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CollectionE. S. P. A. C. E Collège Bernard DIRAND Mathieu RUFFENACH Délégué académique à la formation aéronautique Inspecteur pédagogique régional Académie de Montpellier Académie de Lyon Philippe DEBON Collège Joffre à Montpellier Dominique DUCOURANT Collège Joffre à Montpellier Laurent PORTAL Collège Ambrussum à Lunel Physique Chimie 3 e L ivre d u professeu r 2 © BORDAS / SEJER 2008 ISBN 2-04-732337-3 « Toute représentation ou reproduction, intégrale ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur, ou ayants-cause, est illicite (article L. 122-4 du Code de la Propriété intellectuelle). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait une contrefaçon sanctionnée par l’article L. 335-2 du Code de la Propriété intellectuelle. Le Code de la Propriété intellectuelle n’autorise, aux termes de l’article L. 122-5, que les copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective d’une part et, d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration ». Édition : Anne Kreissler Couverture : Nicolas Piroux Réalisation et schémas : STDI Coordination artistique : Alexandre Millot DANGER LE PHOTOCOPILLAGE TUE LE LIVRE 3 LA CHIMIE Chapitre 1 La chimie créatrice .................................................................................................................... 11 Chapitre 2 Les métaux ....................................................................................................................................... 14 Chapitre 3 La conduction électronique ............................................................................................. 18 Chapitre 4 La conduction ionique .......................................................................................................... 22 Chapitre 5 L’identiﬁcation des ions ....................................................................................................... 26 Chapitre 6 Réactions en milieu acide ................................................................................................... 29 Chapitre 7 Les piles électrochimiques ................................................................................................. 32 LA GRAVITATION Chapitre 8 La gravitation ................................................................................................................................. 35 Chapitre 9 Le poids ............................................................................................................................................... 38 L’ÉNERGIE Chapitre 10 L’énergie mécanique .............................................................................................................. 41 Chapitre 11 La production d’énergie électrique .......................................................................... 45 Chapitre 12 La tension alternative ............................................................................................................. 49 Chapitre 13 Mesure des tensions alternatives ................................................................................ 52 Chapitre 14 La puissance électrique ........................................................................................................ 56 Chapitre 15 Consommation d’énergie électrique ...................................................................... 60 Sommaire 4 PROGRAMME DE LA CLASSE DE 3 e Extrait du B.O. n° 6, 19 avril 2007, hors-série 5 6 7 8 9 10 11 Chapitre 1 La chimie créatrice LE PROGRAMME Connaissances Capacités Synthèse d’une espèce chimique existant dans la nature. Peut-on synthétiser l’arôme de banane ? La synthèse des espèces chimiques déjà existantes dans la nature permet d’en abaisser le coût et/ou la disponibilité. Respecter le protocole de la synthèse, effectuée de manière élémentaire, de l’acétate d’isoamyle. Création d’une espèce chimique n’existant pas dans la nature. Peut-on créer de nouvelles espèces chimiques ? La synthèse d’espèces chimiques n’existant pas dans la nature permet d’améliorer les conditions de vie. Le nylon ® comme les matières plastiques sont constituées de macromolécules. Respecter le protocole permettant de réaliser la synthèse du nylon ® ou d’un savon. Ce chapitre pourrait également être placé à la fin de la partie chimie. En introduction, il permet de rappeler que les transformations chimiques peuvent être la source de pollutions diverses mais que la chimie est nécessaire à l’amélioration des conditions de vie de l’Homme et qu’elle doit, dans la mesure du possible, veiller à détériorer le moins possible son environnement ou contribuer à le restaurer (activités 1 et 4). L’étude de deux transformations chimiques simples et ludiques permet de (re)définir la notion de transformation chimique vue en classe de Quatrième. La synthèse de l’arôme de banane (activité 2) peut être réalisée de manière simple par les élèves, dans le res- pect des règles de sécurité, en prenant en compte les indications présentes sur les étiquettes des flacons de substances chimiques. Elle permet de montrer que la chimie peut fabriquer des molécules identiques à celles présentes dans la nature pour en garantir la disponibi- lité à moindre coût. La synthèse du nylon (activité 3) est plus délicate et devra être réalisée par le professeur. Cette synthèse, si l’on y prend garde, peut se révéler d’un coût élevé pour le laboratoire. Il est souhaitable d’utiliser des solutions diluées à 5 % en masse, que ce soit pour la solution de chlorure d’adipyle dans le cyclohexane ou pour la solution d’hexane d’amine dans l’eau. Ce chapitre pourra déboucher (éventuellement après le chapitre 2) sur une étude documentaire de la fabrication d’un objet par voie chimique dans les différents domaines de la vie quotidienne (sport, habillement, automobile, aviation, habitat, soins quotidiens…). DÉCOUPAGE DU COURS Chimie et environnement p. 14 Synthétiser des espèces chimiques p. 14 1 2 12 Questions préliminaires Situation 1 La mauvaise réputation (parfois justifiée) des installations industrielles chimiques en matière de pollutions de l’air, de l’eau, de la nature en général et de pollutions visuelle et sonore, devra être nuancée par l’amé- lioration des conditions de vie (transport, logement, vie quotidienne, santé…) pouvant être observée. Situation 2 Cette situation permettra d’attirer l’attention des élèves sur les étiquettes des flacons de produits chimiques du laboratoire du collège mais également des flacons (de produits d’entretien ou de bricolage par exemple) pré- sents à la maison. Certains pictogrammes décrivent suffisamment les dangers (pictogramme corrosif), pour que les précautions à prendre s’imposent aux élèves. D’autres, en revanche, nécessitent d’être présentés et explicités, en installant une ou plusieurs affiches dans la salle de TP (et des étiquettes suffisamment claires sur les flacons) rappe- lant les dangers et les précautions à prendre. Situation 3 Utiliser des analogies peut être utile pour faire comprendre le phénomène de polymérisation. Cette situation permettra d’introduire à nouveau la notion de transformation chimique, pas complètement maîtrisée par les élèves de Troisième. Exercices OBJECTIF 1 : Énoncer les buts de la chimie 1 Des réponses à connaître 1. Extraire des espèces chimiques de la nature, synthé- tiser des espèces chimiques. 2. Une molécule artificielle n’existe pas dans la nature, alors qu’une molécule synthétique est une reproduction d’une espèce naturelle. 3. Les molécules synthétiques peuvent être meilleur mar- ché et plus abondantes que les molécules naturelles. 2 Vrai ou faux ? 1. Faux. Les molécules synthétiques sont des molécu- les identiques à celles existant dans la nature. 2. Vrai. 3. Faux. Certaines molécules synthétiques ou artificiel- les sont dangereuses à manipuler. ᭤ ᭤ ᭤ 4. Vrai. 5. Faux. Les substances synthétiques ont l’avantage d’être toujours disponibles. 3 QCM 1. b ; c ; d. 2. a ; c. 3. a ; c. OBJECTIF 2 : Respecter le protocole de synthèse chimique 4 Des règles de sécurité à connaître 1. Vérifier les conditions d’utilisation de ces substances à l’aide des pictogrammes figurant sur leurs étiquet- tes. 2. L’acide acétique est un produit corrosif. 3. L’amiante est une substance naturelle dangereuse. 4. Le pictogramme comportant une croix signifie que la substance est nocive ou irritante. 5 Une synthèse à connaître 1. Laisser 15 min au bain-marie Bouchon troué Tube Tube à essai Bécher Appareil de chauffage Mélange d’acide acétique et d’alcool isoamylique 2. Il faut chauffer le mélange car la transformation nécessite de l’énergie pour avoir lieu. 3. On obtient un mélange de différentes substances : l’acétate d’isoamyle et les substances n’ayant pas réagi. Il faut séparer ces substances par décantation. 6 Arôme de fruit 1. Laisser 10 min au bain-marie Bouchon troué Tube Tube à essai Bécher Appareil de chauffage Mélange d’éthanol et d’acide butyrique 13 2. Les réactifs utilisés sont l’éthanol et l’acide butyrique. 3. La substance préparée est le butyrate d’éthyle, encore appelée butanoate d’éthyle (arôme d’ananas). 7 Sécurité Associer chaque pictogramme à sa signification et aux précautions d’utilisation. Picto- gramme Signification Précautions F – Inflammable Substance s’enflammant facilement. Éviter les contacts avec les sources d’ignition. Xn – Nocif Xi – Irritant Nuisible pour la santé. Ne pas respirer. Protéger la peau, les yeux. N – Dangereux pour l’environnement. Éliminer ce produit dans un centre de collecte des déchets dangereux. C – Corrosif Détruit les tissus vivants et certains matériaux. Ne pas respirer. Protéger la peau, les yeux. 8 Réaction odorante 1. La transformation nécessite l’apport d’énergie sous forme de chaleur. 2. L’arôme de banane se dégage. 3. Le nom scientifique de cet arôme est l’acétate d’isoamyle. 4. Cet arôme est synthétique. 9 Fabriquer du dioxygène 1. Les deux réactifs sont le peroxyde d’hydrogène et le permanganate de potassium. 2. La technique permettant de recueillir le dioxygène s’appelle « recueillir un gaz par déplacement d’eau ». 3. Le dioxygène recueilli est de synthèse. 4. Il est identique. 10 Drôle de gel 1. Laissé au repos, le gel slim se comporte comme un liquide. 2. Ses molécules sont obtenues en reliant des molécu- les plus petites. 3. Coupé en deux, le gel slim se reforme car les liaisons entre les molécules se reconstituent facilement. EN ROUTE VERS LE LYCÉE 12 Identifier la vanilline 1. La trace obtenue est un « témoin ». Elle permettra l’identification de la vanilline par comparaison. 2. Il contient de la vanilline car on retrouve une tache violette à la même hauteur que le témoin. 3. De même, le parfum présente une tache violette (plus petite) à la même hauteur que le témoin. 4. Sur le chromatographe du parfum, observé sous la lampe à UV, on distingue d’autres taches à des hau- teurs différentes de la vanilline. Il y a donc d’autres substances absorbant les rayons ultraviolets. 14 Chapitre 2 Les métaux LE PROGRAMME Connaissances Capacités Utilisation des métaux dans la vie quotidienne. Quels sont les métaux les plus couramment utilisés ? Quelles sont leurs principales utilisations ? Les métaux les plus couramment utilisés sont le fer, le zinc, l’aluminium, le cuivre, l’argent et l’or. Reconnaître par quelques tests qualitatifs simples quelques métaux usuels : le fer, le zinc, l’aluminium, le cuivre, l’argent et l’or. Ce chapitre permet d’aborder d’une manière très géné- rale le thème des métaux. Il donne des pistes de recher- che documentaire en évoquant de manière non exhaustive la découverte, la production, l’utilisation, les propriétés physiques et chimiques, et le recyclage des métaux les plus couramment utilisés (activités 1 et 4). Deux activités complètent cette découverte en permettant aux élèves de différencier et d’identifier expéri- mentalement ces métaux. La première (activité 2) conduira à compléter un organigramme en effectuant une série de petits tests physiques et chimiques sur des échantillons d’aluminium, d’argent, de cuivre, de fer, d’or et de zinc. La seconde (activité 3) est une démarche d’investiga- tion revenant sur deux notions connues, mais encore mal maîtrisées, la masse et le volume. Des mesures de ces deux grandeurs permettront de montrer qu’il est possible de distinguer les métaux grâce à leurs masses volumiques. DÉCOUPAGE DU COURS Les métaux usuels : une grande famille p. 28 Les alliages p. 29 1 2 Questions préliminaires Situation 1 Les élèves possèdent quelques idées assez vagues sur les métaux. Cette situation permet d’introduire le contenu de ce chapitre : où trouver les métaux ? Comment les distinguer ? Quelles sont leurs propriétés physiques et chimiques ? Situation 2 Cette situation permettra de rappeler les outils mathé- matiques pour le calcul des volumes de solides simples, ainsi que la possibilité, en physique, de détermi- ner les volumes de solides avec une éprouvette et de l’eau (méthode vue en classe de Cinquième). ᭤ ᭤ Situation 3 La distinction masse et volume, même si elle a été abordée en classe de Cinquième, pose encore des pro- blèmes à de nombreux élèves. Cette situation est l’occasion de rappeler qu’il s’agit de notions différentes, avec des unités et des méthodes de mesures distinctes, et que la masse est une grandeur fiable, contrairement au volume qui peut être source d’erreur dans le cas de solides en grains, de plumes ou de gaz par exemple. Elle permet surtout de préparer l’activité 3 en mon- trant que l’on ne peut pas comparer des objets en ne changeant qu’une seule variable. ᭤ 15 Exercices OBJECTIF 1 : Reconnaître les métaux usuels 1 Des réponses à connaître 1. Aluminium, argent, cuivre, fer, or, zinc. 2. Le cuivre et l’or sont reconnaissables à leur couleur jaune-orangé. 3. Le fer est le seul métal usuel attiré par un aimant 4. L’or et le cuivre se trouvent à l’état natif. Les autres se trouvent dans les minerais. 2 Vrai ou faux ? 1. Faux. L’argent est gris. 2. 3. Vrai. 4. Faux. Il était utilisé chez les Romains. 5. Vrai. Il y a au moins 2 composants, mais dans quelques rares cas, l’un n’est pas métallique (cas de l’acier). 6. Faux. Ils sont presque identiques au plan chimique, mais leurs propriétés physiques diffèrent. 3 QCM 1. a, b et f ; 2. d ; 3. a et d. 4 Traduire AluminiumAluminium Aluminio Aluminium Alluminio Argent Silver Plata Silber Argento Cuivre Copper Cobre Kupfer Rame Fer Iron Hierro Eisen Ferro Or Gold Oro Gold Oro Zinc Zinc Cinc Zink Zinco 5 Quelques pièces 1. On reconnaît le cuivre grâce à sa couleur. 2. Non, lorsque la valeur est doublée (de 1 à 2 centimes), la masse n’est pas doublée. 3. Avec trois pièces de 1 centime (soit en masse 3 × 2,3 = 6,9 g), on peut fabriquer une pièce de 2 centimes et une pièce de 5 centimes (3,0 + 3,9 = 6,9 g). 6 En fonction des couleurs L’or et le cuivre se distinguent facilement. OBJECTIF 2 : Distinguer propriétés physiques et chimiques 7 Des propriétés chimiques à connaître 1. Le cuivre se recouvre d’une couche protectrice (appelée vert-de-gris) au contact de l’air humide. 2. La fonte est un alliage de fer et de carbone. 3. L’acier est recyclable en acier. 4. Le fer, le cuivre, le zinc, l’argent et l’aluminium subissent une attaque de l’air. Le fer est attaqué en profondeur. 5. Certains métaux ne sont pas attaqués par certains acides : l’or n’est pas attaqué par l’acide nitrique. 6. L’acide chlorhydrique attaque le fer, le zinc et l’aluminium. 8 Des propriétés physiques à connaître 1. Tous les métaux sont conducteurs d’électricité 2. Les métaux ne sont pas biodégradables. 3. Chaque métal fond à une température spécifique. Cette propriété permet de les distinguer. 4. Seul le fer est attiré par un aimant. 9 QCM 1. a, b et d ; 2. a, c, d et e ; 3. a et b ; 4. a et d. 10 Fausse information ? 1. Il est indiqué qu’elle est en acier, métal attiré par les aimants. 2. Cette canette n’est pas entièrement en acier. Le corps de la canette, qui est attiré par un aimant, est en acier, mais le couvercle est en aluminium. 11 Chocolat chaud 1. La conduction de la chaleur des métaux 2. Non, le plastique et le grès conduisent mal la chaleur. 3. Le verre et le bois ne conduisent pas la chaleur. 12 Un métal qui ne conduit pas l’électricité 1. Montage : Régle en aluminium 12 V Lampe Générateur + – 16 2. Ce résultat n’est pas correct car l’aluminium, comme, tous les métaux, conduit l’électricité. 3. La règle n’est pas en métal ou l’aluminium est recouvert d’une couche non conductrice (vernis, film plastique…). 4. Le métal subit une attaque de l’air et se couvre d’une couche protectrice d’oxyde d’aluminium (alu- mine). 5. L’aluminium conduit l’électricité, mais pas l’oxyde d’aluminium. 13 Identifier un métal 1. V = 424,1 cm 3 = 0,424 m 3 . 2. Masse volumique : 7,14 kg/m 3 . 3. Il s’agit du zinc. 14 Entre les deux 1. Masse volumique du laiton : 8 920 × 90/100 + 7 140 × 10/100 = 8 742 kg/m 3 . 2. 15 Étirer les pépites 1. L’or est un métal malléable. 