cond = = S cond 6 π (1 1 ) 2 =, 424m s 1. Vitesse d éjection : en appliquant l équation de continuité, on a Q = V buse S buse = v cond S cond soit : CAPITRE 2 - Quels sont les comportements des fluides utilisés dans l habitat? 11
2 D v buse = cond D buse v cond = 16 v cond = 6,79 m s 1. 3. Le théorème de Bernoulli entre A et B s écrit : 1 2 ρ.v A 2 + p A + ρ g z A = 1 2 ρ.v B 2 + p B + ρ g z B avec p A = p B = p atm ; v B = ; z A = ; on obtient 1 2 v 2 A = g z B soit z B = v 2 A 2 g = 6,782 = 2,35 m. 2 9,8 12. Les pompiers 1. Vitesse de l eau à la sortie de la pompe : v M = Q 1 4 = S M 6 π (8 1 2 ) 2 = 3,32 m s 1. 2. Vitesse à la sortie de la lance : v A = Q 1 4 = S A 6 π (2,5 1 2 2 = 34, m s 1 ) 2 D (ou v M M D A = 3,32 1,24 = 34, m s 1 ). 3. Avec z A = z M, l équation de Bernoulli s écrit : p A + ρ v A 2 2 = p M + ρ v M 2 2 d où p M = p A + ρ ( v A 2 2 v M 2 2 ) = 15 + 13 2 (34,2 3,32 2 ) = 672 5 Pa, soit 6,73 bars. Le coin du chercheur L expérience montre que la pression de l air est suffisamment importante pour pouvoir écraser une canette vidée de l air qu elle contient. En effet, lorsqu on chauffe la canette, l eau qui est à l intérieur bout : transformée en vapeur, elle expulse l air de la canette. Une fois la canette retournée sur un cristallisoir contenant de l eau froide, la vapeur d eau se condense brutalement et la pression à l intérieur devient nettement inférieure à la pression atmosphérique ; il se produit alors un écrasement de la canette sous l effet des forces pressantes s exerçant sur la face extérieure. 12 CAPITRE 2 - Quels sont les comportements des fluides utilisés dans l habitat?
3 Comment utiliser un fluide pour chauffer ou refroidir? ACTIVITÉS Activité 1 : Comment vaporiser de l eau? Exemple de courbe enregistrée avec un capteur de température : Voir ci-contre. Température ( C) Réponses aux questions 1 1. Le phénomène d ébullition de l eau se produit à une température de 1 C sous la pression atmosphérique. 2. L apport de chaleur provoque l élévation de la température de l eau lors de la première partie de la courbe. 3. Dans la deuxième partie de la courbe la température de l eau n évolue plus. La chaleur apportée à l eau provoque sa vaporisation. Activité 2 : L évaporation peut-elle provoquer une baisse de température? Réponses aux questions 1. La température de l eau dans le tube à essai diminue rapidement. 2. À la fin de l expérience le tissu est sec, l éther liquide qui imbibait le chiffon s est vaporisé. 3. L éther s est vaporisé, à la température de la salle, sans ébullition. 4. Pour passer de l état liquide à l état vapeur, l éther a puisé de la chaleur dans le milieu environnant, dont le verre du tube à essai et l eau qui se refroidissent. 5. La perméabilité de la terre cuite permet à l eau de la gargoulette d humidifier l extérieur de la poterie. Sous l effet de la vaporisation de l eau à l extérieur de la poterie, de la chaleur est prise à la terre cuite et à l eau qu elle contient, ce qui permet de les refroidir. Activité 3 : Comprendre le principe d une pompe à chaleur 8 6 4 2 Temps (min) 15 2 Réponses aux questions 1. Le changement d état qui permet de prendre de la chaleur au milieu environnant est la vaporisation (passage de l état liquide à l état vapeur). C est donc l évaporateur qui puise de la chaleur dans son milieu extérieur. 