Conquêtes : science et technologie, 1er cycle du secondaire – 1re année Cahier d’apprentissage – Savoirs et activités [1-1] 9782765216537

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SCIENCE ET TECHNOLOGIE 1er cycle du secondaire • 1re année

Cahier d’apprentissage Savoirs et activités

Inés Escrivá Jacynthe Gagnon Jean-Sébastien Richer

Conforme à la PROGRESSION des apprentissages

La démarche expérimentale Voici les quatre étapes de la démarche expérimentale. On recourt à cette démarche lorsqu’on a un problème d’ordre scientique à résoudre.

Cerner le problème. a) b) c) d)

Décrire le problème à résoudre dans ses mots. Formuler le but à atteindre. Formuler les questions auxquelles l’investigation devra répondre. Si possible, avancer une explication du problème ou tenter une prédiction (hypothèse) liée aux questions.

Choisir un scénario d’investigation scientique. a) Envisager divers scénarios pouvant aider à résoudre le problème et choisir le plus approprié. b) Préciser les variables à observer et à mesurer. c) Dresser la liste du matériel à utiliser et illustrer le montage au besoin. d) Fixer les étapes du protocole à suivre. Ce dernier doit indiquer clairement toutes les étapes à suivre, et celles-ci doivent être numérotées. Le protocole doit utiliser tous les éléments gurant dans la liste du matériel et tenir compte des consignes de sécurité à respecter au laboratoire.

Concrétiser sa démarche. a) Effectuer l’expérience de façon sécuritaire. b) Recueillir les données et noter les observations qui peuvent être utiles. Les ordonner à l’aide de tableaux ou de diagrammes.

Analyser les résultats. a) Analyser les résultats an de répondre à la ou aux questions posées au départ. b) Tirer des conclusions des résultats et apporter des explications. Établir des relations avec la prédiction, s’il y a lieu. c) Proposer des moyens d’améliorer l’expérience, formuler un nouveau problème qui découle des résultats, etc.

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SCIENCE ET TECHNOLOGIE 1er cycle du secondaire • 1re année

Cahier d’apprentissage Savoirs et activités

Inés Escrivá Jacynthe Gagnon Jean-Sébastien Richer

Conquêtes Science et technologie 1er cycle du secondaire – 1re année

Remerciements

Cahier d’apprentissage – Savoirs et activités Inés Escrivá, Jacynthe Gagnon, Jean-Sébastien Richer © 2011 Chenelière Éducation inc. Édition : Christiane Odeh, Murielle Belley Coordination : Samuel Rosa, Caroline Vial Révision linguistique : Yvan Dupuis Correction d’épreuves : Danielle Maire Illustrations : Michel Rouleau, Martin Gagnon, Marc Tellier Conception graphique et infographie : Protocole Conception de la couverture : Protocole Recherche iconographique : Marie-Chantal Laforge, Patrick St-Hilaire Impression : Imprimeries Transcontinental

TOUS DROITS RÉSERVÉS. Toute reproduction, en tout ou en partie, sous toute forme ou média et par quelque procédé que ce soit, est interdite sans l’autorisation écrite préalable de Chenelière Éducation inc. ISBN 978-2-7652-1653-7 Dépôt légal : 2e trimestre 2011 Bibliothèque et Archives nationales du Québec Bibliothèque et Archives Canada Imprimé au Canada 2

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IMM

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Nous reconnaissons l’aide financière du gouvernement du Canada par l’entremise du Fonds du livre du Canada (FLC) pour nos activités d’édition. Gouvernement du Québec – Programme de crédit d’impôt pour l’édition de livres – Gestion SODEC.

Pour leur précieux travail de consultation, l’Éditeur tient à remercier : Éric Caron, Commission scolaire MargueriteBourgeoys ; Julie Clément, Collège Saint-Sacrement ; Nancy Parent, Commission scolaire des Découvreurs ; Beya Mansouri, Commission scolaire de la Pointe-del’Île ; Lucie Desrosiers, Commission scolaire MargueriteBourgeoys. Pour leur travail de révision scientifique réalisé avec expertise, l’Éditeur tient à remercier : Daniel Borcard, chargé de cours, Université de Montréal (Univers vivant) ; Jeffrey Wayne Keillor, professeur, Université de Montréal (Univers matériel) ; Michel Caillier, professeur, Université Laval et François Wesemael, professeur, Université de Montréal (Terre et espace) ; Denis Fyfe, consultant (Univers technologique).

Nom :

Groupe :

Date :

Table des matières L’univers vivant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

L’univers matériel . . . . . . . . . . . . . . .

89

Sommaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

Sommaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Chapitre 1 La diversité de la vie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Chapitre 3 La matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

1.1 L’espèce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3.1 La matière et ses trois états. . . . . . 92

1.2 La taxonomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.2 La masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

1.3 La population . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4 L’habitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.5 La niche écologique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.6 Les adaptations physiques et comportementales . . . . . . . . . . . . . . . . 32 1.7 L’évolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Outil Mesurer la masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.3 Le volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Outil Utiliser un cylindre gradué . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 3.4 La température . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

Chapitre 2 La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie. . . . . . . . . . . . . . 53 2.1 Les caractéristiques du vivant . . . . 54 2.2 Les cellules et leurs constituants cellulaires visibles au microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Outil Utiliser un microscope optique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Chapitre 4 Les propriétés caractéristiques de la matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.1 Les propriétés caractéristiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.2 Une propriété caractéristique : l’acidité et la basicité . . . . . . . . . . . . . . . 138 Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.3 La reproduction asexuée et la reproduction sexuée . . . . . . . . . . . 68 2.4 Les modes de reproduction chez les végétaux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.5 Les modes de reproduction chez les animaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

III

Nom :

Groupe :

La Terre et l’espace . . . . . . . . . . . . 145

L’univers technologique . . . 225

Sommaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

Sommaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226

Chapitre 5 La Terre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

Chapitre 7 Les forces et les mouvements . . . . 227

5.1 La structure de la Terre . . . . . . . . . . . . 148

7.1 Les types de mouvements. . . . . . . . 228

5.2 Les plaques tectoniques. . . . . . . . . . . 154

7.2 Les effets d’une force. . . . . . . . . . . . . . . 234

5.3 L’orogénèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

7.3 Des fonctions mécaniques élémentaires : les liaisons et les guidages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

5.4 Les tremblements de terre . . . . . . . 163 5.5 Les volcans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 5.6 L’érosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 5.7 Le relief . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 5.8 L’hydrosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 5.9 Le cycle de l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 5.10 L’atmosphère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

Chapitre 6 Des phénomènes astronomiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 6.1 Les propriétés de la lumière . . . . . 200

IV

Date :

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

Chapitre 8 L’ingénierie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 8.1 Les matières premières, les matériaux et le matériel . . . . . . 256 8.2 Le cahier des charges . . . . . . . . . . . . . . . 264 8.3 Le schéma de principe . . . . . . . . . . . . . 271 Outil Utiliser les symboles normalisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273 8.4 Le schéma de construction . . . . . . 277

6.2 Le jour, la nuit et les saisons . . . . . 206

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284

6.3 Les phases de la Lune . . . . . . . . . . . . . . 212

Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

6.4 Les éclipses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

Liste des rubriques Flash . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

Sources des photos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

L’organisation du cahier Le début d’une partie

Le cahier est divisé en quatre parties : l’univers vivant, l’univers matériel, la Terre et l’espace et l’univers technologique.

Un sommaire présente les chapitres d’une partie et leurs sections. Un texte d’introduction donne un aperçu du contenu du chapitre.

Le début d’un chapitre Un texte d’introduction annonce le contenu d’une partie.

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L’organisation du cahier

V

Le contenu d’un chapitre

Un chapitre est divisé en plusieurs sections.

Chaque section porte sur un concept à l’étude.

La rubrique Flash apporte de l’information complémentaire.

Les dénitions des concepts sont mises en évidence.

Les activités sont constituées d’un grand nombre d’exercices et de problèmes qui portent sur les notions abordées dans la section.

La rubrique Outil présente des techniques et des stratégies utiles en science et technologie.

VI

L’organisation du cahier

Les activités Pour faire le point permettent d’établir des liens entre des concepts vus dans les sections qui précèdent.

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L’univers vivant

La formation de la Terre daterait d’environ 4,6 milliards d’années. Les premières manifestations de vie sont apparues dans l’eau sous forme de bactéries, il y a environ 3,8 milliards d’années. Depuis, les êtres vivants sont devenus plus complexes et ont peuplé les lieux les plus hostiles de la planète. Du mont Everest, le plus haut sommet de la Terre, à la fosse océanique des Mariannes, la zone la plus profonde de la Terre, des déserts les plus chauds aux lieux les plus glacials, la vie est partout. Plusieurs phénomènes, comme l’évolution et la reproduction, sont à l’origine du développement de la vie. Dans la partie « L’univers vivant », vous découvrirez comment la vie s’est développée et diversiée jusqu’à conquérir la planète entière.

1

L’univers vivant Chapitre 1

Chapitre 2

La diversité de la vie          3

La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie                                 53

1.1 L’espèce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1 Les caractéristiques du vivant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

1.2 La taxonomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 La population . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2 Les cellules et leurs constituants cellulaires visibles au microscope . . . . . 59

1.4 L’habitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Outil Utiliser un

1.5 La niche écologique . . . . . . . . . . 26

microscope optique. . . . . . . . . . 63

1.6 Les adaptations physiques et comportementales . . . . . . . . . . . 32

Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

1.7 L’évolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.3 La reproduction asexuée et la reproduction sexuée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.4 Les modes de reproduction chez les végétaux . . . . . . . . . . . . . 71 2.5 Les modes de reproduction chez les animaux . . . . . . . . . . . . . . 81 Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

2

Chapitre 1 La diversité de la vie Depuis l’apparition de la première forme de vie, il y a environ 3,8 milliards d’années, les caractères des êtres vivants se sont modiés et de nouvelles espèces sont apparues. En fait, des millions d’espèces ont déjà vécu sur la planète. Au l du temps, plusieurs de ces espèces n’ont pas survécu. D’autres ont évolué et ont contribué à la formation de nouvelles espèces. Aujourd’hui, la diversité de la vie est saisissante. On a identié près d’un million et demi d’espèces vivant actuellement sur la Terre, mais on estime qu’il y en aurait près de 30 millions. Cette diversité est le résultat de stratégies d’adaptation couronnées de succès. Dans ce chapitre, vous étudierez comment on classe les êtres vivants selon différentes espèces et comment celles-ci occupent leur habitat. Vous y découvrirez aussi comment la vie a évolué sur Terre et comment diverses adaptations ont assuré la survie des êtres vivants. Étudier l’apparition de la vie, son évolution et les espèces qui peuplent la Terre est une source constante d’émerveillement. Nous espérons que ce chapitre, qui porte sur la diversité de la vie, vous en convaincra.

3

Nom :

Groupe :

L’univers vivant 1.1

1.1

Date :

L’espèce

La diversité des êtres vivants est impressionnante. An de mieux comprendre le monde vivant, les scientiques ont classé ces êtres dans des catégories appelées « espèces ». Trois critères permettent de déterminer si deux êtres vivants appartiennent à la même espèce.

Le premier critère Pour être considérés de la même espèce, deux individus doivent d’abord posséder des caractères physiques semblables : couleur, grandeur, forme du bec, forme des oreilles, etc. Cependant, il ne sut pas que des êtres vivants se ressemblent pour appartenir à la même espèce. Par exemple, le lynx du Canada et le lynx roux (« chat sauvage ») se ressemblent (voir la gure 1), mais les scientiques considèrent qu’ils appartiennent à deux espèces diérentes. Il arrive aussi que deux individus appartiennent à la même espèce, mais qu’ils ne se ressemblent pas. C’est le cas des papillons mâle et femelle Bombyx disparate (voir la gure 2). Ils sont si diérents qu’ils semblent appartenir à des espèces diérentes. Le critère de la ressemblance physique n’est donc pas susant pour déterminer si deux individus appartiennent à la même espèce.

Figure 1 Le lynx roux (photo du haut) ressemble au lynx du Canada (photo du bas), mais ces deux individus appartiennent à des espèces différentes.

4

L’univers vivant

Figure 2 Le mâle Bombyx disparate (à droite) ne ressemble pas à la femelle (à gauche), même s’ils appartiennent à la même espèce. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers vivant 1.1

Le deuxième critère Pour faire partie de la même espèce, deux individus doivent aussi pouvoir se reproduire entre eux et donner naissance à des petits viables, c’est-à-dire qui peuvent survivre. À l’intérieur d’une espèce, même les individus qui ont une allure très diérente peuvent se reproduire. Prenons le cas des chiens domestiques. Un mâle chihuahua, par exemple, peut s’accoupler avec une femelle d’une autre race, comme une femelle berger allemand. Leurs descendants seront viables. Par contre, un chien ne peut pas se reproduire avec un renard, auquel il ressemble pourtant beaucoup. Par ailleurs, il existe des animaux capables de s’accoupler, mais dont les descendants ne sont pas viables. C’est le cas du ouaouaron (Rana catesbeiana) et de la grenouille léopard du Nord (Rana pipiens). Ces deux grenouilles peuvent s’accoupler, mais leurs petits ne se développeront pas normalement ou ils mourront très jeunes. Pour cette raison, on considère que ces grenouilles ne font pas partie de la même espèce.

Le troisième critère Enn, pour que des individus appartiennent à la même espèce, leurs descendants doivent pouvoir à leur tour se reproduire avec succès. Par exemple, la descendance du mâle chihuahua et de la femelle berger allemand est viable et féconde, c’est-à-dire capable de se reproduire. D’autres animaux peuvent se reproduire entre eux, mais leur descendance ne sera pas féconde, même si elle est viable. De tels animaux n’appartiennent pas à la même espèce (voir la gure 3).

Figure 3 Un mulet provient de l’accouplement d’un âne et d’une jument, la femelle du cheval. Le mulet est stérile : il ne peut pas se reproduire. Pour cette raison, l’âne et le cheval n’appartiennent pas à la même espèce.

Définition

Le même phénomène s’observe chez les végétaux. Par exemple, le clémentinier provient d’un croisement naturel entre un mandarinier et un oranger. Le clémentinier est viable mais stérile, puisque son fruit, la clémentine, ne contient à peu près pas de pépins.

Une espèce regroupe des individus : - qui possèdent des caractères physiques généralement semblables ; - qui peuvent se reproduire entre eux et qui ont des descendants viables ; - qui ont des descendants féconds.

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Chapitre 1 • La diversité de la vie

5

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers vivant 1.1

La désignation des espèces Pour nommer les espèces, les scientiques utilisent la nomenclature binominale, c’est-à-dire une désignation à l’aide de deux mots. Ces deux mots sont en latin et sont écrits en italique. Le premier mot latin est un nom qui commence par une majuscule : il indique le genre de l’être vivant. Le genre regroupe toutes les espèces qui ont un lien de parenté. Par exemple, le genre Equus réunit les espèces apparentées au cheval. Il compte entre autres le cheval (Equus caballus) et l’âne (Equus asinus). Le deuxième mot latin est souvent un nom ou un adjectif qui précise le premier mot. Par exemple, asinus veut dire « âne ». Le binôme est donc le nom scientique international pour désigner une espèce. Un seul des deux mots ne sut pas, il faut utiliser les deux.

Flash

histoire

Une langue morte… utile

Le latin était la langue administrative de l’Empire romain il y a 2000 ans. Aujourd’hui, il est surtout utilisé par l’Église catholique et il est considéré comme une langue morte, c’està-dire une langue qui n’est pas parlée par des populations actuelles. Cependant, pour être certains qu’ils parlent du même être vivant, les scientiques utilisent toujours les mots latins pour le désigner. Ainsi, dans une communication, au lieu de parler du renard roux (en français), du red fox (en anglais), du aka-kitsune (en japonais) ou du zorro rojo (en espagnol), les scientiques uti lisent la désignation latine : Vulpes vulpes. Cette façon de nommer les espèces est universelle. Elle a été introduite au 18 e siècle par le naturaliste suédois Carl von Linné.

Carl von Linné est un naturaliste suédois qui a vécu de 1707 à 1778. C’est lui qui a eu l’idée de désigner les êtres vivants à l’aide de deux mots latins. Il a répertorié plusieurs milliers d’espèces animales et végétales.

Activités 1

6

Quels sont les trois critères nécessaires pour que deux êtres vivants appartiennent à la même espèce ?

L’univers vivant

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2

Groupe :

Date :

Le tableau ci-dessous présente les caractéristiques de trois canards. À l’aide de l’information qu’il contient, répondez aux questions qui suivent. Les caractéristiques de trois canards

Canard colvert du Groenland (Anas platyrhynchos)

Canard colvert du Mexique (Anas platyrhynchos)

Canard noir (Anas rubripes)

Caractères physiques

• Taille : 50 cm à 65 cm • Envergure (ailes) : 81 cm à 98 cm • Poids : 950 g à 1 600 g

• Taille : 51 cm à 56 cm • Envergure (ailes) : 81 cm à 98 cm • Poids : 815 g à 1 060 g

• Taille : 53 cm à 61 cm • Envergure (ailes) : 85 cm à 96 cm • Poids : 1 150 g à 1 350 g

Reproduction

• Nombre d’œufs : 5 à 15 • Incubation : 28 jours • Se reproduit fréquemment avec d’autres espèces, dont le canard noir.

• Nombre d’œufs : 4à9 • Incubation : 28 jours • Ne se reproduit pas avec d’autres espèces.

• Nombre d’œufs : 7 à 12 • Incubation : 29 jours • Se reproduit fréquemment avec le canard colvert du Groenland.

a) Parmi ces trois canards, lequel ou lesquels peuvent se reproduire avec les autres ?

b) Quels canards appartiennent à la même espèce ?

c) Par rapport à la reproduction, qu’est-ce qui caractérisera les petits issus de l’accouplement du canard colvert du Groenland et du canard noir ?

3

Quel est le rôle de chacun des mots de la nomenclature binominale ?

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Chapitre 1 • La diversité de la vie

7

L’univers vivant 1.1

Nom :

Nom :

L’univers vivant 1.1

4

Groupe :

Date :

Voici cinq êtres vivants. Observez les photos et leurs légendes, puis répondez aux questions.

Betula alleghaniensis Salix alba

Betula lenta

Salix babylonica

Betula papyrifera

Parmi ces êtres vivants : a) Combien y a-t-il de genres différents ?

b) Combien y a-t-il d’espèces différentes ?

c) Nommez deux individus appartenant au même genre, mais à des espèces différentes.

d) Nommez deux individus appartenant à des genres différents.

5

En 1998, à Dubaï, un cama mâle, surnommé Rama, est né. Cet animal provient du croisement en laboratoire d’une femelle lama (Lama glama) et d’un dromadaire mâle (Camelus dromedarius). En 2002, les mêmes parents ont donné naissance à un deuxième cama, une femelle nommée Kamila. Est-ce que l’élevage des camas issus du croisement de Rama et de Kamila est possible ? Justiez votre réponse.

Kamila et sa mère, en 2002.

8

L’univers vivant

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Groupe :

1.2

Date :

L’univers vivant 1.2

Nom :

La taxonomie

Définition

Pour pouvoir étudier plus facilement les innombrables êtres vivants qui peuplent la Terre, les scientiques ont décidé de les classer. Tout comme on classe les livres dans une bibliothèque municipale ou scolaire à l’aide d’un système de classication, les scientiques rangent les êtres vivants sous diérentes catégories, selon leurs caractéristiques physiques communes et leur degré de parenté.

La taxonomie est la science qui classe les êtres vivants dans différentes catégories, selon des règles qui tiennent compte des caractéristiques physiques et du degré de parenté.

Un système de classication Un des systèmes de classication les plus utilisés par les scientiques répartit les êtres vivants en cinq règnes : le règne animal, le règne végétal, le règne des champignons, le règne des protistes et le règne des monères. Chacun des règnes est décrit dans le tableau 1, à la page 10.

Flash

Dans ce système de classication, les règnes comportent six niveaux. Ce sont, successivement, les embranchements, les classes, les ordres, les familles, les genres et les espèces. Du règne à l’espèce, à chacun des niveaux, les caractéristiques sont de plus en plus particulières. Ces dernières peuvent être, par exemple, la présence d’un squelette interne ou externe, le mode de respiration, la façon de se reproduire, le milieu de vie, la présence de plumes, de poils ou d’écailles, le mode de locomotion, le nombre de pattes, la présence de dents, etc. Le règne occupe le sommet du système de classication et l’espèce, la base.

info

Une classication qui bouge

Depuis quelques décennies, la découverte con­ stante de nouvelles espèces et l’étude de l’ADN des êtres vivants amènent régulièrement des changements à tous les niveaux de la classi­ cation. Les changements sont si considérables qu’il est presque impossible d’avoir une clas­ sication qui inclut les dernières découvertes scientiques.

Aujourd’hui, pour classer les êtres vivants, on utilise surtout l’ADN, qui contient les gènes.

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Chapitre 1 • La diversité de la vie

9

Nom :

Groupe :

L’univers vivant 1.2

Tableau 1

Date :

Description des cinq règnes du monde vivant

Organisation cellulaire

Alimentation

Nombre d’espèces connues

Règne des animaux

Êtres pluricellulaires (c’est-à-dire constitués de plusieurs cellules*).

Ce sont des consommateurs : ils se nourrissent d’autres êtres vivants.

Compte 35 regroupements d’invertébrés et 12 de vertébrés. Environ 1 200 000 espèces connues.

Règne des végétaux

Êtres pluricellulaires.

Ce sont des producteurs : ils utilisent l’énergie du Soleil pour fabriquer leur nourriture.

Compte cinq regroupements : les algues, les mousses, les fougères, les conifères et les plantes à eurs. Environ 300 000 espèces connues.

Règne des champignons

Êtres pluricellulaires pour la plupart. Certains, comme les levures, sont unicellulaires (constitués d’une seule cellule).

Ils ne possèdent ni tiges, ni feuilles, ni racines. Ce sont des décomposeurs : ils se nourrissent en décomposant ce qu’ils absorbent. Ils sont incapables d’utiliser l’énergie solaire pour fabriquer leur nourriture.

Environ 150 000 espèces connues.

Règne des protistes

Êtres unicellulaires visibles seulement au microscope.

Certains sont des consommateurs, d’autres, des producteurs, et d’autres, des décomposeurs.

Environ 31 000 espèces connues. (Les protistes vivent dans les milieux humides ou aquatiques.)

Règne des monères

Êtres unicellulaires visibles seulement au moyen de microscopes très puissants. Leur cellule, contrairement aux cellules de tous les autres êtres vivants, ne contient pas de noyau.

Ce sont des consommateurs : les monères se nourrissent d’autres êtres vivants. Ce faisant, plusieurs causent des maladies, mais d’autres sont très utiles (ex. : bactéries servant à la fabrication du fromage).

Environ 3 000 espèces connues.

* Une cellule est l’unité de base d’un être vivant.

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L’univers vivant

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Les êtres vivants se divisent en cinq règnes. Exemple : Règne animal

L’univers vivant 1.2

La gure 4 présente les sept niveaux de classication. Chaque niveau comporte des exemples, jusqu’aux espèces du genre Homo. L’Homo sapiens, c’est-à-dire l’être humain, gure parmi ces espèces. (Le mot latin sapiens veut dire « intelligent, sage ».) Comme vous pouvez le constater, classier les êtres vivants, c’est un peu comme dresser un arbre généalogique !

Se divisent en Se divisent embranchements. en classes.

Se divisent en ordres.

Se divisent en familles.

Se divisent en genres.

Se divisent en espèces.

Quelques embranchements du règne animal : Mollusques Nématodes Chordés

Quelques ordres de la classe des mammifères : Rongeurs Cétacés Primates

Quelques familles de l’ordre des primates : Lémuridés Tarsiidés Hominidés

Quelques genres de la famille des hominidés : Pan Gorilla Pongo Homo

Quelques espèces du genre Homo : Homo habilis Homo erectus Homo neanderthalensis Homo sapiens Nom binominal (être humain)

Quelques classes de l’embranchement des chordés : Reptiles Poissons Amphibiens Oiseaux Mammifères

Figure 4 Un exemple de taxonomie pour le règne animal. Les mots en rouge représentent les catégories taxonomiques auxquelles l’être humain appartient.

La che taxonomique Pour établir la che taxonomique d’un être vivant, on indique les sept niveaux auxquels cet être appartient, du règne jusqu’à l’espèce. Par exemple, la fiche taxonomique de la marguerite commune se lit de la façon suivante (voir la gure 5). Règne : Végétal Embranchement : Angiospermes (plantes à eurs) Classe : Dicotylédones (deux feuilles lors de la germination) Ordre: Astérales (ressemblant à une étoile) Famille : Astéracées (eur composée) Genre : Leucanthemum (eur blanche) Espèce : Leucanthemum vulgare (marguerite commune) Nom binominal : Leucanthemum vulgare (marguerite commune) Figure 5 La che taxonomique de la marguerite commune.

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Chapitre 1 • La diversité de la vie

11

L’univers vivant 1.2

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Activités 1

Qu’est-ce que la taxonomie ? Donnez une dénition dans vos mots.

2

Nommez les cinq règnes du monde vivant.

3

Voici les sept niveaux utilisés pour classer les êtres vivants. Placez-les dans le bon ordre, en allant du général au particulier. • Classe

• Embranchement

• Espèce

• Genre

• Ordre

• Règne

• Famille

4

Nommez trois caractéristiques utilisées par les scientiques pour classer les animaux.

5

Identiez les spécimens suivants en utilisant la clé taxonomique fournie par votre enseignante ou votre enseignant. Formulez vos réponses en vous basant sur l’exemple qui vous est donné en a.

12

L’univers vivant

a) Section A, numéro 1, numéro 2, numéro 4, numéro 7, un trichoptère.

b)

c)

d)

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6

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Voici les ches taxonomiques de quelques êtres vivants. Elles vous serviront à répondre aux questions posées plus loin.

A. Animal, Chordés, Mammifères, Rongeurs, Sciuridés, Sciurus, Sciurus vulgaris (écureuil roux)

B. Animal, Chordés, Mammifères, C. Animal, Chordés, Amphibiens, Rongeurs, Sciuridés, Cynomys, Anoures, Ranidés, Lithobates, Cynomys ludovicianus (chien Lithobates sylvaticus (grenouille de prairie) des bois)

D. Animal, Mollusques, Bivalves, Vénéroïdes, Dreissenidés, Dreissena, Dreissena polymorpha (moule zébrée)

E. Animal, Chordés, Mammifères, Primates, Hominidés, Pan, Pan paniscus (bonobo)

a) À quel règne appartiennent tous ces êtres vivants ?

b) L’écureuil roux et le chien de prairie n’appartiennent pas à la même famille d’animaux. Vrai ou faux ?

c) À quelle classe appartient la moule zébrée ?

d) Quels niveaux taxonomiques différencient le bonobo de l’être humain ?

e) À quel ordre appartient la grenouille des bois ?