2. Section du fil : 3,14 × 10 –12 m 2 . Masse volumique : 1,93 × 10 7 g/m 3 . Longueur du fil : 43,7 km. 16 Les pieds dans l’eau Lame B : fer ; lame D : cuivre. OBJECTIF 3 : Justifier le choix d’un matériel 17 Des alliages à connaître 1. Un mélange de deux ou plusieurs métaux. 2. Acier : fer et carbone ; acier inoxydable : fer, carbone, nickel, chrome ; laiton : cuivre et zinc. 3. Obtenir des matériaux possédant des propriétés physiques ou chimiques améliorées par rapport à celles des métaux purs. 4. Le nickel, associé au chrome, permet d’obtenir, selon les proportions, une large gamme d’inox. 5. Le zinc, ajouté au cuivre, aboutit au laiton, plus dur que le cuivre. 18 Vrai ou faux ? 1. Vrai. 2. Faux. L’or est meilleur conducteur d’électricité. 19 Fabriquer des statuettes 1. 446,25 g de cuivre et 78,75 g de zinc. 2. Prix d’un kilogramme d’alliage : 36,70 €. 3. Prix de l’alliage pour une statuette : 1,28 €. 20 Utilisation de l’aluminium 1. Elles sont équivalentes. 2. Ils ne représentent que les deux tiers de la demande. 3. Il s’agit des transports et du bâtiment. 4. Châssis de voiture, avions, portes, fenêtres, structures… 5. Masse d’aluminium utilisée pour l’emballage en 2005 : 130 000 tonnes. 21 Métal seul ou alliage A : fusion d’un métal pur, l’aluminium ; B : solidification d’un métal pur, le cuivre ou l’or ; C : fusion d’un alliage ; D : solidification d’un métal pur, le zinc. 22 Belle pépite 1. La malléabilité et la ductilité. 2. L’ajout d’autres métaux permet de rendre l’or plus dur, plus solide, et permet de modifier sa couleur. 23 Statue à l’air libre 1. Non 2. La statue s’est recouverte de vert-de-gris, caractéris- tique de l’attaque du cuivre par l’air humide. 3. Bronze : cuivre et étain ; laiton : cuivre et zinc. 4. Non, la couche de vert-de-gris protège la statue d’une attaque plus en profondeur. 17 EN ROUTE VERS LE LYCÉE 24 Suivi d’un changement d’état 1. 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10 000 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Temps (min) T e m p é r a t u r e ( ° C ) 2. À l’état solide. 3. Il y a un palier de température (elle stagne), le métal change d’état : c’est la fusion. 4. Le palier se situe à 660 °C, soit la température de fusion de l’aluminium. 25 Brick de lait 1. L’aluminium. 2. L’aluminium pourrait réagir chimiquement avec le contenu. 3. Le carton. 4. Il permet l’adhérence entre chaque couche. 5. Il protège contre la lumière. 6. 32/1 032 × 100 = 3,1 %. 7. Volume du camion : 30 m 3 , soit 30 000 l. Il peut contenir 30 000 briques de lait. 8. Légèreté, facilité de stockage et de transport, recyclage, grandes résistances chimique et physique… 18 Chapitre 3 La conduction électronique LE PROGRAMME Connaissances Capacités L’électron : comprendre la conduction électrique dans les métaux. Tous les solides conduisent-ils le courant électrique ? Tous les métaux conduisent le courant électrique. Tous les solides ne conduisent pas le courant électrique. La conduction électrique dans les métaux s’interprète par un déplacement d’électrons. Constituants de l’atome : noyau et électrons. Les atomes et les molécules sont électriquement neutres ; l’électron est chargé électriquement. Le courant électrique est dû à un déplacement d’élec- trons dans le sens opposé au sens conventionnel du courant dans un métal. Comparer le caractère conducteur de différents solides à l’aide d’un circuit électrique. Comparer les ordres de grandeur des dimensions du noyau et de l’atome. Dans cette partie du programme, il est important que l’élève se rende compte qu’il ne s’agit pas d’une nouvelle étude des propriétés électriques des circuits, mais d’une étude de la nature de ce courant électrique. L’élève doit donc être amené à s’interroger sur la constitution de la matière et, en particulier, sur la constitution des métaux, bons conducteurs d’électri- cité. Ce chapitre est l’occasion de réaffirmer qu’un modèle ne prétend pas décrire une réalité objective mais pos- sède une valeur explicative et prédictive dans un champ d’application défini. Pour mémoire, en classe de Quatrième, un modèle simple de la molécule a d’abord été imaginé pour expliquer les états de la matière. Ce modèle a ensuite évolué pour pouvoir donner une interprétation de la réaction chimique, avec l’introduction du modèle des atomes. En classe de Troisième, la conduction électrique des métaux impose d’introduire un modèle plus élaboré de l’atome, en se contentant toutefois de décrire l’atome comme constitué d’un noyau chargé positivement entouré d’électrons chargés négativement. Il est possible de faire remarquer que cette description n’est pas définitive et qu’elle évoluera encore pour expliquer d’autres faits expérimentaux. Cette description progressive est à replacer dans son contexte historique : la conception du modèle de l’atome débute il y a plusieurs siècles avant de s’affiner au XIX e et XX e siècle. DÉCOUPAGE DU COURS Les solides conducteurs p. 42 Un nouveau modèle pour l’atome p. 42 Le courant électrique dans les métaux p. 43 1 2 3 19 Questions préliminaires Situation 1 Cette situation permet de rappeler les modèles des molécules et des atomes découverts et utilisés en classe de Quatrième. Cet exercice assez simple est apprécié et, généralement, bien résolu par les élèves. Situation 2 Le modèle étudié en classe de Quatrième n’introduit pas la dimension électrique de l’atome. En affirmant que l’explication du courant électrique se trouve au niveau des atomes, les élèves vont devoir admettre que ce modèle est imparfait et qu’il faut le faire évoluer en s’intéressant à la constitution de l’atome même. Situation 3 De nombreux élèves ne comprennent pas que les charges opposées s’attirent. Cette situation tente de les en convain- cre. La réponse majoritaire est que les pailles vont se coller grâce à un « phénomène électrostatique ». Après expé- rience (les pailles se repoussent), il importe de souligner que les pailles, ayant subi le même traitement, sont forcé- ment chargées de la « même électricité statique » (positive ou négative, peu importe). Il reste à en conclure que les charges électriques de même signe se repoussent et que les charges de signes opposés s’attirent. Exercices OBJECTIF 1 : Décrire l’atome 1 Des réponses à connaître 1. Un noyau chargé d’électricité positive entouré de grains d’électricité négative (les électrons). 2. Le dixième de nanomètre. 2 Un modèle de l’atome à connaître 1. Un noyau. 2. On trouve des électrons dans l’espace autour du noyau. 3. Il y a autant de charges positives que de charges négatives dans un atome. 4. L’atome est électriquement neutre. 5. Les atomes se différencient par le nombre de charges positives contenues dans leurs noyaux. 6. Cet atome possède treize charges positives : il s’agit de l’atome d’aluminium. ᭤ ᭤ ᭤ 3 Vrai ou faux ? 1. Vrai. 2. Vrai. 3. Vrai. 4. Vrai. 5. Faux. Le diamètre d’un atome est de l’ordre du dixième de nanomètre. 4 QCM 1. d ; 2. a, c et f. 5 Atome d’hydrogène si petit 1. Rapport : 44167. 2. Diamètre de l’atome : 287 083 cm = 2,9 km. 6 Masse de l’atome d’hydrogène Si l’on effectue le rapport (1,67 × 10 –27 ) /( 0,91 × 10 –30 ), on trouve que le noyau est 1 835 fois plus lourd que l’électron. 7 Diamètre de l’atome d’aluminium Diamètre du noyau : 2 femtomètres. 8 Qui suis-je ? a. manganèse ; b. calcium ; c. phosphore ; d. hy- drogène ; e. tungstène. 9 Atome de chlore 1. Son symbole est Cl. 2. 17 charges positives. 3. L’atome est neutre. 10 Atome d’oxygène à la surface de la Terre 1. Le dioxygène. 2. Formule de l’ozone : O 3 . 3. Les océans sont constitués essentiellement de molé- cules d’eau, de formule H 2 O. 4. Non, l’atome d’oxygène est associé avec d’autres atomes. 5. Symbole : O ; numéro atomique : 8 ; nombre d’électrons : 8 ; nombre de charges positives dans son noyau : 8. 11 La taille au microscope 1. Entre 3 et 4 atomes, soit environ 3,5 diamètres. En fait, les atomes ne sont pas tangents (voir exercice 31, p. 48 du manuel). On n’obtient qu’un ordre de grandeur du diamètre, soit 1,4/3,5 = 0,4 nm. 2. Diamètre de l’atome de platine : 0,385 nm. 3. L’atome de platine est 0,385/0,106 = 3,6 fois plus grand que l’atome d’hydrogène. 20 12 Atomium 1. À son réseau cubique face centrée. 2. Rayon d’un atome du monument : 0,14 × 10 –9 × 165 × 10 9 = 23,1 m. La hauteur de la maille équivaut à environ 4 rayons, soit 4 × 23,1 = 92,4 m. Ordre de grandeur de la hauteur de l’Atomium : environ 100 m. 13 Milli, micro, nano, pico, angström ? 1. 1 nm = 10 –9 m. 2. Diamètre d’un cheveu : 30 µm. 3. Diamètre d’un atome d’hydrogène : 100 pm. 4. Une technologie à l’échelle des atomes. 5. 1 nm = 10 Å. 6. A.J. Angström est un astronome et physicien sué- dois. En 1862, il a découvert la présence d’hydrogène dans l’atmosphère du Soleil. 14 Constitution de quatre atomes Nom de l’atome Azote Alumi- nium Or Zinc Symbole de l’atome N Al Au Zn Nombre de charges positives du noyau 7 13 79 30 Nombre d’électrons autour du noyau 7 13 79 30 OBJECTIF 2 : Distinguer conducteurs et isolants 15 Des réponses à connaître Tous les métaux (or, cuivre, argent…), le carbone… 16 QCM a, b et e. 17 Quelle paille ! 1. Les pailles se chargent de la même électricité statique. 2. Les pailles vont se repousser car leurs charges élec- triques sont de même signe. 18 Circuit électrique pour la chimie 1. Plaque de cuivre, de verre… 12 V Lampe Générateur + – 2. On peut rajouter un ampèremètre en série. 3. Matériaux conducteurs d’électricité : cuivre, fer, graphite, aluminium, zinc. 19 La lampe ne brille pas Le matériau est faiblement conducteur d’électricité. Il n’y a pas de séparation nette entre conducteur et isolant. 20 Carbone et diamant 1. Le graphite est conducteur, pas le diamant. Leurs couleurs, duretés, prix diffèrent également. 2. Les atomes de carbone ne sont pas arrangés de la même manière. OBJECTIF 3 : Expliquer le courant électrique dans les métaux 21 Des réponses à connaître Un métal est conducteur d’électricité car ses atomes, rangés en réseau, possèdent des électrons capables de se déplacer d’un atome à un autre. 22 Le courant électrique dans les métaux 1. Les atomes des métaux sont ordonnés. 2. Un électron libre est un électron qui se déplace d’un atome à un autre. 3. Hors circuit électrique, les électrons libres se dépla- cent dans toutes les directions. 4. En circuit fermé, les électrons libres se dirigent tous vers la borne positive de la pile. 23 Vrai ou faux ? 1. Faux. Les atomes des métaux possèdent des charges négatives capables de se déplacer d’un atome à un autre. 2. Vrai. 3. Faux. Les électrons des fils métalliques des circuits électriques fermés se déplacent vers la borne plus de la pile. 4. Vrai. 24 QCM 1. a et c ; 2. b. 25 Des atomes aux électrons dissipés 1. Ils possèdent des électrons capables de se déplacer d’un atome à un autre : les électrons libres. 21 2. Seuls les électrons faiblement rattachés au noyau possèdent cette propriété. 3. Les électrons libres se dirigent vers la borne plus de la pile. 26 Électrons libres ou pas Le dessin C illustre un courant électrique car les élec- trons libres se déplacent dans le même sens. 27 Les électrons du filament 1. La flèche rouge. 2. La flèche verte indique le sens conventionnel du courant. EN ROUTE VERS LE LYCÉE 28 Électrons libres et diamètre des fils Plus le diamètre du fil est gros, plus le nombre d’élec- trons passant en un point peut être important, donc plus l’intensité peut être grande. Pour que la quantité d’électricité soit la même en dimi- nuant le diamètre du fil, il faut que les électrons circulent plus vite. 29 Vitesse des électrons et vitesse du courant 1. t électrons = 10 (m)/0,2 (mm/s) = 10 000 (mm)/0,2 (mm/s) = 50 000 s soit 13 h 53 min 20 s. 2. t courant = 10 (m)/300 000 (km/s) = 10 (m)/300 000 000 (m/s) = 3,3 × 10 –8 s. 3. Le courant est instantané car les électrons (même si ils circulent lentement) se mettent en mouvement tous ensemble. 30 Le noyau des atomes 1. Le nombre d’électrons est égal au nombre de protons. 2. Il possède 6 protons et 6 neutrons dans son noyau, et 6 électrons autour. 3. L’atome de carbone possède autant de protons que de neutrons, alors que l’atome de chlore présente 17 protons et 18 neutrons. 4. Les atomes de carbone et d’oxygène. 5. L’atome d’oxygène. 6. Il possède 143 neutrons. 7. Symbole de l’argon : 40 18 Ar. 22 Chapitre 4 La conduction ionique LE PROGRAMME Connaissances Capacités L’ion : comprendre la conduction électrique dans les solutions aqueuses. Toutes les solutions aqueuses conduisent-elles le courant électrique ? D’où proviennent les ions mobiles ? Toutes les solutions aqueuses ne conduisent pas le courant électrique. La conduction électrique dans les solutions aqueuses s’interprète par un déplacement d’ions. Les ions sont chargés électriquement. Le courant électrique est dû à des déplacements d’ions dans une solution aqueuse. Comparer (qualitativement) le caractère conducteur de l’eau et de diverses solutions aqueuses à l’aide d’un circuit électrique. Après avoir abordé et expliqué dans le chapitre précé- dent la conduction électrique dans les métaux, il s’agit de montrer que certaines solutions sont également capables de conduire l’électricité et d’introduire la notion d’ions en solution. Remarque : Même s’il est précisé que cette étude n’a pas pour but de constater la plus ou moins grande conduction en fonction des concentrations, il apparaît néces- saire de signaler que la conduction électrique des solutions dépend des conditions d’expérimentation (de la tension d’alimentation, des concentrations des solutions aqueuses…). L’ion est abordé comme une espèce présentant une différence de constitution par rapport à l’atome correspondant : différence de quantité d’électrons qui implique une non-neutralité. Le noyau est à l’origine du nom de l’ion. Certains présentent plus de charges positives que de charges négatives, les ions positifs (ou cations), d’autres présentent plus de charges négatives que de charges positives, les ions négatifs (ou anions). Dans la mesure où les élèves auront assimilé (dans le chapitre précédent en particulier) que les charges opposées s’attirent et que le courant électrique correspond à un déplacement dans un même sens de charges de même signe, ils en conclueront que le courant élec- trique dans les solutions est dû aux déplacements des ions présents dans ces solutions. DÉCOUPAGE DU COURS Les ions p. 56 Les solutions conductrices p. 57 Le courant électrique dans les solutions p. 57 1 2 3 23 Questions préliminaires Situation 1 Dans l’activité 1, on étudie différentes solutions aqueuses dont les concentrations sont précisées. Même s’il n’est pas demandé aux élèves de les préparer, il appa- raît souhaitable qu’ils aient conscience de la signification de la concentration et des méthodes de prépara- tion de ces solutions. Situation 2 Il ne fait aucun doute, pour la majorité des élèves, que la lampe va s’éclairer. Il est possible alors de réfléchir aux facteurs qui permettraient d’avoir une circulation du courant. Si les élèves sont peu nombreux à imagi- ner qu’il est possible d’augmenter la tension, ils sont plus nombreux à convenir de la nécessité de rajouter un « élément ». Situation 3 On vérifiera avec cette situation que les élèves ont bien assimilé la constitution des atomes et en particulier celle des atomes de chlore et de sodium, dont on repar- lera dans les activités et le cours. Exercices OBJECTIF 1 : Identifier les ions positifs et négatifs 1 Des formules à connaître 1. Ion chlorure Cl – et ion bromure Br – . 2. Ion hydrogène H + et ion sodium Na + . 3. Ion hydroxyde HO – . 4. Il est constitué de plusieurs atomes et porte une charge électrique (positive). 2 Vrai ou faux ? 1. Vrai. 2. Faux. L’ion chlorure Cl – est un ion monoatomique négatif. 3 QCM 1. a, c et d ; 2. a, c et e ; 3. b, d et e. ᭤ ᭤ ᭤ 4 Distinguer atomes, molécules et ions Atome Molécule Ion Argon, Ar Titane, Ti Eau, H 2 O Dihydrogène, H 2 Propane, C 2 H 6 Sulfate de cuivre, Cu 2+ + SO 4 2– (CuSO 4 ) Chlorure de potassium, K + + Cl – (KCl) Carbonate de calcium, Ca 2+ + CO 3 2– (CaCO 3 ) 5 Constitution des ions monoatomiques Nom Ion sodium Ion bromure Ion zinc Formule Na + Br – Zn 2+ Nombre de charges positives du noyau 11 35 30 Nombre d’électrons 10 36 28 6 Ions polyatomiques 1. Il est constitué de plusieurs atomes. 2. Un atome de manganèse et quatre atomes d’oxy- gène 3. Ce groupement d’atomes a gagné un électron. 7 Ions à classer Ions positifs (cations) Ions négatifs (anions) Ion sodium Na + Ion hydrogène H + Ion fer II Fe 2+ Ion aluminium Al 3+ Ion chlorure Cl – Ion sulfate SO 4 2– Ion hydroxyde HO – Ion nitrate NO 3 – 8 Formule et couleur à interpréter 1. L’ion chromate Cr 3+ est monoatomique. L’ion dichromate est un ion polyatomique. 2. Le chiffre 7 est le nombre d’atomes d’oxygène pré- sent dans l’ion. 3. L’ion dichromate possède deux électrons en excès. 4. L’exposant 3+ signifie que l’ion chromate possède trois électrons de moins que l’atome de chrome. 5. L’alcootest change de couleur. 9 Le fluor, c’est bon pour les dents 1. Le fluorure de sodium est un composé ionique. 2. Formule : NaF (Na + ; F – ). 