La physique du pop corn: Découvrir et apprendre avec 22 expériences 9782759825912

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PHYSIQUE du

Translation from the English language edition of: The Physics of Popcorn © UniPress Books Ltd 2020 Traduction et mise en page de l’édition française : Benjamin Peylet

ISBN (papier) : 978-2-7598-2590-5 ISBN (ebook) : 978-2-7598-2591-2

Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés, réservés pour tous pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des alinéas 2 et 3 de l’article 41, d’une part, que les « copies ou reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinés à une utilisation collective », et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but d’exemple et d’illustration, « toute représentation intégrale, ou partielle, faite sans le consentement de l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (alinéa 1er de l’article 40). Cette représentation ou reproduction, par quelque procédé que ce soit, constituerait donc une contrefaçon sanctionnée par les articles 425 et suivants du code pénal.

© EDP Sciences, 2021

AVERTISSEMENT DE SÉCURITÉ Les expériences décrites dans ce livre doivent être réalisées sous la supervision d’un adulte et avec toutes les précautions nécessaires, en particulier pour ce qu’il s’agit des allergies et intolérances alimentaires. Les instructions de chacune des expériences ne doivent pas se substituer au bon sens bien informé des participants. L’auteur et l’éditeur déclinent par avance toute responsabilité quant aux incidents qui pourraient survenir lors de la réalisation de ces expériences.

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PHYSIQUE du

SCIENCE EN CUISINE DR. A IDA N R A ND L E - C O N D E

SOMMAIRE 6

INTRODUCTION

46 DÉCOUVRIR : Qu’est-ce qu’une onde ?

CHAPITRE 1 : CHALEUR ET ÉNERGIE

48 EXPÉRIMENTER : Faire des vagues

10 DÉCOUVRIR : Densité et poussée 12 EXPÉRIMENTER : Premier pop 14 DÉCOUVRIR : États de la matière 16 DÉCOUVRIR : Chaleur et énergie 18 EXPÉRIMENTER : Modèle de convection 20 APPRENDRE : Densité 21 APPRENDRE : Transfert de chaleur 22 DÉCOUVRIR : Gaz parfait et machines à vapeur 24 EXPÉRIMENTER : Changer l’eau en vapeur 26 DÉCOUVRIR : Éclater le grain 28 EXPÉRIMENTER : Pression du pop 30 APPRENDRE : Équilibrer une équation 32 EXPÉRIMENTER : Vol en montgolfière 34 APPRENDRE : Propriétés des solides, des liquides et des gaz

CHAPITRE 2 : ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME

52 DÉCOUVRIR : Spectre électromagnétique 54 EXPÉRIMENTER : Faire un arc-en-ciel 56 APPRENDRE : Vitesse des ondes 57 APPRENDRE : Au-delà du visible 58 DÉCOUVRIR : Un micro-onde, comment ça marche ? 60 EXPÉRIMENTER : Micro-ondes et vitesse de la lumière 62 DÉCOUVRIR : Électricité 64 APPRENDRE : Circuits 65 APPRENDRE : Différentes centrales 66 EXPÉRIMENTER : Fabriquer un moteur à pile 68 DÉCOUVRIR : Qu’est-ce que la lumière ? 70 EXPÉRIMENTER : Filtrer la lumière 74 APPRENDRE : Envoyer des codes secrets avec des photons

CHAPITRE 3 : FORCES ET GRAVITÉ 78 DÉCOUVRIR : Forces

38 DÉCOUVRIR : Électricité et magnétisme

80 EXPÉRIMENTER : Tester la 3e loi de Newton

40 EXPÉRIMENTER : Électricité et magnétisme dans la cuisine

82 APPRENDRE : Graphiques de vitesse

44 APPRENDRE : Électricité et magnétisme

86 EXPÉRIMENTER : Chute et gravité

84 DÉCOUVRIR : Gravité

88 APPRENDRE : Gravité et expérience de pensée

130 EXPÉRIMENTER : Construire une navette spatiale

90 DÉCOUVRIR : Quantité de mouvement

132 APPRENDRE : Missions spatiales 134 DÉCOUVRIR : Relativité restreinte

92 EXPÉRIMENTER : Mouvement conservé

136 EXPÉRIMENTER : Gravité et relativité générale

94 APPRENDRE : Jouer au billard 96 DÉCOUVRIR : Baseball et boulets

138 APPRENDRE : Vaisseaux super rapides

98 EXPÉRIMENTER : Projectiles de popcorn

140 DÉCOUVRIR : Terre et système solaire

100 APPRENDRE : Moment cinétique

142 EXPÉRIMENTER : Ce qu’on voit depuis la Terre

102 DÉCOUVRIR : Friction et résistance 104 EXPÉRIMENTER : Friction en action 106 APPRENDRE : Friction et camions

CHAPITRE 4 : PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET ESPACE 110 DÉCOUVRIR : Atomes et noyaux 112 EXPÉRIMENTER : Popcorn nucléaire 114 APPRENDRE : Dans l’atome 116 DÉCOUVRIR : Physique et médecine 118 EXPÉRIMENTER : Rayons X, scanners et bagages 120 APPRENDRE : Oranges et radioactivité 122 DÉCOUVRIR : Assez de popcorn pour former une étoile 124 EXPÉRIMENTER : Système solaire 126 APPRENDRE : Vitesse de libération 128 DÉCOUVRIR : Comment marchent les fusées

144 APPRENDRE : Planètes visibles 146 RÉPONSES 156 INDEX 160 CRÉDITS PHOTOGRAPHIQUES

6 INTRODUCTION

INTRODUCTION

L

e 2 août 1971, l’astronaute américain David Scott a lâché en même temps un marteau et une plume, qui après leur chute

ont touché le sol au même moment. David était alors sur la Lune et, s’il a lâché ce marteau et cette plume, c’était pour prouver une idée vieille de plus de 300 ans, une idée de Galilée, célèbre savant italien du XVIe siècle. Cette idée, la voici : la gravité – cette force qui fait tomber les choses – fait tout tomber à la même vitesse. On s’attendrait pourtant à ce que la plume tombe plus lentement que le marteau, car l’air la ralentit davantage. Mais comme il n’y a pas d’air sur la Lune, David a pu mettre en pratique l’idée de Galilée et prouver qu’il avait raison. Il était important de vérifier l’idée de Galilée dans un endroit sans air. Mais le plus important, c’est que cette expérience sur la Lune a été un succès. Galilée s’intéressait à la chute des objets sur Terre. Pourtant, il a abouti à une idée qui s’applique partout dans l’Univers. La physique est ainsi, elle s’intéresse aux idées qui s’appliquent partout et tout le temps. Elle cherche les règles fondamentales qui régissent le fonctionnement de tout l’Univers. La physique nous aide à comprendre le monde et même l’Univers, du plus petit fragment de matière aux vastes galaxies, de la chaleur au centre du Soleil à l’espace infiniment glacé. Et comme la physique marche à toutes les époques, les règles qui régissent l’Univers d’aujourd’hui n’ont pas changé depuis des milliards d’années, et règneront encore très longtemps.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 7

Dans ce livre, vous serez guidés au travers des principaux domaines de la physique. Vous trouverez de nombreuses expériences avec leur texte explicatif, et des quiz amusants pour vous assurer que vous avez bien retenu les concepts exposés. Ces expériences nécessitent du matériel simple. S’il vous manque un ingrédient chez vous, demandez à un ami ou au voisin. Mais qu’est-ce que le popcorn vient faire là-dedans ? Eh bien, pas mal de choses, car la physique du popcorn est la même que la physique de tout le reste. Par exemple, la physique de la vapeur n’intervient pas que pour faire du popcorn, c’est aussi ce qui a alimenté la Révolution industrielle. Les ondes qui cuisent le popcorn dans un four à micro-ondes sont les mêmes que celles qui font fonctionner tous les téléphones portables et les radios du monde. Et les atomes qui constituent le popcorn ont été formés au cœur des étoiles avant de se répandre partout dans l’Univers. Aujourd’hui, ce sont peut-être des objets banals que vous construirez, mais demain vous pourriez voler dans l’espace. Aujourd’hui, vous vous amuserez avec des aimants, mais plus tard peut-être votre métier consistera-t-il à inventer des machines incroyables. Une fois que vous comprenez la physique, les seules limites, ce sont les lois de la nature. C’est ainsi que les humains ont été capables d’aller sur la Lune, de créer Internet et de développer des énergies durables.

CHAPITRE 1

CHALEUR ET ÉNERGIE DÉCOUVRIR... APPRENDRE... EXPÉRIMENTER...

10 CHALEUR ET ÉNERGIE

DÉCOUVRIR : DENSITÉ ET POUSSÉE Avant cuisson, les grains de popcorn sont petits et durs. Une fois éclatés, un produit meilleur, plus gros et plus mou, est obtenu. Qu’estce qui a fait éclater les grains ? Dans chacun d’eux, on trouve de l’eau et de l’amidon, très dur. La chaleur ramollit l’amidon et casse le grain.

MASSE ET VOLUME Il faut d’abord nous intéresser aux changements de densité du popcorn. La densité nous indique la quantité de masse par unité de volume. La masse quant à elle nous donne le poids d’un corps, et le volume l’espace qu’il occupe. Par exemple, quand on parle d’un litre de lait, ce litre est l’unité de volume. Un objet lourd a une masse élevée, un objet léger une masse faible. Si on suppose que tous les grains de popcorn sont de masse égale, alors deux fois plus de grains auront une masse deux fois plus grande. Autrement dit, la masse totale est proportionnelle au nombre de grains.

VISUALISONS LES ÉQUATIONS Dans ce livre, vous rencontrerez des équations telles que cette équation de la densité. On peut les représenter par un triangle. Si on connaît deux des valeurs qu’il contient, et qu’on cherche à déterminer la troisième, il suffit de cacher cette dernière avec le doigt pour trouver comment la calculer. Par exemple, pour calculer la densité, cachez-la dans le schéma suivant pour découvrir qu’il faut diviser la masse par le volume. Si c’est la masse qu’il faut calculer, cachez la masse et vous verrez qu’il faut dans ce cas multiplier la densité par le volume.

L’équation suivante donne la densité : Densité = Masse ÷ Volume Notez que la densité ne concerne pas toujours la masse. Par exemple, la densité d’énergie nous donne la quantité d’énergie dans une unité de volume. La densité des grains de popcorn peut être définie comme le nombre de grains par unité de volume.

MASSE

DENSITÉ

VOLUME

LA PHYSIQUE DU POPCORN 11

POUSSÉE Quand la densité d’un corps diminue, son comportement peut se modifier. Par exemple, dans l’eau, il pourra se mettre à flotter. C’est ce que font les poissons pour monter et descendre : ils gonflent ou dégonflent une poche de gaz appelée vessie natatoire. Quand la vessie se gonfle, la masse de gaz occupe un volume plus grand, et la densité diminue. À l’inverse, pour l’augmenter, le poisson compresse sa vessie. Si le poisson entier est moins dense que l’eau qui l’entoure, celle-ci le pousse vers le haut jusqu’à ce qu’il atteigne une eau de même densité que lui. Cette force qui fait remonter le poisson s’appelle la poussée. Quand un objet est immergé, un certain volume d’eau doit lui céder la place, on dit alors que cette eau est déplacée. La poussée est égale au poids du liquide que l’objet a déplacé, donc, si le poisson occupe un volume de 500 ml, une force égale au poids de 500 ml d’eau le poussera vers le haut. Si cette force est supérieure à son propre poids, il remontera. Pour plonger plus profond, le poisson doit augmenter sa densité, afin que son poids excède la force de poussée qui s’exerce sur lui.

12 CHALEUR ET ÉNERGIE

EXPÉRIMENTER : PREMIER POP Quand on fait du popcorn, on remarque vite qu’il occupe beaucoup plus de place une fois éclaté que quand il était encore sous forme de grains. Comment déterminer le volume de popcorn avant et après la cuisson ?

IL VOUS FAUDRA :

CE QU’IL FAUT FAIRE :

• Un paquet de grains de popcorn • Une casserole et son couvercle • Un produit en grains fins (sucre, sel, sable ou riz) • Une balance de cuisine • Un petit verre mesureur (gradations de 10 ml) • Un grand verre mesureur (jusqu’à 750 ml) • Un saladier

1. Videz les grains de popcorn dans la casserole et fermez le couvercle. Chauffez la casserole à feu moyen et laissez cuire jusqu’à ce qu’environ la moitié des grains aient éclaté (demandez l’aide d’un adulte). Retirez du feu et laissez refroidir (attention, c’est chaud !). Une fois le popcorn refroidi, séparez les grains éclatés et les grains encore fermés. 2. Versez 40 ml d’eau dans le petit verre mesureur et, à l’aide la balance, mesurez sa masse.

NC E S É PR

E

T EE L U A D AIR NÉ

CESS

ÉTAPE 3

PESER LES GRAINS

ÉTAPE 5

LA PHYSIQUE DU POPCORN 13 3. Ajoutez les grains encore fermés dans le petit verre, un à la fois, jusqu’à ce que le volume atteigne 50 ml. Comptez le nombre de grains ajoutés. Cela vous indique combien de grains fermés occupent un volume de 10 ml. Notez ce nombre et appelez-le N_fermés. Pesez de nouveau le verre et son contenu. 4. Soustrayez la masse du verre ne contenant que de l’eau (étape 2) de la masse du verre contenant l’eau et les grains fermés (étape 3). Notez ce nombre M_fermés et divisez-le par le nombre de grains fermés ajoutés dans le verre à l’étape 3 pour obtenir la masse moyenne d’un grain. 5. Placez 25 grains éclatés dans le grand verre mesureur. Ajoutez le produit en grains fins jusqu’à recouvrir le popcorn. Secouez doucement pendant 30 secondes, puis lisez le volume qu’occupe le mélange. Pesez le verre pour découvrir la masse du mélange. 6. Videz le grand verre mesureur dans un saladier, ôtez les grains éclatés et reversez le reste (les grains fins) dans le grand verre mesureur. Pesez de nouveau le verre et notez la masse obtenue, ainsi que le volume occupé par le remplissage de grains fins. 7. Soustrayez le volume des grains fins (étape 6) du volume du mélange grains éclatés et grains fins (étape 5).

Le résultat est le volume des 25 grains éclatés. Notez ce nombre et appelezle V_éclatés. 8. Soustrayez la masse des grains fins (étape 6) de la masse du mélange grains éclatés et grains fins (étape 5). Le résultat est la masse des 25 grains éclatés. Notez ce nombre et appelezle M_éclatés.

QUE SE PASSE-T-IL ? Quel volume occupent les grains éclatés par rapport aux grains encore fermés ? Afin de le savoir, il vous faudra déterminer le volume qu’occupe un unique grain de popcorn. Pour calculer le volume moyen d’un grain fermé, regardez l’étape 3. Divisez les 10 ml par le nombre de grains fermés que vous avez ajoutés (N_fermés). Cela vous donnera le volume d’un grain fermé, V_fermé. Divisez ensuite le volume des popcorns éclatés (V_éclatés, étape 7) par 25 pour obtenir le volume d’un seul grain éclaté. Calculez la différence entre les deux en soustrayant le plus petit volume du plus grand. Cette différence de volume est-elle plus grande que vous ne le pensiez ? (Les résultats de cette expérience vous resserviront en page 20.) Pour découvrir d’où vient tout ce volume en plus, plongez quelques grains éclatés dans de l’eau et observez la montée du niveau d’eau. Est-ce que ça monte autant que vous l’imaginiez ? Sinon, pourquoi, à votre avis ? (Pour en avoir l’explication, allez page 148.)

14 CHALEUR ET ÉNERGIE

DÉCOUVRIR : ÉTATS DE LA MATIÈRE Tout ce qui vous environne, tout ce que vous touchez est fait de matière. La matière existe en trois principaux états : solide, liquide et gazeuse. Par exemple, la nourriture que vous mangez est solide, l’eau que vous buvez est liquide, l’air que vous respirez est gazeux.

SOLIDE, LIQUIDE, GAZ Tout ce qui nous entoure est fait de molécules, de minuscules bouts de matière, et la manière dont elles s’accrochent les unes aux autres détermine si ce qu’elles composent est un solide, un liquide ou un gaz. Les solides sont durs et conservent leur forme. Leurs molécules sont disposées comme les oranges dans une boîte : pour en déplacer une, il faut les déplacez toutes. Les solides sont souvent plus denses que les gaz. Les molécules d’un liquide sont plutôt comme des oranges dans un sac. Elles restent groupées mais leur forme n’est pas fixe, elles rempliront tout contenant où vous les verserez. Les liquides sont en général aussi denses que les gaz. Les molécules d’un gaz sont comme des oranges lancées en l’air, sans forme ni densité déterminée. Les gaz remplissent l’espace disponible. Liquides et gaz sont des fluides. Les molécules d’un fluide qui rencontrent une paroi y exercent une pression.

ÉTATS DE LA MATIÈRE

Gaz

Liquide

Solide

LA PHYSIQUE DU POPCORN 15 GAZ DANS UN BALLON Imaginez un ballon rempli d’air dont l’extrémité n’a pas encore été nouée. Si vous le pressez doucement tout en maintenant l’extrémité fermée, vous sentirez que l’air à l’intérieur repousse votre main. C’est un effet de la pression. Les molécules de gaz dans le ballon volent en tout sens à grande vitesse, elles se cognent entre elles et contre les parois du ballon. Quand vous y appliquez une pression, vous sentez cette force. Comment augmenter la pression du ballon ? Une option serait d’y insuffler encore plus d’air, ce qui s’exprime par cette équation : Pression dans le ballon = Constante × Quantité d’air dans le ballon Cela signifie que si on double la quantité d’air, on double la pression. La pression, la quantité de gaz, le volume et la température sont des variables, ce qui veut dire qu’elles peuvent être modifiées. La constante est un nombre qui ne change jamais. Sa valeur dépend des unités utilisées. Par exemple, la distance entre New York et Los Angeles est 4 500 km. Mais les Américains comptent en miles, pas en kilomètres, et il faut diviser 4 500 par la constante 1,6 (le nombre de kilomètres dans un mile) pour obtenir la distance de 2 800 miles que les Américains connaissent bien.

Un autre moyen d’augmenter la pression serait d’écraser le ballon. Si vous le forcez à occuper moins d’espace, vous sentirez la pression dans le ballon repousser votre main. Cela signifie que, quand on diminue le volume, la pression augmente. Notre équation devient dans ces conditions : Pression dans le ballon = Constante × Quantité d’air dans le ballon ÷ Volume Enfin, une autre option serait de chauffer le ballon. Quand on chauffe un corps, il se dilate pour occuper plus d’espace. Si l’air dans le ballon ne peut pas se dilater, c’est la pression qui augmentera. On peut donc ajouter encore une partie à notre équation : Pression dans le ballon = Constante × Quantité d’air dans le ballon × Température ÷ Volume

16 CHALEUR ET ÉNERGIE

DÉCOUVRIR : CHALEUR ET ÉNERGIE L’énergie est tout autour de nous. Dans les rayons du soleil, dans les voitures qui roulent. Tout ce que font les humains, même respirer, repose sur l’énergie, et les humains en utilisent de plus en plus avec le temps. L’énergie est ce qui fait éclater le popcorn. C’est une quantité qui se conserve, ce qui signifie qu’on ne peut ni la créer ni la détruire, on ne peut que la transformer, d’un type d’énergie à l’autre. L’énergie existe sous bien des formes ; l’une d’elles est la chaleur. La chaleur peut être transformée en travail (c’est ce que fait une centrale électrique), et le travail en chaleur (c’est ce que fait un radiateur, ou vos mains quand vous les frottez rapidement l’une contre l’autre). aleur t la ch On sen son chaude ois d’une b nduction (la p a r c o t c h a u d e) e t s tasse e vection (l’air n d). o c r pa t chau sus es au-des

À chaque fois qu’une énergie est transformée, une partie se dissipe sous forme de chaleur, car avec le temps tout ordre tend à disparaître. C’est pour ça qu’il est difficile de garder une chambre rangée ! On observe partout cette dissipation de l’énergie sous forme de chaleur. Les ordinateurs consomment de l’énergie électrique pour leurs calculs et ils ont besoin de ventilateurs pour évacuer la chaleur résiduelle. Un téléphone qu’on charge chauffe aussi. Après une promenade, les pneus, les freins et même la chaîne d’un vélo sont plus chauds.

DÉPLACER LA CHALEUR Si beaucoup de chaleur se trouve concentrée dans un petit espace, elle aura tendance à se répandre et à occuper un plus gros volume avec le temps. Ainsi, la température d’un bain chaud baisse vite au début. Plus tard, quand l’eau est à peine plus chaude que l’air ambiant, le bain refroidit plus lentement.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 17

MAINTENIR AU CHAUD

50 °C

25 °C

Casserole sans couvercle, grosse perte de chaleur

La chaleur se transmet de trois manières : • Par conduction, quand elle est transmise par un solide. • Par convection, quand elle est transmise par un liquide ou un gaz. • Par rayonnement, quand elle est transférée d’un endroit à l’autre sans intervention d’un solide, d’un liquide ni d’un gaz. Quand on chauffe du popcorn, ces trois formes de transfert ont lieu. La chaleur est une forme d’énergie, et comme l’énergie se conserve, la chaleur se conserve. Un objet chaud se refroidit et, si la chaleur circule vite, il refroidira vite. Si elle circule lentement, il refroidira lentement. C’est pourquoi on isole les réservoirs d’eau chaude : l’isolation ralentit la perte de chaleur.

50 °C

40 °C

Casserole avec couvercle, chaleur conservée

La vitesse du transfert de chaleur est liée à sa vitesse de circulation. Plus grande est la différence de température, plus le transfert de chaleur sera rapide.

REFROIDISSEMENT PAR CHAUFFAGE Quand on met un glaçon dans un verre, on peut se dire qu’il refroidit l’eau. Mais que se passe-t-il vraiment ? L’eau est plus chaude que la glace, sa chaleur est donc transférée au glaçon, qui fond et produit ainsi plus d’eau, ce qui favorise la convection et lui transfère encore plus de chaleur. Comme l’eau chauffe le glaçon, elle perd de la chaleur et se refroidit. (Apporter de la chaleur à la glace ne fait pas que la réchauffer : cela la fait fondre. Le gros de la chaleur est dépensé dans la fonte, plus que dans le réchauffement.)

18 CHALEUR ET ÉNERGIE

EXPÉRIMENTER : MODÈLE DE CONVECTION Allumez un radiateur dans une pièce froide, attendez qu’elle chauffe et vous remarquerez vite comment la chaleur se déplace. Plus vous serez proche du radiateur, plus l’air paraîtra chaud. Essayez cette expérience pour visualiser les déplacements de la chaleur.

IL VOUS FAUDRA :

CE QU’IL FAUT FAIRE :

• 2 verres identiques • De l’eau du robinet • Des colorants alimentaires bleu et rouge à base d’eau • Un chronomètre

Les colorants alimentaires à base d’eau fonctionnent mieux.

ÉTAPE 2

1. Remplissez les verres aux trois quarts d’eau. 2. Ajoutez une goutte de colorant bleu dans l’un des verres (ce sera le verre n° 1) et mesurez le temps nécessaire pour que l’eau change complètement de couleur. Arrêtez le chronomètre quand l’eau est d’un ton bleu uniforme. Tandis que vous chronométrez, observez comment le colorant, au

LA PHYSIQUE DU POPCORN 19

départ concentré en un endroit, se répand finalement pour occuper tout le verre. Notez aussi qu’il se répand vite au début, puis de plus en plus lentement. Laissez l’eau bleue dans le verre. 3. Maintenant, ajoutez une goutte de colorant dans les deux verres en même temps. Dans quel verre l’eau met-elle le plus de temps à se teinter entièrement ? Combien de secondes faut-il ?

ALLER PLUS LOIN À la fin de l’étape 2 de cette expérience, la répartition du colorant dans le verre d’eau est homogène. On pourrait penser que le colorant ne se déplace plus, mais ce n’est pas le cas. Il se déplace constamment dans l’eau, mais comme la densité de couleur est la même partout, la couleur de l’eau ne change plus. Cependant, même si l’eau paraît calme, le mouvement en son sein est constant.

4. Laissez l’eau teintée dans les verres, ajoutez une goutte de colorant rouge dans le verre n° 2 et mesurez le temps qu’il faut pour que le colorant se répande. Combien de temps a-t-il fallu pour obtenir un violet uniforme ?

QUE SE PASSE-T-IL ? Ce phénomène s’appelle la diffusion. Dans les étapes 2 et 4, la diffusion du colorant s’effectue à la même vitesse. Même si on ajoute du rouge au bleu à l’étape 4, la vitesse de diffusion ne change pas. Toutefois, une deuxième goutte de la même couleur prendra plus de temps à se diffuser (comme dans le verre n° 1 à l’étape 3). La diffusion s’effectue plus vite quand la différence de couleur est plus importante. C’est normal, quand on y pense. Quand vous mangez chaud, par exemple une soupe brûlante, vous avez peut-être remarqué que la nourriture refroidit plus vite au début. Si vous laissez la soupe tranquille un bon moment, le refroidissement ralentira, si bien que le changement de température sera de moins en moins notable.

ÉTAPE 4

20 CHALEUR ET ÉNERGIE

APPRENDRE : DENSITÉ Les scientifiques cherchent à comprendre le monde qui les entoure. Comme ce n’est pas toujours facile de mesurer ce qu’ils cherchent, ils ont parfois recours à des moyens indirects pour trouver leur réponse.

PETIT QUIZ : LA DENSITÉ DU POPCORN Dans cette activité, vous devrez calculer la densité du popcorn en mesurant la masse et le volume de quelques échantillons. Afin de calculer la densité du popcorn dans ses formes éclatée et fermée, procédez par étapes. Pour l’état fermé, vous connaissez le volume qu’occupent les grains (comme mesuré en pages 12–13 grâce à la différence de niveau de l’eau, de 40 ml à 50 ml). Vous connaissez aussi la masse des grains. À l’aide de l’équation de la densité, exprimée sous forme de masse et de volume (voir page 10 pour un rappel), calculez la densité d’un grain de popcorn fermé : D_fermé = M_fermé ÷ V_fermé Pour le popcorn éclaté, employez la même méthode. Vous connaissez la masse des grains éclatés, et le volume qu’ils occupent. Vous pouvez donc calculer la densité des grains éclatés avec la formule : D_éclaté = M_éclaté ÷ V_éclaté

Pour comparer l’espace qu’occupent les grains éclatés et les grains fermés, divisez D_éclaté par D_fermé. Que concluez-vous de cette différence de densité ? Peut-être le popcorn a-t-il perdu un peu de masse en éclatant. Prenez la masse des grains fermés et divisez-la par le nombre de grains pour obtenir la masse moyenne d’un grain fermé. Vous pouvez faire de même avec les grains éclatés. Les deux valeurs devraient être très proches, un petit écart qui, en tous les cas, ne suffirait pas à expliquer l’énorme différence de densité entre les grains fermés et les grains éclatés. À quel point la masse d’un grain change-t-elle une fois qu’il éclate ? Si vous étiez fabricant et vendeur de popcorn, sous quelle forme préféreriez-vous le commercialiser ?

LA PHYSIQUE DU POPCORN 21

APPRENDRE : TRANSFERT DE CHALEUR Dans un solide, la chaleur se déplace par conduction, par convection dans un liquide ou un gaz, et par rayonnement dans le vide spatial.

PETIT QUIZ : LA CHAUFFERIE Quel phénomène est à l’origine du transfert de chaleur dans les exemples suivants ? (Plusieurs phénomènes coexistent dans certains cas.) 1. Un ami prépare des pâtes. Il les met dans une casserole d’eau froide et place le tout sur le feu.

6. Vous vous tordez la cheville à l’école. On vous donne une poche de glace que vous appliquez à l’endroit de la douleur.

2. Il fait chaud dehors, vous buvez de la limonade. Un glaçon tombe de votre verre et se retrouve par terre. Il fond au soleil.

7. Un jour de grand froid, vos parents vous amènent à l’école en voiture. Ils allument le chauffage qui souffle de l’air chaud dans l’habitacle.

3. Vous mangez du chocolat, en prenant votre temps. Il fond dans votre main. 4. Vous faites couler un bain chaud. Vous observez de la vapeur d’eau s’élever de la baignoire. 5. Lors d’une nuit de camping, vous vous réchauffez devant un bon feu.

Le c h o c vous le olat fondra si te n trop lo ez en main n g te m p s.

22 CHALEUR ET ÉNERGIE

DÉCOUVRIR : GAZ PARFAIT ET MACHINES À VAPEUR Une découverte a révolutionné notre connaissance du monde : le fait que la chaleur est une forme d’énergie. La chaleur est l’énergie que produisent les molécules en se déplaçant, ce qu’on appelle une énergie cinétique. Plus les molécules bougent dans un corps, plus ce corps sera chaud. La température d’une substance est liée au déplacement des molécules en son sein. La chaleur circule des régions chaudes aux régions froides. Ajouter de la chaleur à cette substance augmente sa température, dans des proportions qui dépendent de la substance. Si vous ajoutez la même quantité de chaleur à de l’eau et à de l’huile végétale, la température de l’huile augmentera plus vite, car l’eau retient mieux la chaleur. De tous les liquides qu’on croise fréquemment,

c’est l’eau qui conserve le mieux sa chaleur pour un changement de température donné. Il faut bien plus d’énergie pour chauffer de l’eau que pour chauffer de l’huile. Quand on chauffe un gaz, ses molécules se déplacent plus vite et le gaz va le plus souvent se dilater. S’il ne le peut pas parce qu’il est contenu, les molécules frapperont les parois du contenant à plus grande vitesse et la pression augmentera.

EFFET DE LA CHALEUR SUR LES MOLÉCULES D’EAU

EAU FROIDE

EAU TIÈDE

EAU CHAUDE

LA PHYSIQUE DU POPCORN 23 L’ÉQUATION DU GAZ PARFAIT La relation entre la température, le volume et la pression d’un gaz est donnée par l’équation du gaz parfait : Pression × Volume = Constante × Quantité de gaz × Température Cette équation est semblable à celle de la page 15. Elle contient une constante, qui n’est qu’un nombre. Si quelqu’un mesure la température en degrés Fahrenheit et une autre en degrés Celsius, la valeur de leur constante sera différente. Cette constante ne change pas la physique, cela dit. Ce qui compte, c’est que la pression et le volume d’un côté de l’équation s’équilibrent avec la température et la quantité de gaz de l’autre côté. Si la température d’un gaz augmente, alors la pression ou le volume, voire les deux à la fois, augmenteront.

Si le volume d’un gaz ne peut pas augmenter, alors c’est sa pression qui augmentera. C’est le principe d’une machine à vapeur : la pression de la vapeur déplace un piston.