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Chapitre 1 • La diversité de la vie

13

L’univers vivant 1.2

Nom :

Nom :

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L’univers vivant 1.3

1.3

Date :

La population

Dans la nature, une espèce peut occuper un vaste espace ; c’est ce qu’on appelle son aire de répartition. L’espèce est répartie en plusieurs endroits de cette aire et forme des populations plus ou moins nombreuses. Par exemple, comme le montre la gure 6, l’aire de répartition du lièvre d’Amérique s’étend sur une vaste partie du continent nord-américain. Elle compte de nombreuses populations de lièvres ; deux d’entre elles sont localisées sur la carte.

▲ Légende ● Population du lièvre d’Amérique de la forêt de feuillus du mont Orford ▲ Population du lièvre d’Amérique de la forêt sub­ alpine du parc national Banff

Canada ●

États­Unis

Figure 6 L’aire de répartition du lièvre d’Amérique (Lepus americanus) et la localisation de deux de ses populations.

Évidemment, dans un endroit donné, plusieurs populations d’espèces diérentes se côtoient. Ainsi, dans une forêt de feuillus, on trouve une population d’érables à sucre, de bouleaux à papier, de fougères aigles, d’écureuils noirs, de lièvres d’Amérique, etc.

Flash

histoire

Un déséquilibre à l’île d’Anticosti

À la n du 19e siècle, Henri Menier, un choco­ latier français, acquiert la plus grande île du Québec, l’île d’Anticosti. L’île est déjà un paradis, mais Menier veut en faire le royaume de la chasse et de la pêche. Il y introduit de nouvelles espèces animales dont le cerf de Virginie. La population de cerfs s’accroît au point où elle envahit complè­ tement l’île. Comme les cerfs sont des herbivores voraces, ils détruisent rapidement une grande quantité d’arbres et d’arbustes et appauvrissent les sapinières de même que les autres espèces qui y vivent. Aujourd’hui, des moyens sont mis en œuvre pour assurer un équilibre. Il s’agit à la fois de prévenir une catastrophe écologique et de protéger les cerfs de Virginie.

14

L’univers vivant

Le cerf de Virginie a été introduit sur l’île d’Anticosti vers la n du 19e siècle.

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L’univers vivant 1.3

Définition

Les populations d’une même espèce ne sont pas identiques en tous points. Elles peuvent varier en nombre d’un endroit à l’autre. Elles peuvent aussi présenter des diérences physiques (voir la gure 7). Par conséquent, lorsqu’on parle d’une population, on doit préciser le lieu géographique où elle se trouve.

Une population est un groupe d’individus d’une même espèce qui vivent dans un même lieu au même moment. Pour la désigner, on doit préciser dans quel lieu géographique elle se trouve.

La densité de population Les scientiques ou les gestionnaires ont parfois besoin de con­ naître le nombre d’individus d’une même espèce qui habitent un lieu donné. Ce peut être, par exemple, en vue de déterminer com­ ment les espèces réagissent aux changements environnementaux ou en vue de réglementer la chasse et la pêche. Dans un tel contexte, ils recourent souvent à la notion de densité de population. La densité de population est le lien entre le nombre d’individus de cette population et l’aire qu’elle occupe. Elle s’obtient en divisant le nombre d’individus par l’aire, ce qu’exprime la formule suivante.

D=

N A

D = Densité de la population (nombre d’individus par unité d’aire) N = Nombre d’individus de la population (individus) A = Aire du lieu occupé par la population (unités variables) Par exemple, si on compte 5 000 lièvres sur un territoire de 180 km, on calcule la densité de cette population de la façon suivante : 5 000 lièvres D= = 27,8 lièvres/km 180 km2

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Figure 7 Les couguars d’Amérique du Nord (photo du haut) sont beaucoup plus gros que ceux d’Amérique du Sud (photo du bas) et ils n’ont pas le même pelage. Chapitre 1 • La diversité de la vie

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L’univers vivant 1.3

Cependant, il est généralement impossible de compter tous les individus qui occupent un lieu donné. Voici alors comment on procède pour évaluer la densité d’une population. • On constitue d’abord des échantillons de terrain (quadrats) qui ont une aire semblable. • Puis, pour trouver N, on additionne les quantités d’individus relevés dans chacun des quadrats. Pour trouver A, on additionne les aires des diérents quadrats. • On divise ensuite N (le nombre total d’individus) par A (l’aire totale des quadrats). On obtient la densité, c’est-à-dire le nombre d’individus par unité d’aire. On considère que la densité de la population des échantillons reète celle de l’ensemble de la population du lieu étudié. Voici un exemple. La gure 8 représente des quadrats de la forêt du parc de la Gatineau en Outaouais, au Québec. Ils ont été délimités pour étudier la population de cerfs de Virginie. On a délimité cinq quadrats de 10,3 km chacun, ce qui donne une aire totale de 51,5 km (10,3 km 5). Dans ces quadrats, on a dénombré au total 171 cerfs de Virginie (25 + 51 + 5 + 29 + 61).

D=

171 cerfs de Virginie 51,5 km

= 3,32 cerfs de Virginie/km2

La densité de la population des cerfs de Virginie dans le parc de la Gatineau est de 3,32 individus/km. Un quadrat de 10,3 km² 51 25

5 29

61

Figure 8 Des quadrats délimités dans le parc de la Gatineau.

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L’univers vivant

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L’univers vivant 1.3

Les variations dans la densité de population Le tableau 2 présente les principaux facteurs qui ont un eet sur la densité d’une population. Tableau 2

Les facteurs qui ont un effet sur la densité d’une population

Facteurs qui ont un effet sur la densité d’une population

Effets sur la population

Taux de natalité (nombre de naissances par année par 1 000 individus)

Taux de natalité 2 T population 2

Taux de mortalité (nombre d’indi­ vidus qui meurent par année par 1 000 individus)

Taux de mortalité 2 T population ™

Migration (déplacement d’individus d’un lieu à un autre)

Individus qui partent (émigration) T population ™ Individus qui arrivent (immigration) T population 2

Quantité de nourriture disponible (proies, végétaux, etc.)

Proies 2 T population des prédateurs 2 Proies ™ T population des prédateurs ™

(Se lit ainsi : Si le taux de natalité augmente, alors la population augmente.)

(Proie : Animal capturé et dévoré.)

Prédateurs (nombre d’individus qui se nourrissent de proies)

Prédateurs 2 T population des proies ™ Prédateurs ™ T population des proies 2

Changements des conditions climatiques

Conditions climatiques favorables T population 2 Conditions climatiques défavorables T population ™

Maladies (épidémies, parasites, etc.)

Maladies T population ™

Flash

info

Une forêt menacée

La forêt amazonienne abrite près de 50 % des espèces animales et végétales connues de la Terre. Elle s’étend sur plus de six millions de kilomètres carrés, ce qui représente près de quatre fois la supercie du Québec. On estime cependant qu’environ 52 000 km² de forêt amazonienne sont coupés ou brûlés chaque année et qu’à ce rythme, elle aura complètement disparu en 2050. Ce déboisement est principalement dû à l’agriculture et à l’élevage. La forêt est aussi menacée par l’exploitation du caoutchouc et du pétrole ainsi que par l’industrie minière. En plus de réduire la diversité des espèces, le déboisement a des conséquences à l’échelle mondiale puisque la forêt amazonienne constitue un des plus importants systèmes d’aération et de climatisation de la planète.

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Océan Atlantique

Amérique du Sud Océan Pacique Légende Forêt amazonienne La forêt amazonienne, en Amérique du Sud.

Chapitre 1 • La diversité de la vie

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L’univers vivant 1.3

Nom :

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Date :

Activités 1

Qu’est-ce qu’une population ? Donnez une dénition dans vos mots.

2

Qu’est-ce qui distingue une espèce d’une population ?

3

Le schéma suivant illustre la variation d’une population. En plaçant les lettres au bon endroit, indiquez l’effet que chacune des situations aura sur la densité d’une population. Diminution de la population

Augmentation de la population

A. L’hiver est rigoureux et les écureuils roux peinent à trouver de la nourriture. B. À cause de la construction d’un barrage hydroélectrique, des milliers de caribous ont dû migrer vers des territoires voisins. C. Le printemps particulièrement précoce a favorisé l’apparition hâtive des premières feuilles. D. Cette année, la tularémie, une maladie infectieuse, a touché particulièrement les lièvres du parc national du Mont-Tremblant. E. Dans la situation D, comment variera la population des lynx, qui sont des prédateurs des lièvres ? F. Cette année, le taux de mortalité des canards colverts est sensiblement le même que leur taux de natalité à cause de conditions de migration difciles. G. On observe une si forte augmentation de la population de cerfs de Virginie dans un parc national du Québec que les réserves de nourriture s’épuisent pour les ours noirs. Qu’arrivera-t-il à la population de ces derniers ? H. La réglementation de la chasse permet de stabiliser les populations de cerfs de Virginie et d’orignaux sur certains territoires.

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L’univers vivant

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4

Groupe :

Date :

La carte suivante représente les populations de quelques espèces qui habitent l’île d’Anticosti. Regardez attentivement la carte et sa légende, puis répondez aux questions.

Québec Légende 300

5 000 Rats musqués Cerfs de Virginie

Orignaux

Aire : 7 943 km²

Castors 3 millions

Carte Quelques populations de l’île d’Anticosti.

50 millions Petits fruits

a) Calculez la densité de chacune des populations représentées dans la légende. Un exemple vous est donné avec la population de rats musqués. Laissez des traces de vos calculs. Exemple :

D=

N A

Densité de la population des rats musqués de l’île d’Anticosti = 15 900 individus ÷ 7 943 km² = 2 individus/km²

b) Que se passerait-il si la population de petits fruits connaissait une forte chute à la suite d’un été très pluvieux et d’un gel hâtif ?

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Chapitre 1 • La diversité de la vie

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L’univers vivant 1.3

Nom :

Nom :

Groupe :

L’univers vivant 1.4

1.4

Date :

L’habitat

Dans la nature, une espèce occupe un vaste espace appelé « aire de répartition ». Cependant, dans ce grand espace, les individus de cette espèce ne vivent pas n’importe où. Ils habitent un endroit où ils peuvent trouver les ressources qui leur assurent un développement optimal, c’est-à-dire qui comblent tous leurs besoins. Cet endroit constitue leur habitat. Ainsi, la marmotte commune (appelée aussi « sieux » au Québec) est répandue sur une grande partie du continent nordaméricain (voir la gure 9). Mais on trouve des marmottes uniquement dans des endroits découverts tels que les champs ou les forêts clairsemées. La gure 9 montre un de ces habitats.

Définition

Plusieurs espèces peuvent partager un même habitat. Ainsi, un marais peut abriter des grenouilles, des libellules, des nénuphars et des grands hérons. Certains habitats peuvent paraître surprenants. C’est le cas de l’oreiller avec lequel on dort, car il accueille des micro-organismes qui se nourrissent de peaux mortes et de poussière. C’est le cas aussi de notre intestin, qui abrite des microorganismes nécessaires à la digestion.

L’habitat naturel est un endroit dans lequel une espèce donnée trouve les conditions nécessaires pour combler ses besoins de manière optimale.

Canada

États-Unis Les champs de blé des Prairies canadiennes constituent l’un des habitats de la marmotte commune. Figure 9 L’aire de répartition de la marmotte commune (Marmota monax).

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L’univers vivant

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Tableau 3

Les facteurs utilisés pour décrire un habitat

Facteurs abiotiques (liés aux éléments non vivants) • Climat - Précipitations - Température - Ensoleillement - Humidité - Vent • Nature du sol - Acidité - Minéraux - Humidité - Aération

L’univers vivant 1.4

Un habitat naturel se décrit à l’aide de plusieurs facteurs. Le tableau 3 présente les deux catégories de facteurs possibles : les facteurs abiotiques (liés aux éléments non vivants) et les facteurs biotiques (liés aux relations entre les êtres vivants).

Facteurs biotiques (liés aux relations entre les êtres vivants)

• Relief • Présence d’un plan d’eau • Nature de l’eau - pH - Salinité - Limpidité - Oxygénation

• Faune - Présence de proies* - Présence de prédateurs* - Présence de décomposeurs* • Flore - Végétaux servant de nourriture - Végétaux servant d’abri - Présence d’herbivores • Proximité de l’être humain

* Prédateur : animal qui se nourrit de proies. Proie : animal capturé et dévoré. Décomposeur : organisme qui se nourrit des déchets ou des cadavres d’autres êtres vivants.

La préservation de l’habitat Des phénomènes naturels comme les incendies de forêt, les inondations et les glissements de terrain peuvent perturber ou détruire des habitats. Depuis environ 40 000 ans, c’est surtout l’activité humaine qui aecte les milieux de vie des espèces. Le phénomène s’est amplié depuis l’industrialisation. Actuellement, la conservation des milieux de vie constitue un des principaux enjeux environnementaux : le maintien de la biodiversité en dépend. Pour aider une espèce à survivre quand elle est en danger dans son habitat naturel, pour l’étudier ou pour l’exploiter, les humains créent des habitats artificiels : aquariums, marais, parcs zoologiques, volières, nichoirs, piscicultures, récifs articiels, etc. Bien que l’on tâche de reproduire le plus exactement possible l’habitat naturel, les conditions des habitats articiels sont généralement moins favorables, surtout pour la reproduction de l’espèce.

Flash

info

L’ours polaire

L’ours polaire est considéré comme une espèce menacée. Pour chasser le phoque, ce mammifère arctique attend chaque automne que la banquise se forme. Or, à cause des changements climatiques, la banquise se forme plus tard que dans le passé et sa supercie diminue sans cesse. L’habitat de l’ours polaire est donc de plus en plus restreint et sa population diminue. On estime que la population d’ours polaires, qui était de 22 000 individus en 1996, n’en comptera plus que le tiers en 2050 si rien n’est fait pour protéger l’espèce.

Un ours polaire entouré de glace fondante.

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Chapitre 1 • La diversité de la vie

21

L’univers vivant 1.4

Nom :

Groupe :

Date :

Activités 1

Qu’est-ce qu’un habitat ? Donnez une dénition dans vos mots.

2

Quelle différence y a-t-il entre les facteurs abiotiques et les facteurs biotiques ?

3

Voici une liste de facteurs qui permettent de décrire un habitat. Associez le facteur approprié à chacune des situations A à E. • Présence de proies

• Relief

• Présence d’un plan d’eau

• Vent

• Végétaux servant d’abri

A. Les arbres de la prairie sont exposés aux intempéries.

B. Le pic creuse le tronc de l’arbre pour y construire son nid.

D. Les cerfs de Virginie s’abreuvent à ce marais qui se trouve dans la forêt.

E. La chèvre de montagne recherche les endroits escarpés.

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L’univers vivant

C. Une forêt peuplée de cerfs de Virginie qui servent de nourriture aux loups.

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Date :

Nommez huit facteurs qui permettent de décrire un habitat.

5

Le tableau suivant décrit quatre types d’habitats. Associez chaque habitat à la photographie appropriée. Habitat

L’univers vivant 1.4

4

Description de l’habitat

Érablière

Forêt où l’érable pousse en abondance.

Marais

Zone humide où le sol est recouvert d’une nappe d’eau immobile, en général peu profonde et couverte de végétation.

Savane

Zone aride caractérisée par l’alternance d’une saison humide et d’une saison sèche. La végétation se compose surtout de touffes d’herbes et de graminées. Les arbres et les arbustes sont peu abondants.

Toundra

Zone caractérisée par un long hiver et une courte saison pendant laquelle le sol ne dégèle qu’en surface (pergélisol). La végétation se compose de lichens et de mousses.

A. 6

B.

C.

D.

Pour chacun des habitats du tableau suivant, indiquez s’il est naturel ou articiel. Habitat naturel

Habitat articiel

Le Biodôme de Montréal Le golfe du Saint-Laurent La montagne Coupée dans la région de Lanaudière Le centre-ville de Montréal La réserve faunique des Laurentides Une épave de bateau

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Chapitre 1 • La diversité de la vie

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L’univers vivant 1.4

Nom :

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Date :

7

Donnez cinq exemples d’activités humaines qui peuvent avoir des effets néfastes sur un habitat et les espèces qui y vivent.

8

Le texte suivant présente de l’information sur le narval et son habitat. a) Lisez-le attentivement.

Pôle Nord Océan Arctique

Le narval est surnommé la « licorne des mers » en raison de sa défense torsadée qui ressemble à une corne.

L’océan Arctique

L’habitat du narval Le narval (Monodon monoceros) est un mammifère marin. Il vit en groupes de 4 à 20 individus, dans l’océan Arctique. Les groupes se déplacent constamment pour échapper aux glaces et s’alimenter. L’océan Arctique est le plus petit des océans. Il est en grande partie recouvert d’une banquise épaisse et il s’étend sur l’ensemble des mers situées entre le pôle Nord et le nord de l’Amérique, de l’Asie et de l’Europe. L’eau de cet océan comporte trois couches. L’eau en surface est relativement douce et toujours très froide. L’eau de la couche intermédiaire est plus salée et plus chaude. L’eau de la couche la plus profonde est légèrement moins salée et très froide. Le climat polaire est caractérisé par un froid persistant. Les températures hivernales sont de -50 °C en moyenne à cause des vents forts provenant de Russie. L’hiver, l’obscurité est continue, la température froide et le ciel dégagé. L’été, les températures peuvent dépasser 0 °C, le jour est permanent, l’air est humide et le temps brumeux. Les précipitations sont peu considérables. Le narval a des relations avec d’autres êtres vivants. En effet, ses principales proies sont les crevettes, les calmars, des crustacés, des mollusques, les étans, les morues, les plies et les pieuvres. Ses principaux prédateurs sont l’ours polaire et l’orque. Les changements climatiques compromettent sa survie. De plus, la proximité des humains constitue une menace pour lui. La pêche de certains poissons comme le étan a pour effet de diminuer la quantité de nourriture disponible, et l’augmentation du trac maritime cause des accidents, du stress et de la pollution. Enn, la chasse non réglementée constitue une autre menace. Le narval est chassé pour sa peau et son ivoire.

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L’univers vivant

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Date :

L’univers vivant 1.4

b) En vous référant au texte qui précède, décrivez l’habitat du narval. Situation géographique

Facteurs abiotiques (liés aux éléments non vivants) Climat

Précipitations

Température

Ensoleillement

Humidité de l’air

Vent

Caractères de l’eau

Salinité

Température

Facteurs biotiques (liés aux relations entre les êtres vivants) Présence de proies

Présence de prédateurs

Proximité de l’être humain

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Chapitre 1 • La diversité de la vie

25

Nom :

Groupe :

L’univers vivant 1.5

1.5

Date :

La niche écologique

Lorsqu’on observe les espèces qui occupent un même habitat, on constate que chacune a des besoins et des comportements distincts. L’exemple du castor nous servira à illustrer ce fait. Le castor vit dans un habitat où se trouve un cours d’eau bordé de nombreux arbres. Un seul castor peut abattre jusqu’à 216 arbres par année pour se nourrir et aménager son territoire. Pour s’installer, il construit une hutte (voir la gure 10) ainsi qu’une digue s’il a besoin d’élever le niveau de l’eau. Sa hutte lui sert d’abri et de lieu de mise bas, c’est-à-dire de lieu pour mettre au monde ses petits. Le castor a des relations avec l’étendue d’eau où il habite, les arbres qu’il utilise, les êtres humains et les autres animaux. Ceux-ci peuvent être aectés par les modications qu’il apporte à leur habitat forestier ou par les inondations qu’il provoque parfois en édiant un barrage. Il entretient aussi des relations avec son partenaire sexuel à qui il demeure dèle toute sa vie, et avec ses petits. Enn, lorsqu’il se déplace sur le rivage, il doit prendre garde à certains prédateurs, comme le loup, le coyote et l’ours. Il doit aussi défendre ses petits contre la loutre de rivière.

Définition

L’ensemble des conditions et des ressources nécessaires au maintien d’une population constitue la niche écologique. Les êtres vivants d’un habitat interagissent entre eux et avec leur milieu selon une niche écologique qui leur est propre.

La niche écologique d’une population est l’ensemble des conditions et des ressources abiotiques et biotiques nécessaires au maintien de celle-ci. (Les ressources abiotiques ont rapport aux éléments non vivants et les ressources biotiques, aux éléments vivants.)

Figure 10 Le castor vit dans une hutte faite de branches et de boue.

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L’univers vivant

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers vivant 1.5

Les caractéristiques qui dénissent une niche écologique Plusieurs caractéristiques dénissent la niche écologique d’une espèce. Elles concernent les facteurs abiotiques (non vivants) et biotiques (vivants) du milieu. En voici trois : 1. les lieux occupés ; 2. le régime alimentaire ;

3. la période d’activité (rythme journalier et saisonnier).

Les lieux occupés Les lieux occupés comprennent l’espace que les individus parcourent régulièrement pour satisfaire leurs besoins nutritifs, se cacher, s’abriter, se reproduire, se reposer. Pour certaines espèces, ils comprennent aussi le territoire de migration. Les oiseaux exploitent les couches de la forêt auxquelles ils sont le mieux adaptés pour se nourrir, bâtir leur nid et délimiter leur territoire. Ainsi, trois espèces de pics qui occupent le même arbre (voir la gure 11) ne nicheront pas à la même hauteur. Le pic épeichette choisira les petites branches, le pic mar les branches moyennes et le pic épeiche le tronc de l’arbre. Ces niches écologiques diérentes répondent aux besoins de nidication propres à chaque espèce. Cela empêche aussi ces trois espèces de pics d’être en compétition pour le même lieu et cela permet à une plus grande variété d’espèces de pics de nicher dans cet habitat.

Pic épeichette Pic mar

Pic épeiche

Figure 11 Ces trois espèces de pics se partagent le même arbre. Chacune y a sa niche écologique. Les espèces représentées ici sont des espèces européennes. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 1 • La diversité de la vie

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers vivant 1.5

Les végétaux, eux aussi, colonisent les lieux selon leurs besoins particuliers. Certains végétaux, comme les fougères, aiment l’ombre et un sol humide alors que d’autres, comme les coussins de bellemère (voir la gure 12), préfèrent le soleil et un sol sec.

Le régime alimentaire Le régime alimentaire est déni par les habitudes d’une espèce concernant les aliments qu’elle préfère en période d’abondance. Il existe de nombreux régimes alimentaires. Voici quelques exemples pris chez les mammifères et les oiseaux : • La baleine est carnivore planctivore. Elle se nourrit de plancton. • La loutre et le grand héron sont carnivores piscivores. Ils se nourrissent de poissons. Figure 12 Le coussin de belle-mère est un type de cactus originaire du centre du Mexique.

• Le loup est carnivore. Il se nourrit de chair animale. • Le bœuf est herbivore ruminant. Il se nourrit d’herbes. • L’ours est omnivore. Il se nourrit à la fois d’animaux et de végétaux. • Le moineau domestique est herbivore granivore. Il se nourrit de graines.

La période d’activité (rythme journalier et saisonnier) La période d’activité est la période pendant laquelle un animal est actif ou éveillé. Pendant cette période, il cherche sa nourriture, fait sa toilette, se reproduit, construit un abri, etc. La période d’activité quotidienne varie d’un animal à l’autre. On dit qu’un animal est « diurne » s’il est actif pendant le jour et « nocturne » s’il est plutôt actif la nuit. Le coq, le chien, l’être humain et la plupart des écureuils sont des animaux diurnes. La chouette, le hamster, la chauve-souris et le grillon sont des animaux nocturnes. Certains animaux se caractérisent aussi par une période d’activité annuelle ou saisonnière. Leurs comportements peuvent varier selon les saisons. C’est le cas, par exemple, chez l’ours, la grenouille, les oiseaux migrateurs et le papillon monarque. Une activité telle que la reproduction est saisonnière chez la plupart des animaux. Comme les périodes d’activité dièrent selon les espèces, un même habitat est exploité à des moments diérents de la journée ou de l’année. Par exemple, dans une prairie, des rapaces diurnes tels que la buse à queue rousse et des rapaces nocturnes tels que la chouette eraie se relaient pour chasser (voir la gure 13). Figure 13 La chouette effraie sort à la tombée de la nuit pour chasser.

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L’univers vivant

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Date :

L’univers vivant 1.5

Habitat et niche écologique Dans un habitat, un grand nombre d’espèces se côtoient. Cependant, deux espèces ayant des niches écologiques complètement identiques ne peuvent occuper le même habitat. Si elles avaient le même habitat, les deux espèces seraient continuellement en compétition pour l’espace et les ressources alimentaires. Une des deux espèces parviendrait alors à chasser l’autre de l’habitat. Le fait que les espèces vivant dans un même habitat occupent toutes des niches écologiques diérentes permet d’expliquer que plusieurs espèces diérentes coexistent dans un même milieu (voir les gures 14 et 15).

Flash

techno

Une boussole dans le cerveau ?

Chaque année, les oiseaux migrateurs entreprennent de longs voyages en suivant le même trajet. Certains, comme les sternes arctiques, peuvent même parcourir jusqu’à 22 500 km ! Pour ne pas se perdre, les oiseaux s’orienteraient grâce à des repères visuels, à des odeurs et à la pression atmosphérique, qui varie souvent selon la température. Ils se baseraient aussi sur le mouvement des astres. Enn, ils seraient capables de s’orienter par le champ magnétique terrestre. De petits cristaux de magnétite, comme ceux qui entrent dans la composition des aiguilles des boussoles, se trouvent dans le cerveau de certains oiseaux.

La sterne arctique effectue chaque année l’une des plus grandes migrations du monde animal.

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Figure 14 L’avocette et le canard colvert ont pratiquement le même régime alimentaire, mais ils cherchent leur nourriture à des profondeurs légèrement différentes.

Figure 15 L’aigrette garzette et le canard pilet ont des régimes alimentaires différents, mais ils cherchent leur nourriture aux mêmes profondeurs. Chapitre 1 • La diversité de la vie

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L’univers vivant 1.5

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Date :

Activités 1

Qu’est-ce qu’une niche écologique ? Donnez une dénition dans vos mots.

2

Nommez des caractéristiques qui dénissent une niche écologique.

3

Indiquez si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Pour chaque énoncé que vous avez jugé faux, justiez votre réponse. Énoncés

Vrai

Faux

a) Deux espèces vivant dans un même lieu ne peuvent occuper exactement la même niche écologique. b) Deux espèces vivant dans un même lieu et occupant exactement la même niche écologique seront constamment en compétition jusqu’à ce qu’une des deux modie ses habitudes, par exemple en quittant les lieux. c) Les omnivores consomment indifféremment des végétaux et des animaux. d) La plupart des êtres humains sont carnivores. Justications (indiquez la lettre de l’énoncé) :

4

Le texte suivant décrit une année dans la vie d’un ours noir. Lisez-le attentivement, puis décrivez la niche écologique de cet animal en remplissant la che. L’Ursus americanus On trouve l’ours noir (Ursus americanus) en Amérique du Nord. Il vit surtout dans les forêts et les montagnes. Il y trouve sa nourriture et peut s’y cacher facilement. On le voit surtout le jour, sauf si plusieurs installations humaines sont à proximité. Alors, il sortira plutôt la nuit. L’ourse protège ses petits an qu’ils ne deviennent pas des proies pour leurs nombreux prédateurs. Le loup, le puma, le lynx, le coyote, l’ours brun et même l’ours noir affamé sont des prédateurs de l’ours noir.