3. L’ion fluorure est confondu avec l’atome de fluor. 10 Sel à sécher 1. Des ions calcium Ca 2+ et des ions chlorure Cl – . 2. L’ion calcium possède deux charges positives. 3. L’ion chlorure possède une charge négative. 24 11 Composés ioniques chlorure de sodium ; CuSO 4 ; ZnCl 2 ; hydroxyde de potassium ; nitrate de fer II ; Al 2 (SO 4 ) 3 . 12 Acide chlorhydrique 1. L’ion chlorure. 2. Formule : HCl (H + ; Cl – ). 3. La molécule d’eau. 13 L’eau de Javel 1. Oui, car c’est une solution ionique 2. Formule : HClO – . 3. Oui, il y a autant d’ions sodium Na + que d’ions hypochlorite HClO – . OBJECTIF 2 : Tester le caractère conducteur d’une solution 14 Un dispositif à connaître 1. A 2. Une indication d’intensité du courant électrique « notable » doit se lire sur l’ampèremètre. 15 Des solutions conductrices à connaître 1. Eau salée, solution de sulfate de cuivre, solution de bicarbonate de soude… 2. Les espèces présentes dans les solutions conductrices s’appellent des ions. 3. Eau du robinet, eau sucrée, solution alcoolisée… 16 Vrai ou faux ? 1. Faux. Toutes les solutions contenant des ions sont conductrices 2. Vrai. 17 QCM c, d et f. • • • • • • 18 À quoi ça sert ? 1. A 2. Un tel montage permet de vérifier le caractère conducteur électrique de certaines solutions. 3. Si la lampe brille et qu’une intensité électrique « notable » se lit sur l’ampèremètre, alors la solution est conductrice. 4. Solutions conductrices : eau salée, solution de sulfate de cuivre. 19 Conditions de comparaison 1. Elle s’explique par l’utilisation d’une tension diffé- rente et un espacement différent des électrodes. 2. La solution n’est pas conductrice dans le montage de Mathilde. 3. Pour que les résultats soient comparables. 20 Influence de la quantité de solutés 1. Plus la quantité de sel est importante, plus la solution est conductrice d’électricité. 2. L’intensité du courant électrique est proportionnelle à la quantité de sel pour de faibles concentrations (inférieure à 10 g/L). OBJECTIF 3 : Expliquer le courant dans les solutions 21 Vocabulaire Dans un circuit électrique fermé, les ions positifs contenus dans la solution se déplacent vers l’électrode reliée à la borne moins car les charges électriques de signes contraires s’attirent. De même, les ions négatifs se dirigent vers l’électrode reliée à la borne plus de la pile. Le courant électrique est dû aux déplacements des ions dans une solution aqueuse. 22 Vrai ou faux ? 1. Vrai. 2. Faux. L’eau minérale ne conduit pas l’électricité car elle ne contient pas assez d’ions. 3. 4. Vrai 25 23 QCM b, c et e. 24 À vos marques, prêts… Cl – Cl – C l – C l – É l e c t r o d e É l e c t r o d e Fe 2+ F e 2 + + – 25 Mouvement d’ions 1. Oui, car il conduit l’électricité lorsqu’il est en solution. 2. Oui, car elle contient des charges positives et néga- tives. 3. Les ions dichromate, car la couleur orange se situe vers la borne plus du générateur qui attire les ions négatifs. 26 Chapitre 5 L’identification des ions LE PROGRAMME Connaissances Capacités Tests de reconnaissance de quelques ions. Comment reconnaître la présence de certains ions en solution ? Que nous apprend la valeur du pH ? Les formules des ions Na + , Cl – , Cu 2+ , Fe 2+ et Fe 3+ . Domaines d’acidité et de basicité en solution aqueuse. Une solution aqueuse neutre contient autant d’ions hydrogène H + que d’ions hydroxyde HO – . Dans une solution acide, il y a plus d’ions hydrogène H + que d’ions hydroxyde HO – . Les dangers que présentent des produits acides ou basiques concentrés. Réaliser les tests de reconnaissance des ions Cl – , Cu 2+ , Fe 2+ et Fe 3+ . Identifier, à l’aide d’une sonde ou par une estimation avec un papier pH, les solutions neutres, acides et basiques. Observer expérimentalement l’augmentation du pH quand on dilue une solution acide. Seuls les ions cités sont abordés (l’écriture des équa- tions de réaction correspondant à ces tests n’est pas au programme). En ce qui concerne la dilution de solutions acides, l’étude se limite à des expériences qualitatives de l’évo- lution du pH et au constat que la solution reste acide. La molécule HCI est appelée chlorure d’hydrogène dans la nomenclature systématique – règle de l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée (UICPA). La terminologie usuelle donne le nom d’acide chlorhydrique à sa solution aqueuse. DÉCOUPAGE DU COURS Deux types d’ions : positifs et négatifs p. 70 Les solutions acides et basiques p. 71 1 2 Questions préliminaires Situation 1 Les noms des sels minéraux sont indiqués sur l’éti- quette. Il n’est pas possible de détecter à l’œil nu leur présence car ils sont dissous dans l’eau. Il faut utiliser les réactifs appropriés pour les identifier. Situation 2 La couleur des hortensias dépend de la nature du sol et de la plus ou moins grande acidité du milieu. ᭤ ᭤ Par contre, les lauriers ne changent pas de couleur en fonction de la nature du terrain. Situation 3 Si l’eau distillée était un corps moléculaire pur, elle ne serait constituée que de molécules d’eau. Or les liqui- des moléculaires ne conduisent pas le courant. L’eau distillée contient donc aussi des ions, en faible quantité (faible conductivité de l’eau). ᭤ 27 Exercices OBJECTIF 1 : Rechercher la présence des ions Cl - , Cu 2+ , Fe 2+ et Fe 3+ 1 Des réponses à connaître 1. Solution de chlorure de sodium. L’ion chlorure est iden- tifié par la formation, en présence d’une solution de nitrate d’argent, d’un précipité blanc qui noircit à la lumière. 2. Fe 2+ : forment un précipité vert pâle en présence d’ions hydroxydes HO – . Fe 3+ : forment un précipité rouille en présence d’ions hydroxydes HO – . Cu 2+ : forment un précipité bleu en présence d’ions hydroxyde HO – . 2 QCM 1. c ; 2. a ; 3. b ; 4. c. 3 Orange, vert, bleu a. Ion fer III : Fe 3+ (a), ion fer II : Fe 2+ (b) et ion cuivre : Cu 2+ . b. Le réactif utilisé est toujours la solution d’hydroxyde de sodium. Les noms des précipités sont respective- ment : précipité d’hydroxyde de fer III, précipité d’hydroxyde de fer II, précipité d’hydroxyde de cuivre. 4 Solution inconnue 1. Le réactif A est une solution de nitrate d’argent, le précipité formé est du chlorure d’argent. Le réactif B est une solution d’hydroxyde de sodium, le précipité formé est de l’hydroxyde de fer III. 2. L’ion chlorure et l’ion fer III sont présents dans la solution de perchlorure de fer. 3. La solution ionique inconnue est le chlorure de fer III. 5 Protocole à élaborer 1. L’ion chlorure Cl – est mis en évidence par la formation, en présence d’une solution de nitrate d’argent, d’un précipité blanc qui noircit à la lumière. L’ion cuivre Cu 2+ est mis en évidence par la formation, en présence d’une solution d’hydroxyde de sodium, d’un précipité bleu. 2. Oui, car l’ion hydroxyde est présent dans la potasse. 6 Ions de charges opposées : amis ou ennemis 1. Ion chlorure Ion hydroxyde Ion fer II Oui Non Ion fer III Oui Non Ion cuivre Oui Non Ion hydrogène Oui Oui 2. Dans l’eau coexistent les ions H + et HO – . 7 Formules chimiques Cu(HO) 2 ; Fe(HO) 3 ; AgCl. OBJECTIF 2 : Identifier les solutions acides, basiques et neutres 8 Des réponses à connaître 1. À l’aide d’un pH-mètre. Si le pH est égal à 4, la solution est acide. 2. Solution acide : acide chlorhydrique, acide sulfurique, vinaigre. Solution basique : solution d’hydroxyde de sodium, solution d’hydroxyde de potassium, eau de javel. Solution neutre : solution de chlorure de sodium, solution de chlorure de fer II. 9 Vrai ou faux ? 1. Faux. Il est supérieur à 7. 2. 3. Vrai. 10 QCM 1. c ; 2. a et b ; 3. a et b. 11 Phrases à compléter ioniques ; acide ; inférieur ; pH ; supérieur ; basique ; moléculaire ; molécule ; hydrogène ; hydroxyde ; égal. 12 Acide ou basique 1. a. Détartrant WC : acide (papier pH 5) ; b. lessive de soude : basique (papier pH 1) ; c. eau de Javel : basique (papier pH 2) ; d. liquide rinçage : faiblement acide (papier pH 3) ; e. liquide vaisselle : neutre (papier pH 4). 2. Classement : lessive de soude ; eau de Javel ; liquide vaisselle ; liquide rinçage ; détartrant WC. OBJECTIF 3 : Expliquer le caractère acide à l’aide des ions H + 13 Vrai ou faux ? 1. Faux. La solution se rapproche de l’eau pure de pH 7, donc son pH augmente. 2. Faux. Il y a aussi des ions H + et HO – . 14 QCM 1. c ; 2. c. 28 15 La potasse 1. Ions K + et HO – , et molécules d’eau. 2. Basique car le nombre d’ions HO – est supérieur au nombre d’ions H + . 16 Le jus de citron 1. Arthur se trompe car le pH ne varie pas dans le même sens mais en sens contraire : si l’on rajoute de l’eau dans le jus de citron, le pH augmente de 3 à 3,4 ; si l’on rajoute du jus de citron dans l’eau, le pH diminue de 7 à 3,4. 2. Ces résultats ne sont pas contradictoires car le liquide de départ n’est pas le même. Schéma a : Le jus de citron est acide. Si l’on rajoute de l’eau, l’acide sera plus dilué et le pH va augmenter. Schéma b : L’eau est neutre (pH = 7). Si l’on rajoute du jus de citron, l’eau va prendre un caractère acide et le pH va diminuer. 3. Les ions H + contenus dans l’acide citrique sont res- ponsables de l’acidité du citron. Schéma a : Quand les ions H + sont répartis dans un volume plus grand, l’acide est moins concentré (on dit aussi qu’il est plus dilué) : le pH augmente. Schéma b : Quand on ajoute quelques gouttes de jus de citron (on négligera la variation de volume), le nombre d’ions H + présents dans l’eau augmente et l’eau devient plus acide : le pH diminue. – – 17 Comparaison d’étiquettes 1. Oui, car l’aspartame remplace le sucre en quantité beaucoup plus faible. 2. a. Le goût acide est dû à la présence d’acide citrique dans les deux sortes de limonade. b. Il y a plus d’acide citrique dans la limonade light. c. Le pH de la limonade light est plus grand mais la contradiction n’est qu’apparente. En effet, le citrate de sodium contenu dans la limonade light corrige cet excès d’acidité. 3. La limonade light est moins sucrée mais n’est pas pour autant plus acide. 19 Variation du pH 1. Il s’agit du graphique de droite car le pH initial est infé- rieur à 7, comme l’est celui de l’acide chlorhydrique. 2. Au départ, les ions H + sont les plus nombreux (pH acide) ; à la fin, les ions HO – sont majoritaires (pH basique). Cela passe forcément par une étape où la solution est neutre. Les ions H + présents dans l’acide ont donc été neutra- lisés par les ions HO – versés qui proviennent de la soude. 20 pH à trouver Le pH est égal à 7 car aucune des solutions ne contient plus d’ions H + que d’ions d‘ions HO – . 29 Chapitre 6 Réactions en milieu acide LE PROGRAMME Connaissances Capacités Réaction entre l’acide chlorhydrique et le fer. Le fer réagit-il avec l’acide chlorhydrique ? Les ions hydrogène et chlorure sont présents dans une solution d’acide chlorhydrique. Critères de reconnaissance d’une transformation chimique : disparition des réactifs et apparition de produits. Réaliser : les tests de reconnaissance des ions chlorure et des ions hydrogène ; la réaction entre le fer et l’acide chlorhydrique avec mise en évidence des produits. Écrire, avec le nom des espèces en toutes lettres, le bilan de la réaction chimique entre le fer et l’acide chlorhydrique. – – À la suite de l’introduction au chapitre 5 des notions d’ions et de pH, sont abordées ici les réactions chimiques (en milieu aqueux) qui mettent en jeu des ions et non plus des molécules (programme de Quatrième). Bien que, dans le cas du fer, la réaction avec l’acide chlorhydrique entraîne un changement d’aspect du milieu, une telle constatation est en général insuffisante pour attester du caractère chimique d’une transformation ; des expériences complémentaires sont le plus souvent nécessaires. Une telle analyse ayant été faite, le caractère chimique d’une transformation est établi, en définitive, par l’existence de formules chimiques différentes pour les produits et pour les réactifs : on généralise ainsi la notion de transformation chimique étudiée en classe de Quatrième à propos des combustions. À ce stade, le bilan de la réaction est écrit en toutes lettres : fer + acide chlorhydrique → dihydrogène + (solution de) chlorure de fer (II). La mise en évidence parmi les produits de la réaction d’une nouvelle espèce chimique Fe 2+ , l’ion fer (II), s’in- terprète par la transformation de l’atome de fer en ion fer (II), mais il n’est pas demandé d’écrire une demi- équation électronique. Plus généralement, l’écriture d’équations de réactions où interviennent des ions, telle l’équation de la réaction entre l’acide chlorhydrique et le fer, n’est pas exigible avec les symboles des espèces. Il n’est pas utile de soulever le problème de la solvata- tion des ions. La mise en évidence du dihydrogène sera réalisée sur une très petite quantité de gaz. L’écriture de l’équation de la réaction avec les symboles chimiques n’est pas au programme. Elle n’est utilisée dans cet ouvrage que pour faciliter la mémorisation et établir un lien avec les chapitres précédents. DÉCOUPAGE DU COURS L’acide chlorhydrique p. 84 Réaction entre l’acide chlorhydrique et le fer p. 84 Les pluies acides p. 85 1 2 3 30 Questions préliminaires Situation 1 Il s’agit d’un phénomène chimique car un nouveau corps gazeux se forme dans les deux cas. Il ne peut pas s’agir du même gaz car les réactifs sont différents. Situation 2 On n’observe aucune modification sur le cuivre, contrairement à ce qui se passe sur le zinc. L’acide chlorhydrique n’attaque donc pas tous les métaux. Situation 3 SO 2 et CO 2 sont les deux principaux gaz à l’origine des pluies acides. Exercices OBJECTIF 1 : Identifier les ions présents dans une solution d’acide chlorhydrique 1 Des réponses à connaître Des ions hydrogène H + (qui proviennent de l’acide et de l’eau en faible quantité), des ions chlorure Cl – , des ions hydroxyde HO – (qui proviennent de l’eau en faible quantité). 2 Qui est qui ? 1. Le test consiste à déposer une goutte de chaque solution sur le papier pH : s’il rougit, ces solutions sont acides. 2. L’ion chlorure est présent dans la solution a (test positif) mais pas dans la solution b (test négatif). 3. a. L’ion H + et l’ion Cl – . b. L’ion H + et l’ion sulfate SO 4 2– . OBJECTIF 2 : Décrire la réaction entre le fer et l’acide chlorhydrique 3 Des réponses à connaître a. Ce gaz est le dihydrogène : il brûle en produisant un petit claquement au contact d’une flamme. b. Le réactif utilisé pour caractériser l’ion chlorure est le nitrate d’argent. Le précipité de chlorure d’argent est blanc et noircit à la lumière. ᭤ ᭤ ᭤ Le réactif utilisé pour caractériser l’ion Fe 2+ est la solution d’hydroxyde de sodium. Le précipité d’hydroxyde de fer II est vert. 4 Vrai ou faux ? 1. Vrai. 2. Faux. Le claquement caractérise le dihydrogène. 3. Faux. Le précipité caractérise le dioxyde de carbone. 4. Vrai. 5 QCM 1. d et e ; 2. b. 6 Le fer et l’acide chlorhydrique 1. Fer et solution d’acide chlorhydrique. 2. Dihydrogène et solution de chlorure de fer II. 3. Il produit en brûlant un petit claquement au contact d’une flamme. 4. Le test à l’hydroxyde de sodium en solution montre la présence d’ions Fe 2+ (précipité vert). Le test au nitrate d’argent en solution confirme qu’il y a toujours des ions chlorure dans la solution formée (précipité blanc qui noircit à la lumière). 5. Le clou va disparaître entièrement si l’acide est en excès par rapport au fer. 7 Réactions en milieu aqueux 1. fer + solution d’acide chlorhydrique → dihydrogène + solution de chlorure de fer II. 2. Fe + 2H + → H 2 + Fe 2+ . 3. Car ils ne sont pas actifs dans la réaction chimique. 4. Les ions chlorure sont nécessaires car ils permettent d’assurer la neutralité électrique de la solution. 8 Quels produits ? a. Le test de la flamme montre la formation de dihy- drogène (petit claquement au contact de la flamme). b. Le test au nitrate d’argent en solution confirme qu’il y a toujours des ions chlorure dans la solution formée (précipité blanc qui noircit à la lumière). c. Le test à l’hydroxyde de sodium en solution montre la présence d’ions Fe 2+ (précipité vert). 9 Quelles transformations ? 1. Fe, H + , Cl – , H 2 O (on néglige les ions HO – de l’eau). 2. Le test du papier pH prouve la présence d’ions H + (le papier prend une teinte rouge). Le test au nitrate d’argent prouve la présence des ions chlorure (précipité blanc qui noircit à la lumière). 3. L’ion H + n’existe plus en tant qu’ion dans les produits, mais l’hydrogène se retrouve dans la molécule H 2 . 31 L’ion Cl – , lui, est toujours présent en tant qu’ion : c’est un ion spectateur. 4. Les atomes de fer (Fe) ont été transformés en ions fer II (Fe 2+ ). 6. Fe Fe 2+ H + H 2 Cl – Cl – H 2 O H 2 O 7. Les espèces chimiques présentes dans les réactifs sont aussi présentes dans les produits. 8. Le pH de la solution va augmenter car les ions H + vont disparaître au cours de la réaction. 9. Les ions H + sont remplacés par les ions positifs Fe 2+ . OBJECTIF 3 : Reconnaître une transformation chimique 10 Des réponses à connaître Le fer et le zinc. 11 Vrai ou faux ? a. Faux. Il n’attaque ni le cuivre ni les métaux pré- cieux. b. Vrai. 12 QCM 1. a et c ; 2. d. 13 Zinc et acide 1. zinc + solution d’acide chlorhydrique → dihydrogène + solution de chlorure de zinc. 2. métal + solution d’acide chlorhydrique → dihydrogène + solution de chlorure métallique. 