DE LA CHALEUR AU TRAVAIL Le processus qui consiste à produire de la vapeur pour générer de la puissance a changé le monde durant la Révolution industrielle. C’est ce qui a rendu possible les trains à vapeur et toutes sortes de machines qui nous ont facilité la vie. Comment une machine à vapeur convertit-elle la chaleur en travail ? D’abord, de l’eau doit être chauffée pour produire de la vapeur à haute pression dans un conteneur clos. Quand une pression s’exerce contre une surface, on obtient une force. La pression, la force et la surface sont liées par cette équation : Force = Pression × Surface En chauffant la vapeur dans le conteneur clos, la pression monte, et si elle s’exerce sur une surface mobile (par exemple, un piston), la vapeur produit un travail. En effet, quand une force se déplace, elle produit un travail, par exemple quand on soulève un objet lourd. Il faut vaincre la gravité, ce qui demande de l’effort. De même, quand deux camps tirent sur la même corde, un travail est produit à chaque fois que la corde bouge d’un côté ou de l’autre. Le travail est donné par : Travail = Force × Distance Ainsi, une machine à vapeur convertit l’énergie de la chaleur en travail utile, en poussant sur un piston.

24 CHALEUR ET ÉNERGIE

EXPÉRIMENTER : CHANGER L’EAU EN VAPEUR Quand on chauffe de l’eau, les molécules d’eau vibrent et se cognent à vitesse accélérée. Si une molécule reçoit suffisamment d’énergie, elle peut s’échapper sous forme de vapeur, c’est ce qui arrive quand l’eau bout. Que se passe-t-il dans une bouilloire électrique ? En particulier, quel espace la vapeur occupe-t-elle, par rapport à l’eau ?

IL VOUS FAUDRA : • Un verre mesureur • Un chronomètre • Une balance de cuisine • Un petit verre • Une bouilloire électrique • Une règle • Des post-it

EN RÉS

CE

T EE L U A D AIR

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NÉCE

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CE QU’IL FAUT FAIRE :

1. Posez la bouilloire devant un mur. Collez un post-it sur le mur à 50 cm au-dessus du bec de la bouilloire. 2. Mesurez la largeur du bec. 3. Versez 1 L d’eau dans la bouilloire. 4. Assurez-vous que la bouilloire est débranchée et pesez-la sur la balance de cuisine. 5. Ôtez la bouilloire de la balance, branchez-la et allumez-la.

6. Quand la première bouffée de vapeur s’échappera, lancez le chronomètre. 7. Tandis qu’elle s’échappe, estimez le temps qu’il lui faut pour atteindre le post-it à 50 cm. (Fixez une volute précise et suivez-la depuis le bec jusqu’au post-it. Vous pouvez reprendre plusieurs fois cette étape.) 8. Dès que l’eau bout et que la bouilloire s’éteint, stoppez le chronomètre. 9. Débranchez la bouilloire et pesez-la une seconde fois (attention, c’est chaud). Soustrayez cette masse de celle mesurée à l’étape 4 pour trouver la masse de vapeur perdue. 10. Placez le verre sur la balance et réglez la balance sur le point zéro. 11. Ajoutez de l’eau dans le verre jusqu’à ce que la masse indiquée soit égale à la masse perdue calculée à l’étape 9. 12. Versez le contenu du verre dans le verre mesureur pour trouver le volume d’eau transformé en vapeur.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 25 ANALYSE Il faut maintenant calculer le volume de vapeur produit grâce à cette formule : Volume de vapeur = Surface du bec × Vitesse de la vapeur × Temps pour bouillir Vous connaissez la masse d’eau perdue, elle est égale à la masse de vapeur produite. Il faut à présent calculer la surface du bec, qu’on peut assimiler à un cercle. L’équation de la surface d’un cercle est π × Rayon × Rayon. Le nombre Pi (π) est à peu près égal à 3,14 et le rayon est la moitié de la largeur du cercle (voir le schéma). Si le rayon est de 1,5 cm, la surface sera : 3,14 × 1,5 cm × 1,5 cm = 7,1 cm2. d

r

r

Surface = π r2 d = r + r = 2r r=d÷2 Surface = π (d ÷ 2)2

Ensuite, estimez la vitesse de la vapeur qui s’échappe. Vous pouvez utiliser l’équation suivante : Vitesse = Distance ÷ Temps Lisez le temps mesuré pour que l’eau bout. Maintenant que vous disposez des trois valeurs, vous pouvez déterminer le volume total de vapeur produite en multipliant la vitesse de la

vapeur par la surface du bec (c’est le volume produit par seconde), puis en multipliant cette valeur par le temps que l’eau a mis pour bouillir. Comparez cette valeur au volume d’eau volatilisé. Vous devriez voir que le volume de vapeur est des centaines de fois plus grand.

QUE S’EST-IL PASSÉ ? Quand l’eau bout, de la vapeur est produite. La vapeur occupe beaucoup plus d’espace que l’eau. Le résultat trouvé n’est qu’une approximation, car plusieurs hypothèses ont servi à le calculer. Le bec est-il vraiment un cercle ? La vapeur se déplace-t-elle toujours à la même vitesse ? La quantité de vapeur produite est-elle constante ? A-t-on bien estimé la vitesse d’élévation de la vapeur ? Tous ces facteurs modifient un peu le résultat.

26 CHALEUR ET ÉNERGIE

DÉCOUVRIR : ÉCLATER LE GRAIN Les pages 24–25 ont montré que la vapeur occupe des centaines de fois plus de place que l’eau quand on la chauffe à 100 °C. Le volume de l’eau à l’état liquide ne change pas beaucoup en fonction de la température, il n’augmente que de 4 % en passant de 0 °C à 100 °C. Mais que se passe-t-il quand la vapeur ne peut pas se dilater ? La vapeur est un gaz qui se mélange à l’air ambiant. On peut le décrire avec l’équation du gaz parfait (page 23) : Pression × Volume = Constante × Quantité de gaz × Température Songez à ce que cette équation implique pour la vapeur que contient un grain de popcorn à 100 °C. Le grain est un conteneur fermé, son volume reste inchangé. La température est elle aussi fixe, à 100 °C. Cela signifie qu’en

augmentant la quantité de vapeur dans le grain par chauffage de l’eau qu’il contient, la pression doit augmenter. Dans l’expérience précédente « Changer l’eau en vapeur », on faisait bouillir de l’eau, celle-ci changeait d’état, du liquide au gaz, et la pression restait constante (égale à la pression dans la pièce, puisque la bouilloire est un conteneur ouvert – la vapeur s’en échappe par le bec.)

LE GRAIN FAIT POP

POP

!

LA PHYSIQUE DU POPCORN 27 Que se passerait-il si le volume du mélange d’air et de vapeur restait constant ? Autrement dit, que se serait-il passé lors de votre expérience si la bouilloire avait été scellée, sans aucun bec pour relâcher la vapeur ? Plutôt qu’une augmentation du volume de la vapeur, c’est sa pression qui aurait augmenté. Si la bouilloire n’avait pas été assez solide, elle aurait explosé sous la pression. Une chance que les bouilloires aient un bec ! Quand on chauffe du popcorn, le même phénomène se produit dans les grains. Quand la petite quantité d’eau qu’ils contiennent est chauffée, elle bout et produit de la vapeur. Cette augmentation de la quantité de vapeur augmente la quantité d’énergie du grain. La pression de la vapeur s’accroît jusqu’à ce que le grain ne puisse plus contenir la pression. Alors,

IN TTE-M O C O C

UTE

en son point le plus fragile, la surface du grain se déchire et le popcorn se dilate en faisant « pop ». À ce moment, la vapeur peut enfin se répandre très vite, ce qui fait gonfler l’amidon et les protéines du popcorn qui, d’un produit dur et dense, se change en délicieux encas, léger et moelleux.

28 CHALEUR ET ÉNERGIE

EXPÉRIMENTER : PRESSION DU POP La coque d’un grain de popcorn est très dure et difficile à casser. Pourrez-vous déterminer la pression nécessaire pour obtenir le pop ? Utilisez les résultats de vos expériences précédentes pour vous aider à trouver la réponse.

IL VOUS FAUDRA : • 1 sac de popcorn à préparer au micro-ondes • Un four micro-ondes • Une balance de cuisine

EN RÉS

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T EE L U A D AIR

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NÉCE

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CE QU’IL FAUT FAIRE :

1. Prenez le sac de popcorn à préparer au micro-onde et pesez-le sur la balance de cuisine. 2. Cuisez le popcorn en suivant les instructions du paquet. Une fois cuit, ouvrez le sac avec précaution pour en faire sortir la vapeur. (C’est chaud ! Demandez l’aide d’un adulte.) 3. Notez la masse du paquet plein. 4. Videz le sac et séparez les grains éclatés des grains fermés. Pesez le sac vide et notez sa masse.

LÂCHER LA VAPEUR ET COMPTER LES GRAINS

ÉTAPE 2

ÉTAPE 7

LA PHYSIQUE DU POPCORN 29

Connaissant la masse du sac vide, vous pouvez en déduire la masse du popcorn avant et après cuisson. 5. Soustrayez la masse du sac vide de celle du sac avant cuisson pour obtenir la masse du popcorn avant cuisson. De même, soustrayez la masse du sac vide de celle du sac de popcorn cuit pour obtenir la masse après cuisson. La différence entre ces deux valeurs est la masse de la vapeur qui s’est échappée. 7. Comptez les grains encore fermés, puis, en supposant que chacun pèse 0,16 g, calculez leur masse totale. Soustrayez cette valeur de la masse du popcorn cuit, et vous obtiendrez la masse du popcorn éclaté. 8. En supposant que la masse moyenne d’un grain éclaté est de 0,14 g, calculez le nombre de grains éclatés obtenus.

SOUS PRESSION Vous connaissez la masse de vapeur générée, et combien de grains ont éclaté. Vous pouvez donc en déduire la quantité de vapeur produite dans un grain. Il faut pour cela déterminer le volume d’un grain fermé. Comme il est difficile de mesurer un si petit objet, vous pouvez aligner 20 grains, mesurer la longueur totale en centimètres et diviser par 20. Pour obtenir le volume, utilisez l’équation du volume d’une sphère :

Volume d’une sphère = 4 × π × rayon3 ÷ 3 Par exemple, si vous mesurez 0,5 cm pour le rayon d’un grain, alors son volume sera : 4 × π × (0,5 × 0,5 × 0,5) ÷ 3 = 4 × 3,14 × 0,125 ÷ 3 = 0,52 cm3 Comme vous le savez à présent, l’équation du gaz parfait est Pression × Volume = Constante × Quantité de gaz × Température. Le popcorn éclate généralement autour de 176 °C, voici donc la température. Cette équation fournit un résultat à comparer à la pression de l’air au niveau de la mer. Pression = Quantité de vapeur par grain (g) × Température (°C) ÷ Volume d’un grain (cm3) Placez les valeurs connues dans l’équation pour obtenir la pression nécessaire à l’éclatement d’un grain. (Voir page 149 pour un exemple de calcul.) Si vous obtenez une pression de 2, cela signifie que la pression dans le grain est deux fois plus grande que celle de l’air autour de vous (si vous vivez au niveau de la mer). La pression atmosphérique est plus faible à haute altitude, donc, si vous vivez en montagne, par exemple à Tignes, la pression de l’air qui vous entoure sera environ 20 % plus faible qu’au niveau de la mer.

30 CHALEUR ET ÉNERGIE

APPRENDRE : ÉQUILIBRER UNE ÉQUATION La physique consiste surtout à équilibrer des équations, c’est ce qui permet de comprendre ce qui relie leurs valeurs entre elles. Ceci fait, il devient possible de répondre à des questions comme « Si la vitesse de la voiture augmente, qu’est-ce qui change d’autre ? »

DÉFIER LES ÉQUATIONS En 2009, le sprinter Usain Bolt a battu le record du monde sur 100 mètres. Il a couru les 100 m en 9,58 secondes. Sa vitesse moyenne lors de cette course est donnée par l’équation : Vitesse = Distance ÷ Temps Comme 100 m ÷ 9,58 s = 10,4 m/s, la vitesse moyenne de Bolt était de 10,4 m/s. Le précédent record était détenu par Tyson Gay, qui avait parcouru la distance en 9,69 secondes. Quelle était sa vitesse moyenne ?

Quand la balance est équilibrée, le côté gauche est égal au côté droit. Pour Tyson Gay, la distance était de 100 m, ce qu’on place du côté gauche, et du côté droit, le temps était de 9,69 secondes, pour une vitesse de 10,3 m/s.

Distance

Vitesse

Temps

Distance = Vitesse × Temps 100 mètres = 10,3 m/s × 9,69 secondes

VITESSE, TEMPS ET DISTANCE Pour mieux visualiser la relation entre la vitesse, la distance et le temps, on peut dessiner un schéma de ce type : Distance

Vitesse

Temps

Usain Bolt a parcouru la même distance en un temps plus court. Cela signifie que le côté gauche reste identique et que le temps décroît du côté droit. Pour que la balance reste équilibrée, la vitesse doit augmenter.

Distance

Vitesse

Distance = Vitesse × Temps

Distance = Vitesse × Temps 100 mètres = 10,4 m/s × 9,58 secondes

Temps

LA PHYSIQUE DU POPCORN 31

PRESSION, VOLUME, TEMPÉRATURE ET GAZ Le schéma de la balance peut aussi s’appliquer aux gaz, à l’aide de la formule : Pression × Volume = Constante × Quantité de gaz × Température Volume

Pression

Quantité de gaz

Temp.

Volume × Pression = Quantité de gaz × Température

On voit là ce qu’il se passe quand un gaz est chauffé dans un cylindre de métal. Quand il chauffe, la température monte :

Vous trouverez ci-dessous quatre balances. Essayez de les relier à leur description. • Un grain de popcorn est chauffé. La quantité de vapeur (un gaz) en son sein augmente, de même que la température. Le volume de vapeur reste identique. • L’air dans une montgolfière se refroidit. La pression de l’air ne change pas, la quantité d’air non plus. • On souffle dans un ballon pour y ajouter de l’air. La température de l’air ne change pas. • On ouvre une bouteille d’eau gazeuse et on constate que beaucoup de gaz s’échappe. La température de l’air ne change pas. Pression Volume

Quantité de gaz

Temp.

Volume Pression Quantité de gaz

Temp.

Volume × Pression = Quantité de gaz × Température La température monte, la balance se déséquilibre.

Cela fait pencher la balance vers la droite. Pour l’équilibrer, il faut soit augmenter une valeur à gauche, soit diminuer une valeur à droite. Le volume reste constant car le gaz est dans un cylindre, et chauffer le gaz ne change pas la quantité de gaz présent, si bien que la seule chose qui puisse changer, c’est la pression. En conséquence, c’est la pression qui augmente pour équilibrer la balance.

Volume

Pression

Quantité de gaz

Volume × Pression = Quantité de gaz × Température Température et quantité de gaz augmentent, la pression augmente, la balance est équilibrée. Volume

Quantité de gaz

Temp.

Volume × Pression = Quantité de gaz × Température La quantité de gaz diminue, la pression diminue, la balance est équilibrée. Volume

Pression

Quantité de gaz

Temp.

Volume × Pression = Quantité de gaz × Température La quantité de gaz augmente, la pression et le volume augmentent, la balance est équilibrée.

Temp.

Volume × Pression = Quantité de gaz × Température Température et pression augmentent, la balance est équilibrée.

Pression

Volume

Pression

Quantité de gaz

Temp.

Volume × Pression = Quantité de gaz × Température Température et volume diminuent, la balance est équilibrée.

32 CHALEUR ET ÉNERGIE

EXPÉRIMENTER : VOL EN MONTGOLFIÈRE Les gaz se comportent bizarrement quand ils chauffent ou qu’ils refroidissent. Pendant des siècles, on a utilisé ces propriétés pour construire des véhicules qui flottaient dans l’eau ou dans les airs. L’air chaud se dilate, c’est ce qui permet aux montgolfières de voler.

IL VOUS FAUDRA :

FABRIQUER UNE MONTGOLFIÈRE

• Un sac poubelle (neuf) • Des pailles • Du scotch • Des ciseaux • Un sèche-cheveux • 2 ballons • Un congélateur

Une montgolfière a deux composantes principales : un gros sac qui contient l’air, qu’on appelle l’enveloppe, et un moyen de chauffer l’air que l’enveloppe contient, appelé le brûleur. Le sac poubelle servira d’enveloppe et le sèche-cheveux de brûleur. La bouche du sac doit être maintenue ouverte afin que l’action du sèche-cheveux soit efficace.

CE QU’IL FAUT FAIRE :

EN RÉS

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1. À l’aide du scotch et des ciseaux, scotchez des pailles le long de l’ouverture du sac sans laisser d’espace entre elles. Cela transformera la bouche du sac en un polygone et assurera que le sac ne se referme pas. 2. Tenez le sac à l’envers d’une main. De l’autre, placez le sèche-cheveux face à l’ouverture de la montgolfière, en l’orientant vers le plafond. 3. Réglez le sèche-cheveux au plus chaud. Vous devriez voir le sac commencer à se gonfler. Si vous lâchez la montgolfière, elle s’élèvera dans les airs et flottera. Combien de temps pouvez-vous la maintenir en l’air à l’aide du sèche-cheveux ? Parvenez-vous à la maintenir en l’air en réglant le sèche-cheveux au plus froid ?

LA PHYSIQUE DU POPCORN 33 CONGELER UN BALLON Les gaz se comportent différemment selon la température :

CE QU’IL FAUT FAIRE :

1. Gonflez deux ballons jusqu’à ce qu’ils aient la même taille et fermezles. Numérotez-les au feutre ou prenez des ballons de différentes couleurs. 2. Placez un ballon au congélateur pendant 4 heures et laissez l’autre à l’abri en dehors. 3. Après 4 heures, sortez le ballon du congélateur et comparez sa taille à celle de l’autre. Laissez les deux ballons à température ambiante pendant une heure et comparez de nouveau.

QUE SE PASSE-T-IL ? Enveloppe

Paille

Brûleur

Quand un gaz est chauffé, sa température grimpe. Le volume doit donc augmenter aussi pour équilibrer l’équation. Quand l’air du sac se dilate, sa densité baisse, ce qui provoque son élévation. Il est plus facile de le faire s’envoler avec le sèche-cheveux réglé au plus chaud, car l’air chauffe ainsi plus vite. Quand un gaz refroidit, sa température baisse et le volume décroît. Le ballon au congélateur sera donc plus petit que celui laissé à température ambiante. À mesure que l’air du ballon sorti du congélateur se réchauffe, le ballon se dilate, et les deux finissent par retrouver la même taille.

34 CHALEUR ET ÉNERGIE

APPRENDRE : PROPRIÉTÉS DES SOLIDES, DES LIQUIDES ET DES GAZ L’eau est très versatile. Elle peut exister sous forme solide, liquide ou gazeuse et, bien qu’il s’agisse toujours d’eau, les trois formes se comportent très différemment. Les propriétés de l’eau dans ses trois états la rendent très utile pour de nombreuses activités, dont la cuisine.

PETIT QUIZ : SOLIDES, LIQUIDES OU GAZ ? Saurez-vous déterminer si les propriétés suivantes sont plutôt celles des solides (s), des liquides (l) ou des gaz (g) ? Les propriétés sont groupées par trois, un groupe pour les solides, un autre pour les liquides, un troisième pour les gaz. Chaque groupe illustre les différences de comportement entre les solides, les liquides et les gaz.

1. a) Les molécules ne sont pas organisées et ne restent pas groupées.

1. b) Les moléc ules selon un motif qu sont organisées i se répète. s n’ont pa olécules ulière, m s e L ) c 1. c parti es. isation d’organ s restent proch e ll e is a m

ules 2. a) Les moléc

s v i b re r t que r. n e v u ce pe dépla les ne o l é c u ve n t p a s s e m s e L u 3. a) E l l e s n e p e . p l a ce 3. b) L librem es molécule ent m ais ten s se déplac g ro u p en é e s. dent à re s t e r t

se touchent.

2. b) Il y a beaucoup d’espace entre les molécules.

2. c) Les moléc ules sont proche s mais peuvent glisser les unes sur les autres.

re m e n t cent lib . la p é d e tions les s molécu utes les direc s e L ) c to s 3. ent dan rapidem

et

ur

LA PHYSIQUE DU POPCORN 35

4. a) L’eau, l’huile et la lave en sont.

eur et ir, la vap ’a L ) b . 4 en sont. l’hélium 4. c) Le sable, le bois et le caoutchouc en sont.

orde à son e globale s’acc change pas. 5. a) Sa form ne e m lu s son vo contenant, mai 6. a) Quand on le chauffe, il finit par bouillir.

5. b ) à m o S a fo r m e ins d ’u n e g l o b a l e r d é fo r e m a t i o s te i n c h a ngée n. , 5. c) Sa forme globale s’accorde à son contenant et son volume augmentera pour occuper tout l’espace.

7. a) Si vous le

frappez au m

e, il se le chauff te. n o d n a n u 6. b) Q sa pression mo dilate ou 6. c) Quand on un peu et fin le chauffe, il se dilate it par fondre.

arteau, rien ne

se passe.

7. b) Si vous le frappez au marteau, seule la partie en contact avec le marteau bougera et des vagues apparaîtront. ez a u f ra p p . e l s u ra S i vo ouge 7. c) au, tout b m a r te

CHAPITRE 2

ONDES ET

ÉLECTROMAGNÉTISME

DÉCOUVRIR... APPRENDRE... EXPÉRIMENTER...

38 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME

DÉCOUVRIR : ÉLECTRICITÉ ET MAGNÉTISME Électricité et magnétisme nous servent tous les jours. L’électricité alimente nos maisons, nos éclairages et toutes sortes d’appareils. Le magnétisme est utilisé dans tous les moteurs et les générateurs. C’est aussi ce qui maintient fermées les portes de nos réfrigérateurs. Électricité et magnétisme sont deux parties d’un même phénomène, qu’on appelle l’électromagnétisme. Il a fallu beaucoup de temps aux scientifiques pour s’en rendre compte. Les corps peuvent avoir une charge électrique, qui peut être positive ou négative. Une force électrique s’exerce entre deux objets chargés. Si les charges sont les mêmes (toutes deux positives ou toutes deux négatives), les objets se

repoussent. Si les charges sont opposées (une positive et une négative), ils s’attirent. Si l’un des objets n’a pas de charge, ils ne s’attirent ni ne se repoussent.

L’ÉLECTRICITÉ EN ACTION : L’ÉCLAIR Quand un objet chargé se déplace d’un endroit à un autre, son énergie peut se modifier, car il subit l’effet des autres objets chargés qui l’entourent.

LE CHAMP MAGNÉTIQUE TERRESTRE Pendant des siècles, nous nous servions de boussoles pour trouver notre chemin. Une boussole s’aligne avec le champ magnétique de la Terre. Ce champ est produit par une énorme quantité de roche magnétique liquide au centre de la planète. Quand la Terre tourne, ce liquide se déplace, ce qui fait d’elle une sorte d’énorme aimant. Les pôles Nord et Sud de cet aimant planétaire sont proches des pôles Antarctique et Arctique, respectivement. C’est pourquoi on a donné ce nom aux pôles des aimants.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 39

COMMENT MARCHE UN AIMANT ?

Par exemple, quand l’éclair frappe le sol, un grand nombre de particules chargées se déplacent depuis les nuages, où leur énergie est élevée, jusqu’au sol, où leur énergie est plus faible. L’énergie est libérée sous forme d’énergie lumineuse (l’éclair), d’énergie sonique (le tonnerre) et de chaleur. La chaleur produite est suffisante pour déclencher un feu si l’éclair frappe un arbre. Quelle quantité d’énergie est libérée quand frappe l’éclair ? Cela dépend de nombreux facteurs, mais le changement d’énergie peut se mesurer en différence de potentiel, une grandeur qu’on appelle aussi le voltage. La différence de potentiel donne la quantité d’énergie libérée quand une particule chargée se déplace d’un point à un autre. Quand vous vous servez d’un grille-pain à 240 V, chaque électron qui traverse l’appareil peut relâcher jusqu’à 240 unités d’énergie. Cette unité d’énergie est appelée un électronvolt ; elle est toute petite. Il faut beaucoup d’électrons pour obtenir assez d’énergie pour griller du pain.

Quand un objet chargé se déplace, il crée un champ magnétique autour de lui. L’objet est pourvu d’un pôle Nord et d’un pôle Sud, qui agissent comme les charges électriques positives et négatives. Tout autre objet magnétique réagira à la présence du champ magnétique et cherchera à s’aligner de sorte que son pôle Nord pointe vers le pôle Sud de l’autre objet. C’est le principe d’une boussole. La Terre a son propre champ magnétique et le pôle Sud magnétique est proche du pôle Nord géographique. Si vous secouez une boussole doucement, ou que vous la tournez, son aiguille retrouvera toujours la direction du pôle Nord.

40 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME

EXPÉRIMENTER : ÉLECTRICITÉ ET MAGNÉTISME DANS LA CUISINE L’électricité et le magnétisme permettent de déplacer des objets. Presque toutes les machines dont vous vous servez tous les jours en font usage d’une manière ou d’une autre. Pour constater partout autour de nous les effets de ces forces, le plus simple est de s’intéresser à l’électricité statique et aux aimants.

PARTIE 1 : ÉLECTRICITÉ STATIQUE IL VOUS FAUDRA : • Un ballon • Un évier ou un grand plat en inox • Différents tissus (feutre, polyester) et des cheveux • Des mouchoirs en papier • Des ciseaux • Une règle

CE QU’IL FAUT FAIRE : Dans cette expérience, vous comparerez les capacités de différents tissus à générer de l’électricité statique. 1. Découpez le mouchoir en papier en petits carrés de taille égale, à peu près 1 × 1 cm. 2. Assurez-vous que l’évier soit parfaitement sec puis disposez-y tous

ÉLECTRICITÉ STATIQUE 25 cm

ÉTAPES 2 ET 3

ÉTAPE 5

LA PHYSIQUE DU POPCORN 41

les morceaux de mouchoir. Cela garantira l’absence de toute charge électrique entre eux : ils seront tous reliés à la même masse, ce qui signifie qu’ils porteront tous la même charge électrique par unité de surface. 3. Déposez les morceaux de papier sur la table. Gonflez le ballon et frottez sa surface dans l’évier pour le relier à la masse. 4. Répartissez les morceaux de papier sur une surface grossièrement égale à celle du ballon, sans qu’aucun n’en recouvre un autre. 5. Prenez le ballon et placez-le 25 cm au-dessus des morceaux de papier. Approchez-le petit à petit jusqu’à ce

qu’il se trouve à 2,5 cm de la table et notez si certains morceaux de papier sont attirés. Normalement, aucun ne devrait bouger, car le ballon et les morceaux de mouchoir ont tous été reliés à la même masse : l’évier. Toutefois, il y a sur le ballon beaucoup de charges par unité de surface, et la même quantité sur les morceaux de papier. Le signe, positif ou négatif, de ces charges est sans importance. 6. À présent, frottez cinq fois le ballon sur vos cheveux et approchez de nouveau lentement le ballon des morceaux de papier, en commençant à 25 cm de la table et en descendant jusqu’à 2,5 cm. Vous devriez voir certains morceaux sauter de la table pour venir se coller au ballon.

ÉTAPE 6

42 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME 7. Notez la distance à laquelle les premiers morceaux de papier sautent vers le ballon et comptez le nombre de morceaux concernés. 8. Répétez l’expérience avec les autres types de tissu, en n’oubliant pas de les déposer dans l’évier d’abord. Vous pouvez essayer de frotter le ballon sur du feutre, du polyester, un tapis, un bout de coton. Pour chacun, notez combien de morceaux sont attirés, et à quel moment le premier saute vers le ballon. Différents tissus réagiront différemment et, en vous servant d’un nouveau ballon pour chacun, vous devriez parvenir à faire passer des bouts de tissu d’un ballon à l’autre si ces ballons ont eux-mêmes été frottés sur des tissus différents.

QUE SE PASSE-T-IL ? Quand vous frottez le ballon sur du tissu, des charges électriques se déplacent de celui-ci à celui-là, ce qui signifie que le ballon est à présent doté d’une charge globale négative comparée au tissu, et le tissu une charge positive comparée au ballon. Ces charges sont opposées, donc elles s’attireront l’une l’autre. Voilà pourquoi les morceaux de tissus sauteront de la table vers le ballon.

PARTIE 2 : CHAMPS MAGNÉTIQUES IL VOUS FAUDRA : • 3 barres aimantées • Une feuille de papier ou de carton fin • De la limaille de fer (on en trouve en ligne, ou en papeterie) • 4 livres • Un bocal ou une tasse en verre

CE QU’IL FAUT FAIRE :

1. Disposez les livres en deux piles de deux puis coincez la feuille entre deux livres de manière à faire un pont entre les piles. Elle doit être tendue ; si nécessaire, rajoutez des livres pardessus pour la maintenir en place. 2. Placez une barre aimantée sous la feuille, au centre. Versez la limaille de fer sur la feuille. Tapotez d’un côté de la feuille pour agiter la limaille et observez. Quelle forme voyez-vous apparaître ? Que se passe-t-il si vous

ÉTAPE 2

43

placez deux aimants sous la feuille, chacun proche de l’une des piles de livres ? Expérimentez pour découvrir les formes de champ magnétique que vous pouvez produire. 3. Placez le bocal à l’envers sur la table et posez une barre aimantée dessus. Tenez les deux autres barres à la même hauteur et parallèles à la première, une dans chaque main. Placez-les suffisamment loin pour que la barre reste sur le bocal, mais suffisamment près pour que, quand vous les déplacez, la barre du bocal tourne légèrement. Placez les barres 15 cm au-dessus du bocal et faites-en tourner une. Puis déplacez les deux barres de bas en haut de sorte que, quand une se trouve au niveau du bocal, l’autre soit 15 cm au-dessus. Arrivez-vous à faire tourner la barre sur le bocal ?

QUE SE PASSE-T-IL ? Les aimants créent leurs propres champs magnétiques, et la limaille de fer s’aligne sur ces champs, de la même manière que l’aiguille d’une boussole s’aligne au champ magnétique terrestre pour indiquer le nord. En déplaçant les aimants, vous créez différents champs et obtenez différents motifs avec la limaille. C’est encore plus facile à observer avec les trois aimants. En les déplaçant, on peut faire en sorte que l’aimant sur le bocal se comporte comme si le pôle Nord se déplaçait. Il tourne constamment pour indiquer la bonne direction.

Les lignes de champ indiquent la forme du champ magnétique

ÉTAPE 3

44 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME

APPRENDRE : ÉLECTRICITÉ ET MAGNÉTISME On peut visualiser les effets de l’électricité et du magnétisme sur les objets de tous les jours grâce aux champs électriques et magnétiques. Sur le schéma ci-dessous, des lignes indiquent comment un objet magnétique ou électriquement chargé réagira aux forces électriques et magnétiques et dans quelle direction il se déplacera.

CHAMPS ÉLECTRIQUES Comme vous venez de le découvrir, les objets chargés attirent les objets de charge électrique opposée et repoussent les objets de même charge électrique. C’est pourquoi les objets chargés se déplacent en présence d’autres objets chargés. On peut tirer des lignes d’une charge à l’autre (positive ou négative) pour indiquer ce déplacement. Les charges positives se déplaceront dans le sens des flèches, les charges négatives dans le sens inverse.