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L’univers vivant

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Groupe :

Dès qu’il quitte son abri au printemps, l’ours noir se met en quête de nourriture. Ses déplacements varient selon la saison. Au printemps, il parcourt les vallées exposées au soleil. À l’approche de l’été, l’ours s’installe à des altitudes élevées pour trouver un peu de fraîcheur. L’ours noir est omnivore, mais il aime surtout les végétaux. Il mange des herbes, des fruits, des glands et des noix. Il se nourrit aussi d’insectes comme des abeilles et des fourmis. Il complète son régime avec du poisson et de petits crustacés tels que le crabe. Il adore le miel, bien sûr !

Date :

L’univers vivant 1.5

Nom :

Une ourse et ses petits.

L’été correspond à la période de reproduction et il est marqué par l’abondance de nourriture. L’automne, l’ours noir doit accu­ muler des réserves de graisse puisqu’il passera l’hiver dans un état de somnolence. • Nom de l’espèce : • Lieux occupés :

• Régime alimentaire :

• Période d’activité :

5

Décrivez votre propre niche écologique en remplissant la che suivante. • Nom de l’espèce : • Lieux occupés :

• Régime alimentaire : • Période d’activité :

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Chapitre 1 • La diversité de la vie

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Nom :

Groupe :

L’univers vivant 1.6

1.6

Date :

Les adaptations physiques et comportementales

Imaginez un ours polaire avec son épaisse fourrure, qui se fait bronzer sous les palmiers des tropiques ! C’est inimaginable, car, pour répondre à leurs besoins et survivre, les êtres vivants doivent être adaptés à leur habitat. Ainsi, l’ours polaire, avec son épais manteau de fourrure, ne serait pas très en forme pour chasser sous la chaleur des tropiques. L’adaptation est le résultat d’un long processus qui s’échelonne sur un grand nombre de générations. Ce processus entraîne la modication d’un trait physique ou d’un comportement. L’adaptation permet à une espèce de survivre dans son milieu.

Définition

Figure 16 Les pattes de l’ours polaire sont adaptées à son environnement. Elles lui permettent de nager et de marcher dans la neige sans s’enfoncer.

Flash

info

Par exemple, l’ours polaire possède une épaisse fourrure imperméable dont la couleur blanche l’aide à se fondre dans le paysage. Elle permet à l’eau de glisser lorsqu’il nage et elle le protège du froid. La peau noire sous sa fourrure absorbe la chaleur. Une épaisse couche de graisse le protège aussi du froid et empêche la température de son corps de chuter lorsqu’il nage dans l’eau glacée. Ses petites oreilles et la forme de son corps limitent les pertes de chaleur. Ses pattes s’étalent comme des raquettes et l’empêchent de s’enfoncer dans la neige (voir la gure 16).

L’adaptation est une structure (trait physique) ou un comportement qui permet à une espèce de survivre dans son milieu. Elle est le résultat d’un long processus.

La disparition des dinosaures

Les dinosaures étaient des reptiles si bien adaptés à leur milieu qu’ils ont dominé la Terre pendant des millions d’années. Plusieurs hypothèses ont été avancées pour expliquer leur disparition il y a 65 millions d’années. Selon les plus probables d’entre elles, des changements majeurs et rapides dans les conditions de luminosité et climatiques de la Terre seraient survenus. Les dinosaures auraient été incapables de s’adapter à ces changements, et cela aurait causé leur perte.

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L’univers vivant

Le squelette d’un tyrannosaure.

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L’univers vivant 1.6

Les adaptations physiques chez les animaux Lorsqu’on observe un être vivant dans son milieu, on constate la plupart du temps que chacune des parties de son corps est parfaitement adaptée à sa fonction. Voici un certain nombre d’exemples d’adaptations physiques.

Les pattes Pleinement adaptées à leur environnement et à leur mode de vie, les pattes des animaux leur permettent de creuser, de grimper aux arbres, de marcher sur le sable, de nager, etc. (voir les gures 17 à 20).

Figure 17 La taupe est un animal fouisseur. Ses pattes courtes et puissantes conviennent parfaitement pour creuser le sol rapidement.

Figure 18 La sauterelle est un animal sauteur. Ses pattes avant sont courtes. Ses pattes arrière en forme de V sont beaucoup plus longues et lui permettent de sauter.

Figure 19 Le dromadaire vit dans le désert. La peau dure et très épaisse de ses pieds lui permet de supporter la chaleur du sol. Ses pieds sont larges et plats avec deux gros orteils terminés par un ongle. Ils lui permettent d’avancer dans le sable sans s’enfoncer.

Figure 20 L’écureuil roux est un rongeur. Ses pattes avant sont préhensiles, c’est-à-dire qu’elles peuvent prendre les graines dont il se nourrit. Ses pattes arrière, munies de petites griffes, lui assurent une bonne prise lorsqu’il grimpe aux arbres.

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Chapitre 1 • La diversité de la vie

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L’univers vivant 1.6

Les becs Les oiseaux n’ont pas de dents. Leur bec est recouvert d’une corne qui se renouvelle pour éviter l’usure. En observant attentivement la forme du bec des oiseaux, on peut en déduire leur régime alimentaire (voir la gure 21).

Oiseau omnivore. Le bec puissant, de grosseur et de longueur moyennes du corbeau lui permet de briser des graines, de capturer des insectes ou des oisillons, de manger des fruits, etc.

Oiseau omnivore. Le bec puissant, Oiseau granivore (herbivore). Le bec court, large à la base et puissant du perroquet lui permet de briser les graines.

Oiseau insectivore (carnivore). Le bec court et n de l’hirondelle lui permet de capturer les insectes. De même, avec son long bec pointu, le pic peut creuser l’écorce des arbres pour y saisir des insectes.

Oiseau ltreur (carnivore). Le long bec recourbé du amant rose lui permet de ltrer les eaux de surface à la recherche de petits poissons, vers, mollusques, larves, plancton, etc.

Figure 21 La forme du bec des oiseaux permet de déduire leur régime alimentaire.

Oiseau carnassier (carnivore). Le bec court, crochu et puissant du faucon lui permet de déchirer et d’arracher la chair de ses proies.

L’adaptation de l’apparence physique : mimétisme et camouage Pour se protéger de leurs prédateurs ou attirer leurs proies, certains animaux recourent au mimétisme, d’autres au camouage. Le mimétisme consiste pour un être vivant à tromper ses prédateurs en imitant l’apparence d’un individu d’une autre espèce (voir les gures 22 et 23). Souvent, les espèces imitées sont non comestibles ou dangereuses pour le prédateur.

Figure 22 Un exemple de mimétisme : le papillon Kallima inachus imite une feuille morte pour tromper ses prédateurs.

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L’univers vivant

Figure 23 Un autre exemple de mimétisme : l’hippocampe pygmée se confond avec les coraux.

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L’univers vivant 1.6

Le camouage est une espèce de déguisement qu’un animal revêt pour se confondre avec son environnement et devenir presque invisible (voir la gure 24). Il peut ainsi se cacher et ses prédateurs ont de la diculté à le repérer. Mais les proies aussi ont du mal à voir venir un prédateur qui se camoue.

Les adaptations comportementales chez les animaux Plusieurs comportements permettent à une espèce de survivre dans son milieu. Il y a, entre autres, les tactiques de chasse, la régulation de la température corporelle et l’hivernation. Voici quelques exemples de ces adaptations comportementales.

Figure 24 Un exemple de camouage : l’ibijau gris est un oiseau qui se confond avec le tronc de l’arbre où il niche.

Les loups se déplacent en meute. De cette façon, ils assurent leur survie lorsqu’ils ont à aronter les prédateurs et ils accroissent leurs chances de succès à la chasse. La meute est dirigée par un mâle dominant (voir la gure 25). Comme la température des animaux à sang froid est inuencée par celle du milieu environnant, ils adoptent des comportements pour se protéger des changements de température et maintenir leur corps à la température appropriée. Par exemple, le crotale de Massasauga, un serpent, s’installe au soleil ou à l’ombre l’été (voir la gure 26). L’hiver, il se cache sous terre dans les ssures d’un rocher.

Figure 25 Une meute de loups.

L’hivernation concerne tous les comportements adoptés par les animaux l’hiver. L’écureuil qui cache ses provisions hiverne autant que la marmotte qui hiberne ou que l’oiseau qui migre. L’hibernation est un comportement d’hivernation. C’est un état d’engourdissement dans lequel l’animal utilise ses réserves de graisse pour survivre à la saison froide. La grenouille, la Figure 26 Le crotale de Massasauga se chauffe marmotte et la mouette sont des animaux qui au soleil. hibernent. La migration est aussi un comportement d’hivernation. C’est un déplacement cyclique lié aux ressources de nourriture disponibles, à l’ensoleillement et à la température. Le canard colvert, le saumon, le caribou de la toundra, le papillon monarque et le béluga font partie des animaux qui migrent. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 1 • La diversité de la vie

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L’univers vivant 1.6

Les adaptations physiques chez les végétaux Les végétaux aussi ont recours à des adaptations physiques qui leur permettent d’exploiter leur environnement au maximum. C’est le cas des orchidées, qui assurent leur reproduction par mimétisme (voir la gure 27). La forme des arbres et de leurs feuilles est adaptée également au milieu. La figure 28 et le tableau 4, à la page suivante, mettent en parallèle les adaptations d’un feuillu, l’érable, et celles d’un conifère, le sapin. Des aiguilles de sapin

Figure 27 Avec leurs eurs poilues, les orchidées imitent les mouches femelles. Elles attirent ainsi les mouches mâles qui transportent leur pollen d’une eur à l’autre.

Un cône de sapin

Des feuilles d’érable

Le sapin

Des disamares d’érable Un bourgeon d’érable

L’érable Figure 28 Les adaptations de l’érable et du sapin.

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Adaptations de l’érable

Adaptations du sapin

Pour obtenir de la nourriture

Des pigments verts nommés « chlorophylle » assurent la réaction chimique qui fournit de la nourriture aux arbres sous forme de sucres.

Pour capter un maximum de lumière

Partie principale des feuilles large et terne

• • • •

L’univers vivant 1.6

Tableau 4 Comparaison des adaptations de l’érable et du sapin

• Aiguilles étroites et luisantes, pâles en dessous • Le fait que les aiguilles captent moins de lumière que les feuilles de l’érable est compensé par l’abondance des aiguilles.

Feuilles ou aiguilles vertes Branches horizontales Feuilles ou aiguilles plus larges à la base de l’arbre qu’au sommet Arbres de forme conique

Pour survivre pendant l’hiver

• Il perd ses feuilles à l’automne. L’arbre conserve ainsi un maximum d’énergie pour l’hiver. • Les futures feuilles sont protégées dans les bourgeons.

• Ses aiguilles étroites dépensent moins d’énergie et limitent l’évaporation. L’arbre peut conserver 85 % de ses aiguilles toute l’année. • Il commence tôt au printemps à capter de la lumière. • Ses aiguilles sont recouvertes d’un dépôt épais qui les protège du gel.

Pour se reproduire

Graines dans des disamares

Graines dans des cônes

Les adaptations comportementales chez les végétaux Les végétaux recourent aussi à des adaptations comportementales qui les aident à survivre dans leur milieu de vie. Les tropismes sont des exemples d’adaptation comportementale (voir les gures 29 et 30). Ils consistent en un mouvement de la plante vers un élément non vivant du milieu.

Sol sec Figure 29 Le phototropisme est le mouvement qui porte la tige et les feuilles d’une plante à se tourner vers la lumière. Il permet à la plante de bénécier du meilleur ensoleillement possible pour faire la photosynthèse. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Sol humide

Figure 30 L’hydrotropisme est le mouvement qui porte les racines d’une plante à rechercher l’eau ou l’humidité. Il aide la plante à s’alimenter en eau.

Chapitre 1 • La diversité de la vie

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L’univers vivant 1.6

Nom :

Groupe :

Date :

Activités 1

Expliquez dans vos mots ce qu’est l’adaptation.

2

Donnez deux exemples d’adaptation physique et deux exemples d’adaptation comportementale chez les animaux et chez les végétaux. Adaptations physiques

Animaux

Végétaux

3

Adaptations comportementales

•

•

•

•

•

•

•

•

Voici la denture d’un être humain. Observez bien la forme des dents et leur fonction, puis répondez à la question. Incisive : Couper Canine : Déchirer

Quel est le régime alimentaire de l’être humain ?

Prémolaire : Broyer Molaire : Broyer Dent de sagesse : Broyer

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L’univers vivant

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4

Groupe :

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Les énoncés suivants correspondent-ils à des adaptations physiques ou à des adaptations comportementales ? Énoncés

Adaptation physique

Adaptation comportementale

a) Les caribous changent de territoire à l’automne et au printemps. b) Chaque segment du ver de terre est muni de soies qui lui permettent d’avancer. c) L’ours polaire a, sous son pelage, une peau complètement noire. Elle lui permet d’absorber un maximum de chaleur. d) La chouette effraie claque très fort avec son bec lorsqu’elle se sent menacée. e) Le cerf redresse la queue et sife pour avertir les autres d’un danger. f) Les hamsters mâles marquent leur territoire par des odeurs. g) Les sabots de l’orignal sont larges et palmés. Ils lui permettent de nager et de ne pas s’enfoncer dans les sols mous. 5

Voici quelques énoncés concernant les poissons. Indiquez par un crochet ceux qui ont rapport aux adaptations permettant aux poissons de nager. Énoncés

Adaptation qui permet au poisson de nager

a) Certains poissons possèdent des épines ou des parties tranchantes. b) Certains poissons se confondent avec le fond marin. c) L’eau que le poisson aspire est vivement rejetée par les branchies. d) La plupart des poissons ont une forme qui leur permet de bien glisser dans l’eau (hydrodynamique). e) Le corps des poissons est recouvert d’un liquide visqueux (mucus) qui les aide à bien glisser dans l’eau. f) Chez de nombreuses espèces de poissons, le ventre est moins foncé que le dos. g) Les membres des poissons sont des nageoires. h) Un bon nombre d’espèces pondent une grande quantité d’œufs, mais ne s’en occupent pas. i) Tous les poissons possèdent une ligne latérale leur permettant de détecter les vibrations des autres êtres vivants.

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Chapitre 1 • La diversité de la vie

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L’univers vivant 1.6

Nom :

L’univers vivant 1.6

Nom :

6

Groupe :

Indiquez le régime alimentaire qui correspond à chacune des dentures illustrées ci-dessous. • Carnivore

A. J’ai des incisives puissantes et des molaires plates, mais pas de canines.

7

• Herbivore • Omnivore

B. J’ai des canines fortes et longues et des molaires pointues.

C. J’ai des incisives coupantes, des canines pointues et des molaires broyeuses.

Les exemples suivants correspondent-ils à du camouage ou à du mimétisme ? Répondez en cochant dans la colonne appropriée. Description

Camouage

a)

La couleur de la eur du Penstemon utahensis est semblable à celle du plumage du colibri qui assure sa pollinisation. Cet oiseau la visite, car elle ressemble à son partenaire sexuel.

b)

La phyllie est aussi appelée « insecte-feuille ». Elle ressemble à s’y méprendre aux feuilles qui l’abritent.

c)

Vu de dessous, le ventre clair des harengs se confond avec le ciel. Vues de dessus, leurs écailles foncées se fondent dans les fonds marins.

d)

Les « yeux » sur les ailes de certains papillons font peur aux prédateurs qui croient que l’animal est beaucoup plus gros.

e)

Les lithops ou plantes-cailloux ressemblent aux cailloux parmi lesquels elles poussent. Ainsi, les herbivores évitent de les dévorer.

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Date :

L’univers vivant

Mimétisme

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Groupe :

Date :

Quelle est la différence entre l’hibernation et l’hivernation ?

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La plupart des espèces ont adopté des comportements ou ont acquis des caractères physiques qui leur permettent de communiquer pour assurer leur survie. Leur moyen de communication consiste essentiellement à envoyer un signal aux autres individus de leur espèce. Associez chacun des exemples suivants au but que l’animal poursuit. a) Les oiseaux mâles ont un plumage très coloré. La luciole (« mouche à feu ») émet de la lumière. Les oiseaux chantent. b) Le cerf de Virginie redresse la queue. Le castor frappe la surface de l’eau avec sa queue. c) Le chien urine sur les végétaux ou les pierres. Les oiseaux chantent. d) La mouffette projette un liquide nauséabond, c’est-à-dire qui a une mauvaise odeur. Les sauterelles produisent des bruits très forts avec leurs ailes. e) Le dauphin sife, le loup hurle. f) Le chien et le loup relèvent la queue.

L’univers vivant 1.6

8

1) Afrmer sa dominance. 2) Attirer un partenaire sexuel. 3) Délimiter son territoire. 4) Prévenir les autres animaux de son espèce d’un danger. 5) Repousser un prédateur. 6) Rester en contact avec les autres animaux de son groupe, même s’ils sont loin.

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Quelles adaptations permettent aux conifères de conserver leurs aiguilles toute l’année étant donné qu’elles demandent peu d’énergie ?

11

Les exemples suivants décrivent des adaptations. Reliez chaque adaptation à sa fonction. a) Le phasme est un insecte qui ressemble à une brindille. Il demeure immobile toute la journée et sort la nuit pour se nourrir. b) Le saule infesté de chenilles libère une substance chimique qui amène les autres saules à sécréter une substance repoussante pour les chenilles. c) Les cactus emmagasinent l’eau dans leurs épaisses branches. d) L’hiver, le pelage du lièvre d’Amérique est blanc alors que l’été, il est gris-brun. e) Juste sous la peau, le béluga possède une couche de graisse épaisse de 2,5 cm à 9,5 cm.

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1) Échapper aux prédateurs. 2) Résister à la sécheresse. 3) Échapper aux prédateurs, moins présents la nuit. 4) Éloigner les insectes parasites. 5) Se protéger des eaux glaciales de son habitat l’hiver. Chapitre 1 • La diversité de la vie

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Nom :

Groupe :

1.7

Date :

L’évolution

Il y a environ 200 ans, les gens croyaient que toutes les espèces animales et végétales connues existaient depuis toujours. Surtout, ils étaient convaincus qu’il n’y avait jamais eu d’autres espèces que celles qui existaient alors. Mais par la suite, la découverte de fossiles de plantes ou d’animaux inconnus jusque-là a bouleversé ces croyances (voir la gure 31).

Définition

Figure 31 Archaefructus liaoningensis. Ce fossile est celui de la plus ancienne plante à eurs connue. Il nous apprend que les plantes à eurs sont apparues sur la Terre il y a au moins 140 millions d’années.

On sait aujourd’hui que les premières formes de vie sont apparues sur la Terre il y a environ 3,8 milliards d’années. Les scientiques ont établi que les premiers organismes vivants étaient beaucoup plus simples que ceux d’aujourd’hui. Ils ont aussi montré que tous les êtres vivants, sans exception, sont issus de ces organismes. C’est le processus de l’évolution qui a permis à une multitude d’êtres vivants de se développer.

L’évolution est l’ensemble des transformations subies par les êtres vivants au l des générations.

Les étapes de l’évolution des êtres vivants

Flash

info

Les lézards des ruines

Il est extrêmement rare qu’un animal subisse une évolution observable au cours d’une vie humaine. Les lézards des ruines font exception. En 1971, quelques lézards ont été déposés sur l’île croate de Pod Mrcaru. Une trentaine d’années plus tard, des chercheurs ont constaté que ces bêtes avaient considérablement évolué. Elles étaient en effet devenues herbivores alors qu’elles avaient toujours été insectivores. Les scientiques supposent que cette transformation est due à l’abondance des végétaux sur l’île. Le changement de régime a entraîné des adaptations physiques chez les lézards : par exemple, ils ont maintenant une mâchoire plus puissante pour pouvoir déchirer les végétaux, et des valves dans leur intestin qui leur permettent de digérer l’herbe.

42

L’univers vivant

Par le moyen de procédés scientifiques tels que l’observation des fossiles, on a pu retracer l’histoire de l’évolution des êtres vivants (voir la gure 32, à la page suivante). Les espèces évoluent très lentement. Elles acquièrent peu à peu de nouveaux caractères ; de nouvelles espèces apparaissent aussi. Par exemple, si certaines espèces aquatiques ont pu commencer à vivre hors de l’eau, c’est qu’au cours de leur évolution, elles ont élaboré des structures telles que des sacs pulmonaires. Les amphibiens, des animaux qui peuvent vivre à l’air libre comme dans l’eau, sont alors apparus. Les caractères des premiers amphibiens se sont transmis à leurs descendants, qui se sont, à la longue, parfaitement adaptés à la vie terrestre. Après les amphibiens, les reptiles sont apparus, puis les mammifères suivis des oiseaux.

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Nom :

Groupe :

-135 millions d’années -360 millions d’années

Oiseaux (ex. : aigle)

Mammifères (ex. : éléphant) (ex. : Homo sapiens : -200 000 ans)

Reptiles (ex. : tortue) Amphibiens (ex. : salamandre)

-410 millions d’années

-500 millions d’années Mollusques (ex. : escargot)

-700 millions d’années -2 milliards d’années

Vers (ex. : ver de terre)

Échinodermes (ex. : étoile de mer)

Champignons Animaux Végétaux (premières cellules capables de photosynthèse)

Figure 32 L’évolution des êtres vivants.

-245 millions d’années

Poissons (ex. : requin)

Arthropodes (ex. : homard)

-580 millions d’années

Date :

-540 millions d’années

Cnidaires (ex. : méduse) Éponges (ex. : éponge des mers)

Protistes

-2 milliards d’années

Monères

-3,4 milliards d’années

Définition

La sélection naturelle Diérentes théories ont été bâties pour expliquer l’évolution des espèces. La théorie de la La sélection naturelle est un des mécasélection naturelle, exposée par le naturaliste nismes qui interviennent au cours de l’évolution. Elle fait en sorte que les individus les Charles Darwin en 1859, est aujourd’hui la plus mieux adaptés survivent et se reproduisent. communément admise. Selon cette théorie, Ce mécanisme permet d’expliquer l’adaptaparmi tous les individus génétiquement diétion des espèces à leur milieu. rents d’une espèce, seuls ceux qui sont adaptés à leur milieu survivent et se reproduisent. Les individus les mieux adaptés à leur environnement assurent la descendance de l’espèce. D’une génération à l’autre, les individus sont donc de mieux en mieux adaptés à leur environnement. Après de nombreuses générations, les adaptations sont présentes chez tous les individus de l’espèce. Ces individus seront adaptés en permanence à leur milieu de vie tant que celui-ci ne change pas. Toutefois, les individus ne sont jamais parfaitement adaptés à leur milieu. Il arrive que des caractères moins favorables à la survie surgissent de temps en temps dans une population. C’est le cas, par exemple, de certaines maladies comme la dystrophie musculaire chez l’être humain. De plus, certains caractères défavorables, présents chez des individus génétiquement diérents des autres, peuvent devenir favorables à la suite de changements survenus dans le milieu environnant. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 1 • La diversité de la vie

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers vivant 1.7

Les étapes de l’évolution d’une espèce La gure 33 illustre comment se fait la sélection naturelle au cours de l’évolution des espèces. Elle montre l’évolution des doigts du cheval depuis 60 millions d’années. Ainsi, trois des doigts du cheval ont disparu progressivement. Cette lente transformation s’expliquerait par le fait que les chevaux les plus rapides étaient avantagés dans la prairie. Le type de changements décrit à la gure 33 s’opère très lentement, à la suite de transformations qui surviennent dans l’environnement. Changement de milieu de vie (le cheval quitte la forêt pour la prairie) Étape 1 Les individus de la même espèce se reproduisent.

Parents (mâle et femelle)

Étape 2 Des transformations peuvent apparaître au hasard de la reproduction.

Descendant

Descendant

Descendant

Étape 3 Une sélection naturelle s’opère.

Étape 4 L’évolution s’effectue sur une très longue période de temps.

Étape 5 L’espèce actuelle est adaptée à son milieu.

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Descendant

Figure 33 Les étapes de l’évolution des doigts du cheval depuis 60 millions d’années. Plus la couleur des encadrés « Descendant » est foncée, plus ces descendants ont des doigts qui leur permettent de se déplacer rapidement.

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L’univers vivant

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Nom :

Groupe :

Date :

L’univers vivant 1.7

Il arrive cependant que l’environnement change si rapidement que les espèces n’ont pas le temps d’évoluer pour assurer leur survie. Une extinction massive survient alors : de nombreuses espèces disparaissent en même temps. Enn, il peut aussi arriver que des changements se manifestent chez des espèces sans que leur environnement ait subi de modication importante. Par exemple, on constate que certaines structures propres à l’être humain, comme l’appendice ou les dents de sagesse, tendent à disparaître. (Cela ne compromet en rien la survie de l’espèce.)

Étape 1 Les individus de la même espèce se reproduisent. Il y a 60 millions d’années, les chevaux, comme aujourd’hui, étaient différents les uns des autres : certains avaient le poil plus long que les autres, d’autres les oreilles plus pointues, d’autres encore le doigt du milieu légèrement plus long que les autres, etc. Ces individus se sont reproduits et ont transmis leurs caractères, codés dans leurs gènes, à leurs descendants.

Étape 2 Des transformations peuvent apparaître au hasard de la reproduction. Au l des générations, des trans­ formations qui apparaissent par hasard lors de la reproduction touchent les caractères de certains descendants. Ainsi, certains chevaux peuvent avoir le doigt du milieu nettement plus long que les deux autres. Ce caractère peut les rendre uniques par rapport aux autres individus de leur espèce.

Étape 3 Une sélection naturelle s’opère. Parfois, les transformations permettent à l’individu d’être mieux adapté à son environnement. Ainsi, les chevaux ayant le doigt du milieu plus long bénécient d’un avantage pour la course. Plus rapides, ils échappent plus facilement à leurs prédateurs, survivent mieux dans leur milieu et atteignent plus souvent l’âge de la reproduction. Ils sont ainsi « sélectionnés » par la nature pour la reproduction et la transmission de leurs caractères. (Les individus les plus faibles ou moins adaptés au milieu meurent ou se reproduisent moins.)

Étape 4 L’évolution s’effectue sur une très longue période de temps. Les étapes 1 à 4 s’étalent sur des millions d’années. Au cours de cette période, le nombre d’individus qui possèdent les caractères les plus favorables augmente puisque ces caractères sont toujours transmis d’une génération à l’autre.

Étape 5 L’espèce actuelle est adaptée à son milieu. Après de très nombreuses générations de chevaux issues de la sélection naturelle, plusieurs espèces de chevaux sont apparues. Certaines se sont maintenues longtemps, d’autres moins. Maintenant, tous les chevaux possèdent un seul doigt, qu’on nomme « sabot ». On peut donc dire que l’espèce actuelle est le résultat de l’évolution de ses ancêtres, adaptés à leur milieu.