3. Oui, car les ions H + qui participent à la réaction sont aussi présents dans cet acide. 4. zinc + acide sulfurique → dihydrogène + sulfate de zinc. 14 Cuivre et acide 1. Il n’est pas attaqué par l’acide chlorhydrique. 2. Il est attaqué par l’acide nitrique. 3. Il ne réagit pas car, sinon, il y aurait eu une réaction avec l’acide chlorhydrique. 4. Il faut exclure le gaz dihydrogène car l’ion H + ne réagit pas. 5. Le test à la soude (formation d’un précipité bleu) prouve la présence d’ions Cu 2+ . 6. L’atome de cuivre (Cu) a été transformé en ion cuivre II (Cu 2+ ). 15 Robinet en laiton Le zinc étant attaqué en surface par l’acide, la couleur du cuivre ressort. En frottant avec un chiffon sec, on peut retrouver la couleur jaune du laiton. 16 Calcaire et acide chlorhydrique 1. Il s’agit du dioxyde de carbone. 2. calcaire + acide chlorhydrique → eau + dioxyde de carbone. 3. Point commun : un gaz se forme au cours de la réaction chimique. Différence : ce gaz n’est pas le même (dihydrogène pour le métal, dioxyde de carbone pour le calcaire). 4. a. Il y a effervescence. b. Le vinaigre est une solution acide. c. La coquille d’œuf contient du calcaire. 17 Canette de boisson L’intérieur de la canette en aluminium est recouvert d’une couche de matière plastique pour que l’aluminium ne soit pas en contact avec la boisson. 32 Chapitre 7 Les piles électrochimiques LE PROGRAMME Connaissances Capacités Approche de l’énergie chimique : une pile électrochimique. Comment une pile peut-elle être une source d’énergie ? Les espèces chimiques présentes dans une pile contien- nent de l’énergie chimique dont une partie est transférée sous d’autres formes d’énergie lorsqu’elle fonctionne. L’énergie mise en jeu dans une pile provient d’une réaction chimique : la consommation de réactifs entraîne « l’usure » de la pile. Réaliser, décrire et schématiser la réaction entre une solution aqueuse de sulfate de cuivre et de la poudre de zinc. Interpréter l’échauffement du milieu réactionnel comme le résultat de la conversion d’une partie de l’énergie chimique des réactifs en énergie thermique. De nombreux appareils courants (lampe de poche, télécommande, calculatrice, petits appareils domestiques tels que les rasoirs, les appareils photographiques, les téléphones portables, les outils de bricolage…) fonctionnent avec des piles électrochimiques ou avec des accumulateurs. Quelques notions d’énergie chimique sont donc proposées à ce niveau d’enseignement en se limitant aux piles électrochimiques. La réaction chimique entre une solution de sulfate de cuivre et de la poudre de zinc, par exemple, est l’occasion d’un transfert d’énergie sous forme d’énergie thermique vers le milieu extérieur. Dans une pile électro- chimique, l’énergie rendue disponible par la transformation chimique est principalement transfé- rée sous forme d’énergie électrique vers les autres composants du circuit. À noter que la pile va « s’user », ce qui la différencie d’une pile à combustible alimentée en continu en réactifs. La réalisation de la pile est l’occasion de montrer l’apparition aux bornes des deux lames d’une tension capable d’alimenter un dipôle adapté. La notion de couple oxydoréducteur est hors programme. Toute la partie historique développée dans cet ouvrage (piles Volta, Daniell, Leclanché) n’est que culturelle. Elle est le prétexte à activité documentaire. Le vocabulaire propre à l’énergie utilisé dans ce chapitre (transfert, conversion) sera explicité au chapitre 10. • • DÉCOUPAGE DU COURS Définition p. 98 Schéma de principe p. 98 Rôle de la pile p. 99 1 2 3 Questions préliminaires Situation 1 Il s’agit d’aborder avec les élèves l’origine de la production d’électricité par la pile. Certains peuvent en effet penser que l’énergie est stockée sous forme électrique dans la pile. ᭤ Situation 2 L’usure de la pile vient de la consommation des réactifs mais, là encore, il s’agit de susciter un échange dans la classe pour prendre conscience des idées des élèves. ᭤ 33 Situation 3 Le nom de cette invention, présentée par Volta à Napo- léon Bonaparte, a été suggéré par l’empilement des rondelles de cuivre et de zinc, séparées par de l’eau salée. Volta a donné son nom à l’unité de la tension électri- que, le volt, de symbole V. Exercices OBJECTIF 1 : Expliquer le principe de fonctionnement d’une pile 1 Des réponses à connaître 1. Une réaction chimique qui a lieu à l’intérieur de la pile (c’est une énergie d’origine chimique). 2. Deux lames métalliques différentes en contact avec un liquide ionique. 2 Vrai ou faux ? 1. Faux. Elle s’use au fur et à mesure qu’elle fait circuler les électrons dans un circuit électrique. 2. 3. Vrai. 4. Faux. Il est gris. 5. 6. 7. Vrai. 3 Fabrication d’une pile 1. La lame de zinc se couvre d’un dépôt de cuivre rouge et la solution bleue se décolore progressivement. 2. Deux lames différentes trempent dans un liquide ionique : il y a donc formation d’une pile. 3. La pile est qualifiée d’électrochimique car elle convertit l’énergie chimique en énergie électrique. 4. Les réactifs de la pile sont consommés au fur et à mesure que la pile fonctionne. 5. Il n’est pas possible de recharger une telle pile en faisant passer du courant pour revenir à la forme chimique initiale de la lame de zinc. OBJECTIF 2 : Différencier les piles du commerce 5 Des réponses à connaître 1. Volta est célèbre pour avoir fabriqué la première pile en empilant des rondelles de cuivre et de zinc séparées par un feutre imbibé d’eau salée. 2. Piles salines, piles alcalines, piles au lithium (piles boutons). ᭤ 6 Tout se mesure 1. Ces piles sont électrochimiques car elles s’usent : lorsque les réactifs chimiques sont épuisés, il n’y a plus conversion d’énergie chimique en énergie électrique. 2. L’emplacement des bornes de chaque pile, les valeurs des tensions fournies (tensions nominales) par les piles, la durée de vie, l’intensité du courant qu’elles supportent. 3. Les valeurs nominales des tensions (écrites sur les piles) sont différentes : 4,5 V (pile plate), 1,5 V (petite pile cylindrique), 9 V (pile rectangulaire). 4. Exemples d’utilisation : pile plate dans les lampes de poche, pile de 1,5 V dans les jouets, pile de 9 V dans les radios-réveils. 7 Les piles cylindriques (salines) 1. Le pourcentage de 0 % de mercure cadmium. 2. Pour des problèmes de recyclage et de toxicité des réactifs. 3. Le composé ionique utilisé dans la pile (sous forme de gel) est du chlorure d’ammonium, autrefois appelé sel. 8 La pile plate 1. Ces deux photographies représentent une pile plate neuve et une pile plate usée. 2. Les réactifs sont consommés lors de la réaction chimique qui a lieu dans la pile. 3. U = 4,5/3 = 1,5 V. 4. Il y a un toujours un très faible courant de fuite d’une borne à l’autre (du fait d’une certaine porosité des matériaux). 9 La pile rechargeable 1. Idées éventuelles des élèves : remettre des réactifs dans la pile ou la recharger en électricité. 2. Cette phrase est correcte. Une pile rechargeable est un petit accumulateur, qui se présente comme une pile, mais qui est susceptible d’être rechargé. On lui fournit de l’énergie électrique pour reformer son stock d’énergie chimique. La pile fonctionne alors comme un récepteur électrochimique. 3. Un accumulateur. OBJECTIF 3 : Distinguer transfert et conversion d’énergie 10 Des réponses à connaître Elle est spontanée car elle se produit directement entre les réactifs contenus dans la pile, irréversible car les réactifs sont consommés et ne sont pas remplacés, et 34 énergétique car la réaction s’accompagne d’un déga- gement de chaleur. 11 QCM 1. b ; 2. b ; 3. a ; 4. a et b. 12 Le double rôle de la pile 1. D’une réaction chimique. La pile convertit l’énergie chimique en énergie électrique. 2. Elle réalise le transfert d’énergie électrique en fonction du nombre de composants dans le circuit, du nombre de dérivations. 3. PILE À l’intérieur de la pile, il se produit une conversion d’énergie De la pile vers le circuit électrique il se produit un transfert d’énergie 4. L’énergie chimique peut se stocker, contrairement à l’énergie électrique qui est fabriquée à la demande. EN ROUTE VERS LE LYCÉE 13 Grenaille de zinc dans une solution de sulfate de cuivre On observe une modification entre les réactifs et les produits (la solution bleue est devenue incolore et un dépôt de cuivre est apparu au fond du tube) : il y a eu réaction chimique. 14 Lame de zinc dans une solution de sulfate de cuivre 1. Zn (solide), Cu 2+ (en solution), SO 4 2– (en solution). 2. La disparition des ions Cu 2+ explique la décolora- tion de la solution. 3. Le dépôt rouge correspond à un dépôt de cuivre. 4. Les ions Cu 2+ ont été transformés en atomes de cuivre (dépôt rouge sur la lame). 5. Les atomes de zinc ont été transformés en ions zinc incolores. 6. Zn → Zn 2+ ; SO 4 2– → SO 4 2– ; Cu 2+ → Cu. 15 Lames de zinc et de cuivre dans une solution de sulfate de cuivre 1. Car si l’on branche un voltmètre entre les deux lames, on observe l’apparition d’une tension. 2. Cu 2+ + Zn → Cu + Zn 2+ . 16 Transfert ou conversion ? Conversion ; transfert. 35 Chapitre 8 La gravitation LE PROGRAMME Connaissances Capacités Notion de gravitation. Pourquoi les planètes gravitent-elles autour du Soleil ? Pourquoi les satellites gravitent-ils autour de la Terre ? Présentation succincte du système solaire. Action attractive à distance exercée par : le Soleil sur chaque planète ; une planète sur un objet proche d’elle ; un objet sur un autre objet du fait de leur masse. La gravitation est une interaction attractive entre deux objets qui ont une masse ; elle dépend de leur distance. La gravitation gouverne tout l’Univers (système solaire, étoiles et galaxies). – – – Comparer, en analysant les analogies et les différences, le mouvement d’une fronde à celui d’une planète autour du Soleil. Le système solaire est constitué, en son centre, d’une étoile, le Soleil, et de huit planètes qui se déplacent autour de lui sur des trajectoires pratiquement circulai- res. Les astronomes, lors de l’assemblée générale de l’Union Astronomique Internationale, ont décidé, le 28 août 2006, de retirer à Pluton, découverte il y a presque quatre-vingts ans aux confins du système solaire, son sta- tut de planète. L’enseignant n’étudie pas les caractéristiques de chaque planète. L’élève n’a pas à connaître les noms et la place de chacune des planètes au sein du système solaire. On évoquera les satellites artificiels. En ce qui concerne la gravitation, l’enseignant précise que : le Soleil exerce une action attractive, à distance, sur chaque planète se déplaçant autour de lui ; – de même, une planète exerce une action attractive, à distance, sur chacun de ses satellites éventuels et sur les objets proches d’elle ; plus généralement, un objet exerce une action attractive, à distance, sur un autre objet du fait de leurs masses et réciproquement : les deux objets sont en interaction, c’est la gravitation. L’expression de la force d’interaction gravitationnelle entre deux masses est hors programme. L’enseignant peut introduire la réciprocité des actions entre deux masses par analogie avec la réciprocité des actions entre aimants. Toutefois, il garde présent à l’esprit que ces deux interactions sont de natures fonda- mentalement différentes. – – DÉCOUPAGE DU COURS Le système solaire p. 112 Les satellites terrestres p. 112 L’attraction universelle p. 113 1 2 3 36 Questions préliminaires Situation 1 Cette situation est présentée aux élèves pour amorcer une réflexion. En réalité, la question posée est très difficile. De nombreux élèves déplaceront le problème en disant que la Lune tourne autour de la Terre car elle est en orbite autour de celle-ci. Il leur sera difficile d’affirmer que la Lune est « attirée » par la Terre car, alors, pourquoi la Lune ne s’écrase-t-elle pas sur la Terre ? Ils savent que ce n’est pas le cas. Situation 2 Beaucoup d’élèves pensent qu’un objet lâché sur la Lune va flotter. Ils sont nombreux à penser qu’il n’y a pas de gravitation sur la Lune car il n’y a pas d’atmosphère. L’image du drapeau américain qui semble flotter sur la Lune accentue ces représentations fausses (en réalité, le drapeau est soutenu par des tiges transversales). Situation 3 Cette situation est présentée aux élèves pour amorcer une réflexion et évaluer leurs connaissances sur les satellites. Si beaucoup savent qu’un satellite est un objet qui se trouve dans l’espace pour la météo et la communica- tion, il leur est souvent difficile d’en dire plus. Exercices OBJECTIF 1 : Décrire le système solaire 1 Notre système solaire 1. Le système solaire est constitué du Soleil et des pla- nètes et astéroïdes qui gravitent autour de lui. 2. Il y a huit planètes dans notre système solaire. 3. Les planètes ne s’éloignent pas car elles sont attirées par le Soleil. 2 Vrai ou faux ? 1. Faux. Le système solaire comporte huit planètes et une multitude d’astéroïdes. 2. Vrai. 3 QCM b et c. 4 Le bon choix La situation 2. ᭤ ᭤ ᭤ OBJECTIF 2 : Définir la gravitation et ses effets 5 Qui a raison ? Le jeune garçon se trompe : il y a de la gravitation sur la Lune car c’est un objet massique. 6 Des réponses à connaître 1. La force d’attraction universelle explique la rotation des planètes. 2. Elles tournent autour du Soleil car elles sont attirées par celui-ci. 3. Ils tournent autour de la Terre car ils sont attirés par celle-ci. 4. C’est une force attractive car elle attire deux objets massiques et exercée à distance car les objets massiques ne sont pas en contact. 5. De la masse des objets et de leur distance. 6. Si l’un tourne autour de l’autre (et à une vitesse initiale). 7 Vrai ou faux ? 1. 2. Vrai. 3. Faux. Deux objets attirés l’un par l’autre ne se ren- contrent pas si l’un tourne autour de l’autre avec une certaine vitesse. 4. Faux. La force de gravitation dépend de la masse des objets et de leur distance. 5. Vrai. 8 QCM 1. a et b ; 2. c. 9 Une de moins, huit de retrouvées 1. a. Pluton tourne autour du Soleil et subit donc l’attraction du Soleil. b. La gravitation est une interaction, donc si Pluton subit l’attraction du Soleil, le Soleil subit l’attraction de Pluton. 2. Elle est plus faible que celle qui existe entre le Soleil et la Terre car Pluton est moins massique que la Terre. 10 Affirmation de Newton 1. Newton explique la gravitation. 2. « La Lune gravite vers la Terre » signifie qu’elle est attirée par celle-ci. La « force de gravité » correspond à la gravitation. L’« orbite » est la trajectoire circulaire que décrit la Lune autour de la Terre. 3. C’est encore vrai pour tous les satellites artificiels de la Terre. 37 11 La tête à l’envers Tous les habitants de la Terre subissent la gravitation de la Terre. Ils sont donc attirés vers le centre de la Terre. 13 Comète 1. Sous l’action de la gravitation de la comète. 2. Sous l’action de la gravitation de la planète. 3. Elle est le résultat de la force de gravitation du Soleil sur la comète. 14 Tombe ou tombe pas ? 1. Feynman parle de la gravitation. 2. La Lune suivrait une trajectoire en ligne droite. 3. La Lune ne s’écrase pas sur la Terre car elle a une certaine vitesse. OBJECTIF 3 : Distinguer satellite et objet spacial 15 QCM b et c. 16 Vrai ou faux ? Vrai. Un satellite géostationnaire tourne autour de la Terre, mais il est fixe pour un observateur terrestre. 17 Plusieurs scénarios possibles Les trajectoires 1 et 2 sont impossibles car la gravitation est une force attractive et doit donc engendrer une modification de la trajectoire de l’astéroïde vers la planète Mars. 18 La station spatiale internationale 1. La station spatiale n’a pas besoin d’un moteur. Avec une vitesse initiale judicieusement choisie et la force de gravitation de la Terre, elle peut tourner autour de la Terre. 2. Pour être au-dessus de l’atmosphère et ne pas être freinée par les particules d’air, la station spatiale doit avoir une altitude bien supérieure à l’épaisseur de l’at- mosphère. 19 Les satellites en question 1. Un objet massique qui tourne autour de la Terre. 2. Car il est attiré par la Terre. 3. Car il a une vitesse initiale. 4. Il pourrait s’écraser sur la Terre. 20 Météosat 1. Un satellite géostationnaire n’est pas réellement fixe dans l’espace puisqu’il tourne autour de la Terre. Mais il est fixe pour un observateur terrestre. 2. Terre 3. Comme il est fixe par rapport à un observateur terrestre, il fait un tour en 24 h (comme la Terre sur elle- même). 4. Car il est attiré par la Terre (gravitation). 5. Localisation et observation. 21 Mise en orbite d’un satellite 1. a. La trajectoire 3. b. La trajectoire 4. c. Les trajectoires 1 et 2. 2. a. La vitesse de l’objet est nulle. b. La vitesse est supérieure à 11,2 km/s. 3. Un objet peut être satellisé s’il a une vitesse initiale lui permettant de ne pas s’écraser sur la planète et de ne pas échapper à l’attraction de la planète. EN ROUTE VERS LE LYCÉE 22 Newton et la gravitation 1. La force de gravitation. 