Les lignes de champ sont parfois infinies.

Dans le schéma ci-dessous, vous voyez ce qu’on appelle un dipôle, autrement dit un objet de charge positive très près d’un autre de charge négative. Le champ électrique est dessiné sous forme de lignes de champ, qui vont de l’objet de charge positive à celui de charge négative. Les lignes de champ ne se croisent jamais et plus il y a de lignes de champ quelque part, plus l’effet de la force électrique sera notable.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 45

PETIT QUIZ : LIGNES MAGNÉTIQUES 1. Ces schémas représentent des barres aimantées (les rectangles) et des objets chargés électriquement (les cercles). Les lignes de champ vont des pôles Nord aux pôles Sud des aimants et des objets de charge positive aux objets de charge négative. Indiquez les pôles (Nord ou Sud) et les charges (+ ou —) des objets. a)

2. Dans ces schémas, les charges des objets sont indiquées mais pas les lignes de champ. Indiquez-les, en vous rappelant qu’elles vont du positif au négatif. Si vous placez un objet de charge positive à la place d’une étoile, dans quelle direction la force électrique l’attirera-t-elle ?

b) a)

b)

c)

c)

d)

3. Ces schémas indiquent les pôles Nord et Sud mais pas les lignes de champ. Ajoutez-les. Si vous placez une boussole à la place d’une étoile, quelle direction l’aiguille indiquera-t-elle ? a)

N

S

N

S

b)

N

S

S

N

N

S

N

N

S

S

c) S

S

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N

N

S

N

S

46 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME

DÉCOUVRIR : QU’EST-CE QU’UNE ONDE ? Une onde est le mouvement régulier d’une substance ou d’une énergie. Il peut s’agir d’air ou d’eau, du mouvement d’une corde ou d’un objet solide, et même de la forme du son ou de la lumière. Les ondes sont partout autour de nous, bien que certaines nous soient invisibles. Une onde sinusoïdale est une ligne continue qui monte et descend sans à-coups. Une variable est un nombre qui peut prendre différentes valeurs. Par exemple, l’heure du jour ou la vitesse d’une voiture sont des variables. Une onde sinusoïdale peut être décrite avec quelques variables. L’une d’elle est sa fréquence. La fréquence d’une onde nous indique la vitesse à laquelle elle passe d’un pic à un creux avant de remonter au pic suivant.

La vitesse d’une onde est liée à sa fréquence et à sa longueur d’onde : Vitesse = longueur d’onde × fréquence La fréquence illustre la vitesse à laquelle elle bouge de bas en haut (son oscillation), la longueur d’onde la distance entre deux pics ou deux creux. Les ondes ont toutes sortes de vitesses et naissent dans toutes sortes de situations. On s’en sert pour transmettre de l’information, par exemple avec un téléphone portable.

VITESSE = FRÉQUENCE × LONGUEUR D’ONDE Pic

Creux

Longueur d’onde

LA PHYSIQUE DU POPCORN 47 ONDES ET MUSIQUE Les instruments de musique créent des ondes sonores, qui sont des vibrations de l’air. Quand l’air vibre à haute fréquence, le son est aigu, à basse fréquence, le son est grave

(c’est sa hauteur). Dans un instrument tel qu’une guitare, c’est le mouvement des cordes qui fait vibrer l’air.

HARMONIQUES Quand on frappe une corde, des vibrations de longueurs d’onde différentes sont produites. Elles montent et descendent le long de la corde qui bouge un peu à leur passage. Les vibrations dont la longueur d’onde convient parfaitement à la corde la bougeront de la même manière quand elles montent et quand elles descendent, ce qui renforce le petit mouvement de la corde. Les vibrations de longueur d’onde différente provoqueront des mouvements différents lors de leurs passages, et les mouvements issus de vibrations de différentes longueurs d’onde finissent par s’annuler. Après une fraction de seconde, seules les vibrations dont la longueur d’onde est conforme à la longueur de la corde subsistent et entretiennent le mouvement. Les longueurs d’onde qui conviennent à une longueur de corde d’une guitare sont appelées les harmoniques, et la plus longue d’entre elle est l’harmonique fondamentale. Tout instrument a plusieurs harmoniques puisque qu’une longueur d’onde égale à la moitié de celle de la fondamentale conviendra tout aussi bien à sa longueur de corde, et ceci vaut pour toutes les sortes d’instruments. Par exemple, dans une flûte, les harmoniques s’accordent à la longueur du tube, et dans un xylophone, à la longueur des barres qui vibrent.

Il y a deux sortes d’ondes : les ondes progressives et les ondes stationnaires. Les ondes progressives se déplacent d’un point à un autre ; les ondes sonores qui se déplacent d’un instrument à votre oreille en sont un exemple. Une onde stationnaire au contraire reste sur place. Là, ce sont les vibrations d’une corde de guitare qui en sont un bon exemple puisque, même si des parties de la corde vibrent, les deux extrémités de la corde restent fixes.

Harmonique fondamentale

Deuxième harmonique

Troisième harmonique

Quatrième harmonique

48 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME

EXPÉRIMENTER : FAIRE DES VAGUES Pour facilement comprendre les vagues et leurs modes d’action, le plus simple est d’en créer soi-même. Dans cette expérience, vous produirez des vagues de boules de Patafix, d’eau et de son. En les observant, essayez de trouver d’autres vagues autour de vous.

VAGUES DE PATAFIX

IL VOUS FAUDRA :

Dans cette expérience, vous réaliserez une vague de boules de Patafix. Pour cela, vous collerez les boules à une ficelle que vous agiterez. Vous devriez pouvoir observer les pics de la vague se déplacer horizontalement le long de la ficelle, bien que les boules ne bougent que verticalement. Placer une bande de scotch à angle droit par rapport au mouvement des boules rendra l’observation plus facile.

• 10 morceaux de Patafix (assez gros pour modeler des boules de 0,5 cm de diamètre) • 60 cm de ficelle • Du scotch de peinture • Un objet lourd, comme une brique ou un livre • Une règle

Le scotch indique la position de départ des boules de Patafix.

Au point le plus éloigné du scotch, les boules sont immobiles un court instant.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 49 CE QU’IL FAUT FAIRE :

1. Prenez la ficelle et faites un nœud à l’une de ses extrémités. 2. Collez les boules de Patafix sur la ficelle et modelez-les en sphères grossières, en laissant une même longueur de ficelle entre chaque. Laissez quelques centimètres sans boules aux deux extrémités de la ficelle. Les boules doivent être bien collées pour ne pas se déplacer le long de la ficelle. 3. Attachez une extrémité de la ficelle à un objet lourd posé sur une table, ou coincez-la entre deux gros livres. 4. Tendez la ficelle et collez une longue bande de scotch sous toute sa longueur. Cela indiquera sa position au repos, que vous pourrez comparer à sa position en mouvement.

Agitez la ficelle d’avant en arrière doucement, comme une corde à sauter.

5. Prenez l’extrémité libre entre vos doigts et bougez-la verticalement, c’est-à-dire à angle droit par rapport au scotch. Les boules se déplaceront dans la même direction perpendiculaire au scotch. Variez les vitesses et cherchez celle à laquelle les boules bougent le plus. Cela doit faire penser au mouvement d’une corde à sauter.

QUE SE PASSE-T-IL ? Une fois que vous aurez trouvé la bonne vitesse, vous devriez voir que les boules se déplacent plus rapidement, selon un mouvement facile à entretenir. Les boules atteignent leur vitesse maximale quand elles passent sur le scotch, et leur vitesse minimale quand elles en sont le plus éloignées. Essayez encore, mais en changeant la position des boules, avec des intervalles variables entre elles. Reprenez le mouvement perpendiculaire de la ficelle, et observez le mouvement des boules. Est-ce plus facile ou plus difficile de les déplacer ? Cela devrait être plus difficile d’entretenir ce mouvement.

50 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME ONDES AQUATIQUES

CE QU’IL FAUT FAIRE :

Dans cette expérience, vous allez créer des ondes dans l’eau contenue dans un bac rectangulaire. Cela devrait ressembler à une piscine à vagues, qui force la surface de l’eau à se déplacer de bas en haut.

1. Placez le bac sur le plateau afin de récupérer l’eau qui débordera. À l’aide des ciseaux, découpez des morceaux de carton presque aussi larges que le bac et 5 cm plus hauts.

IL VOUS FAUDRA :

3. Remplissez à moitié le bac d’eau. Vous pouvez ajouter du colorant pour rendre l’eau plus facile à voir. Déplacez le carton d’avant en arrière pour créer de petites vagues. Faites des expériences en variant la vitesse de déplacement du carton.

• De l’eau • Un bac rectangulaire en plastique d’au moins 20 cm de long, 10 cm de large et 10 cm de profondeur • Un plateau (assez large pour supporter le bac) • Du carton • Des ciseaux • Du colorant alimentaire (en option) • Une règle

2. Placez le carton dans le bac.

QUE SE PASSE-T-IL ? Direction du carton

Vous devriez constater que certaines vitesses sont plus faciles à maintenir que d’autres, et que ce sont celles qui créent les plus grosses vagues. L’eau est confinée dans le bac, contrainte d’adopter sa taille et sa forme. Les vagues qui correspondent exactement à cette forme sont les harmoniques du bac (voir page 47 pour en savoir plus sur les harmoniques). Tomber sur les harmoniques peut prendre du temps, mais une fois trouvée la bonne vitesse, on les repère très facilement.

FAIRE DES VAGUES

LA PHYSIQUE DU POPCORN 51 ONDES SONORES Dans cette expérience, vous créerez des ondes sonores en frottant les bords d’un verre avec le doigt, ce qui fait vibrer le verre et produit un son. Cette onde est invisible, à la différence des boules de Patafix et de l’eau du bac, mais on l’entend très bien !

IL VOUS FAUT : • Un petit verre à pied (dont les parois ne sont pas trop épaisses) • De l’eau

QUE SE PASSE-T-IL ? Quand vous frottez votre doigt sur le bord, vous provoquez une vibration dans le verre. Dans une guitare (voir page 47), la fondamentale est obtenue car sa longueur d’onde loge parfaitement dans la longueur de corde. Pour le verre, c’est sa forme et l’espace libre pour vibrer qui déterminent ses harmoniques. C’est pourquoi modifier la quantité d’eau modifie aussi la hauteur du son : plus on ajoute d’eau, moins il y a d’espace libre pour vibrer et plus haute est la note.

CE QU’IL FAUT FAIRE :

1. Placez le verre sur une surface plate et tenez-le fermement d’une main. 2. Mouillez votre index de l’autre main et frottez-le en continu sur le bord du verre. 3. Déplacez doucement votre doigt autour du bord, en maintenant une pression constante, sans y aller trop fort ni trop doucement. Vous devriez parvenir à générer une note pure émanant du verre. Cela demande un peu de pratique, aussi soyez patient et demandez l’aide d’un adulte si vous n’y arrivez pas. Essayez d’obtenir un son avec différentes formes et différentes tailles de verre. Essayez aussi de remplir les verres avec différentes quantités d’eau, afin de constater des changements sur le son obtenu.

Les vibrations se déplacent le long du bord, produisant des ondes sonores.

FAIRE DES ONDES SONORES

52 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME

DÉCOUVRIR : SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE La lumière que vous voyez est faite d’ondes électromagnétiques, mais cette lumière visible n’est qu’une partie de ce qu’on appelle le spectre électromagnétique, largement invisible à nos yeux, dont les effets peuvent cependant être sentis et constatés dans certaines conditions.

LA LUMIÈRE COMME UNE ONDE Voici quelques siècles, Sir Isaac Newton a placé un prisme de verre devant un rayon de lumière et ainsi séparé de la lumière blanche en différentes couleurs, formant un arc-en-ciel. Cela se produit car la lumière se déplace plus lentement dans le verre que dans l’air, et parce que des longueurs d’onde différentes donnent des couleurs différentes. Quand la lumière frappe le prisme, elle ralentit. Sa vitesse est liée à sa fréquence et à sa longueur d’onde par l’équation : Vitesse = Fréquence × Longueur d’onde

Le changement de vitesse n’est pas le même pour toutes les longueurs d’onde, si bien que la lumière ralentit différemment pour chacune. Quand la vitesse de la lumière change, sa longueur d’onde change aussi afin d’équilibrer l’équation. Ce phénomène, appelé réfraction, explique pourquoi la lumière paraît changer de direction au passage du prisme. Les variations de vitesse expliquent quant à elles le phénomène de dispersion, autrement dit le fait que la lumière se transforme en arc-en-ciel après son passage dans le prisme.

PAR-DELÀ L’ARC-EN-CIEL

SI

AC R I SA

NEW

TO N

Il n’y a pas qu’un arc-en-ciel dans la lumière. Si on pouvait voir au-delà du rouge, on verrait les ondes infrarouges, les micro-ondes et les ondes radio. Et de l’autre côté, au-delà du violet, on verrait les ondes ultraviolettes, les rayons X et les rayons gamma. La partie visible du spectre de la lumière n’est qu’une petite partie du spectre électromagnétique. Les humains ne peuvent voir qu’une faible gamme de longueurs d’onde de la lumière.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 53

LE SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE Ondes radio

Micro-ondes

Infrarouge

LE RESTE DU SPECTRE Les ondes électromagnétiques sont très versatiles. Sans elles, pas d’ondes radio ni de capteurs infrarouges pour nos télécommandes, pas de rayons X pour l’imagerie médicale. Dans leurs interactions avec la matière, les ondes électromagnétiques créent différents motifs. Par exemple, quand un rayon de soleil éclaire une flaque d’huile, il est réfléchi et différentes couleurs apparaissent. Quand une onde rencontre un obstacle de la même taille que sa longueur d’onde, sa direction change. C’est la diffraction. À toute petite échelle, on se sert de la diffraction des rayons X pour en savoir plus sur la structure de la matière. À grande échelle, les ondes radio se diffractent dans les montagnes, ce qui les rend difficiles à capter. Les ondes électromagnétiques transportent des champs électriques et magnétiques qui déplacent les objets

UV

Rayons X

Rayons gamma

porteurs de charge. C’est ainsi que fonctionne le Wi-Fi, qui sert au transport de l’information. Une télécommande interagit avec la télé grâce aux ondes électromagnétiques. Ces ondes électromagnétiques sont faites de particules de lumière, les photons. Un photon de basse fréquence transporte moins d’énergie qu’un autre de haute fréquence. C’est pourquoi le rayonnement infrarouge (de fréquence inférieure à celle de la lumière visible) est tiède, alors que la lumière ultraviolette (de fréquence supérieure) cause des coups de soleil. Les ondes électromagnétiques de plus haute fréquence sont souvent plus dangereuses, celles de faible fréquence plutôt inoffensives. On peut sans risque se trouver dans une pièce pleine de téléphones portables et d’ondes radio, mais il est nécessaire de limiter les rayonnements de haute fréquence, tels que les rayons X.

54 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME

EXPÉRIMENTER : FAIRE UN ARC-EN-CIEL Après un orage, on voit parfois un arc-en-ciel. On en discerne aussi parfois quand le soleil éclaire une vitre ou une flaque d’huile. C’est parce que les différentes couleurs de la lumière ont différentes longueurs d’onde, qui réagissent différemment. Des arcs-en-ciel sont produits quand le soleil éclaire des gouttelettes en suspension dans l’air. Vous pouvez d’ailleurs les produire vous-même !

IL VOUS FAUDRA : • • • •

Un petit verre De l’eau Une feuille Une puissante lampe torche (ou du soleil)

CE QU’IL FAUT FAIRE : Si vous utilisez une lampe-torche : 1. Remplissez le verre aux trois quarts d’eau. 2. Placez le verre sur la feuille et faites passer le faisceau de la lampe au travers de l’eau. Déplacez-le jusqu’à obtenir un arc-en-ciel. Vous devriez en obtenir un petit. Il sera plus facile à voir si la pièce est sombre.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 55

QUE SE PASSE-T-IL ? Quand la lumière se déplace dans l’eau, elle se réfracte et s’évase selon ses différentes longueurs d’onde (voir les pages 52–53). Chaque longueur d’onde a sa propre couleur et les couleurs se séparent. Quand la lumière éclaire l’eau, elle produit un arc-en-ciel dont la forme dépend de la forme du verre et de l’angle de la lumière. Le premier arc survient quand la lumière se reflète sur l’eau la première fois et se réfracte.

Pour obtenir le second, la lumière doit se refléter et se réfracter deux fois sur l’eau. Comme c’est une deuxième réflexion, l’ordre des couleurs de l’arc-en-ciel sera inversé par rapport au premier. Le deuxième arc sera aussi plus terne, car toute la lumière ne se reflète pas la première fois, et moins encore se reflètera la seconde. Le soleil produit assez de lumière pour qu’un arc secondaire soit souvent visible, mais pas une lampe-torche.

Si vous utilisez le soleil : 1. Remplissez le verre aux trois quarts d’eau. 2. Placez le verre sur une table de sorte qu’il soit à moitié illuminé. Placez la feuille de l’autre côté ; vous devriez voir apparaître un arc-en-ciel. Vous pourrez peut-être même produire un arc-en-ciel sur le mur. Essayez de discerner un arc secondaire (un arc-en-ciel plus terne à l’extérieur du premier arc).

Un arc-en-ciel se forme quand la lumière passe au travers de l’eau.

56 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME

APPRENDRE : VITESSE DES ONDES Les ondes voyagent à différentes vitesses, déterminées par un très grand nombre de facteurs. Quand elles se déplacent dans une substance, celle-ci est appelée le milieu. Les ondes sont souvent plus rapides dans les milieux plus denses, car elles sont souvent constituées de molécules qui s’entrechoquent et échangent leur énergie, si bien que, plus elles sont proches, plus l’onde se transmet vite.

La vitesse maximale de toute chose est celle de la lumière dans le vide. La lumière est un genre d’onde très particulier. Elle n’a pas besoin de milieu pour se déplacer.

PETIT QUIZ : ONDES RAPIDES Vous trouverez dans les exemples ci-dessous deux sortes d’ondes. Essayez de les ordonner des plus rapides aux plus lentes : Ondes sonores dans l’eau : Vous avez peut-être noté que le son est différent sous l’eau. Les ondes sonores s’y déplacent plus vite, au point que les choses paraissent parfois plus proches. Les sons sont également déformés par rapport à la normale, car l’air et l’eau transportent les longueurs d’onde de manières différentes.

Ondes sismiques : Un séisme survient quand d’énormes régions terrestres se frottent l’une à l’autre et déclenchent par ce frottement des ondes sismiques dans la planète, capables de voyager d’un côté du globe à l’autre. Les premières que nous détectons sont appelées les ondes P (pour « ondes de pression »).

Vagues dans l’océan : Dans l’océan, bien des choses peuvent créer des vagues, des bateaux aux animaux qui s’y déplacent, mais les vagues les plus soutenues sont celles que crée le vent en se déplaçant à la surface de l’eau. Ces vagues océaniques peuvent voyager sur des centaines de kilomètres.

Ondes sonores dans l’air : Les ondes sonores sont particulières car elles se déplacent aussi bien dans l’air que dans l’eau et même dans les objets solides. Les ondes sonores voyagent plus vite dans les objets plus denses (elles vont donc plus vite dans le métal d’un tuyau que dans l’air). Cependant, vos oreilles sont bien plus habituées aux ondes sonores de l’air.

Ondes lumineuses : La lumière est partout autour de nous. Elle nous vient de partout, même de l’autre côté de l’Univers visible. Mais qu’elle vienne de votre main ou qu’elle vienne de la Lune, sa vitesse est constante.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 57

APPRENDRE : AU-DELÀ DU VISIBLE Différentes parties du spectre électromagnétique servent des usages variés, selon la longueur d’onde des ondes considérées. Les plus petites sont employées pour sonder de petits objets à courte distance, les plus grandes pour interagir avec des objets plus étendus.

PETIT QUIZ : LE SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE Pourrez-vous relier les différentes parties du spectre électromagnétique à leur usage ? Chaque partie du spectre peut remplir plusieurs fonctions.

PARTIES DU SPECTRE :

1

s gam . Ra yo n

ur s bagages po a) Analyse de jets dangereux ob détecter des

ma

2. Rayons X

4. Lumière vi

f ra r o

b) Étude d métaux à e la structure de s petite éc helle d) Désinfection de l’équipement médical

3. Ultraviolets

5. I n

USAGES :

sible

e) Détecter le

f) Se n huma tir une pr é ine à u n m s e n ce è t re

uges

6. Micro

-ondes

h) Vision

de nuit

7. Ondes radio

de ages es im s humain d r i te n orp c) Ob ieur du c ’l intér s faux billets

images g) Obtenir des dégagée r eu al ch la n selo ffer de la i) Réchau re u it nourr

j) Téléphone portable et WiFi

l) Signa

ux GPS

k) Tran s messag mission de es à lon gue dis tance

58 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME

DÉCOUVRIR : UN MICRO-ONDE, COMMENT ÇA MARCHE ? Un four à micro-onde montre bien comment la physique peut simplifier la vie au quotidien. On considère souvent sans y penser sa capacité à réchauffer la nourriture rapidement ; c’est pourtant une invention plutôt moderne, et très éloignée du fonctionnement des fours habituels.

CHAUFFER DE L’EAU AU MICRO-ONDE Les micro-ondes font partie du spectre électromagnétique. Leur longueur d’onde est d’environ 2,5 cm. Elles se forment quand des objets chargés se déplacent d’avant en arrière, ce que l’on obtient à l’aide d’un appareil appelé « oscillateur ». L’expérience de l’onde aquatique (voir page 50) est un bon moyen de visualiser leur formation, avec le carton dans le rôle de l’oscillateur. Dans les deux cas, les formes d’onde sont définies par la forme du récipient qui les contient.

Ce récipient est alors appelé un guide d’onde, car il dirige les ondes. De cette manière, on peut produire des micro-ondes de toutes tailles. Quand leur longueur d’onde correspond à la longueur de l’oscillateur, beaucoup d’énergie leur est transférée. Dans un four micro-onde, on choisit une longueur d’onde qui correspond aux molécules d’eau. Qu’est-ce que cela signifie ? Une molécule d’eau est faite d’un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène. L’atome d’oxygène

MOLÉCULES D’EAU Les microondes font vibrer les molécules d’eau.

EAU FROIDE

Les molécules bougent et se cognent, produisant de la chaleur.

EAU TIÈDE

EAU CHAUDE

LA PHYSIQUE DU POPCORN 59 a une faible charge négative, les atomes DANS UN SACHET DE POPCORN d’hydrogène une faible charge positive. Quand Grains couverts d’huile chaude. ils sont soumis aux micro-ondes, ils tentent d’aligner leurs charges à celles des ondes, qui les Grains fermés couverts d’huile. déplacent dans une direction puis dans l’autre, et cela recommence, des millions de fois par seconde. Tout ce mouvement chauffe l’eau car la chaleur est une FEUILLE DE MÉTAL CHAUD FEUILLE DE MÉTAL FROID forme d’énergie cinétique. C’est ainsi qu’un four à micro-onde peut rapidement réchauffer un plat d’onde, si bien que beaucoup de entier, de sorte qu’il soit chaud à cœur, chaleur est produite très vite (c’est aussi contrairement à un four standard ou à pour cette raison que mettre du métal au un grille-pain, qui chauffent plus micro-onde n’est pas une bonne idée.). lentement et chauffent d’abord l’extérieur des aliments. Il y a aussi une petite quantité d’huile dans le sac, qui chauffe très vite et LE POPCORN AU MICRO-ONDE n’absorbe pas autant de chaleur que Le popcorn au micro-onde tire profit l’eau, si bien que sa température d’un revêtement métallique particulier augmente bien plus vite que celle de disposé dans le sachet, qui agit l’eau. Cette chaleur est ensuite comme une « mer » d’électrons. Les transmise très rapidement au popcorn, atomes y sont proches les uns des et l’eau que contient le grain est autres, disposés en un réseau serré, convertie en vapeur. Comme la mais les électrons sont libres de se vapeur est produite dans un espace promener. Dès qu’une onde confiné, le grain craque et fait pop. électromagnétique frappe le métal, les Bien que l’huile aide à la cuisson du électrons se déplacent. De plus, ils popcorn, elle n’est pas indispensable s’alignent à n’importe quelle longueur pour obtenir ce pop.

60 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME

EXPÉRIMENTER : MICRO-ONDES ET VITESSE DE LA LUMIÈRE Les micro-ondes sont une forme de rayonnement électromagnétique, ce qui signifie qu’elles se déplacent à la vitesse de la lumière, si rapide qu’elle est difficile à mesurer. On peut toutefois la calculer indirectement... grâce à un four micro-onde !

IL VOUS FAUDRA : • • • • •

Un four micro-onde Une assiette micro-onde Du beurre ou du chocolat Du popcorn micro-ondable Des ciseaux

SE PRÉ

A

NCE

E T L D U IRE

S NÉCE

SA

Cette expérience commence avec l’équation de la vitesse d’une onde : Vitesse = Fréquence × Longueur d’onde La fréquence des ondes d’un microonde est de 2 450 MHz. Comme dit en page 58, l’oscillateur de ce genre de fours déplace les charges électriques d’avant en arrière pour former les ondes. La fréquence de 2 450 MHz signifie que l’oscillateur effectue par seconde 2 450 000 000 allers-retours, produisant des micro-ondes qui oscillent à la même vitesse. Afin de mesurer leur longueur d’onde, il faut produire des micro-ondes et identifier les régions où le transfert d’énergie est le plus important. Les micro-ondes créent des points chauds et des points froids. Pour chauffer uniformément, la nourriture doit donc être placée sur une plaque tournante. Ici, nous enlèverons cette plaque.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 61 CE QU’IL FAUT FAIRE :

points chauds, et notez-la d. Elle est égale à la moitié de la longueur d’onde des micro-ondes.

2. Placez l’assiette au centre du four. Allumez le four à faible puissance pendant une minute.

5. Multipliez d par 2 pour obtenir la longueur d’onde, puis multipliez celle-ci par la fréquence (2 450 MHz) pour obtenir la vitesse des microondes. Quel résultat obtenez-vous ? Convertissez-le en kilomètres par heure. Pour cela, divisez la vitesse par 100 000 (le nombre de centimètres dans un kilomètres) et multipliez par 3 600 (le nombre de secondes dans une heure). Un avion voyage à environ 885 km/h. Est-ce beaucoup par rapport à la vitesse des micro-ondes (et donc de la lumière) que vous avez mesurée ?

1. Placez le beurre ou le chocolat au centre de l’assiette.

3. Regardez si le beurre (ou le chocolat) a commencé à fondre, sinon, relancez le four pour une minute. Une fois qu’il a commencé, éteignez le four et sortez l’assiette. (Attention : c’est peut-être chaud.) 4. Le beurre sera fondu au niveau des points chauds et la distance entre les points chauds est liée à la longueur d’onde des micro-ondes. Mesurez la distance entre les centres de deux

QUE SE PASSE-T-IL ? Les fours micro-ondes produisent des ondes qui cuisent la nourriture en chauffant l’eau des aliments. Un de ces fours produit des ondes qui rentrent confortablement dans le guide d’onde, ce qui explique la présence des points chauds et des points froids. Deux points chauds sont distants d’une moitié de longueur d’onde, la distance entre deux zones fondues est donc la moitié de la longueur d’onde des ondes. La plaque tournante permet de cuire uniformément, car l’aliment passe ainsi par les points chauds et les points froids en tout point.

de l’équation de la vitesse d’une onde (voir page 52). Cette vitesse est aussi celle de la lumière, à peu près un million de fois plus grande que celle d’un avion. Les points chauds se trouvent là où l’onde varie le plus.

En mesurant leur longueur d’onde et en connaissant leur fréquence, il est possible de calculer la vitesse des micro-ondes à l’aide Les points chauds font fondre le beurre.

62 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME

DÉCOUVRIR : ÉLECTRICITÉ L’électricité est partout, utilisée tout le temps. Depuis nos réveils jusqu’à nos avions, elle joue un rôle clé dans nos vies. C’est une invention moderne et, pourtant, difficile d’imaginer un monde sans électricité !

LE FONCTIONNEMENT DES CENTRALES Quand on regarde une boussole, elle nous indique le nord. Son aiguille tourne jusqu’à s’aligner sur le champ magnétique terrestre. Que se passerait-il si on approchait un aimant ? L’aiguille tournerait pour lui faire face, bien sûr. Et si on faisait tourner l’aimant autour de la boussole, de façon continue ? L’aiguille continuerait de tourner afin de toujours pointer vers l’aimant. En déplaçant l’aimant autour de la boussole, on peut ainsi faire tourner son aiguille en continu.

Il n’y a pas que les objets magnétiques qui réagissent aux aimant. Les charges électriques se déplacent aussi quand elles rencontrent un champ magnétique (voir les pages 38–39). Si on déplace un aimant de bas en haut près d’un fil en métal, les électrons du fil se déplaceront vers la droite ou la gauche au passage de l’aimant. C’est ainsi que fonctionne une centrale électrique. Dans la centrale se trouve une bobine géante qui tourne autour d’un énorme aimant fixe. Tandis que les fils de la bobine tournent, les charges électriques répondent à la présence

ÉOLIEN

SOLAIR

E

LA PHYSIQUE DU POPCORN 63 de l’aimant et se déplacent. Cela produit de l’énergie électrique, dont on se sert pour alimenter toutes sortes de machines et de gadgets. La partie de la centrale chargée de faire tourner la bobine s’appelle la dynamo.

QUI A ALLUMÉ LA LUMIÈRE ? Pour produire de l’électricité dans une centrale, tout ce qu’il faut, c’est que la dynamo tourne en permanence. Cela paraît facile, mais c’est en réalité plutôt compliqué. Les centrales éoliennes comptent sur le vent pour actionner leurs gigantesques pales, qui font tourner la dynamo. Cela paraît un moyen évident, pourtant, l’énergie éolienne ne compte que pour 15 % de l’énergie électrique en Europe. Presque 40 % de le production électrique européenne provient de la combustion du charbon, du pétrole ou du gaz, ce qu’on appelle les énergies fossiles, qui posent deux gros problèmes. D’abord, elles polluent, ensuite, elles s’amenuisent. Les centrales à charbon brûlent leur combustible pour obtenir de la vapeur, qui fait tourner la dynamo. Une source importante d’électricité est l’énergie nucléaire (vous en saurez plus sur cette forme d’énergie dans le chapitre 4). Les centrales nucléaires génèrent de l’électricité en produisant de la vapeur, comme les centrales à combustible fossile, mais elles ne

HYDR

AU L I

polluent pas l’atmosphère. En revanche, elles produisent des déchets nucléaires, qu’il faut ensuite stocker en lieu sûr. Les barrages, tel le Hoover Dam aux États-Unis, tirent parti de cascades d’eau pour faire tourner leur dynamo. Leur impact sur l’environnement est évident. Enfin, l’énergie solaire emploie des panneaux solaires faits de cellules photoélectriques pour produire de l’électricité sans dynamo, un peu comme les feuilles des plantes. Quand le soleil frappe une surface, il lui transfère de l’énergie, c’est la chaleur qu’on sent par beau temps. Les plantes convertissent cette énergie par photosynthèse, une cellule photoélectrique fait de même en déplaçant des particules chargées.