2. L évaporateur est situé à l extérieur de la maison en hiver pour y puiser de la chaleur. 3. Le condenseur permet de libérer de la chaleur du fait de la transformation physique eau vapeureau liquide. Il est situé à l intérieur de la maison en hiver. 4. Une pompe à chaleur puise de la chaleur dans un milieu froid grâce à la vaporisation d un fluide. Elle libère de la chaleur dans le milieu chaud en utilisant la condensation de ce fluide. 5 1 CAPITRE 3 - Comment utiliser un fluide pour chauffer ou refroidir? 13
Activité 4 : L eau bout-elle à 1 C? Températures d ébullition de l eau sous différentes pressions : θ ( C) 59 5 4 31 p (hpa) 177 115 71 42 Réponses aux questions θ ( C) 1. Courbe ci-contre. Plus la pression qui règne au-dessus de l eau liquide est basse plus sa 6 température d ébullition est basse. 2. La pression au sommet du 5 Mont-Blanc est bien inférieure à la pression atmosphérique au niveau de la 4 mer. La température d ébullition de l eau est alors inférieure à 1 C, et la cuisson des aliments sera lente. 3 p (hpa) 3. Dans un autocuiseur la pression est supérieure à la pression atmosphérique 5 1 15 au niveau de la mer, la température d ébullition de l eau sera alors supérieure à 1 C, et la cuisson des aliments sera plus rapide et donc plus économe en énergie. TRAVAUX PRATIQUES 2. Questions préliminaires L énergie nécessaire au chauffage d une masse m d eau de la température θ 1 à la température θ 2 est donnée par la relation : Q = m c eau (θ 2 θ 1 ). L énergie nécessaire à la vaporisation d une masse m d eau est donnée par la relation : Q = m L vap. 3. Expérimentation Résultats expérimentaux d un groupe de TP : Courbe de montée en température de l eau du ballon : 1 Température ( C) 8 6 Temps (min) 8,5 Temps (min) 12, Température ( C) 79,9 Température ( C) 99,8 4 2 5 1 Temps (min) 14 CAPITRE 3 - Comment utiliser un fluide pour chauffer ou refroidir?
Masse d eau condensée recueillie, pour t = 1 minutes : m c = 22,65 g = 22,65 1 3 kg. Exploitation des résultats : 1. Q = m eau c eau (θ f θ i ) =,2 4,18 (1 8) = 16,7 kj. 2. On note sur la courbe de montée en température que la durée nécessaire pour que la température de l eau passe de 79,9 C à 99,8 C (soit un écart très voisin de 2 C) est : t = 12 8,5 = 3,5 min = 3,5 6 = 21 s. 3. La puissance reçue par l eau du ballon est : P = Q/t = 16,7 1 3 21 = 79,5 W. 4. En 1 minutes l eau en ébullition reçoit donc une quantité d énergie : Q = 79,5 1 6 = 47,7 kj L v = Q /m c = 4. Exploitation des résultats d un groupe de TP 1. et 2. Tableau de résultats de 7 groupes de TP : 47,7 22,65 1 3 = 2,11 13 kj kg 1. i 1 2 3 4 5 6 7 L vi (1 3 kj kg 1 ) 2,11 2,41 2,37 2,29 2,61 2,65 2,1 (L vi L v(moyen) ) 2 6,76 1 4,25 1 4,1 1 4,49 1 4 6,25 1 4 8,41 1 4 6,77 1 4 L v(moyen) = 2,36 13 kj kg 1. L écart type est : σ n 1 = 2,19 1 2 kj kg 1. 3. Pour un échantillon de 7 mesures t n(95%) = 2,45. D où : L v = (2,36 13 ± 2,45 2,19 12 ) kj kg 1 ; L v = 7 (2,36 ±,2) 13 kj kg 1. 4. La valeur de L v donnée par les tables est égale à 2,26 1 3 kj kg 1. Le résultat obtenu expérimentalement, avec son intervalle de confiance, encadre cette valeur : 2,16 1 3 kj kg 1 < 2,26 1 3 kj kg 1 < 2,56 1 3 kj kg 1. CAPITRE 3 - Comment utiliser un fluide pour chauffer ou refroidir? 15