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Chapitre 1 • La diversité de la vie

45

L’univers vivant 1.7

Nom :

Groupe :

Date :

Activités 1

Qu’est-ce que l’évolution ? Donnez une dénition dans vos mots.

2

Qu’est-ce que la sélection naturelle ? Donnez une dénition dans vos mots.

3

Indiquez si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Pour chaque énoncé que vous avez jugé faux, justiez votre réponse. Énoncés

Vrai

Faux

a) Les gens ont toujours cru que les espèces ont évolué. b) Les êtres vivants n’ont pas toujours existé sur la Terre. c) Tous les êtres vivants qui existent aujourd’hui ou qui ont déjà existé ont évolué à partir des premiers organismes vivants. d) Dans le processus d’évolution des êtres vivants, les oiseaux ont précédé les mammifères. e) Généralement, l’évolution est causée par un changement dans l’environnement des êtres vivants. Justications (indiquez la lettre de l’énoncé) :

46

L’univers vivant

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Nom :

Date :

En les numérotant, rangez les êtres vivants selon leur ordre d’apparition sur la Terre.

Poissons

Mollusques

Oiseaux

Végétaux

Bactéries

Premières cellules

Mammifères

Êtres humains actuels

Vers

5

L’univers vivant 1.7

4

Groupe :

Quelles sont les étapes de l’évolution d’une espèce ? 1) 2) 3) 4) 5)

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Chapitre 1 • La diversité de la vie

47

L’univers vivant 1.7

Nom :

6

Groupe :

Date :

La gure ci-dessous illustre l’évolution du genre Homo, c’est-à-dire l’évolution des êtres humains. Observez-la, puis répondez aux questions qui suivent. L’évolution du genre Homo Homo habilis Homo rudolfensis

Homo oresiensis Homo erectus

Homo neanderthalensis Homo heidelbergensis Homo sapiens -2,5

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0 Million(s) d’années

a) Quelle est la seule espèce du genre Homo qui existe encore aujourd’hui ?

b) Cochez les autres espèces du genre Homo qui ont vécu sur la Terre en même temps que l’Homo sapiens. Homo rudolfensis

Homo oresiensis

Homo neanderthalensis

Homo habilis

Homo erectus

Homo heidelbergensis

c) À quel moment environ est apparu l’Homo sapiens ?

d) Quelle espèce d’êtres humains s’est maintenue le plus longtemps ?

7

Voici quelques énoncés qui décrivent l’acquisition de la résistance à un insecticide chez le moustique commun. Replacez-les dans le bon ordre en les numérotant. • Dans les années 1960, on a mis en place des traitements insecticides destinés à anéantir les moustiques à reproduction très rapide, nuisibles aux êtres humains. Certains de ces moustiques possédaient un caractère rare qui leur permettait de résister à l’insecticide. • L’adaptation est transmise de génération en génération par la reproduction. • Les moustiques qui ont le caractère leur permettant de résister à l’insecticide survivent plus facilement et ont plus de chances de se reproduire : ils sont mieux adaptés que les autres. • Toutes les populations de moustiques se trouvant sur les territoires traités par l’insecticide ont le caractère qui permet de résister à l’insecticide.

48

L’univers vivant

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Groupe :

Date :

8

Qui suis-je ? Sans ce processus de multiplication des individus, l’évolution des espèces serait impossible.

9

Le texte suivant traite de l’évolution de la famille des giradés. Lisez le texte, puis répondez aux questions. Les giradés Il y a environ 25 millions d’années, le hasard de la diversité génétique et de la reproduction a fait que le corps de certains ruminants s’est allongé. C’est ainsi que les premiers giradés sont apparus en Afrique et en Asie. Leur long corps les différencie des autres ruminants comme la vache. Vingt millions d’années après, les premières savanes africaines sont apparues. Ce sont de vastes plaines herbeuses ayant peu d’arbres et de eurs. La plupart des brouteurs de feuilles, dont plusieurs espèces appartenant à la famille des giradés, ont alors disparu, car ils étaient incapables de s’adapter au changement de milieu. Des espèces de la famille des giradés sont cependant apparues en Afrique. Certaines de ces espèces, au cou très long, se nourrissaient des feuilles à la cime des arbres de la savane. C’étaient les ancêtres de la girafe. Comme elles étaient les seuls animaux de la savane à avoir un cou assez long pour brouter les feuilles placées très haut, les girafes sont parvenues à survivre.

Un okapi.

D’autres giradés, au cou moins long et de plus petite taille, broutaient les feuillages inférieurs ; ils ont migré vers les forêts, car ils ne trouvaient plus sufsamment de nourriture dans la savane. Ce sont les ancêtres des okapis. Aujourd’hui, les giradés ne sont plus représentés que par les okapis et les girafes. Les girafes habitent les savanes africaines, et les okapis certaines forêts du Congo, en Afrique centrale.

Des girafes.

a) Quel changement survenu dans l’environnement a enclenché les mécanismes de l’évolution ?

b) Quel caractère a favorisé les girafes ?

c) Quels caractères ont favorisé les okapis ?

d) Formulez une hypothèse qui expliquerait pourquoi les giradés ont presque tous disparu au cours de l’évolution.

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Chapitre 1 • La diversité de la vie

49

L’univers vivant 1.7

Nom :

L’univers vivant

Nom :

Groupe :

Pour faire 1

Date :

le

point

La gure suivante présente le classement de quelques animaux. Observez la gure, puis répondez aux questions.

Règne : animal Embranchement : chordés (vertébrés) Classe : mammifères

Ordre : carnivores

Famille : canidés

Genre : Canis

Espèce : Canis lupus

a) Peut-on dire que la marmotte est un animal carnivore ? Sinon, quel est son régime alimentaire ?

b) Qu’est-ce qui différencie l’oiseau des autres chordés illustrés ?

c) Qu’est-ce que le loup et le chien ont en commun ?

50

L’univers vivant

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Groupe :

Date :

d) Parmi les animaux illustrés, lequel n’appartient pas aux chordés ? Quelle structure lui manque-t-il pour appartenir à cet embranchement ?

e) Quels sont les deux mammifères de l’illustration qui ne sont pas des canidés ?

f) Quels sont les trois critères sur lesquels on se base pour afrmer que le renard et le chien n’appartiennent pas à la même espèce ?

2

Le texte suivant présente une situation où une espèce animale s’est ajustée à la suite de l’introduction d’un autre animal dans son milieu. Après avoir lu ce texte, expliquez ce qui s’est produit. Le râle de lord et le sanglier Dans les années 1980, l’être humain a introduit des sangliers sur une île où vivait une espèce d’oiseaux, le râle de lord (Tricholimnas sylvestris). Pour survivre, ces oiseaux se sont réfugiés sur les sommets de l’île. Leur taux de reproduction a rapidement baissé et, par le fait même, leur nombre. Quelques années plus tard, l’élimination complète des sangliers de l’île a été suivie rapidement du retour du râle dans son milieu initial. Le taux de reproduction est redevenu ce qu’il était auparavant et la population de râles a progressivement augmenté.

3

Le texte suivant présente un animal particulier : le dauphin rose d’Amazonie connu aussi sous le nom de « boto ». Après l’avoir lu, répondez aux questions qui le suivent. Le dauphin rose d’Amazonie Le dauphin rose d’Amazonie (Inia geoffrensis) est un véritable fossile vivant qui a conservé l’aspect des premiers dauphins. Il a quitté les eaux salées occupées par la plupart des autres dauphins et est devenu adapté aux eaux douces. Il habite dans le euve Amazone, en Amérique du Sud. Ce euve inonde les forêts environnantes six mois par année. Le dauphin rose mange alors les fruits et les baies des arbres. Sinon, il se nourrit de poissons-chats, de piranhas et d’autres poissons et crustacés. Son plus grand prédateur est l’être humain. La tête du dauphin rose pivote de 90 degrés. Cela s’explique par le fait que ses vertèbres cervicales ne sont pas soudées. Le dauphin possède un aileron dorsal et des nageoires souples et larges comme des ailes. Sa tête, son aileron et ses nageoires lui permettent de se fauler ventre en l’air et parfois à reculons entre les troncs, les racines et les feuilles de la forêt.

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Chapitre 1 • La diversité de la vie

51

L’univers vivant

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers vivant

Le museau du dauphin rose est muni de poils qui lui servent à repérer ses proies. Ses dents sont puissantes, elles peuvent broyer des poissons à peau très dure. Pour repérer ses proies dans l’eau boueuse, il envoie des sons et écoute leur écho. Pendant la saison des inondations, le dauphin rose chasse seul. Sinon, les dauphins roses vivent en famille, dirigés par un mâle dominant. Les familles se regroupent et on peut observer jusqu’à 100 dauphins qui pêchent ensemble. a) On dit du dauphin rose qu’il est un fossile vivant. Qu’est-ce que cela indique par rapport à son évolution ?

b) Selon le texte, trois adaptations physiques rendent le dauphin rose apte à vivre dans son habitat en période d’inondation. Quelles sont ces trois adaptations ?

c) Complétez la che sur la niche écologique du dauphin rose. • Nom de l’espèce :

• Lieux occupés :

• Régime alimentaire :

• Période d’activité :

52

L’univers vivant

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Chapitre

2

La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie Au cours de l’évolution, les espèces ont pu se perpétuer grâce à une fonction essentielle au maintien de la vie : la reproduction. Chez les espèces animales et végétales, on observe de nombreuses manières originales et efcaces de se reproduire. Le maintien de la vie est aussi lié aux fonctions des cellules, l’unité de base de la vie. Les cellules revêtent différentes formes, mais elles remplissent toutes les mêmes fonctions vitales. Dans ce chapitre, vous découvrirez les caractéristiques des êtres vivants. Vous étudierez aussi l’organisation du vivant en cellules et les divers modes de reproduction des végétaux et des animaux.

53

Nom :

Groupe :

L’univers vivant 2.1

2.1

Date :

Les caractéristiques du vivant

Définition

Qu’ils soient minuscules comme les bactéries et les algues microscopiques, ou énormes comme la baleine bleue et le séquoia, tous les êtres vivants se dénissent par un ensemble de caractéristiques. Pour être considéré comme un vivant, un être doit en fait posséder l’ensemble des caractéristiques présentées dans cette section.

Les caractéristiques du vivant sont l’ensemble des caractéristiques que possèdent les êtres vivants. Elles permettent de distinguer les êtres vivants de la matière non vivante.

L’organisation en cellules

Figure 34

Des cellules d’épinard grossies 4500 fois.

Le monde vivant est une organisation complexe dont l’unité de base est la cellule. En fait, tous les êtres vivants sont composés de cellules (voir la gure 34). Certains, comme les bactéries, sont constitués d’une seule cellule. Ce sont des êtres unicellulaires. D’autres, comme les animaux et les végétaux, sont formés d’une multitude de cellules. Ce sont des êtres pluricellulaires. La matière non vivante, elle, n’est pas composée de cellules.

Les échanges avec le milieu Tous les êtres vivants prélèvent de la matière dans leur milieu pour se nourrir et pour respirer.

La nutrition

Figure 35 Tous les animaux consomment d’autres êtres vivants et de l’eau pour se nourrir. Ils rejettent ensuite les déchets de la digestion dans leur environnement.

54

L’univers vivant

La nutrition procure de l’énergie aux êtres vivants (voir les gures 35 et 36). Certains d’entre eux, les plantes vertes, prélèvent aussi directement de l’énergie dans leur milieu. Tous rejettent des déchets et des gaz. Ces échanges fournissent aux êtres vivants les éléments essentiels à leur fonctionnement ainsi qu’une réserve d’énergie.

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Nom :

Groupe :

Date :

La respiration cellulaire est une réaction chi­ mique qui a lieu dans les cellules. À l’aide de l’oxygène qu’elles absorbent, les cellules trans­ forment les sucres provenant de la nutrition et les convertissent en énergie. Elles rejettent aussi du gaz carbonique. Cette réaction permet à tous les êtres vivants d’obtenir l’énergie nécessaire pour se reproduire, se mouvoir, grandir, soigner leurs blessures, etc.

La fonction de reproduction Tous les êtres vivants ont la capacité de se repro­ duire et de transmettre leurs caractéristiques à leur descendance.

L’univers vivant 2.1

La respiration cellulaire et l’utilisation de l’énergie

Figure 36 Les plantes vertes fabriquent leur nourriture en puisant du gaz carbonique dans l’air, de l’eau et des sels minéraux dans le sol. Sous l’action de la lumière, ces divers éléments subissent une réaction chimique. Les plantes vertes évacuent les déchets de la réaction dans leur environnement. Ce sont des producteurs. Un de ces déchets est l’oxygène que nous respirons.

La croissance, le développement et la réparation Tous les êtres vivants naissent, se développent et meurent. L’énergie fournie par la nutrition permet aux cellules des êtres vivants de se multiplier et donc aux tissus de se développer et de se réparer (voir la gure 37). La plupart des cellules se multiplient et se réparent jusqu’à la mort de l’organisme.

Figure 37 Lorsqu’ils sont blessés ou malades, les êtres vivants utilisent une bonne partie de leur énergie pour réparer leurs cellules.

La réaction aux stimuli Les êtres vivants réagissent aux diérents stimuli qui proviennent du milieu. Les stimuli sont des excitations qui provoquent une réaction (voir la gure 38). Ils peuvent être de diverses natures : odeurs, saveurs, sons, lumière, chaleur, fumée, etc. Les réactions aussi peuvent être variées : fuite, cri, attaque, déplacement, protection des petits, etc.

L’adaptation L’adaptation est un trait physique ou un compor­ tement qui permet à une espèce de survivre dans son milieu. Il existe de nombreuses formes d’adaptation. Rappelons, par exemple, le recours au mimétisme et au camouage chez certaines espèces animales (voir la section 1.6, à la page 32). Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Figure 38 Les tropismes des plantes sont des réactions lentes aux stimuli. Le phototropisme (photo du haut) de la plante est une réaction à la lumière, tout comme la pupille qui se dilate (photos du bas).

Chapitre 2 • La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

55

L’univers vivant 2.1

Nom :

Groupe :

Flash

techno

Date :

Des robots… bientôt « vivants » ?

Un robot est un assemblage de pièces méca­ niques et électroniques commandées par une intelligence articielle. Apparus en 1961, les robots sont de plus en plus autonomes et accomplissent des tâches de plus en plus complexes. Avec le dévelop­ pement de la robotique, certains robots se déplacent, se rechargent et se réparent seuls. Ils interagissent avec leur environnement : ils voient à l’aide de caméras, détectent des mouvements ou des obstacles, etc. Les robots dits « androïdes » ont même une apparence humaine. À leur grand étonnement, les visiteurs de l’Exposition internationale Aïchi qui s’est tenue au Japon en 2005 ont été accueillis par Actroid, un robot ! Mais pour être qualiés de « vivants », les robots devraient aussi pouvoir se reproduire… et être faits de cellules !

Le robot Actroid.

Activités 1

Voici une série d’énoncés concernant les végétaux. À chacun d’eux, indiquez de quelle caractéristique du vivant il s’agit. a) La plante absorbe par ses racines les éléments nutritifs contenus dans l’engrais qu’elle reçoit régulièrement.

b) Les marguerites sont des végétaux pluricellulaires.

c) Une fois la graine de carotte mise en terre, la plante pousse et ses racines pénètrent de plus en plus profondément dans le sol. Si les racines ne sont pas cueillies, des eurs apparaîtront sur la tige au cours de la deuxième année de vie. La carotte a un cycle de vie bisannuel.

d) Pour se développer, le tournesol dirige sa eur vers la lumière.

e) Les parties femelles d’une eur de pommier sont fécondées par les parties mâles d’une autre eur de pommier.

f) Les feuillus perdent leurs feuilles l’automne, alors que la plupart des conifères les conservent toute l’année.

56

L’univers vivant

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2

Groupe :

Date :

Associez chacune des illustrations aux caractéristiques du vivant. Chaque illustration ne peut être utilisée qu’une seule fois.

A.

B.

C.

E.

F.

G.

a) L’organisation en cellules c) Les échanges avec le milieu : l’utilisation de l’énergie e) La croissance, le développement et la réparation

D.

b) Les échanges avec le milieu : la nutrition d) La fonction de reproduction f) La réaction aux stimuli

g) L’adaptation 3

Voici une série d’énoncés qui concernent les animaux. À chaque énoncé, indiquez de quelle caractéristique du vivant il s’agit. Chaque caractéristique ne peut être utilisée qu’une seule fois. a) Le papillon monarque migre au Mexique chaque automne.

b) Les grenouilles sont capables de respirer dans l’eau et à l’air libre.

c) Les abeilles possèdent des cellules spécialisées sur la langue, la cavité buccale et les deux premières paires de pattes.

d) Même si l’ourse est fécondée au début de l’automne, le développement des embryons peut être retardé an que les oursons ne naissent qu’au printemps.

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Chapitre 2 • La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

57

L’univers vivant 2.1

Nom :

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers vivant 2.1

e) Les loups chassent, protègent leurs louveteaux, défendent et explorent leur territoire.

f) Une abeille avertit les autres abeilles d’un danger en émettant des substances odorantes.

g) Élodie mesure trois centimètres de plus que l’an dernier.

4

Complétez la grille de mots à l’aide des dénitions suivantes. Verticalement 1.

Se dit d’un être vivant qui se nourrit en puisant du gaz carbonique dans l’air, de l’eau et des sels minéraux dans le sol.

2.

Ces organes reçoivent les stimuli. Chez les êtres humains, ils comprennent notamment le nez et la langue. On les appelle « organes des… ».

3.

Action qu’un animal doit accomplir pour explorer son territoire, se nourrir, trouver un partenaire en vue de la reproduction, etc.

6.

Stade de développement d’un être vivant : venue au monde.

7.

Type de stimuli captés par les cellules du nez des êtres humains.

10.

Unité de base présente chez tous les êtres vivants.

11.

Fonction servant à procurer de l’énergie aux êtres vivants.

12.

Éléments du milieu qui provoquent une réaction chez les êtres vivants.

15.

Fonction des êtres vivants qui assure la guérison des blessures.

17.

Type de stimuli captés par les papilles gustatives des êtres humains.

18.

Stimuli nous avertissant d’un incendie dans la maison. Horizontalement

58

4.

Réaction lente des plantes à la stimulation par la lumière.

5.

Capacité d’une espèce à s’adapter aux changements survenant dans son environnement.

8.

Gaz absorbé dans la respiration par tous les êtres vivants qui doivent respirer pour vivre.

9.

Fonction consistant à transmettre son matériel génétique à sa descendance.

13.

Action de grandir en parlant des êtres vivants.

14.

Une des réactions possibles aux stimuli.

16.

État où les cellules ne peuvent plus se multiplier.

19.

Une des réactions possibles aux stimuli.

20.

Se dit d’un être vivant qui consomme d’autres êtres vivants pour se nourrir.

21.

Organisme composé d’une seule cellule.

L’univers vivant

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Groupe :

1

2

Date :

L’univers vivant 2.2

Nom :

3

4

5

D

6

7

8

9 10 11

12

13 R 14

E

L

A

A

T

I

O

N

15 16 17 18 19

S

F

20 C

21

Les cellules et leurs constituants visibles au microscope

La cellule est l’unité de base de la vie, c’est-à-dire que tous les êtres vivants sont composés de cellules. Mais toutes les cellules ne sont pas organisées de la même manière. Dans cette section, nous nous pencherons sur les cellules animales et les cellules végétales.

Définition

2.2

La cellule est l’unité de base de tous les êtres vivants ; c’est la plus petite unité de vie.

Les cellules animale et végétale La cellule animale typique ressemble à celle qui est présentée à la gure 39, alors que la cellule végétale typique ressemble à celle de la gure 40 (voir la page suivante). La cellule végétale est reconnaissable à sa forme allongée, à la présence d’une grande vacuole, d’une paroi cellulosique et de sacs – les chloroplastes – contenant des pigments verts. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 2 • La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

59

Groupe :

L’univers vivant 2.2

Nom :

Date :

1. Membrane cellulaire

5

2. Cytoplasme 3. Noyau

4

4

4. Vacuoles

5. Mitochondries

Figure 39

Le schéma d’une cellule animale.

1. Membrane cellulaire 2. Cytoplasme

7. Chloroplastes

3. Noyau 4. Vacuole 5

Figure 41 La cellule nerveuse, nommée « neurone », transmet les messages.

7

5. Mitochondries

6. Paroi cellulosique

Figure 40

Le schéma d’une cellule végétale.

Les fonctions vitales de la cellule Figure 42 Les globules blancs assurent la défense du corps et les globules rouges assurent la circulation des gaz dans le sang.

Il existe plusieurs genres de cellules ; leur forme varie selon leur rôle. Les gures 41 à 43 présentent des exemples de cellules animales. Quel que soit leur rôle dans l’organisme, toutes les cellules accom­ plissent leurs propres fonctions vitales. Ainsi, toutes les cellules utilisent l’oxygène, un gaz qui leur procure l’énergie nécessaire pour fonctionner : c’est la fonction de respiration cellulaire. La fonc­ tion de croissance et de réparation de l’organisme est une autre fonction vitale des cellules.

Les constituants cellulaires Figure 43 Les cellules musculaires consomment beaucoup d’énergie. Elles régissent les mouvements.

60

L’univers vivant

Toutes les cellules vivantes sont entourées d’une membrane très ne : la membrane cellulaire. Les cellules végétales sont entourées en plus d’une membrane rigide nommée « paroi cellulosique ». À l’intérieur de ces membranes se trouvent d’autres constituants : les organites. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers vivant 2.2

Chaque cellule, animale ou végétale, contient des organites. Ce sont des éléments qui permettent à la cellule d’accomplir ses tâches. Le tableau 5 présente les principaux constituants cellulaires (membranes et organites) de même que leurs fonctions. Sous chacun des constituants, une comparaison avec un élément connu est donnée an de mieux faire comprendre son rôle. Tableau 5 Constituants cellulaires

Les constituants cellulaires et leurs fonctions Description et fonctions des constituants présents dans les cellules animales et végétales

Membrane cellulaire (clôture)

• Structure percée de petits trous (pores) qui aide à contrôler l’entrée et la sortie des substances dans la cellule. • Elle entoure la cellule. • Elle retient le cytoplasme et protège les organites.

Cytoplasme (dessert gélatineux)

• Masse gélatineuse, transparente et incolore, plus ou moins liquide et toujours en mouvement. • Il occupe la plus grande partie de la cellule. • Tous les organites de la cellule y baignent. • Sa texture gélatineuse maintient les organites en place. • Il permet la distribution des substances, comme l’oxygène et les éléments nutritifs, à toutes les parties de la cellule.

Noyau (centre des commandes)

• Généralement sphérique et situé au centre de la cellule. • On y trouve l’ADN, porteur des gènes. Les gènes sont responsables de la croissance et de la reproduction de la cellule. • Il dirige et contrôle toutes les activités de la cellule.

Vacuoles (camions à ordures ou entrepôts)

• Elles ont chacune la forme d’un petit sac. • Elles entreposent des déchets avant leur élimination ou des substances que la cellule n’utilise pas immédiatement : nutriments, gras, etc. • La cellule végétale en compte une seule, beaucoup plus grande que les vacuoles de la cellule animale.

Mitochondries (centrale électrique)

• • • •

Paroi cellulosique (palissade, ville fortiée)

• Paroi qui recouvre la membrane cellulaire, plus épaisse que cette dernière et très rigide. • Elle est formée d’une matière très résistante, la cellulose (d’où son nom). • Sa rigidité limite les déplacements et empêche les déformations excessives de la cellule. • Son élasticité permet la croissance de la cellule végétale.

Chloroplastes (tubes de peinture)

• Ils sont situés dans le cytoplasme des cellules végétales. • Ils ont chacun la forme d’une petite bulle. • Ils contiennent un pigment, la chlorophylle, qui donne aux plantes leur couleur verte. (La chlorophylle absorbe la lumière du Soleil et l’utilise pour une réaction chimique, la photosynthèse. Cette réaction permet aux végétaux de fabriquer leur propre nourriture.)

Elles sont entourées de deux membranes. Elles ont la forme de petits grains ovales de taille variable. Elles sont dispersées dans le cytoplasme. Lieu de la respiration cellulaire, qui procure à la cellule l’énergie dont elle a besoin pour fonctionner.

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Chapitre 2 • La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

61

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers vivant 2.2

Les constituants de la cellule visibles au microscope Tous les organes du corps humain (poumons, yeux, peau, etc.) se voient à l’œil nu. Cependant, les cellules qui constituent ces organes sont invisibles à l’œil nu. Pour les observer, il faut utiliser des instruments qui grossissent les objets. Le microscope est un de ces instruments. On distingue deux types de microscope : le microscope optique et le microscope électronique. Dans ce cahier, il sera question seulement du microscope optique, utilisé en classe.

Le microscope optique Le microscope optique utilise la lumière visible pour obtenir une image de cellules vivantes ou mortes. Il grossit les images jusqu’à 1000 fois. Comme le cytoplasme des cellules animales est transparent et incolore, on colore ces dernières pour pouvoir les observer.

Définition

La gure 44 montre des cellules animales et végétales vues au microscope. Dans les cellules animales et végétales, on distingue la membrane cellulaire, le cytoplasme et le noyau. On peut aussi observer des petits granules à l’intérieur du cytoplasme : ils correspondent aux diérents organites. Le grossissement est cependant trop faible pour qu’il soit possible de distinguer ces organites. Dans les cellules végétales, on reconnaît de plus la paroi cellulosique, la vacuole et les chloroplastes.

Membrane cellulaire Noyau Cytoplasme

La membrane cellulaire, le cytoplasme et le noyau forment les constituants des cellules animales et végétales visibles au microscope optique. De plus, dans les cellules végétales, la paroi cellulosique, la vacuole et les chloroplastes sont également visibles au microscope optique.

Vacuole Noyau Paroi cellulosique Membrane cellulaire Cytoplasme Chloroplastes

Figure 44 À gauche, des cellules colorées de la paroi interne de la joue, grossies 1000 fois au microscope optique. À droite, des cellules végétales grossies 100 fois.

62

L’univers vivant

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Groupe :

Date :

Outil Utiliser un microscope optique Le microscope optique permet de grossir des objets trop petits pour être visibles à l’œil nu (voir la gure A).

Comment procéder 1° Transporter toujours le microscope avec deux mains, de façon à le maintenir droit. Tenir fermement la potence avec une main. L’autre main devrait soutenir le pied. 2° Brancher l’appareil et s’assurer que la source lumineuse fonctionne. 3° Examiner la propreté des lentilles en regardant dans l’oculaire. Au besoin, nettoyer les lentilles et la source lumineuse avec du papier à lentille. 4° À l’aide de la vis macrométrique, abaisser complètement la platine. 5° Placer la lame sur la platine et la xer sous les valets. 6° Vérier l’ouverture du diaphragme et l’ajuster si nécessaire. 7° À l’aide de la tourelle porte-objectifs, mettre en place le plus petit objectif pour commencer. 8° Remonter très lentement la platine à l’aide de la vis macrométrique. Il ne doit pas y avoir de contact entre l’objectif et la lame.