QUE

64 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME

APPRENDRE : CIRCUITS Nos machines ont presque toutes besoin d’être alimentées, que ce soit par des piles, une batterie ou le secteur. La méthode est la même dans tous les cas : des fils transmettent différentes quantités d’électricité. En les connectant à des circuits, il devient possible d’extraire cette énergie pour, par exemple, alimenter un grille-pain.

PETIT QUIZ : CIRCUITS ÉLECTRIQUES Un four micro-onde prend des électrons remplis d’énergie, extrait cette énergie puis renvoie les électrons vidés vers la prise de courant. Ce faisant, les électrons ont parcouru une différence de potentiel (un voltage) de 220 V. La différence de potentiel fonctionne un peu comme la hauteur, car parcourir une grosse différence de potentiel, c’est comme tomber d’une falaise : on relâche beaucoup d’énergie. Le nombre d’électrons déplacés par seconde est donné par le courant. Étant donné que la différence de potentiel du secteur est toujours de 220 V, le taux d’énergie transférée dépend du courant. Ce taux, qu’on appelle la puissance, est donné par l’équation : Puissance = Courant × Différence de potentiel Courant et différence de potentiel sont reliés par ce qu’on appelle la résistance : Différence de potentiel = Courant × Résistance L’unité de puissance est le watt, l’unité de courant l’ampère, l’unité de différence de potentiel le volt, et l’unité de résistance l’ohm.

Le four micro-onde peut être représenté par un circuit électrique : Contrôle de puissance

Micro-ondes

Secteur 220 V Oscillateur

Si la puissance du micro-onde est de 800 W, et la différence de potentiel de 220 V, quelle quantité de courant se déplace dans le micro-onde ? Et quelle est la résistance du four ? Supposons que vous souhaitiez décongeler de la viande très doucement. Il faudrait donc baisser la puissance du four. Disons que vous la divisiez par trois. Quel est le changement à apporter à la résistance pour y parvenir ?

LA PHYSIQUE DU POPCORN 65

APPRENDRE : DIFFÉRENTES CENTRALES Tout le monde se sert de l’électricité, même sans y penser. Dès que vous regardez la télévision, vous utilisez de l’électricité. Quand vous marchez la nuit dans la rue, vous croisez des lampadaires qui sont alimentés par de l’électricité. D’où vient-elle ?

ÉNERGIE RENOUVELABLE ET NON RENOUVELABLE Il existe bien des façons de générer de l’électricité. L’une consiste à brûler du combustible pour produire de la vapeur qui fera tourner une turbine, un gros appareil muni de pales qui, couplé à une dynamo, contribue à fabriquer l’électricité. D’autres façons de faire, sans combustible, sont dites renouvelables. Une technique de production qui emploie une ressource limitée est dite non renouvelable. On finira par en manquer. En général, les sources renouvelables génèrent moins d’électricité, mais cela change petit à petit car la technologie s’améliore. Les sources non renouvelables produisent beaucoup de pollution, ou de déchets, qu’il faut nettoyer. La combustion produit aussi du dioxyde de carbone, qui cause le réchauffement climatique. Afin de continuer à utiliser l’énergie électrique dans le futur sans nuire à l’environnement, il sera nécessaire de la tirer de sources renouvelables.

En 2021, les sources renouvelables ont produit plus de 30 % de l’électricité d’Europe. La technologie de production d’énergie à partir de sources renouvelables doit s’améliorer pour que cette proportion puisse augmenter à l’avenir.

(NON)RENOUVELABLE ? Saurez-vous départager ces sources d’électricité entre les renouvelables et les non renouvelables ? 1. Centrale à charbon 2. Énergie solaire et panneaux solaires 3. Centrale éolienne 4. Centrale thermique à flamme 5. Centrale hydroélectrique (cascade) 6. Centrale thermique à gaz 7. Centrale de conversion des déchets 8. Usine marémotrice (qui se sert des marées de l’océan) 9. Centrale nucléaire 10. Centrale géothermique (qui pompe la chaleur du sol)

66 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME

EXPÉRIMENTER : FABRIQUER UN MOTEUR À PILE L’électricité est utile pour nous éclairer et faire marcher nos ordinateurs, mais comment la transformer en mouvement ? Facile ! On inverse la technique de génération d’électricité. Dans cette expérience, vous allez fabriquer un petit moteur tout simple.

IL VOUS FAUDRA : • Une pile AA ou AAA • Une vis en métal • Un petit aimant circulaire en néodyme • Un câble (7,5 cm de long environ) • Du scotch (en option)

SE PRÉ

NCE

T EE L U A D AIR

MINI-MOTEUR Scotch Vis

Aimant

ÉTAPE 1

SS NÉCE

Pile

Câble

ÉTAPE 2

ÉTAPE 3

LA PHYSIQUE DU POPCORN 67 MOTEURS ET DYNAMOS Les dynamos fonctionnent en faisant tourner une bobine de fils près d’un aimant. Les moteurs électriques inversent ce procédé. Si vous avez une source d’électricité et un aimant, vous pouvez les combiner pour obtenir une rotation. C’est exactement la même physique à l’œuvre. Si faire tourner une bobine près d’un aimant produit de l’électricité, alors générer de l’électricité près d’un aimant fera tourner une bobine !

CE QU’IL FAUT FAIRE :

1. Placez l’aimant sur la tête plate de la vis.

QUE SE PASSE-T-IL ? Quand vous reliez le câble à la pile et à l’aimant, vous formez un circuit électrique. De là, les charges électriques vont pouvoir parcourir l’aimant et la vis. Faire tourner une bobine près d’un aimant déplace du courant, donc, quand on fait le contraire et qu’on déplace un courant près d’un aimant, on devrait faire tourner la bobine. Dans notre expérience, la bobine est une vis. Quand vous retournez l’aimant, vous retournez le champ magnétique, ce qui fait tourner la vis dans l’autre sens. De la même manière, tourner la pile renverse la direction du courant, si bien que, là aussi, la vis tourne dans l’autre sens.

2. Tenez la pile et placez la pointe de la vis sur la borne négative de la pile. Elle devrait rester en place grâce à la présence de l’aimant. 3. Posez une extrémité du câble sur la borne positive de la pile (vous pouvez utiliser du scotch pour le faire tenir en place). Posez délicatement l’autre extrémité du câble sur l’aimant et découvrez ce qu’il se passe. 4. Essayez de retourner l’aimant et voyez ce qu’il se passe. Puis retournez la pile et observez les changements que cela provoque.

MOTEURS ÉLECTRIQUES Les moteurs électriques sont très variés en taille. On s’en sert partout dans le monde pour toutes sortes de choses, comme les brosses à dents électriques, les ventilateurs et les mixeurs. Les plus gros moteurs électriques du monde sont installés dans de gros navires et dans des usines. Mais qu’il soit appliqué pour pousser un bateau ou pour battre des œufs, le principe est le même que dans le petit moteur que vous avez construit. Un circuit électrique couplé à un aimant fait tourner un objet, ce qui peut servir dans bien des machines.

68 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME

DÉCOUVRIR : QU’EST-CE QUE LA LUMIÈRE ? De quoi la lumière est-elle faite ? La question paraît simple ; elle a pourtant déboussolé les scientifiques pendant des siècles, car la lumière se comporte bizarrement : parfois comme si c’était une onde, parfois comme si elle était faite de particules.

COMME UNE ONDE

COMME DES PARTICULES

Par temps de pluie, on voit parfois un arc-en-ciel. C’est la lumière du soleil qui frappe les gouttelettes dans l’atmosphère et est ainsi séparée en ses différentes couleurs, formant des bandes circulaires dans le ciel. Cela correspond au comportement d’une onde ; les couleurs se séparent parce que leurs longueurs d’onde sont différentes.

Si vous passez beaucoup de temps dehors en été, il faut vous mettre de la crème solaire, parce que le soleil envoie de la lumière ultraviolette qui provoque des coups de soleil. Si vous restez à l’intérieur, où il n’y a pas d’ultraviolets, vous n’aurez pas besoin de crème quelle que soit la quantité de lumière qui vous parvient. Pourquoi pouvons-nous attraper un coup de soleil après 30 minutes au soleil mais pas après 12 heures passées sous une ampoule ?

en les é p a re l c a r s e s e ièr -cie La lum de l’arc-en rentes rs fé couleu urs ont dif e. le d u n o c ’o d s le u rs longue

La raison est que la lumière ultraviolette (UV) du soleil a une longueur d’onde plus courte que la lumière d’une ampoule, et qui dit longueur d’onde plus courte dit davantage d’énergie. La lumière est composée de particules appelées photons, et c’est la quantité d’énergie par photon qui provoque les coups de soleil. Un photon ultraviolet va transférer toute son énergie aux atomes de votre peau comme une balle et vous brûler. Un photon de lumière visible, lui, va rebondir sur votre peau sans vous faire de mal. Vu comme ça, la lumière se comporte comme un amas de particules.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 69 COMME UNE ONDE ET DES PARTICULES Comment se fait-il que la lumière se comporte parfois comme une onde, parfois comme des particules ? La manière la plus simple de le comprendre consiste à concevoir la lumière comme composée de photons qui, collectivement, se comportent comme une onde, de la même manière que les molécules d’eau composent l’eau. Un photon est pourvu d’une longueur d’onde que les humains voient comme une couleur et son onde ressemble à une vaguelette. Quand le photon se déplace vers l’avant, la vaguelette le suit en se déplaçant de gauche à droite. Quand un grand nombre de photons se déplacent ensemble, ils peuvent se comporter comme une onde, par exemple dans un faisceau laser. L’histoire ne s’arrête pas là. Les scientifiques ont étudié des photons uniques pour observer leur comportement, s’attendant à ce qu’ils se comportent en particules. Mais en fait, ils agissent parfois comme des ondes.

EFFET DE LA LUMIÈRE SUR LA PEAU UN PEU DE LUMIÈRE VISIBLE La lumière visible rebondit sans dégât.

PLUS DE LUMIÈRE VISIBLE Ajouter plus de lumière visible est sans effet.

UN PEU DE LUMIÈRE UV De la lumière UV est absorbée, causant des dégâts.

PLUS DE LUMIÈRE UV Avec plus d’UV, les dégâts sont plus grands.

70 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME

EXPÉRIMENTER : FILTRER LA LUMIÈRE Si vous allez voir au cinéma un film en 3D, on vous donnera des lunettes spéciales qui font usage d’un aspect aussi simple qu’étrange du comportement de la lumière qui rend possible les films en 3D.

LUMIÈRE POLARISÉE Quand on dépose une enveloppe dans une boîte à lettre, on doit l’aligner avec la fente de la boîte. Si celle-ci est horizontale, l’enveloppe doit l’être aussi. Les photons se comportent de même quand ils passent dans des filtres. Si la vaguelette du photon est alignée avec le filtre, le photon passera. Mais si la vaguelette est

90 degrés par rapport au filtre, le photon ne passera pas. Pour les angles intermédiaires, le photon passera ou ne passera pas. Si la vaguelette est à 45 degrés par rapport au filtre, la probabilité qu’il passe sera de 50 %. Et si le photon passe le filtre une première fois, il sera par la suite toujours aligné avec celui-ci.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 71

ENVELOPPES ET PHOTONS Voici comment poster une enveloppe

Voici comment ne pas poster une enveloppe

100 % de chance de passer le filtre

50 % de chance de passer le filtre

0 % de chance de passer le filtre

MAGIE DU CINÉMA Les cinémas qui projettent des films en 3D emploient des lunettes filtrantes (l’illustration ci-dessus vous montre le fonctionnement du filtre). Ces filtres contrôlent ce que voient individuellement l’œil gauche et l’œil droit du spectateur. De cette façon, les lunettes pour film 3D trompent votre cerveau en lui faisant croire qu’il observe un objet solide plutôt qu’un écran plat. Vos yeux gauche et droit voient les choses depuis des positions légèrement différentes, ce qui

vous permet de juger leur distance. C’est la perception de la profondeur (voir l’encart de la page 73). Ainsi, si un cinéma 3D veut vous faire croire que vous regardez des objets solides, il a simplement besoin de les présenter sous des angles différents à vos yeux gauche et droit. S’il le fait bien, il vous semblera vous trouver vraiment au cœur de l’action. Une manière simple d’y parvenir est de filtrer individuellement la lumière qui parvient à vos yeux gauche et droit.

72 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME

Dans cette expérience, vous utiliserez des filtres pour contrôler la lumière. En plaçant les filtres d’une certaine façon, vous laisserez passer certaines vaguelettes et en arrêterez d’autres.

IL VOUS FAUDRA : • Du film polarisant (par exemple issu de lunettes 3D jetables) • Des ciseaux • Du scotch • Une feuille blanche

CE QU’IL FAUT FAIRE :

1. Pour repérer l’orientation du film, collez un bout de scotch le long d’un de ses côtés. Coupez le film en trois bandes, chacune pourvue d’un bout de scotch. 2. Placez un bout de film sur la feuille. Elle paraîtra plus sombre sous le film puisque seule une partie de la lumière passera. Prenez un autre morceau de film et retournez-le. Posez-le pardessus le précédent et observez la couleur du papier sous les deux films. Il ne devrait pas être plus sombre.

FILTRES COMBINÉS Aucune lumière ne passe au travers de deux films à 90° l’un de l’autre.

ÉTAPE 1

ÉTAPE 3

En ajoutant un troisième film entre les deux premiers, un peu de lumière repasse.

En ajoutant un troisième film sur les deux premiers, la lumière ne passe pas.

ÉTAPE 2

ÉTAPE 4

LA PHYSIQUE DU POPCORN 73

Tournez lentement le deuxième bout de film jusqu’à obtenir un angle de 90 degrés avec le précédent. La lumière ne devrait plus passer : la feuille est noire sous les deux films à 90 degrés l’un de l’autre. 3. Glissez le troisième morceau de film entre les deux autres. Tournez-le lentement pour voir la quantité de lumière qui parvient à passer. Ajouter une troisième couche peut augmenter la quantité de lumière qui passe ! 4. Placez le troisième bout par-dessus les deux autres. Une fois de plus, la lumière ne passe plus. Ce n’est qu’en le plaçant entre les deux que la lumière peut de nouveau passer.

QUE SE PASSE-T-IL ? Quand la lumière atteint le film, elle ne passe pas entièrement car tous les photons ne sont pas alignés avec le filtre. En ajoutant un deuxième film à 90 degrés, on bloque toute la lumière, car les photons ont été alignés de force avec le filtre du premier film, si bien qu’ils ne peuvent être alignés avec le deuxième. En ajoutant le filtre du milieu à 45 degrés, on peut laisser passer un peu de lumière depuis le filtre du haut jusqu’à celui du milieu, et de celui-ci au filtre du bas. Ajouter un filtre peut augmenter la quantité de lumière qui nous parvient.

PERCEPTION DE LA PROFONDEUR Essayez ça : tenez votre pouce devant vous bras tendu. Accommodez votre regard sur votre pouce puis fermez les yeux un par un, toujours en regardant votre pouce. La différence entre les deux yeux ne devrait pas être énorme. Maintenant, approchez votre pouce jusqu’à 7 cm de votre nez. Regardez-le d’abord en fermant l’œil gauche, puis en fermant l’œil droit. Cette fois, chaque œil verra un côté différent de votre pouce. Ses vues différentes pour chaque œil vous aident à juger de la distance qui vous sépare de ce que vous regardez. C’est la perception de la profondeur.

7 cm

74 ONDES ET ÉLECTROMAGNÉTISME

APPRENDRE : ENVOYER DES CODES SECRETS AVEC DES PHOTONS Pour envoyer un message secret à quelqu’un, il faut un moyen de le crypter et un moyen de le déchiffrer. La science du cryptage et du déchiffrement des messages est la cryptographie. Les cryptographes peuvent utiliser des photons pour envoyer des messages secrets.

PETIT QUIZ : MESSAGES SECRETS Une manière simple d’envoyer des messages est d’utiliser le code Morse. En Morse, chaque lettre est convertie en traits et en points. Du moment que vous vous mettez d’accord sur la manière de communiquer traits et points, vous pourrez envoyer des messages en Morse.

A •– B –••• C –•–• D –•• E• F ••–• G ––•

H •••• I •• J •––– K –•– L •–•• M –– N –•

O ––– P •––• Q ––•– R •–• S ••• T– U ••–

V •••– W•–– X –••– Y –•–– Z ––••

Alice veut envoyer le message suivant à Bob : « Allons au cinéma ». Elle le convertit en traits et en points à l’aide du code Morse et envoie le message suivant :

.- .-.. .-.. --- -. ... / .- ..- / -.-. .. -. . -- .1. Bob reçoit le code Morse et le traduit pour le lire. Puis, il renvoie la réponse suivante à Alice. Qu’a-t-il dit ?

.--- . / ... ..- .. ... / --- -.- / .--. --- ..- .-. / -- .- .-. -.. ..

LA PHYSIQUE DU POPCORN 75

2. Bob s’inquiète du fait que n’importe qui pourrait lire son message. Son amie Ève aime bien lire ses messages secrets et si elle déchiffre les points et les traits, elle découvrira ce qu’il dit à Alice. Alice invente donc un système à base de photons. Elle enverra à Bob un photon aligné verticalement pour un point, horizontalement pour un trait. Bob pourra utiliser un filtre horizontal pour lire le code. Si le photon passe son filtre, c’est qu’il était horizontal et il écrit un trait. S’il ne passe pas, c’est qu’il était vertical et il écrit un point. Alice teste sa méthode en envoyant son nom :

ALICE Æ .- .-.. .. -.-. . Æ VH VHVV VV HVHV V Bob reçoit et déchiffre le message et envoie celui-ci en retour :

VVVV V VHVV VHVV HHH / VH VHVV VV HVHV V / HVHV V VVV H / HVVV HHH HVVV Quel est le message de Bob à Alice ?

3. Bob est toujours inquiet car si Ève parvenait à placer son propre filtre entre ses messages et ceux d’Alice pour les déchiffrer, Alice et lui n’en sauraient rien. Après un temps de réflexion, Alice a une autre idée. Elle sait que si Bob aligne son filtre horizontalement et qu’elle envoie un photon à 45 degrés, il y a 50 % de chance que le photon passera le filtre, et donc 50 % de chance que Bob obtienne un point et 50 % de chance qu’il obtienne un trait. Toutefois, si Bob tourne lui aussi son filtre à 45 degrés, le photon sera aligné correctement, et il pourra lire le message envoyé. Tous deux tournent leur filtre et leurs photons et Alice envoie ce message à Bob :

VVVV V VHVV VHVV HHH Quel est le message d’Alice à Bob ? Bob décide de renvoyer le même message, mais cette fois Ève l’intercepte. La moitié des photons passent le filtre d’Ève, mais elle ne peut pas lire le message puisqu’elle n’a aucun moyen de savoir quels photons sont horizontaux et quels photons sont verticaux. Les photons qui passent par le filtre d’Ève sont à 45 degrés de ceux du filtre d’Alice et seule la moitié de ces photons passent le filtre d’Alice. Cela signifie qu’Alice ne reçoit que le quart des photons que Bob a envoyé et non la moitié comme attendu, si bien qu’Alice sait à présent qu’Ève a tenté d’espionner leur conversation !

CHAPITRE 3

FORCES ET GRAVITÉ DÉCOUVRIR... APPRENDRE... EXPÉRIMENTER...

78 FORCES ET GRAVITÉ

DÉCOUVRIR : FORCES Les forces sont ce qui nous permet d’interagir avec le monde qui nous entoure. Qu’on soulève un objet lourd ou qu’on marche tranquillement, on applique une force. Quand on soulève un livre, on le tire vers nous, et quand on marche, on repousse le sol.

LES LOIS DE NEWTON Au XVIIe siècle, Sir Isaac Newton a découvert trois lois pour décrire l’action des forces sur les objets. On peut les résumer ainsi : • Première loi : Un objet immobile ne bougera pas à moins qu’une force ne l’y pousse. Un objet qui se déplace ne changera ni de vitesse ni de direction à moins qu’une force ne l’y pousse. • Deuxième loi : Si une force s’applique à un objet, il sera accéléré dans la direction de la force. • Troisième loi : À toute force en correspond une autre, égale et opposée. Mettons que vous frappiez un palet de hockey immobile. Avant l’impact, aucune force ne s’appliquait à lui, il restait donc en place (1re loi). Quand vous le frappez de votre crosse, vous lui appliquez une force : il bouge (2e loi) et vous sentez une résistance car le palet pousse sur la crosse dans l’autre sens (3e loi). Si le palet était en mouvement auparavant, il se serait déplacé en ligne droite à vitesse constante jusqu’à votre coup de crosse

(1re loi). Les lois de Newton nous fournissent un outil très simple pour comprendre l’action des forces. La deuxième loi énonce la manière dont une force accélère un objet. Elle est donnée par l’équation : Force = Masse × Accélération Cela signifie que si on double la force, on double l’accélération. C’est pourquoi un palet de hockey ira plus vite si vous le frappez plus fort. Cela signifie aussi qu’un objet lourd accélérera moins qu’un autre plus léger sous l’effet de la même force. Lancer une balle de tennis réclame plus d’effort que lancer une balle de ping-pong. Pour leur donner la même vitesse, il faut lancer la balle de tennis plus fort, lui donner plus de force.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 79

FORCES DE CONTACT ET FORCES À DISTANCE La plupart des forces courantes sont des forces de contact, qui poussent et repoussent quand deux objets se rencontrent. Quand vous grimpez l’escalier, vos pieds poussent contre les marches et vous vous tirez à l’aide de la rampe. Si les objets ne se touchent pas, c’est qu’il existe une force « à distance ». La gravité en est un bon exemple, de même que l’électromagnétisme. Vous avez constaté que les forces magnétique et électrostatique agissent à quelques centimètres de distance. Ce ne sont pas des forces de contact. Les forces agissent à toutes sortes d’échelles différentes. Il en existe dans les atomes, qui constituent tout ce qui nous entoure et lient toutes choses. D’autres font bouger les voitures. Et à grande échelle, des forces permettent à la Terre de tourner autour du Soleil.

80 FORCES ET GRAVITÉ

EXPÉRIMENTER : TESTER LA TROISIÈME LOI DE NEWTON Selon Newton, toute action entraîne une réaction égale et opposée. Sur un skateboard, vous poussez du pied contre le sol, et le sol vous repousse avec une force égale. Si vous poussez contre une masse égale à la vôtre, vous la déplacerez elle aussi.

IL VOUS FAUDRA :

CE QU’IL FAUT FAIRE :

• 2 skateboards • Des casques, des genouillères et des protège-coudes • Un ami à peu près du même poids que vous • Une perche (un manche à balai fera l’affaire) • Une corde

Dans cette expérience, vous serez assis ou debout sur un skateboard, il faut donc vous protéger en portant un casque, des genouillères et des protège-coudes en cas de chute. Trouvez une zone plate et bitumée.

E ENC S É PR T EE L U A DC E S S A I R NÉ

1. D’abord, placez votre ami debout au sol, et vous assis ou debout sur un skateboard. Attrapez chacun une extrémité de la perche. Poussez doucement dans la direction de votre ami. Vous allez vous éloigner de lui. Ce n’est pas surprenant, puisque cela revient à pousser contre le sol.

ÉTAPE 4

LA PHYSIQUE DU POPCORN 81 2. Répétez l’expérience mais cette fois laissez votre ami pousser de son côté. Vous devriez vous éloigner de la même façon car, peu importe que vous poussiez votre ami ou qu’il vous pousse, du moment que vous tenez tous les deux la perche, vous sentirez tous les deux une force, et vous vous éloignerez de votre ami. 3. Ensuite, demandez à votre ami de monter sur un skateboard lui aussi (n’oubliez pas les protections !). Tenez tous les deux la perche (un à chaque bout) et poussez en même temps. Que se passe-t-il ? Essayez ensuite de pousser chacun à votre tour.

4. Prenez une corde à la place de la perche et cette fois tirez sur la corde. Bougez-vous tous les deux ou l’un de vous seulement ? Que se passerait-il avec trois personnes alignées et reliées par une corde si celle placée au centre tirait des deux côtés ? 5. Enfin, demandez à un adulte de vous rejoindre. Tenez-vous sur un skateboard, l’adulte sur un autre. En poussant doucement vers l’adulte avec la perche, vous déplacez-vous plus vite ou plus lentement que l’adulte ? Et si c’est lui qui pousse ? Et si vous laissez votre place à un adulte ? Les deux se déplaceront-ils plus vite ou plus lentement que vous et votre ami ?

QUE SE PASSE-T-IL ? Quand vous poussez ou tirez un objet, vous lui appliquez une force, qui sera équilibrée par une force égale qui poussera ou tirera dans l’autre sens. Quand vous poussez votre ami, qu’il soit ou non sur un skateboard, vous sentez qu’une force vous repousse et vous déplace. Quand vous êtes tous les deux sur des skateboards, vous vous éloignez à la même vitesse, car la même force s’applique à vous deux et vous faites à peu près le même poids, si bien que l’accélération est environ égale pour vous deux. Mais quand vous poussez un adulte sur un skateboard, vous allez plus vite que lui, car la force est toujours la même pour vous deux mais sa masse est supérieure, ce qui signifie une accélération moindre.

82 FORCES ET GRAVITÉ

APPRENDRE : GRAPHIQUES DE VITESSE La vitesse d’un objet nous indique s’il se déplace vite ou lentement et son accélération nous fournit les variations de vitesse. Si on connaît la vitesse d’une voiture et le temps du trajet, on peut calculer la distance qu’elle parcourt. C’est à ça que servent les graphiques de vitesse.

DISTANCE, VITESSE ET ACCÉLERATION Distance et vitesse sont reliées au temps par l’équation suivante :

Distance = Vitesse × Temps Si on se déplace à 30 m/s, on va deux fois plus loin dans le même temps que si on voyage à 15 m/s. L’accélération décrit les variations de la vitesse au cours du temps de la même façon :

Variation de vitesse = Accéleration × Temps 1. Supposons qu’une voiture se déplace à 22 m/s, mais la limitation de vitesse change et la voilà qui doit passer à 13 m/s, avec 10 secondes pour le faire. Quelle sera son accélération ? Quelle est sa vitesse moyenne lors de cette décélération ?

LE FONCTIONNEMENT DES GRAPHIQUES DE VITESSE

Vitesse (mètres par seconde)

Les graphiques de vitesse présentent la vitesse d’un objet en fonction du temps. La vitesse est sur l’axe des y et le temps sur l’axe des x. Si un bus voyage à 10 m/s pendant 20 secondes, son graphique de vitesse ressemblera à ça :

12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Distance = Vitesse × Temps = Surface Distance = Surface sous la courbe Distance = Nombre de carrés Distance = 200 m

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11

12 13 14 15 16 17 18 19 20

Temps (secondes)

LA PHYSIQUE DU POPCORN 83

La distance parcourue est la surface sous la courbe. On peut la déterminer en multipliant la vitesse par le temps, ou en comptant les carrés. Quelle que soit la méthode choisie, vous

12

2. Si un bus accélère de façon constante, la courbe formera un triangle sur le graphique. Dans celui de droite, le bus accélère jusqu’à atteindre 10 m/s en 6 secondes. Quelle est l’accélération ? On peut pour le savoir mesurer la pente de la courbe ou diviser le changement de vitesse par le temps nécessaire. Quelle distance le bus a-t-il parcourue ?

Vitesse (mètres par seconde)

obtiendrez la même surface et donc la même distance, ici 200 m.

11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

1

2

3 4 Temps (secondes)

12

6

3. Le graphique de gauche montre le trajet d’une voiture (en bleue) et d’un camion (en rouge). La voiture va plus vite, mais elle fait une pause au milieu. Quelle est l’accélération initiale de la voiture ? Et du camion ? Lequel voyage le plus au total ?

11 10 Vitesse (mètres par seconde)

5

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

5

10

15

20

25

Temps (secondes)

30

35

40

45

84 FORCES ET GRAVITÉ Sauter contre la gravité

DÉCOUVRIR : GRAVITÉ Il existe une force qui relie toute chose dans l’Univers. Tout ce qui est pourvu d’une masse la ressent, et ses effets sont sensibles à des milliards de kilomètres. Cette force est la gravité. Sur Terre, elle nous colle au sol. Elle fait aussi tourner la Lune au-dessus de nos têtes.

LA GRAVITÉ SUR TERRE L’attraction gravitationnelle terrestre se fait sentir à chaque instant. Tout objet pourvu de masse attire à lui tout autre objet pourvu de masse, et plus il est massif, plus il attire. Pour déterminer votre poids en un lieu, multipliez votre masse par la gravité locale. La gravité est presque la même partout sur Terre, mais elle est légèrement moindre au sommet des montagnes, car la force gravitationnelle entre deux objets s’affaiblit avec la distance. Cependant, la gravité sur le plus haut sommet du monde (le mont Everest) n’est que 0,2 % plus faible qu’au niveau de la mer. Le poids d’un objet est lié à sa masse par l’équation suivante : Poids = Masse × Accélération de la gravité L’accélération de la gravité est ce qui fait tomber les objets et ce qui les accélère lors de leur chute. Élever un objet en dépit de la gravité coûte de

l’énergie. C’est pourquoi monter un escalier est plus fatigant que de le descendre. La variation d’énergie gravitationnelle est la suivante : Variation d’énergie gravitationnelle = Poids × Variation de hauteur Quand vous montez l’escalier, vos muscles ont beaucoup plus de travail puisqu’il faut fournir en plus l’énergie gravitationnelle. Au contraire, quand un objet tombe, il perd son énergie gravitationnelle. C’est ce qui le fait accélérer.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 85 LA GRAVITÉ DANS L’ESPACE La gravité ne fait pas que vous faire tomber par terre, elle fait aussi tourner la Lune. La gravité est aussi la raison pour laquelle la Terre est en orbite autour du Soleil. La gravité de la Lune et du Soleil affecte même les océans : c’est l’attraction gravitationnelle de la Lune et du Soleil qui cause les marées. Les très hautes marées de printemps surviennent quand le Soleil et la Lune sont alignés et que leur attraction gravitationnelle combinée est au plus haut. La force de gravité entre la Lune et la Terre est si forte que la Lune en est déformée, en forme d’œuf, et qu’elle présente toujours la même face à la Terre. À plus grande échelle encore, la gravité est ce qui maintient la cohésion de la galaxie, car c’est une force à

longue distance, qu’on ressent à des milliards de kilomètres à la ronde. La gravité est toujours attractive. L’attraction des objets très massifs, comme le Soleil, se ressent donc à très grande distance, à la différence de la force électrostatique entre charges électriques. La force électrostatique est bien plus forte, mais les charges positives et négatives s’annulent presque tout le temps, si bien qu’on ne voit pas souvent cette force en action. Quand on la voit, c’est d’ailleurs très intense (comme dans le cas des éclairs lors d’un orage). La s e n g ra v i t s dan ible pa é est s l’e rto spa ut c e.