EXERCICES Tester ses connaissances Q.C.M. 1 : C. 2 : C. 3 : B et C. 4 : A et C. 5 : B et C. 6 : A et B. 7 : B et C. Apprendre à résoudre Une casserole oubliée sur le feu! Niveau l COMPRENDRE 1. Q =,8 P t Q =,8 1 2 3 6 = 1 728 kj 2. Q = m L vap. 3. m = Q L vap ; m = 1 728 2 257 =,765 kg = 765 g. 4. Comme la casserole ne contenait que,5 litre d eau soit 5 g, toute l eau est vaporisée, il n en reste plus dans la casserole. Débit de vapeur d un fer à repasser Niveau l APPLIQUER 1. La quantité de chaleur apportée par le fer à l eau est : Q = P chauffe t Lorsque l eau a atteint sa température de vaporisation, cette quantité de chaleur provoque l évaporation d une masse d eau, m, telle que : Q = m L vap. On a donc : m L vap = P chauffe t. Comme le débit de vapeur est : d = m t ; on a : d = P chauffe. L vap(eau) 2. Le débit de vapeur est égal à 3 g min 1, soit à,5 g s 1. 3. P chauffe = d L vap =,5 2 257 1 13 W. 4. La puissance de chauffe de l eau du réservoir ne représente qu environ 55 % de la puissance nominale du fer (1 1 13/2 ). Outre les pertes thermiques qui diminuent le rendement du fer, une partie importante de la puissance permet de maintenir à température la semelle du fer en contact avec le linge. Tester ses compétences 1. Vaporisation, ébullition, évaporation Les propositions d et f sont exactes. Proposition a : De l eau liquide à 2 C peut s évaporer si la pression de vapeur d eau saturante au-dessus du liquide n est pas atteinte. Proposition b : Pour faire bouillir de l eau liquide il faut lui fournir de l énergie, c est aussi nécessaire pour qu elle s évapore. Proposition c : La vaporisation de l eau liquide s effectue par ébullition ou par évaporation. Proposition e : Lors de l ébullition l eau se vaporise à sa surface, et en son sein. 2. Les chaleurs latentes de vaporisation de quelques corps purs 1. Une molécule est polaire lorsque le barycentre des charges négatives (électrons) n est pas superposé à celui des charges positives (protons). Cela se produit lorsqu il y a un déplacement des électrons des liaisons vers un des atomes de la molécule. Il apparaît alors une dissymétrie des charges électriques avec l apparition d un excédent de charges négatives sur l atome qui attire le doublet liant et de charges positives sur l autre atome de la liaison. Pour la molécule d eau c est l atome d oxygène qui attire les électrons liants, il porte donc un excédent de charges négatives alors que les deux atomes d hydrogène portent un excédent de charges positives. 2. La molécule de dioxygène, O = O, est symétrique. Les électrons liants ont de part et d autre les mêmes atomes qui donc ne peuvent pas attirer les doublets liants l un plus que l autre. 3. On peut constater que l eau a une chaleur latente de vaporisation bien supérieure à celles des trois autres corps purs. Ceci s explique par l existence de liaisons hydrogène entre les molécules d eau qui sont polaires. Il est donc nécessaire de fournir plus d énergie pour rompre ces liaisons lors de la vaporisation du liquide. 3. Les états de l eau des circuits primaire et secondaire d une centrale nucléaire 1. La courbe rouge du diagramme (p, T) délimite l état liquide de l état vapeur de l eau et correspond à l équilibre entre ces deux phases. 22 2 15 1 5 P (Bar) 55 bars 5 Eau liquide 286 C Eau vapeur 27 C 323 C T ( C) 1 15 2 25 3 35 4 16 CAPITRE 3 - Comment utiliser un fluide pour chauffer ou refroidir?