2. S’il y a deux objets massiques. 3. a. Elle est importante. b. Elle est faible. 4. a. La valeur de cette force double. b. La valeur de cette force quadruple. c. La valeur de cette force est divisée par quatre. 5. b. 23 Entre la Terre et la Lune 1. Comme la Terre est plus massique que la Lune, la force qu’elle exerce sur un objet est plus importante (à distance égale). Pour que les deux forces se compen- sent et soient donc égales, il faut que l’objet soit plus éloigné de la Terre que de la Lune. 2. Un objet lâché à cet endroit ne bouge pas s’il a une vitesse nulle, sinon il suit une trajectoire en ligne droite (mais il subit l’attraction du Soleil…). 38 Chapitre 9 Le poids LE PROGRAMME Connaissances Capacités Poids et masse d’un corps Pourquoi un corps a-t-il un poids ? Quelle est la relation entre le poids et la masse d’un objet ? Action à distance exercée par la Terre sur un objet situé dans son voisinage : poids d’un corps. Le poids P et la masse m d’un objet sont deux grandeurs de nature différente ; elles sont proportionnelles. L’unité de poids est le newton (N). La relation de proportionnalité se traduit par P = m × g. Vérifier expérimentalement la relation entre le poids et la masse. Le poids d’un corps est la manifestation de la gravitation au voisinage d’une planète. Le poids d’un objet situé au voisinage de la Terre est l’action à distance que la Terre exerce sur lui. Cette action s’exerce selon la verticale du lieu, vers le bas. La constante de proportionnalité g, appelée intensité de pesanteur, de l’ordre de 10 N/kg au voisinage de la Terre, est donnée. L’enseignant garde à l’esprit que la rotation de la Terre intervient aussi dans l’expression du poids. Toute étude vectorielle (expression, représentation) est hors programme au collège. DÉCOUPAGE DU COURS L’attraction terrestre p. 126 Le poids p. 126 La relation entre le poids et la masse p. 127 1 2 3 Questions préliminaires Situation 1 Cette situation est présentée aux élèves pour amorcer une réflexion. On attend des élèves qu’ils répondent, en se basant sur le chapitre précédent, que la gravitation est plus faible sur la Lune que sur Terre. ᭤ Situation 2 Cette situation a pour objet de différencier, pour la première fois, le poids de la masse. Ce n’est pas parce que l’hippopotame se sentira plus léger en changeant de planète qu’il aura effectivement perdu de la masse corporelle. ᭤ 39 Situation 3 Cette situation est présentée aux élèves pour vérifier que le concept de proportionnalité vue en classe de Quatrième (loi d’Ohm, expression de la vitesse) est connu. On attend des élèves qu’ils reconnaissent une relation de proportionnalité entre le prix de la viande et sa masse (la courbe représentée est une droite qui passe par l’origine). Il est plus délicat pour eux de donner une représentation de la pente de la droite, qui est ici le prix du kilogramme de la viande (qui dépend de la boucherie et de la qualité de la viande…). Exercices OBJECTIF 1 : Mesurer un poids et donner sa signification 1 Des réponses à connaître 1. La force d’attraction de la Terre sur cet objet. 2. Oui, il est environ six fois plus petit que son poids sur Terre. 2 QCM b. 3 Sportifs ! En toute rigueur, il faudrait parler dans les deux cas de masse et non de poids (qui est une force). 4 Le bon choix La proposition 2. OBJECTIF 2 : Interpréter la variation de la pesanteur selon le lieu 5 Des réponses à connaître 1. De la masse de l’astre attractif et de la distance à l’astre. 2. À l’aide d’un dynamomètre. 3. En newton (N). 4. Oui, elle diminue quand l’altitude augmente. 6 Vrai ou faux ? 1. Faux. Il s’exprime en newton (N). 2. Faux. Il se mesure à l’aide d’un dynamomètre. ᭤ 7 QCM 1. a et c ; 2. b. 8 De quoi dépend g ? L’attraction de la planète (l’intensité de pesanteur g) dépend de l’astre (sa masse) et de l’altitude. 9 Quelle planète ? 1. À partir du dessin de droite, on trouve g = 22,9 N/kg, donc l’astronaute se trouve sur Jupiter. 2. a. m = 153 kg ; b. P = 3 500 N. OBJECTIF 3 : Utiliser la proportion- nalité entre poids et masse 10 Des réponses à connaître 1. P = m × g. 2. Oui. 11 Vrai ou faux ? 1. Faux. La masse d’un objet est la même sur la Lune et sur la Terre. 2. Faux. Poids et masse sont deux grandeurs différen- tes. 3. 4. 5. Vrai. 12 QCM 1. a et c ; 2. b. 13 Une expérience à gérer 1. Une balance et un dynamomètre. 2. On va mesurer la masse des objets à l’aide de la balance et leur poids à l’aide du dynamomètre. 3. Le poids est exprimé en newton (N) et la masse en kilogramme (kg). 4. • Faire un tableau de proportionnalité. • Tracer la représentation graphique des mesures effectuées pour s’assurer qu’il s’agit bien d’une droite qui passe par l’origine. 14 Satellite géostationnaire 1. P = 441 450 N. 2. a. m = 4,5 tonnes ; b. P = 990 N. 15 Le bon choix Le graphique 3. 40 16 Mesures de poids et masse On lit : On lit : On lit : Sur la Terre 50 g 0,5 N 50 g Sur la Lune 8,3 g 0,08 N 50 g 17 Ce qu’il ne faut pas faire… 1. a. En accrochant l’objet au dynamomètre tout en le pesant à l’aide d’une balance, on fausse la mesure du poids car l’objet est posé sur la balance, et la mesure de la masse car l’objet est suspendu au dynamomè- tre… b. Une seule mesure n’est jamais suffisante pour pouvoir généraliser un résultat. 2. • Il ne présente pas de titre ; les grandeurs mesurées et leurs unités manquent ; il faut tracer une droite « moyenne ». 18 En moyenne 1. a. La force d’attraction de la Terre sur cet objet. b. Le poids est une force qui dépend d’éléments exté- rieurs à l’objet. La masse est intrinsèque à l’objet. 2. a. L’intensité de pesanteur g. b. L’intensité de pesanteur n’est pas uniforme à la surface du globe. 3. P = 441 N. 19 Exploitation de mesures 1. La masse m est mesurée à l’aide d’une balance et le poids P, à l’aide d’un dynamomètre. 2. 0 4 2 6 8 10 12 14 0 0,5 1 1,5 m (kg) P en fonction de m P ( N ) 3. g = 9,8 N/kg. • • 20 À compléter Astres g (N/kg) m (kg) P (N) Terre 9,81 50 932 Mars 3,72 50 186 Jupiter 22,9 30 687 Saturne 9,05 25 226 22 Étude de courbes 1. Courbe bleue : la Terre ; courbe rouge : la Lune ; courbe verte : Mars ; courbe bleu clair : Jupiter. 2. De la planète. 3. Les courbes sont des droites qui passent par l’origine, donc P et m sont proportionnels pour toutes les planètes. EN ROUTE VERS LE LYCÉE 23 Une chute de pot de fleur 1. a. Un objet qui n’est pas retenu tombe sous l’effet de son poids. b. Verticale, parcourue de haut en bas. 2. P = 3,5 N. 3. a. Comme il perd de la terre au cours de sa chute, sa masse diminue. b. Comme sa masse diminue, son poids diminue. 24 La ceinture de sécurité 1. a. On ne peut pas résister à une telle force. b. Il faut donc mettre sa ceinture de sécurité même à 50 km/h. c. F = 20 000 N. 2. Oui, car 20 000 N < 30 000 N. 3. m = 2 200 kg. 25 Les pouvoirs de Superman 1. Si g = 300 N/kg, alors P = 80 × 300 = 24 000 N. Sur Terre, g = 10 N/kg, donc P = 80 × 10 = 800 N. 2. Le record de saut en longueur deviendrait 30 × 7 = 210 m et le record de saut en hauteur, 30 × 2 = 60 m. 41 Chapitre 10 L’énergie mécanique LE PROGRAMME Connaissances Capacités Pourquoi un objet tombe-t-il sur Terre ? Pourquoi l’eau d’un barrage acquiert-elle de la vitesse au cours de sa chute ? Un objet possède : une énergie de position au voisinage de la Terre ; une énergie de mouvement appelée énergie cinétique. La somme de ses énergies de position et cinétique constitue son énergie mécanique. Conservation d’énergie au cours d’une chute. – – Interpréter l’énergie de mouvement acquise par l’eau dans sa chute par une diminution de son énergie de position. Approche de l’énergie cinétique Qu’est ce que l’énergie cinétique ? La relation donnant l’énergie cinétique d’un solide en translation est E m v c = × 1 2 2 . L’énergie cinétique se mesure en joules (J). Exploiter la relation E m v c = × 1 2 2 . Pourquoi la vitesse est-elle dangereuse ? La distance de freinage croît plus rapidement que la vitesse. Exploiter les documents relatifs à la sécurité routière. Les énergies de position, cinétique et mécanique sont abordées pour expliquer qualitativement les conversions d’énergie dans une chute d’eau (barrage hydraulique). Dans le domaine des moyens de transport, l’homme cherche toujours à aller plus vite pour gagner du temps (le train à grande vitesse (TGV) en est une remarquable illustration). Mais les trop nombreux accidents routiers, qui touchent notamment les jeunes, justifient à eux seuls l’approche quantitative de l’énergie cinétique. Plus positivement, ce chapitre peut être exploité avec profit dans le cadre de l’attestation de sécurité routière afin d’attirer l’attention des élèves sur les dangers de la vitesse. L’énergie cinétique est introduite dans le cas général d’un objet qui se déplace. L’étude est ici réduite à celle d’un solide en translation. La notion de vitesse ayant déjà été abordée en mathé- matiques en classe de Quatrième et utilisée en physique lors de l’étude de la lumière, son traitement se limite à un rappel. L’énergie cinétique d’un solide en translation dépend de la masse du corps et de sa vitesse. Elle croît lorsque ces grandeurs augmentent, mais il faut insister sur la non proportionnalité de l’énergie et de la vitesse. L’utilisation des documents de la « sécurité routière » permet de montrer que la distance de freinage est mul- tipliée par quatre quand la vitesse est doublée. Ce résultat est mis en corrélation avec l’expression de l’énergie cinétique. Il importe d’expliquer qu’au cours de l’arrêt d’un véhicule par freinage, l’énergie cinéti- que est, pour l’essentiel, transformée sous forme thermique au niveau des freins alors que, dans un accident automobile, elle engendre des déformations du véhi- cule et peut occasionner des dégâts matériels et des blessures aux passagers, voire leur mort. 42 DÉCOUPAGE DU COURS Énergie cinétique p. 142 Énergie de position p. 142 Énergie mécanique et conversion p. 143 1 2 3 Questions préliminaires Situation 1 Si à 50 km/h, il faut 50 m pour s’arrêter, les élèves pen- seront qu’à 130 km/h, 130 m seront nécessaires et donc que la distance d’arrêt est proportionnelle à la vitesse. En réalité, il n’en est rien. La distance d’arrêt est l’addition de la distance de réaction et de la distance de freinage. Si la distance de réaction est proportionnelle à la vitesse, la distance de freinage est proportionnelle au carré de la vitesse. Situation 2 Il est difficile, pour les élèves, d’anticiper l’existence de l’énergie de position. Pour eux, le chien qui dort sur le toit de sa niche n’a pas d’énergie… Il est vrai que ce n’est qu’en se transférant en énergie cinétique que l’énergie potentielle stockée se révèle. Situation 3 Cette situation est présentée aux élèves pour amorcer une réflexion sur le fonctionnement d’une centrale hydraulique. Si l’aspect énergétique est délicat, on peut cependant s’attendre à ce que certains élèves aient une connaissance partielle du fonctionnement d’une telle centrale électrique. ᭤ ᭤ ᭤ Exercices OBJECTIF 1 : Calculer une énergie cinétique 1 Des réponses à connaître 1. L’énergie que possède un objet en mouvement. 2. E m v c = × 1 2 2 . 3. Le joule (J). 4. Car elle augmente les distances d’arrêt et les dégâts occasionnés. 2 Vrai ou faux ? 1. Faux. Elle est proportionnelle au carré de la vitesse. 2. Faux. Elle est proportionnelle au carré de la vitesse. 3. Faux. Elle doit être exprimée en m/s. 3 QCM 1. c ; 2. a, b et c ; 3. c. 4 Poids lourd Car son énergie cinétique (qui dépend de la masse) est plus élevée. 5 Unités 1. a. 50 km/h = 13,9 m/s ; b. 90 km/h = 25 m/s ; c. 130 km/h = 36,1 m/s. Le parti pris des auteurs consiste, dans cet ouvrage, à résumer les échanges d’énergie et leurs changements de formes d’énergie dans un schéma simplifié unique, appelé chaîne énergétique. Le vocabulaire privilégié est le suivant : – lorsque l’énergie, sans changer de forme, passe d’un sys- tème à un autre, on parle de transfert (flèche de couleur bleue dans le manuel élève) ; – lorsque l’énergie change de forme à l’intérieur d’un sys- tème, on dit qu’il y a conversion, plutôt que transformation. En effet, le terme convertisseur d’énergie est plus approprié que le terme transformateur qui possède un autre sens en électricité. De plus, le préfixe « trans » qui sous- entend une traversée, un passage, comme dans « transfert » ou « transmission » ne convient pas au cas de la conversion. Ce vocabulaire, accompagnant les schémas des chaînes énergétiques, n’alourdit pas le programme. Il clarifie, au contraire, la question du cheminement de l’énergie et pré- figure celle qui sera présentée au lycée. 43 2. a. 1 m/s = 3,6 km/h ; b. 20 m/s = 72 km/h ; c. 50 m/s = 180 km/h. 6 Le bon choix Graphique 1. 7 Distance d’arrêt 1. 0 10 20 30 40 0 50 100 150 Vitesse (km/h) Distance parcourue pendant le temps de réaction en fonction de la vitesse D i s t a n c e ( m ) D’après le graphe ci-dessus, la distance parcourue pendant le temps de réaction est proportionnelle à la vitesse, car la courbe est une droite qui passe par l’origine. 2. 0 40 20 60 80 100 0 50 100 150 Vitesse (km/h) Distance parcourue pendant le freinage D i s t a n c e ( m ) D’après le graphe ci-dessus, la distance parcourue pendant le freinage n’est pas proportionnelle à la vitesse, car la courbe n’est pas une droite qui passe par l’origine. 8 En scooter 1. v = 12,5 m/s. 2. E m v c = × 1 2 2 , avec : E c en joule (J) ; m en kilogramme (kg) ; v en mètre par seconde (m/s). 3. E c = 14 060 J. 9 Record du TGV 1. v = 160 m/s. 2. E c = 4 480 000 000 J. 10 Comparaison poids lourd-automobile 1. E c = 1 100 000 J. 2. v = 150 km/h. 3. La distance de freinage étant proportionnelle à l’énergie cinétique, elle sera la même dans les deux cas. 11 Pour s’entraîner à l’ASSR 2 1. c ; 2. c ; 3. c ; 4. a. OBJECTIF 2 : Reconnaître une énergie de position 12 Des réponses à connaître 1. L’énergie de position est une énergie liée à l’altitude. 2. Le joule (J). 13 Vrai ou faux ? 1. 2. Vrai. 3. Faux. Il n’a pas d’énergie cinétique, mais il a de l’énergie de position. 14 QCM a et c. 15 Quelle énergie ? Première image : le chien couché : énergie de position ; le chien en mouvement : énergie de mouvement. Deuxième image : le personnage en mouvement : énergie de mouvement. 16 Une énergie dure à gagner En arrivant en haut de l’escalier, on gagne de l’énergie potentielle (de même avec un ascenseur). OBJECTIF 3 : Expliquer une conversion d’énergie mécanique 17 Des réponses à connaître 1. La somme de l’énergie cinétique et de l’énergie de position. 2. Elle utilise, pour faire tourner des turbines, le transfert de l’énergie de position de l’eau en énergie cinéti- que. 18 Vrai ou faux ? 1. Vrai. 2. Vrai (uniquement s’il n’y a pas de frottements). 19 QCM a, b et c. – – 44 20 Montagnes russes En haut d’une pente, l’énergie cinétique est nulle et l’énergie de position est maximale. En bas d’une pente, l’énergie cinétique est maximale et l’énergie de position est nulle. 21 Chute et transfert d’énergie 1. a. E p = 9 J ; b. E c = 1 J ; c. E m = 10 J. 2. t (s) 0 E m E (J) E p E c 22 Évolution d’énergie Première situation (le skieur qui descend une piste de ski) : diminution de l’énergie de position et augmentation de l’énergie cinétique. Deuxième situation (le skateur qui enchaîne les aller- retour sur la piste de skateboard) : transfert d’énergie de position en énergie cinétique et inversement. 23 Chercher l’erreur Si au départ il a une vitesse nulle, il ne pourra pas remonter à une altitude supérieure à celle de son point de départ, même en l’absence de frottements. 24 Satellite à trajectoire elliptique 1. L’apogée correspond à l’altitude maximale du satellite. Le périgée correspond à l’altitude minimale du satellite. 2. L’énergie de position est maximale à l’apogée car l’altitude est la plus élevée. 3. L’énergie cinétique est maximale au périgée car l’énergie de position est minimale (altitude minimale) et l’énergie mécanique se conserve. 4. Entre A et P, l’énergie de position diminue et l’éner- gie cinétique augmente. 25 Le bon choix Graphique 3. 26 Chute de grêlon 1. Il possède une énergie cinétique car il a une vitesse. 2. E c = 1,6 J. 3. Comme il est formé en altitude, il possède, au départ, une énergie de position qui va se transformer en éner- gie cinétique au cours de la chute du grêlon. EN ROUTE VERS LE LYCÉE 28 Violence d’un choc 1. L’énergie cinétique et l’énergie de position. 2. E c = 9 300 J. 3. E p = 9 300 J. 4. L’énergie cinétique n’est pas proportionnelle à la vitesse. 29 Julie sur sa balançoire Graphique 3. 30 Snowboard 1. L’énergie cinétique augmente de A à B puis diminue de B à C. 2. L’énergie de position diminue de A à B puis augmente de B à C. 3. Courbe I : E p ; Courbe II : E c ; Courbe III : E m . 4. Oui. 5. a. E m v c = × 1 2 2 , avec : E c en joule (J) ; m en kilogramme (kg) ; v en mètre par seconde (m/s). b. v E m c = 2 . 