86

EXPÉRIMENTER : CHUTE ET GRAVITÉ La gravité est la force d’attraction d’une masse sur les autres. La masse de la Terre est ce qui crée l’attraction gravitationnelle qui fait tomber toute chose au sol. Quand on lâche un objet, il tombe. Lentement d’abord, puis plus vite. Comment s’accroît la vitesse lors de sa chute ?

IL VOUS FAUDRA : • Des grains de popcorn fermés • Une règle • Un chronomètre • Des post-it

CE QU’IL FAUT FAIRE :

1. Mesurez quelques hauteurs sur le mur, du sol au plafond. Placez des post-it à 60 cm, 90 cm, 120 cm, 150 cm et 180 cm. 2. Prenez un grain de popcorn fermé et lâchez-le à hauteur du post-it à 120 cm. Chronométrez le temps nécessaire pour qu’il touche le sol et notez-le. Pour ce faire, prenez le chronomètre dans une main et le grain dans l’autre. Quand vous lâchez le grain, démarrez le chronomètre. Puis arrêtez-le dès que vous entendez le bruit du grain qui touche le sol. Ce sera bref, ne réfléchissez pas trop. Faites quelques essais auparavant au besoin. 3. Répétez l’étape 2 pour tous les autres post-it à toutes les autres hauteurs, afin de savoir en combien de temps un grain tombe de 60 cm, 90 cm, 120 cm, 150 cm et 180 cm. Remplissez au fur et à mesure le tableau de la page suivante.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 87

HAUTEUR

Temps de chute (secondes)

Temps de chute × Temps de chute

Gravité = 2 × Hauteur ÷ Temps2

2 × Hauteur ÷ Temps moyen2

60 cm 90 cm 120 cm 150 cm 180 cm

Pour remplir la 3e colonne, il faudra multiplier le temps par lui-même pour obtenir le carré du temps. Pour la 4e, multipliez la hauteur par 2 et divisez le résultat par le carré du temps. Que constatez-vous pour les valeurs de la 4e colonne ? Elles devraient être environ égales. Si elles ne sont pas proches, recommencez l’expérience. Par exemple, s’il faut 0,5 seconde pour tomber de 120 cm, les valeurs ressembleront à : Temps = 0,5 seconde Carré du temps = 0,5 × 0,5 = 0,25 s 2 Gravité = 2 × Hauteur ÷ Carré du temps Gravité = 2 × 120 cm ÷ 0,25 s 2 = 240 ÷ 0,25 = 960 cm·s 2

4. Répétez l’expérience pour obtenir 10 temps pour chaque hauteur. Ajoutez ces valeurs pour chaque hauteur et divisez par 10 pour obtenir le temps moyen. Utilisez maintenant ces valeurs moyennes pour voir si les résultats se rapprochent.

QUE SE PASSE-T-IL ? Vous devriez obtenir presque la même valeur à chaque fois pour la gravité, quelle que soit la hauteur de la chute. L’accélération de la gravité est la même pour tous. Les objets lourds et les objets légers tombent à la même vitesse. Si vous lâchez un ballon de foot et une balle de tennis en même temps de la même hauteur, ils toucheront le sol en même temps. Cela a été découvert il y a 400 ans par le savant italien Galilée, une découverte qui a signé l’acte de naissance de la physique en tant que science.

88 FORCES ET GRAVITÉ

APPRENDRE : GRAVITÉ ET EXPÉRIENCE DE PENSÉE Il y a deux mille ans, les savants de la Grèce antique pensaient que les objets lourds tombaient plus vite que les légers. Les scientifiques d’aujourd’hui mettent leurs idées à l’épreuve grâce à des expériences, mais aucune expérience n’est nécessaire pour prouver que les savants grecs se trompaient à propos de la gravité.

UNE EXPÉRIENCE DE PENSÉE Une expérience de pensée est une idée qu’on teste sans faire d’expérience réelle. C’est un moyen de s’aider à comprendre cette idée et de s’assurer qu’elle est sensée. Si on peut imaginer une expérience de pensée qui mène à une contradiction, c’est que quelque chose n’allait pas dans l’idée de départ. Le philosophe

grec Aristote pensait que les objets lourds étaient davantage accélérés que les objets légers lors de leur chute. Deux mille ans plus tard, un savant italien du nom de Galilée a testé cette idée et prouvé que tous les objets tombaient avec la même accélération. Imaginez que Galilée et Aristote se rencontrent et parlent de leurs idées. Galilée pourrait concevoir une expérience de pensée à partir de l’idée d’Aristote. Il lui suggérerait de se rendre avec lui en haut d’une falaise pour y jeter en même temps un objet lourd et un objet léger. Selon Aristote, lequel toucherait le sol en premier ? Et selon Galilée ?

Aristotle AAr riisstotl totl to tle

ARIS

TOTE

LA PHYSIQUE DU POPCORN 89

Galilée trouverait ensuite un moyen de rendre l’expérience de pensée plus intéressante. Il proposerait de relier les deux objets avec une ficelle, une ficelle très solide, dont le seul effet serait que, lorsqu’elle se tendrait, elle attirerait les objets à elle. « Parfait, dirait Aristote. Les deux objets tomberont jusqu’à ce que la corde se tende, et là, la tension de la corde ralentirait la chute de l’objet lourd et accélérerait celle de l’objet léger. » Galilée demanderait : « Une fois la corde tendue, les objets tomberont donc à la même vitesse ? » « Bien sûr ! répondrait Aristote. Nous sommes d’accord là-dessus. Les objets tombent avec la même accélération quand on les attache. » Toutefois, Galilée n’aurait pas fini son expérience de pensée. « Dans ce cas, l’objet lourd tombe plus lentement que s’il n’était pas attaché à l’objet léger ? » demanderait-il. « Oui. L’objet léger a pour effet de ralentir l’objet lourd. » « Aha ! s’écrierait Galilée. Je sais comment prouver que ton idée est fausse ! Je peux me débrouiller pour que l’objet léger accélère l’objet lourd ! » Aristote pense que l’objet léger ralentit l’objet lourd. Quel petit changement Galilée pourrait-il apporter à l’expérience de pensée pour persuader Aristote que l’objet lourd tombera au contraire plus vite en présence de l’objet léger ? Si l’idée d’Aristote le pousse à penser que l’effet de l’objet léger est à la fois de ralentir et d’accélérer l’objet lourd, il y aurait une contradiction, et la fausseté de son idée de la gravité serait démontrée.

GA L

ILÉ

E

90 FORCES ET GRAVITÉ

DÉCOUVRIR : QUANTITÉ DE MOUVEMENT Vous parcourez une rue à vélo. Ne pédalez plus : que se passe-t-il ? Vous ne vous arrêtez pas ; votre déplacement se poursuit. Si vous êtes sur une surface lisse, il se poursuit même à la même vitesse. C’est grâce à la quantité de mouvement que ce mouvement se poursuit.

QU’ES-CE QUE C’EST ? Quand un objet bouge, il acquiert une quantité de mouvement, et plus il bouge vite, plus il en a. Il est plus dur d’arrêter un vélo quand il se déplace vite que quand il va lentement, car sa quantité de mouvement est plus grande. C’est aussi plus dur d’arrêter un vélo quand on porte un gros sac sur le dos car notre masse est alors supérieure.

La quantité de mouvement d’un objet est égale à : Qté de mouvement = Masse × Vitesse Si vous et un ami êtes sur un tandem, votre quantité de mouvement sera environ le double de celle que vous auriez si vous étiez seul sur un vélo normal à la même vitesse. Si vous allez à 5 m/s, votre quantité de mouvement sera deux fois plus grande que si vous allez à 2,5 m/s. Pour modifier votre quantité de mouvement, il vous faut modifier votre vitesse, ce qui nécessite d’appliquer une force. Plus la modification de la quantité de mouvement sera importante, plus grande sera la force nécessaire.

En vélo plus s’a , plus on va v r r ê te r est dif ite, ficile.

91 de ule la d n t e s ent le p n, c’e uvem les. s n D a ew to e m o s b o u N té d le n t i l a ce qua i dép qu

COMMENT LA CONSERVER ? Quand on patine à grande vitesse sur la glace, il est difficile de ralentir car la quantité de mouvement est importante. C’est pourquoi les débutants finissent souvent dans le mur. Modifier la quantité de mouvement signifie appliquer une force ; que se passe-t-il quand il n’y en pas, ou quand elles s’annulent toutes ? Dans ce cas, la quantité de mouvement se conserve, et tout continue à la même vitesse. C’est la conservation de la quantité de mouvement. Lorsque deux objets entrent en collision, la conservation de la quantité de mouvement peut s’écrire : Qté de mouvement avant collision = Qté de mouvement après collision Imaginez que vous jouez au billard et que vous frappez la boule blanche. Elle se déplace et frappe la boule 8, et celle-ci se met à bouger. Si la boule blanche frappe la 8 de face, elle perdra toute sa quantité de

mouvement au profit de la 8. La blanche a appliqué une force sur la 8, force suffisante pour lui donner toute la quantité de mouvement. Et si elle prend toute la quantité de mouvement, et que la quantité de mouvement ne varie pas, celle de la boule blanche doit devenir nulle après la collision. Si la collision se fait de biais, la blanche et la 8 se déplaceront toutes deux selon un certain angle, mais la quantité de mouvement totale restera la même.

CE QUE SIGNIFIE LA 3E LOI DE NEWTON La 3e loi de Newton nous dit que, pour toute force, il en existe une autre, égale et opposée. Les forces modifient la quantité de mouvement, donc, si pour toute force il y a une force égale et opposée, il y a pour tout changement de quantité de mouvement un changement de quantité de mouvement égal et opposé.

92 FORCES ET GRAVITÉ

EXPÉRIMENTER : MOUVEMENT CONSERVÉ Toutes boules de billard ont à peu près la même masse, il est ainsi facile de prévoir leur déplacement après une collision. C’est ce qui permet de faire de jolis coups en se servant des bandes (les côtés de la table). Mais quand la collision se fait entre masses différentes ? On peut se servir de petites voitures pour le découvrir !

IL VOUS FAUDRA :

CE QU’IL FAUT FAIRE :

• 2 longues planches de bois lisses • Des piles de livres de 30 cm • Plusieurs petites voitures de différentes masses • Un mètre-ruban • Un chronomètre • Une balance de cuisine

Même si la quantité de mouvement est conservée, il est parfois difficile de s’en rendre compte. 1. Construisez une piste de circuit en plaçant une planche à plat sur le sol. Ajoutez une rampe en plaçant une extrémité de la seconde planche sur une pile de livres et l’autre au contact de la première. Il ne faut pas qu’il y ait d’interstice visible entre les planches. 2. Numérotez les voitures, pesez-les et notez les valeurs obtenues. (Vous pouvez les repérer par leur forme ou leur couleur si vous ne souhaitez pas les marquer.) 3. Placez une voiture en haut de la rampe et lâchez-la. Elle devrait dévaler la rampe et continuer sur la piste.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 93

Chronométrez le temps qu’il lui faut pour parcourir la rampe et la piste. Faites ceci pour chaque voiture et notez leur temps de parcours. Est-il toujours environ le même ? 4. Prenez maintenant deux voitures de masse environ égale. Placez-en une à l’endroit où la rampe touche la piste. Lâchez l’autre du haut de la rampe. Elle devrait venir frapper celle sur la piste, qui se déplacera après la collision. Chronométrez le temps passé entre le moment où vous lâchez la première et

le moment où la deuxième atteint le bout de la piste. Comparez cette valeur au temps qu’il fallait aux voitures seules pour parcourir la rampe et la piste. Recommencez cette expérience en plaçant la plus lourde des voitures en haut de la rampe et la plus légère sur la piste. Recommencez en inversant les voitures, la plus légère en haut et la plus lourde en bas.

QUE SE PASSE-T-IL ? Quand les voitures dévalent la rampe, leur énergie gravitationnelle se change en énergie cinétique (voir page 84). Comme ces deux formes d’énergie dépendent de la masse, chaque voiture devrait atteindre le bas de la rampe à la même vitesse. Appelons cette vitesse V_Rampe. Disons que la masse de la voiture sur la rampe est M_Rampe et celle de la voiture sur la piste M_Piste. La 3e loi de Newton nous dit que la quantité de mouvement est conservée. Si c’est le cas, on peut écrire : Qté de mouvement avant = Qté de mouvement après Si la première voiture perd toute sa quantité de mouvement dans la collision, c’est que la deuxième a gagné toute la quantité de mouvement.

La quantité de mouvement est : Qté de mouvement = Masse × Vitesse La première équation peut donc s’écrire : M_Rampe × V_Rampe = M_Piste × V_Piste On peut réarranger ça pour exprimer la vitesse de la voiture sur la piste en fonction des masses des deux voitures et de la vitesse de celle sur la rampe (qui devrait être égale pour toutes les voitures) : V_Piste = V_Rampe × (M_Rampe ÷ M_Piste) Cela correspond-il au résultat de votre expérience ? La plus légère a-t-elle été plus rapide sur la piste ? La plus lourde a-t-elle été plus lente ? Peut-être que la plus lourde n’a même pas atteint le bout de la piste...

94 FORCES ET GRAVITÉ

APPRENDRE : JOUER AU BILLARD Si vous avez déjà vu de bons joueurs de billard en action, vous avez probablement constaté qu’ils n’avaient aucun problème pour envoyer les boules dans les trous – question de pratique. Le billard, ce n’est après tout que de la physique !

COUPS DIRECTS Quand tout est aligné, c’est facile. Il faut frapper la blanche vers les rouges, une à la fois, de sorte qu’elles tombent dans les trous (qu’elles « coulent »). Grâce à la conservation de la quantité de mouvement, si la blanche frappe une rouge de face, elle s’arrêtera et la rouge se déplacera dans la même direction. Par exemple, sur la table ci-dessous, le joueur a trois coups possibles pour couler une rouge.

1. Si la blanche s’arrête à chaque fois qu’elle touche une rouge, y a-t-il un moyen de couler toutes les rouges, une à la fois, sur cette table ?

LA PHYSIQUE DU POPCORN 95

JOUER AVEC LES BANDES Quand une boule frappe une bande, elle rebondit avec le même angle. Les joueurs se servent de ça pour couler des boules difficiles. Voici un exemple d’un joueur se servant de la bande.

quantité de mouvement de la blanche soit de 5 unités. Après le choc, elle se déplace de 2 unités plein est, 3 unités plein nord. 3. Quelle est la quantité de mouvement de la rouge après le choc ? Il y avait 5 unités de quantité de mouvement plein est avant, il doit donc rester 5 unités plein est après. La blanche en a 2 unités, il faut donc que la rouge en ait 3 : Qté avant = Qté après 5 unités (blanche avant) + 0 unité (rouge avant) = 2 unités (blanche après) + 3 unités (rouge après)

2. Y a-t-il un moyen de couler toutes les rouges grâce aux bandes ? La blanche ne doit jamais toucher de boule jaune.

Dans la direction nord-sud, vous savez que la blanche part avec 0 unité et finit avec 3 unités plein nord. Cela signifie que la rouge doit avoir 3 unités plein sud, afin que le total de la quantité de mouvement dans la direction nord-sud soit nul : 0 unité (blanche avant) + 0 unité (rouge avant) = 3 unités (blanche après) — 3 unités (rouge après) 4. Avec le même raisonnement, pourrez-vous déterminer la quantité de mouvement de la boule rouge après les collisions suivantes ?

JOUER AVEC LES ANGLES Si la blanche frappe une boule de biais, les deux s’éloigneront de manière différente. Disons que vous voulez couler une rouge en la frappant de biais. Avant le choc, la blanche aura une certaine quantité de mouvement, qui sera conservée, donc les deux boules en auront une partie après la collision. Supposons que vous frappiez la boule plein est, et que la

• La blanche commence avec une quantité de mouvement de 6 unités plein est. Après la collision, elle conserve 5 unités plein est, en plus de 2 unités plein sud. • La blanche commence avec une quantité de mouvement de 3 unités plein sud. Après la collision, elle a une quantité de mouvement de 1 unité plein est, et 1 unité plein sud. • La blanche commence avec une quantité de mouvement de 2 unités plein ouest et 3 unités plein sud. Après la collision, sa quantité de mouvement est de 1 unité plein ouest, et 0 unité plein sud.

96 FORCES ET GRAVITÉ

DÉCOUVRIR : BASEBALL ET BOULETS Avez-vous déjà observé la trajectoire de l’eau d’une fontaine ? Quand elle jaillit d’un robinet orienté vers le haut, elle décrit dans l’air une courbe appelée parabole, la même que tout objet attiré vers le sol en raison de la gravité.

BALLES DE BASEBALL Quand on frappe une balle au baseball, le but est de l’envoyer le plus loin possible. Quel est le meilleur moyen pour cela ? Juste après la frappe, la seule force qui agit sur la balle est la gravité qui l’accélère en direction du sol.

Les jou des an eurs s’entraîn nées ent le meil pour obten ir leur sw ing.

On peut la frapper le plus fort possible horizontalement, afin qu’elle parcourt une longue distance avant de toucher le sol, mais est-ce vraiment la meilleure solution ? Si on la frappe légèrement vers le haut, elle ira plus loin avant de tomber. En poussant les choses à leur limite, si on la frappe complètement vers le haut, elle restera en l’air un maximum de temps. (Mais elle nous retombera sur la tête, alors qu’on voudrait l’envoyer le plus loin possible.) Il doit bien y avoir une position idéale entre ces deux extrêmes ! Frapper la balle à l’horizontale la maintient en l’air le moins possible, la frapper à la verticale le plus possible mais en la faisant retomber au même point, si bien qu’on ferait mieux de la lâcher tout simplement. Il se trouve que l’angle parfait pour frapper une balle de baseball est pile à 45 degrés par rapport au sol ; 45 degrés est l’équilibre parfait pour obtenir la plus grande vitesse horizontale tout en laissant le plus de temps de vol possible à la balle grâce à sa vitesse verticale.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 97 BOULETS DE CANON La raison pour laquelle 45 degrés est le meilleur angle est à chercher dans la trajectoire de la balle qui décrit une parabole, comme tout objet soumis à la gravité. Aujourd’hui, connaître la gravité donne un avantage à tout le monde sur le terrain, mais durant des siècles, c’était le genre de savoir qui faisait gagner les guerres quand on le possédait. La science des objets qu’on lance et qui tombent est appelée la balistique, et tout objet ainsi lancé, que ce soit une balle de baseball ou un boulet de canon, est appelé dans ce cadre un projectile.

Au Moyen Âge, on employait des canons pour tirer des boulets sur les châteaux ennemis. Le but était de les endommager afin que les soldats puissent y pénétrer. C’est pourquoi les physiciens ont pu tenir un rôle important dans les armées. Beaucoup d’effort ont été consacrés à comprendre le mouvement des projectiles. Comme vous le voyez sur le diagramme, la distance que va parcourir un boulet de canon est fonction de l’angle de départ qu’il forme avec le sol. Les armées qui touchaient leurs cibles gagnaient plus de batailles que les autres.

TIRER UN BOULET

75° 60°

Les différents angles de tir...

45°

30° 15°

... changent la distance que le boulet va parcourir.

98

EXPÉRIMENTER : PROJECTILES DE POPCORN Un objet sous l’emprise de la gravité accélère. Pour toucher une cible avec un élastique et un grain de popcorn, il faut s’intéresser à l’effet de la gravité sur celui-ci. Dans cette expérience, vous prédirez le mouvement des projectiles afin d’atteindre votre cible.

IL VOUS FAUDRA :

PRÉPARER LE LANCEUR

• • • •

Dans cette expérience, vous viserez des cibles. C’est un problème bien réel auquel les physiciens et les mathématiciens ont été confrontés après l’invention du canon, quand la balistique est devenue à la fois très chère et vitale pour la défense des pays. Rappelez-vous que la gravité n’affecte que le mouvement vertical ; le mouvement horizontal reste le même.

• • • • •

Un rapporteur Une règle Un élastique Des grains de popcorn fermés et éclatés Du scotch Des gobelets Des post-it pour laisser au sol des marques non permanentes Un gros objet solide (un pied de table, par exemple) Des amis pour vous aider à repérer l’endroit de la chute et vous défier

E ENC S É PR T EE L U A DC E S S A I R NÉ

CE QU’IL FAUT FAIRE : Pour cette expérience, il vous faudra préparer des cibles et un lanceur. 1. Pour le lanceur, attachez le rapporteur sur le côté d’un gros objet solide avec du scotch, afin qu’il reste bien en place. Le rapporteur doit être placé demi-cercle vers le bas, bord rectiligne en haut.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 99 2. Pour tirer un grain, utilisez l’élastique. Placez-en une extrémité au centre du rapporteur afin de pouvoir mesurer l’angle et installez la règle pour mesurer son extension (la longueur sur laquelle vous le tirez). 3. Essayez de tirer votre projectile (un grain fermé) selon différents angles, dont 0 degré, 30 degrés, 45 degrés, 60 degrés et 90 degrés par rapport à l’horizontale. Testez aussi différentes extensions. La longueur de l’extension dépendra de l’élasticité. À chaque essai, demandez à votre ami de coller un post-it à l’endroit où le projectile est tombé, ainsi que d’y noter l’angle choisi et l’extension adoptée.

Avec de l’entraînement, vous deviendrez très bon à ce jeu. Alors, pour pimenter le tout, recommencez avec des grains éclatés. Essayez de tirer des grains fermés et des grains éclatés selon le même angle et la même extension. Déterminez les différences entre leur lieu d’atterrissage après plusieurs essais. Quelles conclusions tirez-vous ? Le projectile éclaté tombe-t-il plus près ou plus loin du lanceur ? La distance que parcourent les grains éclatés avec le même angle et la même extension varie-t-elle beaucoup ? Est-ce très différent de ce qu’il se passe pour les grains fermés ?

TOUCHER LES CIBLES Maintenant que vous détenez cette information précieuse, essayez de toucher les cibles. Disposez quelques gobelets au sol et, à l’aide de l’information glanée sur le mouvement des projectiles, déterminez le nombre de cibles que vous atteignez. Organisez une compétition avec votre ami pour savoir combien de cibles chacun de vous touche en 10 essais. Celui de vous qui comprendra le mieux la physique qui se cache derrière ce mouvement obtiendra sûrement le meilleur score.

QUE SE PASSE-T-IL ? Modifier l’angle de tir des grains modifie aussi la distance qu’ils parcourent. Tendre davantage l’élastique augmente la vitesse des grains, ce qui affecte aussi la distance parcourue. Tirer des grains fermés est plus facile, car leurs formes sont similaires et qu’ils rencontrent la même résistance de l’air. Les grains éclatés sont de formes variées et rencontrent donc une résistance différente, ce qui les ralentit différemment.

100 FORCES ET GRAVITÉ

APPRENDRE : MOMENT CINÉTIQUE Quand une toupie tourne, elle tourne longtemps. Pourquoi ne s’arrêtet-elle pas plus tôt ? La raison est à chercher dans ce qu’on appelle le moment cinétique, qui se conserve comme la quantité de mouvement. Les objets continuent de tourner jusqu’à ce qu’on les en empêche.

QU’EST-CE QUE LE MOMENT CINÉTIQUE ? Quand les objets se déplacent en ligne droite, ils ont une quantité de mouvement. De la même manière, quand ils tournent sur eux-mêmes, ils ont un moment cinétique. Comme la quantité de mouvement, le moment cinétique se conserve, si bien qu’un effort est nécessaire pour augmenter ou réduire une vitesse de rotation. Soulevez un vélo et faites tourner sa roue arrière d’un coup de pédale, elle continuera de tourner même une fois les

pédales à l’arrêt. C’est que la roue a un moment cinétique qui se conserve, elle continue donc de tourner. La ligne autour de laquelle s’effectue la rotation s’appelle l’axe. Il existe trois manières de modifier un moment cinétique : • Les objets plus massifs ont plus de moment cinétique. • Les objets qui tournent plus vite ont plus de moment cinétique. • Les objets qui sont plus éloignés de l’axe de rotation ont plus de moment cinétique. Imaginez un patineur qui tourne sur lui-même. Il veut tourner plus vite et il connaît les lois du moment cinétique et de sa conservation. Il peut décider soit d’écarter les bras (de s’éloigner de l’axe) ou de les rapprocher de son corps (et donc de l’axe). Que doit-il décider pour tourner plus vite ? Un peu plus tard, il rejoint sa fille, toujours en tournant. Il la prend dans ses bras et ils tournent ensemble. Tournerontils plus vite ou plus lentement que le patineur quand il était seul ?

101

CHANGER LA ROTATION TERRESTRE Imaginons qu’un super vilain décide de modifier la rotation de la Terre autour de son axe. Il voudrait que le jour dure trente heures, pour que les gens travaillent plus longtemps. Pour ce faire, doit-il accélérer ou ralentir la rotation de la Terre ? Son assistant suggère quatre façons de ralentir la rotation, mais en réalité seules deux fonctionneront. Parmi ces quatre suggestions, quelle paire le vilain doit-il choisir ?

• Aplatir la Terre pour qu’elle ressemble à une très grosse crêpe plutôt qu’à une sphère. • Étirer la Terre pour qu’elle ressemble à un manche à balai aligné à son axe de rotation. • Creuser le centre de la Terre pour alléger sa masse. • Couvrir la surface de la Terre de plomb, pour qu’elle devienne très lourde. Le vilain voudrait que les gens travaillent 10 heures par jour plutôt que 8. Il affirme qu’ainsi ils travailleront plus d’heures en un an. Ce qu’il ne sait pas, c’est que le moment cinétique est aussi ce qui fait tourner la Terre autour du Soleil. Si l’année dure 365 jours quand le jour dure 24 heures, combien y a-t-il d’heures dans un an ? Si les gens travaillent 8 heures par jour 5 jours sur 7, combien d’heures une personne travaille-t-elle en une année ? Une fois que le vilain aura allongé le jour à 30 heures, combien de jours durera une année ? Si les gens travaillent 10 heures par nouveau jour 5 nouveaux jours sur 7, combien d’heures travailleront-ils en un an ? Le vilain a-t-il obtenu ce qu’il voulait ?

102 FORCES ET GRAVITÉ

DÉCOUVRIR : FRICTION ET RÉSISTANCE Il faut fournir un effort pour continuer à bouger, à pédaler sur un vélo, à nager dans l’eau. C’est que des forces s’opposent aux variations de mouvement. La friction est une force de contact entre des objets solides, comme la route et les pneus d’un vélo. Elle s’oppose toujours au mouvement.

FONCTIONNEMENT DE LA FRICTION La friction est la force qui s’exerce entre deux objets solides qui se déplacent l’un contre l’autre. C’est ce qui vous fait ralentir quand vous arrêtez de pédaler à vélo. La friction peut générer beaucoup de chaleur, c’est pourquoi les pneus d’un vélo sont plus chauds à la fin de la balade qu’au début. Certaines surfaces créent plus de friction que d’autres, elles vous ralentiront plus. La glace en génère très peu, ce qui explique les dangers d’une route verglacée.

La friction est aussi reliée à la traction, qui vous permet de pousser contre une surface. Les pneus d’un vélo sont en gomme, matière qui génère beaucoup de traction, si bien qu’il est facile avec eux de pousser contre la route pour se déplacer. Mais cela signifie aussi qu’il y aura plus de friction. Les trains sont pourvus de roues métalliques posées sur des rails, de métal également. Le métal génère peu de friction et peu de traction, il faut donc beaucoup de temps à un train pour atteindre sa vitesse de croisière, mais ceci fait il y aura peu de friction. Il lui faudra aussi beaucoup de temps pour s’arrêter. La friction dépend des surfaces qui se touchent et de la masse des objets impliqués. Les objets lourds en auront plus que les légers. C’est pourquoi il est plus dur de faire glisser sur un tapis une lourde boîte qu’une autre plus légère sur la même surface. Il faut du a r r ê te te m p s p o u r r un tr ain.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 103

de l’air ta n ce La résis fois question r est pa ou de mort. de vie

RÉSISTANCE DE L’AIR La résistance de l’air est la force qu’exerce l’air pour s’opposer au mouvement. Il faut de l’effort pour se déplacer dans l’air, même si on ne s’en rend pas souvent compte. C’est pourquoi courir dans la rue est plus fatigant que sur un tapis de course, même si vitesse et distance sont les mêmes. La différence, c’est que fendre l’air coûte plus que courir sur place. La résistance de l’air est souvent plus forte pour les objets plus rapides et les objets plus gros. Les parachutes en tirent profit pour ralentir les parachutistes dans leur chute. Se déplacer dans l’eau est encore plus dur que dans l’air car l’eau est plus dense ; il y a donc plus de substance à pousser hors de son chemin. C’est une des raisons pour lesquelles le record du monde de sprint est d’environ 12,4 m/s, alors qu’en natation le record s’établit à 2,2 m/s.

Imaginez un parachutiste qui saute d’un avion. Il subit la gravité et sa vitesse augmente continument (voir les pages 84–87). Toutefois, cela signifie que la résistance de l’air aussi va augmenter, car les objets plus rapides la ressentent davantage. Finalement, la force de gravité va s’équilibrer avec la résistance de l’air, et la vitesse du parachutiste se stabiliser. C’est ce qu’on appelle la vitesse terminale, qui dépend de la forme et de la masse de l’objet, ainsi que de la substance qu’il traverse. En ouvrant son parachute, le parachutiste change sa forme, et sa vitesse terminale avec, ce qui lui permet d’atterrir en douceur.

104 FORCES ET GRAVITÉ

EXPÉRIMENTER : FRICTION EN ACTION Quels facteurs affectent le ralentissement d’un objet soumis à frictions et résistance ? La masse, la forme, la vitesse ou la matière ? La réponse est un mélange complexe de tout ça ; il existe des gens qui consacrent toute leur carrière à étudier la friction et la résistance de l’air.

IL VOUS FAUDRA : • 2 longues planches de bois lisse • Des piles de livres de 30 cm • Plusieurs petites voitures de différentes masses • Plusieurs surfaces, plancher, tapis, papier et papier de verre • Un mètre-ruban • 2 vases en verre de même taille • De l’eau • De l’huile de cuisson • 9 billes standard • 3 billes de roulement à billes

RÉSISTANCE DE L’AIR CE QU’IL FAUT FAIRE :

1. Empilez les livres et placez une planche de bois une extrémité sur les livres et l’autre sur le sol afin de constituer une rampe. 2. Placez l’autre planche au bout de la rampe pour former la piste. Placez une voiture en haut de la rampe et lâchezla. Mesurez la distance qu’elle parcourt sur la piste. 3. Remplacez ou recouvrez la piste d’autres surfaces et répétez l’expérience. Sur quelle surface la voiture parcourtelle la plus grande distance ? La plus courte ? Est-ce le résultat attendu ? Que se passe-t-il avec une voiture plus légère ou plus lourde ?

