Expérimentarium de l ULB. Fiche pédagogique sur Archimède 1
Expérimentarium de l ULB. Fiche pédagogique sur Archimède Plan Introduction 3 Expérience 1: L'eau dans l'eau 5 Objectif : Matériel : Démarche expérimentale : Questions : Expérience 2 : Poussée d Archimède sur des objets non-flottants 6 Objectif : Matériel : Démarche expérimentale : Questions : Expérience 3 : Notion de densité de l'objet 7 Objectif : Matériel : Démarche expérimentale: Questions : Expérience 4 : Objets flottants 9 Objectif : Matériel : Démarche expérimentale : Questions : Expérience 5 : Poussée d'archimède. Influence de la densité du fluide. 10 Objectif: Matériel: Démarche expérimentale: Questions : Même expérience avec un oeuf dans l'eau puis dans l'eau salée. 11 2 5 5 5 5 6 6 6 6 7 7 7 7 9 9 9 9 10 10 10 10
Expérimentarium de l ULB. Fiche pédagogique sur Archimède Matériel: Démarche expérimentale: Expérience 6 : principe d'archimède et équilibre d'objets flottants. 12 Objectif : Matériel: Démarche expérimentale: Questions: Expérience 7 : Le ballon gonflé 13 Objectif: Matériel: Démarche expérimentale: Question: Expérience 8 : Le ludion 14 Objectifs: Matériel: Construction du ludion : Question : 11 11 12 12 12 12 13 13 13 13 14 14 14 15 Introduction Certains objets flottent, pourquoi? Un objet semble moins lourd dans l eau que dans l'air, pourquoi? Et dans l air les montgolfières montent, pourquoi? Pour répondre à ces différentes questions, nous allons, à l'aide de diverses expériences, aborder la poussée d Archimède, son rapport avec les forces de pression et la quantifier à partir des notions de volume, de poids, de densité et, de densité moyenne. La stabilité d'un objet flottant et le rôle d'une "quille" dans le cas des bateaux seront également envisagés. Toutes les expériences sont facilement réalisables et ne nécessitent qu'un matériel rudimentaire. Pour des raisons de simplicité, nous nous sommes limités aux deux fluides principaux: l'eau et l'air. Dans cette première fiche nous nous attachons uniquement à l'aspect expérimental et pédagogique. Elle n'est pas destinée aux élèves. Elle décrit les expériences à réaliser de manière à se familiariser avec les notions de base indispensables pour pouvoir donner une leçon sur le principe d'archimède, dont un modèle est donné dans la fiche "leçon" (disponible sur demande). La partie explicative que le professeur recevra en fin de séance, est quasi uniquement qualitative, illustrée par des exemples. Sa lecture en est fortement conseillée car elle donne une connaissance suffisante pour 3
pouvoir répondre aux questions des élèves. Nous suggérons des questions dont les réponses se trouvent dans l'annexe. 4
Expérience 1: L'eau dans l'eau O b j e c t i f : Montrer que l eau dans l eau ne"pèse" rien. Un support, le ressort (voir fiche ressort), ou des élastiques, une boîte de film photographique vide, du fil de fer, un gobelet transparent rempli d'eau. D é m a r c h e e x p é r i m e n t a l e : A l'aide du fil de fer, réaliser un crochet pour accrocher la boîte au ressort (fig. ). Accrocher la boîte vide au ressort (fig. ). Noter sa position sur la feuille de mesure placée sur le support, en prenant le couvercle comme repère. Remplir la boîte d eau et fermer le couvercle. Accrocher la boîte remplie d eau au ressort. Noter sa position. Monter le gobelet d eau jusqu à ce que le couvercle de la boîte soit juste immergé (pour éviter l'instabilité de la boîte). Noter sa position. Remarque: On peut aussi faire l expérience avec un sac de plastique très léger et rempli complètement d'eau (pas d'air à l'intérieur) suspendu aux élastiques ou au ressort. Q u e s t i o n s : Quelle conclusion pouvez-vous tirer à partir des mesures de pesées que vous avez faites avec la boîte vide et la boîte pleine d'eau, dans l air ainsi que dans l eau? Rép. 1 La poussée dépend-t-elle de ce qui est dans la boîte? Rép. 2 5
Expérience 2 : Poussée d Archimède sur des objets non-flottants O b j e c t i f : Montrer que la poussée d Archimède est la même pour des objets immergés ayant les mêmes volumes. Le ressort, une boîte de film photographique vide, un gobelet transparent rempli d eau, du lest (rondelles métalliques ou autre). D é m a r c h e e x p é r i m e n t a l e : Placer le lest dans la boîte de manière à la faire "couler" dans le fond du gobelet. Refermer la boîte et vérifier qu il n'y a pas d eau qui puisse y entrer (les mesures seraient faussées). Noter sa position sur la feuille de mesure. Monter le gobelet d eau jusqu à ce que la boîte soit complètement dans l eau, sans toucher le fond. Noter sa position. Refaire l expérience avec des objets de masses différentes dans la boîte. Q u e s t i o n s : Comparez les mesures de pesées que vous avez faites dans l air et dans l eau. Quelles sont vos conclusions? Rép. 3 et Rép. 4 Pourrait-on prévoir la position qu'occupera la boîte dans l'eau compte tenu de l'expérience de l'eau dans l'eau? Rép.3 6