6. a. L’énergie cinétique est maximale en B. b. v = 20 km/h. 45 Chapitre 11 La production d’énergie électrique LE PROGRAMME Connaissances Capacités Des possibilités de production de l’électricité. Quel est le point commun des différentes centrales électriques ? L’alternateur est la partie commune à toutes les centrales électriques. L’énergie reçue par l’alternateur est convertie en énergie électrique. Distinction entre les sources d’énergies renouvelables ou non. Expliquer la production d’énergie électrique par l’alternateur de bicyclette par la transformation de l’énergie mécanique. Expliquer la production d’énergie électrique dans une centrale hydraulique ou éolienne par la transformation de l’énergie mécanique. Réaliser un montage permettant d’allumer une lampe ou de faire tourner un moteur à l’aide d’un alternateur. Traduire les conversions énergétiques dans un diagramme incluant les énergies « perdues ». Ce chapitre traite des centrales électriques sous l’angle des transformations que subit l’énergie primaire. On attend de l’élève qu’il soit capable de schématiser très sommairement ces transformations sous la forme d’une chaîne énergétique simplifiée. La conversion de l’énergie est définie comme le passage d’une forme d’énergie à une autre. Ainsi, on parle d’énergie thermique et non de transfert thermique, d’énergie électrique et non de travail électrique. Notons que le terme de chaleur doit être soigneuse- ment évité car il induit une confusion entre transfert thermique et énergie thermique. Il est conseillé d’utiliser l’expression énergie thermique. Dans ce contexte, l’alternateur est présenté comme le convertisseur d’énergie mécanique en énergie électri- que, commun à la majorité des centrales électriques. On se borne à l’observation du mouvement d’un aimant au voisinage d’une bobine pour dégager les conditions dans lesquelles cette conversion a lieu. Les énergies primaires, même si ce chapitre ne prétend pas à leur étude exhaustive, sont comparées à l’aune des problématiques du développement durable : l’élève devra savoir distinguer énergie renouvelable et non renouvelable et savoir qu’elles ont un impact différent sur l’environnement. Trois remarques peuvent éclairer le concept d’énergie renouvelable : les sources d’énergies fossiles se renouvellent mais sur des durées très largement supérieures à la durée de vie des hommes (et de l’humanité…). Il ne faudrait pas que le concept de source d’énergie non renouvelable amène l’élève à penser que la matière ne se conserve pas, c’est-à-dire disparaît ! Il est sans doute utile d’évo- quer rapidement le cycle du carbone en signalant qu’il existe un transfert très lent (plusieurs millions d’an- nées) du carbone atmosphérique vers les réservoirs souterrains que constituent les combustibles fossiles ; on peut avoir tendance à oublier que l’uranium est une source d’énergie non renouvelable, du fait de son pouvoir énergétique très largement supérieur à celui des combustibles fossiles ; les énergies éolienne, hydraulique et de biomasse sont, en dernière analyse, des avatars de l’énergie solaire. Seules les énergies marémotrice et géothermi- que sont indépendantes de l’énergie solaire. – – – 46 DÉCOUPAGE DU COURS Les centrales électriques p. 156 L’alternateur p. 156 Une production à contrôler p. 157 1 2 3 Questions préliminaires Situation 1 La lampe est le récepteur électrique tandis que le dispositif actionné par le personnage est le générateur électrique. Situation 2 La pile réalise la conversion de l’énergie chimique en énergie électrique. Situation 3 L’énergie solaire (issue du soleil), l’énergie éolienne (issue du vent), l’énergie hydraulique (issue des chutes d’eau) sont des énergies dites renouvelables. Exercices OBJECTIF 1 : Identifier l’alternateur 1 Des réponses à connaître 1. Elle produit de l’énergie électrique. 2. L’alternateur. 3. Il convertit de l’énergie mécanique en énergie élec- trique. 4. Un alternateur est constitué principalement d’une bobine de fil conducteur et d’un aimant : lorsque l’aimant est en mouvement au voisinage de la bobine, il apparaît une tension électrique aux bornes de la bobine. 2 Vrai ou faux ? 1. 2. Vrai. 3. Faux. La mise en mouvement d’un aimant en voisinage d’une bobine produit une tension électrique aux bornes de la bobine. 3 Un abus de langage Une génératrice de vélo fournit une tension qui varie dans le temps, ce qui explique que, lorsque l’on pédale ᭤ ᭤ ᭤ lentement, les lampes clignotent. Il n’est donc pas correct de dire qu’il s’agit d’une dynamo. 4 Utiliser l’étymologie Stator est de la même famille que « statique » (immo- bile) et rotor, de la même famille que « rotation » (mouvement autour d’un point) : Marc inverse donc les deux mots. 5 Pédaler pour s’éclairer 1. ➀ = galet ; ➁ = aimant ; ➂ = bobine ; ➃ = extrémité de la bobine. 2. La roue fait tourner le galet qui met en rotation l’aimant au voisinage de la bobine : une tension élec- trique est ainsi créée aux bornes de la bobine. 3. De l’énergie mécanique (cinétique plus précisé- ment). 6 L’induction électromagnétique 1. De gauche à droite : aimant en forme de U ; fil conducteur décrivant une boucle rectangulaire ; volt- mètre. 2. La roue du vélo entraîne le galet, solidaire d’un axe sur lequel est monté un aimant (le rotor) qui tourne au voisinage d’une bobine fixe (le stator) : il apparaît alors une tension aux bornes de la bobine. 3. L’aimant est statique et la bobine constituée d’une seule boucle tourne, à l’inverse du dispositif de la généra- trice. 4. Le mouvement d’un fil conducteur par rapport à un aimant induit la production d’une tension aux bornes de ce fil. 5. Le mouvement du champ magnétique de l’aimant par rapport aux électrons du fil induit la tension élec- trique : on parle d’induction électromagnétique. 7 Tension et vitesse du rotor d’un alternateur 1. Il faut tourner la roue. 2. Le galet associé au rotor de l’alternateur. 3. Le rotor est constitué d’un aimant qui est en mouvement au voisinage de la bobine fixe du stator. 4. La tension est d’autant plus grande que la vitesse de rotation est grande. 47 OBJECTIF 2 : Établir une chaîne énergétique 8 Vrai ou faux ? 1. Faux. Une centrale électrique produit de l’énergie électrique. 2. Faux. Les piles et les batteries sont aussi des généra- teurs électriques. 3. Faux. Une éolienne transforme de l’énergie méca- nique en énergie électrique. 4. Vrai (le plus souvent). Les convertisseurs (énergie lumineuse-énergie électrique) sont des cellules photo- voltaïques. 9 QCM 1. b et c ; 2. a ; 3. a. 10 Le bon choix Centrale nucléaire : énergie nucléaire → énergie thermique → énergie mécanique → énergie électrique. Centrale solaire : énergie lumineuse → énergie élec- trique. Centrale éolienne : énergie mécanique → énergie électrique. Centrale thermique : énergie chimique → énergie thermique → énergie mécanique → énergie électrique. 11 Un turboalternateur 1. ➀ = palette de turbine ; ➁ = aimant ; ➂ = bobine. 2. Car il est l’association d’une turbine et d’un alternateur. 3. II transforme de l’énergie mécanique en énergie électrique. 4. a. Dans des centrales thermiques et les centrales nucléaires. b. Centrales thermiques : énergie chimique transfor- mée en énergie mécanique ; centrales nucléaires : énergie nucléaire transformée en énergie mécanique. 12 La cuisine, ça cuit ! 1. a. Un alternateur. b. Une résistance électrique. 2. a. Elle représente les différentes transformations que subit une énergie primaire. b. Énergie chimique → énergie de mouvement → énergie électrique → énergie thermique. c. Elles sont identiques, à l’exception de l’étape d’utilisation de l’énergie électrique. 13 Conversion d’énergie 1. a. Énergie électrique → énergie thermique. b. Énergie électrique → énergie lumineuse et énergie thermique. c. Énergie électrique → énergie thermique et énergie mécanique. 2. Énergie chimique → 30 % d’énergie mécanique (→ énergie électrique grâce à l’alternateur branché sur la batterie) et 70 % d’énergie thermique. 14 Un groupe électrogène 1. En énergie mécanique. 2. a. Un alternateur. b. L’axe de l’alternateur et l’axe du moteur. 3. a. Une batterie ou une pile. b. L’énergie chimique est stockable contrairement à l’énergie éolienne. 15 L’énergie se transforme mais ne se perd pas ! Toute l’énergie primaire est transformée soit en éner- gie électrique soit en énergie thermique. Mais la plupart du temps, l’énergie thermique n’est pas utilisée (il y a une perte d’énergie utilisable). 16 Des convertisseurs d’énergie 1. a. Un alternateur. b. Une cellule photovoltaïque (qui se trouve sur les panneaux solaires). 2. Le moteur transforme de l’énergie électrique en énergie mécanique. 17 Principe de fonctionnement d’un moteur 1. De l’énergie électrique. 2. De l’énergie mécanique. 3. Un moteur électrique. 4. La conversion réalisée par un moteur est l’inverse de celle effectuée par un alternateur : un moteur utilise donc les mêmes constituants, bobines de cuivre et aimants. OBJECTIF 3 : Comparer les différents modes de production d’énergie électrique 18 Des réponses à connaître 1. Centrales thermique, nucléaire, éolienne, hydraulique. 2. Une source d’énergie est dite renouvelable lorsque ses stocks se renouvellent rapidement. 3. Les centrales thermiques produisent du dioxyde de carbone, gaz à effet de serre, et les centrales nucléai- res, des déchets radioactifs. 48 19 QCM 1. a et b ; 2. a et b ; 3. a. 20 Une centrale classique De gauche à droite : chaudière, chambre à vapeur avec turbine alternateur, conduite d’eau et tour de refroidissement. 21 Le bon choix Graphe 1 : en France, 79 % de l’énergie électrique est d’origine nucléaire, 10 %, d’origine thermique, 10 %, d’origine hydraulique et seulement 1 %, d’origine solaire et d’origine éolienne. 22 Le prix des énergies renouvelables 1. Les énergies solaires et éoliennes sont des énergies renouvelables, contrairement au charbon. 2. Les centrales solaires et éoliennes ne sont pas renta- bles par rapport aux centrales à charbon. 3. Le prix du solaire va baisser car la technologie des cellules photovoltaïques devient plus efficace, donc plus rentable. 4. Il y a davantage de soleil dans le sud donc les panneaux solaires y sont mieux rentabilisés. 5. Le charbon n’étant pas renouvelable, il sera plus difficile de l’extraire. Les cours vont monter, la ressource devenant plus rare. 23 Transformations d’énergie primaire 1. La centrale 2, car le pourcentage d’énergie électrique produite est le plus élevé (par rapport à l’énergie primaire de départ). 2. Le diagramme 3, car l’énergie ne peut pas disparaî- tre : elle ne fait que changer de forme. 24 L’énergie marémotrice 1. La marée est descendante. 2. Ils mettent en mouvement le rotor de l’alternateur des turbines. 3. a. Des pales. b. À l’alternateur. 4. Oui, car les courants « ne s’épuisent pas ». 25 Les énergies renouvelables 1. Une énergie dont la source est pratiquement iné- puisable. 2. L’énergie de biomasse, l’énergie éolienne, l’énergie solaire, l’énergie hydraulique et l’énergie géothermi- que. 3. Des canaux atteignent des profondeurs où la tem- pérature élevée permet de chauffer l’eau sous pression dans ces canaux. 4. L’énergie hydraulique. EN ROUTE VERS LE LYCÉE 26 Des pertes en ligne ! 1. 35 0 100 100 35 Énergie nucléaire (primaire) Énergie électrique % 2. a. L’effet joule transforme une partie de l’énergie électrique en énergie thermique qui n’est plus utilisable : il y a donc une perte d’énergie électrique délivrée au consommateur. b. Dans un grille-pain, une résistance électrique utilise l’effet Joule pour transformer l’énergie électrique en énergie thermique. 3. a. 5/100 × 35 % = 2 %. b. 35 – 2 = 33 %. 49 Chapitre 12 La tension alternative LE PROGRAMME Connaissances Capacités Tension continue et tension alternative périodique. Qu’est-ce qui distingue la tension fournie par le « secteur » de celle fournie par une pile ? Tension continue et tension variable au cours du temps ; tension alternative périodique. Période. Valeurs maximale et minimale d’une tension. La fréquence d’une tension périodique et son unité le hertz (Hz), dans le Système International (SI). Relation entre la période et la fréquence. Identifier une tension continue et une tension alternative. Construire une représentation graphique de l’évolution d’une tension alternative périodique ; en décrire l’évolution. Reconnaître une tension alternative périodique. Déterminer graphiquement sa valeur maximale et sa période. Les auteurs ont pris le parti de considérer implicitement que toute tension alternative est périodique, ce qui est, en pratique, le cas des tensions que fournissent les générateurs usuels de tensions alternatives. Ceux-ci sont appréhendés comme des générateurs dont les polarités sont inversées alternativement au cours du temps. Les tensions alternatives étudiées sont très lentement variables pour permettre aux élèves : d’observer ces variations sur l’écran d’un voltmètre (en position « continu ») ; – d’acquérir manuellement des points de mesures en vue de tracer les courbes d’évolution de ces tensions au cours du temps. Le choix judicieux des échelles constitue un apprentissage utile (non spécifié dans le programme) dans la mesure où il prépare le réglage rai- sonné de l’oscilloscope, objectif du chapitre suivant. L’accent est mis sur l’interprétation de ces courbes d’évolution, ce qui nécessite l’introduction d’un vocabulaire spécifique : les élèves devront savoir mesurer la période et calculer la fréquence (notion adaptée aux tensions plus rapidement variables, qui seront étudiées dans le chapitre suivant). – DÉCOUPAGE DU COURS Reconnaître une tension alternative p. 170 Caractéristiques p. 171 La fréquence p. 171 1 2 3 Questions préliminaires Situation 1 Le premier car le sélecteur est sur la zone V et les bornes reliées au générateur sont V et COM. Le calibre choisi doit être juste supérieur à la valeur mesurée. ᭤ Il s’agit de vérifier que les élèves savent reconnaître un multimètre utilisé en voltmètre et régler son calibre. Situation 2 DEL éteinte : sens non passant donc 1 = (–) et 2 = (+) ; DEL allumée : sens passant donc 3 = (+) et 4 = (–). ᭤ 50 Il s’agit de vérifier que les élèves connaissent les bran- chements correspondant aux sens passant et non passant d’une DEL. Situation 3 Graphe 1 : la température T diminue au cours du temps ; graphe 2 : la température T augmente de – 6 °C à 8 °C au cours du temps ; graphe 3 : T augmente de – 6 °C à 6 °C en 30 s, puis reste constante pendant 20 s, puis augmente. Il s’agit de vérifier que les élèves savent interpréter un graphique d’évolution concernant une grandeur déjà étudiée (la température). Ils doivent mobiliser ce savoir-faire, dans ce chapitre, pour étudier l’évolution d’une tension périodique au cours du temps. Exercices OBJECTIF 1 : Distinguer tension continue et tension alternative 1 Des réponses à connaître 1. a. Une tension qui garde la même valeur au cours du temps. b. Une tension qui change de valeur au cours du temps. c. Une tension qui prend des valeurs alternativement positives et négatives. 2. Avec un GBF (générateur basse fréquence). 3. On reporte ces points de mesures dans un repère, avec la tension U en ordonnées et le temps t en abscisses, et on analyse la courbe obtenue. 2 Vrai ou faux ? 1. Faux. Une tension continue est invariable. 2. Faux. Une tension alternative prend alternativement des valeurs positives puis négatives. 3. Faux. On peut avoir des tensions variables toujours positives. 3 QCM c. 4 Produire un courant alternatif 1. La DEL verte brille car elle est dans le sens passant, contrairement à la DEL rouge. 2. On voit la DEL verte s’éteindre et la DEL rouge s’allumer. 3. Si la tension est de fréquence assez basse (inférieure à 10 hertz), on voit les deux DEL briller alternativement. 4. Le courant change de sens alternativement : le courant est donc alternatif. ᭤ 5 Le bon choix Le circuit 3. 6 Une tension continue 1. Une tension qui garde la même valeur au cours du temps. 2. Non, car une tension continue est représentée par un segment de droite horizontal. 7 Étudier un tableau de mesures 1. La tension est variable puisque sa valeur change au cours du temps. 2. La tension est alternative puisqu’elle change de sens alternativement au cours du temps. 8 Lampes clignotantes 1. Générateur basse fréquence (GBF) ou générateur de tensions alternatives. 2. Si la fréquence de la tension n’est pas trop grande (inférieure à 10 hertz), on voit la lampe clignoter : elle s’allume quand la diode est dans le sens passant et s’éteint quand le courant a le sens opposé. OBJECTIF 2 : Lire et représenter une tension 9 QCM 1. a et b ; 2. b ; 3. b. 10 Qualifier une tension Tension a : alternative (donc forcément périodique) triangulaire. Tension b : continue. Tension c : variable. Tension d : alternative rectangulaire. Tension e : périodique sinusoïdale. Tension f : alternative (pseudo- périodique). 11 Des motifs élémentaires différents 1. Les portions rouge et bleue. 2. Motifs élémentaires de durée 20 s. 3. La période de la tension, notée T. 4. Le motif dont les extrémités sont sur l’axe des abscisses : le rouge. 12 DEL clignotantes de 0 à 2 s de 2 à 4 s de 4 à 6 s DEL V éclairée éteinte éclairée DEL R éteinte éclairée éteinte 51 13 Un motif pas si élémentaire… 1. Oui. 2. Un motif de durée 4 s, dont les extrémités sont sur l’axe des abscisses. 