LA PHYSIQUE DU POPCORN 105 RÉSISTANCE DES FLUIDES CE QU’IL FAUT FAIRE :

1. Disposez deux vases côte à côte sur une table. Remplissez le premier d’eau et le deuxième d’huile. Les liquides doivent atteindre le même niveau dans les deux vases. 2. Prenez deux billes et tenez-en une au-dessus du vase d’eau, l’autre au-dessus de la table. Lâchez-les depuis la même hauteur. De cette façon, vous pourrez comparer les effets de la résistance de l’air et de la résistance de l’eau. Quelle bille tombe le plus vite ? Y a-t-il plus de résistance dans l’air ou dans l’eau ?

3. Répétez l’étape 2, mais cette fois placez la deuxième bille au-dessus du vase d’huile. 4. Lâchez les deux billes en même temps de la même hauteur. Quelle substance résiste le plus ? Essayez avec d’autres liquides, comme du miel ou du sirop. 5. Essayez de lâcher en même temps des billes standard et des billes de roulement dans l’air, l’eau et l’huile. Qui coule la première ?

QUE SE PASSE-T-IL ? Avec les petites voitures, la principale force agissante est la friction entre les roues et la piste. Plus la surface de celle-ci est rugueuse, plus elle ralentit la voiture, car la friction est plus importante. Le papier de verre et le tapis causent beaucoup de friction, le papier et le bois lisse beaucoup moins. Pour les billes dans l’air, l’eau et l’huile, la résistance dépend de la vitesse et de la forme des billes, de même que de la substance. L’air est plus facile à déplacer, si bien qu’il résiste moins, la bille qui tombe dans l’air doit donc toucher la table avant que les autres aient touché le fond. L’eau et l’huile sont des liquides, ils causent donc

plus de résistance. L’huile tend à être plus « épaisse » que l’eau, elle devrait donc ralentir les billes davantage que l’eau, mais il est possible que ce résultat change beaucoup en fonction de la nature de l’huile. Comparer les billes standard et les billes de roulement vous permet de déterminer les effets de la forme et du poids sur la résistance. Les billes de roulement sont plus lourdes que les billes classiques, leur poids est supérieur, et elles sont souvent plus petites. La force de gravité est donc plus importante et la force de résistance plus faible dans leur cas, si bien qu’elles touchent le fond plus vite.

106 FORCES ET GRAVITÉ

APPRENDRE : FRICTION ET CAMIONS On peut courir très vite sur une route en bord de mer. Courir sur le sable, c’est déjà plus dur, et courir sur l’océan encore plus. Quand on court sur des surfaces solides, on ressent la friction, ainsi que la résistance au mouvement quand on traverse l’eau ou l’air. Parfois, de gros camions perdent tout contrôle lors de descentes raides. Cela peut arriver car la gravité tire le camion vers le bas et que ses freins, de même que la friction entre les pneus et la route, ne sont pas assez puissants pour lutter contre la gravité.

Afin d’éviter les accidents sérieux, certaines routes disposent ainsi de voies de secours afin que les camions puissent s’arrêter en toute sécurité. Ces voies de secours fonctionnent grâce à des matériaux générateurs de fortes frictions.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 107

CAMIONS ET VOIES DE SECOURS Imaginez qu’un camion qui dévalait une pente raide et verglacée retrouve soudain un pan de route horizontal. Il se déplace à 30 m/s et la conductrice voudrait le ralentir rapidement. Elle appuie sur les freins, capables de ralentir son engin de 1 m/s par seconde. La voici à présent devant trois solutions possibles : • Elle peut continuer sur la route, qui ralentit le camion de 1 m/s par seconde supplémentaire, mais il n’y a plus que 200 m de route avant le panneau stop où elle devra être à l’arrêt. • Elle peut utiliser la voie de secours, qui ralentit le camion de 3 m/s par seconde supplémentaires, mais ne mesure que 50 m. • Elle peut entraîner le camion sur une surface de gravillons, qui ralentiront le camion de 2 m/s par seconde supplémentaires mais ne mesure que 175 m de long. Si elle choisit la route, elle doit ramener sa vitesse de 30 m/s à 0 m/s. Pour calculer la distance parcourue, il nous faut connaître sa vitesse moyenne, grâce à l’équation : Vitesse moyenne = (Vitesse au début + Vitesse à la fin) ÷ 2 = (30 + 0) ÷ 2 = 15 m/s. Le camion ne peut pas parcourir plus de 200 m s’il veut s’arrêter avant le stop. En utilisant l’équation Vitesse = Distance ÷ Temps, on trouve que le temps qu’elle peut y passer est de : 200 m ÷ 15 m/s = 13 secondes. Est-ce suffisant ?

Chaque seconde, ses freins ralentissent le camion de 1 m/s, et la friction lui fournit encore un ralentissement de 1 m/s chaque seconde, pour un total de 2 m/s en moins à chaque seconde qui passe. Rappelez-vous l’équation de l’accélération (Changement de vitesse = Accélération × Temps), qui nous indique qu’elle modifie sa vitesse de 2 m/s chaque seconde × 13 secondes = 26 m/s. Ce n’est pas suffisant pour arrêter le camion. Si elle réduit sa vitesse (qui était de 30 m/s) de 26 m/s, elle se déplacera encore à 4 m/s au moment où elle franchira la ligne du panneau stop. Elle doit donc exclure la solution qui consiste à rester sur la route. En appliquant le même genre de raisonnement, laquelle des deux autres options doit-elle envisager ?

CHAPITRE 4

PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET ESPACE DÉCOUVRIR... APPRENDRE... EXPÉRIMENTER...

110 PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET ESPACE

DÉCOUVRIR : ATOMES ET NOYAUX Tout ce que vous voyez et touchez est composé d’atomes, minuscules corpuscules trop petits pour être vus. Les savants ont longtemps pensé que rien n’était plus petit que les atomes, mais en réalité leur noyau recèle des objets encore plus petits qu’eux.

DANS UN ATOME Une particule est un petit objet, une balle minuscule. La plupart du temps, les atomes se comportent comme des particules, mais si on pouvait regarder à l’intérieur, on y verrait plusieurs choses. Un atome est surtout constitué de vide, mais en son centre, il y a le noyau. Le noyau est composé de deux sortes de particules appelées protons et neutrons, qui prennent moins de 0,000000000001 % de l’espace de

l’atome, mais compte pour 99,9 % de sa masse. Le reste de l’atome est fait de particules appelées électrons. Ces électrons flottent autour du noyau dans un gros nuage, qui occupe les 99,999999999999 % d’espace restants. Pour vous donner une idée de l’échelle, imaginez un terrain de football vide. Si un atome faisait la taille de ce terrain, alors le noyau serait un grain de popcorn sur le rond central.

100 M

GRA IN D E PO PCO RN

0,5 CM

LA PHYSIQUE DU POPCORN 111 Les protons portent une charge électrique positive, les neutrons n’en ont pas et les électrons ont une charge électrique négative. Ces charges sont ce qui maintient l’atome. Protons et électrons sont de charge opposée, si bien qu’ils s’attirent. Le noyau n’a que des charges positives. Quand deux objets sont de même charge électrique, ils se repoussent. Alors, pourquoi le noyau reste-t-il entier ?

FISSION NUCLÉAIRE Neutron Uranium-235

Fission nucléaire

PARTIR EN FISSION Il y a deux autres forces dans le noyau qui l’aident à rester comme il est. Ce sont la force nucléaire forte et la force nucléaire faible. Ces forces sont le plus souvent supérieures à la force électrique, si bien que le noyau reste entier. Parfois, elles sont presque égales, et dans ce cas le noyau peut se fendre. Quand un noyau se fend, on parle de fission, et cela dégage beaucoup d’énergie. Cette énergie est ce qui alimente une centrale nucléaire. Une centrale nucléaire emploie des atomes disposés à la fission, et le meilleur dans ce rôle est l’uranium. Un atome d’uranium a 92 protons et 143 neutrons. Si vous lancez un neutron sur cet atome, son noyau va se fendre et dégager trois neutrons, qui frapperont d’autres atomes d’uranium, qui se fendront à leur tour. C’est une réaction en chaîne, qui peut durer tant qu’il reste des atomes d’uranium pour alimenter la fission.

Haute énergie

La fission dégage beaucoup d’énergie sous forme de chaleur, chaleur qu’on utilise pour produire de la vapeur. La vapeur fait tourner une turbine, ce qui peut servir à générer de l’électricité. La quantité d’énergie relâchée est fabuleuse : 1 kg d’uranium dégage la même quantité d’énergie que 2 500 000 kg de charbon.

112 PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET ESPACE

EXPÉRIMENTER : POPCORN NUCLÉAIRE Les forces nucléaires ont beaucoup d’effets différents. Parfois, les forces dans le noyau ne sont pas équilibrées, si bien qu’il est instable. Un noyau instable émet (éjecte) une particule, ce qui lui permet de devenir stable. Comme le popcorn quand il cuit !

DÉSINTÉGRATION RADIOACTIVE Un noyau instable peut émettre une particule pour devenir stable, c’est ce qu’on appelle la désintégration radioactive. On ne sait jamais quand le noyau émettra une particule, mais si on a suffisamment de noyaux, on peut déterminer combien en émettront dans un temps donné. Le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux aient émis une particule est appelée la demi-vie de l’atome, une valeur qui lui est propre. Pour un noyau très instable, elle peut être d’une fraction de seconde, mais pour un noyau très stable, elle peut atteindre des milliers d’années. La désintégration nucléaire peut très bien s’illustrer avec du popcorn !

IL VOUS FAUDRA : • • • • •

Du popcorn micro-ondable Un four micro-onde Un chronomètre Une balance de cuisine Un stylo bleu et un stylo rouge

CE QU’IL FAUT FAIRE :

1. Placez un sac de popcorn microondable dans le micro-onde et lancez le four. 2. Dès que vous entendez un pop, lancez le chronomètre. Arrêtez le four après 20 secondes. 3. Ouvrez le sac avec précaution (demandez l’aide d’un adulte) et laissez-le refroidir quelques secondes. Séparez les grains fermés et les grains éclatés. 4. Comptez le nombre de grains fermés et de grains éclatés. Notez la proportion de grains éclatés par rapport au total, ainsi que la proportion de grains fermés. Par exemple, si 30 grains ont éclaté et que 20 sont restés fermés, le total sera de 50. La proportion de grains éclatés sera alors 30 grains éclatés ÷ 50 = 60 % ; et la proportion de grains fermés sera 20 grains fermés ÷ 50 = 40 %. 5. Répétez l’opération en attendant cette fois 50, 80 et 110 secondes après le premier pop pour arrêter le four.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 113 ANALYSE DES RÉSULTATS Une fois toutes les proportions notées, copiez le graphique ci-dessous et marquez une croix pour chaque proportion. Employez un stylo rouge pour les grains éclatés, un stylo bleu pour les grains fermés. Reliez les points rouges par une belle courbe, puis les points bleus par une autre. Les courbes devraient se croiser quand les fractions sont autour de 50 % du total de popcorn. Tracez une ligne verticale passant par le point où elles se croisent et notez le temps correspondant. C’est la demi-vie du pop-corn. Après cette durée, environ la moitié des grains ont éclaté. Vous trouverez un graphique dessiné dans la partie Réponses qui vous donnera l’allure générale des courbes.

QUE SE PASSE-T-IL ? Quand le sac de popcorn chauffe, le popcorn commence à éclater car la force dans les grains devient plus forte que les forces qui les maintiennent fermés. Impossible de savoir quel grain éclatera ensuite, mais quand on a suffisamment de grains, on peut prédire combien éclateront lors de la minute qui suit. C’est comme cela que fonctionne la désintégration nucléaire. Comme les atomes radioactifs, le popcorn a une demi-vie.

POURCENTAGE DE GRAINS

100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

TEMPS ÉCOULÉ DEPUIS LE PREMIER POP (SECONDES)

110

120

114 PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET ESPACE

APPRENDRE : DANS L’ATOME Les atomes sont si petits qu’on ne peut les voir. Si on le pouvait, tout nous semblerait bien différent de ce qu’on connaît, car à cette échelle, même un objet aussi solide et compact qu’une pierre est en réalité principalement constitué de vide.

EXPOSANTS Parfois, il est nécessaire d’employer de très grands ou de très petits nombres. Par exemple, un milliard, c’est 1 000 000 000, et cela peut devenir fatigant de compter tous ces zéros, si bien qu’il est plus facile de les écrire en puissance de 10. Ainsi,1 milliard = 1 000 000 000 = 109, où le 9 nous indique qu’il y a neuf zéros après le 1. Autrement dit, pour obtenir un milliard, il faut multiplier 1 par 10 neuf fois. De la même manière, 0,000 000 000 1 peut s’écrire 1 milliardième = 10–9. Neuf zéros encore une fois, mais le symbole « moins » indique qu’il s’agit d’un tout petit nombre cette fois-ci. La puissance de 10 est appelée l’exposant.

AR LA L 6

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QUESTION D’ÉCHELLE Un atome est environ 106 fois plus petit que l’épaisseur d’un cheveu humain, qui est 106 fois plus petit qu’un terrain de foot, qui est 106 fois plus petit que la distance de la Terre à la Lune. Tout compte fait, l’atome est 1018 fois plus petit que la distance de la Terre à la Lune.

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115

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LA DISTANCE DE LA

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TERRE À LA LUNE.

NOMBRES TRÈS PETITS OU TRÈS GRANDS Quand on multiplie des nombres notés avec des puissances de 10, leurs exposants s’ajoutent. Essayez de multiplier 1 million par mille : • On écrit d’abord 1 million en puissance de 10 : 1 million = 1 000 000 = 106 • Puis on écrit 1 millier en puissance de 10 : 1 millier = 1 000 = 103 • On les multiplie en ajoutant les exposants : 106 × 103 = 106+3 = 109 • Pour vérifier le calcul, on peut transformer l’exposant en nombre de zéros : 109 = 1 000 000 000 = 1 milliard Quand on divise des nombres notés avec des puissances de 10, on soustrait leurs exposants. Par exemple, pour diviser 1 million par 1 millier : 106 ÷ 103 = 106–3 = 103 = 1 000. Quand on multiplie ou qu’on divise des nombres notés avec des puissances de dix, on multiplie ou on divise les autres nombres de la manière habituelle. Divisons 8 millions par 2 milliers : (8 × 106) ÷ (2 × 103) = (8 ÷ 2) × 106–3 = 4 × 103 = 4 000.

DENSITÉS DIFFÉRENTES Un atome d’hydrogène est doté d’un proton et d’un électron. Le proton forme le noyau et occupe un 10–15-ième de l’espace de l’atome. Si la masse du proton est 1,7 × 10–27 kg et l’espace d’un atome 6 × 10–31 m3, quelle est la densité d’un proton ? L’équation de la densité est la suivante : Densité = Masse ÷ Volume N’oubliez pas que le proton n’occupe qu’une fraction minuscule du volume total de l’atome. Les électrons sont tout petits et ils se déplacent au sein d’un nuage. Ce nuage occupe le reste de l’espace de l’atome. La masse d’un électron est de 9,1 × 10–31 kg. Quelle est la densité de l’électron dans ce nuage ? Indice : on peut simplifier le problème en posant que le nuage de l’électron occupe tout l’espace de l’atome. Comment la densité du noyau (du proton) se compare-t-elle à celle du nuage d’électrons ?

116 PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET ESPACE

DÉCOUVRIR : PHYSIQUE ET MÉDECINE À quoi ressemble l’intérieur du corps humain ? Avec les outils de la physique moderne, nous pouvons le savoir. Vous avez sûrement déjà vu une radio, en vrai ou à la télé. Scientifiques et médecins observent l’intérieur des objets, dont le corps humain, grâce à la physique nucléaire, l’électromagnétisme et même l’acoustique.

RADIOS Les rayons X sont un genre de rayonnement électromagnétique, autrement dit de même nature que la lumière visible, si ce n’est que leur longueur d’onde est plus courte : elle fait à peu près la taille d’un atome, si bien que les rayons X rebondissent sur les atomes. On peut ainsi en tirer sur un objet, voir comment ils rebondissent et utiliser cette information pour savoir à quoi ressemble l’objet.

Les os contiennent beaucoup de calcium, sur lequel les rayons X rebondissent très bien. C’est pourquoi on peut grâce à eux voir les os du corps. Quand on se casse un os, le médecin va souvent prendre une radio pour constater les dégâts ou savoir comment se passe la guérison. Les métaux aussi réfléchissent les rayons X, on s’en sert donc pour surveiller les hanches artificielles et autres équipements médicaux. L’exposition à ces rayons n’est pas bonne pour la santé cela dit, c’est pourquoi il faut contrôler le nombre de radios qu’on effectue.

SCANNERS Le scanner TEP (tomographie par émission de positrons) est un autre moyen de voir l’intérieur du corps. Un positron est un électron pourvu d’une charge positive, et « tomographie » veut dire regarder dans un objet.

RA D I

OS

117 G ÉCHO Quand un positron rencontre un électron, ils se lient pour former un rayonnement électromagnétique. Si des positrons se retrouvent dans le corps, ils y rencontrent des électrons et produisent ce rayonnement. En déterminant d’où vient le rayonnement, on déduit où sont les positrons. C’est ainsi que marche la TEP. L’oxygène-15 peut émettre un positron, et on trouve de l’oxygène dans l’eau. On peut donc injecter à quelqu’un un peu d’eau avec de l’oxygène-15 puis lancer une TEP pour obtenir une carte du parcours de l’eau. La TEP sert à détecter des maladies comme le cancer et à mesurer les déplacements du sang dans le cœur et le cerveau.

IMAGERIE PAR RÉSONANCE MAGNÉTIQUE L’imagerie par résonance magnétique (IRM) emploie des champs magnétiques pour produire une carte du corps et y localiser l’eau et la graisse. Cela permet aux médecins d’observer les parties molles, comme les organes, de leurs patients, et ainsi repérer tout sorte de blessures et de maladies.

IRM

RA P H

IE

ÉCHOGRAPHIES Les échographies font usage d’ondes sonores à très haute fréquence pour produire des images du corps. Les ondes rebondissent sur certaines parties du corps, ce qui nous permet de construire ces images. Les échographies sont sans danger, c’est pourquoi on les emploie pour les zones sensibles ou quand il nous faut beaucoup d’images, par exemple pour surveiller le développement des bébés avant la naissance.

118 PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET ESPACE

EXPÉRIMENTER : RAYONS X, SCANNERS ET BAGAGES Les rayons X sont utilisés pour repérer du matériel prohibé dans les valises. C’est un moyen rapide pour détecter les objets solides cachés dans un sac. Cependant, difficile d’être à la fois rapide et efficace quand le nombre de bagages est élevé !

CE QU’IL FAUT FAIRE : INSTALLER LE POINT DE CONTRÔLE

IL VOUS FAUDRA : • • • • •

Des enveloppes Des feuilles de papier Des ciseaux Une puissante lampe-torche Des feuilles de carton fin (en option)

La banque de votre ville a été cambriolée. Vous êtes l’agent de sécurité chargé de surveiller des centaines de valises à l’aéroport pour y repérer les diamants volés. Pourrezvous être suffisamment rapide pour y arriver à temps ? 1. Dessinez sur une feuille vingt formes d’objets susceptibles d’être apportés en vacances. Vêtements, masques et tubas, appareil photo, etc. 2. Dessinez la forme des trois diamants volés à la banque.

ÉTAPE 3 Les diamants doivent être de forme différente.

ÉTAPE 1

LA PHYSIQUE DU POPCORN 119 3. Découpez toutes ces formes et classez-les en deux piles, une « normale », une « volée ». Prenez cinq enveloppes qui tiendront le rôle de valises et glissez-y les objets comme vous le souhaitez. Mélangez les enveloppes et disposez-les sur la table. 4. Pour trouver les objets volés, vous ne disposez que d’une lampe-torche. C’est votre détecteur à rayons X. Prenez une enveloppe, passez-la aux rayons X, et essayez de trouver les objets volés.

CONTRE LE SYSTÈME Pour pimenter le tout, jouez à ce jeu avec des amis. 1. Chaque joueur prépare 20 objets normaux et 3 diamants volés. 2. Chaque joueur prend cinq valises (des enveloppes), les note A, B, C, D E et les remplit comme il le souhaite. Il doit aussi noter en secret où les objets volés sont cachés. Puis, il mélange ses

enveloppes et les passe au joueur assis à sa gauche. 3. Chacun leur tour, les joueurs se servent de la lampe-torche comme d’un appareil à rayons X pour scanner les valises. Ils écrivent sur une feuille les enveloppes dans lesquelles se trouvent les objets volés selon eux. Quand tout le monde a joué, les joueurs vérifient leurs réponses. Le joueur qui a retrouvé le plus d’objets volés a gagné. Si c’est trop facile, recommencez en chronométrant le tour de chaque joueur. En cas d’égalité, celui qui a trouvé le plus d’objets dans le temps le plus court a gagné. Pour compliquer encore les choses, découpez certains des objets non volés dans des feuilles de carton fin plutôt que de papier.

QUE SE PASSE-T-IL ? Quand vous éclairez une enveloppe, le papier absorbe un peu de la lumière émise. Cela laisse une ombre, si bien qu’on distingue les formes des objets à l’intérieur. Quand les formes se superposent, l’ombre est plus foncée. Dans le cas des images à rayons X, les objets plus denses réfléchissent davantage les rayons, si bien qu’ils apparaissent plus clairs, comme s’il y avait plusieurs couches de papier.

120 PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET ESPACE

APPRENDRE : ORANGES ET RADIOACTIVITÉ Il y a de la radioactivité partout autour de nous, qui émane aussi bien du sol que de l’espace lointain. Même les humains sont légèrement radioactifs ! Les types de radioactivité les plus courants sont dénommés alpha, bêta et gamma.

TYPES DE RADIOACTIVITÉ À chaque type de radioactivité correspond une radiation différente, composée de différentes particules.

Les rayons alpha sont semblables à un noyau d’hélium, deux protons et deux neutrons. Ce sont des radiations facilement absorbées, une feuille de papier suffira à les stopper.

RADIATION

Papier

ALPHA

Les rayons bêta sont en réalité des électrons. Il est un peu plus dur de les arrêter, mais une feuille de métal sera souvent suffisante. Les rayons gamma sont un genre de rayonnement électromagnétique de très courte longueur d’onde. Or, une longueur d’onde courte signifie beaucoup d’énergie. Ils sont très difficiles à arrêter, on emploie le plus souvent des matériaux très denses pour y parvenir.

Métal

BÊTA

Plomb

GAMMA

LA PHYSIQUE DU POPCORN 121 DOSE ÉQUIVALENTE ORANGE Les oranges sont naturellement radioactives, elles émettent des rayons bêta et gamma, mais en quantité inoffensive. Les oranges, c’est bon pour la santé ! Cette quantité de radiations qu’émet une orange peut être utilisée pour mesurer la radioactivité de l’environnement. Par exemple, lors d’un vol en avion de Londres à New York, vous absorberez la même quantité de radiations que si vous aviez mangé 800 oranges. La limite de dose « saine » est l’équivalent de ce qu’émettent 20 000 oranges par an, soit un peu plus de deux oranges par heure.

BLOQUER LES RADIATIONS 1. Imaginez-vous assis à côté d’une source de rayons alpha, d’une source de rayons bêta et d’une source de rayons gamma. Chacune émet une dose équivalente orange de deux oranges par heure. Après une heure, quelle est la dose équivalente orange que vous avez absorbée ? Après un jour ? Quelle serait la dose équivalente orange après une année ? Est-ce plus ou moins que la dose recommandée de 20 000 par an ? 2. Vous décidez de placer une protection entre vous et les rayonnements. Si vous placez une feuille de papier, la protection sera-t-elle suffisante ? Et si vous ajoutez une feuille de métal ? En supposant que 1 cm de plomb stoppe la moitié du rayonnement gamma, quelle épaisseur de plomb faudrait-il pour réduire le rayonnement des trois sources autour de 2 000 doses équivalentes orange par an ?

ons gam

ma

iati er des E : Les rad ANECDOTis utilisées pour tuuits et les rfo s fr sont pa nocives sur le ins. s plus sa bactérie e qui les rend c s, légume

122 PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET ESPACE

DÉCOUVRIR : ASSEZ DE POPCORN POUR FORMER UNE ÉTOILE Quelle quantité de popcorn faut-il pour qu’une étoile se forme ? La question paraît étrange, mais assez d’atomes rassemblés formeront bien une étoile au bout d’un temps. Une étoile, ce n’est rien qu’une masse énorme qui fabrique chaleur et lumière.

LA FORMATION DU SOLEIL Le Soleil est énorme et à peu près 300 000 fois plus lourd que la Terre. Il est pour la majeure partie composé d’atomes d’hydrogène (tout l’Univers est, pour la majeure partie, composé d’atomes d’hydrogène). Il n’a pas toujours brillé. Au début, ce n’était qu’un nuage de gaz d’hydrogène. Bien qu’individuellement ces atomes soient très légers, ils exercent néanmoins une force gravitationnelle. Quand il y en a un très grand nombre, cette force devient suffisamment importante pour les coller entre eux. C’est pour cette raison que le nuage de gaz s’est rassemblé en une grosse boule.

SOLE

IL

Le poids du gaz a ainsi appuyé sur tout le gaz au centre, ce qui a fait augmenter la pression et la température. Au cœur du Soleil, les atomes s’écrasaient les uns contre les autres. Parfois, les protons se cognaient. D’ordinaire, les protons se repoussent, car ils sont tous de même charge électrique, mais au centre du Soleil, les forces qui les pressaient les uns contre les autres étaient bien plus puissantes que la force qui les faisait se repousser.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 123 FUSION

A RNOV De temps en temps, deux SUPE protons se cognaient et formaient un neutron. Ces neutrons se cognaient à leur tour dans d’autres protons. Si ces protons et ces neutrons se cognaient de la bonne manière, ils formaient le noyau d’un atome d’hélium, deux protons et deux neutrons collés ensemble. Transformer l’hydrogène en hélium comme ceci s’appelle la fusion, une réaction qui dégage d’énormes quantités d’énergie. Voilà pourquoi le Soleil brille. UNE ÉTOILE EN POPCORN Combien de grains de popcorn faut-il Tant qu’une étoile a de l’hydrogène pour former une étoile ? Peu importe pour alimenter sa fusion, elle brille. la matière, ce qui compte, c’est la Quand l’hydrogène vient à manquer, masse. Si la masse est suffisante, la si elle est assez lourde, d’autres fusion démarrera au cœur de la boule atomes fusionnent, ce qui produit des et une étoile se formera. La plus petite atomes encore plus lourds. Tout masse requise pour former une étoile continue ainsi des milliards d’année tourne autour de 1,6 × 1029 kg. Si un durant, puis l’étoile explose en une grain de popcorn pèse 0,16 g, il faudra supernova, répandant ses atomes 1033 grains pour former une étoile. lourds dans l’Univers. Presque tous les C’est un million de milliards de atomes sur Terre ont été formés au milliards de milliards de grains. Cela cœur d’étoiles qui ont explosé il y a ferait assez de popcorns pour que tout plus de 4 milliards d’années. Certains le monde sur Terre puisse en manger atomes de votre main gauche un sac par jour pendant un milliard de proviennent d’une autre étoile que milliard d’années. ceux de votre main droite !

124 PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET ESPACE

EXPÉRIMENTER : SYSTÈME SOLAIRE Il est difficile de se rendre compte à quel point la Terre est petite comparée au reste de l’Univers. Notre système solaire contient bien des lunes, des planètes et autres astres, mais c’est surtout de l’espace vide. Les distances sont si grandes qu’elles en deviennent difficiles à concevoir. Fabriquer un modèle réduit vous aidera à les visualiser.

IL VOUS FAUDRA :

LA TERRE ET LA LUNE

• Des grains de popcorn fermés et éclatés • Des post-it • Un stylo • Un grain de sel • Une clémentine • Un mètre-ruban

La Terre et la Lune interagissent entre elles par gravitation. La force qui les unit est si puissante qu’elle donne à la Lune la forme d’un œuf et l’oblige à toujours présenter la même face à la Terre. La Terre est environ 3,7 fois plus grosse que la Lune, à peu près le même rapport qu’entre un grain de popcorn fermé et un autre éclaté. Prenez deux post-it et notez Lune sur l’un et Terre sur l’autre. Placez un grain éclaté (1 cm de diamètre à peu près) sur le post-it Terre et un grain fermé (0,3 cm de diamètre environ) sur le post-it Lune.

LU

t re ce e n s ta n t d e l a i d a i L o s tles p e et de la de r e T r i t ê t re do L u n e 30 c m .

NE

TERRE

La distance entre la Terre et la Lune est environ 30 fois plus grande que le diamètre de la Terre. Pour vous donner une idée de ce que cela représente, placez le post-it de la Lune à 30 cm de celui de la Terre. Cela vous indique la quantité d’espace vide entre la Terre et la Lune et vous éclaire sur la petitesse de la Terre comparée à cette distance énorme.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 125

LU N E TER

RE

JUPITER

NOTRE SYSTÈME SOLAIRE La Terre tourne autour du Soleil par gravitation (comme la Lune autour de la Terre). Le Soleil est environ 100 fois plus grand et la distance entre la Terre et le Soleil 12 000 fois plus grande que le diamètre de la Terre. Pour mettre le Soleil à l’échelle de la Terre, posez un grain de sel (environ 0,5 mm de diamètre) sur un post-it pour la Terre, et une clémentine (environ 5,5 cm de diamètre) sur un post-it pour le Soleil. Avec ça, vous pourrez comparer la taille de la Terre à celle du Soleil. Déplacez maintenant le post-it de la Terre à 6 m de celui du Soleil. La plus grosse planète du système solaire est Jupiter. Son diamètre est 10 fois celui de la Terre, et elle est 5 fois plus loin du Soleil. Pour ajouter Jupiter, placez 4 grains de popcorn

dans un carré (de 5,5 mm à peu près) sur un post-it et amenez-le à 39 m du post-it du Soleil. Votre maison ne sera sûrement pas assez grande pour ça. Cherchez les tailles et les distances des six autres planètes du système et calculez où placer leur post-it et ce qu’il faudrait poser dessus pour les comparer à la Terre.

SO

LEI

L

126

APPRENDRE : VITESSE DE LIBÉRATION En 1969, deux astronautes ont marché pour la première fois sur la Lune. Ils s’y sont posés et en sont repartis en fusée, le véhicule le plus rapide jamais piloté par des humains. Pourquoi fallait-il aller si vite pour atteindre la Lune ?