9° Abaisser ensuite la platine jusqu’à l’obtention de l’image la plus nette possible (elle sera toujours légèrement brouillée). 10° Ne plus toucher à la vis macrométrique. 11° Tourner la vis micrométrique pour obtenir une image plus nette. 12° Centrer l’objet observé à l’aide du chariot mobile avant de passer au prochain objectif. 13° Dessiner l’image qui apparaît dans l’oculaire. 14° Pour augmenter le grossissement, passer à l’objectif suivant. Faire ensuite la mise au point à l’aide de la vis micrométrique. 15° Une fois le travail terminé, abaisser la platine et replacer l’objectif au grossissement le plus faible. Il faut aussi retirer la lame. 16° Débrancher le microscope en tirant sur la che et non sur le cordon. 17° Avant de ranger le microscope, nettoyer le matériel (lentilles, objectif, lame, etc.).

Pointeur Oculaire

Corps

Potence

Tourelle porte-objectifs

Chariot mobile

Objectifs Valets

Vis macrométrique

Platine

Condenseur (comprend le diaphragme) Vis micrométrique

Source lumineuse

Pied

Figure A Les composantes du microscope optique.

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Chapitre 2 • La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

63

L’univers vivant 2.2

Nom :

L’univers vivant 2.2

Nom :

Groupe :

Date :

Activités 1

La cellule est l’unité de base de la vie. Que signie cette afrmation ?

2

Indiquez deux fonctions vitales accomplies par les cellules.

3

Que sont les organites ?

4

Par rapport aux structures qui enveloppent les cellules, quelle est la principale différence entre les cellules animales et les cellules végétales ?

5

Identiez chacune des cellules et indiquez dans la légende le nom de chaque constituant. B

B

D

C

C

D

A

G E E A

F

La cellule

La cellule

Légende

Légende

A

D

A

D

B

E Mitochondries

B

E Mitochondries

C

F

C

G

64

L’univers vivant

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Nom :

Date :

Faites correspondre chacun des constituants à la fonction appropriée. • Chloroplastes

• Mitochondries

• Cytoplasme

• Noyau

• Membrane cellulaire

• Paroi cellulosique

Fonctions

L’univers vivant 2.2

6

Groupe :

• Vacuoles

Constituants

a) Absorption de l’énergie lumineuse b) Contrôle, direction c) Entreposage d) Maintien et distribution e) Production d’énergie f) Protection et échanges g) Structure 7

Faites correspondre chacun des constituants à la fonction appropriée. • Chloroplastes

• Mitochondries

• Cytoplasme

• Noyau

• Membrane cellulaire

• Paroi cellulosique

• Vacuoles

a) Contrôler les entrées et sorties des substances dans la cellule.

b) Maintenir les organites en place et assurer le transport des substances.

c) Porter les gènes et contrôler toutes les activités cellulaires.

d) Entreposer les nutriments, l’eau et les déchets.

e) Procurer de l’énergie utilisable par les cellules.

f) Donner une plus grande rigidité à la cellule.

g) Absorber la lumière au cours de la réaction de photosynthèse.

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Chapitre 2 • La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

65

L’univers vivant 2.2

Nom :

8

Groupe :

Placez les constituants suivants dans le diagramme ci-dessous. Inscrivez à gauche les constituants qui sont présents seulement dans la cellule végétale, à droite ceux qui sont présents seulement dans la cellule animale et au centre ceux qui le sont dans les deux types de cellules. • Chloroplastes

• Membrane cellulaire

• Paroi cellulosique

• Cytoplasme

• Mitochondries

• Petites vacuoles

• Grande vacuole d’eau

• Noyau

La cellule végétale

9

Date :

La cellule animale

Pour chacune des caractéristiques suivantes, indiquez si elle est présente dans la cellule animale, dans la cellule végétale ou dans les deux types de cellules. Caractéristiques

Cellule animale

Cellule végétale

Forme rectangulaire Forme arrondie Présence de cellulose dans la paroi Présence de chlorophylle Grande vacuole Présence d’un noyau et d’organites Présence d’une membrane cellulaire permettant les échanges 10

a) Pourquoi avons-nous besoin d’un microscope pour observer les cellules ?

b) Quelle technique facilite les observations au microscope optique ?

66

L’univers vivant

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11

Groupe :

Date :

a) Quels constituants de la cellule animale sont observables au microscope optique ?

b) Quels constituants de la cellule végétale sont observables au microscope optique ?

12 Sur les images suivantes représentant des cellules, indiquez les noms des constituants qui sont pointés.

a) Des cellules d’oignon grossies 400 fois.

b) Des cellules buccales humaines grossies 1000 fois.

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Chapitre 2 • La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

67

L’univers vivant 2.2

Nom :

L’univers vivant 2.3

Nom :

Groupe :

Pour faire

Date :

le

point

1

Quelle est la différence entre les organismes unicellulaires et les organismes pluricellulaires ?

2

Reliez chaque dénition au terme approprié. a) Élément qui permet les échanges entre la cellule et son milieu.

1) Cellule nerveuse

b) Éléments responsables de la respiration cellulaire qui procurent de l’énergie aux cellules.

2) Chloroplastes

c) Élément qui détient toutes les informations et contrôle toutes les activités de la cellule.

3) Membrane cellulaire

d) Type de cellule qui permet aux êtres vivants de réagir aux stimulations et de transmettre un message.

4) Mitochondries

e) Organite qui emmagasine entre autres des substances procurant de l’énergie à la cellule.

5) Noyau

f) Organites qui permettent aux végétaux de se nourrir.

6) Vacuole

2.3

La reproduction asexuée et la reproduction sexuée

La reproduction est une des caractéristiques partagées par tous les êtres vivants. C’est une activité fondamentale qui permet aux espèces de se perpétuer. Il y a deux grands modes de reproduction : la reproduction asexuée et la reproduction sexuée.

La reproduction asexuée

Figure 45 Comme toutes les bactéries, la bactérie Escherichia coli se reproduit de manière asexuée.

68

L’univers vivant

La reproduction asexuée ne nécessite pas de structures mâles et femelles. L’individu se reproduit seul et donne naissance à des descendants identiques à lui-même (des « clones »). C’est le cas de toutes les bactéries (voir la gure 45) et de la majorité des protistes. Cependant, des erreurs peuvent survenir lors de la copie du matériel génétique et entraîner de légères diérences entre les descendants et leur parent. Après un certain nombre de générations, ces erreurs amènent l’évolution de l’espèce concernée. Elles aboutissent à une modication de l’espèce. Par la suite, l’accumulation des modications produit une nouvelle espèce. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

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La reproduction sexuée consiste dans la rencontre des gamètes, c’est-à-dire des cellules sexuelles (voir la gure 46). Par exemple, chez les animaux, les gamètes sont les spermatozoïdes et les ovules. Les descendants issus de la reproduction sexuée sont porteurs de la moitié du matériel génétique de chacun de leurs parents. Ce brassage génétique ainsi que les erreurs de copie sont responsables de l’évolution des espèces qui se reproduisent de manière sexuée.

L’univers vivant 2.3

La reproduction sexuée

Glandes génitales

Définition

La reproduction sexuée exige des structures mâle et femelle, mais elle n’implique pas nécessairement la participation de deux individus diérents ni leur accouplement. Ainsi, de nombreuses espèces marines, comme les oursins, libèrent leurs gamètes directement dans l’eau. Par ailleurs, certaines plantes qui possèdent les deux sexes sont capables de se reproduire en se fécondant elles-mêmes.

La reproduction est une activité fondamentale commune à tous les êtres vivants, elle consiste à produire un ou plusieurs autres êtres vivants de façon sexuée ou asexuée. La reproduction asexuée fait intervenir un seul individu qui produit une copie de lui-même. La reproduction sexuée implique l’union de cellules reproductrices mâle et femelle.

Comparaison des deux modes de reproduction La reproduction sexuée est le mode de reproduction le plus répandu sur la Terre. C’est donc dire qu’elle a un avantage adaptatif, en d’autres termes, elle favorise l’adaptation des espèces. Cependant, une multitude d’organismes se reproduisent de manière asexuée ; c’est le cas, par exemple, des bactéries ainsi que de nombreuses espèces de plantes. Par ailleurs, de nombreux êtres vivants peuvent pratiquer les deux modes de reproduction au cours de leur vie. C’est le cas des abeilles, des vers de terre et des pucerons. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Figure 46 Les glandes génitales de la méduse produisent des gamètes mâles ou femelles selon le sexe de l’animal.

Flash

info

Le cycle de vie des pucerons

Les pucerons sont des insectes qui sucent la sève des plantes pour se nourrir. Ceux qui vivent dans les pays nordiques ont un cycle de vie bien particulier, qui combine la reproduction sexuée et la reproduction asexuée. Les pucerons passent l’hiver sous forme d’œufs qui résistent au froid. Au printemps, des femelles sortent des œufs et se reproduisent de manière asexuée ; elles produisent jusqu’à 10 pucerons par jour, et de 40 à 100 pucerons au total. Pendant tout l’été, de nombreuses générations de pucerons voient le jour par reproduction asexuée. Les dommages qu’ils causent aux plantes peuvent être considérables. Lorsque les femelles pucerons commencent à sentir le froid, elles donnent naissance à des descendants sexués. Les femelles s’accouplent à des mâles. À l’automne, les femelles fertilisées pondent entre un et quatre œufs qui résisteront à l’hiver… et le cycle recommence.

Chapitre 2 • La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

69

L’univers vivant 2.3

Nom :

Groupe :

Date :

Activités 1

Dénissez ce qu’est la reproduction.

2

Répondez aux questions suivantes. a) Quels sont les deux modes de reproduction des êtres vivants ?

b) Quelle est la principale différence entre les deux modes de reproduction ?

c) Qu’est-ce qui différencie les descendants issus de la reproduction sexuée de ceux qui sont issus de la reproduction asexuée ?

d) Pourquoi dit-on que les descendants issus de la reproduction asexuée sont des clones ?

3

Comment appelle-t-on les cellules sexuelles ?

4

Quels processus liés à la reproduction sont responsables de l’évolution des espèces ?

70

L’univers vivant

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2.4

Groupe :

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L’univers vivant 2.4

Nom :

Les modes de reproduction chez les végétaux

Tous les végétaux se reproduisent de manière sexuée par l’union de gamètes mâle et femelle. Les conifères se reproduisent au moyen des cônes, les mousses et les fougères au moyen des spores, et les plantes à eurs au moyen des eurs. La plupart des végétaux se reproduisent aussi de manière asexuée. Ce mode de reproduction repose sur la mise en place d’organes spécialisés et la fragmentation de l’organisme.

La reproduction sexuée chez les plantes à eurs Les plantes à eurs constituent la majorité des espèces végétales. On en compte près de 300 000 espèces sur la Terre. Ce sont les seules plantes qui produisent des eurs et des fruits. La gure 47 illustre le cycle de vie de ces végétaux.

3. Croissance

4. Floraison, pollinisation et fécondation

Le cycle de vie du pommier

2. Germination

5 . Fructication

1. Libération et dispersion des graines Figure 47

Le cycle de vie des plantes à eurs : l’exemple du pommier.

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Chapitre 2 • La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

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1. La libération et la dispersion des graines Le fruit entoure et protège les graines. Lorsque le fruit tombe, se brise ou est mangé, les graines sont libérées, puis dispersées. Les principaux agents de dispersion des graines sont les animaux, les êtres humains, l’eau, le vent et la plante elle-même (voir la gure 48).

2. La germination

Figure 48 Lorsqu’il se détache de la plante, le fruit du concombre d’âne éclate et libère ses graines.

Chaque graine contient un embryon et des réserves nutritives, enveloppés par un ou plusieurs téguments (voir la gure 49, en haut). Si la graine tombe sur un sol susamment humide et d’une température adéquate, l’embryon se développe : c’est la germination.

3. La croissance Au cours de la croissance, l’embryon utilise les réserves nutritives de la graine contenues dans le ou les cotylédons. Grâce à ces réserves, l’embryon devient une plantule autonome, une jeune plante capable de se nourrir à l’aide de ses racines et de ses feuilles (voir la gure 49, en bas).

Gemmule (future feuille)

Embryon (future plante) Cotylédons (réserves de nourriture pour l’embryon)

Tigelle (future tige)

Tégument (enveloppe) Radicule (future racine)

Figure 49 Une graine en germination vue de l’intérieur (en haut) et la croissance de la jeune plante (en bas).

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4. La oraison, la pollinisation et la fécondation La oraison consiste dans la formation et l’épanouissement des eurs. Les eurs contiennent les organes reproducteurs néces­ saires à la production de graines. La gure 50 présente l’anatomie d’une eur de pommier.

Étamine

Stigmate Style Ovaire Ovules

Anthère (grains de pollen)

Pistil

Filet Pétale Sépale Pédoncule

Figure 50

L’anatomie de la eur de pommier.

Dans ce type de eurs, les étamines et le pistil sont les deux structures fertiles de la eur. Ils produisent les gamètes mâles et femelles. L’anthère constitue l’extrémité de l’étamine. Soutenue par le filet, l’anthère renferme les grains de pollen, qui sont les gamètes mâles (voir la gure 51). L’ovaire, contenant les ovules (gamètes femelles), occupe la partie inférieure du pistil. Pour qu’il y ait production de graines, les grains de pollen doivent d’abord atteindre le stigmate du pistil. Le transport des grains de pollen de l’étamine vers le pistil se nomme la « pollinisation ».

Figure 51 Vue au microscope électronique de quelques grains de pollen d’un compagnon rouge (Silene dioica), une eur des champs.

Les principaux agents de pollinisation sont le vent et les insectes. Pour attirer les insectes, la plupart des eurs ont des formes attrayantes, des couleurs éclatantes, de fortes odeurs. De plus, elles produisent du nectar, un liquide sucré. Les insectes butinent le nectar des eurs. En allant d’une eur à l’autre, ils assurent la pollinisation de la eur (voir la gure 52). Figure 52 Une abeille en train de polliniser un tournesol. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

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Lorsque le grain de pollen se trouve sur le stigmate du pistil, il se forme un tube qui s’enfonce et qui permet aux gamètes mâles de se rendre jusqu’aux ovules. Dans l’ovaire, l’union d’un gamète mâle et d’un gamète femelle se nomme la « fécondation ». Chaque ovule fécondé formera une graine.

5. La fructication La fructication constitue le processus de formation du fruit. Au cours de ce processus, l’ovaire se développe autour de l’embryon devenu graine et devient une substance nutritive : le fruit. La gure 53 compare l’anatomie de la eur et celle du fruit, ce qui permet de voir le passage de l’une à l’autre. Style Style et étamines étris Étamine Graines (pépins) Ovules Ovaire Pédoncule

Pédoncule (queue)

Fleur Figure 53

Pomme Comparaison de l’anatomie de la eur et de celle de la pomme.

L’examen de cette gure permet de faire les constatations suivantes : l’ovule fécondé devient la graine du fruit. Les étamines, le style et les sépales sèchent et donnent une des extrémités de la pomme. L’ovaire, qui a grossi, forme la chair de la pomme, et l’enveloppe de l’ovaire forme sa peau. Le pédoncule de la eur devient le pédoncule (ou queue) de la pomme. Les graines contenues dans les fruits seront à la n dispersées… et le cycle recommencera.

La reproduction asexuée chez les végétaux Tous les végétaux se reproduisent de manière sexuée, et la plupart se reproduisent aussi de manière asexuée. Dans ce dernier mode de reproduction, une partie de la plante mère donne naissance à une plante identique, c’est-à-dire à un clone. Ce mode de reproduction repose sur la mise en place d’organes spécialisés ou la fragmentation de l’organisme.

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La formation d’organes spécialisés Les végétaux qui se reproduisent de manière asexuée par le moyen d’organes spécialisés se multiplient pour donner des massifs de plantes. Voici quelques exemples (voir les gures 54 à 56).

Figure 54 La menthe se reproduit de manière asexuée par ses rhizomes, des tiges souterraines qui appartiennent à la plante mère. Les rhizomes forment des tiges qui sortent de terre et qui deviennent des plantes autonomes.

Flash

info

Figure 55 Le chlorophytum comosum est une plante d’intérieur qui se reproduit de manière asexuée par des stolons. Ces derniers sont des tiges aériennes appartenant à la plante mère et au bout desquelles se développent des plants lles. Lorsque ces plants lles se retrouvent en terre, ils deviennent des plantes autonomes et les stolons sèchent.

Figure 56 Les plantes de la famille des ronces, comme le framboisier, se reproduisent de manière asexuée par leurs branches. Dès qu’une branche touche le sol, des racines se développent au point de contact, puis une tige apparaît. Il y a alors formation d’un nouveau pied.

Fruit ou légume ?

Dans le langage courant, on distingue les fruits et les légumes en se fondant sur le goût sucré ou salé. Le fruit est sucré, il se mange surtout en dessert ou en collation. Les légumes, eux, se consomment habituellement salés. Mais dans le vocabulaire scientifique, les termes « fruit » et « légume » ne signient pas la même chose que dans le vocabulaire courant. Pour les spécialistes du monde végétal, le fruit est l’organe qui contient les graines. Il résulte de la transformation de l’ovaire de la eur après la fécondation. Par exemple, les pommes, les tomates, les courges, les poires sont des fruits. Les spécialistes appellent « légume » ou « gousse » le fruit sec de certaines plantes. Cette gousse s’ouvre à maturité pour libérer ses graines. Les légumineuses, les fèves, les haricots et les pois sont donc, d’un point de vue botanique, des légumes.

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La fragmentation de l’organisme Le marcottage et le bouturage sont des modes de reproduction asexués naturels au cours desquels des fragments de la plante se détachent de l’individu mère pour former un individu autonome. Dans le marcottage, ce sont des fragments (tige, feuilles, racines) qui se détachent. Dans le bouturage, c’est un rameau qui se dé­ tache et s’enracine. On utilise la reproduction asexuée de manière articielle pour obtenir de nouvelles plantes, identiques aux plantes mères. Cela permet de sélectionner des plantes qui possèdent des caractères particuliers (voir les gures 57 et 58).

Figure 57 Le bouturage consiste à reproduire une plante en mettant une de ses parties (tige, racines, etc.) dans la terre ou dans l’eau. Des racines se forment, puis un nouvel individu se développe.

Flash

info

La cellulose

La cellulose est un sucre fabriqué par les cellules végétales. Elle est en fait le constituant principal des végétaux. Lorsque les végétaux brûlent, la cellulose joue un rôle important dans la production d’énergie. Elle est aussi une matière première qui sert à la fabrication de produits comme la pâte de papier, la cellophane, les explosifs, etc. Elle est le constituant essentiel de certains tissus synthétiques (rayonne, acétate de cellulose, etc.). La cellulose, présente dans les bres alimentaires, n’est pas digérée par l’être humain mais est indis­ pensable au fonctionnement de l’intestin.

76

L’univers vivant

Figure 58 Le marcottage consiste à enterrer dans la terre humide une petite branche encore attachée à la plante mère. Des racines se déve­ loppent au point de contact, puis une tige. On sépare alors cette nouvelle plante de sa tige mère et on obtient ainsi un nouvel individu identique à la plante mère.

De la cellulose vue au microscope (grossie 140 fois).

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Activités 1

Quelles sont les cinq étapes du cycle de vie d’une plante à eurs ?

2

Quels sont les principaux agents de dispersion des graines ?

3

Associez le terme approprié à chacune des dénitions. • Fécondation

• Fructication

• Floraison

• Germination

a) Développement de l’embryon dans la graine. L’embryon passe alors d’une vie ralentie à une vie active.

c) Transport des grains de pollen des étamines vers le pistil.

• Pollinisation

b) Processus biologique qui assure la formation et l’épanouissement des eurs.

d) Union des gamètes mâle et femelle dans l’ovaire de la eur.

e) Processus de développement du fruit.

4

Voici un schéma de la graine en germination. Complétez-le en écrivant chacun des noms de la liste à l’endroit qui convient.

• Gemmule

• Tégument

• Tigelle

• Cotylédons

• Radicule

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L’univers vivant 2.4

Nom :

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Date :

5

Où l’embryon puise-t-il sa nourriture pour se développer ?

6

À quel moment la jeune plante peut-elle être considérée comme autonome ?

7

Qu’est-ce qui attire les insectes vers les eurs ?

8

Comparez l’anatomie de la eur et de la pomme en plaçant dans le schéma suivant les noms appropriés.

Fleur

9

Pomme

Indiquez si chacun des énoncés est vrai ou faux. Pour chaque énoncé que vous avez jugé faux, justiez votre réponse. Énoncés

Vrai

Faux

a) Tous les végétaux se perpétuent uniquement par reproduction asexuée. b) On recourt au bouturage et au marcottage pour effectuer de façon articielle la reproduction asexuée des végétaux. c) La majorité des végétaux terrestres sont des plantes à eurs. d) Les fruits et les eurs sont généralement issus de la reproduction sexuée des plantes à eurs. e) Une fois libérées, toutes les graines germent. f) Les eurs contiennent les organes de reproduction des plantes à eurs. g) Seules les graines qui germent comportent un embryon.

78

L’univers vivant

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Nom :

Groupe :

Date :

10

L’univers vivant 2.4

Justications (indiquez la lettre de l’énoncé) :

a) En quoi consiste la reproduction asexuée des plantes ?

b) Qu’est-ce que la reproduction asexuée effectuée de manière articielle permet de faire ?

11

Décrivez en quoi consistent le bouturage et le marcottage. Bouturage :

Marcottage :

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Chapitre 2 • La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

79

L’univers vivant 2.4

Nom :

12

Groupe :

Date :

Pour chaque énoncé, inscrivez le nom approprié dans les cases. Un exemple vous est donné en a. La suite des lettres contenues dans les cases grises forme une expression constituée de deux mots. a) Structure de l’embryon qui formera les racines.

R

A

D

I

C

U

L

E

b) Parties mâles de la plante servant à la reproduction sexuée. c) Gamètes mâles de la plante. d) Mode de reproduction d’une plante consistant à détacher et à placer une de ses parties dans la terre ou dans l’eau. e) Structure située dans la partie inférieure du pistil. f) Réserves de nourriture de la graine. g) Structure de l’embryon qui formera la feuille. h) Principaux agents de pollinisation des eurs. i) Partie femelle de la plante servant à la reproduction sexuée. j) Structure de l’embryon qui formera la tige. k) Tiges souterraines. l) Enveloppe de la graine. m) Tiges aériennes. n) Mode de reproduction asexuée qui consiste à enterrer une petite branche encore attachée à la plante mère. o) Mode de reproduction pratiqué par toutes les plantes. p) Gamètes femelles de la plante. q) Parties colorées de la plante qui attirent les insectes. r) Organes reproducteurs des conifères. Quelle expression est formée par la suite des lettres qui se trouvent dans les cases grises ?

80

L’univers vivant

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2.5

Groupe :

Date :

L’univers vivant 2.5

Nom :

Les modes de reproduction chez les animaux

Comme les végétaux, les animaux se reproduisent de manière asexuée ou sexuée. La reproduction sexuée est plus répandue que la reproduction asexuée dans le monde animal. Elle est cependant plus complexe que celle-ci et elle nécessite des structures spécialisées.

La reproduction asexuée Quelques animaux simples se reproduisent de manière asexuée. Dans le mode de reproduction asexuée, le mâle ou (le plus souvent) la femelle se reproduit généralement seul, sans recourir à des gamètes (voir la gure 59). Il en résulte des clones, c’est-à-dire des êtres identiques au premier.

Figure 59 Les ovules de la plupart des phasmes peuvent se développer sans avoir été fécondés au préalable.

La reproduction sexuée La reproduction sexuée fait intervenir des processus beaucoup plus complexes que ceux de la reproduction asexuée. Il est nécessaire, pour qu’il y ait reproduction, que les gamètes mâles et femelles des deux animaux soient parvenus à maturité en même temps et qu’ils se rencontrent. De plus, pour de nombreuses espèces, il doit d’abord y avoir attirance et accouplement. La période de reproduction des individus dépend de facteurs tels que la température, l’environnement, la durée du jour, etc. La nature a à sa disposition mille et une ressources pour assurer la reproduction des espèces. Quelles que soient ces ressources, un certain nombre d’étapes, présentées à la gure 60, sont communes à toutes les espèces qui se reproduisent de manière sexuée. Figure 60 La rencontre d’un spermatozoïde et d’un ovule constitue la fécondation (en haut, à gauche). Elle produit une première cellule nommée « œuf » ou « zygote » (en haut, à droite). Cette cellule se développe et devient un embryon (en bas). Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 2 • La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

81

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers vivant 2.5

L’accouplement Chez de nombreuses espèces, l’accouplement est nécessaire à la fécondation. L’accouplement est la rencontre physique entre le mâle et la femelle au cours de laquelle les gamètes de l’un et de l’autre fusionnent. L’accouplement est toujours présent chez les espèces qui se reproduisent par fécondation interne, mais il est plutôt rare chez les espèces qui se reproduisent par fécondation externe (voir plus bas).

La fécondation La fécondation est la rencontre de deux gamètes, c’est-à-dire d’un spermatozoïde et d’un ovule. Elle permet de former une cellule que l’on nomme « œuf » ou « zygote ». Cet œuf se développera et formera un nouvel individu. À l’étape de la fécondation, le rôle du mâle et de la femelle consiste à fournir les gamètes nécessaires à la formation d’une cellule : les mâles libèrent des spermatozoïdes qui iront pénétrer dans les ovules et les féconder. Les femelles produisent des ovules. On distingue la fécondation interne et la fécondation externe. La fécondation externe Dans la fécondation externe, les gamètes s’unissent à l’extérieur du corps de la femelle. Les femelles libèrent leurs œufs dans un milieu humide et les mâles les fécondent en libérant leurs spermatozoïdes (voir la gure 61). Ce mode de fécondation s’observe entre autres chez les poissons, les amphibiens et les insectes.

Figure 61 L’oursin mâle libère des millions de spermatozoïdes dans l’eau de mer. Ils vont joindre et féconder les millions d’ovules que les femelles ont libérés dans les courants marins.

Pour que cette fécondation ait lieu, le mâle et la femelle n’ont pas besoin de se rencontrer. Étant donné le très haut taux de mortalité des œufs, des embryons et des petits, les femelles pondent souvent des centaines, voire des milliers d’œufs. La reproduction des espèces à fécondation externe se trouve ainsi assurée. La fécondation interne

Figure 62 Les dauphins ont recours à la fécondation interne, ce qui implique un accouplement.