3. Ce motif n’est pas élémentaire car sa durée est plus grande que 4 s. OBJECTIF 3 : Déterminer la valeur maximale, la période et la fréquence 14 Des réponses à connaître 1. a. Durée d’un motif élémentaire, notée T et mesu- rée en seconde. b. Nombre de motifs élémentaires se répétant en une seconde, notée f et mesurée en hertz. c. La plus grande valeur de la tension, notée U max et mesurée en volt. 2. f = 1/T. 15 Vrai ou faux ? 1. Vrai. 2. Faux. La fréquence se mesure en hertz et se note f. 3. Faux. La fréquence est le nombre de motifs qui se répètent en 1 s. 4. 5. Vrai. 16 QCM 1. b ; 2. c. 17 Une tension alternative 1. Oui, car elle prend des valeurs alternativement positives puis négatives. 2. Triangulaire. 3. T = 20 ms et U m = 3 V. 18 Caractériser des tensions Graphique 1 : a. alternative ; b. rectangulaire ; c. T = 17 s et U max = 4,5 V. Graphique 2 : a. alternative ; b. sinusoïdale ; c. T = 2,3 ms et U max = 1,8 V. Graphique 3 : a. variable ; b. triangulaire ; c. T = 10 s et U max = 10,5 × 10 = 10 5 mV. 19 Échelles manquantes Un motif élémentaire a une longueur de 24 carreaux et on sait que T = 120 s. Donc 1 carreau représente 120/24 = 5 s. La valeur maximale de la tension a une longueur de 9 carreaux et on sait que U max = 2,7 V. Donc 1 carreau représente 2,7/9 = 0,3 V. 21 Tracer la caractéristique d’une tension 1. Non, car elle change de valeur au cours du temps. 2. 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 t (s) U (V) 3. La tension n’est pas alternative car ses valeurs res- tent positives. 4. La tension présente un motif qui se répète : elle est périodique de période T = 8 s. 5. U max = 4 V. 6. f = 1/T = 1/8 = 0,125 Hz. EN ROUTE VERS LE LYCÉE 22 Interpréter un graphe Tension 1 : sinusoïdale, alternative, de période T = 0,48 s et de valeur maximale U max = 5,8 V. Tension 2 : rectangulaire, alternative, de période T = 1,2 s et de valeur maximale U max = 1,8 V. 23 Utiliser les caractéristiques d’une tension 1. 2. 0 10 20 40 50 U (V) U 1 U 2 t (ms) 52 Chapitre 13 Mesure des tensions alternatives LE PROGRAMME Connaissances Capacités L’oscilloscope et/ou l’interface d’acquisition, instrument de mesures de tension et de durée. Que signifient les courbes affichées par un oscilloscope ou sur l’écran de l’ordinateur ? La tension du secteur est alternative. Elle est sinusoïdale. La fréquence de la tension du secteur en France est 50 Hz. Reconnaître à l’oscilloscope, ou grâce à une interface d’acquisition, une tension alternative périodique. Mesurer sur un oscilloscope la valeur maximale et la période. Le voltmètre en tension sinusoïdale. Qu’indique un voltmètre utilisé en position « alternatif » ? Pour une tension sinusoïdale, un voltmètre utilisé en alternatif indique la valeur efficace de cette tension. Identifier à des valeurs efficaces les valeurs des tensions alternatives indiquées sur les alimentations ou sur les appareils usuels. Cette valeur efficace est proportionnelle à la valeur maximale. Mesurer la valeur d’une tension efficace (très basse tension de sécurité). Au terme de ce chapitre, les élèves devront savoir utiliser : un oscilloscope pour mesurer la période et la valeur maximale d’une tension alternative ; un voltmètre, en position « alternatif », pour mesurer la valeur efficace d’une tension alternative sinusoïdale. Le recours à des appareils auxiliaires (console d’acquisition et oscilloscope) pour l’étude de tensions alternatives est justifié car une acquisition manuelle des mesures n’est plus possible dans le cas de tensions alternatives de petites périodes (inférieures à quelques dizaines de secondes). L’oscilloscope est conçu comme un traceur de courbe et les réglages de sensibilité verticale et de balayage, – – comme des réglages d’échelle pour la tension et le temps. L’oscilloscope apparaît ainsi aux élèves comme un simple auxiliaire pour visualiser rapidement l’évolution des tensions alternatives (et non plus comme un instrument pénible et compliqué !). Notons que son principe de fonctionnement n’est pas abordé. Enfin, la tension efficace est définie sur le mode opéra- toire : il s’agit de la valeur mesurée par un voltmètre en position « alternatif ». Elle acquiert du sens aux yeux des élèves en étant reliée à la valeur maximale de la tension. Pour que la tension efficace soit pleinement signi- fiante, on pourra indiquer qu’elle correspond à la valeur de la tension alternative produisant les mêmes effets qu’une tension continue de même valeur. DÉCOUPAGE DU COURS Interface d’acquisition de données p. 184 Utilisation de l’oscilloscope p. 184 Valeur efficace d’une tension alternative p. 185 1 2 3 53 Questions préliminaires Situation 1 La courbe n’a pas pu être tracée à partir de points de mesures relevés « manuellement » car ils sont trop rap- prochés dans le temps. Il s’agit d’amener l’élève à relier les conditions de réali- sation des mesures et les résultats de ces mesures. Situation 2 La tension triangulaire a la plus grande valeur maximale, car elle est plus haute, et la plus grande fréquence, car elle présente plus de motifs pour une durée donnée. Il s’agit de vérifier que l’élève peut comparer deux tensions alternatives différentes à l’aide d’une interpréta- tion qualitative des graphes. Situation 3 La courbe est trop « tassée » verticalement et horizontalement. Un carreau vertical devrait représenter 0,5 V au lieu de 1 V et un carreau horizontal, 5 s au lieu de 1 s, ce qui permettrait de représenter deux périodes de la tension au lieu de dix. Il s’agit de vérifier que l’élève sait faire un choix judicieux d’échelle, permettant d’obtenir la représentation la plus exploitable. Exercices OBJECTIF 1 : Régler un oscilloscope ou une console 1 Des réponses à connaître 1. Elle est plus rapide, plus fiable et facilite l’exploitation des résultats de mesures. 2. La période et la valeur maximale. 3. La sensibilité verticale est un réglage d’échelle pour la tension. Le balayage est un réglage d’échelle pour le temps. 2 Vrai ou faux ? 1. Faux. L’oscilloscope permet de représenter l’évolu- tion de tensions alternatives de petites périodes. 2. Faux. Il faut régler la sensibilité verticale et le balayage. 3. Faux. En modifiant la sensibilité verticale, on ne modifie que la représentation de la tension. La valeur maximale de la tension est réglable sur le générateur de tension alternative. 4. Vrai. ᭤ ᭤ ᭤ 5. Faux. Un voltmètre en mode « alternatif » mesure la valeur efficace d’une tension. 3 QCM 1. a et b (difficilement) ; 2. a et b ; 3. b ; 4. c. 4 Le bon choix L’oscillogramme 2, car on voit à peine un motif élé- mentaire. 5 Choix d’un réglage Le bouton 3 ; le bouton 2. 6 Un choix d’échelle 1. V/div signifie qu’une division correspond à un volt et ms/div, qu’une division correspond à une millise- conde. 2. V/div correspond à la sensibilité verticale et ms/div, au balayage (ou sensibilité horizontale). 3. a. La sensibilité verticale. b. Le balayage. 7 Avantage d’une console d’acquisition 1. Non, car l’on tracerait la droite correspondant à l’axe des abscisses. 2. a. On peut réaliser une mesure toutes les quatre secondes. b. Il est plus difficile de réaliser des mesures toutes les deux secondes. 3. Il faut faire une acquisition automatique à l’aide d’une console. 8 Mesure au voltmètre 1. Le voltmètre est sans doute en mode « continu ». Comme la tension varie rapidement, le voltmètre ne peut pas suivre ses variations et reste calé sur la valeur moyenne U = 0 V. Il faut choisir le mode « alternatif ». 2. a. Le calibre choisi est inférieur à la valeur de la tension mesurée. b. Le calibre 20 V, car la valeur affichée est plus précise qu’avec le calibre 200 V. OBJECTIF 2 : Effectuer des mesures à partir d’un enregistrement 9 Des réponses à connaître 1. Un voltmètre en position « alternatif ». 2. Si la tension varie très lentement, le voltmètre peut afficher les valeurs prises. 54 Si la tension est trop rapidement variable (f > 10 Hz), le voltmètre affiche une valeur moyenne nulle. 10 Trouver le bon usage Associer : 1 avec c et e ; 2 avec d ; 3 avec a et b ; 4 avec b. 11 Fait main ? 1. Elles sont trop proches dans le temps pour avoir été acquises manuellement. 2. Une console d’acquisition. 3. L’oscilloscope. 12 Utilisation pas à pas de l’oscilloscope 1. a. Il y a 3 divisions verticales entre A et B. b. Il faut multiplier 3 par la valeur de la sensibilité verticale (0,5 V/div). c. U max = 3 (div) × 0,5 (V/div) = 1,5 V. 2. a. Il y a 4 divisions horizontales entre C et D. b. Le motif entre G et H est un motif élémentaire, mais la mesure du nombre de divisions n’est pas facile. c. Il faut multiplier 4 par la valeur du balayage (2 ms/ div). d. T = 4 (div) × 2 (ms/div) = 8 ms. 13 Mesure de valeur maximale 1. Elle est alternative car elle prend des valeurs alternativement positives et négatives (l’axe horizontal correspond au zéro de la tension). 2. 3,4 divisions. 3. U max = 3,4 (div) × 2 (V/div) = 7,8 V. 14 Mesures sur des tensions alternatives Tension 1 : a. U max = 2,4 (div) × 0,1 (V/div) = 0,24 V ; b. T = 3,8 (div) × 2 (ms/div) = 7,6 ms = 0,0076 s ; c. f = 1/T = 1/0,0076 (s) = 131,6 Hz. Tension 2 : a. U max = 3,4 (div) × 2 (V/div) = 7,8 V ; b. T = 4 (div) × 50 (µs/div) = 200 µs = 0,0002 s ; c. f = 1/T = 1/0,0002 (s) = 5 000 Hz. 15 Grandeurs et unités 1. Sensibilité verticale : volt/division (V/div) ; fréquence : hertz (Hz) ; tension efficace : volt (V) ; tension maximale : volt (V) ; balayage : seconde/division (s/div) ; période : seconde (s). 2. a. 105 500 000 Hz = 105,5 MHz (France info) ; b. 0,05 V = 50 mV ; c. 1 532,4 µs = 0,0015324 s ; d. 123 kHz = 123 000 Hz ; e. 45 ms = 0,045 s. 3. f = 500 kHz = 500 000 Hz donc : T = 1/f = 1/500 000 = 0,000002 s = 2 µs. Une période occupe donc : 2 (µs)/0,5 (µs/div) = 4 divisions. 16 Réglages d’échelles ou modification de tension ? A-1. Il n’a pas modifié la tension mais simplement sa représentation sur l’écran. 2. Non, puisque en choisissant 1 V/div, l’étalement de la courbe lui permet de faire une mesure de U max plus précise. B-1. Les réglages d’échelles sont à revoir : on ne voit pas une période complète et la courbe est trop « tas- sée » verticalement. 2. Il faut choisir : 1 V/div : la courbe occupe deux fois plus de place en hauteur ; 2 ms/div : la courbe « se tasse » horizontalement, ce qui permet de voir plus d’une période. 17 Savoir retrouver une unité balayage (?) × déviation horizontale (div) = temps (unité de temps) donc : balayage (?) = temps (unité de temps) déviation horizontale (div) Le balayage s’exprime en unité de temps par division, (ms/div), par exemple. OBJECTIF 3 : Relier valeur efficace et valeur maximale 18 QCM 1. b ; 2. a. 19 Valeur efficace et valeur maximale 1. a. Un voltmètre. b. Un oscilloscope. 2. La valeur maximale de la tension est proportionnelle à sa valeur efficace (relation valable uniquement pour une tension sinusoïdale) : U U eff max = × 2 . 3. U max = × 2 10 = 14,1 V. 4. a. Valeur efficace. b. U max = × 2 230 = 324 V. c. L’indication lue sur le fer à repasser est sa tension nominale, qui est la valeur efficace du secteur, donc U max (secteur) = × 2 230 = 324 V. – – 55 20 Lecture d’un oscillogramme 1. La tension est sinusoïdale. 2. Un motif élémentaire a pour longueur 5 div, donc : T = 5 (div) × 5 (ms/div) = 25 ms = 0,025 s et f = 1/T = 1/0,025 = 40 Hz. La courbe a une hauteur de 3,4 div, donc : U max = 3,4 (div) × 0,2 (V/div) = 0,68 V et U U eff = max 2 = 0,48 V. 3. U eff , car la formule précédente n’est vraie que pour les tensions sinusoïdales. 21 Tracer un oscillogramme 1. T = 1/f = 1/2 000 = 0,0005 s ; U U eff max = × 2 = 2 2 × = 2,8 V. 2. EN ROUTE VERS LE LYCÉE 22 Quels réglages ? • On connaît U eff = 4,8 V, donc : U max = 2 × U eff = 2 × 4,8 = 6,8 V. On mesure le nombre de divisions verticales correspondant à la valeur maximale, soit 3,4 div. Donc le réglage de la sensibilité verticale est : 6,8 (V)/3,4 (div) = 2 V/div. • On connaît f = 500 Hz, donc : T = 1/f = 1/500 = 0,002 s = 2 ms. On mesure le nombre de divisions horizontales correspondant à une période, soit 4 div. Donc le réglage du balayage est : 2 (ms)/4 (div) = 0,5 ms/div. 23 Tracer un oscillogramme Il faut choisir les réglages d’échelles correctement : avec 1 V/div le nombre de division correspondant à la valeur maximale est de 3,2, ce qui est le plus efficace ; avec 10 ms/div, le nombre de divisions correspondant à la période est de 5, ce qui permet de voir un peu plus d’une période. 1 V/div 10 ms/div 24 Réaliser des mesures précises 1. a. L’oscillogramme 2, car la longueur d’un motif élémentaire peut se mesurer plus facilement. b. C’est indifférent. 2. T = 3,8 (div) × 2 (ms/div) = 7,6 ms. U max = 2,4 (div) × 2 (V/div) = 4,8 V. 3. Il est possible de déplacer la courbe pour faire coïn- cider les traits du quadrillage et des points particuliers de cette courbe afin de faciliter la détermination de T et U max . – – 56 Chapitre 14 La puissance électrique LE PROGRAMME Connaissances Capacités La puissance électrique. Que signifie la valeur exprimée en watt (W) qui est indiquée sur chaque appareil électrique ? Puissance nominale indiquée sur un appareil. Le watt (W) est l’unité de puissance du Système International (SI). Citer quelques ordres de grandeur de puissances électriques domestiques. Énoncé traduisant, pour un dipôle ohmique, la relation P = U × I où U et I sont des grandeurs efficaces. Calculer, à partir de sa puissance et de sa tension nominales, la valeur de l’intensité efficace du courant qui traverse un appareil qui se comporte comme un dipôle ohmique. L’intensité du courant électrique qui parcourt un fil conducteur ne doit pas dépasser une valeur déterminée par un critère de sécurité. Exposer le rôle d’un coupe-circuit. Le coupe-circuit protège les appareils et les installations contre les surintensités. Repérer et identifier les indications de puissance, de tension et d’intensité sur les câbles et sur les prises électriques. La puissance nominale est définie comme la puissance reçue par l’appareil quand il est soumis à sa tension nominale. Une difficulté se pose, éludée par le programme : il est possible de régler la puissance reçue par la plupart des appareils électriques. Force est donc de constater qu’à une tension nominale correspondent plusieurs valeurs de puissance nominale. Ainsi l’indication de puissance, portée sur les appareils, est la puissance maximale nominale. Les auteurs ont donc pris le parti de ne pas dissimu- ler qu’en fonctionnement nominal, un appareil électri- que peut recevoir des puissances électriques différentes. Le concept de puissance ne peut être compris pleinement que dans la mesure où il est conçu en rapport avec l’énergie, objet du chapitre suivant. Mais on peut déjà faire remarquer que la puissance électrique reçue conditionne l’importance des effets (mécaniques, thermiques, etc.) produits par l’appareil. La relation P = U × I fait intervenir les valeurs efficaces de la tension et de l’intensité, ce qu’il faudra évoquer au moins une fois en classe puisque les symboles utili- sés ne le précisent pas. L’interprétation de cette formule doit être l’occasion de lever l’ambiguïté existant entre les concepts d’intensité et d’énergie : la puissance ne dépend pas que de l’intensité… même si la suite du chapitre associe explicitement à la seule inten- sité du courant les effets thermiques dans les fils élec- triques ! Enfin, connaître la puissance des appareils permet un usage raisonné et sécurisé de l’installation électrique d’une maison : la section des fils d’une ligne doit être adaptée à la puissance des appareils branchés sur cette ligne ; ce qui explique la nécessité d’utiliser des coupe- circuits de calibres différents. Il nous a semblé important, dans cette logique, de rappeler dans le cours les causes possibles de surintensités. 57 DÉCOUPAGE DU COURS Puissance nominale p. 198 Puissance et intensité : deux grandeurs liées p. 198 Puissance des appareils et installations électriques p. 199 1 2 3 Questions préliminaires Situation 1 Il s’agit de faire un état des lieux des conceptions des élèves concernant le rapport entre puissance reçue et tension appliquée. Certains élèves savent que la batterie d’un téléphone portable a une tension beaucoup plus faible que celle du secteur, ce qui leur fait penser que la puissance reçue par le téléphone portable est beaucoup plus faible que celle reçue par la tondeuse. La relation P = U × I, sans être formalisée, est alors déjà en partie conceptualisée. Plus couramment, les élèves mettent en relation la petite taille avec la plus faible puissance reçue… ce qui est une première notion de la puissance, qu’il suffira alors d’affiner en introduisant la notion d’« effet produit » – au sens énergétique – du fait de la puissance reçue (effet plus petit si l’appareil est petit). On remarque ici qu’il est difficile de ne pas faire réfé- rence, même implicitement, à la notion d’énergie quand on veut donner du sens au concept de puissance. Situation 2 Le troisième, car les bornes utilisées sont mA et COM et le sélecteur est dans la zone des mA. Il s’agit de vérifier que les élèves savent reconnaître un multimètre utilisé en ampèremètre. Situation 3 Il s’agit de vérifier que les élèves savent interpréter une formule mathématique (I = U/R). Exercices OBJECTIF 1 : Interpréter les indications portées 1 Vrai ou faux ? 