2. Le domaine de l eau liquide se situe à gauche de la courbe, et celui de l eau vapeur à droite. 3. En reportant les valeurs de la pression et de la température de l eau du circuit primaire de la centrale (155 bars, 323 C) on constate que l eau est à l état liquide dans le circuit primaire. 4. Pour que l eau soit à l état de vapeur à 55 bars, sa température doit être supérieure à 27 C environ. 4. Temps de décongélation 1. Dans la première partie de la courbe la chaleur apportée par les micro-ondes provoque l élévation de la température de la glace de 18 C à C. dans la deuxième partie l énergie assure la fusion de la glace qui se réalise à température constante, C, sous la pression atmosphérique. Température ( C) I II au sein du liquide. Or, lorsque la température du liquide augmente, l agitation moléculaire augmente, et les molécules d eau au sein du liquide ont une vitesse plus grande qui leur permet de rompre plus facilement ces liaisons hydrogène. 6. Le digesteur 1. La soupape de sécurité permet de limiter la pression dans l appareil, lorsqu on le chauffe, pour éviter qu il explose. 2. 3 θ ( C) 1 15 11 115 12 125 P (atm) 1, 1,22 1,46 1,75 2,7 2,44 P (atm) 2 P 2 = 1,95 1 5 Pa P 1 = 1,55 1 5 Pa 18 Glace Fusion de la glace Liquide Temps Durée de décongélation 2. Dans la partie I, l énergie liée à l élévation de température de la glace est : Q 1 = m c glace (θ final θ initial ) =,5 2,22 18 = 2 kj. Dans la partie II, l énergie liée au changement d état est : Q 2 = m L glace =,5 334 = 167 kj. 3. L énergie fournie par le four à micro-onde est donnée par la relation : Q = P t ; Et : Q = Q 1 + Q 2. D où : t = Q 1 + Q 2 187 13 = P 1 3 = 187s. La durée décongélation est donc de 3 minutes environ. Applications technologiques 5. Générateur de vapeur 1. Les applications numériques donnent : L v (1 C) = 2 26 kj kg 1 ; L v (15 C) = 2 115 kj kg 1 ; L v (2 C) = 1 97 kj kg 1. 2. L v diminue lorsque la température augmente. 3. La chaleur latente de vaporisation de l eau correspond à l énergie nécessaire à la rupture des liaisons hydrogène qui s établissent entre les molécules d eau 1 θ 1 = 111,5 C θ 2 = 118 C θ ( C) 1 11 12 13 3. Voir graphe : θ 1 = 111,5 C ; θ 2 = 118 C. 4. La cuisson des aliments dans un autocuiseur se fait à une température supérieure à 1 C (112 C). Comme la température accélère la vitesse des réactions chimiques, la cuisson des aliments est plus rapide. Ce qui permet d économiser de l énergie. 7. Un thé glacé 1. La glace prend de la chaleur à la boisson qui en cède. 2. Q glaçon = m glace L f glace + m glace c eau liq (θ f C) = m glace L f glace + m glace c eau liq θ f. Q thé = m thé c eau liq (25 θ f ). 3. Comme le système (thé + glaçon) n a pas échangé de chaleur avec le milieu extérieur on a : Q glaçon = Q thé ; m glace L f glace + m glace c eau liq θ f = m thé c eau liq (25 θ f ) ; Soit : θ f = m thé c eauliq 25 m glace L f glace c eauliq (m glace + m thé ) 2,9 C. 8. La chaudière à condensation 1. C 4 + 2O 2 = CO 2 + 2 2 O ; la combustion d une mole de méthane produit deux moles d eau. La masse d eau formée est : m = n M = 2 18 = 36 g. 2. Q = m L = 36 1 3 2 257= 81,5 kj. CAPITRE 3 - Comment utiliser un fluide pour chauffer ou refroidir? 17
3. Le pourcentage d énergie supplémentaire est : p = 81,5 1 1%. 81 9. Un fluide réfrigérant écologique, l ammoniac 1. Pour refroidir la glace il faut lui prendre de la chaleur. Il faut donc placer l évaporateur sous la glace de manière à ce que l évaporation du fluide frigorigène (qui consomme de l énergie) puisse refroidir la glace. 2. Pression de vapeur (bar) 1 8 6 5 4 3 2 1 22 23 24 25 26 27 28 29 3 Température (K) Pour une pression dans l évaporateur de 2,5 bars, la température de changement d état de l ammoniac est égale à 26 K. Soit : θ = 26 273 = 13 C. Cette température est suffisamment basse pour réfrigérer la glace de la patinoire à 6 C. 3. Dans le condenseur le changement d état s effectue à la température : T = 2 + 273 = 293 K. Le graphe donne une pression de vapeur saturante égale à 9 bars pour cette température. 