Expérience 3 : Notion de densité de l'objet O b j e c t i f : Notion de densité, de densité moyenne et leurs influences sur la flottaison. Notion de masse volumique d'une substance et la comparaison avec sa densité. 5 billes de mêmes volumes, mais de matières différentes : verre, acier, plasticine, cotillon bois (magasins spécialisés en petits travaux artisanaux. A Bxl. : "La Fourmi"), pour faire cette expérience il faut nécessairement une balance, si possible au gramme près, un mesureur de volume utilisé en cuisine. D é m a r c h e e x p é r i m e n t a l e : Classer les billes en fonction de leur poids. Déterminer le volume d'une des billes en la plongeant dans le mesureur plein d'eau. Noter la différence des niveaux et déduire le volume occupé. Pour plus de précision plonger plusieurs billes, le niveau de l'eau montera d'avantage, puis diviser la variation de volume par le nombre de billes. Déterminer lesquelles coulent et lesquelles flottent. Q u e s t i o n s : La masse volumique d'un objet est sa masse exprimée en Kg divisée par son volume exprimé en m³ (voir annexe; la masse est égale au poids divisé par 9,81 m/sec. 2 ). Comme les 5 billes ont le même volume, pourra-t-on les classer suivant leur masse volumique à partir de leurs poids? Rép.8 Si on divise la masse volumique d une substance par celle de l eau, on obtient la densité qui est une grandeur sans unité. La densité de l'eau est 1 (voir annexe). Calculez approximativement les densités des différentes billes. De ces résultats pourrez-vous déduire celles qui couleront et celles qui flotteront? Vérifiez expérimentalement vos prédictions. Rép.9 La densité moyenne: L'exemple est donné en comparant le comportement de la feuille d'aluminium pliée avec la même feuille mise sous forme de bateau. Le poids est resté le même, c'est le volume total qui a changé. Dans le premier cas, si le papier est bien pressé, on pourrait trouver le poids volumique de l'aluminium, dans le 7
second on trouverait le poids volumique moyen du bateau, qui est ce même poids divisé le volume délimité par la coque du bateau. On peut interpréter la flottaison des objets à l'aide de leurs densités (moyennes) comparées à celle de l'eau. Si la densité (moyenne) est supérieure à 1 il coule ; si elle est inférieure à 1, il flotte ; si elle est égale à 1, il restera entre deux eaux. A l aide d une balle de ping-pong percée, essayez de fabriquer un objet de densité égale à 1 en le lestant (par exemple avec du sable) et en refermant le trou avec du scotch. Délicat à réaliser! 8
Expérience 4 : Objets flottants O b j e c t i f : Montrer l importance du volume occupé par l'objet pour qu'il puisse flotter. Pourquoi un morceau d'aluminium coule-t-il alors que ce même morceau, façonné en bateau, flotte? Un morceau de papier d'aluminium, un récipient rempli d'eau. D é m a r c h e e x p é r i m e n t a l e : Plier le papier plusieurs fois sur lui-même en appuyant bien pour évacuer l'air et le plonger dans l'eau: il coule. En faire un bateau, il flotte. (S il est instable, fabriquer une quille pour le stabiliser. Coller un clou ou autre chose en dessous) stabilité Q u e s t i o n s : Donnez-en l'explication. Rép. 6 Pourquoi un bateau s'enfonce-t-il quand on le charge et quelle est la limite maximale de charge? Rép.7 "Le France" occupe 58000 m 3 dans l eau, ce qui représente le volume d'eau contenu dans un cube de 40 m de côté. Ce côté est équivalent à la hauteur d un 9building de 15 étages. C'est ce poids qui équivaut à la poussée d'archimède qui agit sur la partie immergée du bateau.
Expérience 5 : Poussée d'archimède. Influence de la densité du fluide. O b j e c t i f : Montrer le rôle de la densité du fluide sur la poussée. Une balle de ping-pong, un gobelet d'eau, un récipient rempli d'eau. D é m a r c h e e x p é r i m e n t a l e : Lâcher la balle dans l air. Placer la balle sous l eau et la lâcher. Q u e s t i o n s : Dans l'air, cette balle tombe. Pourquoi? Rép. 10 Dans l'eau, cette balle remonte. Pourquoi? Rép. 11 Quel est le paramètre qui a changé? Rép. 12 Certains oiseaux aquatiques flottent parce que leurs plumes sont huilées pour ne pas se mouiller, et que beaucoup d'air y est emprisonné ; leur densité moyenne est donc plus petite que celle de l eau. Ils se comportent comme une 10 balle sur l eau.