1. Faux. L’indication qui s’exprime en watt sur les appareils électriques est la puissance nominale. 2. Vrai. 3. Faux. La puissance reçue est dite nominale quand l’appareil est alimenté sous sa tension nominale. ᭤ ᭤ ᭤ 2 QCM 1. b ; 2. b ; 3. a. 3 Ce que signifie la puissance 1. 230 V est la tension nominale, c’est-à-dire la tension pour laquelle la lampe fonctionne correctement. 60 W est la puissance nominale, c’est-à-dire la puissance électrique reçue par la lampe quand elle est sou- mise à sa tension nominale. 2. a. Le convecteur de puissance 1 200 W. b. Celui de plus grande puissance, car l’importance de l’effet produit dépend de la puissance nominale. 4 Indications électriques 1. La puissance nominale. 2. La tension de bon fonctionnement d’un appareil. 3. La puissance reçue par l’appareil quand il est soumis à sa tension nominale. 4. Nom de la grandeur électrique Symbole Unité Symbole de l’unité Puissance P watt W 5 Convertir pour calculer 1. a. P = 0,8 kW = 800 W. b. P = 9,8 kW = 9 800 kW. c. P = 700 W = 0,7 kW. d. P = 60 W = 0,06 kW. 2. P totale = 0,8 + 9,8 + 0,7 + 0,06 = 11,36 kW = 11 360 W. 6 Puissances des centrales électriques 1. a. Il faut 1 200/2 = 600 centrales éoliennes ou encore 60 groupements de 10 éoliennes. b. La puissance d’une centrale solaire est très faible. 2. a. P totale = 8 660 W. b. 1 200 000 000/8 660 = 138 500 maisons. 7 Connaître des ordres de grandeur 1. Par ordre de puissance croissante : une veilleuse : 1 W ; un téléviseur : 150 W ; un lave-linge : 2,5 kW ; un TGV : 2 MW ; l’EPR : 1 500 MW. 2. Le nouveau générateur nucléaire peut alimenter 750 TGV. 58 OBJECTIF 2 : Énoncer et utiliser la relation entre la puissance, l’intensité et la tension 8 Vrai ou faux ? 1. Faux. La puissance reçue par un appareil sans moteur est égale au produit de l’intensité qui le traverse par la tension à ses bornes. 2. Vrai. 3. Faux. Plus un appareil est puissant, plus l’intensité du courant qui le traverse est grande. 4. Vrai (seulement si leur tension nominale est la même). 9 QCM 1. a et b ; 2. a ; 3. c. 10 Une centrale à vapeur 1. Sa tension nominale est de 230 V. 2. 2 400 W représente la puissance totale reçue par la centrale (pour chauffer l’eau et le fer) et 800 W, la puissance utilisée pour chauffer le fer. 3. P = 2 400 – 800 = 1 600 W. 4. I = P/U = 800/230 = 3,48 A. 11 Plaques de cuisson 1. P (ARD) = 1 200 W. 2. U = 230 V. 3. I = P/U = 1 200/230 = 5,2 A. 4. La puissance maximale indiquée est la somme de la puissance de chaque foyer : 6 800 = 1 800 + 1 400 + 1 200 + 2 400. 5. I = P/U = 6 800/230 = 29,6 A. 12 Puissance reçue par une résistance 1. 230 V, c’est-à-dire la tension du secteur. 2. a. P = U × I. b. I = U/R (d’après la loi d’Ohm). c. P = U 2 /R. d. P = U 2 /R = (230) 2 /25 = 2 116 W. OBJECTIF 3 : Adapter la taille des fils à la puissance des appareils 13 Vrai ou faux ? 1. Faux. Ils sont plus ou moins épais. 2. Vrai. 3. Faux. Ils évitent les surchauffes. 4. Faux. Ils ouvrent le circuit. 14 QCM 1. b ; 2. a ; 3. c. 15 Calibres des disjoncteurs 1. Il s’agit des calibres des disjoncteurs : C16 signifie que le disjoncteur se déclenche dès que l’intensité dans la ligne qu’il protège dépasse les 16 A. 2. Il s’agit de la plaque de cuisson. 3. Le lave-linge peut être parcouru par un courant d’intensité supérieure à 16 A. Avec un disjoncteur de calibre 16 A, il ne pourrait donc pas fonctionner au maximum de sa puissance. 4. Les fils de plus faible section sont associés aux lignes protégées par les disjoncteurs de plus faible calibre (C16) : les lignes des lampes et de l’allumage électri- que du chauffe-eau à gaz. 16 Fils et puissance des appareils 1. Section 1,5 mm 2 2,5 mm 2 6 mm 2 Intensité maximale 16 A 20 A 32 A Appareils alimentés éclairage gros appareils électromé nagers, four table de cuisson 2. Les disjoncteurs et les fusibles. 3. Une lampe basse consommation : 20 W ; un lave- linge : 2 500 W ; un four électrique : 3 500 W ; une table de cuisson : 6 000 W. 4. Les appareils puissants sont parcourus par des courants de grande intensité qui échauffent les fils électri- ques : les fils épais supportent mieux cet échauffement (et chauffent moins) que les fils de petite section. 17 Les limites… d’une rallonge 1. U = 230 V. 2. On connaît I max = 16 A et U = 230 V, donc : P max = U × I max = 230 × 16 = 3 680 W. On peut donc alimenter deux chauffages d’appoint à l’aide de cette multiprise (P = 2 × 1 500 = 3 000 W < 3 680 W), mais pas trois (P = 3 × 1 500 = 4 500 W > 3 680 W). 3. Le coupe-circuit de la ligne (fusible ou disjoncteur) ouvre le circuit. 18 Sautera ou sautera pas ? On calcule la puissance maximale admissible par la prise : P max = U × I max = 230 × 16 = 3 680 W, que l’on compare à la puissance totale des appareils : P t = 2 000 (W) + 800 (W) + 4 × 100 (W) = 3 200 W. 59 Comme P t < P max : on peut brancher ces appareils simultanément. 19 Erreurs d’installation 1. La table de cuisson ne peut pas fonctionner au maximum de sa puissance car le fusible fond avant. 2. Il y a danger car les fils chauffent avant que l’inten- sité ne soit suffisante pour faire fondre le fusible. 20 Une chaîne causale Court-circuit → surintensité → le fusible fond → le circuit est ouvert → intensité nulle → le circuit a été pro- tégé. 21 Réenclencher un disjoncteur 1. L’intensité dans le circuit d’éclairage a dépassé le calibre du disjoncteur, c’est-à-dire 16 A. 2. Le disjoncteur va très rapidement sauter à nouveau. 3. Il faut détecter la cause de cette surintensité et y remédier : éliminer un court-circuit s’il y en a un ou débrancher des appareils électriques. 22 Il y a de l’orage… 1. Le court-circuit et la surcharge du circuit (trop d’appareils en fonctionnement simultané). 2. C’est la foudre qui est à l’origine de la surintensité dans le circuit. 3. L’intensité dans un circuit est proportionnelle à la tension aux bornes des appareils, donc l’intensité augmente si la tension augmente. La foudre provoque une surtension qui se traduit par une surintensité. 23 Le bon choix 1. Par ordre de puissance croissante : lampe (20 W) < télé (150 W) < sèche-cheveux (1 300 W) < sèche- cheveux (1 600 W) < sèche-cheveux au maximum de sa puissance (2 000 W) < plaque de cuisson (6 kW). 2. La puissance est égale au quotient de la tension sur l’intensité, soit P = U/I : relation fausse. La puissance diminue quand la tension augmente, soit P = I/U : relation fausse. La puissance augmente quand la tension et l’intensité augmentent, soit P = U × I : bonne relation. 3. La prise : fusible de 16 A, fil de petite section. Le lave-linge : disjoncteur de 20 A, fil de moyenne section. La plaque de cuisson : disjoncteur de 32 A, fil de grande section. Plus un appareil est puissant, plus l’intensité du courant qui le traverse est grande, plus les fils du circuit doivent être larges pour moins s’échauffer. EN ROUTE VERS LE LYCÉE 25 Des fils aux résistances 1. La résistance s’échauffe trop et se détériore. 2. Pour moins s’échauffer, la résistance doit être plus large, comme c’est le cas pour un fil électrique : ainsi, une résistance de grande section peut supporter une puissance maximale plus grande qu’une résistance plus fine. 26 Une prise de courant 1. 230 V est la tension nominale reçue par les appareils branchés à la prise ; 3 680 W est la puissance maximale admissible par la ligne derrière la prise. 2. 16 A est l’intensité maximale du courant admissible par la ligne derrière la prise. 3. P max = U × I max = 230 × 16 = 3 680 W. 27 Une résistance trop faible 1. Court-circuit et surcharge (trop d’appareils fonctionnant simultanément). 2. a. I = U/R (d’après la loi d’Ohm). b. R doit diminuer. c. La résistance d’un fil de court-circuit est très faible. Ceci explique que l’intensité augmente beaucoup quand le circuit est court-circuité (le circuit a alors la résistance d’un fil). Plus on branche d’appareils en dérivation, plus l’inten- sité du courant dans la branche principale augmente : cet effet ne s’explique que par une diminution de la résistance du circuit (la tension aux bornes de la prise reste constante). Ainsi, dans les deux cas, la résistance du circuit est faible, ce qui se traduit par une grande intensité du courant dans le circuit. 60 Chapitre 15 Consommation d’énergie électrique LE PROGRAMME Connaissances Capacités La mesure de l’énergie électrique. À quoi sert un compteur électrique ? Que nous apprend une facture d’électricité ? L’énergie électrique E transférée pendant une durée t à un appareil de puissance nominale P est donnée par la relation E = P × t. Calculer l’énergie électrique transférée à un appareil pendant une durée donnée et l’exprimer en joule (J), ainsi qu’en kilowattheure (kWh). Le joule est l’unité d’énergie du système international (SI). DÉCOUPAGE DU COURS Mesure et calcul de l’énergie p. 212 Transfert et conversion d’énergie p. 213 1 2 Questions préliminaires Situation 1 Le compteur électrique indique le nombre de kilowatt- heures consommés par chaque usager dans son habitation (appartement ou maison), pendant une période donnée. Afin d’établir une facture propre à chaque abonné, la compagnie d’électricité doit procéder au relevé de l’indication donnée par le compteur, en précisant la date pour chacun des relevés. Situation 2 Il faut connaître la puissance utilisée par chaque appareil et savoir quels appareils l’usager désire faire fonctionner simultanément. Pour un chalet tout électrique, il est certain que l’abonné devra souscrire une puissance relativement grande par rapport aux puissances proposées par la compagnie d’électricité, n’ayant pas d’autre source d’énergie que l’électricité. ᭤ ᭤ Situation 3 Il ne s’agit pas d’une question d’ordre esthétique mais d’un problème de consommation d’énergie. Les lampes fluocompactes sont dites à économie d’énergie. Leur prix est plus élevé à l’achat mais elles consomment moins d’énergie. Exercices OBJECTIF 1 : Utiliser la relation E = t × P 1 Des réponses à connaître 1. E = t × P. 2. Le joule (ou wattseconde). ᭤ 61 2 Vrai ou faux ? 1. Faux. Elle dépend aussi de la puissance des appareils. 2. Vrai. 3. Faux. Pour une même durée d’utilisation, une lampe de 100 W consomme quatre fois plus d’énergie qu’une lampe de 25 W. 4. Faux. Pour des lampes identiques, la consommation d’énergie est proportionnelle à la durée d’utilisation. 5. Faux. Elle consomme 200 Wh. 6. Faux. On utilise le kilowattheure. 3 QCM b. 4 Consommation d’énergie 1. La durée de fonctionnement est de 18 min, soit 18 × 60 = 1 080 s. 2. E = t × P, soit E = 1 080 × 50 = 54 000 J. 3. E = 54 000/3 600 = 15 W. 4. Sept tours et demi. 5 Deux lampes 1. La lampe qui va consommer le plus est la lampe halogène car elle est plus puissante. 2. La lampe incandescence consommera : E = 4 × 40 = 160 W = 0,16 kWh. La lampe halogène étant cinq fois plus puissante, elle consommera : E = 160 × 5 = 800 W = 0,8 kWh. 6 Un film 1. E = 90 × 1,66 = 149,99 Wh, soit 150 Wh ou encore 0,15 kWh. 2. Prix à payer : 0,15 × 0,13 = 0,019 euro, soit 0,02 euro. 7 Une pile bouton 1. 0,22/(22 × 10 –6 ) = 10 000 heures. 2. Une année compte : 365 × 24 = 8 760 heures, donc la pile fonctionnera pendant plus d’un an. 8 L’eau chaude 1. t = E/P, soit t = 4/1,2 = 3,33 h, soit 3 h 20 min. 2. Prix à payer : 4 × 0,13 = 0,52 euro. 9 Combien de calories ? 1. E = 800 × (5/60) = 66,6 Wh = 66,6 × 3 600 = 240 000 J = 240 kJ. 2. Deux tranches correspondent à 883 kJ, donc trois tranches correspondent à 883 × 3/2 = 1 324 kJ. 10 Plein temps ? 1. Oui, car P consommée = 100/0,25 = 400 W. 2. Pendant 30 min, un fer à repasser qui fonctionne- rait sous sa puissance nominale consommerait : 400 × 0,5 = 200 Wh. Le fer ne consomme que 150 Wh car il ne fonctionne en moyenne que les 3/4 du temps d’utilisation. 11 Quel problème ? 1. Questions possibles : a. Pourquoi, en une heure, le four ne consomme-t-il pas 2 000 kWh ? b. Pourquoi le four fonctionne-t-il sans arrêt pendant les six premières minutes ? 2. a. Le four ne consomme que 500 Wh en une heure car il ne fonctionne pas tout le temps. b. Le four doit, au début, chauffer sans s’arrêter pour atteindre la température souhaitée. OBJECTIF 2 : Distinguer transfert et conversion 12 Des réponses à connaître En énergies lumineuse (lampe), thermique (radiateur électrique), mécanique (moteur). 13 QCM a et c. 14 Conversion d’énergie électrique ? 1. Situation a : Plaque de cuisson Transfert d’énergie électrique Transfert d’énergie thermique Situation b : Laser Transfert d’énergie électrique Transfert d’énergie lumineuse Situation c : Robot mixeur Transfert d’énergie électrique Transfert d’énergie mécanique 2. Car l’énergie produite n’est pas de même nature que l’énergie reçue. Remarque : Pour faire comprendre aux élèves la différence entre transfert et conversion, il est possible de procéder à une analogie avec l’utilisation d’une somme d’argent : 62 – si l’on transfère une somme d’argent d’un compte ban- caire à un livret de caisse d’épargne, son montant reste identique mais sa localisation change ; – par contre, si l’on achète, avec cette même somme d’argent, un bien immobilier, l’argent est alors converti en « pier- res » et n’existe plus sous la même forme. OBJECTIF 3 : Maîtriser la consommation d’énergie 15 Des réponses à connaître Il sert à mesurer l’énergie électrique utilisée par un usager. 16 QCM a et c. 17 Facture d’électricité 1. La puissance souscrite par l’abonné est 6 kW. La somme des puissances des appareils pouvant fonctionner simultanément ne doit pas excéder 6 kW. 2. L’énergie consommée pendant la période indiquée est obtenue en faisant la différence entre le nouveau relevé et l’ancien : 38 293 – 37 839 = 454 kWh. 3. Montant correspondant au tarif de l’abonnement du 04/12/07 au 04/02/08 (2 mois) : 4,45 × 2 = 8,90 €. Montant correspondant à la consommation d’énergie du 05/10/07 au 05/12/07 (2 mois) : 454 × 0,078 = 35,73 €. 4. L’abréviation HT signifie « hors taxes ». 5. Il faut ajouter les taxes locales et la TVA pour obtenir le montant TTC (toutes taxes comprises) à payer. 18 Éclairement d’une lampe 1. Énergie thermique (15 J) Énergie électrique (100 J) Énergie lumineuse invisible (75 J) Énergie lumineuse visible (10 J) 2. Pile Lampe Environnement Transfert d’énergie électrique Transfert d’énergie lumineuse Transfert d’énergie thermique Conversion d’énergie Conversion d’énergie 3. Non, puisque toute l’énergie électrique n’est pas convertie en énergie lumineuse visible. 19 Une installation domestique 1. On applique la relation P = E/t pour calculer la puissance de l’appareil. Appareil Énergie électrique utilisée (Wh) Durée (h) Puissance de l’appareil (W) Réfrigérateur 600 4 150 Lampes 1 000 2 500 Chauffe-eau 2 500 1 2 500 Ordinateur 200 2 1 000 Téléviseur 450 3 150 Lave-vaisselle 2 500 1 2 500 2. P totale = 150 + 500 + 2 500 + 1 000 + 150 + 2 500 = 6 800 W. 3. Il faut choisir 9 kW. 20 Quel tarif ? 1. Le montant de l’abonnement augmente avec la puissance choisie. Par contre, le prix du kWh diminue car l’usager qui a souscrit la plus grande puissance va consommer davantage. 2. P totale = 2 000 + 700 + 150 + 2 000 + 150 + 800 + 150 = 5 950 W, donc la puissance à souscrire est 6 kW. 3. La consommation annuelle de la famille est de 4 180 kWh. Montant de la facture à payer : (4 180 × 0,1057) + 60,78 = 502,6 €. 4. Montant de la facture : (4 180 × 0,1290) + 23,86 = 563 €. 5. Avec une puissance souscrite deux fois plus grande, on économise environ 60 €. En souscrivant 3 kW, on ne peut pas faire fonctionner le lave-linge et le lave-vaisselle en même temps. EN ROUTE VERS LE LYCÉE 22 Installation électrique d’un appartement 1. 3 + 1,2 + 2,5 + 0,3 + 0,15 = 7,15 kW. 2. Il n’est pas possible de faire fonctionner le radiateur et le lave-linge en même temps que tous les autres appareils. Il faut choisir l’un des deux appareils. 3. On applique la relation P = U × I pour calculer l’in- tensité du courant électrique. 63 Appareil 1 2 3 4 5 P (W) 3 000 1 200 2 500 300 150 I (A) 13 A 5,2 A 10,9 A 1,3 A 0,7 A Fusible adapté Oui (20 A) Oui (32 A) Oui (16 A) Oui (10 A) Oui (10 A) 4. Puissance moyenne consommée par le compresseur : P = E/t = 500/24 = 20,8 W. La puissance moyenne utilisée est inférieure à la puissance nominale (20,8 < 150) : on peut en déduire que le compresseur ne fonctionne pas tout le temps. En fonctionnant sans arrêt pendant 24 h, il consomme : 150 × 24 = 3,6 kWh. S’il a consommé 0,5 kWh, c’est qu’il a fonctionné pendant 3,3 h. 5. Le fer à repasser, le radiateur électrique… Leur thermostat interrompt leur fonctionnement lorsqu’une température de consigne est atteinte. N° d’éditeur : 1014301 Imprimé en France par Maury Imprimeur à Malesherbes Dépôt légal : avril 2008 100 % PAPIER RECYCLÉ 3 256 841

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