82

L’univers vivant

Dans la fécondation interne, les gamètes s’unissent à l’intérieur du corps de la femelle. La fécondation interne implique un accouplement. Le mâle peut, par exemple, déposer ses spermatozoïdes dans le corps de la femelle (voir la gure 62). Ce mode de fécondation s’observe chez la majorité des espèces évoluées. Par exemple, les oiseaux, les mammifères et presque tous les reptiles se reproduisent de cette manière. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

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L’univers vivant 2.5

Le développement de l’embryon et le soin des œufs ou des petits Selon le lieu de développement de l’embryon, on classe les animaux en trois groupes : ovipares, vivipares, ovovivipares. Les animaux ovipares Les oiseaux, les amphibiens et la plupart des reptiles pondent des œufs. On dit qu’ils sont « ovipares ». Les œufs de ces animaux renferment tous les éléments nécessaires à la croissance des embryons. Une fois son développement terminé, le jeune animal sort de l’œuf complètement formé. Chez les grenouilles, la plupart des insectes et des poissons, les parents quittent leurs œufs ; ceux-ci se développent alors seuls (voir la gure 63).

Figure 63 La femelle du papillon monarque peut pondre de 30 à 50 œufs qu’elle abandonne sous les feuilles de l’asclépiade.

Chez un certain nombre d’animaux ovipares, le mâle se contente de féconder ; ce sont les femelles qui s’occupent des œufs et des petits. Il existe toutefois des exceptions (voir les gures 64 et 65).

Flash

info

Des espèces à… plusieurs sexes !

Chez tous les animaux et tous les végétaux, il n’existe que deux sexes : le sexe mâle et le sexe femelle. Cependant, un certain nombre d’êtres vivants sont plus complexes sur le plan sexuel. Ainsi, chez plusieurs espèces de paramécies (lesquelles font partie du règne des protistes), il existe au moins huit types sexuels. Chacun de ces types ne peut se conjuguer qu’avec un individu d’un type complémentaire. Fait encore plus spectaculaire, les scientiques ont décelé 20 000 sexes différents chez le champignon Schizophyllum commune.

Le champignon Schizophyllum commune.

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Figure 64 Chez les bécasseaux, le mâle et la femelle demeurent ensemble, et c’est le mâle qui assure presque seul la couvaison des œufs. Après la naissance, la femelle abandonne ses petits. Le mâle attend pour quitter le nid que les petits aient pris leur envol.

Figure 65 L’hippocampe mâle porte dans une poche ventrale les 100 à 200 œufs fécondés. Il ne libérera les petits que lorsqu’ils seront capables de vivre seuls. Chapitre 2 • La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

83

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L’univers vivant 2.5

Les animaux vivipares L’embryon des animaux vivipares se développe à l’intérieur du corps de la femelle. Il y trouve tout ce dont il a besoin pour se former complètement. Presque tous les mammifères se dévelop­ pent de cette manière. Il y a quelques excep­ tions ; par exemple, les marsupiaux comme le kangourou achèvent leur développement dans une poche ventrale. Les animaux ovovivipares

Figure 66

Le boa constrictor est ovovivipare.

L’embryon des animaux ovovivipares (voir la gure 66), tout comme celui des ovipares, se développe complètement dans un œuf qui contient tout ce qui est nécessaire à sa crois­ sance. Cet œuf demeure dans le corps de la femelle ; même l’éclosion a lieu à l’intérieur du corps.

Activités 1

Dans le monde animal, quel mode de reproduction est le plus répandu ?

2

Qu’est-ce qu’on entend par reproduction asexuée ? Qu’est-ce qui en résulte ?

3

Donnez deux conditions essentielles pour que la reproduction sexuée ait lieu.

4

Dénissez les termes suivants liés à la reproduction sexuée. Accouplement :

Fécondation :

84

L’univers vivant

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5

Laquelle des deux étapes suivantes les espèces qui se reproduisent de manière sexuée doivent-elles absolument franchir : l’accouplement ou la fécondation ?

6

a) Quelle est la différence entre la fécondation interne et la fécondation externe ?

b) Dans quel type de fécondation l’accouplement est-il absolument nécessaire ?

7

Quel est le rôle des mâles et des femelles au cours des étapes suivantes de la reproduction sexuée ? Fécondation :

Soin des œufs ou des petits :

8

Voici des situations observées dans le monde animal. Pour chacune d’elles, indiquez si l’on a affaire à une fécondation interne ou à une fécondation externe. Situations

Interne

Externe

a) Les tortues possèdent un cloaque. C’est un orice qui permet d’expulser le sperme, les œufs, l’urine et les excréments. Les tortues mâle et femelle unissent leurs cloaques au cours de l’accouplement. Le sperme passe du cloaque du mâle à celui de la femelle. b) Le saumon femelle creuse le gravier de la rivière et y dépose ses œufs. Le mâle jette aussitôt son sperme sur eux. Les œufs passeront l’hiver dans le gravier et écloront au printemps.

c) Le coq s’accouple avec la poule. Les spermatozoïdes contenus dans le sperme qu’il a émis féconderont les ovules de la poule. Celle-ci pond ensuite un œuf fécondé.

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Chapitre 2 • La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

85

L’univers vivant 2.5

Nom :

L’univers vivant 2.5

Nom :

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Groupe :

Date :

a) Quels sont les trois modes de développement des animaux qui se reproduisent de manière sexuée ?

b) Associez les caractéristiques suivantes à un mode de développement. Il peut y avoir plus d’une réponse possible. • Les animaux produisent des œufs.

• Les embryons dépendent de la femelle pour se nourrir.

• Les jeunes naissent complètement formés.

• L’embryon se développe à l’intérieur du corps de la femelle.

10

Voici les étapes du cycle de vie du ténébrion meunier, aussi appelé « ver à farine ». Placez ces étapes dans le bon ordre.

11

Pourquoi les femelles qui se reproduisent par fécondation externe pondent-elles souvent des milliers d’œufs au cours de la période de reproduction ?

86

L’univers vivant

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Groupe :

Pour faire 1

Date :

le

point

Reliez chaque élément du monde animal à l’élément correspondant du monde végétal. Monde animal

Monde végétal

a) Embryon

1) Fécondation

b) Accouplement

2) Graine

c) Fécondation

3) Pollinisation

2

L’univers vivant

Nom :

Indiquez si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Pour chaque énoncé que vous avez jugé faux, justiez votre réponse. Énoncés

Vrai

Faux

a) Il doit y avoir accouplement pour que la reproduction sexuée ait lieu. b) Bien qu’elle nécessite des gamètes mâle et femelle, la reproduction sexuée n’exige pas toujours la participation de deux individus. c) En raison de ses avantages, la reproduction asexuée est la plus répandue. d) Il existe des êtres vivants capables de se reproduire à la fois par reproduction asexuée et par reproduction sexuée. e) Seuls les organismes les moins développés se reproduisent de manière asexuée. f) La reproduction asexuée est plus rapide que la reproduction sexuée. Justications (indiquez la lettre de l’énoncé) :

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Chapitre 2 • La perpétuation des espèces pour le maintien de la vie

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L’univers vivant

Nom :

3

Groupe :

Date :

Pour chacune des situations suivantes, indiquez si on a affaire à une reproduction asexuée ou à une reproduction sexuée. Situations

Reproduction asexuée

Reproduction sexuée

a) Le pollen contenu sur la partie mâle d’une eur est déposé par une abeille sur le pistil (partie femelle) d’une autre eur.

b) Un petit bourgeon apparaît sur l’hydre (petit animal aqua­ tique) ; il se nourrit, grandit puis se sépare pour se développer seul.

c) Pando est un arbre vieux de 80 000 ans. Au l des ans, il a engendré à lui seul une forêt qui est en fait une colonie de 47 000 clones liés par leurs racines. d) La mante religieuse femelle s’accouple avec le mâle et tente ensuite par tous les moyens de le dévorer.

e) Les vers de terre sont herma­ phrodites (ils portent les deux sexes). Cependant, ils doivent unir leur partie mâle à la partie femelle d’un autre individu pour se reproduire. f) Le dragon de Komodo est un reptile. La femelle est capable de pondre des œufs viables en l’absence de mâle.

88

L’univers vivant

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L’univers matériel

Notre planète est un monde d’une grande diversité. On y trouve des paysages majestueux, d’immenses montagnes, des océans à perte de vue. La Terre regorge de ressources naturelles que l’être humain transforme selon ses besoins. Une multitude d’êtres vivants peuple ses continents et ses mers. Mais l’Univers ne s’arrête pas là. En quittant la Terre, on trouve d’autres planètes, des milliards d’étoiles et de galaxies qui abritent des mondes encore inconnus des humains. Que ce soit sur la Terre ou dans les galaxies éloignées, tout est formé de matière. Dans la partie « L’univers matériel », vous en apprendrez davantage au sujet de la matière et vous découvrirez ses différentes propriétés.

89

L’univers matériel Chapitre 3

Chapitre 4

La matière                            91

Les propriétés caractéristiques de la matière                       127

3.1 La matière et ses trois états. . . . . . . . . . . . . . . 92

4.1 Les propriétés caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . 128

3.2 La masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

4.2 Une propriété caractéristique : l’acidité et la basicité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

Outil Mesurer

la masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 3.3 Le volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Outil Utiliser un cylindre gradué . . . . . . . . . . . . . . . . 112

3.4 La température . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Pour faire le point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

90

Chapitre 3 La matière L’Univers dans lequel nous vivons est constitué de matière. L’eau, l’air, la terre et les étoiles sont composés de matière. Les objets qui nous entourent, ainsi que les êtres vivants, comme les arbres et les animaux, sont aussi constitués de matière. En fait, tout ce qui possède une masse et occupe un volume est formé de matière. Dans ce chapitre, vous étudierez la matière et les différents états qu’elle peut prendre. Vous découvrirez aussi trois de ses propriétés : la masse, le volume et la température.

91

Nom :

Groupe :

L’univers matériel 3.1

3.1

Date :

La matière et ses trois états

Avant d’aborder les diérents états de la matière, interrogeonsnous d’abord sur ce qu’elle est.

Qu’est-ce que la matière ? Prenons une vache en guise d’exemple. Une vache est constituée d’un squelette, de différents organes, de muscles, etc. Toutes ces choses sont constituées de matière. À quoi reconnaît-on la matière ? La matière occupe un volume et possède une masse. Ainsi, la vache occupe un espace d’environ 2 m3. Cet espace correspond au volume de la vache. La vache est aussi très lourde. En la plaçant sur une balance, on constate qu’elle a une masse de 700 kg. La vache est donc composée de matière. Même un objet trop petit pour être vu à l’œil nu est formé de matière. Par exemple, une particule de vapeur d’eau occupe un minuscule volume et a une toute petite masse. Bref, tout ce qui nous entoure est composé de matière (voir la gure 1). La matière qui constitue les êtres vivants et tous les objets de l’Univers est elle-même composée de minuscules particules beaucoup trop petites pour être visibles même à l’aide d’un microscope : ce sont les molécules et les atomes.

Les trois états de la matière La matière peut revêtir toutes les formes, toutes les couleurs, toutes les textures et se combiner de multiples façons. On peut toutefois la classer en trois catégories, selon l’état dans lequel elle se présente. Figure 1 Les galets que l’on trouve près des rivières, l’eau qui coule du robinet et l’air qui remplit les mont­ golères : comme tout ce qui forme l’Univers, ces choses sont constituées de matière.

92

L’univers matériel

La matière existe sous trois états diérents : l’état solide, l’état liquide et l’état gazeux. Par exemple, la roche, le métal, le plastique sont Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

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L’univers matériel 3.1

Définitions

des solides. L’eau, l’essence, l’huile et le lait sont des liquides. L’air est un mélange de plusieurs gaz, dont l’azote et l’oxygène. Le tuyau d’échappement des automobiles évacue, entre autres, du gaz carbonique et de la vapeur d’eau, qui sont tous deux des gaz.

Un solide a une forme dénie. Il est quasiment incompressible : son volume ne change pas même si on exerce une pression sur lui. Un liquide n’a pas de forme dénie : il prend la forme de son récipient. Il est incompressible : son volume ne change pas, quel que soit le récipient. Un gaz n’a pas de forme dénie : il prend la forme de son récipient. Il est compressible : son volume s’ajuste au volume de son récipient.

Un solide, un liquide et un gaz, placés chacun dans un récipient, se comportent de façons diérentes. On en dégage les caractéristiques suivantes.

L’état solide Les solides ont une forme dénie, c’est-à-dire une forme qui ne change pas, à moins de les forcer ou de les briser (voir la figure 2). De plus, les solides sont pratiquement incompressibles, c’est-à-dire qu’il est presque impossible de diminuer leur volume en les soumettant à une pression. Par exemple, même si on appuie très fort sur le marteau de la gure 2, celui-ci ne deviendra pas plus petit.

L’état liquide Les liquides n’ont pas de forme définie : ils épousent la forme du contenant où ils se trouvent (voir la figure 3). De plus, comme les solides, les liquides sont incompressibles. Le volume occupé par une certaine quantité de liquide demeure le même, quel que soit le récipient dans lequel il se trouve.

Figure 2 On peut mettre un marteau dans des boîtes de formats différents : il ne changera pas de forme !

L’état gazeux Les gaz occupent tout l’espace disponible. Ils n’ont ni forme ni volume définis. Une certaine quantité de gaz remplira donc entièrement son récipient, peu importe la forme et la taille de celui-ci. C’est le cas de l’air dans une Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Figure 3 Du lait versé dans un verre prend la forme du verre. Chapitre 3 • La matière

93

Nom :

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Date :

L’univers matériel 3.1

montgolère (voir la gure 4). On peut observer le même phénomène lorsqu’un conduit qui transporte du gaz a une fuite : le gaz qui s’échappe se répand partout. Si la fuite a lieu à l’intérieur d’un immeuble, le gaz se répandra dans toutes les pièces. Étant donné que les gaz changent de volume selon leur récipient, on dit qu’ils sont compressibles. En changeant le volume d’un récipient, on change le volume du gaz qu’il contient.

Les changements d’état de la matière La plupart des substances peuvent exister dans les trois états : solide, liquide et gazeux. Figure 4 L’air remplit entièrement la montgolère Elles peuvent aussi passer d’un état à un autre et épouse sa forme. en absorbant ou en perdant de la chaleur. En général, le passage d’un état à un autre est déterminé par la température (voir la gure 5). On nomme ces passages des « changements d’état » ou des « changements de phase ». Certains de ces changements ont besoin de chaleur pour avoir lieu alors que d’autres, au contraire, dégagent de la chaleur. Pour bien comprendre cela, prenons l’exemple de l’eau. A

La fusion, la vaporisation et les transformations inverses Pour faire fondre de la glace (« fusion »), il faut augmenter sa température au-dessus de 0 °C. Pour faire passer l’eau de l’état liquide à l’état gazeux (« vaporisation »), il faut augmenter sa température jusqu’à 100 °C. Ces deux changements exigent donc de la chaleur. (La chaleur environnante est souvent susante pour permettre la vaporisation des liquides. Par exemple, l’eau s’évapore sans qu’il soit nécessaire de la chauer. En fait, la vapeur d’eau existe à n’importe quelle température. C’est ce qu’on appelle l’« humidité ».)

B

Les transformations inverses, quant à elles, dégagent de la chaleur. Par exemple, le passage de la vapeur d’eau à l’état liquide libère de la chaleur. C’est ce qu’on appelle la « condensation liquide ». L’eau qui se transforme en glace au cours de la « solidication » dégage aussi de la chaleur. C

Figure 5 A Sous 0 °C, l’eau est à l’état solide. B Entre 0 °C et 100 °C, l’eau est liquide. C À partir de 100 °C, l’eau liquide se transforme en gaz.

94

L’univers matériel

La sublimation Le cas de la sublimation est particulier. Au cours de ce changement, la matière passe directement de l’état solide à l’état gazeux, sans passer par l’état liquide. Ce changement, qui se fait plutôt lentement, exige de la chaleur. Cependant, la chaleur déjà Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

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L’univers matériel 3.1

présente dans le milieu (dans l’air, par exemple) est susante pour permettre la sublimation. C’est pourquoi un cube de glace laissé dans le congélateur devient de plus en plus petit avec le temps : il se transforme peu à peu en vapeur d’eau. La gure 6 illustre les diérents changements d’état que peut subir la matière. Le tableau 1 fournit quelques exemples.

n ris at io

en nd

Va po

e

n

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Co

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Liquide

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de

Gaz

Fusion

Solide

Solidication

Figure 6 Les changements d’état de la matière. Les èches rouges indiquent les changements qui demandent de la chaleur. Les èches bleues indiquent les changements qui dégagent de la chaleur.

Tableau 1 Des exemples de changements d’état de la matière Changements d’état

Exemples

Fusion

La neige fond au printemps. La cire fond autour de la amme d’une chandelle.

Vaporisation

L’eau de la bouilloire se transforme en vapeur. Les vêtements mouillés sèchent sur la corde à linge.

Condensation liquide

De minuscules gouttelettes d’eau (buée) se forment sur le miroir de la salle de bain pendant une douche.

Condensation solide

Des ocons de neige se forment à partir de la vapeur d’eau dans l’atmosphère.

Solidication

L’eau des lacs gèle en hiver. La fondue au chocolat durcit quand on éteint le brûleur.

Sublimation

La naphtaline (« boules à mites ») se transforme lentement en gaz et libère sa forte odeur.

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Chapitre 3 • La matière

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Date :

L’univers matériel 3.1

Le changement d’état d’une substance : l’exemple de la parafne Les changements d’état des substances ont lieu à des tempéra­ tures spéciques. Par exemple, la fusion de l’eau se fait à 0 °C et son ébullition a lieu à 100 °C. Cependant, qu’arrive­t­il à la tem­ pérature d’une substance pendant qu’on la chaue ? Prenons l’exemple de la parane qui sert à fabriquer la cire des chandelles. Lorsqu’elle est chauée susamment, la parane entre en fusion. Elle passe donc de l’état solide à l’état liquide (voir la gure 7). Le graphique de la gure 8 illustre les trois étapes de ce processus. 1

Au début du chauage, la température de la parane aug­ mente graduellement, alors que la parane est encore solide.

2

Quand la parane commence à fondre, soit à environ 50 °C, sa température se stabilise pendant quelques minutes, même si le chauage se poursuit. Cette stabilisation de la température est appelée « plateau », à cause de sa forme dans le graphique. Elle a aussi lieu au cours des autres changements d’état.

3

Quand la fusion est complétée et que toute la parane est à l’état liquide, la température se met à augmenter de nouveau.

Température (°C)

Par ailleurs, il est important de noter qu’on obtient la même courbe de température (le même graphique) pour les change­ ments d’état de n’importe quelle substance.

100 90 80 70

3 État liquide

60

2 Fusion

50 40 30

1 État solide

20 10 0

4

8

12

16

20

24

28

Temps (min)

Figure 7 De la parafne solide (à gauche) et de la parafne liquide (à droite).

96

L’univers matériel

Figure 8 L’évolution de la température au cours du chauffage de la parafne. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Groupe :

Flash

techno

Date :

L’univers matériel 3.1

Nom :

Le plasma

Il existe un quatrième état de la matière, beaucoup moins connu, appelé « plasma ». Le plasma est un gaz qui se charge électriquement lorsqu’il est soumis à un fort champ magnétique ou électrique ou lorsqu’il est soumis à de très hautes températures. Le gaz devient alors lui-même un conducteur d’électricité. On ne trouve le plasma qu’à des endroits très particuliers, par exemple dans les étoiles, dans les aurores polaires ou dans les éclairs. Une haute couche de l’atmosphère terrestre, l’ionosphère, en contient aussi. Les écrans à plasma, par exemple ceux des téléviseurs, fonctionnent avec ce gaz électrié. Chaque pixel de l’écran contient un gaz qui se transforme en plasma et qui devient lumineux lorsqu’il est soumis à un champ électrique. Les couleurs rouge, vert et bleu ne proviennent pas du plasma lui-même, mais des minuscules capsules uorescentes qui contiennent le plasma. Ces capsules s’illuminent à leur tour en absorbant la lumière émise par le plasma.

Qu’est-ce qu’un téléviseur au plasma a en commun avec une aurore polaire ?

Activités 1

Nommez les trois états de la matière et décrivez les caractéristiques de chacun.

2

Dans chaque cas, indiquez dans quel état se trouve la matière. a) Du jus de raisin

b) De la pluie

c) Une chaîne en or

d) Un verre en plastique

e) Du sel

f) De la vapeur d’eau

g) De l’oxygène

h) Un clou

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Chapitre 3 • La matière

97

L’univers matériel 3.1

Nom :

3

4 3

Groupe :

Date :

Donnez le nom du changement d’état des descriptions suivantes. a) Passage de l’état liquide à l’état gazeux

b) Passage de l’état liquide à l’état solide

c) Passage de l’état solide à l’état gazeux

d) Passage de l’état gazeux à l’état liquide

Donnez le nom du changement d’état de chacun des exemples suivants. a) On fait fondre le verre pour le recycler.

c) La lave d’un volcan durcit en refroidissant.

b) Le petit sapin déodorant accroché au miroir de la voiture répand son parfum.

d) La vapeur d’eau de l’atmosphère forme des cristaux de neige en refroidissant rapidement.

e) Un sirop pour la toux a une forte odeur.

g) L’extérieur d’une bouteille de jus très froide devient mouillée.

5 3

Par une belle journée d’été, vous achetez un cornet de crème glacée. Au début, la crème glacée est solide. Peu à peu, elle devient liquide. a) Quelle est la cause de ce changement ?

6 3

f) La pluie verglaçante se transforme en glace en touchant le sol.

b) Comment nomme-t-on ce changement d’état ?

Donnez un exemple de chacun des changements d’état suivants en décrivant ce qui arrive à la matière. Un exemple vous est donné en a. a) Fusion : Le chocolat fond et devient liquide quand on le chauffe pour faire une fondue. b) Solidication :

98

L’univers matériel

c) Vaporisation :

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Nom :

Groupe :

7 3

e) Sublimation :

L’univers matériel 3.1

d) Condensation liquide :

Date :

Complétez les phrases suivantes par l’état de la matière approprié (solide, liquide ou gazeux). a) Lors de la fusion de l’acier, celui-ci devient

.

b) La sublimation transforme directement une substance de l’état

à l’état

. c) Avant la condensation liquide, l’eau était à l’état

.

d) Pour la fabrication de bijoux, l’or subit une solidification, c’est-à-dire qu’il passe de l’état à l’état

.

8 3

Deux seaux sont remplis, l’un avec de l’eau, l’autre avec des balles de tennis. L’eau occupe tout le volume du premier seau, tandis qu’il reste de l’espace inoccupé par les balles de tennis dans le second seau. Expliquez pourquoi.

9 3

Étienne a allumé une bougie à l’aide d’une seule allumette. Pourtant, on sent le soufre brûlé de l’allumette dans toute la maison. Expliquez pourquoi.

10 3

a) Décrivez l’évolution de la température lorsqu’on fait fondre de la glace en la faisant passer de -10 °C à 15 °C.

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Chapitre 3 • La matière

99

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel 3.1

b) Tracez le graphique (courbe de température) de ce changement d’état. • Nommez correctement les axes en précisant les unités de mesure. • Indiquez à l’endroit approprié le nom des différents états et le nom du changement d’état. • Donnez un titre approprié au graphique. Titre :

2

11 3

4

6

8

10

12

Examinez le graphique suivant, puis répondez aux questions.

Température (°C)

L’évolution de la température au cours du chauffage du mercure

400

E D

300

200

C 100

0

-100

100

5

10

A

15

20

25

30

35

B

40 45 Temps (min)

a) À quel état correspond la partie A du graphique ?

b) À quel état correspond la partie E du graphique ?

c) À quel état correspond la partie C du graphique ?

d) À quel changement d’état correspond la partie B du graphique ?

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

e) À quel changement d’état correspond la partie D du graphique ?

f) À quelle température approximative le mercure fond-il ?

g) À quel moment le mercure commence-t-il à fondre ?

h) À quelle température approximative le mercure s’évapore-t-il ?

i) À quel moment le mercure est-il complètement fondu ?

j) À la température de la pièce (20 °C), dans quel état le mercure se trouve-il ?

k) À quel moment le mercure commence-t-il à s’évaporer ?

l) Comment nomme-t-on les parties horizontales (B et D) du graphique ?

L’univers matériel 3.2

Nom :

m) À quel moment le mercure est-il complètement évaporé ?

3.2

La masse

Définition

Qu’elle soit solide, liquide ou gazeuse, la matière a toujours une masse et un volume. Quand on parle de volume, on fait allusion à l’espace occupé par la matière. Quand on parle de masse, on fait allusion à la quantité de matière.

La masse est la mesure de la quantité de matière contenue dans un objet ou dans une substance.

Au sujet de la masse, on peut formuler les observations suivantes. - Plus un objet contient de matière, plus sa masse est grande (voir la gure 9). - Des substances diérentes ayant une taille identique peuvent avoir des masses diérentes (voir la gure 10, à la page suivante). - L’unité de mesure de la masse dans le système international d’unités (SI) est le kilogramme (kg). Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Figure 9 La quantité d’eau contenue dans le seau (à gauche) est beaucoup plus grande que celle contenue dans le verre (à droite). La masse de l’eau du seau est donc plus élevée que la masse de l’eau du verre. Chapitre 3 • La matière

101

L’univers matériel 3.2

Nom :

Groupe :

Date :

Un kilogramme correspond exactement à la masse d’un litre d’eau. Cependant, le gramme (g) est plus pratique pour mesurer de petites quantités, que ce soit au laboratoire ou dans la cuisine. Un gramme correspond environ à la masse d’un petit raisin. Le milligramme (mg) est utilisé pour mesurer de très petites masses, par exemple les comprimés d’un médicament.

A

Les gaz ont-ils une masse ? Les gaz sont constitués de matière. Ils possèdent donc une masse. Ils sont par contre très légers, parce que la matière est beaucoup moins concentrée dans les gaz que dans les liquides et les solides. Par exemple, on ne sent pas le poids de l’air qui est au-dessus de nos têtes. On ne sent pas non plus le poids de l’hélium dont on remplit les ballons d’anniversaire. Ces gaz ont quand même une masse.

B

Il est plus dicile de mesurer la masse des gaz que celle des solides ou des liquides. Pour connaître la masse d’un gaz, il faut recourir à des techniques particulières. Par exemple, on peut peser un ballon de verre contenant un gaz en le plaçant dans une cloche d’où on a retiré l’air.

C

Figure 10 A Les deux cubes sont de dimension identique, mais le cube de bois a une masse plus petite que le cube d’acier. B Une bouteille qui contient de l’eau est plus lourde qu’une bouteille identique qui contient de l’huile. C Un ballon goné d’hélium est plus léger qu’un ballon goné d’air.

Flash

info

Masse ? Poids ?