4. La quantité de chaleur puisée à la source froide en une heure est : Q = P t = 1 3 6 = 3,6 1 6 kj. La masse d eau liquide qui pourra être solidifiée en une heure est : m = Q 3,6 16 = L f 3,34 1 2 1,8 14 kg. 5. Masse d eau de la patinoire : m = µ glace V = 917 (6 3,8) 1,32 1 5 kg. La durée nécessaire pour fabriquer la glace de la patinoire olympique est : t = m m 1,32 15 = 4 12 heures. 1,8 1 6. L énergie consommée par le compresseur pour la fabrication de la glace de cette patinoire est : E = 12 Q COP = 12 3,6 16 (kj) = 12 13 (kwh) 343 kwh. 3,5 3,5 1. L eau, pompe thermique de notre Terre 1. L énergie solaire. 2. Énergie reçue par les mers et les océans par an : E an = 8 (3,6 1 8 1 6 ) (365 24 3 6) = 9,1 1 23 J = 9,1 1 2 kj. 3. Masse d eau vaporisée : m = E an 9,1 12 = L vap 2,257 1 3 4, 117 kg. Soit un volume d eau liquide : V = 4, 1 17 dm 3. Or : 1 dm 3 = 1 12 km 3. D où : V = 4, 1 5 km 3. 4. L eau vaporisée se condense dans l atmosphère en formant les nuages. Cette transformation de l eau vapeur en eau liquide libère de la chaleur qui réchauffe l atmosphère. Le coin du chercheur : L eau liquide pulvérisée sur les plantes se congèle sur les feuilles et les bourgeons, et forme une enveloppe de glace, ce qui a un double effet : une protection contre le froid en formant une enveloppe isolante ; la chaleur latente de fusion libérée par l eau, lors de sa solidification, maintient la température de la plante à C. Il est nécessaire que le manchon de glace soit en permanence humidifié, d où les quantités importantes d eau consommées pendant ces opérations (2 m 3 par heure et par hectare). 18 CAPITRE 3 - Comment utiliser un fluide pour chauffer ou refroidir?
4 Comment les ondes électromagnétiques sont-elles utilisées pour les communications dans l habitat? ACTIVITÉS Activité 1 : Comment l information est-elle transmise par une télécommande à infrarouge? Matériel pour un poste Un générateur continu 6V. Une photodiode BPW34 sensible aux IR (montée en inverse). Un conducteur ohmique de 15 kω. Un système Exao avec capteur de tension. Paramétrer le système d acquisition afin que la mesure démarre dès que la valeur de la tension varie. Paramétrage logiciel WinOrphy Réponses aux questions 1. Le signal est périodique. La tension varie par impulsion entre U max et. 2. Si on éloigne la télécommande de la photodiode, il faut bien viser pour que le rayonnement soit détecté. De plus, l intensité du signal perçu diminue. 3. Une simple feuille de papier intercepte le rayonnement IR. Activité 2 : Comment détecter une onde hertzienne? Matériel nécessaire pour un poste Un module musical. Un multiplieur. Un GBF pouvant fournir une tension de 2 à 3 Mz. Un poste de radio. De longs fils de connexion. Réponse aux questions 1. Non, l éloignement modéré ne modifie pas la qualité de la réception. 2. Le signal n est perturbé que lorsque l antenne est recouverte par le grillage. Dans les autres cas, l onde hertzienne traverse le matériau. 3. Il est nécessaire de pouvoir commander une alarme de différents endroits de la maison sans difficulté. L utilisation d une télécommande à IR interdirait le pilotage de l alarme à partir d une autre pièce que celle dans laquelle se trouve la centrale de pilotage. CAPITRE 4 - Comment les ondes électromagnétiques sont-elles utilisées pour les communications dans l habitat? 19
Activité 3 : Comment transporter une information avec de la lumière? Matériel nécessaire pour un poste Circuit émetteur : Un GBF. Une DEL haute luminescence. Une résistance de protection de 1 kω. Circuit récepteur : Une photodiode BPW34 sensible aux IR. Un générateur de courant continu. Une résistance de 15 kω. Réponse aux questions : 1. La fréquence du signal reçu est identique à celle du signal émis. 2. La lumière visible permet donc de transporter de l information. 3. L utilisation de la fibre optique permet de transporter le rayonnement visible et donc de l information sur de grandes distances. INFOS DOC Pr Émetteur P = 1 W 2 m de fil. Atténuation 6 db/1 m Antenne gain 8 db Pa 1. Perte de 6/5 = 1,2 db : 1,2 = 1 log P a 1 donc Pa = 1 1,12 = 75,8 W L atténuation serait donc de 25 W. 2. Le gain de l ensemble ligne-antenne est égal la somme des gains soit : G global = 1,2 + 8 = 6,8 db 3. La puissance rayonnée est donc : Pr = 1 1,68 = 478 W. 2 CAPITRE 4 - Comment les ondes électromagnétiques sont-elles utilisées pour les communications dans l habitat?