VITESSE DE LIBÉRATION La Terre est très lourde avec sa masse d’environ 6 ×1024 kg. Une telle masse génère de la gravité, qu’on ressent comme un poids. Le poids d’un objet dépend de sa distance à la Terre. Si vous tenez une pomme à la main sur Terre, son poids vous paraîtra ordinaire. Mais si vous voyagez dans l’espace aussi loin de la Terre que l’est la Lune, la même pomme sera 3 600 fois plus légère. Son poids sera 3 600 fois plus petit parce que sa distance au centre de la Terre sera bien plus grand. Si vous allez aussi loin que l’est le Soleil, elle pèsera un milliard de fois moins. À mesure que la pomme s’éloigne, l’effet de la gravité s’amenuise. Si vous lancez la pomme en l’air, la gravité terrestre la ralentira, jusqu’à ce qu’elle cesse de s’élever et qu’elle retombe. Et si vous la lancez plus vite ? Elle atteindra une altitude supérieure avant de tomber. Si la gravité devient très faible à grande distance, serait-il possible de lancer la pomme assez vite pour qu’elle ne retombe jamais ?

127

En principe, oui. La vitesse à laquelle il vous faudra lancer la pomme (ou tout autre objet) est ce qu’on appelle la vitesse de libération. Sur Terre, cette vitesse est très élevée : 11,135 m/s environ. Pour d’autres planètes, elle dépendra de deux facteurs. Si deux planètes font la même taille mais sont de masses différentes, la plus lourde aura la vitesse de libération la plus élevée. Si leurs masses sont égales mais leurs tailles différentes, c’est la plus petite des deux qui aura la plus grande vitesse de libération.

SE LIBÉRER D’AUTRES PLANÈTES Vous êtes en mission sur une planète appelée Romulus, de même rayon que la Terre, mais à la masse quatre fois plus grande. La vitesse de libération de Romulus est-elle plus petite ou plus grande que la vitesse de libération sur Terre ? Vous voyagez ensuite jusqu’à Rémus, de même masse que la Terre, mais qui mesure neuf fois son rayon. La vitesse de libération sur Rémus est-elle plus petite ou plus grande que sur Terre ? Enfin, vous vous rendez sur Vulcain, neuf fois la masse de la Terre mais seulement un quart de son rayon. La vitesse de libération sur Vulcain est-elle plus petite ou plus grande que sur Terre ?

Voici les vitesses de libération de quelques objets : Un grain de popcorn : 1,5 × 10–6 m/s Un éléphant : 9 × 10–4 m/s La Lune : 2,4 × 103 m/s Le Soleil : 2,8 × 105 m/s Une étoile à neutrons, l’un des objets les plus lourds de l’Univers : 1,6 × 108 m/s • Un trou noir, le plus lourd objet de l’Univers : impossible. On ne peut pas aller assez vite pour se libérer d’un trou noir.

• • • • •

128 PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET ESPACE

DÉCOUVRIR : COMMENT MARCHENT LES FUSÉES Loin au-dessus de la Terre flotte la Station spatiale internationale (ISS). Des gens du monde entier y vivent et y travaillent. Pour leur livrer de la nourriture ou autres, on se sert de fusées. On dit souvent que l’astronautique, c’est compliqué, mais les principes de base sont très simples.

LANCER UNE FUSÉE Les fusées doivent atteindre des vitesses très élevées, environ 1 000 fois la vitesse d’une voiture, ce qui exige une grosse quantité d’énergie. Le fonctionnement est simple. La 3e loi de Newton nous dit que pour toute action existe une réaction égale et opposée. Quand on est en patins à glace et qu’on lance une balle lourde vers l’avant, on recule. C’est la 3e loi. Les fusées marchent sur ce principe, mais leur mouvement est vertical plutôt qu’horizontal. Elles brûlent du carburant et l’éjectent très vite vers le bas. La 3e loi de Newton exige que la fusée aille alors vers le haut. Tant qu’elle éjecte assez vite son carburant, elle continuera de monter. Si elle atteint la vitesse de libération de 11 135 m/s, elle échappera à la gravité de la Terre.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 129 Atteindre la bonne vitesse d’un seul coup n’est pas le moyen le plus efficace pour aller dans l’espace. Les missions spatiales procèdent donc par étapes. Quand la fusée brûle son carburant, elle perd de la masse, si bien qu’après quelques minutes, beaucoup de masse est déjà partie en fumée. Des parties de la fusée sont alors décrochées et retombent sur Terre dans un endroit sûr. La fusée continue à brûler son carburant, la masse à s’alléger, ainsi la fusée atteint la vitesse de libération plus rapidement.

SUR L’ISS La station spatiale se déplace d’une manière très particulière. Elle tourne autour de la Terre si vite que, bien qu’elle tombe vers la Terre, elle ne s’en rapproche jamais. Pour comprendre comment ça marche, imaginez un canon au sommet d’une haute montagne. Si vous tirez un boulet, il va tomber et finalement toucher le sol. Si le boulet va plus vite, il va se déplacer plus loin avant de retomber. Vous pouvez ainsi contrôler la distance parcourue en contrôlant la vitesse. Si le boulet est suffisamment rapide, il va faire le tour de la Terre et

ne jamais atterrir. C’est ce que fait l’ISS. Elle reste en orbite autour de la Terre, toujours à la même altitude. Elle se déplace assez vite latéralement pour que l’effet de ce mouvement annule exactement les effets de la gravité terrestre. C’est pourquoi les astronautes à son bord ont l’impression de ne rien peser. Ils peuvent « nager » dans la station, tourner dans tous les sens : le haut et le bas ne signifient plus rien. S’ils y cuisinaient du popcorn, une fois le sac ouvert, les grains flotteraient librement. Cela prend du temps de s’habituer à manger, boire et faire le ménage dans l’espace. Les astronautes font aussi des exercices spécifiques pour entretenir leur corps qui ne ressent plus les effets de la gravité.

130 PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET ESPACE

EXPÉRIMENTER : CONSTRUIRE UNE NAVETTE SPATIALE Pendant 30 ans, la NASA a envoyé des navettes en missions spatiales. Le monde entier regardait décoller ces gigantesques machines avec des astronautes et des scientifiques à leur bord. Dans cette expérience, vous découvrirez les différentes parties d’une navette en fabriquant un modèle réduit à partir de banals ustensiles de cuisine. Une navette spatiale est constituée de quatre parties principales : le véhicule dans lequel se logent les astronautes et l’équipement, les deux fusées principales et le réservoir. Les fusées brûlent le carburant et éjectent du gaz, ce qui pousse la navette vers le haut.

CE QU’IL FAUT FAIRE :

IL VOUS FAUDRA :

2. Pour les fusées, couvrez les tubes de sopalin de papier.

• Une bouteille en plastique vide de 2 litres • 2 tubes de sopalin en carton • 2 pots de yaourt vides (à nettoyer avant) • Une brique de lait de 1 litre plate sur le dessus • Quelques plaques de carton • Du scotch • Du papier • Des feutres • Une assiette en carton • De la peinture (en option) • Des ciseaux

La maquette de navette sera constituée du véhicule, du réservoir et des fusées. 1. Pour le réservoir, prenez la grande bouteille plastique, que vous pouvez recouvrir de papier et peindre pour plus de réalisme.

3. Attachez un pot de yaourt sous chacune des fusées pour figurer les réacteurs où le gaz brûlant s’échappe. 4. Couvrez le sommet de chaque fusée d’un cône de papier. Pour ce faire, découpez un demi-cercle de papier et repliez-le sur lui-même avant de le fermer par un scotch pour qu’il tienne en place. La base du cône peut aussi être scotchée à la fusée. 5. Pour le véhicule, couvrez la brique de papier. Vous pouvez le décorer en inscrivant le nom de la fusée et en ajoutant le drapeau de votre choix.

LA PHYSIQUE DU POPCORN 131 6. Découpez des ailes dans du carton et scotchez-les sur les côtés du véhicule. Découpez une dérive dans du carton et scotchez-la à l’arrière du véhicule, comme sur le schéma. 7. Attachez le véhicule au réservoir à l’aide d’une boucle de scotch de 2,5 cm. Attachez les fusées aux côtés gauche et droit du réservoir de la même manière.

Les cônes de papier forment le haut des fusées.

LE LANCEMENT Posez une assiette en carton à l’envers pour figurer l’aire de lancement. Placez la navette complète sur l’aire et simuler un lancement en soulevant la navette. Les premières parties qui se détacheront sont les fusées. Enfin, quand la navette est presque en orbite, le réservoir est lâché. La navette reste en orbite jusqu’à son retour sur Terre.

QUE SE PASSE-T-IL ? Les navettes étaient très lourdes et la NASA a travaillé dur pour réduire leur poids au lancement, ce qui explique pourquoi les fusées et le réservoir se détachent. La navette est conçue pour subir aussi peu de résistance de l’air que possible au décollage, tandis que le véhicule doit pouvoir retourner sur Terre. Afin de réduire sa vitesse lors du voyage de retour, le véhicule volera vers l’arrière, à l’envers, pendant quelques temps. Lors de l’approche, il se retournera. Juste avant de toucher le sol, il sortira des trains d’atterrissage et se posera sur une piste, comme un avion. Il sera enfin ramené à la NASA en l’accrochant à l’arrière d’un gros avion.

Les pots de yaourt font les réacteurs.

132 ÉNERGIE ET CHALEUR

APPRENDRE : MISSIONS SPATIALES Les scientifiques lancent des engins dans l’espace depuis plus de 60 ans. Ces missions spatiales nous fournissent des informations sur l’Univers, et certaines en transportent sur l’espèce humaine, que des extraterrestres pourraient recevoir. Beaucoup de questions passionnantes peuvent encore trouver leur réponse grâce à une expérience dans l’espace.

Saurez-vous relier le nom des missions à l’objet de leur étude ? Indices : il est plus facile de voler dans l’espace que d’aller sur la Lune, et encore plus dur d’aller sur un autre astre. Faire atterrir un véhicule sur un astre est plus dur que d’y voler, et se poser sur une comète ou un astéroïde est encore un cran au-dessus. L’objet manufacturé qui a voyagé sur la plus longue distance a été lancé il y a presque 50 ans.

1. Spoutn

ik (1957, U

R SS) 2. Pioneer 1 (1958, É.-U)

EXPÉRIENCES SPATIALES Il y a eu beaucoup d’expériences spatiales, des atterrissages sur des astres lointains, des voyages autour de la planète. Chacune a fourni aux scientifiques une information différente sur l’Univers et les a aidés à comprendre notre place en son sein. Ce sont des missions difficiles, si bien que chacune bâtit son succès en améliorant un peu les précédentes.

3. Vosto

k 1 (196

1, URSS

)

4. Marin

er 2 (196

2, É.-U)

5. Apollo 11 (1969, É.-U) ger 6. Voya

7. Giotto (1

1 (1977,

É.-U)

9 85, U E )

8. Mars Pathfinder (1996,

É.-U)

9. Station spatiale internationale (1998, International) a 10. Hay

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llemagn

e) e/Franc

11. Europ a (lanceme Clipper n t e n 2 02 5, É.-U)

LA PHYSIQUE DU POPCORN 133

MISSIONS SPATIALES a) Le sate presque llite de cette miss 21 io manufac milliards de kilo n a voyagé sur m turé qui a parcou ètres, c’est l’obje distance ru la t d signaux q epuis la Terre. Il é plus longue met toujo u’on reço quitté le it encore u système , bien qu rs des ’il ait solaire.

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c) La comète de Halley est un gros rocher qui tourne autour du Soleil en 75 ans. Cette mission l’a survolée pour l’observer de près.

ier l p re m to u t t u n s i g n a i p e l é i un b lanc e tta i o n a c e. I l é m i t c o m m e s s i t te m ceva ’espa e r re . d) Ce ite dans l qu’on per tés sur T l s l t e e n r s a t c o n s t a c te u rs ra d i o s l e s d é t e i depu

e) Cette mission a lancé une station dans l’espace où les astronautes peuvent vivre et mener beaucoup d’expériences. Elle tourne autour de la Terre en 90 minutes. Elle aurait été impossible sans coopération internationale.

i) Cette mission était le premier engin spatial à visiter une autre planète, Vénus, de même taille que la Terre mais où le réchauffement climatique est hors de contrôle, ce qui en fait la planète la plus chaude du système solaire. Son atmosphère est acide et dangereuse même pour les robots.

é gin spatial lanc est le premier en j) Cette mission Elle n’a jamais atteint la Lune, is. par les États-Un ue terrestre. amps magnétiq ch le ié ud elle a ét k) C’est la deuxième mission à se poser sur un astéroïde (gros caillou en orbite autour du Soleil) pour en revenir avec un échantillon. Elle est revenue sur Terre en 2020.

rope, une joindre Eu u qui re r u o p e ans d’ea n prévu r des océ ne missio f) C’est u iter censée recéle e vie très simple. d up lune de J ut-être une forme e abritent p

134 PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET ESPACE

DÉCOUVRIR : RELATIVITÉ RESTREINTE Avez-vous déjà vu passer un train depuis la fenêtre d’un autre train en marche ? Difficile de déterminer si le vôtre est à l’arrêt tandis que l’autre roule ou si, au contraire, vous êtes en train de rouler pendant que l’autre est à l’arrêt...

POISSONS ET POMPIERS Au XVIe siècle, un savant italien nommé Galilée s’intéressa au mouvement des objets. On pensait alors que les objets ne bougeaient que tant qu’on continuait à les pousser, mais Galilée s’est rendu compte qu’en l’absence de friction, les objets en mouvement restaient en mouvement, tel le palet de hockey sur la glace qui glisse car la glace est lisse. Galilée est allé plus loin encore. Il a imaginé un navire sur eaux calmes avec à son bord un poisson rouge dans un bocal. Si le poisson ne voit pas l’extérieur,

RELATIVITÉ

comment pourrait-il savoir si le navire vogue ou s’il est à quai ? Quand on bouge sans à-coups, impossible de savoir qu’on bouge sans regarder dehors. C’est un exemple de ce qu’on appelle la relativité qui, pendant longtemps, est restée une idée très simple et plutôt ennuyeuse. Tout a changé au début du XXe siècle quand les physiciens ont découvert que la lumière voyageait toujours à la même vitesse dans le vide : 299 792 458 m/s. Le physicien allemand Albert Einstein était fasciné par ce fait et il a imaginé ses implications pour un camion de pompiers. Vous êtes sur un camion de pompiers d’où vous pouvez tirer un jet d’eau à 5 m/s. Disons que le camion bouge à 10 m/s et que le jet fonctionne. À quelle vitesse l’eau sortira-t-elle du tuyau ? Pour vous (sur le camion), elle va à 5 m/s. Pour un piéton dans

LA PHYSIQUE DU POPCORN 135 la rue, à 5 m/s + 10 m/s = 15 m/s. Pour obtenir ce résultat, on a ajouté la vitesse du camion à la vitesse du jet d’eau. Einstein a ensuite imaginé conduire le camion de pompiers le plus rapide du monde. S’il avait une lampe-torche et un jet d’eau, que verrait-il ? Disons que le camion fonce à 150 000 000 m/s. À quelle vitesse jaillira l’eau ? Vue depuis le bord de la route, elle se déplacerait à 150 000 005 m/s.

LUMIÈRE PARTICULIÈRE Et la lumière issue de la lampe-torche d’Einstein ? Selon la même logique que pour le jet d’eau, on s’attendrait à obtenir le résultat de 450 000 000 m/s, mais ce n’est pas le cas. Sa vitesse sera de 299 792 458 m/s, car la vitesse de la lumière dans le vide ne change jamais. Elle serait la même pour Einstein perché sur son camion que pour un piéton qui l’observe depuis le bord de la route. Comment est-ce possible ? Il fallut longtemps à Einstein pour trouver la réponse. Après une longue réflexion, il s’est rendu compte que, pour que tout le monde s’accorde sur la vitesse de la lumière, notre compréhension commune de la relativité devait être modifiée. Il a découvert que, lorsqu’un objet est accéléré, trois choses étranges surviennent :

• Leur horloge ralentit du point de vue de quelqu’un qui ne bouge pas. • Leur longueur diminue du point de vue de quelqu’un qui ne bouge pas. • Leur masse augmente du point de vue de quelqu’un qui ne bouge pas. Les gens ont d’abord eu beaucoup de mal à accepter tout ça, mais toutes les expériences jamais entreprises ont confirmé sans exception ces trois points. Si vous voyagez jusqu’à l’étoile la plus proche, Proxima du Centaure, dans un vaisseau se déplaçant à la moitié de la vitesse de la lumière, le voyage prendra 8,8 ans du point de vue de quelqu’un resté sur Terre, tandis qu’à bord du vaisseau votre âge n’augmentera que de 7,6 ans.

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136 PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET ESPACE

EXPÉRIMENTER : GRAVITÉ ET RELATIVITÉ GÉNÉRALE

EN RÉS

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T EE L U A D AIR

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SS

La Terre voudrait suivre une ligne droite dans son orbite autour du Soleil, mais le Soleil en fait un rond, comme l’illustre cette expérience.

IL VOUS FAUDRA :

CE QU’IL FAUT FAIRE :

• Un trampoline bricolé (voir ci-dessous) ou un vrai trampoline, si vous en avez un • Des billes • 2 lourdes pierres rondes • Du carton • Des post-it

2. Pliez le carton en deux pour former une rampe à billes.

1. Marquez les bords du trampoline comme une horloge à l’aide de post-it.

« ESPACE » COURBE FABRIQUER SON PROPRE TRAMPOLINE • Un cerceau en plastique • Du tissu élastique type Spandex en quantité plus grande que le cerceau • 8 pinces puissantes

Rampe de carton

• 4 chaises

CE QU’IL FAUT FAIRE : Demandez l’aide d’un adulte. Étirez le tissu sur le cerceau. Fixez-le à l’aide des pinces en vous assurant de bien les répartir sur le cerceau. Posez le cerceau sur les quatre chaises pour le soutenir, son centre au moins 30 cm au-dessus du sol.

La bille voudrait aller en ligne droite sur une surface courbe.

137 3. Placez-vous hors du trampoline, à la position 6 heures, et faites glisser une bille sur la rampe placée à 9 heures, 12 heures et 3 heures. Les billes devraient parcourir la surface du trampoline en ligne droite. 4. Posez délicatement une lourde pierre au centre du trampoline. 5. Répétez l’étape 3. Les billes n’iront plus en ligne droite, elles décriront des trajectoires courbes autour de la pierre.

Loin de la pierre, le tissu est presque plat.

Près de la pierre, le tissu est très incurvé.

6. Faites rouler les billes à différents angles pour trouver ceux qui permettront aux billes d’atteindre l’autre côté du trampoline en contournant la pierre. 7. Placez les deux pierres à 50 cm l’une de l’autre sur le trampoline. Arrivez-vous à faire décrire un huit à une bille ?

QUE SE PASSE-T-IL ? La théorie de la relativité générale d’Einstein nous dit que la gravitation n’est pas une force ; c’est une courbure de l’espace (et du temps). Quand les billes roulent sur la surface d’un trampoline vide, elles vont en ligne droite. En ajoutant une lourde pierre, on modifie la forme de la surface du trampoline qui devient courbe. Quand les billes se déplacent sur le trampoline courbe, elles vont autant que possible en ligne droite, mais comme la surface est courbe, leur trajectoire est courbe elle aussi. La Terre se déplace autour du Soleil parce que le Soleil est si massif qu’il courbe l’espace autour de lui. S’il n’était pas là, la Terre continuerait son voyage dans l’espace en ligne droite. La courbure de l’espace est ce qui oblige la Terre à décrire un grand cercle, comme si une force gravitationnelle la tirait vers le Soleil. Alors, la gravité est-elle une force ou une courbure de l’espace ? Les deux descriptions se tiennent.

138 PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET ESPACE

APPRENDRE : VAISSEAUX SUPER RAPIDES Dans l’espace, les distances sont immenses. La vitesse maximale est celle de la lumière et, même si on l’atteignait, il nous faudrait 4,4 ans pour parvenir à l’étoile la plus proche de la Terre. Quant à la galaxie la plus proche, ce serait beaucoup plus long : environ 25 000 ans !

LES EFFETS DE LA RELATIVITÉ La relativité a trois effets principaux sur un vaisseau super rapide : • Le temps ralentit à bord d’un vaisseau super rapide. • La longueur d’un vaisseau super rapide diminue. • La masse d’un vaisseau super rapide augmente.

Tout cela est changé dans les mêmes proportions, qu’on appelle le facteur gamma. Par exemple, si un vaisseau voyage si vite que son horloge à bord, vue de l’extérieur, tourne deux fois plus lentement, alors il paraîtra aussi deux fois plus court et deux fois plus lourd à ces observateurs extérieurs.

RELATIVITÉ ET VAISSEAUX LENT

LENT

LENT

Le temps paraît passer plus lentement.

Les vaisseaux rapides paraissent plus courts que les plus lents.

Les vaisseaux rapides paraissent plus lourds que les plus lents.

RAPIDE

RAPIDE

RAPIDE

1 kg

10 H 00

16 H 00

2 kg

LA PHYSIQUE DU POPCORN 139 COULEUR ET VITESSE

PAUSE SPATIALE Supposez que vous preniez une pause lors d’une mission spatiale et que vous vous arrêtiez sur la planète du coin. Une fois à l’arrêt, vous regardez trois vaisseaux passer. Vous savez que, au moment de leur construction, tous trois mesuraient 1 000 m de long, pesaient 100 tonnes et arboraient sur leur dérive une balise qui émettait un signal lumineux toutes les secondes. Pourrez-vous classer ces trois vaisseaux par ordre de vitesse ? • Le premier paraît mesurer 250 m. • Le deuxième paraît peser 500 tonnes. • La balise du troisième émet un signal toutes les trois secondes.

Un autre effet de la relativité, c’est que les couleurs changent selon la vitesse du vaisseau. Comme les distances raccourcissent et les temps ralentissent pour les vaisseaux super rapides, la longueur d’onde, et donc la couleur, de la lumière qu’ils émettent changent également. Les vaisseaux ont l’air plus bleu quand ils se déplacent vers vous, et plus rouge quand ils s’éloignent. Et plus ils vont vite, plus ils se décalent vers le bleu ou le rouge. C’est ce qu’on appelle le décalage vers le rouge (ou le bleu). C’est un peu le même phénomène que la sirène d’ambulance qui monte dans les aigus quand elle approche et descend dans les graves quand elle s’éloigne.

REPÉRER LES VAISSEAUX Vous restez un peu sur cette planète à repérer d’autres vaisseaux, qui sont blancs quand ils sont posés. À votre gauche, vous voyez le vaisseau A, qui est légèrement bleu, et le vaisseau B, qui est très rouge. À votre droite, vous voyez le vaisseau C, extrêmement bleu, et

le vaisseau D, tout blanc. Quel vaisseau se déplace le plus vite par rapport à vous ? Pour un pilote du vaisseau C, quel autre vaisseau sera le plus coloré (le plus rouge ou le plus bleu), et lequel sera le moins coloré ? C

A B D

140 PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET ESPACE

DÉCOUVRIR : TERRE ET SYSTÈME SOLAIRE Pendant des milliers d’années, nous avons contemplé le ciel nocturne, fascinés par les planètes et les étoiles. Qu’est-ce qui les meut ? Comment se fait-il qu’elles soient toujours disposées de la même manière ? Il nous a fallu des siècles pour répondre à ces questions et trouver la place de la Terre dans l’Univers.

NUIT ÉTOILÉE Par temps clair, des milliers d’étoiles sont visibles dans le ciel. Attendez une heure et leurs positions auront changé. Toutes les étoiles paraissent tourner de la même manière, comme si elles étaient montées sur une sphère gigantesque. Seule une paraît fixe, Polaris, l’étoile polaire. Les astronomes de la Grèce antique pensaient que les étoiles étaient montées sur une sphère géante qu’ils appelaient l’éther, avec Polaris au sommet. Ils pensaient que l’éther tournait, tandis que la Terre restait fixe, ce qui expliquait le mouvement des étoiles. En fait, la Terre tourne autour de son axe, si bien qu’on a l’impression que les étoiles bougent. Il fallut des centaines d’années pour qu’on prouve et qu’on accepte la rotation de la Terre, tant il semblait naturel qu’elle ne tourne pas puisque son mouvement est imperceptible par les sens habituels.

La science consiste à donner du sens au monde en créant des modèles. Les modèles scientifiques doivent être aussi simples que possible. Un modèle complexe du monde, avec plein de détails et d’hypothèses, a toutes les chances d’être incorrect. Si de nombreux détails peuvent être remplacés par un seul, le modèle sera plus simple et aura ainsi plus de chance d’être juste. Un modèle où toutes les étoiles bougent de la même

LA PHYSIQUE DU POPCORN 141 manière, alors qu’elles sont à des millions de kilomètres les unes des autres, exige des milliers d’hypothèses sous-entendues. Un modèle dans lequel seule la Terre tourne est plus simple.

LE SOLEIL ET LA LUNE Les changements célestes les plus évidents sont les positions de la Lune et du Soleil, qui tous les jours se déplacent. On peut expliquer ça en disant que le Soleil et la Lune tournent autour de la Terre, ou que la Terre

tourne sur son axe. Le modèle où la Terre tourne seule est plus simple que celui où Soleil et Lune tournent séparément. Au cours d’une année, le Soleil paraît plus haut dans le ciel en été qu’en hiver. On peut expliquer ça en disant que le Soleil décrit de grands cercles autour de la Terre, ou que la Terre décrit une orbite autour du Soleil. En regardant un globe, on voit bien que l’axe de la Terre forme un angle. C’est ce qui explique que le Soleil est plus haut en été qu’en hiver.

TERRE Pôle Nord

Cercle arctique

Cercle Antarctique Pôle Nord Cercle arctique

Pôle Sud

SOLSTICE D’HIVER (Été de l’hémisphère Sud)

La Lune paraît changer de forme selon un cycle de 29,5 jours. C’est que le Soleil éclaire la Lune, mais que la Terre lui fait de l’ombre. À mesure que Soleil, Terre et Lune modifient leurs positions, la forme de cette ombre se modifie aussi. Cela ne s’explique que si la Lune tourne autour de la Terre.

Équateur

Pôle Sud

SOLSTICE D’ÉTÉ (Hiver de l’hémisphère Sud)

142 PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET ESPACE

EXPÉRIMENTER : CE QU’ON VOIT DEPUIS LA TERRE Le système solaire est composé du Soleil, de huit planètes et de milliers d’autres corps célestes. Tous se déplacent, mus par la force de la gravitation. Il est facile de calculer où chaque étoile se trouvera à une date donnée, mais pour les planètes, c’est une autre histoire.

DESSINER DES CARTES Il y a environ 500 ans, les savants savaient que la Terre tournait autour de son axe et la Lune autour de la Terre, mais ils pensaient que le Soleil tournait aussi autour de la Terre. Ils notaient enfin que certains objets célestes se déplacent bizarrement contre le fond des étoiles fixes. Pendant des siècles, ils pistèrent le mouvement de ces objets qu’ils ont appelés « planètes », qui veut dire « astres errants » en grec, car elles semblaient se déplacer dans un sens puis dans l’autre.

Les scientifiques ont ainsi dressé la carte des déplacements de Mars vus de la Terre. Ils supposaient que le Soleil orbitait la Terre et Mars le Soleil. Vous trouverez à gauche le plan qu’ils dessinaient, avec la Terre au centre. Vous pouvez y retracer, avec votre doigt, le parcours de Mars entre 1580 et 1596. Vous verrez qu’elle paraît avancer la plupart du temps, mais qu’elle recule lors des petites boucles.

IL VOUS FAUDRA : • Un spirographe

CE QU’IL FAUT FAIRE :

ORB

ITE

DE M

Si le motif du schéma ci-contre vous est familier, c’est parce qu’il ressemble à ceux qu’on obtient avec un spirographe. Cet objet fonctionne en vous faisant dessiner un cercle (ou une autre forme) le long du parcours d’un autre cercle, et cela peut servir à représenter l’orbite de Mars vue depuis la Terre. La Terre occupe alors le centre de la grande roue, et le Soleil le centre de la petite roue. ARS

LA PHYSIQUE DU POPCORN 143 1. Commencez avec la roue à spirales. Déplacez la petite roue, vous verrez que son centre reste toujours à la même distance de la Terre. 2. Mars est 1,5 fois plus loin du Soleil que la Terre. Pour Mars, trouvez donc un point 1,5 fois plus loin du centre de la petite roue comparé à la distance de la Terre au Soleil. 3. En dessinant, vous devriez obtenir le même genre de motifs que celui de la page 142. Essayez avec d’autres roues pour voir à quoi les orbites de différentes planètes ressembleraient depuis la Terre. Par exemple, Vénus est 0,75 fois plus proche du Soleil que la Terre.

MOTIFS À PARTIR D’UN CERCLE

Terre

Terre

ÉTAPE 1

Soleil

Motifs de Mars autour de la Terre Mars

Terre Soleil

ÉTAPE 2

ÉTAPE 3

Vue depuis la Terre stationnaire

Vue depuis le Soleil stationnaire

QUE SE PASSE-T-IL ? Ces beaux motifs décrivent les trajectoires des planètes vues depuis la Terre. La vue depuis le Soleil est bien plus simple puisque chaque planète paraît alors décrire un cercle. En analysant ces motifs, les scientifiques se sont rendu compte que le Soleil était au centre de notre système solaire et que la Terre n’était qu’une planète parmi d’autres. Les orbites des planètes ne sont pas tout à fait des cercles, leurs trajectoires sont donc légèrement plus complexes, mais elles les décriront invariablement pendant des milliards d’années.

144 PHYSIQUE NUCLÉAIRE ET ESPACE

APPRENDRE : PLANÈTES VISIBLES Depuis la nuit des temps, nous connaissons cinq planètes (autres que la Terre). Elles sont visibles la nuit sans télescope, et chacune a ses particularités. Par exemple, Saturne est moins dense que l’eau et Jupiter a 79 lunes.

LES PLANÈTES DE NOTRE SYSTÈME Pour compléter cette grille, reliez les planètes à leurs propriétés en inscrivant des X et des coches. Par exemple, des cinq planètes visibles, Saturne est la plus loin du Soleil. Ce fait a été porté sur la grille à l’aide d’une coche verte, et des X ont été inscrits ailleurs pour exclure les autres planètes. À l’aide des indices, remplissez ainsi la grille de coches et de X. Complétez ensuite le petit tableau ci-dessous pour tout savoir de ces planètes visibles. • Sur la planète la plus chaude, le réchauffement climatique est hors de contrôle. • La plus grosse planète abrite une tempête géante. • La planète où le jour est plus long qu’une année est la plus proche du Soleil.

Distance du Soleil (km)

• • • •

• •

• • • •

Température à la surface (°C)

Mars est la planète rouge. Saturne est pourvue d’anneaux. La plus grosse est Jupiter. La plus chaude est la deuxième plus proche du Soleil et la deuxième plus chaude est la plus proche du Soleil. Mars est plus loin du Soleil que Vénus. La plus grosse est la deuxième plus loin du Soleil, et la deuxième plus grosse est la plus loin du Soleil. Mercure est la plus proche du Soleil. Vénus est plus grosse que Mercure et Mars. La plus petite est Mercure. Saturne est plus froide que Jupiter, et Jupiter est plus froide que Mars.