On pense souvent que la masse et le poids sont la même chose. Ce n’est pas tout à fait le cas. Pour bien les différencier, transportons-nous sur la Lune avec une pierre dont la masse est de 100 kg. Cette pierre, très difcile à soulever sur Terre, se soulève avec peu Sur Terre... Sur la Lune... d’efforts sur le sol lunaire. Pourtant, qu’elle soit sur la Terre ou sur la Lune, la pierre contient la même quantité de matière et sa masse est de 100 kg. Que se passe-t-il alors ? En fait, ce qui change, c’est le poids de la pierre. Le poids est la force avec laquelle un objet est attiré vers le sol. Puisque la Lune est beaucoup plus petite que la Terre, les objets y sont attirés vers le sol avec moins de force que sur Terre. Ainsi, le poids de la pierre est six fois moins élevé sur la Lune que sur la Terre. Alors, pour perdre du poids, on peut faire de l’exercice ou… aller sur la Lune !

102

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

Outil Mesurer la masse On utilise une balance pour mesurer la masse. Il en existe différents modèles.

La balance à éaux Dans les laboratoires de science des écoles, on utilise habituellement la balance à éaux (voir la gure A). Son fonctionnement est relativement simple. On place l’objet à peser sur le plateau. On rééquilibre ensuite la balance en déplaçant les curseurs vers la droite. La balance à éaux indique la masse en grammes (g).

La gure B montre la position des curseurs correspondant à la masse d’un objet déposé sur le plateau d’une balance. Les nombres inscrits sur le éau des fractions désignent les dixièmes de gramme. Les petites divisions séparant chaque dixième indiquent les centièmes de gramme. En additionnant la valeur des quatre curseurs, on obtient 127,46. La masse de l’objet est donc de 127,46 g. Vis d’ajustement

Curseurs

Fléaux

Mesurer la masse d’un objet Pour mesurer la masse d’un objet sur une balance à éaux, on procède de la façon suivante. 1° S’assurer que le plateau est vide, que les curseurs sont tous à zéro et que l’aiguille à l’extrémité des éaux pointe le « 0 ». Au besoin, ajuster l’aiguille avec le « 0 » en tournant la vis d’ajustement. 2° Déposer l’objet à peser sur le plateau. L’aiguille se positionne alors au-dessus de « 0 ». 3° Déplacer graduellement le curseur des centaines sur son éau, une position à la fois. Vérier la position de l’aiguille après chaque déplacement. (Le curseur doit tomber dans son encoche pour être correctement positionné.) 4° Tant que l’aiguille est au-dessus de « 0 », continuer de déplacer le curseur, une position à la fois. 5° Quand l’aiguille se positionne sous le « 0 », replacer le curseur à la position précédente. Ne plus toucher à ce curseur. 6° Répéter les étapes 3 à 5 avec le curseur des dizaines et le curseur des unités. 7° Déplacer graduellement le curseur des fractions sur son éau (celui-ci n’a pas d’encoches) jusqu’à ce que l’aiguille soit parfaitement alignée sur le « 0 ». 8° Calculer la masse de l’objet en additionnant les nombres indiqués par chacun des curseurs.

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Aiguille

Plateau

Socle

Figure A Les principales composantes d’une balance à éaux.

Figure B Sur cette balance, la masse indiquée par les curseurs est de 127,46 g.

Chapitre 3 • La matière

103

L’univers matériel 3.2

Nom :

L’univers matériel 3.2

Nom :

Groupe :

Date :

Activités 1 3

Qu’est-ce que la masse ?

2 3

Indiquez l’unité de mesure la plus appropriée pour désigner la masse dans chacun des cas suivants. a) Une banane

b) Un comprimé de médicament

c) Un cheval

d) Un crayon

e) Une fourmi

f) Un humain

3

Quel instrument sert à mesurer la masse des objets ?

4 3

Indiquez si chacun des énoncés est vrai ou faux. Pour chaque énoncé que vous avez jugé faux, justiez votre réponse. Énoncé

Vrai

Faux

a) La masse est la mesure de la taille d’un objet. b) Plus un objet contient de matière, plus sa masse est grande. c) L’air n’a pas de masse. d) Deux objets de taille identique ont la même masse. e) Le gramme est une unité de mesure de la masse. Justications (indiquez la lettre de l’énoncé) :

104

L’univers matériel

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Nom :

Date :

Voici l’illustration d’une balance à éaux.

L’univers matériel 3.2

5 3

Groupe :

a) Nommez les différentes parties de la balance. b) Expliquez brièvement le rôle des curseurs de la balance.

c) À quoi sert l’aiguille de la balance ?

6 3

Quelle masse chacune des balances indique-t-elle ? a)

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b)

Chapitre 3 • La matière

105

L’univers matériel 3.2

Nom :

7 3

106

Groupe :

c)

d)

e)

f)

Date :

À l’aide de èches, indiquez la position des curseurs sur les éaux des balances selon la masse donnée. a) 60,36 g

b) 305,88 g

c) 199,00 g

d) 190,36 g

e) 6,04 g

f) 234,72 g

L’univers matériel

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Nom :

Classez les objets suivants en ordre croissant de masse.

Une voiture

9 3

Date :

Une pomme

Un téléviseur

Un livre

L’univers matériel 3.2

8 3

Groupe :

Un crayon

Les trois objets ci-dessous sont de taille presque égale, mais ils ont des masses différentes.

Un ballon de volleyball

Une boule de quilles

Un ballon d’anniversaire

a) Classez ces objets en ordre croissant de masse.

b) Expliquez pourquoi ces objets ont une masse différente.

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Chapitre 3 • La matière

107

Nom :

Groupe :

L’univers matériel 3.3

3.3

Date :

Le volume

Les objets qui nous entourent occupent tous une place dans l’espace, qu’ils soient solides, liquides ou gazeux. Certains sont gros, d’autres, petits. La place qu’ils occupent dépend de leurs dimensions : longueur, largeur et hauteur.

Définition

Figure 11 Une feuille de papier occupe une surface en deux dimensions. Une pile de feuilles de papier occupe un volume en trois dimensions.

Une feuille de papier, par exemple, n’occupe pas beaucoup d’espace parce qu’elle est très mince. Elle n’a que deux dimensions (longueur et largeur), qui couvrent une certaine surface. En réalité, la feuille de papier possède une troisième dimension, son épaisseur, mais celle-ci est si petite qu’elle est négligeable. Cependant, empilez plusieurs dizaines de feuilles de papier, et vous obtiendrez une troisième dimension : la hauteur de la pile de feuilles (voir la gure 11). Cette pile occupe un espace en trois dimensions. Cet espace en trois dimensions occupé par un objet se nomme le volume.

A

Le volume est la mesure de l’espace en trois dimensions occupé par un objet ou une substance.

Le volume et la masse

B

C

Le volume d’un objet est indépendant de sa masse. Toutefois, la plupart du temps, les gros objets ont une grande masse et les petits objets, une petite masse. Mais des objets volumineux peuvent avoir une petite masse s’ils sont faits d’un matériau léger, tel le styromousse. Au contraire, un petit objet en pierre, en fer ou en plomb aura une masse relativement élevée. Les gaz, de leur côté, ont tendance à occuper le plus grand volume possible et ils sont très légers (voir la gure 12).

Figure 12 A Le styromousse est un matériau léger. Sa masse est petite par rapport à son volume. B Cette bague faite de métal et de pierre a une grande masse par rapport à son volume. C L’air contenu dans ce ballon occupe un grand volume mais a une très petite masse.

108

L’univers matériel

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L’univers matériel 3.3

Deux cubes de matières diérentes et de volumes identiques peuvent avoir des masses diérentes (voir la gure 10, section 3.2, à la page 102). Le contraire est également vrai : des objets de volumes diérents peuvent avoir la même masse (voir la gure 13).

Les unités de mesure du volume Plus un objet est gros, plus il prend de place, plus son volume est élevé. On dit d’ailleurs d’un gros objet qu’il est volumineux. Par exemple, un réfrigérateur a un volume plus grand que celui d’un dé à jouer.

Figure 13 Cet haltère a la même masse que cinq paquets de 454 g de beurre, soit 2,27 kg. Par contre, leur volume est différent.

Diérentes unités de mesure sont utilisées pour exprimer le volume des objets. Pour mesurer le volume d’objets solides, on a l’habitude d’utiliser le mètre cube (m3) pour les gros objets et le centimètre cube (cm3) pour les petits objets (voir le tableau 2). Par exemple, le volume d’un réfrigérateur est d’environ 2 m3. Celui d’un dé à jouer est d’environ 8 cm3. On utilisera donc le mètre cube pour mesurer le volume d’un bâtiment, et le centimètre cube pour mesurer le volume d’une télécommande ou d’un téléphone portable. Notez qu’il faut un million de centimètres cubes pour obtenir un mètre cube. Tableau 2 Objets solides

Le volume de quelques objets solides

Volume

Objets solides

Environ 2 m3

Volume

Environ 250 m3

Un bâtiment

Un réfrigérateur

Environ 8 cm3

Un dé à jouer

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Environ 200 cm3

Une télécommande

Chapitre 3 • La matière

109

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L’univers matériel 3.3

Dans le cas des liquides et des gaz, l’unité de mesure commu­ nément utilisée est le litre (L). On utilise les dérivés du litre soit pour de petits volumes, soit pour de grands volumes (voir le tableau 3). On mesure en hectolitres (hL) la production d’une ferme laitière. Le contenu d’un réservoir d’essence se mesure en litres, celui d’une bouteille de jus en millilitres (mL). On utilise souvent aussi le litre pour indiquer la capacité d’un espace de chargement ou de rangement tel qu’un core d’auto­ mobile, une valise ou un sac à ordures. Le core d’une voiture compacte a un volume d’environ 450 L. Tableau 3

Le volume de quelques objets contenant des liquides

Objets contenant des liquides

Volume

Objets contenant des liquides

355 mL Une canette de boisson gazeuse

Volume

Environ 0,05 mL Une goutte de pluie

Environ 35 000 L Une piscine

Environ 150 L Une baignoire

De 150 L à 225 L

1L Un carton de lait

Un chauffe-eau

Le millilitre et le centimètre cube sont des volumes exactement équivalents. Une bou­ teille de jus de 250 mL contient 250 cm3 de liquide. Un mètre cube est donc l’équivalent de 1000 litres (voir la gure 14).

1mL

1000 L

1 cm3 = 1 mL

1 m3 = 1000 L

Figure 14 Des mesures de volume équivalentes.

110

L’univers matériel

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L’univers matériel 3.3

La mesure du volume Il existe plusieurs façons de mesurer le volume. Les méthodes varient selon qu’on a aaire à un liquide, à un solide de forme régulière ou à un solide de forme irrégulière.

Mesurer le volume d’un solide géométrique régulier Pour les solides géométriques tels que le cube, le cône ou le cy­ lindre, on calcule le volume à l’aide de formules mathématiques en se fondant sur les dimensions du solide. La mesure la plus simple est celle du cube ou des prismes à base carrée ou rectan­ gulaire. Il s’agit de multiplier l’une par l’autre les trois dimensions. Volume = Longueur × Largeur × Hauteur Par exemple, une boîte de céréales (voir la gure 15) a une longueur de 20 cm, une largeur de 6 cm et une hauteur de 30 cm. On calcule donc son volume de la façon suivante : 20 cm × 6 cm × 30 cm = 3600 cm Pour savoir comment mesurer le volume d’un liquide ou d’un solide de forme irrégu­ lière, consultez la rubrique « Outil » à la page suivante.

Flash

histoire

Figure 15 Une boîte de céréales de ce format a un volume de 3600 cm3.

Le pied du roi

Il y a quelques siècles, on utilisait des parties du corps humain pour déterminer les longueurs. Les humains étant de tailles différentes, c’étaient le pouce et le pied du roi qui étaient utilisés comme référence. Le « pouce » et le « pied » sont d’ailleurs encore aujourd’hui des unités de mesure du système impérial (anglo-saxon). Les scientiques se sont attachés à établir un système de mesure universel. Aujourd’hui, le Système international d’unités (SI) est utilisé presque partout dans le monde. L'unité de longueur du SI est basée sur le mètre. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 3 • La matière

111

Nom :

Groupe :

L’univers matériel 3.3

Outil

Date :

Utiliser un cylindre gradué Le cylindre gradué sert à mesurer les liquides et les solides de forme irrégulière. L’unité de mesure de la plupart des cylindres gradués est le millilitre. 1 mL

0,1 mL

Figure A Un cylindre gradué de 10 mL. La plus petite division correspond à 0,1 mL.

Ménisque

Lire la graduation du cylindre Avant de mesurer à l’aide d’un cylindre gradué, il faut déterminer la valeur de ses divisions (voir la gure A). En faisant la soustraction entre deux divisions consécutives du cylindre ci-contre, par exemple entre les divisions 5 et 6, on obtient le volume compris entre elles : 6 mL – 5 mL = 1 mL Il y a donc 1 mL entre deux grandes divisions. Ce millilitre se divise à son tour en 10 parties égales. Chacune de ces parties correspond donc à 1/10 de mL ou 0,1 mL.

Mesurer le volume d’un liquide Pour mesurer le volume d’un liquide, on procède comme suit : 1° Verser le liquide dans un cylindre gradué. 2° Poser le cylindre sur une surface plane horizontale. 3° Observer le ménisque, l’œil étant à la hauteur du haut de la colonne de liquide. 4° Noter la division qui correspond au point le plus bas du ménisque (voir la gure B). Remarque : Le ménisque est la courbure à la surface du liquide. La mesure se prend à son point le plus bas.

Figure B Ce cylindre de 10 mL est gradué comme celui de la gure A. Le point le plus bas du ménisque coïncide ici avec la troisième division au-dessus de 7 mL. Le volume du liquide contenu dans le cylindre est donc de 7,3 mL.

112

L’univers matériel

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Date :

L’univers matériel 3.3

Mesurer le volume d’un solide de forme irrégulière Pour mesurer le volume d’un solide de forme irrégulière, on se sert d’un cylindre gradué ou d’un vase à trop-plein : les deux reposent sur le principe du déplacement d’eau.

• Au moyen d’un cylindre gradué Pour mesurer le volume d’un objet, on peut le plonger dans l’eau d’un cylindre gradué et mesurer l’élévation du niveau d’eau dans ce dernier (voir la gure C). Attention ! Cette méthode ne peut être utilisée qu’aux conditions suivantes. • L’objet doit être résistant à l’eau. • L’objet ne doit pas otter. • Le cylindre doit pouvoir contenir l’objet à mesurer. 1° Remplir un cylindre gradué d’une certaine quantité d’eau et noter le volume initial. 2° Plonger délicatement l’objet dans le cylindre pour éviter les éclaboussures et pour ne pas casser le cylindre si celui-ci est en verre. Le niveau d’eau s’élève. 3° L’objet doit être complètement immergé dans l’eau. (Sinon, revenir à l’étape 1 en ajoutant de l’eau.) 4° Mesurer le volume nal. 5° Calculer la différence entre le volume nal et le volume initial. Cette différence correspond au volume de l’objet immergé.

Volume initial : 5 mL

Volume nal : 6,8 mL

Volume de l’objet immergé : 6,8 mL – 5 mL = 1,8 mL Figure C La mesure d’un solide de forme irrégulière à l’aide d’un cylindre gradué.

Le vase à trop-plein est rempli à pleine capacité.

L’objet fait déborder l’eau dans le cylindre.

• Au moyen d’un vase à trop-plein Pour les objets de plus grande taille, on peut se servir d’un vase à trop-plein (voir la gure D). 1° Remplir d’eau le vase à trop-plein. On s’assure qu’il est rempli à pleine capacité en le faisant déborder un peu. 2° Placer un cylindre gradué sous le bec du vase. 3° Plonger délicatement l’objet dans le vase pour éviter les éclaboussures : l’eau déplacée s’écoule par le bec du vase dans le cylindre gradué. 4° Mesurer le volume d’eau recueilli dans le cylindre gradué. Ce volume d’eau correspond au volume de l’objet plongé dans le vase.

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Le volume de l’objet immergé est de 33 mL. Figure D La mesure d’un solide de forme irrégulière à l’aide d’un vase à trop-plein.

Chapitre 3 • La matière

113

L’univers matériel 3.3

Nom :

Groupe :

Date :

Activités 1

Qu’est-ce que le volume ? Donnez une dénition dans vos mots.

2

Indiquez quelle unité de mesure serait la plus appropriée pour mesurer le volume dans chacun des exemples suivants. Donnez l’unité de mesure, puis faites-la suivre de son symbole. Exemple : Litre (L). a) Un petit carton de lait au chocolat

b) La capacité d’un sac de randonnée

c) Le réservoir d’essence d’une auto

d) La Station spatiale internationale

e) Un coffre à crayons

f) Un ballon goné d’hélium

3

Quel instrument permet de mesurer le volume des liquides ?

4

Indiquez si chacun des énoncés est vrai ou faux. Pour chaque énoncé que vous avez jugé faux, justiez votre réponse. Énoncés

Vrai

Faux

a) Les objets de volume élevé ont toujours une grande masse. b) Le volume correspond à la grosseur d’un objet. c) Le volume se mesure en centimètres carrés. d) Un litre est l’équivalent de 1000 cm3. e) Des objets de même masse ont un même volume. Justications (indiquez la lettre de l’énoncé) :

114

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Date :

Comment se nomme la déformation à la surface d’un liquide que l’on peut voir dans un cylindre gradué ?

6

Calculez la valeur de la plus petite division pour chacun des cylindres gradués suivants.

a)

7

b)

L’univers matériel 3.3

5

c)

d)

Indiquez le volume (en millilitres) du liquide contenu dans chacun des cylindres gradués suivants.

a)

b)

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c)

d)

e)

Chapitre 3 • La matière

115

Groupe :

Date :

L’univers matériel 3.3

Nom :

f)

g)

h)

i)

j)

8

On vous demande de mesurer le volume d’une statuette de pierre très ancienne représentant un guerrier. La statuette mesure environ 20 cm de large et 50 cm de haut. Décrivez comment vous procéderiez.

9

On vous présente des quantités égales de trois substances différentes, soit 100 g de plomb, 100 g de bois et 100 g de styromousse. Vous devez ranger ces trois substances dans leur tiroir. Il y a un petit, un moyen et un grand tiroir. Dans quel tiroir devriez-vous ranger chacune de ces substances ? Petit tiroir :

10

116

Moyen tiroir :

Grand tiroir :

On mesure en mètres cubes le volume d’air présent à l’intérieur d’une montgolère. La montgolère représentée sur la photo contient 12 000 m3 d’air. Convertissez ces mètres cubes en litres.

L’univers matériel

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Groupe :

3.4

Date :

L’univers matériel 3.4

Nom :

La température

Définition

Qu’est-ce au juste que la température ? Comment expliquer qu’une substance soit chaude ou froide ? En fait, tout comme la masse et le volume, la température est l’expression d’une propriété de la matière. Pour bien comprendre cette propriété, nous devons nous pencher sur les particules qui composent la matière.

La température est une mesure du degré d’agitation des particules qui composent un objet ou une substance.

Figure 16 De la glace à -15 °C. Les molécules d’eau vibrent assez lentement.

Des particules en mouvement La matière est composée de particules inniment petites nommées « atomes » et « molécules ». Ces particules sont agitées, elles sont continuellement en mouvement. Quand cette agitation est faible et que les mouvements sont lents, la température de la matière est basse. Plus le mouvement des particules est rapide, plus la température est élevée. Pour illustrer ce phénomène, prenons une substance, de l’eau par exemple, et augmentons graduellement sa température. Dans un glaçon à 20 °C, les molécules d’eau bougent lentement. Elles ne font que vibrer et ne se déplacent pas les unes par rapport aux autres. La vibration augmente à mesure que la température s’élève, par exemple à 15 °C, mais elle demeure relativement lente (voir la gure 16).

Figure 17 De l’eau à 4 °C. Les molécules d’eau vibrent plus rapidement et se déplacent les unes par rapport aux autres.

À 0 °C, la glace fond et l’eau devient liquide. Les molécules d’eau se mettent alors à tourner les unes autour des autres et à se déplacer, tout en continuant de vibrer. Lorsqu’on fait passer la température à 4 °C par exemple, les mouvements deviennent de plus en plus rapides (voir la gure 17). Si on chaue encore et qu’on porte la température de l’eau à 100 °C, celle-ci se met à bouillir et se transforme progressivement en un gaz : la vapeur d’eau. Les molécules d’eau vibrent et se déplacent alors à une vitesse tellement grande qu’elles s’échappent de la surface du liquide. À mesure que la température de la vapeur d’eau s’élève au-dessus de 100 °C, les molécules se déplacent à des vitesses de plus en plus rapides (voir la gure 18).

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Figure 18 De la vapeur d’eau à 100 °C. Les molécules d’eau vibrent très rapidement et se déplacent à grande vitesse. Chapitre 3 • La matière

117

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel 3.4

La sensation de chaud ou de froid que l’on éprouve en touchant des objets ou des substances à diérentes températures s’explique par ces mouvements et ces collisions entre les particules de matière. Plus le mouvement est intense et rapide, plus la matière est chaude au toucher. À l’inverse, plus le mouvement des molécules est faible et lent, plus la matière est froide au toucher. Il est impossible de voir ces mouvements des particules parce qu’elles sont extrêmement petites. Par contre, on peut mesurer leur agitation avec un thermomètre.

Flash

techno

Frotter pour chauffer

Lorsque deux objets entrent en con­ tact, par frottement ou par simple collision, l’énergie associée au mouvement de ces objets est en partie transmise aux particules de matière qui sont mises en contact. Ces particules se mettent à bouger plus rapidement et leur température augmente. En frottant ou en frappant toujours au même endroit, on peut faire augmenter la température de façon considérable. Au cours de la préhistoire, les humains ont appliqué ce principe pour faire du feu. En frottant ensemble deux morceaux de bois Faire du feu en frottant deux et quelques brins d’herbe séchée selon une technique appro­ morceaux de bois. priée, ils produisaient assez de chaleur pour faire s’enammer les herbes. Nous utilisons ce même principe aujourd’hui lorsque nous frottons une allumette sur une surface rugueuse pour l’enammer ou lorsque nous nous frottons les mains pour les réchauffer.

La dilatation thermique des corps Quand la température d’une substance augmente, les particules tendent à occuper plus d’espace en raison de l’amplication des mouvements, un peu comme si chaque particule avait besoin de plus de place pour se mouvoir. Il en résulte que la substance elle-même, à l’échelle visible, augmente de volume. On appelle « dilatation thermique » l’augmentation du volume d’une substance due à une augmentation de sa température. Figure 19 Le même ballon placé dans l’eau glacée (à gauche) et dans l’eau bouillante (à droite).

118

L’univers matériel

La dilatation thermique est plus marquée pour les gaz que pour les liquides et les solides. Ainsi, si on chaue un litre d’air et si on le fait passer de 0 °C à 100 °C, le volume de l’air atteint 1,36 L environ (voir la gure 19). L’air chaud occupe donc plus d’espace que l’air froid. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

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Groupe :

Date :

Les ingénieurs qui construisent les ponts doivent tenir compte de la dilatation thermique des matériaux utilisés puisque ceux-ci se dilatent et se contractent au gré des variations de la température extérieure. Ainsi, la structure d’un pont d’acier mesurant un kilomètre de long s’allonge d’environ 70 cm lorsque la température passe de 30 °C l’hiver à 30 °C l’été. Cela peut aecter sa solidité et mettre en danger la sécurité des usagers.

L’univers matériel 3.4

Les solides et les liquides subissent eux aussi une dilatation thermique, mais à un moindre degré. Ainsi, une tige de métal dont la température est considérablement augmentée s’allonge de façon quasi imperceptible. Ce phénomène doit être spécialement pris en considération au moment de construire des structures imposantes comme des ponts, en particulier dans les régions du monde où la température varie grandement selon les saisons (voir la gure 20). Figure 20 Le pont Jacques-Cartier, qui relie l’île de Montréal et la ville de Longueuil situées de part et d’autre du euve Saint-Laurent, est long de 2,7 km. Il subit des écarts saisonniers de température considérables. Sa structure a été conçue pour tolérer une importante dilatation thermique.

Le thermomètre On mesure la température à l’aide d’un thermomètre. Celui-ci est composé d’un réservoir à liquide et d’une colonne graduée selon une échelle de température déterminée (voir la gure 21). Le fonctionnement de l’instrument repose sur le principe de la dilatation thermique. Lorsqu’il est chaué, le liquide contenu dans le réservoir du thermomètre se dilate. Il monte dans la colonne au-dessus du réservoir. Quand la température baisse, le liquide se contracte et descend dans la colonne. La graduation atteinte par le liquide dans la colonne indique la température de ce dernier. On utilise habituellement l’alcool, parfois le mercure, dans les thermomètres parce que ces deux liquides ne se solidient qu’à de très basses températures, contrairement à l’eau.

Colonne

Réservoir

Figure 21 Un thermomètre indiquant 20 °C.

L’échelle de température la plus utilisée est l’échelle Celsius (C), dans laquelle l’eau gèle à 0 °C et bout à 100 °C.

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Chapitre 3 • La matière

119

L’univers matériel 3.4

Nom :

Groupe :

Flash

info

Date :

Températures extrêmes

Y a-t-il des limites au chaud et au froid ? Sur la planète Terre, les températures les plus extrêmes qu’on ait mesurées sont de -85 °C et 58 °C. On peut, bien sûr, atteindre des températures beaucoup plus élevées dans un four ou avec une amme. En fait, il ne semble pas y avoir de limite supérieure à la température. Les étoiles ont des températures internes qui atteignent plusieurs millions de degrés Celsius. Les astrophysiciens estiment qu’au moment du big bang (gigantesque explosion à l’origine de l’Univers), la température a atteint 10 32 °C. Par contre, il existe une limite inférieure au-dessous de laquelle la température ne peut descendre. Cette limite est d’environ -273 °C. Elle correspond au « zéro absolu ». À cette température, toutes les substances, sans exception, sont à l’état solide et plus aucune particule de matière n’est en mouvement.

Au centre du Soleil, la température atteint environ 15 millions de degrés Celsius.

Activités 1

Qu’est-ce que la température ? Donnez une dénition dans vos mots.

2

Complétez les phrases suivantes. La température se mesure avec

. L’unité de mesure la plus utilisée

pour mesurer la température est 3

.

Indiquez si chacun des énoncés suivants est vrai ou faux. Pour chaque énoncé que vous avez jugé faux, justiez votre réponse. Énoncés

Vrai

Faux

a) En chauffant une substance, on augmente son énergie thermique. b) Une substance très froide n’a pas de température. c) Dans la glace, les molécules d’eau sont parfaitement immobiles. d) Les particules contenues dans l’air se déplacent plus vite en été qu’en hiver. e) Les particules de matière bougent plus rapidement dans un liquide que dans un gaz.

120

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Date :

4

L’univers matériel 3.4

Justications (indiquez la lettre de l’énoncé) :

Observez la graduation des thermomètres suivants et déterminez la température indiquée par chacun d’eux.

a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

h)

i)

j)

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Chapitre 3 • La matière

121

L’univers matériel 3.4

Nom :

5

Groupe :

Date :

Sur les thermomètres ci-dessous, faites correspondre la colonne de liquide aux températures indiquées.

a) 6 °C

b) 4,1 °C

c) 21,5 °C

d) -12 °C

e) 36,8 °C

6

Décrivez ce qui arrive aux particules dans l’air lorsque nous augmentons le chauffage dans la maison, c’est-à-dire lorsqu’il y a apport de chaleur.