EXERCICES Tester ses connaissances Q.C.M. 1 : C. 2 : A, C. 3 : A, B. 4 : B. 5 : A. 6 : B, C. 7 : A. 8 : A, C. Apprendre à résoudre Télécommande de télévision Niveau l COMPRENDRE 1. Ces ondes font partie du domaine des infrarouges. 2. La célérité de cette onde dans l air est égale à celle dans le vide soit c = 3 1 8 m s 1. 3. ν = c λ = 3,4 114 z, T = λ c = 2,97 1 15 s. 4. E = h c λ = 2,23 1 19 J. Télécommande de volets Niveau l APPLIQUER 1. Domaine des ondes hertziennes ou ondes radios ; 2. λ = c =,691 m soit 69,1 cm. ν 3. Cette onde sert de support au transport de l information. On l appelle l onde porteuse. 4. Car les infrarouges sont arrêtés par les obstacles alors que l onde porteuse peut se réfléchir ou se réfracter donc être utilisée efficacement dans toute la maison. 5. C est un signal modulé en amplitude. T = 4,5 ms = 2 ms donc ν = 5 z. Tester les compétences 1. Corriger les phrases 1. La fréquence d un rayonnement infrarouge est plus grande que la fréquence d une onde hertzienne. 2. Vrai. 3. Vrai. 4. ν IR < ν visible 5. Les OEM ci-après sont classées dans l ordre des fréquences décroissantes : visible, IR, micro-ondes, ondes hertziennes. 6. Les UV ont une longueur d onde plus petite que les rayonnements visibles. 2. Fréquence et longueur d onde Domaine d appartenance de l onde Fréquence ν Longueur d onde λ IR 3 1 13 z 1 5 m Micro-ondes 3 1 1 z 1 2 m Ondes hertziennes 3 Mz 1m Ondes hertziennes 3 1 5 z 1 km 3. Domaines des ondes utilisées dans les communications 1. La fréquence des ondes électromagnétiques utilisées dans les communications est plus petite que celle des ondes utilisées dans le domaine médical. 2. 1 : visible. 2 : IR. 3 : micro-ondes. 4 : ondes hertziennes. 4. Grandeurs physiques 1. La célérité de cette onde dans l air est égale à celle dans le vide soit c = 3 1 8 m s 1 ; 2. T = 1/ν = 4,16 1 1 s ; λ = c/ν =,125 m. 3. La période T représente la durée entre deux valeurs maximales du champ électrique. La longueur d onde représente la longueur dans l espace entre deux valeurs maximales de l onde. 5. Des ondes dans l espace 1. Oui le signal est périodique. 2. T = 2 ms donc ν = 5 z. 3. Cette fréquence est la même que la fréquence du réseau électrique. 4. Tous les fils du réseau qui sont sous tension produisent une onde électromagnétique de 5 z. 6. Dans le vide 1. On utilise les ondes hertziennes (9 Mz ou 1 8 Mz). 2. Ces ondes se propagent dans le vide car malgré le fait que le téléphone soit dans le vide sous la cloche, son antenne capte l appel. 3. Les ondes visibles sont aussi présentes car on voit l écran s animer. 7. Dans l espace Ces astronautes communiquent soit par la vue (ondes électromagnétiques visibles), soit par radio (micro ondes). 8. Structure d une OEM 1. La double flèche représente la longueur d onde λ qui s exprime en mètre (m). 2. E représente le champ électrique de l onde et B le champ magnétique. 3. E et B ont même période et même longueur d onde, sont toujours perpendiculaires l un par rapport à l autre, ont des amplitudes en rapport constant 9. Réseau de téléphonie mobile 1. Selon le schéma l intensité du champ électrique diminue très rapidement avec la distance parcourue. 2. Dans une zone rurale, le signal rencontre moins CAPITRE 4 - Comment les ondes électromagnétiques sont-elles utilisées pour les communications dans l habitat? 21