Même expérience avec un oeuf dans l'eau puis dans l'eau salée. Un œuf, un récipient rempli d'eau, du sel. D é m a r c h e e x p é r i m e n t a l e : Placer l œuf dans un verre d eau. Frais? Observer que l œuf coule. Mettre du sel et touiller pour dissoudre le sel dans l eau. En ajouter jusqu à ce que l œuf flotte. Pour augmenter la poussée d Archimède, on peut augmenter la densité du fluide en ajoutant par exemple du sel (sels minéraux). C est ce qui se passe dans la Mer Morte en Jordanie où la concentration en sel dans l eau est si importante (environ 7 fois celle de la Méditerranée) que l on y flotte sans effort en lisant son journal (Fig. 6).photo? Ici la densité de l'objet reste la même, c'est la densité du fluide qui augmente. Les Romains, eux, s'amusaient à flotter sur du mercure! Fig. 6. 11
Expérience 6 : principe d'archimède et équilibre d'objets flottants. O b j e c t i f : Se familiariser avec le principe d'archimède et s intéresser à l équilibre des objets flottants. Dans ce cas leu r poids est inférieur à la poussée due à l'eau (Archimède). Comprendre pourquoi un bateau peut se retourner s'il est mal chargé. Découper au cutter (ne pas laisser les élèves découper) le goulot d'une bouteille d'eau avec son bouchon : on obtient une sorte d'entonnoir fermé ( photo 5). Un récipient rempli d'eau. Celui-ci doit être assez grand pour que l'entonnoir puisse se retourner (seau ou autre). Des objets pour remplir l'entonnoir (billes de verre ou d'acier ou autre chose). Un morceau de papier d'aluminium. D é m a r c h e e x p é r i m e n t a l e : Pendre l'entonnoir et le déposer sur l'eau contenue dans le récipient rempli d'eau. Son équilibre de flottaison est peu stable, il se couche. Comment augmenter sa stabilité? Appuyer le raisonnement par l'expérience. Q u e s t i o n s : Comment diminuer la stabilité de l'entonnoir? Proposez une expérience: utilisez un morceau de papier d aluminium disposé au-dessus de l entonnoir et quelques billes (photo 5). Rép. 5 A quoi sert la quille des bateaux? Rép. 5 12
Expérience 7 : Le ballon gonflé O b j e c t i f : Montrer qu'un ballon gonflé ne monte pas nécessairement dans l'air. Montrer que dans l'eau il va monter. Un ballon (baudruche), un récipient plein d'eau capable de contenir le ballon. Il peut ne pas être très gonflé, une ficelle pour attacher le ballon, un objet pesant pour maintenir le ballon dans le fond du récipient. D é m a r c h e e x p é r i m e n t a l e : Gonfler le ballon et faire un nœud. Le lâcher et observer Attacher la ficelle au ballon et à l'objet pesant. Plonger le tout dans le récipient. Ajuster la longueur de la ficelle et le volume du ballon pour qu'il soit immergé. Observer. Q u e s t i o n : Comment expliquez-vous ces comportements? Rép.13 13
Expérience 8 : Le ludion Définition du ludion : Objet ou figurine creux et percé dans sa partie inférieure, qui monte et descend dans un liquide selon les variations de pression exercées à la surface de celui-ci. (Référence : Le Petit Larousse illustré, 2001) O b j e c t i f s : Comprendre le principe du ludion. Observer que la pression se ressent partout dans le fluide. Un tube de colorant alimentaire vide., du lest: 3 rondelles métalliques, une bouteille en plastique, une paire de ciseaux, une attache trombone, un gobelet transparent (25 Cl). C o n s t r u c t i o n d u l u d i o n : Couper la petite extrémité du bouchon du tube de colorant, de manière à créer un petit trou pour que l'eau de la bouteille puisse y entrer. Lester le tube. Pour ce faire, plier le trombone de manière à ce qu il soit fixé au goulot du tube de colorant alimentaire par une moitié (tordre le trombone autour du goulot) et que son autre moitié serve de crochet pour mettre les 3 rondelles. 14
Vérifier si le ludion est correctement lesté en le mettant dans le gobelet plein d eau. Il doit flotter mais être à la limite de vouloir couler (photo). Introduire le ludion. Fermer la bouteille. Appuyer sur le corps de la bouteille. Le ludion coule tant qu'on appuie et remonte quand on arrête. Q u e s t i o n : 15
Expliquer en utilisant les notions de pression et de force de pression. Rép. 14 16