7

Expliquez le fonctionnement d’un thermomètre à alcool.

8

Les ponts qui traversent de gros cours d’eau comprennent un certain nombre de sections séparées par des joints de dilatation. Ces joints de dilatation permettent à un pont d’absorber les écarts de température. a) Indiquez en quelle saison (été ou hiver) l’espace laissé par le joint de dilatation est le plus large.

b) Décrivez ce qui arrive à la structure du pont lorsque la température augmente au printemps.

122

L’univers matériel

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Nom :

Groupe :

Date :

9

10

Expliquez pourquoi l’eau n’est pas utilisée comme liquide dans un thermomètre.

L’univers matériel 3.4

c) Au Québec, que risquerait-il d’arriver si un pont très long était dépourvu de joints de dilatation ?

Un joint de dilatation.

Illustrez le mouvement des particules d’air en hiver et en été. Utilisez des èches courtes ou longues pour représenter la vitesse des particules.

Été

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Hiver

Chapitre 3 • La matière

123

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

Pour faire 1

Date :

le

point

Dans une fonderie, on coule le métal en fusion dans un moule pour lui donner une forme déterminée. Décrivez chacune des étapes du processus de fabrication d’un marteau à partir d’un morceau de fer. Votre description doit tenir compte de la température, des états de la matière et des changements d’état. • Fonte :

• Moulage :

• Refroidissement :

2

Pour régler l’altitude d’une montgolère, on chauffe l’air à l’intérieur de l’enveloppe ou on le laisse refroidir. Lorsque l’air est chauffé, la montgolère s’élève ; lorsque l’air refroidit, elle descend. a) L’enveloppe de la montgolère possède dans sa partie inférieure une ouverture d’où les particules de gaz peuvent s’échapper. Indiquez s’il s’échappe plus de particules d’air lorsque l’air est chaud ou lorsque l’air est froid. Justiez votre réponse.

124

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

b) Indiquez dans le tableau suivant s’il y a un changement sur le plan de la masse, du volume, de la température et de l’état de l’air à l’intérieur de l’enveloppe, lorsque l’air est chauffé. De plus, si un changement a lieu, décrivez-le. Air à l’intérieur de l’enveloppe de la montgolère

Changement Oui

Description du changement

Non

Masse de l’air Volume de l’air Température de l’air État de l’air

c) Expliquez pourquoi la montgolère devient plus légère lorsque l’air qu’elle contient est chaud.

3

Un échantillon d’eau de 100 g subit plusieurs changements lorsqu’il est soumis à des variations considérables de température. Rendez compte de ces changements en complétant le tableau suivant. Température

Masse

Volume

État

-10 °C 25 °C 110 °C

4

Vous avez peut-être déjà vu l’inscription « Volume corrigé à 15 °C » sur les pompes à essence des détaillants. Que signie-t-elle, selon vous ?

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Chapitre 3 • La matière

125

L’univers matériel

Nom :

L’univers matériel

Nom :

Groupe :

Date :

5

Pour augmenter ses prots, un détaillant malhonnête a enlevé le dispositif de correction du volume sur sa pompe à essence. Il vend à ses clients le volume réel de l’essence plutôt que le volume corrigé. Ses ventes sont toujours plus élevées en hiver en raison du fait qu’un club de motoneigistes vient régulièrement se ravitailler chez lui. Ses prots s’accroîtront-ils ? Justiez votre réponse.

6

Trouvez une façon de prouver expérimentalement que la quantité d’essence contenue dans un litre est différente en été et en hiver.

126

L’univers matériel

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Chapitre

4

Les propriétés caractéristiques de la matière Dans la vie courante, nous utilisons différents objets, fabriqués avec différents matériaux. La charpente d’une maison est faite de bois, le moteur d’une automobile est en métal et plusieurs de nos vêtements sont en coton. Nous prenons en compte les propriétés de ces matériaux lorsque nous voulons satisfaire des besoins précis. Par exemple, le bois convient bien pour la construction, car il est à la fois souple et résistant, il est facile à couper et à clouer. Un moteur doit être fabriqué avec du métal, car il doit résister à la chaleur et à de fortes vibrations. Il ne nous viendrait pas à l’idée de fabriquer des casseroles en plastique, car elles fondraient à la chaleur, ni des vêtements en métal, car ils seraient lourds et ne nous tiendraient pas au chaud. La matière a donc des propriétés qui varient d’une substance à l’autre. Dans ce chapitre, vous étudierez les principales propriétés caractéristiques de la matière. Vous verrez aussi comment ces propriétés déterminent le choix que l’on fait des matériaux ou des substances selon les usages qu’on a en vue.

127

Nom :

Groupe :

L’univers matériel 4.1

4.1

Date :

Les propriétés caractéristiques

La masse, le volume et la température sont des propriétés de la matière (voir le chapitre 3). On ne peut cependant les considérer comme des propriétés caractéristiques parce qu’elles ne constituent pas des traits spéciques d’une substance. Ainsi, si la masse d’une substance donnée est de 200 g, elle ne nous permet pas de savoir de quelle substance il s’agit. Il pourrait s’agir de 200 g de fer, de 200 g d’eau, etc.

Définition

Pour pouvoir identier une substance, on doit connaître les propriétés qui lui sont propres et qui ne varient pas. Par exemple, quelle que soit la quantité, l’eau pure gèle à 0 °C et elle bout à 100 °C. Les températures de solidication et d’ébullition sont donc des propriétés caractéristiques de l’eau.

Une propriété caractéristique est une propriété qui est propre à cette substance et qui ne varie pas. Généralement, une propriété caractéristique permet d’identier une substance.

Voici, en guise d’exemple, la liste de certaines propriétés caractéristiques de l’eau et du fer. Tableau 4 Des propriétés caractéristiques de l’eau et du fer Substances

Propriétés caractéristiques

Eau

Point de fusion : 0 °C Point d’ébullition : 100 °C Masse volumique : 1,0 g/cm³ Conductibilité thermique* : moyenne, faible Conductibilité électrique* : faible Acidité/basicité : neutre (pH = 7)

Fer

Point de fusion : 1538 °C Point d’ébullition : 2861 °C Masse volumique : 7,9 g/cm³ Conductibilité thermique* : élevée Conductibilité électrique* : élevée Soluble dans des solutions acides

* Les conductibilités thermique et électrique peuvent aussi se mesurer. On se limitera ici à les qualier de « faible », « moyenne » ou « élevée ».

128

L’univers matériel

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Date :

Tableau 5

L’univers matériel 4.1

Comment les propriétés caractéristiques peuvent-elles aider à identier une substance ? Considérons cinq échantillons de liquides diérents. Un de ces liquides est de l’eau, et on veut savoir lequel. On refroidit les liquides et on note à quelle température ils deviennent solides. On obtient ainsi leur température de solidication. Les résultats sont présentés dans le tableau suivant. La température de solidication des échantillons

Échantillons

Température de solidication (°C)

Liquide A

20

Liquide B

-5

Liquide C

-39

Liquide D

0

Liquide E

-98

On conclut que les liquides A, B, C et E ne sont pas de l’eau parce que leur température de solidication n’est pas 0 °C. Seul le liquide D devient solide à 0 °C. Il s’agit donc de l’eau. Comme aucun autre liquide ne se solidie à 0 °C, nous avons la certitude que le liquide D est de l’eau. La température de solidication d’une substance est unique, un peu comme une empreinte digitale. Elle permet donc d’identier avec certitude une substance. Les propriétés caractéristiques de la matière sont connues. On les trouve dans des ouvrages de référence ou sur des sites Internet spécialisés. C’est en comparant les valeurs mesurées d’une substance inconnue avec des valeurs connues qu’on peut identier une substance. Des substances diérentes peuvent avoir des propriétés caractéristiques semblables. Par exemple, les métaux sont semblables en bien des points, et leurs propriétés caractéristiques sont très diérentes de celles de l’eau ou des gaz. Les gaz partagent aussi certaines propriétés caractéristiques, dont celle d’avoir un point de fusion très bas. Voici quelques exemples de propriétés caractéristiques. Chacune des propriétés décrites ci-dessous peut servir à identier une substance ou un groupe de substances.

Le point de fusion Le point de fusion est la température à laquelle une substance solide fond et devient liquide. C’est aussi la température à laquelle un liquide devient solide. Autrement dit, pour une même substance, les températures de solidication et de fusion sont identiques. Par exemple, l’eau gèle à 0 °C et la glace fond à 0 °C. Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

Chapitre 4 • Les propriétés caractéristiques de la matière

129

Nom :

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Date :

L’univers matériel 4.1

Tous les métaux, excepté le mercure, ont des points de fusion assez élevés. L’étain, par exemple, a un point de fusion de 232 °C (voir la gure 22). Une soudure à l’étain ne risque donc pas de fondre à la température ambiante. Les gaz, notamment ceux qui sont présents dans l’air, ont des points de fusion extrêmement bas.

Le point d’ébullition Le point d’ébullition est la température à laquelle une substance passe de l’état liquide à l’état gazeux. Par exemple, l’eau bout et se transforme en vapeur d’eau à 100 °C (voir la gure 23). C’est aussi la température à laquelle un gaz se condense pour devenir liquide. Le point d’ébullition est donc la température à laquelle il y a passage de l’état liquide à l’état gazeux et de l’état gazeux à l’état liquide.

Figure 22 Le l à soudure sert à faire adhérer ensemble deux pièces métalliques. Pour faire fondre le l, on le chauffe à l’aide d’un fer à souder. Le l est composé d’étain, qui fond à 232 °C. Le fer à souder, lui, ne fond pas, car le point de fusion du fer est de 1535 °C.

Le tableau 6 indique les points de fusion et d’ébullition de 12 substances. Tableau 6

Les points de fusion et d’ébullition de 11 substances

Substances

660

2519

Argent

962

2162

Cuivre

1085

2562

0

100

232

2602

Fer

1538

2861

Or

1064

2856

Oxygène

-219

-183

Mercure

-39

357

Plomb

328

1749

Sel de table

801

1465

Étain

130

L’univers matériel

Point d’ébullition (°C)

Aluminium

Eau

Figure 23 Le point d’ébullition de l’eau est de 100 °C.

Point de fusion (°C)

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Date :

L’univers matériel 4.1

La masse volumique Certains objets peuvent être plus lourds que d’autres sans nécessairement occuper plus de volume. Cela dépend de la matière dont ils sont composés. Une petite bille d’acier, par exemple, a une masse plus grande qu’une grosse guimauve. Pour comparer la masse de substances diérentes, il faut que les volumes de ces dernières soient égaux. Ainsi, trois cubes de taille identique faits de substances diérentes, par exemple du bois, du verre et du plomb, ont des masses diérentes (voir la gure 24). Lorsqu’on met ainsi en relation la masse et le volume d’une substance, on parle de « masse volumique ». La masse volumique d’une substance est le rapport de sa masse à son volume. Elle s’évalue généralement en grammes par centimètre cube (g/cm³). Le tableau 7 indique la masse volumique de quelques substances. Tableau 7 Substances

Figure 24 Ces trois cubes ont le même volume, mais des masses différentes. Le cube de bois a une masse volumique de 0,7 g/cm³, le cube de verre de 2,5 g/cm³, et le cube de plomb de 11,3 g/cm³.

La masse volumique de quelques substances

Masse volumique (g/cm³)

Substances

19,3 Or

Masse volumique (g/cm³)

1,0 Eau

8,9

Cuivre

0,9

Huile végétale

7,9

Fer

0,8

Alcool

2,7

Aluminium Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

0,0012

Air Chapitre 4 • Les propriétés caractéristiques de la matière

131

L’univers matériel 4.1

Nom :

Groupe :

Tableau 8 La classication de la dureté des minéraux, selon l’échelle de Mohs Dureté

Minéraux

1

Talc, friable sous l’ongle

2

Gypse, rayable avec l’ongle

3

Calcite, rayable avec une pièce de cuivre

4

Fluorine, facilement rayable au couteau

5

Apatite, rayable au couteau

6

Orthose, rayable à la lime, par le sable

7

Quartz, raye une vitre

Date :

La dureté Il est possible de graver son nom sur un morceau de bois avec un morceau de verre. Mais il est impossible d’écrire son nom sur du verre avec un bout de bois, même très pointu. La capa cité pour un solide d’en rayer ou d’en user un autre donne une indication quant à sa dureté. On détermine le degré de dureté d’un solide en comparant ses capacités à celles des minéraux qui figurent dans l’échelle de Mohs (voir le tableau 8). Élaborée en 1812 par l’Allemand Friedrich Mohs, cette échelle classe 10 minéraux, du plus mou au plus dur.

La conductibilité thermique

Lorsqu’on fait cuire un aliment, on utilise généralement un ustensile de cuisine (poêle, Topaze, rayable au carbure casserole, marmite) en métal. Comme il est de tungstène placé entre la source de chaleur et l’aliment, Corindon, rayable au carbure l’ustensile de cuisine constitue un obstacle au de silicium passage de la chaleur. Il est donc nécessaire Diamant, rayable avec que l’ustensile laisse facilement passer la chaun autre diamant leur, car autrement l’aliment ne cuirait pas (voir la gure 25 a, à la page suivante). Cette propriété que possèdent certaines substances de laisser passer la chaleur se nomme « conductibilité thermique ». En général, les métaux ont une grande conductibilité thermique. Ils sont ce qu’on appelle des « conducteurs thermiques ».

8 9 10

Flash

info

Un bon isolant thermique

Les humains et les animaux ont trouvé différents moyens de se garder au chaud durant l’hiver. Les humains construisent des maisons isolées et portent des vête­ ments chauds. Les animaux, de leur côté, se fabriquent des abris, et leur fourrure épaissit. Les moyens utilisés pour se pro­ téger du froid ont un point en commun : ils utilisent l’air. En effet, l’air est un très bon isolant thermique. La laine minérale, le styromousse, les bres textiles (coton, laine, bre synthé­ tique), la fourrure et la plupart des isolants que nous utilisons sont efcaces parce qu’ils contiennent de l’air. Un abri construit de branches et de feuilles mortes tient un animal au chaud parce que l’air emprisonné dans les parois de l’abri empêche la cha­ leur émanant du corps de l’animal de s’échapper à l’extérieur. De la même manière, un bon manteau d’hiver garde la chaleur du corps étant donné l’air contenu dans le rembourrage.

132

L’univers matériel

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Groupe :

À l’inverse, on a parfois besoin de se protéger de la chaleur ou de l’empêcher de se propager et de se perdre. C’est le cas avec un gobelet de styromousse contenant une boisson chaude (voir la gure 25 b). Le styromousse est utile, car il possède une faible conductibilité thermique. La chaleur le traverse peu, elle reste prisonnière à l’intérieur du gobelet. La boisson reste ainsi chaude plus longtemps, et cela évite de se brûler les doigts. Les substances ayant une faible conductibilité thermique constituent ce qu’on appelle des « isolants thermiques ». Le bois, les matières plastiques et la céramique sont de bons isolants thermiques.

Date :

A

L’univers matériel 4.1

Nom :

B

Figure 25 A Une casserole en acier conduit la chaleur de la cuisinière aux aliments. B Un verre en styromousse isole la chaleur et la conserve à l’intérieur. Conducteur de cuivre Isolant de plastique

La conductibilité électrique Comme pour la chaleur, certaines substances se laissent facilement traverser par un courant électrique. On les appelle des « conducteurs électriques ». C’est le cas des métaux, qui sont tous de bons conducteurs d’électricité (voir la gure 26). La conductibilité électrique est la propriété qu’a une substance de conduire l’électricité. Par ailleurs, d’autres substances s’opposent au passage d’un courant électrique. On les appelle des « isolants électriques ». Les matières plastiques, le verre et la céramique sont des isolants électriques.

Figure 26 Nos appareils électriques sont reliés à la source de courant par un cordon. Les ls de cuivre à l’intérieur du cordon conduisent l’électricité jusqu’à l’appareil. La gaine de plastique du cordon isole l’électricité pour empêcher un incendie ou une électrocution.

La solubilité Lorsque nous mettons du sel et du poivre dans un bol de soupe, le sel semble disparaître alors que les grains de poivre restent visibles. En goûtant à la soupe, on se rend compte que le sel et le poivre sont bien présents. Mais pourquoi le sel devient-il invisible ? Le sel, contrairement au poivre, est soluble dans l’eau (voir la figure 27). Comme la soupe est surtout constituée d’eau, le sel s’y dissout, c’est-à-dire que les particules (molécules) qui composent le sel se détachent les unes des autres pour se lier aux molécules d’eau. Le sel devient alors invisible. Mais si nous versons du sel dans de l’huile, les grains de sel resteront solides et Reproduction interdite © Chenelière Éducation inc.

A

B

Figure 27 A Le sel est soluble dans l’eau. Les grains de sel disparaissent en se mélangeant à l’eau. B Le poivre est insoluble dans l’eau. Il demeure à l’état solide lorsqu’on le mélange à l’eau.

Chapitre 4 • Les propriétés caractéristiques de la matière

133

Nom :

Groupe :

Date :

L’univers matériel 4.1

entiers, car le sel est insoluble dans l’huile. La solubilité est donc la propriété que possède une substance de se dissoudre dans une autre substance. On nomme « soluté » la substance liquide, solide ou gazeuse qui se dissout dans une autre substance (le solvant). On nomme « solvant » la substance, généralement liquide, qui dissout le soluté. Le mélange des deux substances s’appelle une « solution ». Dans l’exemple donné plus haut, le sel est le soluté, l’eau est le solvant. L’eau salée est une solution.

Des propriétés caractéristiques parfois identiques Il arrive que deux substances diérentes ont une propriété carac­ téristique en commun. Par exemple, le cuivre et le nickel ont tous deux une masse volumique de 8,9 g/cm³. Il est donc parfois nécessaire de procéder à d’autres vérications pour être certain de l’identité d’une substance. Dans ce cas­ci, on distingue aisé­ ment les deux métaux l’un de l’autre, car ils sont de couleur dié­ rente. Le cuivre et le nickel se diérencient aussi par leur point de fusion : 1085 °C pour le cuivre et 1455 °C pour le nickel. Il existe d’autres propriétés caractéristiques que celles qui ont été décrites jusqu’ici. Toutes les propriétés caractéristiques peuvent être mesurées et servir à identier une substance.

Activités 1

a) Qu’est-ce qu’une propriété caractéristique ? Donnez une dénition dans vos mots.

b) Nommez cinq propriétés caractéristiques de la matière en général.

134

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

2

Expliquez comment il est possible d’identier une substance inconnue à l’aide de ses propriétés caractéristiques.

3

Pour chacune des substances suivantes, nommez cinq propriétés caractéristiques. Pour chacune des propriétés, donnez la valeur correspondante, s’il y a lieu ; sinon, décrivez la propriété à l’aide d’un seul mot. Substances

Propriétés caractéristiques

Aluminium

Cuivre

Eau 4

a) Nommez deux propriétés caractéristiques que les métaux ont en commun.

b) Nommez une propriété que des gaz tels que l’oxygène, l’azote et le gaz carbonique ont en commun.

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Chapitre 4 • Les propriétés caractéristiques de la matière

135

L’univers matériel 4.1

Nom :

L’univers matériel 4.1

Nom :

5

Groupe :

Date :

Les volcanologues qui étudient les volcans de près utilisent une combinaison spéciale contenant de l’amiante. a) Pour quelle raison le volcanologue a-t-il besoin d’une combinaison spéciale ?

b) Selon vous, quelle propriété caractéristique de l’amiante est utilisée dans la combinaison ?

6

Les ustensiles de cuisine sont presque toujours en métal (cuivre, aluminium, acier). Justiez le choix de ce matériau en vous appuyant sur les propriétés caractéristiques des métaux.

7

Voici différentes valeurs correspondant aux propriétés caractéristiques de quelques substances. Associez ces valeurs à la propriété caractéristique qui convient. a) 7,9 g/cm³

1) Point d’ébullition de l’alcool

b) -218 °C

2) Masse volumique de l’eau

c) 1,0 g/cm³

3) Point de fusion de l’oxygène

d) 79 °C

4) Masse volumique du fer

8

Expliquez pourquoi les bornes positive et négative d’une pile électrique sont toujours en métal.

9

La soudure consiste à faire adhérer ensemble des pièces métalliques avec du métal fondu. La soudure se fait généralement avec de l’étain. On utilisait autrefois le plomb, mais celui-ci s’est révélé toxique. a) Expliquez pourquoi on utilise ces deux métaux pour faire de la soudure plutôt que le fer ou le cuivre, par exemple.

136

L’univers matériel

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Groupe :

Date :

b) Il est impossible d’utiliser du mercure pour effectuer des soudures. Expliquez pourquoi.

10

Marie et Pierre font cuire des pommes de terre. Marie les fait bouillir dans l’eau salée. Pierre les fait frire dans l’huile dans laquelle il ajoute la même quantité de sel que Marie. À la n de la cuisson, seul l’un des deux obtient des pommes de terre avec un goût salé. Lequel des deux obtient des pommes de terre salées ? Expliquez pourquoi.

11

En vous référant aux tableaux et aux informations contenus dans les pages précédentes, indiquez de quelle substance il s’agit. a) Point de fusion 660 °C b) Masse volumique 0,9 g/cm³ c) Point d’ébullition 100 °C d) Point d’ébullition 357 °C e) Masse volumique 2,7 g/cm³ f) Point d’ébullition 2856 °C g) Masse volumique 8,9 g/cm³, point de fusion 1455 °C

12

Complétez le tableau suivant en vous référant aux tableaux et aux informations contenus dans les pages précédentes. Substances

Point de fusion (°C)

Or

Masse volumique (g/cm³) 19,3 1,0

Cuivre

Conductibilité électrique

Faible

1085

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Chapitre 4 • Les propriétés caractéristiques de la matière

137

L’univers matériel 4.1

Nom :

Nom :

Groupe :

L’univers matériel 4.2

4.2

Date :

Une propriété caractéristique : l’acidité et la basicité

Les acides et les bases sont des substances que nous utilisons cou­ ramment en raison de leurs propriétés antimicrobiennes. Le vinaigre (acide acétique) est utilisé pour préserver les aliments en conserve et empêcher les bactéries de s’y former. La plupart des produits net­ toyants, quant à eux, sont des bases qui tuent les microbes.

B

C

Figure 28 A Les fruits et les jus de fruits sont généralement acides. B Les savons et les autres produits de nettoyage sont basiques. C L’eau pure est neutre : elle n’est ni acide ni basique.

Ces substances sont actives chimiquement, ce qui signie qu’elles réagissent avec d’autres substances et les transforment. On les uti­ lise souvent dans l’industrie en raison de cette capacité à réagir et à transformer la matière. L’acide chlorhydrique, par exemple, intervient dans la fabrication de plusieurs plastiques. L’acidité et la basicité peuvent être fortes ou faibles selon les substances en jeu (voir la gure 28). Ainsi, le vinaigre et les jus de fruits sont légèrement acides et parfaitement inoensifs. En revanche, l’acide chlorhydrique et l’acide sulfurique sont des acides forts, capables de dissoudre les métaux (voir la gure 29) et susceptibles de causer de graves brûlures. Les bases sont les antagonistes des acides et réagissent dié­ remment. Le savon de toilette est une base faible et inoensive alors que la soude caustique (hydroxyde de sodium) est une base forte qui peut léser les tissus vivants. Les substances qui ne sont ni acides ni basiques sont dites neutres. Définition

A

L’acidité et la basicité sont liées à la capacité de réagir de certaines substances. Ce sont des substances antagonistes, qui réagissent de manière différente.

Les acides ont des points communs que l’on peut considérer comme des propriétés. Il en va de même pour les bases. Le tableau 9 en présente quelques­unes. Tableau 9

Quelques propriétés des acides et des bases

Acides

Figure 29 Le magnésium, un métal, réagit fortement avec un acide en libérant un gaz (hydrogène) et de la chaleur.

138

L’univers matériel

Bases

• Réagissent avec les métaux (voir la gure 29). • Rougissent le papier tournesol bleu.

• Visqueux au toucher. • Bleuissent le papier tournesol rouge. • Dissolvent les graisses.

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Date :

Bien que l’acidité et la basicité soient considérées comme des propriétés caractéristiques de la matière, le caractère acide ou basique ne sut pas pour identier une substance. Il est cependant possible de mesurer le degré d’acidité ou de basicité d’une substance, ce qui peut aider à son identication. On classe l’acidité et la basicité sur l’échelle de pH, qui varie de 0 à 14 (voir le tableau 10, à la page suivante). Plus le pH d’une substance est près de 0, plus elle est acide. À l’inverse, plus le pH est élevé, plus la substance est basique. Si le pH est au milieu de l’échelle (7), la substance est neutre.

L’univers matériel 4.2

L’échelle de pH

Lave-vitre

Figure 30 Le papier tournesol rouge devient bleu au contact d’un détergent basique.

Pour mesurer le pH d’une substance et déterminer son caractère acide ou basique, on utilise un indicateur de pH. Si la substance n’est pas déjà liquide, elle doit être dissoute dans l’eau. L’indicateur ajouté à la solution se colore diéremment selon le pH. Un des indicateurs les plus couramment uti lisés est le papier tournesol. Le papier tournesol bleu se colore en rouge au contact d’un acide alors que le papier tournesol rouge se colore en bleu au contact d’une base (voir la gure 30). L’indicateur universel (voir la gure 31) possède une plus grande variété de teintes. Il est donc très utilisé, car il permet non seulement de distinguer un acide d’une base, mais aussi de connaître avec plus de précision la valeur du pH d’une solution et ainsi de savoir si l’acide ou la base est fort ou faible. Il existe aussi un appareil nommé « pH mètre » qui permet de mesurer directement le pH d’une solution.

Flash

histoire

Figure 31 Du papier indicateur universel.

Le vinaigre, d’hier à aujourd’hui

Le vinaigre est sans doute le plus ancien acide utilisé par l’être humain. On estime qu’il a été découvert il y a plus de 5000 ans. On l’obtient en laissant du vin exposé à l’air pendant un certain temps, d’où son nom de « vin aigre ». D’abord servi comme boisson, il a ensuite été utilisé pour désinfecter les plaies et les blessures. Au Moyen Âge, on s’en est aussi servi comme nettoyant et comme désodorisant pour masquer l’odeur des égouts. On l’a même employé pour se protéger de la peste pendant les grandes épidémies. Aujourd’hui, de nombreuses substances désinfectantes sont sur le marché mais le vinaigre est encore utilisé comme produit nettoyant et comme désinfectant. De plus, il est biodégradable. Il est aussi très utilisé pour la conservation et l’assaisonnement des aliments.

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Le vinaigre est un nettoyant efcace et biodégradable.

Chapitre 4 • Les propriétés caractéristiques de la matière

139

Groupe :

L’univers matériel 4.2

Nom :

Tableau 10

Date :

Le pH de certaines substances avec leur coloration à l’indicateur universel Substance

pH approximatif

Acide chlorhydrique

0

Batterie acide