d obstacles qu en ville. De fait, la coupure du service indoor est atteinte après 1 km en ville et après environ 5 km à la campagne. 1. Réseau local sans fil (WLAN) 1. λ = c/ν soit λ 1 = 2,998 1 8 2 4 1 6 =,125 m et λ 1 = 2,998 1 8 2 483,5 1 6 =,121 m. La plage des longueurs d ondes est donc : 12,1 cm < λ < 12,5 cm. 2. Une communication wifi peut être perturbée par un micro-onde ou par une radiodiffusion en ondes moyennes (2,45 1 6 z). 11. Fibre optique 1. Faux : Une fibre optique transporte des informations sous forme de rayonnement infrarouge visible. 2. Faux : Dans une fibre optique, un rayon lumineux transporte l information à une vitesse de 2 km h 1 km s 1. 3. Vrai : Dans une fibre optique, l information est sous forme numérique. 4. Vrai : Avant d être transmis par l intermédiaire d une fibre optique, un son doit subir une conversion. 12. Fenêtres de toit et volet roulant 1. Cette commande émet des ondes électromagnétiques de type micro-ondes. 2. À l intérieur, l onde peut être absorbée alors qu à l extérieur, elle se propage dans un espace plus libre. 13. Calcul d un signal modulé 1. Enregistrement d un son a. La période du signal est 4 ms donc la fréquence est 1 ν = 3 = 25 z. 4 1 b. La courbe représentant Us (en bleu) est celle qui correspond à la tension produite par le microphone seul. c. La valeur de la tension E est égale au décalage vertical entre les deux courbes soit 3V. 2. Modulation a. La période de ce signal est de 2,3 ns soit 2,3 1 9 s. Sa fréquence est donc ν = 4,35 1 8 z soit 435 Mz. L amplitude du signal est de 6 V. b. Cette onde est appelée l onde porteuse. Elle permet de transporter l information. c. Ce signal est appelé signal modulé. Il est satisfaisant car son enveloppe a exactement la forme du signal portant l information appelé le signal modulant. 14. Décibel 1. Valeur en décibel = 1 log valeur mesurée 1. valeur de référence 2. Niveau = 1 log 1 1 1 = 1 dbµv m 1. 3. 17 = Puissance = 1 log 1 1 1 = 2 dbmw donc Par = 1 1 1,7 = 51 W. 4. Puissance = 1 log 1 1 1 = 2 dbmw. 5. Atténuation = 1 log 1 1 2 = 3 dbmw 15. Valeur du champ électrique Thomas veut vérifier que la présence d une antenne de téléphonie mobile à environ 5 mètres de son domicile n implique pas un dépassement de la norme pour la valeur du champ électrique (E < 61 V m 1 ). Thomas croit savoir que l émetteur a une puissance de 1 5 W. 7,2 15 1. E = = 5,44 V m 1. 5 2. 7,5 = 1 log E 1 1 soit E = 5,62 V m 1, valeur voisine de la valeur calculée. 5,62 5,44 3. Écart relatif = =,33 soit 3,3 % d écart 5,44 entre les deux valeurs. Le coin du chercheur 1. L antenne au fond de la vallée peut capter car l onde peut se réfléchir sur les montagnes pour atteindre le fond de la vallée. 2. L onde ne pourra pas traverser la montagne car la puissance sera insuffisante. Cependant, pour des OEM de basse fréquence donc de grande longueur d onde, dans une certaine mesure, l onde pourra contourner la montagne et continuer à se propager derrière celle-ci. On appelle ce phénomène la diffraction. Une onde kilométrique (de quelques centaines de kz) n aura pas de difficulté pour franchir une montagne. Une onde décimétrique sera pratiquement arrêtée alors qu une onde centimétrique sera arrêtée même par une petite colline. 22 CAPITRE 4 - Comment les ondes électromagnétiques sont-elles utilisées pour les communications dans l habitat?