Rayon (km)

Propriété unique

Jupiter Mars Mercure Saturne Vénus

Bien sûr, l’invention de la lunette puis du télescope a permis la découverte de nombreux objets du système solaire comme des planètes, Uranus et Neptune, une planète naine, Pluton, une ceinture d’astéroïdes et des comètes. Aujourd’hui, nous connaissons huit planètes, cinq planètes naines, 181 lunes, 3 083 comètes et plus d’un demi-million d’astéroïdes.

145

Jupiter

Nom

Mars Mercure Saturne Vénus

Distance du Soleil

58 000 000 km 108 000 000 km 228 000 000 km 779 000 000 km

Température à la surface

1 434 000 000 km — 150 ºC — 145 ºC — 63 ºC 427 ºC 462 ºC 2 440 km

Rayon

3 390 km 6 052 km 58 232 km 69 911 km

Propriété unique

Tempête géante Surface rouge Anneaux autour de l’équateur Réchauffement hors de contrôle Jour plus long qu’une année

Jour plus long qu’une année

Réchauffement hors de contrôle

Surface rouge

Anneaux autour de l’équateur

69 911 km

Tempête géante

Propriété unique

58 232 km

3 390 km

6 052 km

Rayon

2 440 km

427 ºC

462 ºC

— 63 ºC

— 145 ºC

— 150 ºC

779 000 000 km

Température à la surface

1 434 000 000 km

108 000 000 km

228 000 000 km

Vénus

58 000 000 km

Distance du Soleil

Saturne

Mars

Mercure

Jupiter

Nom

RÉPONSES

148 RÉPONSES

RÉPONSES P. 12 PREMIER POP

P. 21 TRANSFERT DE CHALEUR

Quand vous ajoutez le popcorn éclaté dans l’eau, le niveau de l’eau monte à peine. C’est parce que le popcorn absorbe l’eau, et s’il le peut le faire, c’est parce qu’on trouve à l’intérieur de larges poches d’air qui peuvent se remplir d’eau. La densité diminue car le popcorn éclaté est surtout constitué de poches d’air.

1. Un ami prépare des pâtes. Il les met dans une casserole d’eau froide et place le tout sur le feu. Conduction du feu à la casserole. Convection quand la chaleur se répand dans l’eau.

P. 20 DENSITÉ Ces réponses sont des approximations. Les vôtres seront sûrement un peu différentes. La masse d’un grain fermé est d’environ 0,16 g, et celle d’un grain éclaté environ 0,14 g, ce qui nous donne une différence autour de 12 %. 83 grains fermés font monter le niveau d’eau de 10 ml. La masse de 83 grains fermés est de 83 × 0,16 g = 13,3 g. Cela nous donne une densité de 13,3 g ÷ 10 ml = 1,33 g/ml. 25 grains de popcorn éclatés occupent un volume de 125 ml. La masse de ces 25 grains est de 25 × 0,14 g = 3,5 g. Ce qui nous donne une densité de 3,5 g ÷ 125 ml = 0,028 g/ml. Le rapport entre ces densités est de 1,33 ÷ 0,028 = 47,5. Comme le popcorn absorbe l’eau, celle-ci occupe une partie du volume du popcorn. Si la même masse occupe un volume bien supérieur, c’est qu’elle est bien plus étalée, il doit donc y avoir de gros trous dans la structure du popcorn. Les vendeurs de popcorn ont donc tout intérêt à le vendre fermé. Quand le popcorn a éclaté, sa masse est environ la même mais il prend bien plus de place, ce qui rend le stockage et le transport bien plus onéreux.

2. Il fait chaud dehors, vous buvez de la limonade. Un glaçon tombe de votre verre et se retrouve par terre. Il fond au soleil. Rayonnement du Soleil à la glace et convection du sol à la glace. 3. Vous mangez du chocolat, en prenant votre temps. Il fond dans votre main. Conduction de votre main au chocolat. 4. Vous faites couler un bain chaud. Vous observez de la vapeur d’eau s’élever de la baignoire. Convection dans l’eau. Convection de la vapeur qui s’élève. 5. Lors d’une nuit de camping, vous vous réchauffez devant un bon feu. Rayonnement du feu à vous. Convection quand l’air se réchauffe autour du feu. 6. Vous vous tordez la cheville à l’école. On vous donne une poche de glace que vous appliquez à l’endroit de la douleur. Conduction de votre cheville à la poche de glace. 7. Un jour de grand froid, vos parents vous amènent à l’école en voiture. Ils allument le chauffage qui souffle de l’air chaud dans l’habitacle. Convection quand l’air chaud se mélange à l’air froid.

P. 24 CHANGER L’EAU EN VAPEUR Ces réponses sont des approximations. Les vôtres seront sûrement légèrement différentes. • Masse de la bouilloire avant de bouillir : 1 636 g • Masse de la bouilloire après : 1 631 g • Masse d’eau perdue : 5 g • Volume d’eau perdu : 5 cm³ • Rayon du bec verseur : 1 cm Aire du bec verseur : π × 1 cm × 1 cm = 3,14 cm²

LA PHYSIQUE DU POPCORN 149 • Il faut 0,5 seconde pour que la vapeur monte à 50 cm, la vitesse de la vapeur est donc : 50 cm ÷ 0,5 s = 100 msԹñ • Le volume de vapeur produit par seconde est ainsi : 3,14 cm² × 100 msԹñ = 314 cm³sԹñ • Le temps entre la première production de vapeur et l’eau qui bout a été de 10,5 secondes. • La volume de vapeur produit est : 314 cm³sԹñ × 10,5 s = 3 297 cm³ • Donc le volume de vapeur était environ 660 fois plus grand que le volume d’eau qui l’a produite.

• L’air dans une montgolfière se refroidit. La pression de l’air ne change pas, la quantité d’air reste la même. Pression Volume

Quantité de gaz

Temp

Volume x Pression = Quantité de gaz x Température La température diminue, le volume diminue, la balance est équilibrée.

• On souffle dans un ballon pour y ajouter de l’air. La température de l’air ne change pas.

P. 28 PRESSION DU POP Supposons que la quantité de vapeur qui s’échappe d’un grain soit de 0,02 g. Supposons que le volume du grain soit 0,4 cm3.

Volume

Pression

Quantité de gaz

Temp

La température est 176 °C. La pression est donnée par : Pression = Quantité de vapeur par grain (g) × Température (°C) ÷ Volume du grain (cm3)

Volume x Pression = Quantité de gaz x Température La quantité de gaz augmente, la pression et le volume augmentent, la balance est équilibrée.

En remplaçant par les valeurs, on obtient : Pression = 0,02 g × 176 °C ÷ 0,4 cm3 = 8,8

• On ouvre une bouteille d’eau gazeuse et on constate que beaucoup de gaz s’échappe. La température de l’air ne change pas.

La pression dans le grain est environ 14 fois plus importante que la pression atmosphérique. Volume

Pression

Quantité de gaz

Temp

P. 30 ÉQUILIBRER UNE ÉQUATION • Un grain de popcorn chauffe. La quantité de vapeur (un gaz) augmente à l’intérieur, comme la température. Le volume de vapeur reste le même.

Pression Volume

Quantité de gaz

Temp

Volume x Pression = Quantité de gaz x Température Température et quantité de gaz augmentent, la pression augmente, la balance est équilibrée.

Volume x Pression = Quantité de gaz x Température La quantité de gaz diminue, la pression diminue, la balance est équilibrée.

150 RÉPONSES P. 34 PROPRIÉTÉS DES SOLIDES, DES LIQUIDES ET DES GAZ 1. a) Les molécules ne sont pas organisées et ne restent pas groupées. (g) 1. b) Les molécules sont organisées selon un motif qui se répète. (s) 1. c) Les molécules n’ont pas d’organisation particulière, mais elles restent proches. (l)

7. b) Si vous le frappez au marteau, seule la partie en contact avec le marteau bougera et des vagues apparaîtront. (l) 8. c) Si vous le frappez au marteau, tout bougera. (s)

P. 45 ÉLECTRICITÉ ET MAGNÉTISME b)

2. a) Les molécules se touchent. (s)

1. a)

2. b) Il y a beaucoup d’espace entre les molécules. (g)

N

S

S

N

N

S

2. c) Les molécules sont proches mais peuvent glisser les unes sur les autres. (l) 3. a) Les molécules ne peuvent que vibrer sur place. Elles ne peuvent pas se déplacer. (s)

N

S

N

c) N

3. b) Les molécules se déplacent librement mais tendent à rester groupées. (l) 3. c) Les molécules se déplacent librement et rapidement dans toutes les directions. (g)

S

d)

4. a) L’eau, l’huile et la lave en sont. (l) 4. b) L’air, la vapeur et l’hélium en sont. (g) 4. c) Le sable, le bois et le caoutchouc en sont. (s) 5. a) Sa forme globale s’accorde à son contenant, mais son volume ne change pas. (l) 5. b) Sa forme globale reste inchangée, à moins d’une déformation. (s)

2. Les flèches montrent la direction dans laquelle des objets chargés se déplaceraient s’ils étaient placés au niveau des étoiles. a)

5. c) Sa forme globale s’accorde à son contenant et son volume augmente pour occuper tout l’espace. (g) 6. a) Quand on le chauffe, il finit par bouillir. (l) 6. b) Quand on le chauffe, il se dilate ou sa pression monte. (g) 6. c) Quand on le chauffe, il se dilate un peu et finit par fondre. (s) 7. a) Si vous le frappez au marteau, rien ne se passe. (g)

c)

b)

S

LA PHYSIQUE DU POPCORN 151 3. Les flèches indiquent la direction d’une aiguille si on la plaçait au niveau des étoiles. a) N

S

N

S

S

N

S

N

b)

N

S

S

N

P. 64 CIRCUITS

S

Avec une puissance de 800 W et une différence de potentiel de 220 V, l’intensité du courant est : Courant = Puissance ÷ Différence de potentiel Courant = 3,64 A

N

S

c) S

N

N N

f) Sentir une présence humaine à un mètre (Infrarouges, lumière visible, rayons gamma) g) Obtenir des images selon la chaleur dégagée (Infrarouges) h) Vision de nuit (Infrarouges) i) Réchauffer de la nourriture (Micro-ondes) j) Téléphone portable et WiFi (Micro-ondes) k) Transmission de messages à longue distance (Ondes radio) l) Signaux GPS (Ondes radio)

S

S

N

P. 56 VITESSE DES ONDES 1. Vitesse des vagues dans l’océan (environ 2 m/s)

La résistance est donnée par: Résistance = Différence de potentiel ÷ Courant Résistance = 60,5 ohm Pour diminuer la puissance d’un facteur 3, il faut diminuer l’intensité du courant d’un facteur 3. Cela signifie que, pour une même différence de potentiel, il faut augmenter la résistance d’un facteur 3. Il faut donc une résistance de 181,5 ohms.

2. Vitesse des ondes sonores dans l’air (343 m/s)

P. 65 DIFFÉRENTES CENTRALES

3. Vitesse des ondes sonores dans l’eau (1 482 m/s)

1. Centrale à charbon (Non renouvelable)

4. Vitesse des ondes p des tremblements de terre (13 992 m/s)

3. Centrale éolienne (Renouvelable)

5. Vitesse des ondes lumineuses (299 785 024 m/s)

2. Énergie solaire et panneaux solaires (Renouvelable)

4. Centrale thermique à flamme (Non renouvelable) 5. Centrale hydroélectrique (cascade) (Renouvelable)

P. 57 AU-DELÀ DU VISIBLE

6. Centrale thermique à gaz (Non renouvelable)

a) Analyse des bagages pour détecter des objets dangereux (Rayons X) b) Étude de la structure des métaux à petite échelle (Rayons X) c) Obtenir des images de l’intérieur du corps humain (Rayons X) d) Désinfection de l’équipement médical (Ultraviolet) e) Détecter les faux billets (Ultraviolet)

7. Centrale de conversion des déchets (Renouvelable) 8. Usine marémotrice (qui se sert des marées de l’océan) (Renouvelable) 9. Centrale nucléaire (Non renouvelable) 10. Centrale géothermique (qui pompe la chaleur du sol) (Renouvelable)

152 RÉPONSES P. 74 ENVOYER DES CODES SECRETS AVEC DES PHOTONS 1. Bob a envoyé JE SUIS OK POUR MARDI 2. Bob a envoyé HELLO ALICE C’EST BOB 3. Alice a envoyé HELLO

P. 82 GRAPHIQUES DE VITESSE 1. L’accélération de la voiture est de (22 m/s – 13 m/s) ÷ 10 secondes = 9 m/s ÷ 10 secondes = 0,9 m/s par seconde. La vitesse moyenne de la voiture est (22 m/s + 13 m/s) ÷ 2 = 17,5 m/s. 2. L’accélération du bus est : 10 m/s ÷ 6 secondes = 1,67 m/s par seconde. La distance parcourue est donnée par Vitesse × Temps. La vitesse moyenne est 5 m/s, donc distance = 5 m/s × 6 secondes = 30 m. 3. L’accélération du camion est : 6 m/s ÷ 5 secondes = 1,2 m/s par seconde. La distance parcourue par la voiture est l’aire de la zone bleue. Pour chaque phase d’accélération ou de décélération, c’est : 10 × 5 ÷ 2 = 25 m. Durant chaque phase à vitesse constante, c’est : 10 × 5 = 50 m. Il y a quatre phases d’accélération et deux phases à vitesse constante. En ajoutant tout ça, on a : (4 × 25) + (2 × 50) = 200 m.

équivalents à un objet très lourd qui, selon Aristote, devrait donc tomber encore plus vite que l’objet lourd seul. L’objet léger ne peut pas à la fois ralentir et accélérer la chute de l’objet lourd, et il est absurde que la longueur de corde détermine l’effet de l’objet léger sur l’objet lourd. Le seul moyen de se tirer de ce paradoxe est d’accepter que tous les objets sont accélérés de la même façon.

P. 94 JOUER AU BILLARD Voici des solutions possibles. Il peut en exister d’autres.

1.

2.

La même méthode nous donne, pour le camion : Durant les phases d’accélération 6 × 5 ÷ 2 = 15 m. À vitesse constante, la distance parcourue est de : 6 × 35 = 210 m. Il y a deux phases d’accélération et une phase à vitesse constante, la distance est donc : (2 × 15) + (1 × 210) = 240 m. Le camion va plus loin que la voiture.

P. 88 GRAVITÉ ET EXPÉRIENCE DE PENSÉE Aristote croit que l’objet lourd est davantage accéléré par la gravité, donc qu’il touchera le sol avant l’objet plus léger. Galilée pense que tous les objets sont accélérés de la même façon sous l’effet de la gravité, donc que les deux objets toucheront le sol en même temps. Galilée suggère que la corde qui relie les deux objets soit toute petite. Si elle est suffisamment courte, les deux objets reliés deviennent

4. Dans les réponses suivantes, le nord et l’est sont positifs, le sud et l’ouest négatifs. • Est-Ouest : 6 unités (blanche avant) + 0 unité (rouge avant) = 5 unités (blanche après) + 1 unité (rouge après) • Nord–Sud : 0 unité (blanche avant) + 0 unité (rouge avant) = – 2 unités (blanche après) + 2 unités (rouge après) • Est–Ouest : 0 unité (blanche avant) + 0 unité (rouge avant) = 1 unité (blanche après) – 1 unité (rouge après)

LA PHYSIQUE DU POPCORN 153 • Nord–Sud : – 3 unités (blanche avant) + 0 unité (rouge avant) = – 1 unité (blanche après) – 2 unités (rouge après) • Est–Ouest : – 2 unités (blanche avant) + 0 unité (rouge avant) = – 1 unité (blanche après) – 1 unité (rouge après) • Nord–Sud : – 3 unités (blanche avant) + 0 unité (rouge avant) = 0 unité (blanche après) – 3 unités (rouge après)

P. 100 MOMENT CINÉTIQUE Quand le patineur serre les bras, il est plus proche de son axe. Si rien d’autre ne change, son moment cinétique va donc diminuer. Mais le moment cinétique se conserve, donc quelque chose doit changer pour le maintenir à la même valeur. Sa masse ne peut pas changer, c’est donc sa vitesse de rotation qui doit augmenter. S’il serre les bras contre son corps, il tournera plus vite. Inversement, s’il les écarte, il tournera plus lentement. Quand il porte sa fille, il augmente sa masse. Son moment cinétique reste le même, pourtant augmenter la masse augmente le moment cinétique, c’est donc qu’autre chose change pour conserver le moment cinétique. Il tournera plus lentement une fois qu’il aura sa fille dans les bras. Changer la rotation terrestre Le vilain peut transformer la Terre en crêpe pour que la masse s’éloigne de son axe de rotation, ou ajouter du plomb à la surface pour alourdir la Terre. Ces deux solutions entraîneront un ralentissement de la rotation terrestre afin de conserver son moment cinétique. La transformer en manche à balai ou la rendre creuse accélérerait au contraire sa rotation. Il y a 365 × 24 = 8 760 heures dans une année. En travaillant 8 heures par jour 5 jours sur 7, les gens travaillent 365 × 8 × 5 ÷ 7 = 2 086 heures par an. Si un jour dure soudain 30 heures, il y aura 8 760 ÷ 30 = 292 jours dans une année. En travaillant 10 heures par jour, 5 jours sur 7, les gens travailleront 292 × 10 × 5 ÷ 7 = 2 086 par an.

Le vilain peut bien rallonger les jours, il ne peut pas changer le nombre d’heures dans une année, si bien que les gens travailleront toujours un peu plus de 2 000 heures par an.

P. 106 FRICTION ET CAMIONS Voie de secours Vitesse moyenne = 15 m/s Distance = 50 m Temps disponible = 50 m ÷ 15 m/s = 3,3 s Décélération maximum = (3 + 1) m/s par seconde = 4 m/s par seconde Changement de vitesse maximum = 4 × 3,3 = 13,3 m/s. Pas suffisant pour arrêter le camion à temps. Graviers Vitesse moyenne = 15 m/s Distance = 175 m Temps disponible = 175 m ÷ 15 m/s = 11,7 s Décélération maximum = (2 + 1) m/s par seconde = 3 m/s par seconde Changement de vitesse maximum = 3 × 11,7 = 35 m/s Suffisant pour arrêter le camion à temps. Si la conductrice choisit les graviers, avec une décélération par friction de 2 m/s par seconde, la décélération totale sera de 3 m/s chaque seconde et il lui faudra dix secondes pour s’arrêter. La distance finale sera donc de 150 m, ce qui sera suffisant pour arrêter le camion. Il faut qu’elle choisisse les graviers.

POURCENTAGE DE GRAINS DE POPCORN

154 RÉPONSES P. 112 POPCORN NUCLÉAIRE

P. 114 DANS L’ATOME

Voici le graphique pour trouver la demi-vie du popcorn :

Le volume du proton est 10–15 × 6 × 10–31 m3 = 6 × 10–15–31 m3 = 6 × 10–46 m3

100 %

Densité = Masse ÷ Volume = (1,7 × 10–27 kg) ÷ (6 × 10–46 m3) = 0,28 × 1019 kg m–3

90 % 80 %

Pour l’électron : Densité = Masse ÷ Volume = 9,1 × 10–31 kg ÷ 6 × 10–31 = 1,5 kg m–3

70 % 60 % 50 %

Autrement dit le noyau est environ 0,28 × 1019 ÷ 1,5 = 1 900 000 000 000 000 000 de fois plus dense que le nuage électronique. Un peu de moins de 2 milliards de milliards de fois plus dense.

40 % 30 % 20 % 10 % 0%

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

TEMPS ÉCOULÉ DEPUIS LE PREMIER POP (SECONDES)

• Pourcentage de grains fermés • Pourcentage de grains ouverts • Demi-vie = 66 secondes

110

120

P. 120 ORANGES ET RADIOACTIVITÉ 1. Chaque source de radioactivité fournit 2 doses équivalentes orange par heure, ce qui fait 6 doses équivalentes orange après une heure en tout. Après un jour, cela fait 144 doses équivalentes orange.

En comptant 365 jours dans une année, on obtient 52 560 doses équivalentes orange par an, soit plus de deux fois la limite recommandée. 2. Ajouter une feuille de papier bloque la radioactivité alpha, si bien que la dose devient 4 × 24 × 365 = 35 040 doses équivalentes orange par an. Toujours au-dessus de la recommandation.

Ajouter une plaque de métal bloque les radioactivités alpha et bêta, la dose devient 2 × 24 × 365 = 17 520 doses équivalentes orange par an, en dessous du maximum recommandé. La moitié de la radioactivité gamma pourra franchir 1 cm de plomb. Cela signifie qu’un quart passera au travers de 2 cm de plomb, un huitième au travers de 3 cm. En ajoutant 3 cm de plomb, seules 2 190 doses équivalentes orange passeront par an.

P. 126 VITESSE DE LIBÉRATION Romulus a plus de masse que la Terre mais elle est de même taille, sa vitesse de libération est donc

LA PHYSIQUE DU POPCORN 155 supérieure à celle de la Terre. Rémus est de même masse que la Terre mais elle est plus grande, sa vitesse de libération est donc inférieure à celle de la Terre. Vulcain a plus de masse que la Terre et elle est plus petite, sa vitesse de libération est donc bien supérieure à celle de la Terre.

P. 132 MISSIONS SPATIALES 1. Spoutnik : (d) 2. Pioneer 1 : (j)

P. 139 VAISSEAUX SUPER RAPIDES • Le premier vaisseau a un facteur gamma de 1 000 m ÷ 250 m = 4. • Le deuxième vaisseau a un facteur gamma de 500 tonnes ÷ 100 tonnes = 5. • Le troisième vaisseau a un facteur gamma de 3 secondes ÷ 1 seconde = 3. Donc, le deuxième vaisseau est celui qui voyage le plus vite et est le plus affecté par les effets de la relativité. Repérer les vaisseaux • La vaisseau C est extrêmement bleu, c’est donc celui qui va le plus vite (vers vous). • Du point de vue du vaisseau C, tous les autres vaisseaux se déplacent vers lui à des vitesses différentes. Comme le vaisseau A se déplace vers vous depuis l’autre direction, c’est lui qui va le plus vite du point de vue du vaisseau C, c’est donc le plus coloré. Il est même plus bleu encore vu de C que ne l’est C vu de votre position. Le vaisseau B est le moins coloré du point de vue du vaisseau C puisque, de votre position, c’est le seul vaisseau à se déplacer dans la même direction que le vaisseau C.

3. Vostok 1 : (h) 4. Mariner 2 : (i) 5. Apollo 11 : (b) 6. Voyager 1 : (a) 7. Giotto : (c) 8. Mars Pathfinder : (g) 9. Station spatiale internationale : (e) 10. Hayabusa 2 : (k) 11. Europa Clipper : (f)

P. 144 PLANÈTES VISIBLES

Distance du Soleil

Température à la surface

Rayon

Propriété unique

Jupiter

779 000 000 km

– 145 ºC

69 911 km

Tempête géante

Mars

228 000 000 km

– 63 ºC

3 390 km

Surface rouge

Mercure

58 000 000 km

427 ºC

2 440 km

Jour plus long qu’une année

Saturne

1 434 000 000 km

– 150 ºC

58 232 km

Anneaux autour de l’équateur

Vénus

108 000 000 km

462 ºC

6 052 km

Réchauffement hors de contrôle

156 INDEX

INDEX 3-D 70–3

A accélération 78, 107

C

diffraction 53

camion de pompier 134–5

diffusion 19

centrales 62–3, 65, 111

distance équilibrer une équation

chaleur 9–35, 39

graphiques de vitesse

fission 111

30

82–3

friction 102

graphiques de vitesse 82

gravité 84, 87, 88–9, 96

transfert 17, 21

arc-en-ciel 52, 54–5, 68

champs électriques 44

Aristote 88–9

changement climatique 65

atomes 7, 110–15, 120

relativité 135, 139 dynamos 63, 65, 67

circuits 64, 67

E

étoiles 7, 122–3

conduction 17, 21

eau

forces 79

convection 17, 21

métaux 59

couleur

rayons X 116

B ballons 15

arcs-en-ciel 54–5 fonte de glace 17

arc-en-ciel 52, 54–5, 68

four micro-ondes 58–9, 61

relativité 139

ondes 50, 56, 58

spectre électromagnétique

résistance 103, 105, 106

52–3

TEP 117

électricité statique 40–2

coups de soleil 68

montgolfière 32–3

courant 64

éclair 38–9, 85

cryptographie 74–5

Einstein, Albert 134–5, 137

barrage hydroélectrique 63 baseball 96

voir aussi vapeur

électricité 38–45

billard 91, 94–5

D

circuits 64, 67

bouilloire 24–5

décalage vers le bleu 139

fabriquer de l’ 62–6

boulets de canon 97, 129

décalage vers le rouge 139

statique 40–2

boussoles 38, 39, 43, 62

demi-vie 112, 113

voir aussi

densité 10–11, 14, 20, 56, 115 désintégration radioactive 112–13 diagrammes d’équilibrage 30–1 différence de potentiel 39, 64

électromagnétisme électromagnétisme 37–75, 79 électrons 39, 59, 62, 64, 110–11, 115, 116–17, 120, 123 électron-volts 39 énergie 9–35 cinétique 22, 23, 59, 93 éolienne 63

LA PHYSIQUE DU POPCORN 157 gravitationnelle 84–5, 93,

montgolfière 32–3

M

122

vapeur 7, 22–9, 31, 59, 63,

magnétisme 38–45

non renouvelable 65

65

champs magnétiques 38,

nucléaire 63, 111

parfait 22–3, 26, 29

39, 42–3, 45, 62

renouvelable 65

gravité 6, 77–107, 126, 129

aimants 62

solaire 63

baseball 96

sonore 39

expérience de pensée

fossiles 63, 65

88–9

marées 85

équation de la puissance 64

relativité 136–7

Mars 142–3, 144–5

équilibrer une équation 30–1

guides d’onde 58, 61

espace 109–45 étoiles 7, 122–3, 127, 138, 140–2 à neutrons 127 exposant 114–15

F

voir aussi électromagnétisme

masse 10–13, 20, 28–9, 115 forces 78, 80–1

H

friction 102

harmoniques 47, 50, 51

fusées 129

hauteur de note 47, 51, 139

fusion 123

hélium 120, 123

gravité 84, 87–9

hydrogène 58–9, 115, 122–3

quantité de mouvement

facteur gamma 138

90, 92–3

fission 111

I

flottabilité 11

imagerie à résonance

flottement 10–11

relativité 135, 136 magnétique (IRM) 117

forces 77–107

résistance 103, 105 Terre 126 vitesse de libération 127

à distance 79, 85

J

de contact 79

Jupiter 125, 144–5

matière, états de voir gaz ;

nucléaires 111, 112

L

Mercure 144–5

vapeur 23

liquides 14, 34–5

voir aussi friction ; gravité

longueur d’onde 46, 47, 52,

vitesse terminale 103

électrostatique 85

four micro-ondes 7, 28, 58–61, 64, 112 fréquence des ondes 46, 52, 60, 61

liquides ; solides

54–5, 57–61, 68–9, 116 lumière 39, 68–73 filtre 70–3 ondes 46, 52, 56, 68–9

friction 102, 104–7

particules 68–9

fusées 128–31

spectre électromagnétique

fusion 123

52–3 vitesse 52, 56, 60, 61, 134,

G

135, 138

galaxies 85, 138

lumière polarisée 70–1

Galilée 6, 87, 88–9, 134

lune 6, 84, 85, 124–5, 126, 127,

gaz 14–29, 31–5 diagrammes en balancier 31

141–2

158 INDEX messages codés 74–5

O

micro-ondes 7, 52, 60–1

onde 37–75

Pluton 144 poids 11, 84, 105, 126

milieu 56

de pression (ondes p) 56

Polaris 140

missions spatiales 132–3

fabriquer une 48–51

pollution 65

molécules 14

infrarouges 52, 53

popcorn éclaté 7, 10, 12–13, 16,

moment cinétique 100–1

lumineuse 46, 52, 56,

conservation 100

68–9

17, 20, 26–9, 59, 112–13 pression

montgolfière 32–3

progressives 47

de l’air 29

Morse, code 74

radio 52–53

diagramme d’équilibrage

moteurs 66–7

sinusoïdales 46

31

à pile 66–7

sonores 46–7, 51, 56

gaz 14–15, 22–3, 26–9, 122

électriques 67

stationnaires 47

mouvement 102 lois 78–81, 91, 128 projectile 97–9

prismes 52

vitesse d’une 46, 56, 60–1

protons 110–11, 115, 120, 122–3

oranges et radioactivité

voir aussi friction ; gravité ; vitesse

popcorn 26–9

ultraviolettes 52, 53, 68

120–1 oscillateurs 58, 60

Q quantité de mouvement 81, 90–5

oscillation 46

N

conservation 91–3, 94–5,

navettes spatiales 130–1

P

Neptune 144

parabole 96–7

neutrons 110–11, 120, 123

parachutes 103

R

Newton, Sir Isaac 52, 78, 80,

perception de la profondeur

radioactivité 120–1

91, 128 noyau 110–13, 115, 120, 123

100

alpha 120–1

71, 73 photons 53, 68–71, 73–5

bêta 120–1

physique et médecine 116–17

gamma 120–1

physique nucléaire 109–45

rayonnement 17, 21 électromagnétique 117

planètes 142–5

rayons X 52, 53, 116, 118–19 réactions en chaîne 111 réfraction 52, 55 relativité 134–7 résistance 64 de l’air 99, 103–6, 131

S Saturne 144–5 Scott, David 6 Soleil 85, 122–3, 125, 136, 137, 141–3 solides 14, 34–5

LA PHYSIQUE DU POPCORN 159 spectre électromagnétique 52–3 Station spatiale

V vaisseaux 128–9, 138–9 vapeur 7

internationale (ISS) 128,

électricité 63, 65

129

fabriquer de la 24–6

supernova 123 système solaire 124–5, 140–3

moteur 22–3 popcorn 7, 26–9, 31, 59 Vénus 144–5

T

vide 56

température voir chaleur

visualiser une équation 10

temps

vitesse de libération 126–9

équilibrer une équation

vitesse terminale 103

30

vitesse

relativité 135, 136

de la lumière 52, 56, 60,

graphiques de vitesse 82

61, 134, 135, 138

Terre 123, 124–5, 126

de libération 126–7

axe 141

effet sur la couleur 139

champ magnétique 38,

équilibrer une équation

39, 62

30

gravité 85, 86, 129

fusées 128

orbite 136–7

graphiques 82–3

orbite de Mars 142–3

mouvement d’un projectile

rotation 101, 140–2

99

vitesse de libération 126,

ondes 46, 56, 60–1

129

quantité de mouvement

tomographie à émission de positrons (TEP) 116–17

90–1 vaisseaux 138–9

traction 102

voies de secours 106–7

travail 16, 23

volume 10–13, 115

trou noir 127

gaz 15, 23, 24–7, 31, 33

turbines 65

popcorn 12–13, 20, 29 sphères 29

U ultrasons 117

W

Univers 6, 123–5, 140–1

WiFi 53

uranium 111 Uranus 144

160

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