5 Qu est-ce que la domotique? ACTIVITÉS Activité 1 : Comment passe-t-on du capteur à l actionneur? Matériel Platine électronique ou circuit imprimé avec les composants. Si on ne dispose pas de relais, on pourra le remplacer par une DEL pour faire comprendre le principe de fonctionnement. Réponses aux questions 1. Si la photorésistance est dans l obscurité, sa résistance est très grande donc la tension à ses bornes est importante. Par conséquent U AM > U CM. Inversement, si la photorésistance est éclairée, sa résistance est faible donc U AM est petit. Dans ce cas U AM < U CM. 2. Le moteur fonctionne lorsque U AM < U CM donc lorsque la photorésistance est éclairée. 3. La photorésistance constitue le capteur, le CIL est l étage électronique du capteur et le relais est l actionneur. 4. En choisissant convenablement, on peut piloter l ouverture de volets roulants, il faut choisir convenablement les valeurs des résistances afin que l ouverture se fasse pour un certain éclairement. Activité 2 : Comment convertir un éclairement en un signal numérique? Matériel Une platine de conversion analogique numérique. Un générateur de tension continue réglé à 5 V. Une photorésistance. Une résistance. Un luxmètre. Une lampe d éclairage. Un multimètre Résultats U (V) E (lx) Nombre binaire N Valeur décimale de N 5 48 11111111 255 2,4 75 11111 122 2,3 66 11111 117 2,2 58 111 112 2,1 5 11111 17 2, 43 1111 12 Réponses aux questions 1. L étendue des éclairements mesurés est de 48 lux. 2. Pour chaque ligne du tableau, on vérifie l égalité. En réalité, on verra dans le cours que le pas du convertisseur est p = 5/(2 8 1) = 5/255. La tension de sortie est : U pas valeur décimale de N. Valeur décimale de N Donc U 5. 255 CAPITRE 5 - Qu est-ce que la domotique? 23
3. Si N = 11111, la valeur décimale de N est 17. La valeur de U est donc : U = 17 5 = 2,1 V. 255 Si U = 2, 4 V alors la valeur décimale de N est : N = U 255 5 = 122 et N écrit en binaire est donc 11111. 4. On voit dans le tableau qu à chaque fois que la valeur décimale du mot binaire augmente de 5 unités, la tension augmente de,1 V. On peut donc dire que à chaque fois que la valeur du mot binaire de sortie augmente d une unité, la tension d entrée augmente d environ,1/5 =,2 V. Le pas de ce convertisseur est donc environ égal à,2 V. En réalité, sa valeur théorique est p =,196 V. TRAVAUX PRATIQUES Questions préliminaires 1. Un CNA convertit une information sous forme numérique en une information sous forme de grandeur analogique le plus souvent électrique (tension, intensité, etc.) afin de commander un actionneur. 2. Les informations sous forme numérique sont transcrites par des mots binaires composées de plusieurs bits qui ne peuvent prendre que les valeurs ou 1. 3. Avec un mot binaire à 3 bits, on peut écrire 2 3 mots soit 8 mots. 4. On calcule la valeur décimale d un mot binaire en faisant la somme des produits des valeurs des bits avec leur poids. Le poids d un bit est égal à 2 n s il s agit du bit de rang n. Pour un mot de trois bits, n est un entier tel que : n 2 Expérience 1 Mot binaire a 2 a 1 a U s mesurée (V) Valeur du pas (V) 1,7,7 1 1,4,7 1 1 2,2,8 1 2,9,7 1 1 3,5,6 1 1 4,3,8 1 1 1 4,9,6 La valeur théorique du pas est : p = 4,9/7 =,7 V. Par conséquent : U s1 =,7 4 = 2,8 V U s111 =,7 7 = 4,9 V Réponses aux questions Expérience 1 Les valeurs théoriques correspondent aux valeurs mesurées. Expérience 2 1. Le convertisseur 3 bits manque de précision et ne permet donc pas de mesurer une tension d exactement 3V. En revanche, avec le convertisseur 8 bits, la précision est plus importante et on peut obtenir exactement 3V avec le mot 1111 en entrée. 5 En effet, le pas d un convertisseur 8 bits et de calibre 5 V est : p = 2 8 =,196 V. 1 3 La valeur décimale correspondant à une tension de 3 V est alors N = = 153 dont le mot,196 binaire est bien : 1111. 2. Ces convertisseurs permettent de coder des milliards de données. 24 CAPITRE 5 - Qu est-ce que la domotique?